JP2014527125A - 相互接続された電解セル内の電流分布を連続的に検出するための常設システム - Google Patents

Abstract

本発明は、集電バス・バーであって、集電バス・バーと電気接触する複数の電極を収容するための電極ハウジングを含む集電バス・バーに関する。通電中、電気接点に対応して局部的に確立された、電位を測定するプローブもまた、バス・バーに接続される。本発明はさらに、金属の電解採取または電気精練プラントの電解セルにおける各電極上の電流分布を連続的に評価することを可能にする常設監視システムであって、警報システムと、予め設定した値に適合しない場合、個別の電極を切断する手段とに接続されたシステムに関する。

Description

本発明は、集電バス・バーであって、集電バス・バーと電気接触する複数の電極を収容するための電極ハウジングを含む集電バス・バーに関する。通電中、電気接点に対応して局部的に確立された、電位を測定するプローブもまた、バス・バーに接続される。本発明はさらに、金属の電解採取または電気精練プラントの電解セルにおける各電極上の電流分布を連続的に評価することを可能にする常設監視システムに関する。

電気化学プラントのセルに供給された電流は、特に金属の電解採取または電気精練プラントに関して、個別のセル電極へ非常に多様に、かつ不均一に分配される場合があり、生産に悪影響を及ぼす。この種の現象は、多くの様々な理由によって起こり得る。例えば、金属の電解採取または電気精練プラントの特定の場合には、負に分極した電極（陰極）は、電極上に堆積した生成物を採取することができるように、それらの座部から頻繁に引き抜かれ、以降の生産サイクルに向けて後で適所に戻される。この頻繁な取り扱いは非常に多くの陰極において一般に行われているが、関連する座部上に酸化膜が形成され得るためもあって、しばしばバス・バー上に不完全に再配置され、全く完全に電気接触しなくなる。また、電極上に生成物の堆積が不規則に起こり、生成物の質量勾配が形成されることによって、陰極表面の外形が変化し得る。これが生じると、陽極と陰極との間隔が、実際表面全体に沿ってもはや一定ではないために、電気的な不平衡の状態が確立される。すなわち、各陽極−陰極対の間の間隔の関数である電気抵抗が変化し得るものになり、電流分布における不均一性の問題を悪化させる。

このように、電極自体の集電バス・バーとの電気接触が悪いこと、および陰極表面の外形が変化することの両方により、電流は各電極に異なる量で分配され得る。さらに、単純な陽極の消耗でさえ、電流分布に影響を及ぼし得る。

電流分布におけるこれらの不均一性は、陽極−陰極間の短絡現象を導き得る。短絡の場合には、電流は短絡した陰極に集中し、残りの陰極への電流を減らし、生成を著しく妨げる傾向があり、これは、短絡した陰極をセルから切断するまで回復させることができない。

さらに、不規則な電流分布は、上述の品質および生産能力の損失を引き起こすことに加えて、チタンメッシュから製造された現代的概念の陽極における完全性（ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）および寿命にとって問題となるであろう。

工業プラントでは、多数のセルおよび電極が存在することを考えると、電流分布の不規則さを見つける作業は非常に複雑な作業である。実際そのような検出は、何千もの手動測定を必要とし、赤外線検出器または磁気検出器によってオペレータが行う。金属の電解採取または電気精練プラントの特定の場合では、オペレータは、非常に暖かい環境で、硫酸を主成分とする酸性ミスト存在下でそのような検出を実行する。

さらに、ガウスメータまたは赤外線センサを備えた機器などのオペレータが使用する従来の手動要素が実際に検出するものは、磁界または温度のばらつきに関連する不平衡（ｕｎｂａｌａｎｃｅｓ）であるため、従来の手動要素は、電流分布の大きい不平衡しか見つけることができない。

これらの手動システムまたは半手動システムは、非常に高価であることに加えて、連続的に作動せず、時々しかチェックを行うことができないという欠点を有する。

常設であり、連続的に作動するが、各単一の電極に対してではなく、各セルに対して、電圧および温度のばらつきを検出することだけが可能なセル監視用無線システムが知られている。上で説明した理由により、この情報はほとんど正確ではなく、全体的に不十分である。さらに、ホール効果に基づく固定された電流センサにより、個別の陰極に供給された電流を連続的に検出することを目的とした開発プロジェクトがある。そのようなセンサは、大きな寸法の外部電源、例えば、大型の組電池を必要とする能動部品である。

磁気センサに基づいたシステムも知られているが、それらでは十分な精度で測定することができない。

これらの理由により、電解採取または電気精練プラントに設置されたすべての電極内の電流分布を永久的かつ連続的に監視するための技術的および経済的に実行可能なシステムが産業に必要とされている。

本発明は、外部から電力供給された能動部品を使用せず、かつ、警報システムによって１つまたは複数の特定の電極の誤動作を報告することにより、オペレータが不健康な環境で手動測定を行う必要がなく、電気化学プラント内、例えば金属の電解採取または電気精練プラント内の何千もの電極の電流分布を連続的に監視することを可能にする。

本発明はさらに、電気接点除去手段（ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔａｃｔ ｒｅｍｏｖａｌ ｍｅａｎｓ）によって、バス・バーと個別の電極との間の電流を遮断することを可能にする。

赤外線センサまたは磁気センサなどの能動電子部品がなければ、はるかにより安く、事実上保守不要のシステムになる。

本発明の様々な態様を添付の特許請求の範囲に述べる。

一態様では、本発明は、均一な抵抗を有する細長い本体からなり、１つまたは複数の任意に除去可能な陽極および／または陰極電気接点ための一様に離間しているハウジングを含む、電気化学セル、例えば電気冶金プラントに適したセルのための集電バス・バーであって、バス・バーとバス・バー上に収容された電極との間に確立された電気接点に対応して、固定手段によってバス・バーに接続された電位を検出するプローブをさらに含む集電バス・バーに関する。

本明細書では、ハウジングという用語は、陽極および陰極を収容および支持すると同様に、電極とバス・バーとの間の最適で任意に除去可能な電気接点にとって有利に働くのに適した適切な座部を示すために使用する。

本発明者は、あらゆる方向に一定である抵抗と、バス・バー上に設けられた電極ハウジングの良好に画定された幾何形状と、バス・バーと電極との適切な電気接点とを特徴とする集電バス・バー向けに適切な材料を選択することによって、電極への電流分配を、集電バス・バー上で測定可能な電位差値に直接対応させることができることを確認した。

一実施形態では、集電バス・バーは、長手方向に交互に一様に離間するように配置された、１つまたは複数の任意に除去可能な陽極および陰極電気接点のハウジングが設けられている。

さらなる実施形態では、集電バス・バーは、バス・バー幅の両側に長手方向に一様に離間するように配置された、１つまたは複数の任意に除去可能な陽極および陰極電気接点のハウジングが設けられている。

また、すべての電極の間で均一な量の電流が分配される理想的なシステムでは、電位差は隣接する電極の各対に対して一定になることも確認した。

本明細書の文脈において、除去可能な電気接点を有するハウジングという用語は、ばねを含む装置などの、電極とバス・バーとの電気接点を切断する手段と結合された電極（陽極または陰極）を収容するのに適した適切な座部を意味するために使用する。

集電バス・バーは、バス・バー長さに沿って等間隔に位置するハウジングを備えた様々な形状に従って製造されてもよい。一実施形態では、バス・バーは、ハウジングをバス・バーの長さに沿って両側に交互に配置するのに十分な幅を有してもよい。

別の態様では、本発明は、１つまたは複数の任意に除去可能な陽極および陰極電気接点のハウジングを含む集電バス・バーによって、電気的に直列に相互に接続された複数の電解セルを含むプラントに関する。バス・バーはさらに、任意に除去可能な電気接点に対応して、固定手段によってバス・バーに接続された電位を検出するプローブを含む。

さらなる態様では、本発明は、上述の電解セルにおける各電極内の電流分布を連続的に監視するシステムであって、１つまたは複数の任意に除去可能な陽極および／また陰極電気接点のハウジングを有する集電バス・バーであって、固定手段によって集電バス・バーに接続された電位を検出するプローブを含む集電バス・バーと、警報装置に接続された各個別の陰極または陽極内の電流強度値を得ることを可能にするアナログまたはデジタルデータ計算システムとを含むシステムであって、計算システムによって与えられた電流強度測定値を、各陽極および陰極の１組の所定の限界値と比較すること、および、計算された電流強度の結果がいずれの陽極または陰極の前記対応する所定の限界値にも適合しなかった時は常に、警報装置を作動させることに適した処理装置をさらに含むシステムに関する。

さらに別の態様では、本発明は、上述の電解セルにおける各電極内の電流分布を連続的に監視するシステムであって、１つまたは複数の除去可能な陽極および／また陰極電気接点のハウジングを有する集電バス・バーであって、固定手段によって集電バス・バーに接続された電位を検出するプローブを含む集電バス・バーと、１つまたは複数のばねが任意に設けられた個別の電極を吊り上げるための遠隔指令される装置に接続された各個別の陰極または陽極内の電流強度値を得ることを可能にするアナログまたはデジタルデータ計算システムとを含むシステムであって、計算システムによって与えられた電流強度測定値を、各陽極および陰極の１組の所定の限界値と比較すること、および、計算された電流強度の結果がいずれの陽極または陰極の前記対応する所定の限界値にも適合しなかった時は常に、吊り上げ装置を作動させ、それによって個別の適合していない陽極または陰極を切断することに適した処理装置をさらに含むシステムに関する。

様々な実施形態によれば、集電バス・バーへのプローブの固定手段は、ボルト締めおよび溶接から選択することができる。プローブは、ケーブルまたはワイヤから構成することができる。

本発明はまた、一方の側から供給され、他方の側では追加のバス・バーに当接する電極を有する電解セルの場合にも実施することができる。前記追加のバス・バーは、通常補償バス・バーと呼ばれるが、陽極用と陰極用とで独立している。

本発明によるバス・バーのいくつかの実施形態について、添付図面を参照して以下に説明するが、これは、本発明の特定の実施形態における様々な要素の相互配置を示すことのみを目的とする。特に、図面は縮尺通りに再現されることを意図するものではない。

集電バス・バーと、陽極と、陰極と、電極／バス・バー接触域と、接点に関連する検出点とを含む、本発明の３つの可能な実施形態の３次元図を示す。 集電バス・バーと、陽極と、陰極と、電極／バス・バー接触域と、接点に関連する検出点とを含む、本発明の３つの可能な実施形態の３次元図を示す。 直列に接続された３つの電解セルからなるプラントの機構を示し、各セルは、５つの陽極および４つの陰極を含む。 補償バス・バーを含む機構を示す。 集電バス・バーとの電気接点が存在する場合の電極の正面図および関連する詳細（５ａ）、ならびに、電気接点が存在しない場合の電極の正面図および関連する詳細（５ｂ）を示す。

図１には、可変幾何形状外形を備えた集電バス・バー０と、陽極１と、電極／バス・バー電気接触域２と、電気接点に関連する検出点３と、陰極４とを示す。

図２には、集電バス・バー０と、陽極１と、電極／バス・バー電気接触域２と、電気接点に関連する検出点３と、陰極４とを示す。

図３には、電気的に直列に接続された３つの電解セル（セル１、セル２およびセル３）からなる電解プラントの機構を示し、各電解セルは、５つの陽極（陽極１、陽極２、陽極３、陽極４および陽極５）と、４つの陰極（陰極１、陰極２、陰極３および陰極４）と、陽極集電バス・バー（バス・バー１）と、陰極集電バス・バー（バス・バー４）と、２つの双極集電バス・バー（バス・バー２およびバス・バー３）と、電流６の方向を示す矢印と、電位検出点（ａ_{２１−２５}、ｋ_{２１−２４}、ａ_{３１−３５}、ｋ_{３１−３４}）とを含む。

図４には、補償バス・バー（新規陽極平衡バス）と、主電流（Ｉ陽極Ｙ）の方向を示す矢印と、補償電流（Ｉ平衡陽極Ｙ）の方向を示す矢印とを含むセルの機構を示す。

図５は、バス・バー０と、バス・バー０と電気的に接触する電極１と、電気接点を切断する手段７とを含む正面図を示し、同様に、電気接点が存在する場合の接触域の詳細（５ａ）、および電気接点が存在しない場合の接触域の詳細（５ｂ）も示す。

本発明者が得た最も有意な結果のいくつかを以下の実施例で示すが、本発明の範囲を限定するものとして意図されない。

銅の電解採取のためのプラントを図３の機構に従って組み立てた。各電解セルが、酸化イリジウムをベースとする触媒層で被覆されたチタンメッシュからなる５つの陽極と、４つの銅陰極とを含む３つの電解セルを、陽極用台形状座部および陰極用三角形状座部を備えた２つの銅集電バス・バーによって、電気的に直列に接続した（図１参照）。次いで、３６本のケーブルを、生成された３６個の電気接点（１つの電極当たり２個）に対応させてバス・バーにボルト締めすることにより接続した。次いでケーブルを、マイクロプロセッサおよびデータメモリを備えたデータロガに接続し、予め設定したデータに対して１０％の差異を検出した時は常に、データロガに接続した警報装置を作動させるようにプログラムした。

この特定の場合における電流の分配を計算するために使用する方法は、下記の式によって示したモデルに基づき、セル２の各陽極および各陰極に関する電流Ｉは、次のものから与えられる。
Ｉ（陽極１）＝Ｉ’（ｋ_２１，ａ_２１）
Ｉ（陽極２）＝Ｉ”（ｋ_２１，ａ_２２）＋Ｉ’（ｋ_２２，ａ_２２）
Ｉ（陽極３）＝Ｉ”（ｋ_２２，ａ_２３）＋Ｉ’（ｋ_２３，ａ_２３）
Ｉ（陽極４）＝Ｉ”（ｋ_２３，ａ_２４）＋Ｉ’（ｋ_２４，ａ_２４）
Ｉ（陽極５）＝Ｉ”（ｋ_２４，ａ_２５）
Ｉ（陰極１）＝Ｉ’（ｋ_３１，ａ_３１）＋Ｉ”（ｋ_３１，ａ_３２）
Ｉ（陰極２）＝Ｉ’（ｋ_３２，ａ_３２）＋Ｉ”（ｋ_３２，ａ_３３）
Ｉ（陰極３）＝Ｉ’（ｋ_３３，ａ_３３）＋Ｉ”（ｋ_３３，ａ_３４）
Ｉ（陰極４）＝Ｉ’（ｋ_３４，ａ_３４）＋Ｉ”（ｋ_３４，ａ_３５）
上式において、Ｉ’およびＩ”は、各陰極および各陽極を橋架けする電気接点の各対の間に構成される集電バス・バーの部分を横切って流れる電流を特定する。

次いで、一般的なセルＸに対して、以下の関係が適用される。
Ｉ（陽極Ｙ）＝Ｉ”［ｋ_{Ｘ（Ｙ−１）}，ａ_ＸＹ］＋Ｉ’（ｋ_ＸＹ，ａ_ＸＹ）
Ｉ（陰極Ｙ）＝Ｉ’［ｋ_{（Ｘ＋１）Ｙ}，ａ_{（Ｘ＋１）Ｙ}］＋Ｉ”［ｋ_{（Ｘ＋１）Ｙ}，ａ_{（Ｙ＋１）（Ｙ＋１）}］

材料の均一性および集電バス・バーの構造により、バス・バーの２つの連続する電気接点間の抵抗値Ｒは、同じである。

２つの一般的な連続する電気接点間の電位差がＶであるとすると、関連する電流は１／（Ｒ×Ｖ）に等しい。

次いで、Ｉ_ｔｏｔが総電流であり、１つのセル当たりにＮ個の陰極およびＮ＋１個の陽極が存在する場合、一般的なセルに対して、以下が適用される。
Ｉ_ｔｏｔ＝ΣＩ（陽極Ｙ）であり、Ｙは１〜Ｎ＋１の範囲にある。または、Ｉ_ｔｏｔ＝ΣＩ（陰極Ｙ）であり、Ｙは１〜Ｎ＋１の範囲にある。

すべてのセルを通して、Ｉ_ｔｏｔ＝（１／Ｒ）×｛ΣＶ［ｋ_{Ｘ（Ｙ−１）}，ａ_ＸＹ］＋Ｖ（ｋ_ＸＹ，ａ_ＸＹ）｝であり、Ｙは１〜Ｎ＋１の範囲にあるため、各セルにおいては、１／Ｒ＝Ｉ_ｔｏｔ／｛ΣＶ［ｋ_{Ｘ（Ｙ−１）}，ａ_ＸＹ］＋Ｖ（ｋ_ＸＹ，ａ_ＸＹ）｝であり、Ｙは１〜Ｎ＋１の範囲にある。

１／Ｒについての同じ評価を、１つのセル内の陰極電流から行うことができる。

そのような操作を、すべての集電バス・バーに対して行う。

特に、一般的なセルＸの単一の陽極および単一の陰極に対して、以下が適用される。
Ｉ（陽極Ｙ）＝１／Ｒ×｛Ｖ［（ｋ_{Ｘ（Ｙ−１）}，ａ_ＸＹ）］＋Ｖ（ｋ_ＸＹ，ａ_ＸＹ）｝
Ｉ（陰極Ｙ）＝１／Ｒ×｛Ｖ［ｋ_{（Ｘ＋１）Ｙ}，ａ_{（Ｘ＋１）Ｙ}］＋Ｖ［ｋ_{（Ｘ＋１）Ｙ}，ａ_{（Ｙ＋１）（Ｙ＋１）}］｝

当業者は、補償バス・バーが存在する場合などの他のモデルを使用してもよい。

そのような場合には、図４が参照され、Ｉ（Ｂ陽極Ｙ）が、陽極が反対側で当接する補償バス・バーの陽極によって受け取られた電流であり、かつ、ｂ_Ｘが補償バス・バーと陽極との接触点である場合、以下が適用される。
Ｉ（Ｂ陽極Ｙ）＝Ｉ［ｂ_{Ｘ（Ｙ＋１）}，ｂ_ＸＹ］−Ｉ［ｂ_ＸＹ．ｂ_{Ｘ（Ｙ−１）}］

次いで、２つの隣接する電気接点間に介在する補償バス・バーの部分の抵抗をＲ_ｂで示すと、以下の関係が得られる。
Ｉ（Ｂ陽極Ｙ）＝１／Ｒ_ｂ ^＊｛Ｖ［ｂ_{Ｘ（Ｙ＋１）}，ｂ_ＸＹ］−Ｖ［ｂ_ＸＹ．ｂ_{Ｘ（Ｙ−１）}］｝であり、陽極への総電流は次の通りである。
Ｉ（総電流陽極Ｙ）＝Ｉ（陽極Ｙ）＋Ｉ（Ｂ陽極Ｙ）

前述の説明は、本発明を限定することを意図するものではなく、本発明は、本発明の範囲から逸脱することなく、異なる実施形態によって用いてもよく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。

本出願の説明および特許請求の範囲の全体にわたって、用語「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、ならびに、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」などの変化形は、他の要素、構成部品または追加の工程ステップの存在を排除することを意図しない。

Claims (11)

1. 電気化学プラントのセルのための集電バス・バーであって、
   均一な抵抗を有する細長い本体であって、１つまたは複数の任意に除去可能な陽極および／または陰極電気接点のための一様に離間しているハウジングを含む本体と、
   電位を検出するプローブであって、前記１つまたは複数の電気接点に対応して、固定手段によって前記集電バス・バーに接続されているプローブと
   を含む、集電バス・バー。
2. １つまたは複数の任意に除去可能な陽極および陰極電気接点のための前記ハウジングが、長手方向に交互に位置付けされ、一様に離間している、請求項１に記載の集電バス・バー。
3. １つまたは複数の任意に除去可能な陽極および陰極電気接点のための前記ハウジングが、長手方向に一様に離間し、バス・バー幅の両側に位置付けされている、請求項１に記載の集電バス・バー。
4. 複数の電解セルを含む電気化学プラントであって、前記セルが、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集電バス・バーによって電気的に直列に相互に接続されている、電気化学プラント。
5. 請求項４に記載のプラントであって、
   前記複数のセルが、
   １つまたは複数の陽極電気接点のためのハウジングを有する集電バス・バーによって、整流器の正極に接続された陽極の末端セルに、および
   １つまたは複数の陰極電気接点のためのハウジングを有する集電バス・バーによって、整流器の負極に接続された陰極の末端セルに
   電気的に直列に接続され、
   前記集電バス・バーが、前記１つまたは複数の電気接点に対応して、固定手段によって前記集電バス・バーに接続された電位を検出するプローブを有する、
   プラント。
6. 前記固定手段が、ボルト締めおよび溶接から選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集電バス・バー。
7. 電位を検出するための前記プローブが、ケーブルまたはワイヤである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集電バス・バー。
8. 電気化学プラントの電解セルにおける各電極内の電流分布を連続的に監視するシステムであって、
   １つまたは複数の任意に除去可能な陽極および／または陰極電気接点のためのハウジングを備えた集電バス・バーであって、固定手段によって前記バス・バーに接続された電位を検出するプローブを含むバス・バーと、
   前記プローブによって検出された電位値から、各個別の電極内の電流強度値を測定するアナログまたはデジタル計算手段と、
   各電極に接続された警報装置と、
   前記計算手段によって与えられた電流強度測定値を、各電極の１組の所定の限界値と比較するのに適した処理装置と、
   前記電流強度の結果がいずれの電極の前記対応する所定の限界値にも適合しなかった時は常に、前記警報装置を作動させる手段と
   を含むシステム。
9. 請求項８に記載の電気化学プラントの電解セルにおける各電極内の電流分布を連続的に監視するシステムであって、
   すべての電極に接続された警報装置と、
   前記電流強度の結果がいずれの電極の前記対応する所定の限界値にも適合しなかった時は常に、前記警報装置を作動させる手段と
   を含むシステム。
10. 請求項８または９に記載の電気化学プラントの電解セルにおける各電極内の電流分布を連続的に監視するシステムであって、
    個別の電極を吊り上げる装置と、
    前記電流強度の結果がいずれの個別の電極の前記対応する所定の限界値にも適合しなかった時は常に、前記吊り上げ装置を作動させる手段と
    を含むシステム。
11. 前記吊り上げ装置が少なくとも１つのばねを含む、請求項１０に記載の電気化学プラントの電解セルにおける各電極内の電流分布を連続的に監視するシステム。