在电解法中在直流电流上叠加交流电流的方法与流程

文档序号:13742998阅读:857来源:国知局
技术问题铜工业使用电流整流器生产铜,其中流通电解液具有溶解入其中的铜(图2)。由整流器生成的电流使得电解液中溶解的铜沉积在阴极表面上;根据法拉第定律的该过程与流通电流成比例,并且导致高纯度的金属铜。然而,由于事实证明,电极处电流密度的任意增加使所沉积铜的化学和物理质量恶化,所以关于在阴极上沉积铜的能力方面沉积过程具有限制。目前,工业设施用约300-400[A/m2]的电流密度工作。电流水平的增加导致增加生产,然而带来一些质量问题。在电解冶金(EW)和电解精炼(ER)的传统过程中,用于冶金过程的控制变量是铜浓度、流速和电解液的温度。增加温度提高了离子的局部迁移率,而流速和浓度加大了离子反应的可用性。用高于300[A/m2]的电流密度用于铜生产、保持保留的铜的良好物理质量的工业EW设施以高于45[℃]的温度、高于2.2[I/min/m2]的表面流速以及约45[g/l]的铜浓度操作。这带来了高操作成本,如果铜的国际评估高的话这是合理的,然而,在低和中等等级评价中,高操作成本对工厂的操作连续性是决定性的。在ER设施用于铜的情况下,电流密度甚至进一步由于阳极钝化现象而受到限制,其典型地将电流密度限制为320[A/m2]或更低,并且ER设施还必须在60[℃]以上的温度操作以维持沉积的质量。流速不是可供ER设施中使用的变量,因为流速的增加会导致阳极泥的搅动,这会污染所生产的阴极的较低部分。电沉积现象的具体学习它不是我们的目的,也不是在所谓“电化学双层”的界面电极-电解液处发生的现象。然而,有必要一提的是模型化的电化学双层限定(如其名称暗示的)具有不同行为的电解液的两个完全区别开的层:内层或赫姆霍兹层以及外层或扩散层(图3)。赫姆霍兹层内部发生溶液中的铜转变为金属铜的复杂现象。由于大量积累的离子在这样小的距离“等待”被沉积,模型可以简化地将赫姆霍兹层认为由金属板(电极)和非金属板(包括电解液中的高浓度离子)构成的电容器。该非金属板与电阻特性的阻抗并联连接,表示将溶液中的离子金属原子转变为阴极的金属晶格(铜还原)所需的能量(图4)。对于扩散层,它包括范围从接近赫姆霍兹层到溶液内典型浓度的离子浓度。撇开赫姆霍兹层,从扩散层到溶液的中部发生离子输运现象,就像由于施加电场的迁移和由于浓度变化的扩散。为了提高这些输运现象,存在多种技术,诸如包括将空气注入到电解液的“空气喷射”,该技术在电极附近生成水动力的改善,以及EMEW技术,该技术实际上实现了额外的高流速操作。然而,由于高的实施成本限制了这些技术处理边缘溶液,因此它们不适用于大量生产铜。电解液的粘度限制了以上提及的技术的效果,电解液的粘度阻止机械搅动从电解液施加到电极以接近电化学双层处的反应区。然而,通过改变进入电解池的电流、通过在直流电流传统电沉积过程上叠加或重叠交流电流、使用赫姆霍兹层的电容器作为用于交流电流的输运工具,存在“电摇动”电解液的可能性。该电容器的金属板(电极)经受表面电荷的巨大变化,就像它是金属导体。相反,该电容器的非金属板中电荷的变化必然生成溶液中离子分布的变化,因为离子占有溶液内的物理空间。这意味着重叠交流电流生成电解液-电极界面附近的离子运动,并且更确切地在扩散层中(图5)。这实现了在机械搅动方法由于溶液粘度而不可用的区域中某种使电极附近的离子移动的“液压泵”。值得一提的方面是如果搅动具有足够高的频率,由于赫姆霍兹电容器的电容非常高,它将承受大负载变化而没有大电压变化。因此,溶液中的离子转化为金属晶格的集成离子的现象以与传统过程中相同的方式发生,但是在电极附近到溶液的输运现象的质量中有很大提高。由阻抗谱的测试方法可确定通过将AC电流叠加到传统过程以用于搅动界面的适当频率,结果频率在5至10[KHz]的范围中。较低的频率具有直流电流源(整流变压器)的操作干扰的风险,而在较高频率处,AC生成系统效率大幅降低。简而言之,技术问题涉及实现在DC上叠加AC用于工业电解池过程中的EW和ER的过程。现有技术目前,实现将AC叠加在DC上的所有提出的策略已经限制为将AC源并联连接在由DC源使用的相同连接点上,或者在各个池的子组中的点之间,从而使得AC源暴露于直流电压。除此之外,各种提议包括源变化、总线连接变化、池结构的变化和/或以上提及的变化的混合,如图6中所示。在1935年的Groole的发明(US2026466)的情况中,它包括电荷控制器,所以来自初级电源的功率消耗接近于恒定。过程或装置改变供应到负载的电流特性,而不调节功率。该发明落入图6(c)所示的策略中,即时在那是甚至不存在整流变压器。在2004年的Lewis的发明(US2004/0211677A1)的情况中,它示出了新源,如图6(b)所示。通过该源流通所有过程流程,承载DC以及AC。存在Mathews发明(US2007/0272546A1)的情况。该发明的申请涉及改变和丢弃在那时操作的直流电流源;改变和丢弃在DC源与电解池之间的整个母线连接;改变和丢弃常规电解池的整个结构。然后,以用于工业生产的新的并且未标准化的装备代替先前的装备。发明(INAPI0817/2007)提出包括一种装置,其连续地减去、积累和返回能量到电解池的组,如图6(d)所示。该配置设置可用于叠加直流电流的交流电流,而不需要改变原始安装。该申请在澳大利亚、南非和美国获得批准。在美国它拆分为两个专利,其中一个要求保护通过连续地减去、积累和返回能量生成交流电流的过程,并且另一个要求保护执行该过程的装置;这两个专利都被授权。在智利仍然悬而未决,但是具有正面的专业审查报告。Lagos的发明(INAPI0969/2009)的情况中,它公开了实现与由Bustos在0817/2007中提出的具有类似理念的类似装置的两种变形的两种可能性,但是不包括存储电容器。该发明要求保护可以代替这些电容器的功能的电解池的组或者子组。以我们的观点来看,这个策略由于电解工业设备的尺寸而不适用于工业;连接导体将具有与诸如IGBT晶体管的装置的操作不兼容的电感,如图6(e)和6(f)所示,这两图是该申请的代表。从以上分析,遵循本文中提出的发明由图6(g)示意性地表示,其中连接到电感器的交流电流源包括为本发明的一部分。该配置不同于以上列出的发明和专利申请,因为连接点表示DC源上零电压的点。以下说明书描述了本发明。提出的解决方案提出的解决方案包括针对串联电连接的任意两个连续池之间的点改变AC源的连接点。具体地,连接的最优点将在用于ER或EW的各个池的任意典型电路中的中间池之间。交流电流源的添加必须并入两个无源组件:电感器和电容器(图1)。电感器电感器与池串联连接。它充当AC滤波器并且充当DC驱动工具(关闭用于流通直流电流的电路)。可以想象该电感器起“磁化电感”的作用;它以与磁化电感在电变压器中的相同的方式操作,支持具有最小移动的交流电流的交流电压,但是在该情况中,也充当用于直流电流的短路电路。并入的电感器的电感值确定为使得电感器中的电流在AC源的操作频率处可忽略。电容器电容器并联连接到池的组并且并联连接到DC源。它起用于交流电流的导通工具、关闭电路的作用,并且滤除可能通过至直流电流源的任何AC分量。并入的电容器的电容值确定为使得电容器上的电压变化(从而流通交流电流)在AC源的操作频率处可忽略。注意到这样的事实,电容器将暴露于由直流电流源施加在电解池的组上的电压。在这个意义上,保险丝必须连接到电容器以清除任何电故障。AC源可以利用任何可用的技术来实现AC源。该源的操作频率应当在限定在5与10[kHz]之间的范围中(如以上已经提及的,在技术问题中呈现)。由该源生成的电流强度取决于由直流电流源施加的直流电流的强度值。工业应用理论基础从理论角度,本发明是电流叠加的原理范式,其中两个源独立地操作。它示出了存储磁场形式的能量的电感器与存储电场形式的能量的电容器之间的对偶原理。事实上,电感器用于DC是短路电路而用于高频AC是开路电路,而另一方面,电容器用于AC是短路电路而用于DC是开路电路。还很明显的是,包括传统元件加上本发明中提出的元件的系统具有特征频率响应。工业组件的可用性目前,存在以安全的方式实现高电流及高频率的这些源的物理组件。然而,在“零张力”的点(就像它是两个池之间的点)中形成连接的事实明显促进了源保护的设计,因为它不会暴露到由电解池的组的直流电流源施加的应力。相反,该源将向电感器施加交流电压,这实际上是为直流电流源施加的短路电路;这由于所提出的创新而发生。感应加热源技术考虑到由AC源供应的电流强度和频率,使用在磁感应加热源中使用的那些用于锻造、挤压、表面处理和用于熔融金属的类似设计是方便的。一般地,这些源使用谐振原理设计以放大电流。通常地,这些源在250[Hz]至10[kHz]的范围中的频率操作,并且具有在1与10[KA]之间的电流水平。设计并制造用于磁感应加热的高电流及高频率的源的开发的技术适用于设计和制造在由DC源施加的电流上叠加AC的源以用于铜EW和ER以及其它产品;这由于所提出的创新而发生。变压器和自耦变压器的使用实现叠加交流电流的过程的具体情况在电解精炼(ER)的情况中发生,其中直流电流源供给串联连接、分为组的大量池以部分执行“收获与播种”过程。在该情况中,池的每个特定组在降低的电压处操作,这因为每个电解精炼池用约250[mV]的电压操作。因此,例如,一组40个池仅具有10[V]的电压。因此,通过使用具有电气隔离的变压器,实现并联供给到与DC源串联连接的几组池的交流电流的单个源是适当的(图7)。变压器的次级绕组等效地充当驱动DC并注入AC的绕组。在一些情况中,特别是在小规模的设备中,通过自耦变压器连接AC源以使得AC源的设计将更便宜是可行的,并且电流变得由变压器或自耦变压器放大,用于低于初级电压的次级电压(图8)。最小影响的实现从工业实现的观点出发,由于可以几乎不中断正常操作地安装组件,本发明提出的技术可以以对原始用EW或ER的传统过程操作的设备的操作最小影响来实现。从系统组件的观点出发,没有必要修改或代替原始系统的任何组件:直流电流源(整流变压器)保持不变,并且一旦AC源开始操作,直流电流源的操作就不会受干扰。不管是在安装期间或者在新AC源的操作期间,电解池的结构都不进行任何修改。整流变压器操作如已经提及的,AC源的安装和操作不会导致对整流变压器的任何影响。这是因为其中实现AC叠加的每个电解池电路将一定安装电容器,其关闭AC电路并且接着移除由整流变压器施加的DC电压中的任何纹波分量。实际上,并入电容器意味着实现LC滤波器,如从整流变压器至电解池的组可见,其中,“L”是连接整流变压器的母线的电感。在这方面,本技术设计为保护整流变压器;非常清楚,这是ER和EW铜(和其它产品)设备中的主要装备。附图说明图1:提出的发明的图示:以下组件添加到原始安装:任意两个连续池之间的电感器,与DC源并联的电容器,以及连接到两个连续池之间新安装的绕组的端子的AC源。图2:其中铜和其它产品的电解冶金或电解精炼的过程处于操作中的情形:整流器电流是持续的(DC)并且进入电解容器。DC源是整流变压器。图3:由内层或赫姆霍兹层以及由外层或扩散层构成的电化学双层的图示。个体化的分区是:(a)金属电极内部;(b)内层或赫姆霍兹层;(c)扩散层以及(d)溶液内。图4:作为与模型化将溶液中的离子转变为晶格中的金属原子所需要的能量消耗的电阻元件并联的电容器的赫姆霍兹层的电模型。个体化的分区是:(a)金属电极的内部;(b)模型化为电容器组与表示将溶解在溶液中的离子转变为晶格中的金属原子的能量的电阻元件的内层或赫姆霍兹层;(c)扩散层以及(d)溶液内。图5:由在传统模型的DC上叠加AC生成的液压泵:电极金属板的负载中的变化必然使得溶液中的离子在正交方向上朝向电极表面移动。个体化的分区是:(a)金属电极的内部,其中表面在最小宽度空间中积累电荷,就像它是金属导体;(b)模型化为电容器组与表示将溶解在溶液中的离子转变为晶格中的金属原子的能量的电阻元件的内层或赫姆霍兹层;(c)扩散层,其中在由叠加的电流施加的电场方向上发生溶液中离子的搅动;以及(d)溶液内。图6:用于在DC上叠加AC的可替换实现的图示:(a)表示EW设备中原始典型情形;(b)表示其中由有能力传递过载电流的全新直流电流源改变原始直流电流源的实现;(c)表示一种实现,其中包括通过叠加高频电流修改原始电流的新源,从而原始母线必须由其它代替,接受交流电流的高频;(d)表示具有减去、积累和随后返回的步骤的电流生成过程的实现;(e)和(f)表示与d中示出的类似的实现,但是用电解池的子组代替能量存储电容器的使用;(g)表示提出的发明。图7:特别适用于电解精炼(ER)的提出的发明的图示:在原始安装中,变压器连接在中间点并且电容器并联连接在直流电流源的连接点处。交流电流源用于各组的电解池。图8:特别适用于小设备(EW)的提出的发明的图示:在原始安装中,自耦变压器连接在中间点处并且电容器并联连接到直流电流源的连接点。低电流/高电压AC源连接到自耦变压器的初级电路。权利要求书(按照条约第19条的修改)1.一种用于在DC上叠加AC的系统,所述DC供给用于电解冶金或电解精炼铜和其它产品的一组电解池,其特征在于:(a)电容器,所述电容器并联连接到供给所述一组电解池的DC源,(b)电感器,所述电感器串联连接在所述一组电解池的两个连续池之间,以及(c)AC源,所述AC源并联连接到所述电感器;其中,除了所述DC以外,所述AC的小部分流过在其端子处生成AC电压的所述电感器,允许所述AC的大部分流过所述一组电解池,使用所述电容器作为用于所述AC的电路路径而不干扰所述DC源。2.一种用于在DC上叠加AC的系统,所述DC供给用于电解冶金或电解精炼铜和其它产品的一组电解池,其特征在于:(a)电容器,所述电容器并联连接到供给所述一组电解池的DC源,(b)串联连接在所述一组电解池的两个连续池之间的电气变压器的次级绕组,以及(c)AC源,所述AC源并联连接到所述电气变压器的初级绕组;其中,除了所述DC以外,AC流过变压器的所述次级绕组并且流过所述一组电解池,使用所述电容器作为用于AC的电路路径而不干扰所述DC源。3.一种用于在DC上叠加AC的系统,所述DC供给用于电解冶金或电解精炼铜和其它产品的一组电解池,其特征在于:(a)电容器,所述电容器并联连接到供给所述一组电解池的DC源,(b)串联连接在所述一组电解池的两个连续池之间的电气自耦变压器绕组的一部分,以及(c)AC源,所述AC源并联连接到所述电气自耦变压器绕组;其中,除了所述DC以外,AC流过自耦变压器绕组的所述部分并且流过所述一组电解池,使用所述电容器作为用于AC的电路路径而不干扰所述DC源。4.一种用于在DC上叠加AC的系统,所述DC供给用于电解精炼铜和其它产品的一组电解池,其特征在于:(a)电容器,所述电容器并联连接到各个池的每个子组的原始DC源,(b)串联连接在电解池的每个子组的两个连续池之间的电气变压器的次级绕组,以及(c)AC源,所述AC源并联连接到变压器的初级绕组;其中,除了所述DC以外,AC流过每个变压器的所述次级绕组并且流过电解池的每个子组,使用各个池的每个子组的所述电容器作为用于所述AC的电路路径而不干扰所述DC源。
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