用于抽取电解沉积在阴极上的金属的设备的制作方法

本发明涉及一种通过电解途径来生产铁或其他纯金属或合金的设备，特别是涉及用于抽取沉积在电解槽的阴极处的金属板的设备。本发明还涉及该设备的具体用途。

背景技术：

1、传统上，铸铁是铁和含量高于2％的碳的合金，其生产是通过在高炉中使用高碳含量的固体燃料(通常是焦炭或煤)作为还原剂熔炼铁矿石来实现的。另一种方法是基于使用天然气(甲烷)代替煤的直接还原铁(direct reduction of iron，dri)。第二步，通过精炼、即通过在转炉中对铸铁进行脱碳而获得钢。

2、因此，这些过程导致大量的化石碳以co2形式释放到大气中。

3、目前，解决温室气体排放问题需要涉及大幅减少甚至消除co2释放的方法。

4、21世纪初期，人们进一步认识到对源自原材料(即矿石)的钢铁的需求不断增长，欧洲主要炼钢集团之间建立了合作伙伴关系，制定了名为ulcos(超低co2排放炼钢)的共同研发(r&d)计划，以改善由矿石可持续生产钢，目标是将每吨生产的钢铁的co2排放量至少减少50％。

5、所构建的有前景的渠道之一是用二氢代替一氧化碳作为矿石还原气体。在生产“预还原”铁时，用纯二氢代替目前在直接还原法中使用的主要由h2和co组成的气体，然后将纯二氢加入到电弧炉中。如果氢气是使用“绿色”电力通过水电解生产的，则在co2排放方面的表现水平具有良好前景，即每吨钢的co2排放量低于300kg(而不是通过传统途径产生的1850kg)。

6、电解精炼也是已知的，其中将不纯金属的阳极在酸浴或碱浴中电解溶解，然后纯金属的离子在电流的作用下以金属态沉积在阴极上。采用这种方法，可以将诸如铜、镍、锌、锰等金属纯化，但通常需要许多纯化步骤。

7、电极通常竖直布置，并且沉积物是在非常低的电流密度下产生的。所施加的电压可能很高，这意味着由于对阳极/阴极距离的敏感性高而对产率是不利的。阴极通常地在两侧都涂覆有粘附性沉积物，并且在所产生的金属量充足时被替换。根据第一种技术，惰性阴极可以重复使用，并且最常见地以成组的形式由高架起重机或自动化机器进行抽取，在抽取之后进行剥离，由此通过机械装置将镀覆的金属沉积物与阴极支撑体分离。根据第二种技术，阴极是牺牲性的。在第一阶段可以在惰性阴极上的平行线上生成给定金属的薄沉积物，然后将其分离以用作生产过程中的阴极。在这种情况下，阴极仅由所期望的金属组成。

8、电解过程对于仅具有一种氧化态的材料(例如zn2+)是特别有利的，但对于铁(fe2+和fe3+)则不是这样。为了避免通过fe2+→fe3+变化以及反向变化而损失较高产量份额，可以使用分离和离子交换膜。

9、电解反应在阴极生成纯铁板，在阳极生成气态氧。然后，这些铁板可以与其他元素或废铁在电炉中熔化以生产钢。

10、boston metal(us 8,764,962 b2)采用这种方法，用不会进一步腐蚀而释放氧气的铬基惰性阳极来代替在反应过程中产生co2的碳阳极。这种通过熔融氧化物的电解过程(熔融氧化物电解，moe)基本上会排出氧气，并且在电解产率不是100％的情况下可能会排出逸出的氢气。如果所使用的电力来自可再生资源，则该方法是脱碳的。

11、因此，这种技术需要稳健、简单的过程。众所周知，铁的电解沉积物需要特定的条件才能实现节能。约束条件包括高浓度的氢氧化钠和相对较高的温度。因此，迫切需要封闭的电解槽。

12、此外，为了实现尽可能最低的能量消耗，电解槽必须具有有限的电极间距离。封闭的电解槽的困难在于抽取沉积在阴极上的金属，特别是在尺寸较大(>1m2)的情况下，因为阴极必须永久地保留在电解槽中。这种原位抽取还要求沉积物应当是非粘附性的或易于从阴极脱离，以最佳地有助于通过电解槽中的受限开口进行机械抽取。

13、总之，在铁矿石电解中，需要减小电极之间的距离实际上阻止了阴极的机械抽取和在电解槽之外的剥离，如现有技术中的情况。由于在封闭的电解槽中难以进行操作而加剧了这个问题。必须首先找到易于打开电解槽以从中抽取阴极沉积物的方式。

14、文献us 6,632,333 b1披露了一种用于在诸如金属电解精炼或金属电解沉积等电解过程中从用作阴极的母板上分离金属沉积物的设备，在该设备中具有用于支撑待处理阴极的支撑构件、用于使在电解过程中在母板表面上生长的金属沉积物至少部分地释放的构件、以及用于支撑释放的金属沉积物的构件。根据本发明，阴极的母板设有用于在金属沉积物的生长中形成不规则部的生长影响装置，该生长影响装置在金属沉积物向阴极的母板倾斜时用作铰接构件，以便沿生长中的不规则部将金属沉积物分裂成两个单独的片。

15、文献us 3,523,873 a披露了一种施加到导电基材上的脱模剂，该脱模剂用作将随后电沉积在所述基材上的金属剥离和除去的助剂，其改进包括使用包括水乳液的组合物作为所述脱模剂，该水乳液包含按重量计2-20％的选自脂肪酸、脂肪醇及其酯和甘油酯衍生物组成的组的极性饱和基本不溶于水的脂族有机化合物和按重量计约0.05-1％的含硫材料。

16、文献fr 2 556 359 a1披露了一种可剥离且导电的涂层，该涂层旨在覆盖在电解金属生产过程中使用的金属阴极，以允许使用电解质将金属电解沉积在涂层的外表面上，然后在室温下分离所述沉积的金属。该涂层由颜料颗粒在可剥离的非导电粘合剂中的导电分散体构成。该涂层特别旨在生产高纯度铜阴极。

17、发明目的

18、本发明的目的在于提供一种克服现有技术的缺点的解决方案。

19、特别地，本发明的目的在于提供一种用于在电解生产过程中分离沉积在阴极上的金属板的简单实用的装置，这种抽取必须在原位进行，因为必须考虑由电解槽施加的物理约束，比如与封闭的电解槽、电解槽不可拆卸、阳极-阴极距离较短以便保持良好的能量效率等有关的物理约束。

技术实现思路

1、本发明的第一方面涉及一种通过电解还原金属矿石或含有该金属的氧化形式的物质来生产纯的该金属或该金属的合金的设备，所述设备包括电解槽，该电解槽配备有阳极、阴极、包含电解质的电解区域、以及可移除式电解槽封闭系统，该阴极设有用于该电解沉积金属的非粘附性涂层，其特征在于，该设备还包括有利地具有消耗件功能的金属片，该金属片是导电的并且旨在有助于抽取电解沉积在阴极上的所述金属板，所述金属片在电解槽中布置在阴极的延续处或者部分地与阴极重叠，在一端与阴极机械接触并因此电接触、并且部分地延伸超出电解槽的电解区域以便在操作时允许将所述金属同时沉积在阴极上和金属片的与电解区域接触的部分上，阴极与沉积物之间的粘附性小于金属片与沉积物之间的粘附性，从而通过机械装置在随后抽取金属片的过程中通过平移运动由金属片使金属沉积物与阴极分离并且被拉出，该机械装置施加在金属片的延伸超出电解区域的部分上。

2、根据优选实施例，该设备还由以下特征之一或由其任何适当组合来限定：

3、-金属片的长度小于阴极的长度的50％、优选地小于10％；

4、-阴极采用：具有低表面粗糙度的碳、石墨，浸渍或涂覆有孔隙填料的石墨，或纯金属和/或其一些可选地涂覆的合金；

5、-金属片的在阴极的延续处并且伸出超出电解区域的部分被接纳在可移除式封闭系统中，该可移除式封闭系统在操作时被封闭以将电解质保持在电解槽内；

6、-该设备包括抓取装置，该抓取装置与金属片或其元件配合以允许抽取金属片/沉积金属组合件；

7、-抓取装置是诸如夹持器等夹紧装置或与金属片中形成的孔配合的圆柱体、螺栓或牵引钩，或者是共同配合以确保拉动动作的附加几何元件；

8、-该设备包括锁定装置，用于在电解槽打开时将金属片和沉积板保持在适当位置、并且用于随后通过抓取装置来抽取板和金属片组合件，锁定装置与抓取装置重合；

9、-电解槽以与水平成20°至60°的角度倾斜，电极是平面的，电极间距离在1mm至50mm之间、优选地在6mm至20mm之间，阴极永久性地固定在该设备中，并且机械抽取装置被配置成随着平行于电极的平移运动进行金属片/金属组合件的抽取。

10、本发明的另一方面涉及上述设备的用途，其中，在抽取之后，金属片与所述沉积的纯金属或金属合金分离以防止任何污染、或者随后与沉积的金属一起熔化。

11、有利地，该用途涉及使铁在碱性介质中电解沉积，其中，金属片是低碳钢片。

12、还有利地，该用途涉及在酸性介质中电解精炼锌、镍或铜，金属片分别是锌板、镍板或铜板。