在電解法中在直流電流上疊加交流電流的方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及在供給到一組電解池用于銅和其它產(chǎn)品的電解冶金或電解精煉的直流電流上疊加交流電流的方法。本發(fā)明專利技術(shù)的特征在于：(a)并入電感器，所述電感器連接在電解池組的中間池的端子之間，并且所述電感器的功能是充當交流電流濾波器并且充當導(dǎo)通直流電流的工具；(b)并入電容器，所述電容器并聯(lián)連接到原始直流電流源，并且電容器的功能是充當導(dǎo)通交流電流的工具并充當直流電流濾波器；以及(c)并入交流電流源，所述交流電流源連接在設(shè)置在電解池組的中間點處的電感器的端子處。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】技術(shù)問題銅工業(yè)使用電流整流器生產(chǎn)銅，其中流通電解液具有溶解入其中的銅(圖2)。由整流器生成的電流使得電解液中溶解的銅沉積在陰極表面上；根據(jù)法拉第定律的該過程與流通電流成比例，并且導(dǎo)致高純度的金屬銅。然而，由于事實證明，電極處電流密度的任意增加使所沉積銅的化學(xué)和物理質(zhì)量惡化，所以關(guān)于在陰極上沉積銅的能力方面沉積過程具有限制。目前，工業(yè)設(shè)施用約300-400[A/m2]的電流密度工作。電流水平的增加導(dǎo)致增加生產(chǎn)，然而帶來一些質(zhì)量問題。在電解冶金(EW)和電解精煉(ER)的傳統(tǒng)過程中，用于冶金過程的控制變量是銅濃度、流速和電解液的溫度。增加溫度提高了離子的局部遷移率，而流速和濃度加大了離子反應(yīng)的可用性。用高于300[A/m2]的電流密度用于銅生產(chǎn)、保持保留的銅的良好物理質(zhì)量的工業(yè)EW設(shè)施以高于45[℃]的溫度、高于2.2[I/min/m2]的表面流速以及約45[g/l]的銅濃度操作。這帶來了高操作成本，如果銅的國際評估高的話這是合理的，然而，在低和中等等級評價中，高操作成本對工廠的操作連續(xù)性是決定性的。在ER設(shè)施用于銅的情況下，電流密度甚至進一步由于陽極鈍化現(xiàn)象而受到限制，其典型地將電流密度限制為320[A/m2]或更低，并且ER設(shè)施還必須在60[℃]以上的溫度操作以維持沉積的質(zhì)量。流速不是可供ER設(shè)施中使用的變量，因為流速的增加會導(dǎo)致陽極泥的攪動，這會污染所生產(chǎn)的陰極的較低部分。電沉積現(xiàn)象的具體學(xué)習(xí)它不是我們的目的，也不是在所謂“電化學(xué)雙層”的界面電極-電解液處發(fā)生的現(xiàn)象。然而，有必要一提的是模型化的電化學(xué)雙層限定(如其名稱暗示的)具有不同行為的電解液的兩個完全區(qū)別開的層：內(nèi)層或赫姆霍茲層以及外層或擴散層(圖3)。赫姆霍茲層內(nèi)部發(fā)生溶液中的銅轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘巽~的復(fù)雜現(xiàn)象。由于大量積累的離子在這樣小的距離“等待”被沉積，模型可以簡化地將赫姆霍茲層認為由金屬板(電極)和非金屬板(包括電解液中的高濃度離子)構(gòu)成的電容器。該非金屬板與電阻特性的阻抗并聯(lián)連接，表示將溶液中的離子金屬原子轉(zhuǎn)變?yōu)殛帢O的金屬晶格(銅還原)所需的能量(圖4)。對于擴散層，它包括范圍從接近赫姆霍茲層到溶液內(nèi)典型濃度的離子濃度。撇開赫姆霍茲層，從擴散層到溶液的中部發(fā)生離子輸運現(xiàn)象，就像由于施加電場的遷移和由于濃度變化的擴散。為了提高這些輸運現(xiàn)象，存在多種技術(shù)，諸如包括將空氣注入到電解液的“空氣噴射”，該技術(shù)在電極附近生成水動力的改善，以及EMEW技術(shù)，該技術(shù)實際上實現(xiàn)了額外的高流速操作。然而，由于高的實施成本限制了這些技術(shù)處理邊緣溶液，因此它們不適用于大量生產(chǎn)銅。電解液的粘度限制了以上提及的技術(shù)的效果，電解液的粘度阻止機械攪動從電解液施加到電極以接近電化學(xué)雙層處的反應(yīng)區(qū)。然而，通過改變進入電解池的電流、通過在直流電流傳統(tǒng)電沉積過程上疊加或重疊交流電流、使用赫姆霍茲層的電容器作為用于交流電流的輸運工具，存在“電搖動”電解液的可能性。該電容器的金屬板(電極)經(jīng)受表面電荷的巨大變化，就像它是金屬導(dǎo)體。相反，該電容器的非金屬板中電荷的變化必然生成溶液中離子分布的變化，因為離子占有溶液內(nèi)的物理空間。這意味著重疊交流電流生成電解液－電極界面附近的離子運動，并且更確切地在擴散層中(圖5)。這實現(xiàn)了在機械攪動方法由于溶液粘度而不可用的區(qū)域中某種使電極附近的離子移動的“液壓泵”。值得一提的方面是如果攪動具有足夠高的頻率，由于赫姆霍茲電容器的電容非常高，它將承受大負載變化而沒有大電壓變化。因此，溶液中的離子轉(zhuǎn)化為金屬晶格的集成離子的現(xiàn)象以與傳統(tǒng)過程中相同的方式發(fā)生，但是在電極附近到溶液的輸運現(xiàn)象的質(zhì)量中有很大提高。由阻抗譜的測試方法可確定通過將AC電流疊加到傳統(tǒng)過程以用于攪動界面的適當頻率，結(jié)果頻率在5至10[KHz]的范圍中。較低的頻率具有直流電流源(整流變壓器)的操作干擾的風(fēng)險，而在較高頻率處，AC生成系統(tǒng)效率大幅降低。簡而言之，技術(shù)問題涉及實現(xiàn)在DC上疊加AC用于工業(yè)電解池過程中的EW和ER的過程。現(xiàn)有技術(shù)目前，實現(xiàn)將AC疊加在DC上的所有提出的策略已經(jīng)限制為將AC源并聯(lián)連接在由DC源使用的相同連接點上，或者在各個池的子組中的點之間，從而使得AC源暴露于直流電壓。除此之外，各種提議包括源變化、總線連接變化、池結(jié)構(gòu)的變化和/或以上提及的變化的混合，如圖6中所示。在1935年的Groole的專利技術(shù)(US2026466)的情況中，它包括電荷控制器，所以來自初級電源的功率消耗接近于恒定。過程或裝置改變供應(yīng)到負載的電流特性，而不調(diào)節(jié)功率。該專利技術(shù)落入圖6(c)所示的策略中，即時在那是甚至不存在整流變壓器。在2004年的Lewis的專利技術(shù)(US2004/0211677A1)的情況中，它示出了新源，如圖6(b)所示。通過該源流通所有過程流程，承載DC以及AC。存在Mathews專利技術(shù)(US2007/0272546A1)的情況。該專利技術(shù)的申請涉及改變和丟棄在那時操作的直流電流源；改變和丟棄在DC源與電解池之間的整個母線連接；改變和丟棄常規(guī)電解池的整個結(jié)構(gòu)。然后，以用于工業(yè)生產(chǎn)的新的并且未標準化的裝備代替先前的裝備。專利技術(shù)(INAPI0817/2007)提出包括一種裝置，其連續(xù)地減去、積累和返回能量到電解池的組，如圖6(d)所示。該配置設(shè)置可用于疊加直流電流的交流電流，而不需要改變原始安裝。該申請在澳大利亞、南非和美國獲得批準。在美國它拆分為兩個專利，其中一個要求保護通過連續(xù)地減去、積累和返回能量生成交流電流的過程，并且另一個要求保護執(zhí)行該過程的裝置；這兩個專利都被授權(quán)。在智利仍然懸而未決，但是具有正面的專業(yè)審查報告。Lagos的專利技術(shù)(INAPI0969/2009)的情況中，它公開了實現(xiàn)與由Bustos在0817/2007中提出的具有類似理念的類似裝置的兩種變形的兩種可能性，但是不包括存儲電容器。該專利技術(shù)要求保護可以代替這些電容器的功能的電解池的組或者子組。以我們的觀點來看，這個策略由于電解工業(yè)設(shè)備的尺寸而不適用于工業(yè)；連接導(dǎo)體將具有與諸如IGBT晶體管的裝置的操作不兼容的電感，如圖6(e)和6(f)所示，這兩圖是該申請的代表。從以上分析，遵循本文中提出的專利技術(shù)由圖6(g)示意性地表示，其中連接到電感器的交流電流源包括為本專利技術(shù)的一部分。該配置不同于以上列出的專利技術(shù)和專利申請，因為連接點表示DC源上零電壓的點。...

【技術(shù)保護點】
一種用于在DC上疊加AC的方法，所述DC供給用于電解冶金或電解精煉銅和其它產(chǎn)品的一組電解池，其特征在于：(a)并入電感器，所述電感器連接在所述一組電解池的兩個連續(xù)池之間，其中所述電感器的功能是充當用于所述AC的濾波器并且充當用于所述DC的導(dǎo)通工具；(b)并入電容器，所述電容器并聯(lián)連接到原始DC源，其中所述電容器的功能是充當用于所述AC的導(dǎo)通工具并充當用于所述DC的濾波器；以及(c)并入AC源，所述AC源連接到安裝在所述一組電解池的中間點中的電感器的端子。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】2013.11.19 CL 3315-20131.一種用于在DC上疊加AC的方法，所述DC供給用于電解冶
金或電解精煉銅和其它產(chǎn)品的一組電解池，其特征在于：
(a)并入電感器，所述電感器連接在所述一組電解池的兩個連續(xù)
池之間，其中所述電感器的功能是充當用于所述AC的濾波器并且充
當用于所述DC的導(dǎo)通工具；
(b)并入電容器，所述電容器并聯(lián)連接到原始DC源，其中所述
電容器的功能是充當用于所述AC的導(dǎo)通工具并充當用于所述DC的
濾波器；以及
(c)并入AC源，所述AC源連接到安裝在所述一組電解池的中
間點中的電感器的端子。
2.一種用于在DC上疊加AC的方法，所述DC供給用于電解冶
金或電解精煉銅和其它產(chǎn)品的一組電解池，其特征在于：
(a)并入變壓器，所述變壓器的次級電路連接在所述一組電解池
的兩個連續(xù)池之間，其中所述變壓器的功能是充當電氣隔離并且充當
用于DC的導(dǎo)通工具；
(b)并入電容器，所述電容器并聯(lián)連接到原始DC源，其中所述
電容器的功能是充當用于AC的導(dǎo)通工具并充當用于DC的濾波器；
以及
(c)并入AC源，所述AC源連接到安裝在所述一組電解池的中
間點處的變...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：J·P·布斯托斯·羅布萊多，C·A·維拉維塞西奧·阿拉亞，
申請(專利權(quán))人：埃克電子電源和進程股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：智利;CL