Brevet FR2388062A1 — publié le 19781117

Le dispositif qui fait l'objet de l'invention résulte des travaux de Messieurs Serge BALTENNECK et Armand SAVAJOLS. Il concerne les cathodes utilisées pour le dépôt des métaux par électrolyse. Il s'applique en particulier aux cathodes pour dépôt de métaux tels que le cuivre, le nickel, le cobalt, le man ganèse, l'or, l'argent, le platine ou encore d'autres métaux, au cours de leur élaboration ou raffinage par électrolyse. Ces cathodes sont, le plus souvent, en titane, mais le dispositif suivant l'invention peut concerner également des cathodes en d'autres métaux ou alliages tels que le zirconium, le hafnium, les aciers inoxydables, etc...L'utilisation du dispositif suivant l'invention pourrait aussi être envisagée dans le cas de cathodes constituées par un métal de même nature que celui qui est déposé, c'est-à-dire, par exemple, des cathodes en cuivre dans le cas du dépôt de ce métal De la façon la plus générale, le dispositif suivant l'invention a pour but de permettre un décollage facile du dépôt métallique qui s'est formé au cours d'opérations d'électrolyse. En effet, pour de très nombreuses 3pplica- tions industrielles, il est nécessaire de pouvoir séparer les dépôts électrolytiques du support sur lequel ils se sont formés.C'est le cas, par exemple, du raffinage électrolytique du cuivre en solution sulfurique ; dans ce procédé, on fait de plus en plus appel à des cathodes permanentes en titane comme cela est décrit par exemple dans la communication présentée par J.P.A. Wortley "The Use of titanium in the copper refining industry" Paper nO A71-69-TMS paper selection The Metallurgical society of AIME. Il est montré, dans cette communication, qu'on utilise couramment des cathodes constituées par des tôles de titane par exemple de 3 mm d'épaisseur sur les deux faces desquelles le cuivre se dépose. On peut arrêter le dépôt après formation de feuilles minces de cuivre appelées souvent "starting sheets" qui seront détachées des cathodes de titane et utilisées ensuite comme cathodes pour le dépôt définitif de couches épaisses de cuivre. On peut aussi envisager d'effectuer l'opération en une seule fois en déposant directement sur le titane la couche de cuivre jusqu a son épaisseur définitive. L'expérience a montré que les dépôts de cuivre se détachent relativement facilement du titane grâce au mince film d'oxyde qui le recouvre. Des traitements de surface convenables peuvent permettre, du reste, d'améliorer encore cette aptitude au décollement. Par contre, tout le long des bords des cathodes, les dépôts qui se forment sur les deux faces tendent à contourner des bords et à se rejoindre. Cette tendance est d'autant plus marquée que l'épaisseur des dépôts s'accroît. Il se forme ainsi des jonctions plus ou moins étendues entre ces dépôts. En fin d'opération, ces jonctions devront être découpées afin de pouvoir séparer les dépôts des cathodes. On se rend compte que ce découpage sera difficile, long et coûteux et aura, de plus, toutes chances d'endommager les ca thodes.Différentes solutions ont été proposées pour éviter la formation de telles jonctions : usinage de rainures sur les bords des cathodes tout autour de celles-ci ou mise en place de cadres isolants par exemple en plastique, entourant les cathodes, ou encore collage de bandes én plastique sur les bords des cathodes. Aucune de ces solutions ne s'est révélée pleinement satisfaisante. Les cadres en matière plastique sont relativement encombrants et génants et, de plus, les les dépôts électrolytiques ont tendance à pénétrer dans interstices entre matiè- re plastique et métal sur le pourtour des cathodes, et à déformer et à repousser les cadres qui doivent alors être remplacés. Les bandes en matière plastique se décollent peu à peu pour les mêmes raisons et doivent être remplacées presque à chaque opération.Enfin, les rainures périphériques ne sont efficaces que pour les dépôts très minces et n'empêchent pas la formation de jonctions entre les dépôts réalisés sur les deux fonces dès que ceux-ci atteignent une certaine épaisseur. Le dispositif qui fait l'objet de l'invention permet de remédier à ces inconvénients de façon particulièrement efficace. Il permet d'éviter la formation de jonctions entre les dépôts formés sur les deux faces des cathodes même lorsqu'ils sont de forte épaisseur. Il est donc possible, dans le cas du raffinage du cuivre par exemple, d'effectuer au moyen de cathodes pourvues de ce dispositif, des dépôts définitifs dont l'épaisseur peut atteindre 1 à 2 cm sur chaque face sans rencontrer de difficultés dues à la formation de jonctions sur le pourtour des cathodes. Le dispositif qui fait l'objet de l'invention est constitué par une bande isolante en matière plastique ou en élastomère fixée le long du pourtour des cathodes. Cette bande isolante est maintenue en place par insertion sur une partie de sa largeur dans un logement. Dans un premier mode de réalisation, ce logement peut être constitué par un profilé métallique dont la section est approximativement en forme de V ou de IJ et qui ,est fixé sur le pourtour de la cathode de façon que la base du V ou du If vienne s' appliquer, par sa surface extérieure, contre le bord de la tôle tandis que l'ouverture est orientée vers l'ex- térieur. Ce profilé peut être solidarisé avec la cathode de différentes façons, par exemple par soudage.Pour éviter la formation de couples galvaniques on choisira, de préférence, pour le profilé le même métal que pour la cathode. Selon un deuxième mode de réalisation préférentiel du dispositif suivant l'invention, on peut réaliser le logement de la bande isolante en effectuant une saignée, sensiblement à mi-épaisseur de la tôle constituant la cathode, sur le pourtour de celle-ci et en conformant ensuite les bords de cette saignée de façon à leur donner un profil en V ou en U convenable pour entourer la bande isolante sur une partie de sa largeur. Quel que soit le mode de réalisation du logement, la la geur de la bande isolante est telle que son bord extérieur dépasse les bords du logement d'une quantité suffisante pour empêcher les dépôts métalliques effectués sur les deux faces de la cathode de venir se rejoindre.La bande isolante peut être maintenue dans son logement en V ou en U de différentes façons, telles que collage, serrage mécanique, agrafage, etc... Il est apparu, dans certains cas, que l'efficacité du dispositif suivant l'invention était tellement grande que, les dépôts métalliques effectués sur les deux faces ne se rejoignant pas, leur adhérence n'était plus suffisante et lorsque leur poids devenait trop important, ils se détachaient d'eux-mêmes. Pour éviter cet inconvénient, qui peut être très génant, les inventeurs ont eu l'idée inattendue, suivant une caractéristique complémentaire de l'invention, de créer un ou plusieurs points d'ancrage supplémentaire pour les dépôts, la ré sistance mécanique de ces points d'ancrage étant ajustée en fonction du poids de ces dépôts. Ce ou ces points d'ancrage suivant l'invention sont constitués par un ou plusieurs trous de petites dimensions réalisés à travers la cathode. De cette façon, se forment à travers chaque trou, au cours de l'opération d'électrolyse, des jonctions qui solidarisent les couches métalliques déposées sur les deux faces de chaque cathode. Ces jonctions doivent être assez solides pour supporter le poids des dépôts, et assez fragiles pour pouvoir se rompre facilement quand on enlève les dépôts sans risquer de déformer les cathodes En général, on préférera percer un petit nombre de trous, souvent moins d'une douzaine, chaque trou ayant un diamètre de l'ordre de quelques dixièmes de millimètre à 5 mm. Cependant, le nombre et le diamètre des trous dépendent beaucoup de la nature des dépôts métalliques effectués, leur surface et leur poids. Les jonctions ainsi réalisées pourront permettre aussi d'éviter des décollements localisés qui pourraient conduire à des courts-circuits entre cathodes et anodes adjacentes. Les figures et les exemples non limitatifs ci-après décrivent deux modes de mise en oeuvre suivant l'invention. La figure 1 représente un profilé suivant l'invention soudé au bord d'une cathode dans lequel est logée une bordure isolante. Les figures 2 et 3 sont des détails de la figure 1. La figure 4 représente une bordure isolante disposée dans un logement réalisé par saignée du pourtour d'une cathode. La figure 5 est une vue d'ensemble d'une cathode incorporant le dispositif de la figure 4 ainsi que des moyens d'ancrage suivant une caractéristique complémentaire de l'invention. La figure 6 représente un détail de l'amenée dé courant à la cathode de la figure 5. EXESrlPLE 1 La figure 1 représente une cathode (1) équipée d'un dispositif suivant l'invention. Cette cathode, d'environ 80 cm de largeur et 100 cm de hauteur, est en tôle de titane non allié de 3 inn d'épaisseur. Elle est entourée sur ses deux bords verticaux et son bord inférieur d'un profilé en titane (2) à l'intérieur duquel est insérée sur une partie de sa largeur une bande en Néoprène (3) (mar- que deposée de la Société Americaine Dupont de Nemours concernant un caoutchouc chloré). On voit sur la figure 2 en coupe, suivant A B, de façon détaillée, un mode de réalisation du profilé (2) et de la bande (3) ainsi que la soudure (4) qui solidarise la tôle de la cathode (1) avec le profilé (2). Le profilé est réalisé par pliage d'une bande de titane non allié d'environ 0,8 nan d'épaisseur. On voit que ce profilé a une forme générale sensiblement en U avec des bords repliés vers l'intérieur (5) et (6). La profondeur de ce U est d'environ 9 nan et sa largeur extérieure d'environ 8,5 mm. La bande de Néoprène (3), d'environ 25 nan de largeur totale comporte une bordure de section circulaire (7) d'environ 5 inn de diamètre qui est introduite à force dans le U et qui est maintenue en place élastiquement par les bords du profilé (5) et (6). On voit que le bord extérieur (8) de la bande est à une distance d'environ 16 inn des extrémités des branches du U. L'expérience a montré que, dans ces conditions, les dépôts électrolytiques formés sur les deux faces des cathodes ne se rejoignent pas et peuvent donc être décollés sans difficulté et sans risque de déformer les cathodes. Le raccordement de cette cathode aux amenées de courant est effectué de façon classique, comme le montre la figure 3 qui est une coupe agrandie suivant C D de la figure 1, au moyen de deux barres en cuivre (9) et (10) qui enserrent le côté supérieur de la cathode (1) sur une hauteur de quelques centimètres. Un cuivrage local préalable du titane permet de réaliser un bon contact. Les ouvertures (11) et (12), découpées dans la cathode au-dessus du niveau de l'électrolyte permettent une manutention plus facile. EXEMPLE 2 La figure 4 qui est une coupe agrandie suivant E F de la figure 5 > représente un mode de réalisation du dispositif suivant l'invention dans lequel le logement (13) de la bande isolante en Néoprène (14) est réalisé par saignée du bord de la cathode (15) dont les dimensions sont les mêmes que dans l'exemple 1. La saignée, d'environ 10 mn de profondeur et 1 1,5 inn de large, sur 3 mm d'épais- seur totale, est faite avec une fraise. On voit que les parois de la saignée (16) et (17) ont été écartées et conformées de façon à épouser la forme de la bordure (18) de la bande isolante qui est de section tubulaire. Le bord extérieur (19) de la bande dépasse d'environ 15 inn les extrémités des parois de la saignée. La figure 5 représente la cathode (15) dont le bord est pourvu du dispositif qui vient d'être décrit et qui comporte suivant une caractéristique complémentaire de l'invention, des points d'ancrage. Ces points sont les cinq trous (20), (21), (22), (23) et (24) qui ont été percés à travers la cathode. Ces trous ont un diamètre d'environ 1 mm. On voit qu'ils ont été percés l'un, vers le milieu de la cathode et, les quatre autres, en des points situés environ à mi-distance entre ce milieu et les quatre angles de la cathode. Les essais de dépôt de cuivre par électrolyse sur des cathodes ainsi réalisées, ont montré qu'il était possible d'effectuer des dépôts de 50 kg de cuivre sur chaque face sans observer aucun contournement des bords par les dépôts et sans décollage pré maturé de ceux-ci.Par contre, il a été facile d'arracher ces dépôts moyennant un effort limité qui a provoqué la rupture des ponts formés à travers les trous sans endommager la cathode. On a donc pu constater que les dépôts de cuivre effectués sur les deux faces se rejoignaient bien à travers ces trous et que les ponts ainsi formés remplissaient bien le rôle qui était prévu. Cette cathode est raccordée à la source de courant par une barre métallique de section circulaire (25). Cette barre qui est représentée figure 6, en coupe agrandie suivant G H de la figure 5, présente une structure duplex qui comporte une couche externe en titane (26) d'environ 2 mm d'épaisseur qui est soudée en (27) et (28) au bord supérieur de la cathode (15). L'âme en cuivre (30) d'environ 28 mm de diamètre, permet de réduire les chutes de tension parasites. Cette barre est raccordée de façon simple aux amenées de courant en faisant reposer au moins une de ses extrémités sur la ou les barres d'amenée de courant qui jouent en même temps le rôle de support de cathode. Pour assurer un bon contact électrique, la couche de titane est enlevée par usinage dans la zone d'appui. Ce type de raccordement constitue aussi une caractéristique complémentaire du dispositif suivant l'invention car il contribue de façon particulièrement efficace à donner à la cathode une structure monobloc permettant de réduire au minimum les chutes de tension parasites ainsi que la durée des opérations de récupération des dépôts, reconditionnement éventuel et remise en service. Une économie importante dans l'exploitation d'installations de raffinage électrolytique de métaux peut donc être réalisée au moyen de cathodes comportant au moins des bandes isolantes disposées suivant l'invention. Une sécurité et une rapidité d'exploitation accrue peuvent être obtenues en utilisant l'un ou l'autre ou, de préférence, les deux moyens complémentaires qui viennent d'être décrits, c'est-à-dire les points d'ancrage pour éviter les risques de chute des dépôts et le raccordement soudé par barre duplex cuivre titane. On voit donc que les cathodes ainsi réalisées conviennent non seulement pour l'obtention de dépôts minces, tels que "les st-arting sheets" utilisés par exemple dans le raffinage du cuivre, mais aussi pour l'obtention directe de dépôts épais. Bien d'autres modes de réalisation des logements destinés à recevoir les bordures isolantes peuvent être envisagés sans sortir du domaine de l'invention. De même, les points d'ancrage réalisés volontairement avec une résistance mécanique déterminée en fonction du poids des dépôts peuvent aussi faire ltobjet d'un grand nombre de variantes. Les dispositifs qui viennent d'être décrits peuvent être montés sur des cathodes en autres matériaux que le titane et, par exemple, sur des cathodes en acier inoxydable, en zirconium, ou encore en hafnium, ou en autres métaux ou alliages. Dans tous les cas où on envisagera de réaliser un raccordement de telles cathodes à la source de courant au moyen d'une barre soudée au bord supérieur, on pourra faire appel à un matériau métallique duplex dont la majeure partie de la section est en métal de haute conductivité tel que le cuivre ou l'aluminium et le reste est réalisé dans le même métal que la cathode. De telles barres en matériaux mixtes pourront être réalisées par tout moyen connu tel que cofilage, coétirage, colaminage. On pourra aussi envisager d'assurer la liaison entre âme et gaine par une méthode de brasage. Comme cela a été dit plus haut, les cathodes comportant le ou les dispositifs suivant l'invention peuvent être utilisées pour le dépôt électrolytique de toutes sortes de métaux tels que le cuivre, le nickel, l'or, l'argent, le cobalt, le manganèse, le platine etc... REVENDICATIONS 10/ - Cathode en métal pour dépôt électrolytique de métaux, caractérisée en ce que, dans le but d'éviter la formation de jonctions, par contournement des bordstdes dépôts effectués sur les deux faces, elle comporte sur son pourtour, au moins dans la zone qui plonge dans ltélectrolyte, un logement sensiblement en forme de V ou de U dont l'ouverture est orientée vers ltextérieur, et dans lequel est introduit l'un des bords d'une bande isolante en matière plastique ou en élastomère, bande dont la largeur est supérieure à la profondeur du V ou du U. 2 / - Cathode suivant revendication 1, caractérisée en ce que le logement de la bande isolante est constitué par un profilé métallique qui est solidarisé avec le reste de la cathode. 3 / - Cathode suivant revendication 1, caractérisée en ce que le logement de la bande isolante est réalisé par saignée de tout ou partie du pourtour et, de préférence, mise en forme des bords de cette saignée. 4 / - Cathode suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bande isolante comporte une surépaisseur qui est insérée dans le logement. 5 / - Cathode suivant l'une des revendications 1, 2, 3 ou 4, caractérisée en ce qu'elle comporte un ou plusieurs trous qui traversent en totalité ou partiellement l'épaisseur de la tôle. 60/ - Cathode suivant 1 'une des revendications I, 2, 3, 4 ou 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un raccordement à la source de courant au moyen d'une barre en matériau métallique duplex, l'un des deux matériaux constituant la barre étant de même nature que la cathode et assemblé avec elle par soudage. 7 / - Cathode suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce qu'elle est en titane. 8 / - Procédé pour faciliter le décollement des dépôts métalliques formés sur des cathodes au cours du raffinage électrolytique de métaux, caractérisé en ce qu'on utilise des cathodes suivant l'une des revendications 1 à 7. 90/ - Dépôts métalliques obtenus par électrolyse suivant le procédé de la revendication 8.