(57)【要約】本発明は金属の電解法で使用される電解セルのバスバーに良好な接触面を形成する方法に関するものである。バスバーの接触面、すなわち、セル中に浸される電極の支持体バーまたは支持体ラグが下降して接触する面は、導電性の高い金属によってコーティングされている。また本発明は、表面に導電性の高いコーティングが形成されている、電解セルのバスバーに関するものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の電解法で使用される電解セルのバスバーの少なくとも表面が銅製であり、電極が下降して接触する領域に接触面が形成される、バスバーに良好な接触面を形成する方法において、前記バスバーの銅製の接触面に伝達層を形成し、その後、前記接触面を、導電性の高い金属または合金でコーティングし、コーティング材は、銅と、伝達層とともに、金属冶金的な接合部を形成することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記伝達層は、スズまたはスズを主成分とする合金であることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、前記導電性の高いコーティング層は銀であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１または２に記載の方法において、前記導電性の高いコーティング層は銀・銅合金であることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、バスバーに加えて、電解セルは、電位平衡バーを備えていて、該バーでは、電極と接触する銅製の表面に伝達層を形成し、その後、接触面を、導電性の高い金属または合金でコーティングし、コーティング材は、銅と、伝達層とともに、金属冶金的な接合部を形成することを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、コーティング層を前記バスバーの全長にわたって形成するよう、前記バスバーは縦方向に連続していることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法において、電極が下降して接触する前記バスバーの接触面は、ノッチまたは溝によって形成し、コーティング層は、前記バスバーのノッチまたは溝が形成された領域に形成することを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング層は、はんだ付け法を用いて形成することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング層は、溶射法を用いて形成することを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法において、前記溶射法はガス燃焼に基づいていることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項９または10に記載の方法において、前記溶射法は高速フレーム溶射法であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１ないし11のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング材は粉末形であることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項９または10に記載の方法において、前記溶射法はフレーム溶射法であることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１ないし11または13のいずれかに記載の方法において、前記導電性の高いコーティング材はワイヤ形であることを特徴とする方法。
【請求項１５】
請求項１ないし14のいずれかに記載の方法において、前記接触面はコーティング後に熱処理することを特徴とする方法。
【請求項１６】
少なくとも表面が銅製であり、電極が下降して接触する領域に接触面が形成される、金属の電解法で使用される電解セルのバスバーにおいて、該バスバーの接触面に伝達層が形成され、その後、前記接触面は、導電性の高い金属または合金でコーティングされ、銅、伝達層およびコーティング材は、金属冶金的な接合部を形成していることを特徴とするバスバー。
【請求項１７】
請求項16に記載のバスバーにおいて、前記伝達層は、スズまたはスズを主成分とする合金であることを特徴とするバスバー。
【請求項１８】
請求項16または17に記載のバスバーにおいて、前記導電性の高いコーティング層は銀であることを特徴とするバスバー。
【請求項１９】
請求項16または17に記載のバスバーにおいて、前記導電性の高いコーティング層は銀・銅合金であることを特徴とするバスバー。
【請求項２０】
請求項16ないし19のいずれかに記載のバスバーにおいて、前記導電性の高いコーティング層は、はんだ付け法を用いて形成されることを特徴とするバスバー。
【請求項２１】
請求項16ないし19のいずれかに記載のバスバーにおいて、前記導電性の高いコーティング層は、溶射法を用いて形成されることを特徴とするバスバー。
【請求項２２】
請求項16ないし21のいずれかに記載のバスバーにおいて、前記バスバーは縦方向に連続していて、コーティング層は前記バスバーの全長にわたって形成されていることを特徴とするバスバー。
【請求項２３】
請求項16ないし21のいずれかに記載のバスバーにおいて、電極が下降して接触する前記バスバーの接触面は、ノッチまたは溝によって形成され、コーティング層は、前記バスバーのノッチまたは溝が形成された領域に形成されることを特徴とするバスバー。
【請求項２４】
請求項16ないし21のいずれかに記載のバスバーにおいて、該バーは電位平衡バーであることを特徴とするバスバー。
【発明の詳細な説明】
【詳細な説明】
【０００１】
本発明は、金属の電解法で使用される電解セルのバスバーに良好な接触面を形成する方法に関するものである。バスバーの接触面とは、セル中に浸っている電極用の支持体バーまたは支持体ラグが下降して接触する面であり、導電性の高い金属によってコーティングされている。また本発明は、表面に導電性の高いコーティングが形成されている、電解セルのバスバーに関するものである。
【０００２】
銅、亜鉛およびニッケルなどの多くの金属の製造には電解工程が含まれていて、生成すべき純粋の金属を、電流を用いて陰極上に析出させると、溶液中には不純物が残る。電解回収は、例えば硫酸を含む電解質で満たされた電解セル中で行い、導電体の材料で作られた電極（陽極および陰極）を順番に電解質に浸す。電極はセルの縁で支持されている支持体バーまたは支持体ラグにより、電解セル中に懸垂されている。
【０００３】
電解セルは一連のグループとして連結されていて、先行するセルの陽極は後続のセルの陰極に電気的に連結されていて、この連結は、それらのセル間の壁上にあるバスバーによって行なわれている。バスバーは一般的に銅で作られていて、あるいは少なくとも銅でコーティングされている。その構造には、典型的に、ノッチ型絶縁ブラケットも含まれていて、これは、後続のセルの陽極バスバーから先行するセルの陰極を分離しているバスバーの頂部に搭載されている。陰極支持体バーの一端はバスバーの頂部に位置し、他端は通常、絶縁ブラケットの頂部に位置している。生成すべき金属は、活動陽極と呼ばれる可溶性陽極として処理工程に導入され（電解精錬）、あるいは、生成すべき金属は、電解質中に溶けていて、この場合陽極は不溶性または受動性陽極となる（電解採取）。
【０００４】
バスバーの幾何学的構造は様々なものとしてよい。切断面が三角形の連続的バスバーが、例えば米国特許第3,682,809号に記載されている。他の場合は、セル中の電極の位置はバスバーのデザインによって決定される。この種のバスバーは、例えば米国特許第4,035,280号に提案されていて、これによれば、電極はバスバーの端部にある傾斜した溝に設置される。
【０００５】
他方、米国特許第6,342,136号には、縦方向に連続する主バスバーが記載されていて、これは様々な高さを有する突出物を備えていて、それら突出部の間には、絶縁プロファイルが設置されている。陰極支持体バーの一端は主バスバーの頂部にあり、他端は絶縁プロファイルの頂部にある銅製の電位平衡バーの頂部に設置されている。バスバーが連続している場合は、電極の支持体バーまたは支持体ラグは、バスバーの望ましい部位の頂部に設置可能である。このように、バスバー全体が、支持体バー用または支持体ラグ用の接触面としての役割を果たすことが可能である。バスバーにノッチがあり、あるいは電極の位置を決定できるように形付けられている場合は、そのノッチまたは形付けられた点がバーの接触面の役割を果たす。
【０００６】
接触面が急速に磨耗してしまうことが、銅バスバーを用いた場合の問題点である。これは主として、電解質の作用下で銅が酸化物へ酸化してしまうこと、および、酸化物が腐食して硫酸銅に変化してしまうことに起因している。接触面に形成された硫酸銅はさらに、バスバーの導電性を低下させ、その上、その硫酸銅は電解質中に溶け込んでしまう。酸化銅の導電性は純粋の銅のそれより著しく低いため、酸化は、電圧の低下を引き起こしてしまう。それに加えて、亜鉛電解質中のバスバーから溶け出す銅は、例えば陰極の亜鉛中の銅レベルを不必要に上昇させてしまう。
【０００７】
今回、開発した方法は、金属の電解法で用いられる電解質セルのバスバーであって、少なくともその表面部位が銅で出来ているバスバーに良好な接触面を作ることに関するものである。今回開発した方法によれば、電極が下降して接触するバスバーの領域、すなわち接触面は、導電性の高い金属、あるいは、銀または銀合金などの合金でコーティングする。銅および銀は伝達層によって互いに接着される。バスバーの銅に形成された伝達層とコーティング材との間に金属接合部が形成されれば、接触片の下部表面の磨耗または酸化によって生じる問題は回避可能である。また本発明は、金属の電解法において電解セル中で使用される、本発明による方法で作成したバスバーに関するものであり、バスバーの少なくとも電極と接する点、すなわち接触面は、導電性の高い層で形成されている。本文で使用するバスバーという用語は、従来技術文献に記載されている電位平衡バーをも意味する。
【０００８】
本発明は、特許請求の範囲の記載事項を特徴とする。
【０００９】
バスバーの接触面が良好な導電性を有することが重要である。コーティング材として銀または銀合金などの導電性の高い金属を使用することによって、バスバーから電極への効率的な電流供給が確保される。銀を使用する際の金属冶金の原則は、たとえ表面に酸化物が形成されても、比較的低い温度ではその酸化物はもはや安定ではなく、分解して元の金属の形にもどることである。かかる理由により、接触面に銀めっきを、例えば銅表面に行なうのと同様の方法で施しても、酸化物の皮膜は形成されない。またコーティングすることによって、電解法の導電性のレベルを長期間高く維持することも可能である。
【００１０】
銀は、金属冶金における非常に吸着性のある接合部を銅の頂部に直接形成することはできないため、銀の代わりに、まず、好ましくはスズ製またはスズを主成分とする合金製の薄い伝達層を、銅の上に形成する必要がある。以下本文では、説明の簡単のため、スズとだけ述べるが、この用語はスズを主成分とする合金をも含むものである。すでに述べた多くの方法において、スズ層は加熱によるコーティングによって、電解コーティングによって、あるいは実際にコーティングを行なう前に表面の部位に直接溶射することによって、形成可能である。この後、そのスズ表面を銀または銀合金でコーティング可能である。バスバーの銅製の接触面の銀によるコーティングは、有利には、例えば溶射法またははんだ付けによって実施可能である。
【００１１】
コーティングを形成する前に、接触面の役割を果たすバスバーの部位から酸化物を取り除く。新規のバーに対してこの処理を行なうことは有益であるが、とりわけ、使用済みのバーの導電性を向上させるために本発明による方法を適用する場合に、酸化物を取り除くことは必要である。この除去処理は例えばサンドブラストによって実行可能である。
【００１２】
バスバーのコーティング方法は、ある程度、バーの幾何学的構造に依存する。バスバーまたは電位平衡バーが縦方向に連続している場合は、コーティングはバーの全長に沿って行ない、その場合、溶射法によってコーティングを行なうことが好ましいが、はんだ付け法も無論利用可能である。仮に、電極に対する接触面として、バスバーにノッチまたは溝が形成されている場合、これらの接触面以外の部位にコーティングすることは、当然のことながら意味がない。これらの場合にも、はんだ付け法はコーティングを形成する有益な方法である。
【００１３】
銀の融点は960℃であるため、バスバーの銀によるコーティングには、溶射法を使用可能である。またAgCu合金を例えばワイヤまたは粉末の形でコーティング材として使用してもよい。共昌AgCu合金の融点は銀のそれよりさらに低いため、上記の技術を用いる接触面コーティングに適している。
【００１４】
実施可能な溶射法以外に、実際上、少なくともガス燃焼に基づく技術が実用的であることが証明されている。これらのうち、高速フレーム溶射法（HVOF）は、スプレー・ガンの燃焼炉中で起こる、高圧下での燃焼ガスの連続的燃焼または液体と酸素との連続的燃焼、ならびにスプレー・ガンによる高速ガス流の生成に基づくものである。コーティング材はキャリア・ガスを用いて、しばしば粉末の形で軸方向にガン・ノズルに供給される。粉末粒子はノズルの中で加熱され、非常に高い動力学的な速度（秒速数百メートル）を得て、コーティングされる片に発射される。
【００１５】
通常のフレーム溶射法では、燃料ガスと酸素との混合物が燃焼する時に、ワイヤまたは粉末の形のコーティング材を溶かす。一般にアセチレンが燃料ガスとして用いられ、これは非常に高温の火炎が得られるためである。コーティング材ワイヤは、圧縮空気タービンまたは電動モータを用いた供給装置によって、ワイヤ・ノズルを通して供給される。ワイヤ・ノズルの前で燃焼しているガスの炎はワイヤの端部を溶かし、その溶融物は、圧縮空気を用いてコーティングする片に金属ミストとして吹きつけられる。その粒子速度は100m/s程度である。
【００１６】
溶射法は表面の材料を溶かし、銀を含有するコーティングの溶融物は高温度を有するため、バスバーの接触面のコーティングにおいて、銅、スズおよびコーティング材の間で金属冶金結合が生成される。このため、接合部の導電性は良好である。金属接合法によれば、例えば380〜600℃の温度範囲において、接合部の銀、スズおよび銅から成る３成分合金の共昌性が向上する。必要に応じて、金属冶金的な接合部の形成を促進する別個の熱処理を溶射後に行なってもよい。
【００１７】
はんだ付け法を用いてバスバーの接触面にコーティングを形成する場合は、処理する表面を清浄にし、好ましくは50μm以下のスズ層をその上に形成する。その後、銀のコーティングを適当なバーナを用いて行なう。スズ層は溶け、コーティング・シートを溶融スズの上部に置く時には、正しい位置に設置することが容易である。
【００１８】
本発明による方法はまた、電解セルで用いられるバスバーまたは電圧補正レールに関するものである。バスバーの銅製の面、とりわけ、電極支持体バーまたは支持体ラグと接触する接触面に、非常に高い導電性を有する層が形成されている。非常に導電性の高い金属または合金としては、銀または銀銅などの銀の合金が用いられる。好ましくは接触面のコーティングは、金属冶金的な接合部が接触面とコーティングとの間で形成される、例えばはんだ付けまたは溶射法によって実施される。バスバーが縦方向に連続している場合は、コーティングはバスバーの全長に沿って行なうのが好ましい。仮に、電極に対する接触面として、バスバーにノッチまたは溝が形成されている場合、これらの接触面だけを本発明によってコーティングすればよい。
【００１９】
本発明による方法を、次の実施例および図１を用いてさらに説明する。図１は、本発明による電解質セルのバスバー、ならびに、基準となるバーの両方における相対的電圧低下を示す。
【００２０】
実施例
銅の電解法（電解精錬）における３個の電解セルはそれぞれ81個の電極を有していて、それら電極のうちバスバーに接触する接触面は、従来は銅製であった。セルのうち１個は、本発明による実施例を備えていて、これによれば、セルのバスバーの接触面は、銀でコーティングされていた。他の２個のセルは通常の銅のバスバーを有していた。図１は銀でコーティングしたバーの電圧低下が、従来のバスバーのそれよりずっと小さいことを示している。電圧低下は各電極の平均値を計算したものである。セルのバスバーにおける最悪の電圧低下は値100で示し、他のセルのバスバーの電圧低下は、これと比較した値で報告したものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による電解質セルのバスバー、ならびに、基準となるバーの両方における相対的電圧低下を示す図である。
【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成16年10月22日(2004.10.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の電解法で使用される電解セルのバスバーの少なくとも表面が銅製であり、電極が下降して接触する領域に接触面が形成される、バスバーに良好な接触面を形成する方法において、前記バスバーの銅製の接触面に伝達層を形成し、その後、前記接触面を、はんだ付け法または溶射法を用いて、銀または銀合金でコーティングし、コーティング材は、銅と、伝達層とともに、金属冶金的な接合部を形成することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記伝達層は、スズまたはスズを主成分とする合金であることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、前記銀合金は銀・銅合金であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、バスバーに加えて、電解セルは、電位平衡バーを備えていて、該バーでは、電極と接触する銅製の表面に伝達層を形成し、その後、接触面を、銀または銀合金でコーティングし、コーティング材は、銅と、伝達層とともに、金属冶金的な接合部を形成することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、コーティング層を前記バスバーの全長にわたって形成するよう、前記バスバーは縦方向に連続していることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、電極が下降して接触する前記バスバーの接触面は、ノッチまたは溝によって形成し、コーティング層は、前記バスバーのノッチまたは溝が形成された領域に形成することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、前記溶射法はガス燃焼に基づいていることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１または７に記載の方法において、前記溶射法は高速フレーム溶射法であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の方法において、導電性の高いコーティング材は粉末形であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１または７に記載の方法において、前記溶射法はフレーム溶射法であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１ないし７または10のいずれかに記載の方法において、導電性の高いコーティング材はワイヤ形であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１ないし11のいずれかに記載の方法において、前記接触面はコーティング後に熱処理することを特徴とする方法。
【請求項１３】
少なくとも表面が銅製であり、電極が下降して接触する領域に接触面が形成される、金属の電解法で使用される電解セルのバスバーにおいて、該バスバーの接触面に伝達層が形成され、その後、前記接触面は、はんだ付け法または溶射法を用いて、銀または銀合金でコーティングされ、銅、伝達層およびコーティング材は、金属冶金的な接合部を形成していることを特徴とするバスバー。
【請求項１４】
請求項13に記載のバスバーにおいて、前記伝達層は、スズまたはスズを主成分とする合金であることを特徴とするバスバー。
【請求項１５】
請求項13または14に記載のバスバーにおいて、前記銀合金は銀・銅合金であることを特徴とするバスバー。
【請求項１６】
請求項13ないし15のいずれかに記載のバスバーにおいて、前記バスバーは縦方向に連続していて、コーティング層は前記バスバーの全長にわたって形成されていることを特徴とするバスバー。
【請求項１７】
請求項13ないし15のいずれかに記載のバスバーにおいて、電極が下降して接触する前記バスバーの接触面は、ノッチまたは溝によって形成され、コーティング層は、前記バスバーのノッチまたは溝が形成された領域に形成されることを特徴とするバスバー。
【請求項１８】
請求項13ないし15のいずれかに記載のバスバーにおいて、該バーは電位平衡バーであることを特徴とするバスバー。
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月1日(2005.11.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属の電解法で使用される電解セルのバスバーの少なくとも表面が銅製であり、電極が下降して接触する領域に接触面が形成される、バスバーに良好な接触面を形成する方法において、前記バスバーの銅製の接触面に伝達層を形成し、その後、前記接触面を、はんだ付け法または溶射法を用いて、銀または銀合金でコーティングし、コーティング材は、銅と、伝達層とともに、金属冶金的な接合部を形成することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、前記伝達層は、スズまたはスズを主成分とする合金であることを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法において、前記銀合金は銀・銅合金であることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の方法において、バスバーに加えて、電解セルは、電位平衡バーを備えていて、該バーでは、電極と接触する銅製の表面に伝達層を形成し、その後、接触面を、銀または銀合金でコーティングし、コーティング材は、銅と、伝達層とともに、金属冶金的な接合部を形成することを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の方法において、コーティング層を前記バスバーの全長にわたって形成するよう、前記バスバーは縦方向に連続していることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載の方法において、電極が下降して接触する前記バスバーの接触面は、ノッチまたは溝によって形成し、コーティング層は、前記バスバーのノッチまたは溝が形成された領域に形成することを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、前記溶射法はガス燃焼に基づいていることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１または７に記載の方法において、前記溶射法は高速フレーム溶射法であることを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれかに記載の方法において、前記銀または銀合金は粉末形であることを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１または７に記載の方法において、前記溶射法はフレーム溶射法であることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１ないし７または10のいずれかに記載の方法において、前記銀または銀合金はワイヤ形であることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１ないし11のいずれかに記載の方法において、前記接触面はコーティング後に熱処理することを特徴とする方法。
【請求項１３】
少なくとも表面が銅製であり、電極が下降して接触する領域に接触面が形成される、金属の電解法で使用される電解セルのバスバーにおいて、該バスバーの接触面に伝達層が形成され、その後、前記接触面は、はんだ付け法または溶射法を用いて、銀または銀合金でコーティングされ、銅、伝達層およびコーティング材は、金属冶金的な接合部を形成していることを特徴とするバスバー。
【請求項１４】
請求項13に記載のバスバーにおいて、前記伝達層は、スズまたはスズを主成分とする合金であることを特徴とするバスバー。
【請求項１５】
請求項13または14に記載のバスバーにおいて、前記銀合金は銀・銅合金であることを特徴とするバスバー。
【請求項１６】
請求項13ないし15のいずれかに記載のバスバーにおいて、前記バスバーは縦方向に連続していて、コーティング層は前記バスバーの全長にわたって形成されていることを特徴とするバスバー。
【請求項１７】
請求項13ないし15のいずれかに記載のバスバーにおいて、電極が下降して接触する前記バスバーの接触面は、ノッチまたは溝によって形成され、コーティング層は、前記バスバーのノッチまたは溝が形成された領域に形成されることを特徴とするバスバー。
【請求項１８】
請求項13ないし15のいずれかに記載のバスバーにおいて、該バーは電位平衡バーであることを特徴とするバスバー。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
銀の融点は960℃であるため、バスバーの銀によるコーティングには、溶射法を使用可能である。またAgCu合金を例えばワイヤまたは粉末の形でコーティング材として使用してもよい。共晶AgCu合金の融点は銀のそれよりさらに低いため、上記の技術を用いる接触面コーティングに適している。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
溶射法は表面の材料を溶かし、銀を含有するコーティングの溶融物は高温度を有するため、バスバーの接触面のコーティングにおいて、銅、スズおよびコーティング材の間で金属冶金結合が生成される。このため、接合部の導電性は良好である。金属接合法によれば、例えば380〜600℃の温度範囲において、接合部の銀、スズおよび銅から成る３成分合金の共晶性が向上する。必要に応じて、金属冶金的な接合部の形成を促進する別個の熱処理を溶射後に行なってもよい。
【国際調査報告】
2006505692.tif 000004
2006505692.tif 000005
2006505692.tif 000006
2006505692.tif 000007