包括短接装置和断路器的电解槽供电电路的制作方法

1.本发明涉及在特高电流强度下运行的设备(诸如串联布置的电解槽之类)的供电装置的技术领域，并且特别涉及包括短接装置和断路器的电解槽供电电路。


背景技术：

2.可以通过在电解槽中的电解方法制造厚度非常小的铜箔，电解槽包括称为鼓轮的钛的圆柱形负电极、被诸如钛、铂或铱或它们的合金之类的金属覆盖的正电极，以及在20ka与100ka之间的直流电源。当直流电在由适当的酸形成的电解液中在负电极与正电极之间流动时，铜被电沉积在圆柱形负电极上，圆柱形负电极连续旋转，形成铜箔。电解槽一般在大车间中电串联连接，在大车间中它们的数量可以达到几十个。这种设施需要大于1000安培，并且可以达到几万安培，甚至对某些设施可以达到几十万安培的高强度电流。电解槽通过大截面的总线来供电。这些电解车间装有一些使电解槽隔离短接的装置，以便能够进行对它们的维护而不使电解车间停工。
3.短接器与前一电解槽的阴极(即电流输出电极)和下一电解槽的阳极(即电流输入电极)连接。闭合该短接器可以使整个电流偏向，并绕过电解槽。使电解槽断路的步骤也是必要的。该步骤通过手动断开连接供电总线和电解槽阳极的螺栓接触，或者通过取出位于连接处的垫块进行。断开阳极可以消除电解槽中的一切电流流动。
4.在电解车间中，这些短接装置是活动的，以便能够与要断路的电解槽连接，然后断开连接，以便根据需要与另一个电解槽连接。这些连接和断开连接部分是手动进行的。除了对操作者很危险之外，这些干预对生产也是不利的，因为它们的实施一般是很费时的。
5.另外，这些干预是电流强度变化很大的根源，电流强度变化很大会导致诸如总线之类的供电导体很大的温度膨胀。为了吸收这些膨胀，电解槽的供电电路装有适于在不同供电导体零件膨胀时移动的柔性导体。这些柔性导体或者是铜或铝的绞合线，或者是铜或铝带。实际上，带和绞合线都是由大量厚度很薄的导体构成，形状为厚度约1mm的薄板或者线股，它们与空气有较大的接触表面，同时互相非常靠近，甚至互相接触。构成导体的细薄厚度使其有很大的柔韧性。不幸的是，它们与空气的大接触表面以及它们的小厚度提供了承受电解车间中的热和化学侵蚀的很大面积，因此这些柔性导体是脆弱的，并且比其它刚性导体零件更快损坏。另外，它们的损坏增加了它们的电阻，这就通过焦耳效应增加了电能的消耗，并且降低了电解槽的效率。
6.尽管柔性导体具有较大的与空气接触的面积，这些柔性导体不具有足以有效排出由焦耳效应消散的热的空气通道面积。因此，如果希望保持电解槽的效率，这些导体必须经常更换，这增加了电解槽停工的频率。
7.另一方面，用于生产铜箔的供电电流在20ka到100ka之间的电解槽需要比一般用于生产铝的石墨电解槽更特定的阳极。这些特定的阳极被覆盖稀有材料，诸如钛、铂或铱之类。在电解槽短接的过程中，可以达到额定强度二到三倍的反向电流峰通过阳极。该现象在参照图4的描述中详细解释。该反向电流峰破坏阳极的覆盖层，这就需要电解槽经常停工，
以便在阳极上进行干预以便修理或更换阳极，这产生较大的费用。
8.文件fr2805098中描述了其中将电阻与短接器相关联的短接装置的例子。这是使电解槽极化的复杂装置，并且在与电解槽放电步骤对应的大约几小时的长时间后进行短接。另外，它只能应用于氯碱电解槽，而不能应用于铜的电解。
9.实际上，在电解槽车间中，在短接操作前，使穿过电解槽的电流强度减小，以便使反向电流的峰强度最小。该减小强度的步骤需要时间，并且影响同一串联供电线路上的所有电解槽。这干扰电解槽的运行，电解槽因此产生质量欠佳的铜箔。电解槽的能耗占据生产成本的很大一部分。通过减少穿过构成根据本发明的电路的不同导体零件的热损失，可以改善该能耗。


技术实现要素：

10.这就是为什么本发明的目的是通过提供一种电解槽的自主供电和短接的电路来克服这些缺点，该电路具有低电阻并且可以使电解槽迅速短接而不影响其它电解槽的运行。
11.本发明的另一目的是提供一种电解槽的供电和短接的电路，它可以消除在电解槽短接时产生的反向电流并因此可以避免电极的损坏。
12.因此，本发明的目标是一种为电解槽供应包括在20ka和100ka之间的额定直流电流的供电电路，所述供电电路包括前一电解槽的电流到达的上游母线、与下一电解槽的上游母线连接的下游母线，通过短接器将所述上游母线和下游母线的这两个母线连接在一起，当短接器在致动机构的作用下闭合时，短接器能够使所述两个母线电连接在一起以便断开电解槽的供电。所述电路还包括装有旨在与电解槽的阳极连接的阳极连接接口的阳极杆和旨在与电解槽的阴极连接的阴极连接接口。根据本发明的主要特征，阴极连接接口通过柔性电连接器与下游母线连接，所述电路包括用于吸收构成所述电路的不同零件由于热膨胀而产生的移动的部件、以及一方面与上游母线连接并且另一方面与阳极杆连接的断路器，所述断路器在短接器已经闭合之后的非零的时间间隔tm之后，在致动机构的作用下打开并且使所述上游母线与所述阳极杆彼此脱离电连接，所述时间间隔tm对应于在短接器中额定电流的建立时间。
附图说明
13.阅读下面参照附图的描述，本发明的目的，目标和特征将更加清楚，附图中：
14.[图1]表示装有根据本发明的电路的电解槽生产线的电线路图的示意图；
[0015]
[图2]表示根据本发明的电路的示意性前视图；
[0016]
[图3]表示根据本发明的电路的示意性局部侧视图；
[0017]
[图4]表示在没有根据本发明的电路的情况下，在将电解槽脱离电路的情况下阳极中流动的电流演变曲线；
[0018]
[图5]表示在将装有根据本发明的电路的电解槽脱离电路的情况下阳极中流动的电流演变曲线；
具体实施方式
[0019]
生产线的电解槽通过闭环直流电串联供电。电流经过不同的电零件：母线或总线、阳极杆、阳极连接、阳极、电解液、阴极、阴极连接、阴极杆，然后是总线等等。
[0020]
根据图1，该图表示由三个电解槽11、21和31组成的电解槽生产线的一部分电路，每个电解槽包括阳极111、211和311和阴极112、212和312。通常，电流通过到达阳极穿过第一电解槽、穿过电解液并且再从阴极出发以去往下一电解槽(或下游电解槽)的阳极，并如此继续。因此，在示例中，电流到达阳极111，穿过电解槽11的电解液，进入阴极112，然后通过导体中的电连接去往相邻下游电解槽20的阳极211中。
[0021]
根据本发明的电路是与电解槽11、21、31的电极连接的供电电路10、20、30，它可以给电解槽供电并且在维护情况下使电解槽与电路断开。
[0022]
每个电路10、20、30包括可以分别使电解槽11、21、31与电路断开的短接器12、22、32，可以分别使电解槽的阳极111、211、311隔绝的断路器13、23、33，以及一组连接、导体和用于致动短接器和断路器的部件。
[0023]
断路器和短接器是文件wo2014/068201中描述的类型的高电流强度供电线路的断路装置。
[0024]
当需要使电解槽21与电路断开时，短接器22闭合，这样可以使来自位于上游的前一电解槽11的阴极112的全部电流向位于下游的后一电解槽31的阳极311偏向。同样，断路器23打开，使得隔绝电解槽21的阳极211，并且消除电流的全部流动，以便可以在电解槽上进行干预。
[0025]
图2以示意性前视图的方式表示了根据本发明的电路20，其中电路20位于图上用虚线表示的电解槽21的前面。电路20另外包括上游母线25、下游母线26和短接器22，电流通过上游母线25到达前一电解槽11，并且更准确地说，到达前一电解槽11的上游供电电路10(与电路20类似)，电流通过下游母线26进入下一电解槽31，并且更准确地说进入下一电解槽31的下游供电电路30(与电路20类似)。短接器的连接板可以借助螺栓连接225、226使母线与短接器电连接，以便通过短接器22使两个母线25和26连接在一起。在母线25、26和短接器的连接板之间存在由选自包括铁、钴、镍和它们的合金的组并覆盖有至少一层锡、铟或它们的合金的覆盖层的金属泡沫骨架构成的ecocontact(注册商标)泡沫层。泡沫层的表面包括多个接触点。借助这些点，泡沫层一方面与母线具有多个接触，另一方面与连接板具有多个接触，这使得可以获得大的电导率以及因此小的电阻。根据本发明的电路的所有螺栓连接都装有在它们锁紧前位于接触表面之间的ecocontact金属泡沫层。
[0026]
阳极杆213通过断路器23与上游母线连接。断路器通过两个螺栓连接235和236与阳极杆和上游母线电连接。阳极杆213包括旨在通过图中未出示的连接导体与电解槽21的阳极211连接的阳极连接接口215。旨在与电解槽21的阴极212连接的阴极连接接口214与柔性电连接器27电连接。连接器27通过螺栓连接275与母线26电连接。连接器27包括用于吸收构成电路的不同零件和电解槽由于热膨胀而产生的移动的部件。
[0027]
根据本发明的装置通过与连接器27同一类型的柔性电连接器互相连接。因此电路20通过由两个螺栓连接245和246连接的柔性电连接器24与位于上游的电路10电连接。电路20还通过同一类型的连接器与位于上游的电路30连接。电连接器24包括用于吸收母线由于热膨胀而产生的移动的部件。
[0028]
短接器22和断路器23具有基本相同的特征。它们由文件wo2014/068201中描述的多个断路模块组成。每个断路模块能够让大约3000a的电流通过，并且包括至少一个用于与电流入口建立电连接的第一固定接触导体零件和用于与电流出口建立电连接的第二固定接触导体零件，固定接触零件通过两个连接板电连接，每个断路模块还包括至少一个适于在致动机构的作用下同时与第一和第二固定接触零件接触的活动接触导体零件。在额定位置，短接器打开而断路器闭合。在断路器23的情况下，致动机构致动以消除固定接触零件与活动接触零件之间的接触，并且因此打开断路器，而在短接器22的情况下，致动机构向另一方向致动，使活动接触零件与固定接触零件接触，并且因此闭合短接器。短接器22的闭合可以使两个母线25和26电连接在一起，以便断开电解槽21的供电。
[0029]
根据本发明的电路的断路器和短接器包括一定数量的并联断路模块，它们的数量与要断路的电流相适应。对于断路器和短接器，断路模块放置在优选地充填惰性气体的密封壳体中，并且两个连接板位于壳体外部并且分别与所有模块的第一固定接触导体零件和第二固定接触导体零件电连接。
[0030]
优选地，对每个断路模块，在将与第一固定接触零件和第二固定接触零件中的每个接触的活动接触零件中的每个活动接触零件的表面上固定银锭片。
[0031]
根据优选实施例，至少一个固定接触零件包括铝下层、包括银覆盖层的铜上层，以及泡沫中间层，该泡沫中间层由选自包括铁、钴、镍和它们的合金的组并覆盖锡、铟或它们的合金的至少一层覆盖层的金属泡沫骨架构成。
[0032]
就负荷而言，短接器22的打开能力大于断路器23的打开能力，因为短接器被与断路器相反的负荷致动，而断路器被弱负荷或零负荷致动。
[0033]
根据本发明的电路包括位于电路中心的支撑零件29，并且上游母线25和下游母线26以及阴极杆213通过电绝缘部件固定在支撑零件29上。由于支撑零件的中心位置，支撑零件加固了电路整体，特别是加固了位于它附近的电路部分。实际上，距离该零件越远，由于热膨胀而产生的导体移动越大。
[0034]
断路器23和短接器22以尽可能靠近支撑零件29的方式被放置，使得尽可能小地受由于导体膨胀而产生移动的影响。断路器和短接器的每一个都具有它们的致动机构。优选地，短接器22的致动机构或第一致动机构是气动千斤顶229，并且断路器23的致动机构或第二致动机构是气动千斤顶239。
[0035]
断路器23以垂直于短接器的方式放置，使得短接器的断路模块与断路器23的断路模块垂直。这样可以减小体积。因此两个千斤顶也被互相垂直地放置。
[0036]
参照图3详细描述柔性电连接器27、24的特征，图3表示根据本发明的电路的侧视图，特别是柔性电连接器27的侧视图。
[0037]
根据图3，可以看到，柔性电连接器27的形状适于将电流带到下游母线26与阴极连接接口214之间，使得它允许改变方向并绕过阳极杆213，同时又允许不同的母线、杆和电导体以及电解槽移动。
[0038]
实际上，电流在供电导体和电解槽中通过可能导致电路的金属部分在电解池中的移动、热膨胀和变形。如可以图3中看到的，为了能够吸收这些变形，柔性电连接器27由多个薄片28(优选地为铝薄片)构成。在示例中，连接器包括八个薄片，其中四个与母线26的一侧连接，四个与相反一侧连接。借助于螺栓连接275，连接器与母线紧密接触。如前所述的金属
泡沫层60位于接触表面之间，以减小接触电阻并改善连接的电导率。
[0039]
薄片按照一个方向根据至少第一角度折叠，然后按照与第一方向相反的方向根据第二角度折叠，使得薄片包括(z字形的)两个折叠，并且使薄片具有尽可能大的柔性，并且能够在导体移动和膨胀以及温度的作用下在z字形的两个角度中变形。另外，薄片与空气有非常大的表面，由薄片的两个面乘以薄片的总数连同各薄片间的空气层的厚度构成的表面足以允许自然对流。薄片的厚度包括在1cm和3cm之间，薄片之间的厚度包括在5mm和2cm之间。
[0040]
尽管形状不同，连接器24也包括多个薄片28，每个薄片28包括根据与要实现的连接的几何形状相适应的角度的折叠。对于每个连接器24或27，薄片的长度，折叠数量，和折叠角度都与要装备的电解槽的几何形状相适应。与铜绞合线或铝带类型的柔性导体相比，根据本发明的电路的连接器24、27的薄片具有提供一定刚性的优点，这种刚性便于置于电解槽上。实际上，为了使它们弯曲，需要100kg的力。另外，薄片的厚度比绞合线的线股或带的薄板的厚度更大，这允许随着时间的更好的耐久性。根据本发明的电路的柔性连接器24和27被设计为提供足够的柔韧性，以允许母线和其它导体零件的主要由于电解槽化学反应和高强度电流的热膨胀或收缩导致的移动。
[0041]
根据本发明的柔性连接器的一个有利特征，除了至少一个厚度减小的不同地点，薄片28的厚度是恒定的。薄片在突出角侧的折叠处有厚度减小271。在厚度减小处，在不超过薄片厚度两倍的薄片长度上，薄片的通过截面减少超过一半。
[0042]
这种在薄片折叠角度处的厚度减小具有多个优点。厚度减小在折叠前实现，这减小了折叠操作过程中要提供的力并且便于折叠。另外，与在厚度恒定的薄片上进行折叠相比，在突出角处不会出现材料凸缘。而材料堆积趋向于在薄片处产生应力并减小薄片的整体柔韧性。根据本发明的具有薄片(该薄片带有至少一个或两个方向相反的折叠，以及至少一个在折叠的每个突起角处的厚度减小)的连接器沿y轴和z轴方向比具有一个或两个没有厚度减小的折叠的连接器具有更大弹性。
[0043]
根据本发明的连接器薄片28优选地在薄片的平直部分上还有一个厚度减小272，以增加薄片在与薄片的表面平面垂直的各方向，即在图3上的沿z轴方向以及沿y轴方向的弹性。
[0044]
图4的图表示根据现有技术的供电电路，在电解槽被供电和短接的情况下，由细线41指示的短接器中电流随时间的演变以及由粗线42指示的在阳极中电流随时间的演变。当短接器打开，60ka的额定电流在电解槽的阳极中流动。在示例中，在tcc时刻实现短接器闭合后，阳极中的电流减小，而短接器中的电流逐渐增加。电流的逐渐上升和下降是正常的，并且是由于电流强度值很大。阳极中的电流不仅仅是下降到零，而是反向以达到180ka的峰值。然后该反向电流逐渐减小，在几个小时达到非常低的值。在仅持续几秒的反向电流峰期间，阳极的覆盖层严重损坏。
[0045]
根据本发明的电路可以避免反向电流峰，并且因此避免电解槽的阳极损坏。实际上，由于短接器和断路器的闭合和打开的时间的同步，根据本发明的电路的断路器的运行与短接器的运行有关。实际上，断路器被调节为当阳极中的电流接近零时打开，这避免了高强度的反向电流通过阳极。在tcc时刻实施短接后，在非零的时间间隔tm(包括在50ms与300ms(毫秒)之间)之后，额定直流电在短接器中建立。额定电流的建立时间对应于在短接
器中建立电接触之后，短接器中的电流强度从零上升直到额定强度的时间。
[0046]
根据本发明，断路器被调节为在短接器中建立额定电流的时段tm结束之前或者在建立时段tm结束时致动并打开阳极的供电电路。在该时段tm期间，减小到零的电解电流经过电解槽。因此，没有任何反向电流穿过电解槽和阳极。可调节的时间tm与电解槽的物理特征(诸如它的尺寸之类)有关。根据本发明，断路器在短接器已经闭合后的非零的时间间隔tm之后，在致动机构239的作用下打开并且使上游母线与阳极杆彼此脱离电连接。
[0047]
图5的曲线图示出了短接器和断路器闭合和打开的该时间同步的结果，图5表示当电解槽装有根据本发明的电路时，随着时间的短接器和阳极中的电流强度。
[0048]
在等于对应于短接器闭合的时刻tcc的时间t，短接器中的电流沿曲线51逐渐增加，而阳极中60ka的电流减小。当对应于短接器中的电流达到其额定值60ka所需的时间的时段tm流逝时，断路器打开。如可以在图5的曲线52中看到的，断路器在该时刻打开可以使阴阳极中的电流不反向并保持为零。
[0049]
借助根据本发明的电路，阳极的供电电路在阳极中的电流反向前开放，因此保护阳极免受任何使它的覆盖层损坏的反向电流。时间tm可以或者在一系列测试和测量后确定，或者取决于实时计算。根据本发明的电路具有能够远程致动的优点，这避免在电解槽附近的人为干预。
[0050]
每个根据本发明的供电电路包括控制和操控箱，该控制和操控箱包括接口、用于控制气动千斤顶229和239的致动的部件、报警器、禁止器和压降指示器。报警器可以在超过容许温度和缺少空气等的情况下触发。
[0051]
控制和操控箱的接口提供短接器的位置和断路器的位置。如果短接器打开则控制和操控箱禁止断路器打开，并且如果断路器打开则控制和操控箱禁止短接器打开。
[0052]
控制和操控箱与短接器和断路器的致动机构连接，并且控制它们的开放和闭合。特别地，控制和操控箱自动操纵短接器闭合与断路器打开之间的时间间隔。借助于两个千斤顶的耦合是通过锥形齿轮进行的并且由于两个千斤顶相互垂直的定位而易于实现，千斤顶的致动被几乎同时地控制。
[0053]
优选地，母线25和26、阳极杆213和柔性连接器24和27预先经过表面处理并且覆盖有降低它们温度的黑色覆盖层。
[0054]
根据本发明的电路以模块的形式呈现，其优点是能够在工厂预制，并且在电解车间中直接与电解槽的电极连接。因此，与在电解车间需要几周时间逐零件地组装的传统供电系统相比，根据本发明的电路的安装时间减少到几个小时。ecocontact金属泡沫层的使用也可减少组装时间。实际上，泡沫层的使用避免了通过焊接进行组装，并且可以通过旋开和紧固螺栓的简单机械操作更换断路器或短接器。
[0055]
与在电解车间中是活动的并在停工时刻与电解槽连接的传统短接系统相反，根据本发明的电路是永久的并专用于单一电解槽。根据本发明的电路降低了总供电电路的总电阻从而具有更好的能效，同时根据本发明的电路位于电解槽前的减小的体积。
[0056]
根据本发明的电路允许在同一容易互换并具有较小的电阻的电路中使电解槽的短接电路和阳极断路器的功能结合。