Pour un thermoplongeur en titane dans un électrolyte électrolytique de cuivre (180 g/L H₂SO₄, 45 g/L Cu) à 50 degrés, quelle est la distance de sécurité par rapport à l'anode pour éviter les dépôts destructeurs de cuivre ?

L'électrolyte pour l'extraction électrolytique du cuivre est composé de 150-200 g/L d'acide sulfurique et de 40 à 50 g/L d'ions cuivre à 40 à 50 degrés. Les anodes sont composées d'un alliage de plomb ou d'un matériau dimensionnellement stable et les cathodes d'acier inoxydable ou de feuilles de départ en cuivre séparées de 50 à 100 mm. Un thermoplongeur en titane placé trop près de l'anode fait office de cathode pour le dépôt de cuivre par le champ électrique. Des plaques de cuivre sur la gaine en titane créent un dépôt rugueux et nodulaire qui isole le radiateur et entraîne une surchauffe localisée. Plus important encore, le titane pourrait s'éroder derrière le dépôt de cuivre en raison de réactions galvaniques ou d'attaques de chlorure. La distance de sécurité par rapport à l'anode est la plus petite distance à laquelle la densité de courant locale sur la surface du titane est inférieure au seuil de nucléation du cuivre d'environ 0,5 mA/cm². Pour les cellules d'extraction électrolytique conventionnelles avec une densité de courant de 300 A/m2 et un espacement anode-cathode de 80 mm, la distance de sécurité est de 300 mm.

Mécanisme de dépôt de cuivre sur le titane dans les cellules d'extraction électrolytique

Le gradient de potentiel dans l'électrolyte est établi par le champ électrique entre l'anode et la cathode. Toute surface conductrice immergée dans ce champ se polarisera à un potentiel intermédiaire. Le radiateur en titane est cathodique par rapport à l'anode et est plus proche de l'anode que de la cathode. La densité de courant cathodique sur la surface du titane, ic, est proportionnelle à 1/r 2, où r est la distance à l'anode. Lorsque i_c est supérieur à environ 0,5 mA/cm2, les ions cuivre dans l'électrolyte sont réduits en cuivre métallique à la surface du titane par la réaction Cu2+ + 2e- → Cu0. Le gisement de cuivre croît rapidement, devient rugueux et dendritique. Lorsque le cuivre est déposé, il agit comme une cathode et le titane exposé devient une anode qui accélère la corrosion localisée.

Dépôt quantitatif de cuivre en fonction de la distance de l'anode.

Des études contrôlées en laboratoire sur une cellule d'extraction électrolytique avec une séparation anodique-cathodique de 80 mm et une densité de courant de 300 A/m2 ont permis de déterminer les taux de dépôt de cuivre sur du titane de grade 2 à différentes distances de l'anode. La densité de courant cathodique locale est de 5 à 10 mA/cm 2 à 50 mm et la vitesse de dépôt de cuivre est de 0,5 à 1,0 mm par heure. Un développement nodulaire sévère survient dans les 24 heures. Une position typique de la cathode est de 100 mm et la densité de courant cathodique est de 2 à 5 mA/cm^2. La vitesse de dépôt est de 0,2 à 0,5 mm par heure et la plaque de cuivre lourde est formée en 48 heures. À 200 mm, la densité de courant cathodique est de 0,5 à 1,5 mA/cm2, la vitesse de dépôt est de 0,05 à 0,15 mm/h et le cuivre visible est visible après 100 à 200 h. À 300 mm, la densité de courant cathodique est de 0,2 à 0,5 mA/cm2, en dessous du seuil de nucléation. Un dépôt stable de cuivre ne se produit pas, mais des cristaux de cuivre solitaires peuvent se développer et se détacher. À une distance de 400 mm, la densité de courant cathodique descend en dessous de 0,2 mA/cm² et le cuivre ne se dépose pas, cette distance est donc sûre pour un fonctionnement indéfini.

Influence de la densité de courant cellulaire et de la distance anodique-cathodique sur la distance de sécurité

La densité de courant de la cellule augmente la distance de sécurité par rapport à l'anode et l'espace anode -cathode augmente la distance de sécurité. La distance de sécurité minimale est de 250 mm avec une densité de courant au niveau du radiateur de 0,4 mA/cm 2 avec une densité de courant de 200 A/m 2 et une séparation de 100 mm. Avec une séparation de 80 mm et 300 A/m 2 , la distance de sécurité minimale est de 300 mm. La densité de courant est de 0,3 mA/cm 2. À 400 A/m 2, la distance de sécurité avec un espacement de 80 mm est de 350 mm pour une densité de courant de 0,4 mA/cm 2 . 2. À 500 A/m² avec un espacement de 100 mm, la distance de sécurité est de 400 mm avec une densité de courant de 0,3 mA/cm². À une densité de courant de 0,3 mA/cm 2 , la distance de sécurité à 300 A/m 2 est de 350 mm, avec une largeur de 120 mm. Une distance plus large entre l'anode et la cathode signifie moins de gradient de champ et un placement plus rapproché des éléments chauffants.

Guide pour choisir les distances de sécurité pour les radiateurs électrolytiques

Le tableau ci-dessous indique les distances de sécurité recommandées par rapport à l'anode pour les thermoplongeurs en titane de grade 2 dans un électrolyte d'extraction électrolytique de cuivre à 50 degrés en fonction de la densité de courant de la cellule et de l'espacement anode-cathode.

Densité de courant de cellule (A/m2) Distance de l'anode-à-cathode (mm) Distance de sécurité minimale de l'anode (mm) Distance de sécurité Densité de courant au niveau du radiateur (mA/cm2)Emplacement du radiateur - recommandé
200 100 250 0.4 Derrière la cathode (côté éloigné) 300 80 300 0.3 Derrière la cathode (côté éloigné) 300 120 350 0.3 À l'extrémité de la cellule, anodes opposées
400 80 350 0.4 Près du bas de la cellule, centré 500 100 400 0.3 Entre les cathodes uniquement 300 80 (rénovation, espace limité) 200 1.0 Avec protection en plastique, nettoyages mensuels
En dehors de l’ingénierie du contrôle à distance de sécurité

S'il n'est pas possible d'obtenir la distance de sécurité en raison des limites de la forme des cellules, un écran en plastique perforé en PTFE ou en polypropylène peut être installé autour de l'appareil de chauffage. Un écran avec 50 pour cent de surface ouverte réduit la densité de courant locale de 70 à 80 pour cent, sans effet appréciable sur le transfert de chaleur. La qualité du titane n'empêche pas le dépôt de cuivre, bien que la qualité 7 puisse durer plus longtemps sous les dépôts de cuivre en raison de sa résistance supérieure à la corrosion. Les dépôts de cuivre doivent être nettoyés périodiquement. Plongez le radiateur dans de l'acide sulfurique à 20 % à 50 degrés pendant 30 minutes. Cela dissout le cuivre sans endommager le titane. L'épaisseur de la paroi offre une tolérance à la corrosion ; un mur de 2,0 mm avec des dépôts occasionnels de cuivre peut mieux survivre aux cycles de nettoyage qu'un mur de 1,2 mm.

Élaborer une spécification éclairée (humanisée)

Pour un thermoplongeur en titane dans une cellule d'extraction électrolytique en cuivre à 50 degrés, placez le thermoplongeur à au moins 300 mm de l'anode la plus proche pour les cellules avec une densité de courant de 300 A/m² et un écart de 80 mm. Augmentez la distance de sécurité pour les cellules ayant une densité de courant plus élevée ou un espacement plus rapproché. Lorsque l'espace disponible exige qu'il soit placé à moins de 300 mm, un écran en PTFE perforé de 3 mm d'épaisseur avec des trous de 5 mm et une zone ouverte de 50 % doit être installé autour du radiateur. Le radiateur doit être nettoyé mensuellement avec de l'acide sulfurique à 20 %. Lors de la mise en service, mesurez le potentiel de circuit ouvert du réchauffeur en titane par rapport à une électrode de référence en cuivre-sulfate de cuivre ; un potentiel plus négatif que +0.2 V par rapport au CSE indique un risque de dépôt de cuivre et nécessite un repositionnement. L'ingénieur s'assure que la distance de sécurité par rapport à l'anode est respectée et évite ainsi les dépôts nocifs de cuivre sur les thermoplongeurs en titane lors du service d'extraction électrolytique du cuivre.