Instalación de electro-refinado con barras intercelda interconectables

La presente memoria descriptiva se refiere, como su título indica, a una instalación de electro-refinado con barras intercelda interconectables, considerando instalación de electro- refinado a una instalación de electro-deposición utilizada para purificar metales mediante electrólisis, que comprende al menos tres celdas conectadas en un circuito serie entre los polos positivo y negativo de un rectificador, en las que la conexión eléctrica entre cada celda y la siguiente se establece mediante un conjunto de tres barras, una principal central, y dos laterales colocadas entre cada dos celdas consecutivas y paralelamente entre sí a unos pocos centímetros.

La barra central actúa de forma convencional y da apoyo y conexión eléctrica a uno de los extremos de todos los colgadores de los cátodos de la celda anterior en la serie de celdas, donde la primera celda es la conectada al polo positivo del rectificador, esta barra central también da soporte y conexión eléctrica a uno de los extremos de todos los colgadores de los ánodos de la celda siguiente. Una de las dos barras laterales mencionadas, la barra lateral superior, da apoyo y conexión a todos los ánodos de la celda anterior, y la otra barra, la lateral inferior da apoyo y conexión a todos los cátodos de la celda siguiente.

Unos cuantos interruptores eléctricos de alta corriente instalados uniformemente a lo largo de estas barras les suministran el atributo de barras conectables, al ser capaces de establecer un puente eléctrico o conexión entre dichas barras, dicha conexión se realiza periódicamente durante un corto periodo de tiempo, ocasionando la deseada inversión temporal de corriente en los electrodos de una celda, entonces diremos que la celda está en estado de inversión. Durante un periodo decenas de veces mayor, los interruptores permanecen abiertos o sin establecer la conexión, durante este periodo de interruptores abiertos la celda se encuentra en su estado de producción convencional.

Campo de la invención

La invención se refiere al campo de las plantas y procesos de electro-deposición de metales, especialmente electro-refinado, en las que las celdas de producción que contienen los electrodos y el electrolito están conectadas o pueden conectarse entre sí mediante una barra eléctrica ¡nter-celda. Estado actual de la técnica

Desde hace más de cien años son muy utilizados industrialmente los procesos de electro- refinado de metales para su purificación. Cuando el electro-refinado se emplea para la creación de finas capas de recubrimiento se suele denominar también “recubrimientos” o “plating”.

La instalación o conexionado eléctrico convencional de electro-deposición de metales, que es el mismo para electro-obtención que para electro-refinado de metales, como se ¡lustra en las figuras 1 y 2 consta de una agrupación de celdas conectadas en serie, en la que destacamos como principales elementos:

- el polo positivo del rectificador que alimenta el circuito serie de celdas,

- el polo negativo del rectificador que alimenta el circuito serie de celdas,

- las barras colgador de los ánodos, debajo está la placa electrodo ánodo,

- las barras colgador de los cátodos, debajo está la placa electrodo cátodo,

- la barra ínter-celda convencional, y

- el electrolito líquido ocupando el espacio entre los ánodos y los cátodos.

El metal depositado en el cátodo se obtiene al hacer circular una corriente continua entre el ánodo y el cátodo. A escala industrial, en una planta productiva, esto supone decenas de miles de amperios aplicados a miles de electrodos. La circulación continuada de estos amperios durante horas (amperios x horas) ocasiona la deposición de los millones de toneladas del metal producido anualmente en estas plantas.

Estos procesos de electro-refinado pueden producir metales de muy alta calidad con muy alta pureza y finura. Sin embargo, desde sus orígenes hace un siglo, presentan de forma intrínseca serias dificultades técnicas con limitaciones naturales que encarecen y complican notablemente su operación, además de que también hacen a estos procesos más contaminantes.

La densidad de corriente y como consecuencia la densidad y capacidad de fabricación tiene unos límites técnicos muy estrictos, por encima de los cuales se pierde calidad, aumenta la contaminación y se dispara el coste energético. Además la electroquímica del proceso es muy vulnerable a pequeñas e inevitables desviaciones en la composición de los minerales y variables de proceso. Hace ya más de cien años de la construcción de las primeras plantas industriales utilizando las barras convencionales intercelda, denominadas “barras Walker”, con sus distintas versiones o perfiles. En este tiempo se ha realizado una intensa investigación y trabajo intentando mitigar y superar las dificultades y problemas técnicos señalados.

Cortocircuitos o contactos directos ánodo-cátodo.

Se pueden producir cortocircuitos accidentales por error de colocación, por el no alineamiento paralelo de los electrodos, o por deformaciones físicas de estos. Es evidente que una mejora en la disciplina del trabajo de su colocación y en la calidad de las placas que los forman puede resolver y resuelve esta dificultad accidental.

Pero, además de esto, durante el proceso de deposición del metal aparecen, de forma natural e impredecible, protuberancias en la capa plana de metal generada, en la placa catódica, que habitualmente tiene una superficie de aproximadamente un metro cuadrado. Estas irregularidades rápidamente crecen en forma de dendritas y pueden fácilmente llegar a contactar con el ánodo situado a apenas unos cinco centímetros del cátodo. Estos contactos provocan unos cortocircuitos con altas corrientes, muy destructivas, que merman la producción, destruyen la integridad física de los electrodos contaminando el electrolito y así el metal producido, y al final de la cadena el medio ambiente.

Una solución adoptada desde el principio a este importante problema consiste en detectar lo antes posible la sobre corriente y eliminar manualmente el contacto de cortocircuito. Al tratarse de miles y miles de electrodos, y en un ambiente muy hostil y peligroso, tiene el inconveniente de que se trata de una tarea de alto coste y baja eficacia.

Otro procedimiento paliativo consiste en la aplicación de aditivos que afinan el granulado del cristal metálico depositado y hacen menos probable la creación de las dendritas, pero estos aditivos son algo contaminantes, de alto coste y de eficacia relativa.

Se conocen soluciones más sofisticadas, como la aplicación de los ánodos segmentados de titanio como los descritos en la patente WO2015/079072 “Anode structure for metal electrowinning cells", pero presentan el inconveniente de que tienen un alto coste al requerir un recubrimiento compuesto por materiales escasos dada su alta demanda como son, rutenio, iridio o rodio. Estos ánodos desconectan automáticamente la sección parcial en la que se establece el contacto de cortocircuito evitando así las altas corrientes, aunque como resultado de la desconexión del segmento anódico, inevitablemente aparece un pequeño problema colateral obligado consistente en la copeñzación del segmento anódico desconectado, por el que dicho segmento se recubre de una capa de cobre aunque se disuelve de forma natural una vez eliminada la dendrita. Siendo esto un mal menor esta solución debería de ser operativa, sin embargo su implementación real y validación industrial padece inesperadas dificultades.

Calidad

Las placas de electrodos trabajan eficientemente a muy bajas densidades de corriente, del orden de unos 300 Amperios por m ² , o sea 30 mA por cm ² , considérese en comparación con un conductor de cobre de unos pocos milímetros que puede transportar decenas de miles de mA. Como consecuencia, esto obliga a trabajar en plantas de muy grandes dimensiones con un alto coste constructivo y operativo. Superar los límites de densidad de corriente en aras de una mayor productividad o concentración productiva significa pagar el precio de una peor calidad del metal, un aumento drástico de los cortocircuitos por dendritas como los anteriormente descritos, una pérdida de rendimiento y una mayor contaminación.

Es sorprendente y muy interesante saber que existen desde hace ya décadas estudios claros y contundentes que muestran y proponen una solución técnica reconocida a todas las dificultades naturales apuntadas de estos procesos electroquímicos, eliminando la raíz de la limitación intrínseca de fondo que padecen estos procesos de electro-deposición, como por ejemplo se describe en la patente US4140596 “Process for the electrolytic refining of copper ¹ ’. Esta solución consiste en la inversión periódica de la corriente eléctrica en electrodos, tal como propone la patente, durante 0.355 segundos, para los 7.1 segundos siguientes trabajar de forma directa productiva. Esto significaría aparentemente invertir o deshacer cíclicamente un 5 por ciento de lo fabricado anteriormente, pero la realidad prueba, y las teorías justifican, que al contrario, esta corta inversión de corriente sanea las barreras de potenciales electroquímicos que se apelmazan y son la fuente de todas las dificultades naturales apuntadas anteriormente para estos procesos.

Existen trabajos ya consolidados y aceptados por la comunidad científica que explican este fenómeno mediante el estudio de las capas iónicas que se originan en la superficie de los electrodos o en su proximidad, y la eficacia de la inversión de corriente periódica, o lo que es lo mismo la aplicación de pulsos de corriente y/o pulsos inversos repetidos periódicamente. Así aparece el concepto de la existencia de una capa iónica capacitiva, la capa de Helmholtz, cuya creación sería la raíz de las severas limitaciones de estos procesos descritas anteriormente.

El procedimiento teórico de aplicar una corriente de sentido inverso al de la corriente de producción periódicamente parece ser la solución, pero el problema técnico real es la seria dificultad de cómo hacerlo realidad o cómo implementarlo práctica y operativamente a gran escala en una planta productiva industrial real. En un laboratorio con unas placas catódicas de unos centímetros cuadrados operando bajo unos pocos amperios, es fácil implementar una instalación eléctrica que nos permita experimentar, encontrar y aplicar una solución altamente satisfactoria. Sin embargo en una planta industrial los pocos centímetros cuadrados se convierten en miles y miles de metros cuadrados de superficie de electrodos, y unos cuantos amperios en decenas de miles de amperios.

El cambio súbito y periódico de sentido de estas altas corrientes de decenas de miles de amperios se ha intentado obtener mediante la superposición o suma a la corriente continua convencional de otra añadida alterna, siendo la estándar onda alterna de perfil temporal senoidal que llega a nuestras casas y se usa asimismo en la industria, que en su pico negativo supere la amplitud de la corriente continua siempre positiva, dando lugar a que la suma de ambas tenga un periodo largo de valores positivos frente un momento de corriente inversa, cono se describe en las patentes WO2015056121 “Metal-electrowinning or - electrorefining process comprising the application of an electrical power signal formed of an alternating current superimposed on a direct current’ y WO2015075634 “Method of superimposing alternating current on direct current for methods for the electrowinning o electrorefining of copper or others products, in which the alternating current source is connected between two consecutive cells of the electrolytic cell group using an inductor for injecting alternating current and a capacitor for closing the electric circuit’’. El problema de estas soluciones es la magnitud extrema de los dispositivos eléctricos necesarios para el acoplamiento de ambas potencias alterna y continua, con grandes condensadores y gigantescas bobinas operando a miles de hercios, y las dificultades técnicas que conllevan, que hacen que su ejecución practica real sea hoy por hoy irrealizable a nivel industrial. Estas soluciones, además, requieren de un aporte de energía suplementaria exterior en corriente alterna. También se conoce otra solución, como se describe en la patente P201930869 “Instalación de electro-deposición con barras intercelda activas", correspondiente a una instalación de tipo SAIB o BIAI que también utiliza la inversión periódica de corriente, y que, como nuestra invención actual, hace uso de la propia energía interna almacenada en el proceso productivo. Esto lo hace dividiendo o repartiendo la magnitud del problema en millones de micro dispositivos de conmutación insertados en las barras inter celda de la planta, en cada uno de ellos trabajamos con amplitudes asequibles para los modernos transistores actuales. Esta es una solución viable aunque presenta el inconveniente de la complejidad constructiva, dada la extrema cantidad de dispositivos interruptores de producción que han de integrarse en el interior del cobre de las barras de conexionado intercelda, lo cual obliga a una compleja fabricación de estas barras, y complica su mantenimiento y/o reparación.

Descripción de la invención

Para solventar la problemática existente en la actualidad causada por la limitación intrínseca de fondo de estos procesos industriales, los cortocircuitos por dendritas y las pérdidas de rendimiento en instalaciones de electro-deposición de metales se ha ideado la instalación de electro-refinado con barras intercelda interconectables objeto de la presente invención, la cual comprende

- al menos tres celdas conectadas en serie entre los polos positivo y negativo de un rectificador, comprendiendo cada celda una pluralidad de ánodos y de cátodos soportados en sus respectivos colgadores, siendo la primera celda la conectada al positivo del rectificador,

- un conjunto de tres barras de conexión eléctrica paralelamente dispuestas entre sí entre cada celda y la siguiente, siendo una barra central, una barra lateral superior y una barra lateral inferior, y estando colocadas a una distancia suficiente para que no exista riesgo de contacto eléctrico, normalmente unos pocos centímetros a las tensiones habituales de trabajo,

- una pluralidad de interruptores eléctricos de alta corriente, activables y desactivadles remotamente mediante medios de comunicación, cableados o inalámbricos, conectados eléctricamente entre cada barra lateral superior y la barra lateral inferior del mismo conjunto, y distribuidos uniformemente a lo largo dichas barras de conexión eléctrica, y

- al menos un equipo de control dotado de medios de comunicación con los interruptores eléctricos, siendo preferentemente un equipo informático y/o electrónico configurable, encargado de dar las órdenes periódicas de activación/desactivación de los interruptores eléctricos,

- siendo cada barra central soporte mecánico y conexión eléctrica de uno de los extremos de todos los colgadores de los cátodos de la celda anterior en la serie de celdas, y siendo también soporte mecánico y conexión eléctrica de uno de los extremos de todos los colgadores de los ánodos de la celda siguiente,

- siendo cada barra lateral superior soporte mecánico y conexión eléctrica de todos los ánodos de la celda anterior, y

- siendo cada barra lateral inferior soporte mecánico y conexión eléctrica de todos los cátodos de la celda siguiente.

Nos referimos de manera genérica a al menos tres celdas, la primera celda, una celda intermedia cualquiera y la última celda, para representar de la manera más sencilla una planta industrial convencional compuesta por centenares de celdas y explicar la invención aplicada a ella. Este requisito no es excluyente para el funcionamiento de nuestra invención, ya que una sola celda, o dos celdas, podrían verse también directamente beneficiadas por nuestra invención, aunque no representa una instalación industrial real.

Los interruptores eléctricos pueden ser tanto interruptores electrónicos de estado sólido como interruptores electromecánicos de potencia o relés, o cualquier combinación de ambos. Pueden llevar asociada una placa de circuito impreso dotada de un microcontrolador con capacidad de comunicación mediante protocolos de comunicación digital con el equipo de control, y opcionalmente incorporar asimismo sensores de corriente.

Los interruptores eléctricos de alta corriente permiten establecer conexiones eléctricas de forma selectiva entre las barras asociadas a una celda. Estas conexiones se activan y desactivan periódicamente estableciendo durante un corto periodo de tiempo un contacto eléctrico entre algunas de las barras colindantes con una celda, que ocasiona una inversión temporal de corriente en los electrodos de dicha celda con descarga natural de la capa iónica de Helmholtz sin la necesidad de aportación de energía exterior, y, durante un periodo decenas de veces mayor, los contactos de los interruptores eléctricos permanecen abiertos. Por ejemplo, un segundo de contacto o conexión y veinte segundos abiertos sin conexión. La activación de los interruptores de inversión deberá de aplicarse periódicamente a cada una de las celdas del circuito serie de celdas. El cierre de los interruptores de todas las celdas a la vez ocasionaría un colapso de corto circuito en el rectificador general. Si dejamos que sea el azar de relojes no sincronizados, o dejamos que los distintos controladores de las distintas celdas sean los que disparen aleatoriamente el instante de conexión o inversión, obtendremos una distribución estadística con forma de la conocida distribución binomial que resultaría en una actuación naturalmente homogénea para grandes números. Pero nos enfrentaríamos a poco frecuentes pero seguras coincidencias de inversiones simultáneas que podrían producir alguna pequeña inestabilidad en el rectificador general.

Como consecuencia de las líneas anteriores se propone una actuación determinista ordenada y sencilla para el procedimiento de inversión de corriente en las celdas del circuito.

Se actúa de forma ordenada usando un índice “i” que es el número de celda a la que aplicamos el corto periodo de inversión, es decir con interruptores activados, de manera que cuando la celda uno termine su estado de inversión lo inicie la celda dos, y así sucesivamente ( i = i + 1 ), de una en una. Una vez que la inversión haya alcanzado la última celda se volvería a empezar de nuevo.

Si el número de celdas es grande, que es el caso más habitual en una instalación industrial, está claro que puede suceder que necesitemos invertir de nuevo la celda uno antes de llegar a la última celda. Debemos de establecer algunos parámetros para analizar el problema y su solución:

- E1 es el estado en que los interruptores eléctricos de una celda están activados, y por tanto en conducción eléctrica. Corresponde a los electrodos en inversión.

- T1 es el tiempo configurable en el equipo de control en que los interruptores eléctricos están en estado E1 en cada ciclo,

- E0 es el estado en que los interruptores eléctricos de una celda están desactivados, y por tanto sin conducción eléctrica. Corresponde a los electrodos en producción.

- T0 es el tiempo configurable en el equipo de control en que los interruptores eléctricos están en estado E0 en cada ciclo, y

- NC es el número de celdas que componen el circuito serie entre los polos positivo y negativo, El tiempo de barrido de la ola de inversión de las NC celdas del circuito, concatenando la conexión de los interruptores eléctricos de las celdas sucesivamente, es NC x T1 siguiendo la secuencia explicada.

El tiempo en que la celda uno tarda en pedir su segunda o siguiente inversión es TO + T1.

Tal como hemos dicho el problema, en caso de que el número de celdas sea grande, aparece cuando NC x T1 > T0 + T1, entonces se necesita alcanzar el estado E1 en más de una celda a la vez.

Cuando NC x T1 = T0 + T1 , justo al terminar E1 en la celda NC (última celda), la celda uno entrará en E1. Si se despeja NC, y empleando ahora NCP como el número de celdas por paquete, tenemos la fórmula NCP = (TO +T1) / T1 , ajustando siempre decimales de TO y T1 para que sea un número entero.

El número de paquetes de celdas en los que se deberá realizar el ciclo será NP = NC / NCP

Si se denomina p al número de paquete de celdas, cada paquete p estará compuesto por las celdas (p-1) x NCP + i, donde i va desde i=1 a i =NCP . Si NP no es entero se redondea por exceso: NP = truncar (NP)+1.

Así, en general, el barrido de celdas en E1 de inversión será:

Número de celda en E1 inversión = (p-1) x NCP + i , donde i va desde i = 1 hasta i = NCP, y p va desde p = 1 hasta p = NP. De esta forma, en cada momento existen NP celdas con interruptores cerrados, de forma estable, evitando fluctuaciones en el suministro del rectificador.

Aplicando la formulación al ejemplo propuesto anteriormente con los tiempos de T0 = 7.1 seg. y T1 = 0.355 seg. se obtiene NCP = (7.1 + 0.355) / 0.355 = 21.

En un caso de un circuito de, por ejemplo, 63 celdas, entonces NP = 63 / 21 = 3. Se consideran 3 paquetes de 21 celdas cada uno. A cada paquete se le aplicará el mismo procedimiento de secuencia: Paquete 1, con las celdas del circuito 1 ,2, 3...21

Paquete 2, con las celdas del circuito 22, 23, 24...42

Paquete 3, con las celdas del circuito 43, 44, 45...63

Cuando i=1 y p=1 se invierte la celda 1

Cuando i=1 y p=2 se invierte la celda 22

Cuando i=1 y p=3 se invierte la celda 43

Cuando i=2 y p=1 se invierte la celda 2

Cuando i=2 y p=2 se invierte la celda 23

Cuando i=2 y p=1 se invierte la celda 44

Cuando i=21 y p=3 se invierte la celda 63

Siguiendo esta secuencia, existirían 3 celdas a la vez con los interruptores cerrados realizando la inversión, pero nunca consecutivas, con lo cual el proceso se realizaría de manera estable, evitando fluctuaciones.

Para explicar la interconexión entre las barras que ocasiona la inversión de corrientes en los electrodos de una celda, primero nombraremos las barras para referirnos a ellas.

- Cada celda está precedida (según el sentido de avance de la corriente eléctrica, desde el polo positivo al polo negativo, en el circuito serie de celdas) por una terna de barras que llamaremos barras anteriores: una barra central anterior y dos barras anteriores laterales que son la barra lateral superior anterior y la barra lateral inferior anterior.

- Cada celda está seguida (según el sentido de avance de la corriente eléctrica, desde el polo positivo al polo negativo, en el circuito serie de celdas) por una terna de barras que llamaremos barras posteriores: una barra central posterior y dos barras anteriores laterales que son la barra lateral superior posterior y la barra lateral inferior posterior.

En una instalación de electro-refinado los interruptores eléctricos inversores de los electrodos de una celda se colocan entre las dos barras laterales anteriores y entre las dos barras laterales posteriores. Estos interruptores se activaran y desactivaran al unísono en cada celda ocasionando la inversión de corriente en los electrodos de la celda. El procedimiento característico de operación es el siguiente, que se realiza simultáneamente en cada paquete de celdas, en caso de haber vahos paquetes de celdas:

- siendo el número de celdas por paquete NCP = (TO +T1) / T1 ,

- siendo i el índice de celda en cada paquete, que comenzará por i=1 , se realiza la siguiente secuencia:

- en un primer paso se pone en estado E1 (cerrados) a los interruptores eléctricos de la celda i, manteniendo en estado E0 (abiertos) a los interruptores eléctricos de todas las demás celdas del paquete,

- en un segundo paso se deja transcurrir el tiempo T 1 ,

- en un tercer paso se pone en estado E0 a a los interruptores eléctricos de la celda i del paquete,

- se incrementa en 1 el valor de i (i =¡+1) y se repiten los pasos anteriores secuencialmente para las siguientes celdas, desde la 1 hasta la NCP, simultáneamente en cada paquete, en caso de haber vahos.

Así, cuando i=1 ponemos en E1 la celda primera de todos los paquetes, cuando i=2 ponemos en E1 la celda segunda de todos los paquetes,... cuando i = NCP ponemos en E1 la celda última de todos los paquetes.

Obviamente en caso de que el numero de celdas no fuera elevado, únicamente se consideraría que existe un paquete de celdas.

En esta instalación para electro-refinado, la primera celda del circuito no tendrá la barra anterior lateral superior a la que como hemos dicho se conectan los interruptores, en la que se apoyan los cátodos de la celda anterior, de la misma forma la última celda del circuito no dispondrá tampoco de la barra posterior lateral inferior en la que se conectan los interruptores. Se plantean las posibles soluciones siguientes: a - Las celdas extremas son dos celdas de semi-sachficio, que trabajan sin inversión de corriente como la descrita, por lo que su operación será de peor calidad y tendrán que ser acondicionadas o reparadas eliminando dendritas de forma intensa, y posiblemente los harvest o cosechas habrán de ser reducidos. Por ejemplo, como ejemplo de esta solución, un circuito con 100 celdas tendría 98 con funcionamiento correcto y 2 con operación asistida y de peor calidad productiva. b - Crear una carga o celda virtual, colocando unas resistencias en los extremos de potencia y resistencia similar a la de las celdas que darán un voltaje de referencia similar. Esta solución presenta un derroche de energía en forma de calor en las resistencias, que puede ser empleada para calentar el electrolito. c - Que las celdas extremas sean de electro-obtención para sangrado de electrolito, dado que en las plantas de electro-refinado se requieren habitualmente unas cuantas celdas de electro-deposición para reducir la concentración de cobre en electrolito, y que la inversión de corriente descrita de una celda de electro-deposición no necesita de las vecinas.

Ventajas de la invención

El gran valor de esta invención consiste en las sustanciales mejoras de calidad y productividad que su aplicación ocasiona en la producción anual de millones de toneladas de metales, como por ejemplo cobre, níquel, cinc... , junto con la simplicidad y robustez del mecanismo que la soporta, que la hacen industrialmente aplicable de forma inmediata.

Esta instalación de barras intercelda con inversión de corriente que se presenta aplica la inversión periódica de corrientes mediante una disposición de interruptores electrónicos de alta corriente que aporta múltiples ventajas sobre los sistemas disponibles en la actualidad siendo la más importante que mejora el estado de la técnica actual, especialmente las instalaciones de electro-refinado con barras intercelda activas que requieren millones de micro dispositivos de conmutación insertados en las barras intercelda de la planta, uno por cada segmento.

A diferencia de soluciones conocidas en el estado de la técnica que requieren de un aporte de energía suplementaria exterior en corriente alterna, la invención presentada tienen la gran ventaja de que hace uso de una estrategia propia de conmutación en la que se extrae la energía para la inversión de corriente de la propia estructura o escalada de voltajes en la cascada serie de las celdas.

Entre estas mejoras debemos destacar una mayor robustez de operación y segundad, ya que los transistores o interruptores principales que requieren, en una enorme cantidad, las instalaciones de electro-refinado con barras intercelda activas conocidas, interceptan el paso de la corriente total de producción, por lo que su potencial rotura o avería afecta a la producción hasta su reparación o sustitución, operaciones estas muy complicadas y delicadas dado que estos interruptores están embebidos en el interior de la barra intercelda. Esto queda solventado en la invención presentada ya que los interruptores eléctricos actúan en paralelo con la corriente principal, y lo hacen solo el corto periodo de tiempo que dura la inversión, por lo que en caso de rotura, esta no afecta a la corriente de producción.

Otra ventaja es que, al operar los interruptores eléctricos en paralelo, los dispositivos interruptores vecinos, convenientemente sobredimensionados, aportan la corriente inversa suficiente para una continuidad operativa eficaz, así el sistema es tolerante a fallos, en cuanto a su reemplazamiento posterior al no estar embebidos en la barra intercelda, sino simplemente acoplados e instalados sobre ella, por lo que esta operación resulta mucho más viable y sencilla de realizar.

Es importante resaltar también que, los interruptores eléctricos, al no tener que soportar la carga de la planta a su través, y solo aportar o superponer la corriente de inversión durante un corto periodo, se ven notablemente reducidos en número y también en su facilidad de instalación, disminuyendo tanto el coste económico de la instalación, que se reduce casi a la mitad, como la probabilidad de fallos y averías.

Otra notable ventaja que se obtiene es que el sistema de control es mucho más simple y general, al no requerir obligatoriamente actividad inalámbrica y de low power en su actividad de control, ya que, dada su sencillez y el menor número de interruptores requeridos, es posible el cableado a través de la propia barra, utilizando la canal plástica soporte de las barras intercelda secundarias, evitando así el consumo de miles y miles de pilas y la difícil gestión de un control sincronizado tan complejo a través de una red de radio requeridas en las instalaciones de electro-refinado con barras intercelda activas conocidas hasta el momento.

Por último, debemos resaltar la facilidad de instalación inicial y de puesta en marcha, a diferencia de las instalaciones de electro-deposición con barras intercelda activas conocidas hasta el momento, lo que permite que incluso el mantenimiento posterior pueda estar en manos del propio cliente o de una empresa con baja especialización de control, tal como se requiere en instalaciones del entorno de la minería. Descripción de las figuras

Para comprender mejor el objeto de la presente invención, en el plano anexo se ha representado una instalación convencional, y dos realizaciones prácticas de una instalación de electro-refinado con barras intercelda interconectables. En las figuras donde proceda se ha utilizado el símbolo de una flecha con la cabeza abierta ( > ) para representar a las corrientes de producción, y una flecha con la cabeza cerrada ( ►) para representar a las corrientes inversas que se pueden obtener con esta invención.

En dicho plano la figura -1- muestra una sección representativa de una instalación convencional de electro-deposición utilizable para electro-refinado de metales que consta de tres porciones de tres celdas.

La figura -2- muestra una sección representativa de una instalación convencional de electro- deposición incluyendo el sentido de las corrientes de producción a través de las barras colgador y a través del electrolito en su funcionamiento normal.

La figura -3- muestra una sección representativa de una instalación de electro-refinado, con los interruptores eléctricos abiertos, no activado.

La figura -4- muestra una sección representativa de una instalación de electro-refinado incluyendo el sentido de las corrientes en su funcionamiento normal o de producción, estando los interruptores eléctricos abiertos, no activados.

La figura -5 muestra una sección representativa de una instalación de electro-refinado en la que los interruptores eléctricos de la celda central del sistema de barras se han cerrado permitiendo generar las corrientes inversas. Los interruptores eléctricos correspondientes a la celda central están cerrados, es decir activados.

La figura -6 representa de forma simplificada el equipo de control conectado mediante los medios de comunicación correspondientes con los interruptores eléctricos de las celdas. Realización preferente de la invención

La constitución y características de la invención podrán comprenderse mejor con la siguiente descripción hecha con referencia a las figuras adjuntas.

Para comprender la invención es conveniente tener en cuenta la configuración de elementos representativa de una instalación convencional de electro-refinado de metales, que se ¡lustra en las figuras 1 y 2. En ella podemos ver los principales elementos de una instalación convencional:

- el polo positivo (10) del rectificador que alimenta el circuito serie de celdas,

- el polo negativo (11) del rectificador que alimenta el circuito serie de celdas,

- las barras colgador de los ánodos (3), debajo está la placa electrodo ánodo,

- las barras colgador de los cátodos (2), debajo está la placa electrodo cátodo,

- la barra ínter-celda (8) convencional, y representando al electrolito líquido el área rodeando y entre los ánodos (3) y los cátodos (2).

En la figura 2 se representa el sentido de las corrientes productivas a través de las barras colgador y a través del electrolito en su funcionamiento normal.

Según puede apreciarse en las figuras 3, 4, 5, y 6, se ¡lustra como la instalación de electro- refinado con barras intercelda interconectables, con inversión de corriente, objeto de esta invención comprende

- al menos tres celdas conectadas en serie entre los polos positivo (10) y negativo (11) de un rectificador, comprendiendo cada celda una pluralidad de ánodos (3) y de cátodos (2) soportados en sus respectivos colgadores, siendo la primera celda la conectada al positivo del rectificador,

- un conjunto de tres barras de conexión eléctrica paralelamente dispuestas entre sí entre cada celda y la siguiente, siendo una barra central (1), una barra lateral superior (4) y una barra lateral inferior (5), y estando colocadas entre sí a una distancia suficiente para que no exista riesgo de contacto eléctrico, normalmente unos pocos centímetros a las tensiones habituales de trabajo,

- una pluralidad de interruptores eléctricos (7) de alta corriente, activables y desactivares remotamente mediante medios de comunicación, conectados eléctricamente entre cada barra lateral superior (4) y la barra lateral inferior (5) del mismo conjunto, y distribuidos uniformemente a lo largo dichas barras de conexión eléctrica (4, 5), y - al menos un equipo de control (13) dotado de medios de comunicación con los interruptores eléctricos (7), siendo preferentemente un equipo informático y/o electrónico configurable, encargado de dar las órdenes periódicas de activación/desactivación de los interruptores eléctricos (7),

- siendo cada barra central (1) soporte mecánico y conexión eléctrica de uno de los extremos de todos los colgadores de los cátodos (2) de la celda anterior en la serie de celdas, y siendo también soporte mecánico y conexión eléctrica de uno de los extremos de todos los colgadores de los ánodos (3) de la celda siguiente,

- siendo cada barra lateral superior (4) soporte mecánico y conexión eléctrica de todos los ánodos (3) de la celda anterior, y

- siendo cada barra lateral inferior (5) soporte mecánico y conexión eléctrica de todos los cátodos (2) de la celda siguiente.

Para facilitar la comprensión del funcionamiento, tomaremos la convención de que:

- cada celda está precedida en el circuito serie de celdas, según el sentido de avance de la corriente eléctrica, desde el polo positivo al polo negativo, por una terna de barras que llamaremos barras anteriores: una barra central (1) anterior, la barra lateral anterior superior (4) y la barra lateral anterior inferior (4).

- cada celda está seguida en el circuito serie de celdas, según el sentido de avance de la corriente eléctrica, desde el polo positivo al polo negativo, por una terna de barras que llamaremos barras posteriores: una barra central (1) posterior, la barra lateral posterior superior (4) y la barra lateral posterior inferior (4).

En esta instalación de electro-refinado, como se ¡lustra en las figuras 3, 4 y 5, los interruptores eléctricos (7) asociados a cada celda están conectados eléctricamente entre la barra lateral anterior superior (4) y la barra lateral anterior inferior (5), y entre la barra lateral posterior superior (4) y la barra lateral posterior inferior (5). De esta forma, los interruptores eléctricos (7) establecen puentes eléctricos entre las dos barras laterales (4,5) de forma sincronizada entre dos celdas consecutivas, ocasionando la inversión de corriente en los electrodos de la celda. En la figura 4 vemos los interruptores abiertos con las corrientes en producción (9) y en la figura 5 vemos los interruptores (7) de las barras laterales anteriores y posteriores activados, lo que ocasiona que la celda central trabaje en corrientes inversas (12).

Las barras laterales (4) y (5) tendrán preferentemente una sección comprendida entre 50mm ² y 200mm ² , mientras que para mientras que la barra central (1) será la que se esté utilizando habitualmente en la planta, que suele estar comprendida entre 575 mm ² y 975 mm ² , dependiendo si emplea barras con perfiles más complicados. En esta instalación la amplitud de corrientes inversas (12) que se obtienen por los puentes es de corta duración y no muy intensas, del orden de 0.3 veces la corriente de producción. Para ello preferentemente se instalarán 16 o 32 interruptores eléctricos (7) por celda, sobredimensionando por robustez estos interruptores eléctricos (7) de forma que preferentemente presenten una resistencia de paso comprendida entre 20 y 30 micro ohmios.

Los medios de comunicación entre el equipo de control (13) y los interruptores eléctricos (7) son elegidos preferiblemente del grupo formado por cableados o inalámbricos.

Los interruptores eléctricos (7) pueden ser tanto interruptores electrónicos de estado sólido como interruptores electromecánicos de potencia o relés, o cualquier combinación de ambos. Está previsto que, en una realización alternativa, los interruptores eléctricos (7) lleven asociada una placa de circuito impreso dotada de un microcontrolador con capacidad de comunicación mediante protocolos de comunicación digital con el equipo de control (13). Opcionalmente también las placas de circuito impreso asociadas a los interruptores eléctricos (7) dispondrán de sensores de corriente.

Los interruptores eléctricos (7) de alta corriente permiten establecer conexiones eléctricas de forma selectiva entre las barras (1, 4, 5). Estas conexiones se activan y desactivan periódicamente estableciendo durante un corto periodo de tiempo un contacto eléctrico entre dichas barras, que ocasiona una inversión temporal de corriente con descarga natural de la capa iónica de Helmholtz sin la necesidad de aportación de energía exterior, y, durante un periodo decenas de veces mayor, los contactos de los interruptores eléctricos (7) permanecen abiertos. Esta instalación implica un procedimiento característico de inversión de corriente, por razones de estabilidad de suministro de energía general al circuito serie de celdas, en el que,

- E1 es el estado en que los interruptores eléctricos (7) asociados a una celda están activados, y por tanto en conducción eléctrica. Corresponde a los electrodos en inversión.

- T1 es el tiempo configurable en el equipo de control en que los interruptores eléctricos están en estado E1 en cada ciclo,

- E0 es el estado en que los interruptores eléctricos (7) asociados a una celda están desactivados, y por tanto sin conducción eléctrica. Corresponde a los electrodos en producción.

- T0 es el tiempo configurable en el equipo de control en que los interruptores eléctricos (7) están en estado E0 en cada ciclo, y

- NC es el número de celdas que componen el circuito serie entre los polos positivo y negativo,

- NCP es el número de celdas por paquete, calculado como NCP = (TO +T1) / T1 , ajustando siempre decimales de TO y T1 para que sea un número entero,

- i es el índice de celda en cada paquete, que comenzará por i=1 , se realiza la siguiente secuencia de manera simultánea en cada uno de los paquetes de celdas:

- en un primer paso se pone en estado E1 (cerrados) a los interruptores eléctricos (7) asociados a la celda i, manteniendo en estado E0 (abiertos) a los interruptores eléctricos asociados a todas las demás celdas del paquete,

- en un segundo paso se deja transcurrir el tiempo T 1 ,

- en un tercer paso se pone en estado E0 a los interruptores eléctricos (7) asociados a la celda i del paquete,

- se incrementa en 1 el valor de i (i =¡+1) y se repiten los pasos anteriores secuencialmente para las siguientes celdas, desde la 1 hasta la NCP, simultáneamente en cada paquete, en caso de haber vahos.

Así, cuando i=1 ponemos en E1 la celda primera de todos los paquetes, cuando i=2 ponemos en E1 la celda segunda de todos los paquetes,... cuando i = NCP ponemos en E1 la celda última de todos los paquetes. Obviamente en caso de que el numero de celdas no fuera elevado, únicamente se consideraría que existe un paquete de celdas.

En esta instalación para electro-refinado, la primera celda del circuito no tendrá la barra anterior lateral superior a la que como hemos dicho se conectan los interruptores, en la que se apoyan los cátodos de la celda anterior, de la misma forma la última celda del circuito no dispondrá tampoco de la barra posterior lateral inferior en la que se conectan los interruptores. Para solventar esto, se propone las posibles soluciones siguientes: a - Las celdas extremas son dos celdas de semi-sacrificio, que trabajan sin inversión de corriente como la descrita, por lo que su operación será de peor calidad y tendrán que ser acondicionadas o reparadas eliminando dendritas de forma intensa, y posiblemente los harvest o cosechas habrán de ser reducidos. Por ejemplo, como ejemplo de esta solución, un circuito con 100 celdas tendría 98 con funcionamiento correcto y 2 con operación asistida y de peor calidad productiva. b - Crear una carga o celda virtual, colocando unas resistencias en los extremos de potencia y resistencia similar a la de las celdas que darán un voltaje de referencia similar. Esta solución presenta un derroche de energía en forma de calor en las resistencias, que puede ser empleada para calentar el electrolito. c - Que las celdas extremas sean de electro-obtención para sangrado de electrolito, dado que en las plantas de electro-refinado se requieren habitualmente unas cuantas celdas de electro-deposición para reducir la concentración de cobre en electrolito, y que la inversión de corriente descrita de una celda de electro-deposición no necesita de las vecinas.

El objetivo que perseguimos y conseguimos es la inversión periódica de la corriente en todos y cada uno de los electrodos de una celda, a través del diseño oportuno de las barras mencionadas y de los interruptores propuestos que componen la invención. Esto se ha refrendado experimentalmente en nuestro laboratorio al descubrir el fenómeno sorprendente de que la sola acción de establecer un puente eléctrico entre una pareja ánodo (3) cátodo (2), produzca una corriente inversa (12) deseada de magnitud importante, de más de 600 A/m ² . Incluimos el descubrimiento de este hecho obtenido experimentalmente para explicar que la corriente se genera por la propia energía almacenada en las placas y que se presenta como un voltaje generado por una pila. La réplica realizada experimentalmente en laboratorio de la invención a pequeña escala y la realización de decenas de ensayos confirman los más optimistas informes sobre el beneficio inmediato de la inversión de corrientes periódica al ejecutarla con el diseño de conmutación descrito, como se muestra en las figuras 4 y 5. La calidad del cobre depositado es, a altas densidades, del doble o triple de la nominal con el procedimiento descrito, o pulsing, igual o mejor que el cobre depositado a corrientes bajas sin pulsing.

En una instalación de electro-refinado, como se muestra en las figuras 4 y 5, los electrodos no aportan el equivalente a una pila cargada, que con un sencillo puente eléctrico en nuestras barras suministre o arrastre centenas de amperios por metro cuadrado, entendiendo por metro cuadrado a por metro cuadrado de superficie de electrodo.

En el proceso de electro-refinado un puente ánodo (3) cátodo (2) solo es un bypass de la corriente que deja de circular entre ambos electrodos a través del electrolito. Al no disponer de la energía en los propios electrodos, debemos de buscar la corriente inversa (12) utilizando el conjunto de barras establecido, en la propia estructura de alimentación eléctrica del circuito serie de celdas. Tal y como se define nuestra invención, la acción de los interruptores (7) implica al menos tres celdas conectadas en serie. En esta situación la primera barra principal (1) será la más positiva, y descenderá por escalones al recorrer el circuito de celdas hasta la última con el potencial más negativo. Ahora lo que hacen los interruptores eléctricos (7) es tomar y trasladar a través de las barras laterales (4) y (5) incorporadas en la invención y de los propios colgadores, un potencial más negativo desde aguas abajo (inverso) al ánodo y más positivo desde aguas arriba (inverso) al cátodo. Como consecuencia aparece la corriente inversa (12) que es nuestro objetivo.

La réplica en nuestro laboratorio de la invención a pequeña escala y la realización de decenas de ensayos confirman las más optimistas estimaciones sobre el beneficio inmediato de la inversión de corrientes periódica operando con el diseño de conmutación anteriormente descrito. La resistencia de la micro celda operando a baja carga, a unos 200 A/m ² , es del orden de 0,96 mOHM por m ² . Si se sube la densidad de corriente a 900 A/m ² , 4.5 veces más, pero aplicando el procedimiento descrito de inversión periódica de corrientes, que también denominaremos pulsing, con la invención, la pasivación o polarización del ánodo (3) no aparece, por el contrario la resistencia de nuestra micro celda desciende a 0,77 mOHM por m ² . La placa de cobre producida a esta alta densidad de corriente durante unas 14 horas con pulsing presenta un grano perfectamente aceptable. La aplicación en la misma celda y condiciones de los 900 A/m ² sin pulsing desencadena en unas pocas horas una resistencia ánodo (3) cátodo (2) de unos 1 ,85 mOHM por m ² , aumento que muestra el inevitable pasivado del ánodo (3).

La persona experta en la técnica comprenderá fácilmente que puede combinar características de diferentes realizaciones con características de otras posibles realizaciones, siempre que esa combinación sea técnicamente posible. Toda la información referida a ejemplos o modos de realización forma parte de la descripción de la invención.