스테인리스강 전해판 document_id A220623068200

본 명세서 전반에 걸친 종래 기술에 대한 모든 논의는 그러한 종래 기술이 널리 알려져 있다거나 그 분야에서 일반적 상식의 일부를 형성한다는 것을 시인하는 것으로 간주되어서는 안된다. 구리의 전해정제(electrorefining)는 구리 약 99.7%인 불순물 함유 양극으로부터 전해 방식으로 구리를 용해시킨 다음, 용해된 구리를 순수한 형태로 음극 표면에 선택적으로 도금하는 공정을 포함한다. 이 반응은 실질적으로 황산구리와 황산의 혼합물인 전해질이 담겨 있는 셀(cell)에서 일어난다. 금속의 전해정제를 위한 공정 및 장치에는 여러 가지가 있다. 구리의 전해채취에 있어서, 현재 산업상 최선의 실행은 "영구적" 스테인리스강 음극판의 제조 및 이용을 지향한다. 그러한 실행은 오스트레일리아 퀸즈랜드의 Mount Isa Mines의 Jim Perry 등의 원천 논문(및 특허)에 주로 기초한다. 그러한 기술은 통상적으로 산업 전반에 걸쳐 ISA PROCESS® 기술로 알려져 있다. ISA PROCESS�� 기술(ISA PROCESS 2000TM이라고도 함)은 Mount Isa Mines Limited의 상표로서, 오스트레일리아, 오스트리아, 벨기에, 카나다, 칠레, 중국, 사이프러스, 이집트, 영국, 독일, 인도, 인도네시아, 이란, 일본, 미얀마, 멕시코, 페루, 러시아, 남아프리카, 스페인, 스웨덴, 태국 및 미국에서 면허되어 있다. 이 프로세스에서, 스테인리스강 음극 모판(mother plate)은 구리 양극을 구비한 전해조에 침지된다. 전류를 인가하면 정제되지 않은 베이스 금속이 양극으로부터 전해조 속으로 용해되어 들어가서 모판의 음극 블레이드 상에 정제된 형태로 피착(deposit)된다. 전해질 방식으로 피착된 구리는 이어서 1차로 음극판의 굴곡(flexing)에 의해 블레이드로부터 벗겨져서 구리 피착물(deposit)의 적어도 일부가 분리된 다음, 구리의 나머지는 블레이드로부터 웨지 스트리핑(wedge stripping) 또는 가스 블라스팅(gas blasting)된다. 상기 스트리핑은 강판과 구리의 상부 에지에 피착된 구리 사이에 삽입된 나이프형 블레이드 또는 칼날형 웨지를 이용하여 실행된다. 이와는 달리, 스트리핑은 구리가 피착된 음극을 해머링 스테이션(hammering station)으로 통과시킴으로써 실행될 수 있는데, 해머링 스테이션에서는 피착된 구리가 양면으로부터 상측 에지 근방에서 심하게 두들겨진다. 이에 따라 구리의 상측 에지가 이완되고, 이어서 강과 이완된 구리의 상측 에지 사이의 좁은 공간으로 하나 이상의 기류를 주입시킴으로써 스트리핑은 마무리 처리된다. 그러나, 스트리핑은 본 출원인에 의해 개발되고 오스트레일리아 특허 AU 712,612호로 특허등록된 굴곡 장치(flexion apparatus) 또는 그와 관련된 방법(미국 특허 US 4,840,710호)에 의해 보다 바람직하게 실행된다. 음극 모판은 일반적으로 스테인리스강 블레이드 및 음극을 전해조 내에 고정하고 지지하기 위해 상기 블레이드의 상부 에지에 연결된 현수 봉(hanger bar)으로 구성된다. ISA PROCESS®는 실제 섹션을 형성하도록 직렬로 배열된 다중 셀의 시스템을 활용한다. 상기 셀에서, 전극, 양극 구리 및 음극은 병렬로 연결되어 있다. ISA PROCESS®의 대안으로서, 또 다른 방법은 구리가 전착되는 음극 기판으로서 순도가 더 높은 구리로 된 개시자 시트(starter sheet)를 사용하는 것이다. 개시자 시트는 특수한 전해 셀에서 경질 압연된(hard-rolled) 구리 또는 티타늄 블랭크(blank) 상에 구리를 24시간 전착시킴으로써 제조된다. 개시자 시트의 제조는 상기 시트의 세척 단계, 직선화 단계 및 경질화 단계를 포함한다. 이어서 시트는 압연된 구리 현수 봉으로부터 구리 스트립의 부착된 루프(loop)에 의해 매달린다. ISA PROCESS®와 종래의 개시자 시트 기술 사이의 근본적 차이는, ISA PROCESS®가 재사용 불가능한 구리 개시자 시트 대신에 '영구적' 재사용 가능형 음극 블랭크를 사용한다는 점이다. 상기 기술의 핵심 요소는 ISA PROCESS® 음극판의 고유한 설계이다. 상기 판 자체는 "316L" 스테인리스강으로 제조되고, 스테인리스강의 직사각형 중공 섹션 현수 봉에 용접된다. 현수 봉은 전기 전도도 및 내부식성 위해 도금된 구리로 둘러싸여 있다. 스테인리스강은 매우 낮은 탄소 레벨(연강에 비해) 및 다양한 레벨의 크롬을 함유하는 철계 금속이다. 크롬은 산소와 결합하여 산화에 견디는 접착성 표면막을 형성한다. ISA PROCESS�� 음극판의 316L 스테인리스강은 다음과 같은 대략적 조성을 갖는다: ＜0.03% 탄소, 16-18.5% 크롬, 10-14% 니켈, 2-3% 몰리브덴, ＜2% 망간, ＜1% 실리콘, ＜0.045% 인, ＜0.03% 황, 및 나머지 함량의 철. 오스테나이트 316L은 표준 몰리브덴 함유 등급이다. 몰리브덴은 316L에 탁월한 전반적 내식성, 특히 산성 환경에서의 점 부식(pitting) 및 틈새 부식(crevice corrosion)에 대한 높은 내성을 부여한다. 그러나, 적절한 강의 선택이 그 자체로 성공을 보장하는 것은 아니다. 음극판의 바람직한 표면 접착 특성은, 구리가 강으로부터 저절로 박리되거나 약화되는 것을 방지하도록 강판과 강판에 피착된 구리 사이의 충분한 부착 점착성을 제공하는 것이다. 이를 위해 316L 스테인리스강에는 "2B' 표면 마감처리가 제공된다. 2B 마감처리는 냉간 압연, 연화 및 스케일 제거에 이어서 폴리싱된 롤을 가볍게 사용한 최종 압연에 의해 제조된 중간 밝기의 흐리고 은회색인 반투명 표면(semi-bright surface)이다. 결과는 "스킨패스-롤드(skinpass-rolled)" 또는 "2B"("B"=bright)라 지칭되고, 표면 조도(Ra) 지수가 0.1 내지 0.5 ㎛인 반투명 회색 표면이다. 2B 강은 종종, 청결 상태를 유지하는 것이 용이한 표면이 요구될 경우 식품 산업에서 사용되는 프로세스 장치로 사용된다. 표면의 평활도 및 반사율은 해당 재료가 압연됨에 따라 더욱 얇은 치수로 향상시킨다. 요구되는 게이지(gauge) 및 최종 어닐(anneal)의 감소를 실현하기 위해 실행되어야 하는 모든 어닐링은 매우 정밀하게 제어되는 불활성 분위기에서 실현된다. 따라서, 표면의 산화 또는 스케일은 실질적으로 발생되지 않으며, 부가적인 산세척(pickling) 및 부동화(passivating)가 필요하지 않다. ISA PROCESS® 에서 사용되는 바와 같이, 2B-마감처리 316L 강 블레이드는 두께가 3.25mm이며, 중공의 스테인리스강 섹션 현수 봉에 용접되어 있다(국제특허 공개공보 WO 03/062497호; 미국특허 공개공보 US 2005126906호). 전기 전도도를 향상시키기 위해, 현수 봉은 2.5mm 두께의 전기도금된 구리 코팅으로 둘러싸여 있다. 구리 음극가 에지 주위에서 성장하는 것을 방지하기 위해 수직 에지(오스트레일리아 특허 AU 646,450호)는 플라스틱 에지 스트립(국제특허 출원번호 PCT/AU00/00668호)으로 표시되어 있다. 저면 에지는 박막의 왁스로 표시되어 있는데, 상기 왁스는 플레이트를 둘러싸는 구리를 보호하면서도, 다른 경우에 음극 구리를 오염시킬 수 있는 낙하 양극 슬라임(anode slime)이 포집되는 돌출부(ledge)를 제공하지 않는다. 개시자 시트의 제조 및 변경은 갈수록 비용이 증가되기 때문에, 이러한 수단으로 가동되는 정제설비는 일반적으로 양극 사이클당 2개의 음극 사이클로 가동된다. 즉, 초기 시트 음극은 각각 일반적으로 제거되기 전에 12일 내지 14일 동안 금속 구리로 도금되고, 이어서 제2 개시자 시트가 양극들 사이에 삽입된다. 따라서, 양극 사이클은 일반적으로 24일 내지 28일 수준이다. 음극 사이클의 종료 시점에서 양극 스크랩이 제거되고, 세척되어 추가적 전해정제 사이클을 위해 용융시키고 양극에 재주조 주입하기 위한 주조 설비에 반송된다. ISA PROCESS�� 음극 기술이 5일 내지 14일에 걸친 가변적인 음극 에이지를 수용할 수 있지만, 7일 음극 사이클이 일반적으로 이상적인 것으로 간주되는바, 주간 단위 작업 스케줄 및 더 짧은 작업 주일에 맞기 때문이다. 더 짧은 사이클은 음극 품질에 많은 이점을 가진다. 스트리핑되었을 때, 단일 음극판은 2개의 순수 음극 구리의 단일 시트를 생성한다. 이 음극 기술은 구리 탱크 하우스의 전극 취급 시스템에서 주된 발전을 가져왔다. 스테인리스강 음극판은 다른 박층 개시자 시트에 비해 스테인리스강 음극판의 직선성(straightness) 및 수직성(verticality)에 있어서 정밀도를 제공한다. 영구적 스테인리스강 음극은 전기분해시 음극 피착물에 낙하하는 슬라임 및 기타 불순물이 포착될 기회가 적다. 간단히 말하면, 영구적 스테인리스강 음극을 사용함으로써 프로세스 효율을 높일 수 있으며, 그렇지 않은 경우에는 개시자 시트를 사용하여 그러한 효율을 얻을 수 없다. 또한, 상기 스테인리스강 음극을 사용함으로써 단락이 덜 발생되고 그에 따라 구리의 작은 마디(nodulation)이 적게 형성되기 때문에 현재의 효율이 향상된다. 개시자 시트 루프를 배제함으로써 음극 품질도 향상되었다. 미세 와이어 인발기(fine wire drawer)에 의해 이전보다 훨씬 엄격한 요구(LME 등급 A를 능가)가 구리봉 제조자에게 부과됨에 따라 음극의 화학적 품질이 매우 중요하다. 그러한 품질 요구는 반드시 구리 생산 소스 - 음극 구리 정제 자체에서 출발해야 한다. ISA PROCESS®의 주된 이점이 정제자에게 제공됨에도 불구하고, 보다 일관성 있고 높은 품질의 제품을 얻는 최종 사용자에게 실질적인 2차 혜택이 생겼다. 정제의 강도는 영구적 스테인리스강 음극의 이점으로 인해 크게 증가되었다. 양극/음극 쌍 사이의 전극 내 갭이 감소될 수 있고, 그 결과 셀의 단위 길이당 전기분해용 활성 면적이 증가된다. 따라서, 전기분해용 전류 밀도가 증가될 수 있으며, 오늘날 ISA PROCESS® 정제설비는 약 330 A/㎡으로 가동되는 반면, 종래의 개시자 시트 정제설비는 전형적으로 240 A/㎡으로 가동된다. 정제 조작에서 프로세스 내(in-process) 구리 재고(inventory)는 중요한 고려사항이다. 그와 함께, 앞에 언급된 다양한 ISA PROCESS 효율은 프로세스 내 구리를 12% 수준으로 감소시킬 수 있으며, 이는 매우 유의적 결과이다.