關于電積沉銅過程中如何提高陰極銅質量研究

孫雪影　馬永順

一、電積沉銅工藝簡介

氧化銅精礦通過硫酸浸出后，得到的CuSO4浸出液經過洗滌凈化、萃取提純和反萃等操作，得到潔凈的含Cu2+在40-50g/L的CuSO4料液。將合格的CuSO4料液通入電解槽內，陽極采用Pb-Sn合金板或Pb-Sn-Ca合金板，陰極采用不銹鋼或純銅始極片，向電解槽內通入2V左右的直流電流，CuSO4料液中的銅離子就會在陰極還原成為金屬銅，陽極在電解時不發生化學反應。經過一段時間的通電生產就會在陰極得到產品陰極銅（電積銅）。對陰極銅，除了要求化學品位符合標準外，還要求有好的物理規格，即要求結晶均勻致密，表面光潔。因為結晶粗糙的表面，會使許多雜質機械地夾雜在金屬中，影響它的質量，而且表面容易被氧化。

電積沉銅過程的實質是一個動態平衡，在這個平衡體系中，任何一道工序的失調都將打破這個平衡體系的平衡，最終影響陰極銅的質量。因此，想提高陰極銅質量就要從影響陰極銅質量的因素入手，本論文重在研究影響陰極銅質量的因素，從而來提高陰極銅的質量。

二、影響陰極銅質量的因素

1.電流密度的影響

電流密度的表達式為：Dk=I/S，我們常說的電流密度，一般指陰極電流密度，即單位陰極面積所流經的電流安培數。

電積沉銅的實質為一個電結晶過程，電結晶過程可分為兩步，第一步是晶核的形成；第二步是晶核的長大。這兩個過程的速度決定著陰極銅結晶的粗細程度。如果晶核的生成速度較快，而晶核生成后的成長速度較慢，則生成的晶核數目較多，晶粒較細。反之晶粒就較粗。也就是說在電積沉銅過程中，當晶核的生成速度大于晶核的成長速度時，就能獲得結晶細致，排列緊密的陰極銅。電流密度的大小就影響著電結晶的兩個過程。

電流密度較低的條件下，已形成的晶核可以不斷均勻長大，而新的結晶核則不易形成。所以，在低電流密度下易得到粗晶粒結晶。雖然結晶均勻，但卻不致密，陰極銅較軟。電流密度較高的條件下，已形成的結晶核長大的速度就逐漸減慢而停止，促使形成新的結晶核，所以，高電流密度下，由于結晶核形成的速度較快，而易得到細晶粒的結晶。但過高的電流密度，將造成陰極附近電積液中Cu2+極度貧化。這時雖有利于形成結晶核，但卻無充足的Cu2+來使結晶核長大。所以結晶雖然細小，但不致密，反而得到松軟的沉積物。同時，Cu2+的極度貧化，還將造成雜質在陰極析出，進一步惡化陰極銅的構造，甚至得到海綿狀結晶。

因此，合適的電流密度對陰極銅的質量影響非常大，河南某冶煉廠通過長期生產實踐證明，電積沉銅過程中電流密度控制在180～240A/m2可得到較高質量的陰極銅。

2.電積液的流通（循環量）

電積液的循環流通，可以使陰極附近的銅離子濃度均勻分布，消除陰陽極間的濃差極化現象，同時可以使電積液的溫度均勻，不至于產生分層現象。如果不進行循環流通，由于存在濃差極化現象，電積液就會分層，造成在電結晶過程中陰極沉積物結晶上下不均勻。實際生產中為提高生產率，在高電流密度下，只有采用大的循環速度，才有利于獲得細晶粒的結晶。在一般電流密度下，電積液循環也應維持足夠的速度方能得到結晶致密的陰極銅。在低電流密度下，循環量可稍低。

河南某冶煉廠生產過程中CuSO4料液的循環量一般控制在40-70L/min，可得到較高質量的陰極銅。

3.電積液溫度的影響

電積液溫度直接影響著電積液的導電率和Cu2+在溶液中的擴散速率。提高電積液溫度，能提高電積液的導電率，加速銅離子的擴散，使陰極附近的Cu2+不發生貧化。高溫下易得到粗晶粒結晶，其沉積物較松軟。反之，則得到細晶粒的結晶。但溫度過低，就使電積液電阻增大。

某廠生產實踐證明，一般控制電積液溫度在38-42℃，可得到較高質量的陰極銅。

4.電積液的酸度和銅離子的濃度

電積液中含游離H+的濃度即酸度，酸度是影響電結晶的極重要因素。生產實踐證明當CuSO4料液中含酸低于160 g/L時，會使電積液電阻增大，槽電壓升高，不利于獲得細致結晶；但含酸過高，卻會使CuSO4結晶析出，也會造成槽電壓升高，也不利于獲得細致結晶。Cu2+的濃度，在電積液含銅低的情況下，易在陰極區產生貧化現象，有利于獲得細小結晶，但Cu2+濃度過低，卻又會使陰極區Cu2+過度貧化，尤其是在高電流密度下更為顯著，反而得不到致密的結晶。

河南某冶煉廠長期生產實踐證明電積液中含酸量控制在 160～200 g/L，含Cu2+量控制在35-45g/L時可得到較高質量的陰極銅。

5.添加劑的影響（指陰極添加劑）

在銅電積生產中，除了陰、陽極板的質量和電解液成分之外，添加劑的種類、加入量以及加入方式等都是比較關鍵的問題。添加劑的配合使用在很大程度上直接影響著陰極銅的質量。目前，國內外常用的添加劑有：瓜爾膠、硫脲、鹽酸等。理論與實踐均已證明，為了使陰極銅表面光滑、平整、避免長粒子，減少短路和電積液機械粘附在陰極上的可能性，除了嚴格控制各工序技術條件外，還應添加適量的膠狀物質和表面活性物質，以改善陰極表面質量。

河南某冶煉廠長期生產實踐證明：瓜爾膠作為陰極平滑劑，可以減少一些雜質，如硫、鐵及鉛在陰極的夾帶等，加入量一般在100～120g/t.Cu，硫脲具有去極化作用，電積液中硫脲的濃度為5mg/L 時，可得到較高質量的陰極銅。

6.電積液中的雜質含量

電積液中除H2SO4、CuSO4和少量添加劑外其余成分均為雜質成分。電積液中的雜質直接影響電流效率和陰極銅純度質量。因此，電積液中雜質含量越低越好。

河南某冶煉廠生產實踐證明，電積液中主要雜質：Fe<3.0g/L，Pb<0.8g/L，Bi<0.5g/L，Sb<0.3g/L，SiO2<0.5g/L時，可得到較高質量的陰極銅。

三、結論

實際生產過程中想提高電積沉銅過程中陰極銅質量，就要從電積過程中控制的電流密度、電積液的流通（循環量）、電積液溫度、電積液的酸度和銅離子的濃度、添加劑加入量（指陰極添加劑）和電積液中的雜質含量等因素入手。

由理論和生產實踐可知：

（1）電流密度控制在180～240A/m2；

（2）CuSO4料液的循環量一般控制在40-70L/min；

（3）電積液溫度在38-42℃；

（4）含酸量控制在 160～200 g/L，含Cu2+量控制在35-45g/L；

（5）瓜爾膠加入量一般在100～120g/t.Cu，硫脲的濃度為5mg/L ；6、主要雜質含量：Fe<3.0g/L，Pb<0.8g/L，Bi<0.5g/L，Sb<0.3g/L，SiO2<0.5g/L時，可得到高質量的陰極銅質量。