銅電解精煉工藝分析

張鵬飛

（北方銅業垣曲冶煉廠，山西 運城 043700）

當電解精煉的過程中，絕大部分的情況下陰極銅表面較為平滑，不會出現凹凸不平的現象，但是假如沒有對其采取合理的手段進行控制，那么就會導致表面過多要素沉積，促使銅質地松軟，極易受到外界空氣影響。除去一些具有添加劑因素，假如銅表面電流密度不夠平均，那么一些不合適的電解溫度和銅離子濃度分布也會存在一定差異，從而降低陰極銅表面質量。這時需探討電流密度計離子濃度對陰極銅表面質量的影響。

1 銅電解精煉概述

自上世紀八十年代就已經出現了銅電解精煉技術，而這一技術也延續至今，即使當下電解技術和電解工藝基礎原理沒有產生改變，但是其生產技術，生產流程和生產裝備都獲得了飛速發展，促使銅電解精煉技術不斷朝著強化，高質量，節能方向前進。現階段銅電解精煉技術主要分為傳統電極片電解技術和強化電解平行流技術，傳統始極片電解技術在實際電流密度為220A/m2~280A/m2，而強化電解平行流技術其電流密度為280A/m2~330A/m2，使用的是不銹鋼永久陰極電解工藝。某銅電解精煉企業內部一期二十萬噸銅冶煉工程屬于我國初期引進的先進技術，與該技術相匹配的電解設計電流密度為280A/m2，其中包括七百個電解槽，具有國際領先水準，這種銅電解精煉技術可以在一定程度上提升加工效率，使銅冶煉總量達到45萬噸以上，進而為產能的提升起到了輔助作用。對于強化電解平行流技術的使用使銅冶煉產能進一步提升，還能提升生產穩定性。

2 其他因素對銅表面的影響

分析電解液溫度，電流密度，銅離子濃度對于陰極銅表面的影響。

2.1 實驗過程

（1）實驗條件：實驗中陽極屬于A公司生產的紫銅，實際使用尺寸為40*40*8mm，而陰極則選擇市售銅板（其質量分數為99.9%，厚度為0.3mm），表面尺寸為60*60mm，可以在50℃溫度下電解，實際電流密度Wie200A/m2。通電8小時，銅離子濃度為當40g/L，使用30mg/L透明膠，硫脲30mg/L。該實驗中電解液可以分為硫酸氫根離子和硫酸銅。在電解過程中應禁止攪拌，陰極銅在沸騰蒸餾水中清洗三次后即可將其取出晾干。

（2）實驗設備：本次試驗所使用的設備包括GSYII6型點恒溫水浴設備，BT224S電子分析天平，XJL-02立式金相顯微鏡，WYJ-15穩壓器。使用稀硫酸將其浸泡半小時，最后對其進行蒸餾水清洗待用。借助平行試驗方式對其中一些影響因素進行對比試驗，結合影響因素之間存在的差異，可以將多個電解槽放置在恒溫水浴內，僅僅改變其中一種因素對其實施電解，因為本次實驗時間相對較短，因此這時可以不考慮其他添加劑的影響。

2.2 實驗結果

電解溫度對陰極銅表面產生的影響：電解液溫度作為電解實驗過程中的主要因素，為了了解不同溫度下對電解產生的影響，需要在30,40,50,60℃下進行實驗，并觀察其他條件相同的情況下溫度變化對其造成的影響。將實驗內部所產生的物質使用顯微鏡對其進行觀察，便于觀察陰極銅的外形，晶粒大小和生長優勢。經過溫度實驗表明，當前在溫度較低的情況下可以獲得表面質量較高的陰極銅，同時在實際電解過程中溫度較低的情況下槽內電壓較高，溶液粘度較高，降低了導電性，使陽極泥沉淀作用力降低。大部分懸浮物附著在陰極上，對陰極銅的純度產生了不良影響。因為溫度較低，會縮小銅離子的溶解度，使陽極上析出晶體，因此在實驗電解的過程中需要實驗人員將電解溫度保持在較高的狀態下。不但能夠保證離子運動勻速，還可以保持電解溶液均勻，避免陰極銅離子貧化，增加結晶密度，進一步降低了陽極泥在陰極銅上的附著，使電解液溶解度持續提升，減輕了陽極鈍化效果，能夠為陽極泥脫離，沉淀和凝聚做出保證。其次，電解溫度應符合標準，若電解溫度超標那么也會造成影響，增加耗能，影響陰極銅質量，使陰極銅表面質量降低，當前電解溫度需要保持在50℃。

在電解實驗中，溫度處于30℃的情況下，晶粒相對較小，這時陰極銅表面極為粗糙，在溫度處于40℃的情況下，晶粒大小與30℃下相比有了明顯縮小趨勢，在溫度處于50℃的情況下，晶粒密度比較細，具有明顯的擇優趨勢，所以在實施銅電解的過程中需要使電解液溫度保持在50℃下，獲得較好的陰極銅表面狀態。

2.3 陰極銅受到電流密度和銅離子濃度的影響

為了更好的進行電流密度對電解過程影響因素分析，需要在不同的電流密度下進行試驗。本次試驗采取四種電流密度，主要分為150A/m2，200A/m2，250A/m2，300A/m2。試驗結果表示，在電流密度處于第一種情況下，陰極銅表面晶粒明顯增大，且陰極銅表面較為粗糙，當電流密度處于第二種情況下，陰極銅表面晶粒較為平整，當陰極銅處于第三種情況下，晶粒明顯縮小，而當電流密度處于第四種情況下，陰極銅表面晶粒增大，因此這時可以對其進行合理選擇。由此可見在電流密度較低的情況下，陰極銅表面較為平整，但是采取過低的電流密度會影響生產，進一步增加電解槽數量。因此在實際電解過程中應該在保證陰極銅質量的基礎上進一步提升電流密度。在電流密度提升的同時應注意控制以下幾點內容。在電流密度不斷加大的情況下需要避免短路現象的產生，還可能導致電流效率降低。而陰極銅在電流密度下降的同時也會導致其質量降低，在電流密度極高的情況下還會出現一些堆積物。因此在實際電解精煉的過程中應選擇200A/m2比較適宜。

在五組不同銅離子濃度下進行陰極銅表面實驗，其中銅離子濃度分為30，35，40，45，50g/L。在其他條件一致的情況下對其進行實驗，銅離子濃度在第一種情況下的時候，在陰極銅晶粒緊密，表面光滑[1]。在銅離子濃度處于第二種情況下的時候，陰極銅晶粒致密，外部平整，在銅離子濃度處于第三種情況下的時候，陰極銅外部晶粒較小，在銅離子濃度處于第四種情況下的時候，表面比較粗糙，在銅離子處于第五種情況下的時候，陰極銅晶粒較大。因此由上述實驗結果可以證實，當前隨著銅離子濃度的提升，陰極銅表面也越來越粗糙，晶粒越來越大，因此應將銅離子濃度保持在35g/L~40g/L內。

3 強化電解平行流技術下的銅電解精煉

3.1 平行流技術概述

平行流技術可以提升電流密度，進而增強帶銅電解產能。但是電流密度在提升的過程中會促使陽極區電解液不斷擴散，陰極區電解液銅離子貧化，進而影響電解的實施。平行流技術其實際原理就是通過對電解液的運動方式，進而有效接近高電力面密度電解過程中出現的濃度差極化。結合實際情況進行分析，主要是通過特殊裝置使電解液在陰極板的兩面以標準速度進入電解槽內，這時電解液會逐漸流動，還會在陰陽兩極之間出現自然的對流。處于陰極地區的電解液會向上運動，而處于陽極周圍的電解液則會向下運動，這時電解液的運動模式類似環形[2]。陰極周圍電解液的運動能夠在一定程度上降低陰極周圍出現的差極化，而陽極周圍電解液的運動也將陽極周圍的差極化不斷縮小，能夠加速沉降。電解液經過的特殊裝置就屬于平行流裝置，電解液在持續高速運行的過撐中可以優化電解槽內的溫度，使其更為均勻，有效避免了高電流密度下電解濃度差極化的現象。

3.2 平行流技術工藝特征

循環槽內的電解液可以借助電解液循環泵和換熱器將加熱或冷卻至標準溫度后送至電解槽內，這時電解液還可以通過溢流送回指電解循環槽內在，構成循環系統。在平行流技術使用的過程中其內部包括凈化系統在，閥門，管道和流量計等工具。在雙極作業的過程中，上清液通過壓濾泵輸送至過濾系統，之后返回電解液循環槽內實現有效的循環作業[3]。

平行流技術主要使用大容量循環槽，多個電解槽使用相同的電解液，實際循環槽尺寸為20*12*3mm，實際容積可以達到720m3，大容量循環槽可以為電解液成分及其添加劑的均勻性奠定基礎。使用變頻泵朝電解槽進行液體供給，打破傳統高位槽的限制，借助變頻泵液體供給方式滿足出口所需壓力。使用多套PFD裝置，和傳統液體傳輸管道不同，PFD裝置處于電解槽內壁，可以依靠其較為特殊的結構符合高電流密度生產需求平行流技術在使用的過程中其陽極周期較短，在相同陽極單重的基礎上，可以使用平行流技術的時候其陽極周期會比基礎技術下陽極周期短30%，這也表示陽極消耗相對較快，這時陰極銅的產量相對較高。平行流技術下蒸汽消耗量較低，與常規技術相比，使用平行流技術可以減少近80%。電解液循環量較高，基礎銅在電解的過程中其電解液循環量處于單槽25l/min~35 l/min，而在使用平行流技術后其單槽實際循環量則可以達到75l/min~95 l/min。

3.3 生產實踐

平行流技術在A企業得到了大規模使用，實際應用過程中電流密度處于385A/m2，逐漸提升至420A/m2，為企業連續穩定生產奠定了基礎。該企業內部當前生產的陰極銅表面光滑，質量較好，符合高純度陰極銅標準[4]。

在生產實踐的過程中需要進行合理的參數控制，電解液流量控制，電解液酸含量控制及添加劑控制。其中在溫度控制的過程中需要使其與常規電解相同，但是在實際操作的過程中會因為電流流量較大增加電流的熱能轉化。電流密度在達到385A/m2的時候，電解熱收入與支出較為均衡，但是在電流密度處于420A/m2的時候，不但不需要進行蒸汽加熱，還需要冷卻電解液。電解液電流控制的過程中，高電流密度生產應具有一定的電力密度并與其相匹配，這時實際流量較低，導致陰極銅底部較為稀疏，降低其質量，還會出現一些陽極泥粒子。電解液內部銅和酸的控制對于高電流密度生產有著非常重要的意義，為了降低陰極區域內部出現離子貧化的現象，減少陰極銅雜質析出，就需要提升電解液內部的含銅量。但是若沒有合理控制含量就會產生陽極鈍化的現象，嚴重影響陰極銅質量，所以相關人員應控制電解液內酸和銅的含量，降低陽極鈍化。對于添加劑的控制應采取平行流技術，當前大部分高電流密度生產的過程中對于添加劑的使用較少。但是陰極銅析出質量對于添加劑較為敏感，這也表示在使用添加劑的時候可以擴大其使用范圍。此外，在使用平行流技術進行高帶哪里密度運行的時候會因為系統第一次裝槽，進而更容易控制銅質量[5]。

4 結束語

綜上所述，當下在實施銅電解精煉的過程中，平行流技術具有一定的先進性和高效性，這一技術一經出現就在銅電解精煉中獲得了一定的成功，為我國銅電解精煉的發展起到了促進作用，代表我國銅電解精煉工藝技術邁進了新時代。高電流密度對于生產人員，生產設備和生產能原料要求較高，因此這時需要相關人員自身技術能力符合要求，進而為高電流密度穩定運行做出保證，產出質量較高的純陰極銅。日后銅電解精煉過程中需要以高電流密度為基礎，合理處理低品質陽極板，朝著更加節能環保的方向邁進。