譚芳香

(廣西有色再生金屬有限公司， 廣西 梧州 543103)

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試驗研究

改進(jìn)電積脫銅工藝生產(chǎn)高純陰極銅的研究

譚芳香

(廣西有色再生金屬有限公司， 廣西 梧州 543103)

為了尋求適宜廢雜銅為原料的最佳電積脫銅方式，本研究以永久不銹鋼陰極板作陰極，對電積脫銅工藝進(jìn)行改進(jìn)，有效地抑制酸霧的產(chǎn)生和降低短路率，并控制好工藝參數(shù)，產(chǎn)出高純陰極銅，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

不銹鋼陰極板； 電積脫銅； 高純陰極銅

在銅電解精煉過程中，陽極中氧化亞銅的化學(xué)溶解以及陽極銅以Cu2+形式發(fā)生電化學(xué)溶解，致使電解液中銅離子濃度不斷上升，銅離子的增加量約為陽極溶解量的1.5%～2.0%[1]。為了維持電解液中的銅、酸含量及雜質(zhì)濃度在規(guī)定的范圍內(nèi)，就必須抽取部分電解液進(jìn)行凈化和調(diào)整，以保證電解過程的正常進(jìn)行[2]。凈化銅電解液的方法有電積法、吸附法[3]、共沉淀法[4]、溶劑萃取法[5]以及膜分離法[6]等。由于吸附法、共沉淀法、溶劑萃取法以及膜分離法對雜質(zhì)具有選擇性，因此存在應(yīng)用局限。目前，大多數(shù)中小型工廠多采用8個脫銅槽串聯(lián)連續(xù)脫銅脫砷方法[7]，該方法以銅始極片為陰極，所需的始極片制作工序繁雜，且難以消除因始極片彎曲不平、厚薄不均給產(chǎn)品質(zhì)量帶來的影響，電流效率達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)，銅濃度難以降低，電積銅也僅為1號標(biāo)準(zhǔn)銅，尤其不適合ISA電解的電解液凈化[8]。第二種為以殘極銅作為陰極，產(chǎn)出的黑銅板返回熔煉進(jìn)行生產(chǎn)陽極板，但生產(chǎn)成本高。

本研究是在電解生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)開設(shè)脫銅槽，僅需1個脫銅槽就可完成脫銅任務(wù)，工藝上采用不溶鉛陽極作陽極，永久不銹鋼陰極板作陰極，通以直流電，對電積脫銅方式進(jìn)行改進(jìn)，有效地抑制酸霧的產(chǎn)生和降低短路率，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，產(chǎn)出高純陰極銅，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 改進(jìn)前的電積脫銅工藝

1.1 傳統(tǒng)電積脫銅工藝

傳統(tǒng)的電積脫銅工藝在脫銅廠房內(nèi)開設(shè)脫銅槽，每系列8個槽呈階梯排列，每兩個槽位于一個階梯之上，始液從每系列第一槽進(jìn)口進(jìn)入，從出口流出的后液進(jìn)入第二槽的進(jìn)口，依次進(jìn)入第三、第四槽直到第八槽，最后從第八槽出口流出，成為終液，另外，第五、六、七槽的進(jìn)口處補(bǔ)加含銅較高的輔助給液，以控制條件提高雜質(zhì)脫除率。傳統(tǒng)電積脫銅生產(chǎn)工藝流程圖及脫銅槽示意圖如圖1、圖2所示。

傳統(tǒng)脫銅工藝要完成脫銅任務(wù)，所需脫銅槽數(shù)量較多，還需配備換熱器、電解液儲罐、壓濾機(jī)及進(jìn)口泵等配套設(shè)備以控制電解液的流量、溫度、進(jìn)液含銅濃度和電流等技術(shù)參數(shù)，設(shè)備投資較大，需進(jìn)行人工剝銅，勞動強(qiáng)度較大，耗費大量勞動力。

圖1 傳統(tǒng)電積脫銅生產(chǎn)工藝流程圖

1.2 傳統(tǒng)電積脫銅陰極板的選用

傳統(tǒng)的電積脫銅方式是用鉛銀合金或鉛銻合金作為不溶鉛陽極，陰極主要有以下兩種：

(1)采用銅始極片做陰極，其主要問題在于：①需要增設(shè)始極片制作工序，勞動強(qiáng)度較大，過程繁雜，增加吊耳切割機(jī)、鉚耳機(jī)以及相應(yīng)的工作場地，生產(chǎn)周期較長，資金周轉(zhuǎn)慢；②陰極易被腐蝕導(dǎo)致陰極斷耳，觸點電壓降升高，鉛陽極耳部燒斷等問題；③始極片彎曲不平、厚薄不均，影響產(chǎn)品質(zhì)量，電流效率較低，銅濃度一直在50 g/L，居高不下，尤其不適合ISA電解的電解液凈化，且該方法僅獲得1號標(biāo)準(zhǔn)陰極銅，直接影響生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益。

(2)以電解產(chǎn)出的殘極銅作為陰極。由于電解生產(chǎn)往往需要控制較低的殘極率，難以挑選出殘極板面長寬厚度適宜的陰極板，且電積后期產(chǎn)出的黑銅板返回熔煉進(jìn)行生產(chǎn)陽極板，生產(chǎn)成本較高。

圖2 脫銅槽示意圖

2 改進(jìn)后的電積脫銅工藝

2.1 脫銅槽的選用

電積脫銅的原理：電積使用不溶(惰性)陽極，在電積過程中所有沉積在陰極上的銅都來源于銅溶液，溶液銅濃度不斷下降。電解和電積過程的陰極反應(yīng)是一樣的，但是硫酸銅溶液電積過程，陽極反應(yīng)是生成氧氣：

陽極：H2O-2e=2H++1/2O2↑

陰極：Cu2++2e=Cu↓

總反應(yīng)：CuSO4+H2O=Cu+H2SO4+1/2O2↑

廢雜銅原料與礦銅有很大區(qū)別，主要區(qū)別在于：①每一批次原料的雜質(zhì)種類及含量范圍有較大的波動；②敏感雜質(zhì)砷、銻、鉍的含量甚微；③剝片機(jī)組對陰極銅的物理規(guī)格要求較嚴(yán)，這也是與傳統(tǒng)電解始極片方法不同的地方。這種區(qū)別決定了以礦銅為原料的電解精煉過程的電解脫銅模式有著較大區(qū)別。本研究是根據(jù)廢雜銅的雜質(zhì)特點及生產(chǎn)需要，在電解生產(chǎn)系統(tǒng)邊角處內(nèi)(考慮現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境)，將若干個串聯(lián)的生產(chǎn)槽簡單改為脫銅槽，根據(jù)銅離子的上升速度來決定脫銅槽的槽數(shù)，以保持電解液銅離子濃度的平衡[10]。該方法單個脫銅槽就達(dá)到脫銅要求。生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的脫銅槽見圖3。

電積脫銅生產(chǎn)條件數(shù)據(jù)見表1。單個電解系統(tǒng)滿負(fù)荷生產(chǎn)時，溶入電解液的銅離子與陰極板析出銅量比為1.025∶1，而陽極銅中有1.53%的銅進(jìn)入電解液，則每天銅上漲量：1.185 48×32 000×24×512×96%×10-6×1.025×1.53%=6.28 t。而凈液工段脫銅系統(tǒng)2個系列滿負(fù)荷生產(chǎn)，脫銅量僅為1.185 48×11 000×16×24×90%×10-6=4.51 t，無法滿足電解生產(chǎn)的脫銅要求。若在電解生產(chǎn)槽內(nèi)開設(shè)脫銅槽，則所需脫銅槽數(shù)為：6.28/(1.185 48×32 000×24×10-6)≈7。

在生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)開設(shè)脫銅槽，僅需根據(jù)脫銅工藝及生產(chǎn)要求，對導(dǎo)電銅排簡單調(diào)整，用耐高溫絕緣耐酸瓷磚代替絕緣板，還及時調(diào)整脫銅槽數(shù)，操作簡便，靈活性較高。此外，在電解系統(tǒng)內(nèi)脫銅，有利于操作人員的管理，縮減勞動崗位，同時也縮短了脫銅工藝流程，降低了設(shè)備使用率，延長設(shè)備使用壽命。

1-進(jìn)液管; 2-陰極; 3-陽極; 4-出液管; 5-放液孔; 6-放陽極泥孔 圖3 生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)的脫銅槽

電解系統(tǒng)脫銅凈液工段脫銅電流強(qiáng)度/A電流效率/%電解槽數(shù)脫銅量/t電流強(qiáng)度/A電流效率/%2個系列脫銅槽數(shù)脫銅量/t320000.965126.28110000.9164.51

2.2 脫銅陰極板的選用

本研究采用永久不銹鋼陰極板作陰極進(jìn)行電積脫銅，如圖4所示。選用的不銹鋼陰極板面拋光度為2B(粗糙度：0.25～0.6 μmRa)，陰極板垂直度≤6 mm，平面度≤2 mm，在裝槽時，板面的垂直度有利于照缸操作，提高作業(yè)率，保證極距均勻性，降低短路率，提高電流效率，保證電積銅的質(zhì)量達(dá)高純陰極銅。同時，脫銅槽的出裝作業(yè)也可利用電解生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)口多功能半自動專用吊車完成，降低了勞動強(qiáng)度，提高作業(yè)效率。

圖4 改進(jìn)后電積脫銅示意圖

2.3 脫銅工藝參數(shù)的控制

利用現(xiàn)有電解廠電解槽進(jìn)行電積脫銅，銅酸濃度和槽溫與現(xiàn)有電解生產(chǎn)槽接近，產(chǎn)出的電積銅與電解銅化學(xué)成份基本一致。但電積銅的物理規(guī)格變化較大，根據(jù)電積銅的板面情況進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)整，為了保證電解液中的銅離子不至于過低，拆除進(jìn)液管節(jié)流孔板，將循環(huán)流量由電解系統(tǒng)的27～30 L/min加大到45～50 L/min，調(diào)整合適的流量，具體試驗方案及結(jié)果如表2所示。

由表2可知，初始條件下，保持脫銅槽電解液循環(huán)量與生產(chǎn)槽的一致，即28 L/min，脫銅槽槽溫72 ℃，較普通電解槽槽溫64 ℃偏高。化驗出液口Cu2+濃度為34.41 g/L，較普通電解槽Cu2+濃度47.51 g/L偏低。此條件下，電積銅板面極為粗糙，致密性一般，遠(yuǎn)遠(yuǎn)未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)陰極銅的物理規(guī)格。

隨著脫銅槽的流量由28 L/min逐步增至42 L/min，出液口溫度降至68 ℃，化驗出液口Cu2+濃度提高到42.89 g/L，電積銅板面較持續(xù)好轉(zhuǎn)，槽溫仍偏高。

單槽流量持續(xù)增大至為44 L/min，槽溫為66.5 ℃，槽溫隨著流量的穩(wěn)定也趨于穩(wěn)定，保持在66 ℃左右，脫銅電解液進(jìn)行全分析結(jié)果如表3所示。該工藝條件下，電積銅板面的平整度基本與電解銅一致，板面較為平整，物理規(guī)格基本穩(wěn)定，韌性及致密性也與電解銅基本相同，且化學(xué)成分達(dá)到了A級銅標(biāo)準(zhǔn)，如表4所示。

綜上實驗數(shù)據(jù)可得出：為保證電積銅物理規(guī)格合格，脫銅電解槽的流量應(yīng)控制在44 L/min，同時保證電解液溫度≥63 ℃，改善銅離子沉積條件電解液溫度，有利于降低電解液粘度，增加離子擴(kuò)散速度，減小陰極表面銅離子濃差極化，提高電解液的導(dǎo)電率，降低槽電壓，減少電能消耗。保證陰極銅的化學(xué)成分達(dá)到A級銅標(biāo)準(zhǔn)和降低銅表面粗糙程度，從而保證陰極銅質(zhì)量。

表2 不同工藝參數(shù)產(chǎn)出的電積銅板面情況

表3 脫銅電解液全分析結(jié)果 mg/L

表4 電積銅化學(xué)成分分析結(jié)果 %

3 結(jié)論

(1)利用生產(chǎn)槽進(jìn)行電積脫銅，可簡化電積脫銅工序，在工藝控制穩(wěn)定情況下，可以生產(chǎn)出高純陰極銅。

(2)采用不銹鋼陰極板作為陰極，可得出板面平整，結(jié)晶致密的陰極銅。

[1] 朱祖澤, 賀家齊. 現(xiàn)代銅冶金學(xué)[M]. 北京：北京科學(xué)出版社, 2003.

[2] 肖發(fā)新, 鄭雅杰, 簡洪生等．砷銻鉍對銅電沉積及陽極氧化機(jī)理的影[J]．中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版, 2009, 40(3):575-580．

[3] Wang Xuewen, Chen Qiyuan, Yin Zhoulan，et al．Removal of impurities from copper electrolyte with adsorbent containing antimony[J]．Hydrometallurgy, 2003, 69:39-44．

[4] 王學(xué)文, 肖炳瑞, 張帆．銅電解液碳酸鋇脫鉍新工藝[J]．中國有色金屬學(xué)報，2006, 16(7):1296-1299．

[5] Gupta B, Begum Z I．Separation and removal of arsenic from metallurgical solutions using bis (2,4,4-trimethylpentyl) dithiophosphinic acid as extractant [J]．Separation and Purification Technology, 2008, 1( 63):77-85．

[6] 羅凱, 徐潔. 膜技術(shù)處理銅電解液最佳條件試驗[J]．礦冶工程, 2006, 26(1): 65-67.

[7] 陳白珍, 仇勇海, 梅顯芝. 電積法脫銅脫砷的現(xiàn)狀與進(jìn)展[J]．有色金屬(冶煉部分), 1998, 8(3):29-32.

[8] WANG Xuewen, CHEN Qiyuan, YIN Zhoulan, et al. Homogeneous precipitation of As, Sb and Bi impurities in copper electrolyte during electrorefining [J]．Hydrometallgy, 2011, 105(3):355-358.

[9] 柯浪, 彭映林, 鄭雅杰. 銅電解液電積脫銅制備高純陰極銅[J]．礦冶工程, 2013, 33(1):74-78.

[10] 毛志琨. 銅電解液脫銅及脫雜技術(shù)探討[J]．有色冶金設(shè)計與研究, 2010, 31(6):44-47．

Preparation of high-purity cathode copper by improved electro-winning de-copper process

TAN Fang-xiang

Investigations was carried out for exploring the best method of electro-winning de-copper based on scrap copper as raw material to gain the high-purity cathode copper. The de-copper process was improved by using stainless steel plate as cathode electrode, where the process parameter was well controlled, the escape of acid mist has been controlled effectively, short circuit has been reduced. high-purity cathode copper was prepared, economic and social benefit was good.

stainless steel cathode plate; de-copper with electro-winning; high-purity cathode copper

譚芳香(1985—)，廣西來賓人，碩士，工程師，從事有色金屬冶煉技術(shù)管理工作。

2014-- 04-- 17

2014-- 05-- 06

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1672-- 6103(2015)02-- 0069-- 05