譚春梅 摘譯

(云銅股份西南銅業(yè)分公司， 云南 昆明 650102)

國外工程技術(shù)

電化冶金—現(xiàn)在和將來(一)

譚春梅 摘譯

(云銅股份西南銅業(yè)分公司， 云南 昆明 650102)

工業(yè)上采用電解加工回收或精煉金屬，例如：鋁、銅、鎂、鎳和鋅，同時也采用電化冶金工藝生產(chǎn)鈦、鉛和其它金屬。本文回顧了電化冶金工業(yè)中金屬生產(chǎn)和精煉采用的一些主要技術(shù)、最新進展和未來方向。

電化冶金； 電積； 電解精煉； 鋁； 銅； 鉛； 鎂； 鎳； 鈦； 鋅

1 介紹

工業(yè)上采用電解加工回收或精煉金屬，包括大規(guī)模生產(chǎn)的金屬(如：鋁、銅、鎂、鎳和鋅)以及小規(guī)模生產(chǎn)的金屬(如：金和銀)。同時也采用電化冶金工藝生產(chǎn)鈦、鉛和其它金屬。本文僅重點圍繞電化冶金加工的具有大型生產(chǎn)市場的金屬。

金屬電解加工面臨著共同挑戰(zhàn)。在電化學(xué)冶金中，能源是一個重要問題。關(guān)注的其他重要領(lǐng)域是化學(xué)作用、產(chǎn)量和安全。為了滿足工業(yè)電化冶金目前的挑戰(zhàn)，已經(jīng)取得了各種技術(shù)進步。未來將面臨同樣的挑戰(zhàn)，需要工藝改進和創(chuàng)新。本文將回顧一些主要的工業(yè)技術(shù)、最新進展和將來潛在的發(fā)展，這些發(fā)展現(xiàn)在和將來都能夠為電化冶金工業(yè)提供重要的金屬產(chǎn)品。

1.1 化學(xué)作用

電化冶金使得金屬、電子和液體之間相互影響成為可能。通過捕集電子，液體中溶解的金屬離子得到還原。一般的還原反應(yīng)如下：

M2++2e-=M

(1)

在溶液中，金屬還原取決于熱力學(xué)和動力學(xué)的結(jié)合。在大多數(shù)工業(yè)電化冶金工藝中，采用了電極(陰極和陽極)和電源。陰極中發(fā)生的金屬還原取決于電子的供應(yīng)，通過陽極發(fā)生逆反應(yīng)來提供電子。通過供電，電子有效地從陽極轉(zhuǎn)移到陰極，在電解液中還原金屬離子。在水介質(zhì)中，常見的陽極反應(yīng)是水電解：

H2O=2H++1/2O2+2e-

(2)

在熔鹽電化冶金中，碳或氯化物的氧化通常提供了反應(yīng)所需的電子。在電解精煉過程中，通過不純陽極提供電子。每一種金屬還原反應(yīng)和每一個逆反應(yīng)的發(fā)生都需要一個特定電壓或半槽電位。金屬(如：鎂和鋁)具有還原電位，該還原電位通常遠低于水的還原電位。所以，在熔鹽電解液中處理這些金屬，而不是在水中處理這些金屬。

低電位金屬容易受到已有的高電位金屬的污染，高電位金屬優(yōu)先接收電子并以雜質(zhì)形式沉積在陰極上面。因此，低電位金屬(如：鋅、鋁和鎂)需要深度凈化電解液，目的是為了保持陰極純度，為了確保和改進電解液的純度，已經(jīng)付出了巨大努力。隨著原材料的雜質(zhì)水平越來越高，雜質(zhì)難于去除，并且，電流密度增加，電解液中雜質(zhì)沉積趨勢上升。

采用電化冶金法回收傳統(tǒng)電解加工處理不了的金屬(如：鈦和鉛)，受到半槽電位和電解液成分的限制。另外，雜質(zhì)(如：氧和水)的存在將決定電解還原回收某些金屬的可行性。將來，通過其它電解液和化學(xué)改良方法回收的新金屬，將補充到工業(yè)規(guī)模電化冶金回收金屬的清單中。

1.2 能耗

反應(yīng)速度取決于質(zhì)量傳遞和過電位的結(jié)合，過電位高于或低于半槽電位(還原反應(yīng)，低于半槽電位；氧化反應(yīng)，高于半槽電位)，促使電子從陽極到陰極的能量基于陰極- 陽極之間反應(yīng)的差異、相關(guān)過電位以及與電位損失有關(guān)的電阻。通常，一個電化學(xué)槽需要的總電壓稱為槽電壓。金屬還原作業(yè)的槽電壓通常為2～4 V(電積)、0.2～0.4 V(電解精煉)。每t金屬的能耗(kW·h)可以表述為：

(3)

Ecell表示總的槽電壓，包括：過電位、與電阻相關(guān)的電位損失、陽極- 陰極半槽電位差；n表示每摩爾金屬的電子數(shù)量；Aw指正在還原的金屬原子量；b是指電流效應(yīng)、或者是用于所需金屬還原反應(yīng)的總電流。金屬還原所需能量通常超過1 500 kW·h/t。因此，電化冶金是一種超高能耗的工藝，需要不斷通過提高電流效應(yīng)和降低槽電壓來降低能耗。

能源成本基于電化學(xué)要求和能源購買價格的結(jié)合。很多大規(guī)模電化冶金工廠地處低成本能源市場附近。因為，在所有發(fā)電方法中，水力發(fā)電成本最低，假設(shè)物料運輸成本也低。很多電化冶金工廠地處水力發(fā)電廠附近，同樣，很多電積工廠地處沿海地區(qū)，其擁有良好的水上運輸和低成本水電。擁有相對低成本電力的國家包括：阿根廷、澳大利亞、加拿大、芬蘭、印度尼西亞、挪威和美國。需要持續(xù)降低能源成本和運輸成本，這有助于確保在沿海和低電力成本地區(qū)建廠的可持續(xù)性。

同時，如果市場上電力成本和運輸成本高的話，能源成本會迫使人們采用低能耗技術(shù)。世界上，能源成本相對高的地區(qū)(如：中歐、南美稍好一些)對節(jié)能降耗擁有濃厚的興趣，例如：采用替代陽極，降低槽電壓。

1.3 生產(chǎn)率

生產(chǎn)率一直是工業(yè)生產(chǎn)的一個挑戰(zhàn)。工業(yè)電化冶金加工持續(xù)采用生產(chǎn)率提升技術(shù)。電極處理已經(jīng)呈現(xiàn)并將繼續(xù)趨向于更加自動化。機器人技術(shù)對提高自動化起到了非常重要的作用。

另外一種提高生產(chǎn)率的趨勢是采用較高電流密度。通常，較高電流密度帶來了更嚴格的空間控制，改善了電解液的質(zhì)量傳遞和對流。

1.4 安全

安全對電化冶金加工至關(guān)重要。通常，通過自動化來提高生產(chǎn)率。同時，自動化對員工安全是有利的，減少了曝露于化學(xué)品的機會和對員工工作的危害。自動化系統(tǒng)很少出現(xiàn)可能導(dǎo)致傷害的錯誤。

氣體處理是電化冶金關(guān)注的一個領(lǐng)域。在很多系統(tǒng)中，陽極反應(yīng)涉及氣體逸出。在賤金屬電積中，電解槽氣體逸出產(chǎn)生了酸霧。輕金屬電積的逸出氣體通常為氯氣(例如：鎂生產(chǎn))。鋅電積產(chǎn)生大量的氫氣，為了相關(guān)電解槽的安全作業(yè)，必須正確控制氫氣。采用抑制、消除和通風(fēng)方法，將氣體逸出的影響降到最小。正確處理氣體逸出的重要性和相關(guān)影響(例如酸霧)是技術(shù)改進的一個重要領(lǐng)域。

1.5 精煉

精煉對于高純度金屬的生產(chǎn)至關(guān)重要。世界上大多數(shù)商業(yè)銅都是通過電解精煉生產(chǎn)的。大多數(shù)有色金屬通過同樣的電解精煉方法，得到了高純度金屬。電解精煉僅利用了電積所需能量的一小部分。減少能源需求，要求降低陽極反應(yīng)- 陰極反應(yīng)之間的電壓，電解精煉同樣如此。通過降低陽極過電壓，進一步降低能源需求。因此，電解精煉總能耗通常比電積所需能耗低20%。所以，電解精煉節(jié)能沒有電積節(jié)能那么重要。然而，對電解精煉來說，其它問題如：雜質(zhì)控制和生產(chǎn)率非常重要。

2 所選金屬的電化學(xué)冶金

2.1 鋁電解

全球鋁工業(yè)已經(jīng)發(fā)展到目前的地位，全球45個國家的氧化鋁產(chǎn)量大約為4 100萬t/a。這個產(chǎn)量集中在大約20多家主要的鋁金屬生產(chǎn)公司，占該金屬產(chǎn)量的65%。在這些公司中，大多數(shù)工廠采用鋁土礦生產(chǎn)氧化鋁。采用拜耳法生產(chǎn)精煉低硅鋁土礦和高硅鋁土礦，產(chǎn)品為氧化鋁粉，然后采用霍爾- 赫勞爾特熔鹽電解法將氧化鋁粉電解還原成金屬鋁?；魻? 赫勞爾特熔鹽電解法(Hall-Heroult)生產(chǎn)工藝已經(jīng)取得了很大進步，大幅度提高了生產(chǎn)率、能源效應(yīng)，并改善了對環(huán)境的影響。但是，目前運用的工藝采用了碳塊陽極、陰極金屬槽和氟基電解液，基本上與125年前查爾斯·霍爾(Charles Hall)和保羅·埃魯(Paul Héroult)原先開發(fā)的工藝相同。

目前采用了兩種類型的電化學(xué)槽。自焙槽(橫插自焙槽- HSS、豎插自焙槽- VSS)采用了碳糊制成的連續(xù)預(yù)焙陽極，碳糊加入槽中，現(xiàn)場烘焙。這種電解槽技術(shù)占世界鋁生產(chǎn)技術(shù)的10%。另一種電解槽技術(shù)是預(yù)焙(PB)槽，采用了焦炭和瀝青制成的的多碳塊陽極，剩余部分的金屬產(chǎn)量是通過這種方法生產(chǎn)的。圖1顯示了自焙槽(橫插自焙槽- HSS、豎插自焙槽- VSS)和現(xiàn)代化預(yù)焙槽的剖面示意圖。

圖1 自焙槽(橫插自焙槽- HSS、豎插自焙槽- VSS)和預(yù)焙(PB)槽的示意圖

采用電力將氧化鋁還原成鋁，并將電解槽的作業(yè)溫度保持在960 ℃左右。自從開發(fā)了第一個電解槽以來，行業(yè)技術(shù)的主要驅(qū)動力是改善能源效率和提高冶煉產(chǎn)量，目的是降低經(jīng)營成本和投資費用。環(huán)保驅(qū)動力是降低氟排放，針對自焙槽技術(shù)，降低環(huán)境中多環(huán)芳烴(PAHs)的形成和釋放，部分多環(huán)芳烴是致癌物質(zhì)。

跟蹤電解槽發(fā)展可以看到，通過引進新電解槽技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了電流的相繼增加，通過不斷提高槽子電極面積來提高電流能力。圖2上的歷史圖表概括了工業(yè)中每一種電解槽技術(shù)使能力隨不同年代上升的趨勢。

圖2表明工業(yè)規(guī)模電解槽技術(shù)在投產(chǎn)年所取得的電流變化(PB SS=預(yù)焙、側(cè)對側(cè)；PB EE=預(yù)焙、端對端；PB Round=預(yù)焙、圓陽極，HSS=橫插自焙槽，VSS=豎插自焙槽)。圖片(從左到右)：沙威尼根(北方鋁業(yè)公司- 力拓加鋁，PB Round SS- 預(yù)焙、圓陽極、側(cè)對側(cè)，1901年)；沙威尼根(鋁業(yè)公司- 力拓加鋁，HSS- 橫插自焙槽，1942年)；伊勒馬利涅(加拿大鋁業(yè)公司- 力拓加鋁，VSS- 豎插自焙槽，1952年)；巴丁(美國鋁業(yè)公司- Alcoa，PB SS- 預(yù)焙、側(cè)對側(cè)，1963年)；鞏義市(河南榆林中孚實業(yè)公司，PB SS- 預(yù)焙、側(cè)對側(cè)，2008年)；納格哈馬地(埃及鋁業(yè)公司，PB EE- 預(yù)焙、端對端，2003年)。

圖2 霍爾·赫勞爾特電解槽1889至2010年電流上升的趨勢

預(yù)焙圓陽極電解槽技術(shù)(赫勞爾特技術(shù))首先應(yīng)用于法國，一個電解槽中采用單塊或多碳塊陽極。這些電解槽需要人工添加氧化鋁，人工舀出生產(chǎn)出的熔融金屬鋁。

1927年，自焙陽極(端對端)電解槽技術(shù)首次工業(yè)應(yīng)用于西班牙的圣地亞哥，30年代至50年代建造的許多電解槽都以此為基礎(chǔ)。在這一時期，也建造了很多端對端(EE)或側(cè)對側(cè)(SS)類型的預(yù)焙電解槽。在這個時候，這兩種電解槽技術(shù)的電流都限定在大約40 kA。索德伯格(Soderberg)1983年獲得了一種新型VSS陽極專利，這種豎插自焙槽陽極于1949年首次工業(yè)化應(yīng)用于西班牙的巴利亞多利德。

50年代到70年代，橫插自焙槽(VSS)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，原因是這種技術(shù)能夠提高電流，高于豎插自焙槽(HSS)技術(shù)的電流?？梢酝ㄟ^提高電流和增加冶煉廠電解槽數(shù)量來提升冶煉廠的產(chǎn)量，因此物料處理、機械化和自動化都得到了很大的發(fā)展。50年代期間，電流進一步提升至100 kA，因為嚴重的磁化現(xiàn)象導(dǎo)致了金屬熔池的變形(端對端- EE技術(shù)的問題尤其嚴重)，所以100 kA電流看起來似乎達到極限了。

60年代早期建造和運行的兩種樣式的自焙槽技術(shù)(橫插自焙槽- HSS、豎插自焙槽- VSS) 和兩種樣式的預(yù)焙槽(預(yù)焙槽側(cè)對側(cè)- PB SS、預(yù)焙槽端對端- PB EE)技術(shù)，還不明確那種技術(shù)最終占據(jù)行業(yè)主導(dǎo)地位。當(dāng)引入美國鋁業(yè)公司(Alcoa)P155電解槽技術(shù)(PB SS- 預(yù)焙槽側(cè)對側(cè))后，不久就解決了電流極限問題。該技術(shù)的工作電流為155 kA，超過了100 kA的電流極限，該電解槽技術(shù)有很多新突破。點式給料破碎機改善了槽子化學(xué)控制，減少了槽子排放，采用陽極側(cè)部進電，有助于穩(wěn)定高電流條件下的鋁液，采用高導(dǎo)電石墨側(cè)壁來控制高電流條件下槽子的內(nèi)部熱量，采用了一套計算機電阻控制系統(tǒng)，因此改善了陽極側(cè)部進電的磁性。該技術(shù)于1963年首次運用在北卡羅來納州的巴丁，美國鋁業(yè)公司(Alcoa)80年代繼續(xù)引進新型PB SS(預(yù)焙槽側(cè)對側(cè))電解槽系統(tǒng)。

已經(jīng)證明，在電流極限超過100 kA的所有技術(shù)中，只有PB SS(預(yù)焙側(cè)對側(cè))電解槽技術(shù)能夠達到最高工作電流。由于技術(shù)投資成本高，直到今天，所有四種技術(shù)在行業(yè)內(nèi)轉(zhuǎn)化都很慢。隨著PB SS(預(yù)焙側(cè)對側(cè))的持續(xù)改進，例如：側(cè)壁采用SiC替代了石墨，外殼采用強制空氣對流，不對稱電流分布，有助于進一步穩(wěn)定鋁液，除了PB SS(預(yù)焙側(cè)對側(cè))電解槽技術(shù)以外，其它電解槽技術(shù)已經(jīng)過時。

自80年代以來，作為技術(shù)生產(chǎn)商的典范，普基鋁業(yè)公司(力拓加鋁)開發(fā)、建造和頒發(fā)了系列電解槽技術(shù)許可證，持續(xù)提升了工作電流：AP 18 (180 kA)、AP 22 (220 kA) 、AP 3X (300～400 kA)，自80年代以來，這些技術(shù)占據(jù)著行業(yè)主導(dǎo)地位。在繼續(xù)提升電流的趨勢上，力拓加鋁在加拿大的容基耶爾試驗了AP 60 (600 kA)，該項目計劃于明年投產(chǎn)。另一家技術(shù)生產(chǎn)商是中國的東北大學(xué)，該大學(xué)最近開發(fā)了NEUI 400 HEEP技術(shù)，中國河南鞏義市的河南榆林中孚實業(yè)公司冶煉廠采用了該技術(shù)，工作能效為12.5 mW·h/t，電流為430～460 kA。通過提高陽極面積和降低槽子的非生產(chǎn)面積，提高了電流。然而，在這一發(fā)展時期，電解槽生產(chǎn)率保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，大約為16 t鋁/m2/a(通常在電解槽工業(yè)化時，電解槽的內(nèi)部尺寸和電流是標準的)，為允許產(chǎn)能提升，工業(yè)電解槽的產(chǎn)量范圍在16～18 t/m2/a。

采用惰性陽極取代了碳陽極，使用了金屬、陶瓷或氧化物，它們在冰晶石槽中是穩(wěn)定的。惰性陽極消除了對碳陽極的需求，這些陽極維護要求高。同樣，陽極氣體是氧氣，而不是二氧化碳，這對電解槽溫室氣體(GHG)的直接排放影響巨大。為了適應(yīng)熱平衡變化和與技術(shù)變化有關(guān)的能量輸入，研發(fā)集中于陽極材料的開發(fā)和槽子設(shè)計方面。

采用可濕潤性材料TiB2，用可濕潤性陰極取代了現(xiàn)有碳陰極。可濕潤性陰極具有改善鋁液穩(wěn)定性和減少陽極- 陰極間距的潛力(進一步提高能效)。

允許采用非水平式電極布置，提高了電解槽的產(chǎn)量。碳熱還原可以徹底取消電解槽，采用高溫反應(yīng)器，用碳直接還原氧化鋁。碳熱還原有可能降低鋁生產(chǎn)內(nèi)在的能量總體需求，并且提供了縮小冶煉廠規(guī)模的潛力。

在霍爾和赫勞爾特原來工作的基礎(chǔ)上，鋁工業(yè)持續(xù)發(fā)展，顯著改善了能效、環(huán)?？刂?、電解槽生產(chǎn)和冶煉廠規(guī)模。通過對工藝的深入認識和改進工藝控制，希望在電解槽性能方面取得繼續(xù)進步。

2.2 銅電解精煉和電積

與鋅和鎳不同，銅回收的電解方法要么是電解精煉，要么是電積，幾乎所有的精煉銅產(chǎn)量都是通過電解方法生產(chǎn)的。這是因為銅的主要工業(yè)用途是導(dǎo)電，需要高純度的銅產(chǎn)品，只能通過大規(guī)模電解法生產(chǎn)這種高純度的銅產(chǎn)品。

歷史上，硫化礦石經(jīng)冶煉后，幾乎完全是通過電解精煉大規(guī)模生產(chǎn)精煉銅。在過去40年中，濕法冶金大規(guī)?；厥浙~得到發(fā)展，包括低成本堆浸、溶劑萃取和電積。大型電解廠保留了成熟的工業(yè)領(lǐng)域，中國和印度的新經(jīng)濟產(chǎn)能日益增長。在美國西南部、智利和中非地區(qū)，在礦山現(xiàn)場(能)浸出銅的地區(qū)，電積銅產(chǎn)能增長。現(xiàn)在，世界精煉銅產(chǎn)量中，電解精煉銅占據(jù)70%～80%，其余產(chǎn)量為電積銅。

2.2.1 銅電解精煉

眾所周知，在過去幾年，電解精煉(ER)的大部分技術(shù)發(fā)展集中在產(chǎn)量、自動化和質(zhì)量方面，而不是在減少能耗方面，這是因為電能需求相對低一些，僅為～340 kW·h/t銅。1883年在新澤西州紐瓦克建立了美國第一座電解廠，即巴爾巴赫(Balbach)冶煉和精煉公司。與此同時，在漢堡建立了歐洲第一座電解廠，并且，在十年時間里美國建立了超過11家銅的電解廠，尤其是在紐約和新澤西州地區(qū)，包括勞雷爾·希爾(菲爾普斯·道奇公司)、拉里坦(阿納康達公司)、珀斯安博伊(美國熔煉和精煉公司- ASARCO)、卡特雷特(阿馬克斯公司- AMAX)，這些電解廠的產(chǎn)量占世界精煉銅產(chǎn)量的四分之一。這種濕法冶金技術(shù)為20年后大型電解精煉廠的生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。

多年來，電解精煉(ER)技術(shù)采用始極片鍍銅工藝，始極片工藝一直保持著行業(yè)標準，直到20世紀70年代后期，澳大利亞北昆士蘭湯斯維爾的銅精煉公司(CRL)開發(fā)了第一項永久陰極技術(shù)，稱為“艾薩電解工藝”。該技術(shù)基于鋅電積技術(shù)(三井彥島)概念，自動化電解精煉(ER)電解廠在不銹鋼陰極板上直接鍍銅，并采用自動剝片機組剝片，省去了對始極片的需求。

永久不銹鋼陰極技術(shù)的優(yōu)點據(jù)許多文獻描述：永久性陰極板懸掛更為垂直，因此在槽子中的極間距更為接近。永久性陰極板的使用省去了制造銅始極片的步驟，同時提高了電解廠的產(chǎn)量。陰極板的垂直度允許使用高電流密度，同時陰極銅純度高、短路少、電流效率高。

20世紀80年代后期，該技術(shù)的衍生技術(shù)在加拿大基德克里克礦業(yè)公司(Kidd Creek)出現(xiàn)了，20世紀90年代后期，奧圖泰也開發(fā)了這種技術(shù)。該技術(shù)領(lǐng)域的新發(fā)展包括：自動吊車、機器人電極處理設(shè)備，正用于中國新建電解廠。采用低維護而簡單的聚合物混凝土電解槽，取代了鉛襯混凝土電解槽。

最近，通過采用Mettop BRX平行流技術(shù)的高電流密度(超過400 Am2)，進一步增大產(chǎn)量。2005年，在奧地利的布里克斯萊格安裝了第一批示范槽，現(xiàn)在已經(jīng)工業(yè)化生產(chǎn)，生產(chǎn)出高純陰極銅。該技術(shù)在每一個槽子中安裝一個平行流裝置(PFD)，電解液流速高，溶解的銅分布均勻，面向陰極的電解液被加熱，而不會額外夾帶陽極泥，使得電流密度提高到400 Am2，達到行業(yè)中的最高電流密度。祥光銅業(yè)新電解廠已經(jīng)采用Mettop BRX平行流技術(shù)，安裝運行了720個電解槽，起始電流密度達到385 Am2，設(shè)計電流密度為410 Am2。

對電解精煉陰極銅質(zhì)量的關(guān)注，導(dǎo)致了陰極平滑劑測試技術(shù)的出現(xiàn)。20世紀70年代，美國開發(fā)了Reatrol試劑技術(shù)，聚焦于硫脲控制和測試。德國奧盧比斯(Aurubis)公司漢堡電解廠開發(fā)了Collamat系統(tǒng)，聚焦于骨膠測試和添加。由于Collamat系統(tǒng)自動化程度更高，所以應(yīng)用更加廣泛。硫脲和骨膠廣泛應(yīng)用于整個行業(yè)。一些電解廠喜歡骨膠，另一些電解廠更喜歡硫脲。

接觸系統(tǒng)和陰極板設(shè)計取得了一些節(jié)能方面的進展。現(xiàn)在正在安裝的雙觸點技術(shù)采用了均壓母線，使槽子中的電流分布更加均勻，在高電流密度條件下，提高了電流效應(yīng)和槽電壓。關(guān)于陰極板技術(shù)如：超達的低電阻設(shè)計，在陰極吊棒、空氣/電解液位線上方的不銹鋼基質(zhì)上有更多的電鍍銅。由于供電系統(tǒng)的電阻低，節(jié)約了能源。

有些地方已經(jīng)開發(fā)和安裝了無線技術(shù)，用來監(jiān)測槽電壓和溫度?？梢圆捎帽O(jiān)測信息來定位短路或低流量槽子。

2.2.2 銅電積

與電解精煉(ER)相比較，銅電積更加關(guān)注節(jié)能技術(shù)，這是因為銅電積消耗大量電能(～2 160 kW·h/t銅)。同樣，質(zhì)量、產(chǎn)量和降低酸霧的技術(shù)發(fā)展也至關(guān)重要。

在第一次世界大戰(zhàn)前的幾年中，智利北部(丘基卡馬塔)和亞利桑那州(阿霍)的兩家企業(yè)開始風(fēng)險計劃、試驗和測試從銅浸出液中直接電積銅的工藝。第一批大型電積電解廠的設(shè)計采用了電解精煉始極片技術(shù)。根據(jù)這些設(shè)計，在墨西哥、中非和美國建立了直接電積廠。

老的電積電解廠存在的主要問題之一是入槽電解液的純度及其對操作和陰極銅純度的影響。采用溶劑萃取技術(shù)產(chǎn)出高濃度和高純度的電解液，這對電積銅的生長非常關(guān)鍵。20世紀60年代早期，在成功處理鈾和釩后，通用米爾斯化學(xué)品有限公司開始為銅濕法冶金生產(chǎn)開發(fā)有機萃取劑。溶劑萃取工藝的目標產(chǎn)品是一種高濃度和高純度的銅電解液，電積生產(chǎn)的高純陰極銅與精煉陰極銅的等級相同。1965年，在亞利桑那州的巴格達(Bagdad)銅礦建立了中試廠(現(xiàn)在的自由港麥克莫蘭銅金礦公司巴格達銅礦)，然后在亞利桑那州邁阿密附近的Ranchers Bluebird銅礦建立了中試廠，已成為第一座工業(yè)規(guī)模的工廠，并且所有這些工廠都生產(chǎn)出可銷售的陰極銅。現(xiàn)在，溶劑萃取生產(chǎn)銅已成為濕法冶金銅工業(yè)的行業(yè)標準。近年來，已經(jīng)為特定的操作制度開發(fā)出了更有選擇性的溶劑萃取劑。

20世紀60年代后期，盡管萃取電積(SX- EW)技術(shù)已經(jīng)得到驗證，但是，由于20世紀70年代的能源危機和20世紀80年代早期的經(jīng)濟衰退，萃取電積的產(chǎn)量增長延遲了。20世紀90年代中期，銅價持續(xù)上漲，再加上受投資氣候的吸引，智利大型銅礦山愿意采用溶劑萃取方法浸出銅，使得這時的溶劑萃取銅產(chǎn)量增加了。

在過去40年，電積設(shè)計的產(chǎn)量提升僅次于電解精煉的產(chǎn)量提升，電解精煉工藝是采用艾薩法和基德法(現(xiàn)在統(tǒng)稱為超達技術(shù))的永久陰極技術(shù)，電解精煉工藝在美國和南美的SX- EW項目中盛行。然而，最近在南美，正在安裝兩種與產(chǎn)量相關(guān)的電積廠獨有的技術(shù)。在電積槽中，陰極下面有空氣注入，這樣允許在高電流密度條件下(400 Am2)產(chǎn)出高品質(zhì)的陰極銅。在新建工廠采用這種技術(shù)，可以縮減電解廠占地空間。南美的幾家電積工廠采用了空氣注入技術(shù)，包括：蓋比銅礦(Gaby)、拉蒂米洛.托米克銅礦(RadimiroTomic)、埃斯康迪達銅礦(Escondida)、斯潘斯銅礦(Spence)、賽洛維德銅礦(Cerro Verde)。英美集團旗下的洛斯布龍塞斯銅礦(Anglo Los Bronces，位于智利圣地亞哥北部)在電積槽中已經(jīng)安裝了玻璃鋼電極框架。該框架與電極完美對準，允許使用高電流密度，生產(chǎn)出高品質(zhì)陰極銅，同時還省去了包邊條的步驟。為了最大限度降低成本，一些電積廠設(shè)計了相對大型的電極(1.3 m長，與鋅電積類似)，例如：亞利桑那州的薩福德銅礦(Safford)。

由于采用高電流密度、空氣注入技術(shù)、大規(guī)模電積廠需要改進酸霧減排技術(shù)。大多數(shù)開發(fā)工作發(fā)生在智利，采用了SAME公司開發(fā)的交叉流動通風(fēng)系統(tǒng)、電解槽集氣罩技術(shù)，或者是奧圖泰公司現(xiàn)在的“橫向流動”酸霧減排技術(shù)，智利安托法加斯塔西部的塞羅米蘭達銅礦(Cerro Miranda)正在論證該技術(shù)。

最近，全世界都在關(guān)注冶金工藝中的節(jié)能，引導(dǎo)人們應(yīng)用節(jié)能技術(shù)。這些發(fā)展集中在電積陽極。2010年，自由港麥克墨蘭銅精礦公司(Freeport-McMoRan)研究人員描述了替代陽極反應(yīng)技術(shù)，或稱為AART。鑒于典型電積槽在陽極上產(chǎn)生了酸霧和氧氣，AART替代陽極反應(yīng)技術(shù)將陽極上的亞鐵離子氧化成鐵離子，將槽電壓降低了大約50%。沒有酸霧產(chǎn)生。盡管有前途，但是該技術(shù)還需要實現(xiàn)商業(yè)化。

另外一種節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)是鉑族金屬鍍層的鈦網(wǎng)陽極，2007年，首次應(yīng)用于新墨西哥州的奇諾銅礦(Chino)，實現(xiàn)了商業(yè)化。北美和南美的其他電積廠也安裝了類似的陽極。采用鈦網(wǎng)陽極后，槽電壓降低了15%，并且，電積廠徹底取消了鉛陽極。

2.2.3 銅的總結(jié)

所有的精煉銅都是通過電化冶金工藝生產(chǎn)的。電解精煉法盡管古老，但是仍然是陰極銅生產(chǎn)的主要方法。電解精煉的發(fā)展重點放在產(chǎn)量、自動化和質(zhì)量上。由于電積本身電能消耗高，所以重點放在降低電能上，同時還關(guān)注產(chǎn)量、自動化和質(zhì)量。通常，不管是電解精煉廠還是電積廠都可以利用改進后的技術(shù)。

(未完待續(xù))

略)

蘇平校對

Electrometallurgy-nowandinthefuture(Ⅰ)

Translated selectively by TAN Chun-mei

Electrolytic processing is used commercially to recover and/or refine metals such as aluminum, copper, magnesium, nickel, and zinc. There are also new and exciting opportunities to utilize electrometallurgy in the production of titanium, lead, and other metals. This paper reviews some of the main technologies that are used to produce and refine metals as well as some of the recent advances and future directions.

electrometallurgy; electrowinning; electrorefining; aluminum; copper; lead; magnesium; nickel; titanium; xinc

TF111.5

B

1672-6103(2017)05-0001-06

譚春梅(1967—)，女，云南曲靖人，碩士，資深翻譯(正高)，從事外事翻譯管理工作。

2017-09-07