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        柵欄型鋁基鉛合金復(fù)合材料陽(yáng)極在高電流密度下電積銅

        2019-08-08 08:43:50李學(xué)龍陳步明郭忠誠(chéng)徐文彥衷水平
        濕法冶金 2019年4期

        李學(xué)龍,劉 輝,冷 和,陳步明,2,黃 惠,2,郭忠誠(chéng),2,徐文彥,衷水平

        (1.昆明理工恒達(dá)科技股份有限公司,云南 昆明 650106;2.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明 650093;3.中國(guó)有色礦業(yè)集團(tuán)有限公司,北京 100029;4.紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司 紫金礦冶設(shè)計(jì)研究院,福建 上杭 364200)

        全濕法生產(chǎn)銅,需要大量鉛合金材料陽(yáng)極。目前,濕法電積銅時(shí),電流密度在200~260 A/m2范圍內(nèi),電解周期在7~10 d,每生產(chǎn)1萬(wàn)t銅需要3 000~4 000片陽(yáng)極板,同時(shí)還要配備大量電解槽和不銹鋼陰極板,一次性投資大,回收周期長(zhǎng)。在現(xiàn)有條件下,提高電流密度是提高電銅產(chǎn)量的有效方法之一。但電流密度提高,會(huì)使?jié)獠顦O化,槽電壓增大,并導(dǎo)致陰極銅顆粒變粗,陽(yáng)極腐蝕速率加快,溶液中鉛離子含量提高。因此,提高電流密度時(shí),必須同時(shí)加大電解液循環(huán)速度,適當(dāng)調(diào)整添加劑及改變陽(yáng)極板結(jié)構(gòu)等。電解液流量維持在2.7~3.0 L/(min·m2陰極表面積),加入古爾膠400~500 g/t陰極銅,在370 A/m2高電流密度下可產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)陰極銅[1]。在275 A/m2高電流密度下,通過(guò)調(diào)整溶液循環(huán)過(guò)程中古爾膠與硫脲用量,增大溶液循環(huán)流速,使電積前后溶液中銅離子質(zhì)量濃度相差3.3 g/L,也可產(chǎn)出外觀形貌與質(zhì)量都達(dá)到指標(biāo)要求的陰極銅[2-4]。

        目前,工業(yè)上使用的鉛合金陽(yáng)極可在電解過(guò)程中形成氧化膜保護(hù)層,并在生產(chǎn)中有相對(duì)高的安全保障,但陽(yáng)極表面氧化層的腐蝕會(huì)使電積槽內(nèi)產(chǎn)生有害物質(zhì),并對(duì)陰極造成污染。此外,電解過(guò)程中鉛合金陽(yáng)極需要600 mV的附加電勢(shì)與氧結(jié)合在其表面形成氧化鉛層,這將消耗每個(gè)電解槽30%的電力[5]。為了解決電積銅帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題和能源消耗問(wèn)題,已開(kāi)發(fā)出更高性能的陽(yáng)極替代品[6-7],如涂層鈦陽(yáng)極。這種陽(yáng)極是在鈦電極表面涂覆一層貴金屬氧化物(如RuO2或IrO2),其優(yōu)點(diǎn)是能耗低(10%~17%),不僅能夠避免電積槽內(nèi)鉛的沉積和對(duì)陰極產(chǎn)物的污染,而且還不必加入硫酸鈷;但這種陽(yáng)極的主要缺點(diǎn)是使用壽命太短,材料成本太高,并且槽電壓高。涂貴金屬氧化物鈦網(wǎng)嵌入鉛合金中的陽(yáng)極雖已在電解行業(yè)得到成功應(yīng)用[8],但未見(jiàn)有相關(guān)報(bào)道。試驗(yàn)針對(duì)目前各種陽(yáng)極板存在的問(wèn)題,采用連續(xù)擠壓拉拔復(fù)合技術(shù)制備了一種新型柵欄型鋁基鉛合金復(fù)合材料陽(yáng)極板,實(shí)現(xiàn)了在400~500 A/m2高電流密度下電積銅,用于實(shí)際電解,取得了較好效果。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 陽(yáng)極材料制備

        通過(guò)TLJ340型擠壓包覆機(jī)將Pb-0.06%Ca-1.0%Sn合金擠壓包覆在鋁材表面,制成棒狀鋁基鉛合金材料,即Al基Pb-0.06%Ca-1.0%Sn復(fù)合材料。制備裝置如圖1所示,Pb-0.06%Ca-1.0%Sn合金由昆明理工恒達(dá)科技股份有限公司提供。

        圖1 鉛合金包覆鋁棒示意

        1.2 電解液組成及工藝條件

        電流密度(Dk)為200~500 A/m2,電解液下進(jìn)上出,進(jìn)液口流量2~3 L/min,溶液溫度保持在30~45 ℃,電解液中Cu2+質(zhì)量濃度50~55 g/L,硫酸質(zhì)量濃度160~200 g/L,添加300 g/tCu古爾膠、60 g/t Cu明膠、5~10 kg/tCu除鉛劑。中試電解槽總體積300 L。陰極材料316 L不銹鋼,陽(yáng)極材料柵欄型Al基Pb-0.06%Ca-1.0%Sn復(fù)合材料及Pb-0.06%Ca-1.0%Sn合金,表觀尺寸都是180 mm×160 mm,電解3個(gè)月。

        1.3 陰極銅產(chǎn)品金相與形貌分析

        用25 mL氨水+5 mL H2O2+25 mL蒸餾水作為腐蝕劑,腐蝕時(shí)間10~20 s,對(duì)電沉積銅試樣橫截面進(jìn)行金相腐蝕;對(duì)樣品進(jìn)行鑲樣處理后磨制拋光腐蝕,再在顯微鏡下觀察銅金相。用LWD300LCS型金相顯微鏡(上海測(cè)維光電技術(shù)有限公司)和Quanta200型掃描電子顯微鏡(荷蘭FEI公司)分別觀察陰極銅截面組織及形貌。用TP03-ICP01型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(貴研檢測(cè)科技有限公司)分析陰極銅中鉛含量。

        1.4 電化學(xué)測(cè)試

        將材料切割成1 cm×1 cm×1 cm大小的若干樣品,在樣品一端打孔用銅導(dǎo)線連接制成1 cm×1 cm析氧工作面的陽(yáng)極材料,其余部分用樹(shù)脂膠密封。采用輔助電極為鉑電極、參比電極為Hg/飽和K2SO4電極(MSE)和工作電極三電極體系。電化學(xué)測(cè)試液Cu2+質(zhì)量濃度45 g/L,硫酸質(zhì)量濃度180 g/L,(40±0.5)℃,恒電流密度40 mA/cm2,極化時(shí)間40 min。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 電流密度對(duì)陰極銅產(chǎn)量及電流效率的影響

        分別采用柵欄型Al基Pb-0.06%Ca-1.0%Sn復(fù)合材料(柵欄型)和Pb-0.06%Ca-1.0%Sn(傳統(tǒng)鉛合金)作陽(yáng)極,其他條件不變(體系中不含鐵離子)連續(xù)電積72 h,電流密度對(duì)陰極銅產(chǎn)量和電流效率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。

        圖2 電流密度對(duì)陰極銅產(chǎn)量的影響

        圖3 電流密度對(duì)陰極銅電流效率的影響

        由圖2看出:隨電流密度升高,兩種陽(yáng)極板所對(duì)應(yīng)的陰極銅產(chǎn)量都明顯提高;低電流密度下,兩種陽(yáng)極板的電積性能相差不大,而高電流密度下,柵欄型陽(yáng)極板表現(xiàn)出更優(yōu)異的導(dǎo)電性,銅產(chǎn)量提高15%左右。由圖3看出:采用柵欄型陽(yáng)極,電流效率隨電流密度升高而升高;而采用傳統(tǒng)鉛合金陽(yáng)極板,電流效率先升高后下降;在電流密度400 A/m2條件下,鋁基鉛合金陽(yáng)極的電流效率比傳統(tǒng)鉛合金陽(yáng)極的提高15%左右。這是由于柵欄型陽(yáng)極板的溶液流動(dòng)性更好,溶液傳質(zhì)更均勻,傳質(zhì)系數(shù)可增大近1倍;并且,傳統(tǒng)陽(yáng)極板為非穩(wěn)定尺寸、易變形,在高電流密度下易導(dǎo)致陰陽(yáng)極間距變化大,溶解鉛速度加快[9],在氧氣氣泡作用下,容易產(chǎn)生懸浮顆粒,使陰極銅表面易尖端放電而產(chǎn)生瘤子,降低電流效率。

        2.2 體系中鐵離子濃度對(duì)陰極銅電流效率的影響

        由于銅電積時(shí)的槽電壓比電解精煉時(shí)高很多,所以副反應(yīng)也相應(yīng)增加,其中鐵離子的氧化還原反應(yīng)是造成電流效率降低的重要因素。在含鐵電解液中,已沉積的陰極銅還可以按式(1)(2)反應(yīng)溶解:

        (1)

        (2)

        鐵離子或析出的氧氣都會(huì)降低電流效率。鐵離子在陽(yáng)極失去電子,在陰極又得到電子,隨循環(huán)液在陰陽(yáng)極之間往返,造成銅實(shí)際析出減少,降低了電流效率[2,10]。采用柵欄型陽(yáng)極和傳統(tǒng)鉛合金陽(yáng)極,在其他工藝參數(shù)(電流密度為400 A/m2)正常條件下連續(xù)電積72 h后,電解液中鐵離子濃度對(duì)陰極銅電流效率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

        圖4 電解液中鐵離子質(zhì)量濃度對(duì)陰極銅電流效率的影響

        由圖4看出:隨電解液中鐵離子質(zhì)量濃度增大,柵欄型陽(yáng)極板陰極銅沉積效率逐漸降低,當(dāng)電解液中鐵離子質(zhì)量濃度從0 g/L增至3 g/L時(shí),銅沉積效率降低4.32%;鐵離子質(zhì)量濃度從0 g/L增至7 g/L時(shí),銅沉積效率降低12.35%。為了提高陰極銅沉積電流效率,降低能耗,必須控制電解液中鐵離子質(zhì)量濃度,通常控制在3 g/L以下。此外,由圖4還可看出,當(dāng)鐵離子質(zhì)量濃度小于3 g/L時(shí),柵欄型陽(yáng)極對(duì)應(yīng)的陰極銅電流效率大于傳統(tǒng)鉛合金陽(yáng)極電流效率;相反,當(dāng)鐵離子質(zhì)量濃度大于3 g/L時(shí),傳統(tǒng)鉛合金陽(yáng)極對(duì)應(yīng)的陰極銅電流效率大于柵欄型陽(yáng)極電流效率。這是因?yàn)槭褂脰艡谛完?yáng)極板后溶液的流動(dòng)性增強(qiáng),離子傳遞速度加快,導(dǎo)致Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)在陰陽(yáng)極表面的氧化還原反應(yīng)頻率增加,進(jìn)而使陰極銅反溶,銅產(chǎn)量略有下降。

        2.3 電流密度對(duì)陰極銅沉積過(guò)程槽電壓的影響

        生產(chǎn)1 t陰極銅消耗的直流電能可用式(3)[11]計(jì)算:

        (3)

        式中,直流電能耗W直與槽電壓E槽成正比,與電流效率η成反比??梢?jiàn),降低E槽、提高η是降低W直的途徑。采用柵欄型陽(yáng)極和傳統(tǒng)鉛合金陽(yáng)極,在其他工藝條件(不含鐵離子)正常情況下連續(xù)電積過(guò)程中,電流密度對(duì)陰極銅沉積過(guò)程槽電壓的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在電流密度400 A/m2、恒電流條件下,極化時(shí)間對(duì)極化電位的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

        圖5 電流密度對(duì)陰極銅沉積過(guò)程槽電壓的影響

        由圖5看出:隨電流密度增大,銅沉積過(guò)程槽電壓升高;當(dāng)電流密度從200 A/m2升至300 A/m2,柵欄陽(yáng)極板的槽電壓增加6.6%,傳統(tǒng)陽(yáng)極板槽電壓增加5.7%;當(dāng)電流密度從200 A/m2增至400 A/m2,柵欄陽(yáng)極板的槽電壓增加10.77%,傳統(tǒng)陽(yáng)極板增加10.99%。此外,在相同電流密度條件下,柵欄陽(yáng)極板的槽電壓比傳統(tǒng)陽(yáng)極板的槽電壓低30~50 mV,說(shuō)明柵欄陽(yáng)極板的導(dǎo)電性優(yōu)于傳統(tǒng)陽(yáng)極板。

        圖6 極化時(shí)間對(duì)極化電位的影響

        由圖6看出,陽(yáng)極極化40 min后,陽(yáng)極電勢(shì)基本保持不變,柵欄型陽(yáng)極板的電勢(shì)比傳統(tǒng)板分別低約40 mV。此結(jié)果與圖5結(jié)果基本一致。

        2.4 陰極銅金屬相組織結(jié)構(gòu)的影響

        目前,主要通過(guò)加入添加劑、改變攪拌方式來(lái)改善陰極銅品質(zhì)。本質(zhì)上,優(yōu)化添加劑和提高溶液的流動(dòng)性可以改變金屬銅金相結(jié)構(gòu)從而改善陰極銅的性能。其中,添加劑和流動(dòng)性可獲得新的金屬相和組織,主要是細(xì)化晶粒,改變不同金屬相的分布。

        采用柵欄型陽(yáng)極板,在不同電流密度下得到的陰極銅的截面金相形貌如圖7所示??梢?jiàn),陰極銅的沉積以層狀結(jié)構(gòu)生長(zhǎng),其結(jié)晶組織較致密,結(jié)晶顆粒細(xì)小,層與層之間結(jié)合緊密,沒(méi)有縫隙;隨電流密度升高,陰極銅的結(jié)晶顆粒粗大。

        a,a′—200 A/m2;b,b′—300 A/m2;c,c′—400 A/m2。

        2.5 柵欄型陽(yáng)極板在高電流密度下的使用情況

        為了對(duì)比電解液中鐵離子對(duì)陰極銅沉積效率的影響,同時(shí)設(shè)計(jì)了2個(gè)中試電解系統(tǒng)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 2個(gè)中試電解系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果

        1#中試電解系統(tǒng)不含鐵離子,2#中試電解系統(tǒng)鐵離子質(zhì)量濃度為6~7 g/L。電流密度I=400 A/m2,剝銅周期3 d,沉積時(shí)間71 h。添加劑用量:第1周期,古爾膠300 g/tCu,明膠60 g/t Cu;第2周期,古爾膠300 g/tCu,明膠60 g/tCu,除鉛劑10 kg/tCu;第3周期,古爾膠300 g/tCu,明膠60 g/tCu,除鉛劑10 kg/tCu;第4周期:古爾膠300 g/tCu,明膠60 g/tCu,除鉛劑10 kg/tCu,Co2+0.3~0.5 g/L;第5周期:古爾膠300 g/tCu,明膠60 g/tCu,除鉛劑5 kg/t Cu,Co2+0.3~0.5 g/L。

        由表1看出:純硫酸銅溶液電積銅,電流效率可達(dá)99%;如果電解液中鐵離子質(zhì)量濃度達(dá)6 g/L以上,電流效率僅為93%左右,降低了6%;2#電解體系中鉛濃度高于1#電解系統(tǒng)。說(shuō)明電積銅過(guò)程中鐵離子在陰陽(yáng)極發(fā)生氧化還原反應(yīng),加速了陽(yáng)極腐蝕和陰極銅的反溶,這也是電流效率降低的原因所在。從陰極銅片中的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)看出,在高電流密度下電積銅,陽(yáng)極腐蝕加快,這符合常理,通過(guò)在電解液中添加除鉛劑或硫酸鈷,可以將陰極銅中的鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至5×10-6以下,達(dá)到A級(jí)銅的標(biāo)準(zhǔn)。

        在高電流密度下,通過(guò)增大電解液中銅離子濃度,加大電解液循環(huán)量和添加劑用量,可改善陰極銅的表面質(zhì)量和結(jié)晶組織。

        銅電積的首要任務(wù)是獲得純度高、外觀光滑致密的陰極銅,而銅在陰極的析出及結(jié)晶過(guò)程均與極化有關(guān),生產(chǎn)中通過(guò)改變陰極極化強(qiáng)度可以控制陰極銅物化性質(zhì),因此在電積過(guò)程中需要加入能夠改變陰極極化的表面活性物質(zhì)[12]。目前,生產(chǎn)中應(yīng)用的添加劑主要有膠類、硫脲及硫酸鈷等。電積過(guò)程中添加古爾膠可使析出的陰極沉積物細(xì)致光潔,能改善陰極表面的物理狀態(tài),作為陰極平滑劑可以減少一些雜質(zhì),如硫、鐵及鉛在陰極的夾帶。Co2+對(duì)陽(yáng)極析氧反應(yīng)具有良好的電催化作用,可以降低析氧過(guò)電位和陽(yáng)極電位,從而減小槽電壓,同時(shí)減緩鉛基陽(yáng)極腐蝕速度,既可保護(hù)陽(yáng)極又會(huì)降低陰極銅中鉛含量[4]。而且,加入除鉛劑后,陰極銅中鉛質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)3.0×10-6,符合A級(jí)銅標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。這說(shuō)明除鉛劑能極大降低溶液中鉛含量,從而減少懸浮顆粒的產(chǎn)生,提高陰極銅品質(zhì)。

        3 結(jié)論

        1)隨電流密度升高,柵欄型復(fù)合材料陽(yáng)極板和傳統(tǒng)鉛合金陽(yáng)極板的陰極銅產(chǎn)量均提高;在低電流密度下,2種陽(yáng)極板的性能相近,但在高電流密度下,柵欄型復(fù)合材料陽(yáng)極板表現(xiàn)出優(yōu)越的電流分布均勻性和導(dǎo)電性,比傳統(tǒng)鉛基合金陽(yáng)極板的銅產(chǎn)量提高15%左右。

        2)隨電解液中鐵離子質(zhì)量濃度增大,柵欄型復(fù)合材料陽(yáng)極板陰極銅的沉積效率逐漸降低,因此,須控制電解液中鐵離子質(zhì)量濃度在3 g/L以下。

        3)在高電流密度下,可通過(guò)提高電解液中銅離子的濃度、加大電解液的循環(huán)量和添加劑的用量,改善陰極銅的品級(jí)、表面質(zhì)量和結(jié)晶組織。

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