張鵬飛

（北方銅業(yè)垣曲冶煉廠，山西 運(yùn)城 043700）

當(dāng)電解精煉的過(guò)程中，絕大部分的情況下陰極銅表面較為平滑，不會(huì)出現(xiàn)凹凸不平的現(xiàn)象，但是假如沒(méi)有對(duì)其采取合理的手段進(jìn)行控制，那么就會(huì)導(dǎo)致表面過(guò)多要素沉積，促使銅質(zhì)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(huì)存在一定差異，從而降低陰極銅表面質(zhì)量。這時(shí)需探討電流密度計(jì)離子濃度對(duì)陰極銅表面質(zhì)量的影響。

1 銅電解精煉概述

自上世紀(jì)八十年代就已經(jīng)出現(xiàn)了銅電解精煉技術(shù)，而這一技術(shù)也延續(xù)至今，即使當(dāng)下電解技術(shù)和電解工藝基礎(chǔ)原理沒(méi)有產(chǎn)生改變，但是其生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)流程和生產(chǎn)裝備都獲得了飛速發(fā)展，促使銅電解精煉技術(shù)不斷朝著強(qiáng)化，高質(zhì)量，節(jié)能方向前進(jìn)。現(xiàn)階段銅電解精煉技術(shù)主要分為傳統(tǒng)電極片電解技術(shù)和強(qiáng)化電解平行流技術(shù)，傳統(tǒng)始極片電解技術(shù)在實(shí)際電流密度為220A/m2~280A/m2，而強(qiáng)化電解平行流技術(shù)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(yè)內(nèi)部一期二十萬(wàn)噸銅冶煉工程屬于我國(guó)初期引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)，與該技術(shù)相匹配的電解設(shè)計(jì)電流密度為280A/m2，其中包括七百個(gè)電解槽，具有國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)，這種銅電解精煉技術(shù)可以在一定程度上提升加工效率，使銅冶煉總量達(dá)到45萬(wàn)噸以上，進(jìn)而為產(chǎn)能的提升起到了輔助作用。對(duì)于強(qiáng)化電解平行流技術(shù)的使用使銅冶煉產(chǎn)能進(jìn)一步提升，還能提升生產(chǎn)穩(wěn)定性。

2 其他因素對(duì)銅表面的影響

分析電解液溫度，電流密度，銅離子濃度對(duì)于陰極銅表面的影響。

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

（1）實(shí)驗(yàn)條件：實(shí)驗(yàn)中陽(yáng)極屬于A公司生產(chǎn)的紫銅，實(shí)際使用尺寸為40*40*8mm，而陰極則選擇市售銅板（其質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(shí)際電流密度Wie200A/m2。通電8小時(shí)，銅離子濃度為當(dāng)40g/L，使用30mg/L透明膠，硫脲30mg/L。該實(shí)驗(yàn)中電解液可以分為硫酸氫根離子和硫酸銅。在電解過(guò)程中應(yīng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備：本次試驗(yàn)所使用的設(shè)備包括GSYII6型點(diǎn)恒溫水浴設(shè)備，BT224S電子分析天平，XJL-02立式金相顯微鏡，WYJ-15穩(wěn)壓器。使用稀硫酸將其浸泡半小時(shí)，最后對(duì)其進(jìn)行蒸餾水清洗待用。借助平行試驗(yàn)方式對(duì)其中一些影響因素進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)合影響因素之間存在的差異，可以將多個(gè)電解槽放置在恒溫水浴內(nèi)，僅僅改變其中一種因素對(duì)其實(shí)施電解，因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短，因此這時(shí)可以不考慮其他添加劑的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電解溫度對(duì)陰極銅表面產(chǎn)生的影響：電解液溫度作為電解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的主要因素，為了了解不同溫度下對(duì)電解產(chǎn)生的影響，需要在30,40,50,60℃下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并觀察其他條件相同的情況下溫度變化對(duì)其造成的影響。將實(shí)驗(yàn)內(nèi)部所產(chǎn)生的物質(zhì)使用顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察，便于觀察陰極銅的外形，晶粒大小和生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)溫度實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)前在溫度較低的情況下可以獲得表面質(zhì)量較高的陰極銅，同時(shí)在實(shí)際電解過(guò)程中溫度較低的情況下槽內(nèi)電壓較高，溶液粘度較高，降低了導(dǎo)電性，使陽(yáng)極泥沉淀作用力降低。大部分懸浮物附著在陰極上，對(duì)陰極銅的純度產(chǎn)生了不良影響。因?yàn)闇囟容^低，會(huì)縮小銅離子的溶解度，使陽(yáng)極上析出晶體，因此在實(shí)驗(yàn)電解的過(guò)程中需要實(shí)驗(yàn)人員將電解溫度保持在較高的狀態(tài)下。不但能夠保證離子運(yùn)動(dòng)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(jié)晶密度，進(jìn)一步降低了陽(yáng)極泥在陰極銅上的附著，使電解液溶解度持續(xù)提升，減輕了陽(yáng)極鈍化效果，能夠?yàn)殛?yáng)極泥脫離，沉淀和凝聚做出保證。其次，電解溫度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)，若電解溫度超標(biāo)那么也會(huì)造成影響，增加耗能，影響陰極銅質(zhì)量，使陰極銅表面質(zhì)量降低，當(dāng)前電解溫度需要保持在50℃。

在電解實(shí)驗(yàn)中，溫度處于30℃的情況下，晶粒相對(duì)較小，這時(shí)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(shì)，在溫度處于50℃的情況下，晶粒密度比較細(xì)，具有明顯的擇優(yōu)趨勢(shì)，所以在實(shí)施銅電解的過(guò)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(tài)。

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(jìn)行電流密度對(duì)電解過(guò)程影響因素分析，需要在不同的電流密度下進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)采取四種電流密度，主要分為150A/m2，200A/m2，250A/m2，300A/m2。試驗(yàn)結(jié)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(dāng)電流密度處于第二種情況下，陰極銅表面晶粒較為平整，當(dāng)陰極銅處于第三種情況下，晶粒明顯縮小，而當(dāng)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(shí)可以對(duì)其進(jìn)行合理選擇。由此可見(jiàn)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(guò)低的電流密度會(huì)影響生產(chǎn)，進(jìn)一步增加電解槽數(shù)量。因此在實(shí)際電解過(guò)程中應(yīng)該在保證陰極銅質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升電流密度。在電流密度提升的同時(shí)應(yīng)注意控制以下幾點(diǎn)內(nèi)容。在電流密度不斷加大的情況下需要避免短路現(xiàn)象的產(chǎn)生，還可能導(dǎo)致電流效率降低。而陰極銅在電流密度下降的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致其質(zhì)量降低，在電流密度極高的情況下還會(huì)出現(xiàn)一些堆積物。因此在實(shí)際電解精煉的過(guò)程中應(yīng)選擇200A/m2比較適宜。

在五組不同銅離子濃度下進(jìn)行陰極銅表面實(shí)驗(yàn)，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(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，銅離子濃度在第一種情況下的時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)候，表面比較粗糙，在銅離子處于第五種情況下的時(shí)候，陰極銅晶粒較大。因此由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證實(shí)，當(dāng)前隨著銅離子濃度的提升，陰極銅表面也越來(lái)越粗糙，晶粒越來(lái)越大，因此應(yīng)將銅離子濃度保持在35g/L~40g/L內(nèi)。

3 強(qiáng)化電解平行流技術(shù)下的銅電解精煉

3.1 平行流技術(shù)概述

平行流技術(shù)可以提升電流密度，進(jìn)而增強(qiáng)帶銅電解產(chǎn)能。但是電流密度在提升的過(guò)程中會(huì)促使陽(yáng)極區(qū)電解液不斷擴(kuò)散，陰極區(qū)電解液銅離子貧化，進(jìn)而影響電解的實(shí)施。平行流技術(shù)其實(shí)際原理就是通過(guò)對(duì)電解液的運(yùn)動(dòng)方式，進(jìn)而有效接近高電力面密度電解過(guò)程中出現(xiàn)的濃度差極化。結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行分析，主要是通過(guò)特殊裝置使電解液在陰極板的兩面以標(biāo)準(zhǔn)速度進(jìn)入電解槽內(nèi)，這時(shí)電解液會(huì)逐漸流動(dòng)，還會(huì)在陰陽(yáng)兩極之間出現(xiàn)自然的對(duì)流。處于陰極地區(qū)的電解液會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，而處于陽(yáng)極周?chē)碾娊庖簞t會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，這時(shí)電解液的運(yùn)動(dòng)模式類(lèi)似環(huán)形[2]。陰極周?chē)娊庖旱倪\(yùn)動(dòng)能夠在一定程度上降低陰極周?chē)霈F(xiàn)的差極化，而陽(yáng)極周?chē)娊庖旱倪\(yùn)動(dòng)也將陽(yáng)極周?chē)牟顦O化不斷縮小，能夠加速沉降。電解液經(jīng)過(guò)的特殊裝置就屬于平行流裝置，電解液在持續(xù)高速運(yùn)行的過(guò)撐中可以?xún)?yōu)化電解槽內(nèi)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(xiàn)象。

3.2 平行流技術(shù)工藝特征

循環(huán)槽內(nèi)的電解液可以借助電解液循環(huán)泵和換熱器將加熱或冷卻至標(biāo)準(zhǔn)溫度后送至電解槽內(nèi)，這時(shí)電解液還可以通過(guò)溢流送回指電解循環(huán)槽內(nèi)在，構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)。在平行流技術(shù)使用的過(guò)程中其內(nèi)部包括凈化系統(tǒng)在，閥門(mén)，管道和流量計(jì)等工具。在雙極作業(yè)的過(guò)程中，上清液通過(guò)壓濾泵輸送至過(guò)濾系統(tǒng)，之后返回電解液循環(huán)槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的循環(huán)作業(yè)[3]。

平行流技術(shù)主要使用大容量循環(huán)槽，多個(gè)電解槽使用相同的電解液，實(shí)際循環(huán)槽尺寸為20*12*3mm，實(shí)際容積可以達(dá)到720m3，大容量循環(huán)槽可以為電解液成分及其添加劑的均勻性奠定基礎(chǔ)。使用變頻泵朝電解槽進(jìn)行液體供給，打破傳統(tǒng)高位槽的限制，借助變頻泵液體供給方式滿(mǎn)足出口所需壓力。使用多套PFD裝置，和傳統(tǒng)液體傳輸管道不同，PFD裝置處于電解槽內(nèi)壁，可以依靠其較為特殊的結(jié)構(gòu)符合高電流密度生產(chǎn)需求平行流技術(shù)在使用的過(guò)程中其陽(yáng)極周期較短，在相同陽(yáng)極單重的基礎(chǔ)上，可以使用平行流技術(shù)的時(shí)候其陽(yáng)極周期會(huì)比基礎(chǔ)技術(shù)下陽(yáng)極周期短30%，這也表示陽(yáng)極消耗相對(duì)較快，這時(shí)陰極銅的產(chǎn)量相對(duì)較高。平行流技術(shù)下蒸汽消耗量較低，與常規(guī)技術(shù)相比，使用平行流技術(shù)可以減少近80%。電解液循環(huán)量較高，基礎(chǔ)銅在電解的過(guò)程中其電解液循環(huán)量處于單槽25l/min~35 l/min，而在使用平行流技術(shù)后其單槽實(shí)際循環(huán)量則可以達(dá)到75l/min~95 l/min。

3.3 生產(chǎn)實(shí)踐

平行流技術(shù)在A企業(yè)得到了大規(guī)模使用，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中電流密度處于385A/m2，逐漸提升至420A/m2，為企業(yè)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。該企業(yè)內(nèi)部當(dāng)前生產(chǎn)的陰極銅表面光滑，質(zhì)量較好，符合高純度陰極銅標(biāo)準(zhǔn)[4]。

在生產(chǎn)實(shí)踐的過(guò)程中需要進(jìn)行合理的參數(shù)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(guò)程中需要使其與常規(guī)電解相同，但是在實(shí)際操作的過(guò)程中會(huì)因?yàn)殡娏髁髁枯^大增加電流的熱能轉(zhuǎn)化。電流密度在達(dá)到385A/m2的時(shí)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(shí)候，不但不需要進(jìn)行蒸汽加熱，還需要冷卻電解液。電解液電流控制的過(guò)程中，高電流密度生產(chǎn)應(yīng)具有一定的電力密度并與其相匹配，這時(shí)實(shí)際流量較低，導(dǎo)致陰極銅底部較為稀疏，降低其質(zhì)量，還會(huì)出現(xiàn)一些陽(yáng)極泥粒子。電解液內(nèi)部銅和酸的控制對(duì)于高電流密度生產(chǎn)有著非常重要的意義，為了降低陰極區(qū)域內(nèi)部出現(xiàn)離子貧化的現(xiàn)象，減少陰極銅雜質(zhì)析出，就需要提升電解液內(nèi)部的含銅量。但是若沒(méi)有合理控制含量就會(huì)產(chǎn)生陽(yáng)極鈍化的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響陰極銅質(zhì)量，所以相關(guān)人員應(yīng)控制電解液內(nèi)酸和銅的含量，降低陽(yáng)極鈍化。對(duì)于添加劑的控制應(yīng)采取平行流技術(shù)，當(dāng)前大部分高電流密度生產(chǎn)的過(guò)程中對(duì)于添加劑的使用較少。但是陰極銅析出質(zhì)量對(duì)于添加劑較為敏感，這也表示在使用添加劑的時(shí)候可以擴(kuò)大其使用范圍。此外，在使用平行流技術(shù)進(jìn)行高帶哪里密度運(yùn)行的時(shí)候會(huì)因?yàn)橄到y(tǒng)第一次裝槽，進(jìn)而更容易控制銅質(zhì)量[5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)下在實(shí)施銅電解精煉的過(guò)程中，平行流技術(shù)具有一定的先進(jìn)性和高效性，這一技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)就在銅電解精煉中獲得了一定的成功，為我國(guó)銅電解精煉的發(fā)展起到了促進(jìn)作用，代表我國(guó)銅電解精煉工藝技術(shù)邁進(jìn)了新時(shí)代。高電流密度對(duì)于生產(chǎn)人員，生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)能原料要求較高，因此這時(shí)需要相關(guān)人員自身技術(shù)能力符合要求，進(jìn)而為高電流密度穩(wěn)定運(yùn)行做出保證，產(chǎn)出質(zhì)量較高的純陰極銅。日后銅電解精煉過(guò)程中需要以高電流密度為基礎(chǔ)，合理處理低品質(zhì)陽(yáng)極板，朝著更加節(jié)能環(huán)保的方向邁進(jìn)。