关于电积沉铜过程中如何提高阴极铜质量研究

孙雪影　马永顺

一、电积沉铜工艺简介

氧化铜精矿通过硫酸浸出后，得到的CuSO4浸出液经过洗涤净化、萃取提纯和反萃等操作，得到洁净的含Cu2+在40-50g/L的CuSO4料液。将合格的CuSO4料液通入电解槽内，阳极采用Pb-Sn合金板或Pb-Sn-Ca合金板，阴极采用不锈钢或纯铜始极片，向电解槽内通入2V左右的直流电流，CuSO4料液中的铜离子就会在阴极还原成为金属铜，阳极在电解时不发生化学反应。经过一段时间的通电生产就会在阴极得到产品阴极铜（电积铜）。对阴极铜，除了要求化学品位符合标准外，还要求有好的物理规格，即要求结晶均匀致密，表面光洁。因为结晶粗糙的表面，会使许多杂质机械地夹杂在金属中，影响它的质量，而且表面容易被氧化。

电积沉铜过程的实质是一个动态平衡，在这个平衡体系中，任何一道工序的失调都将打破这个平衡体系的平衡，最终影响阴极铜的质量。因此，想提高阴极铜质量就要从影响阴极铜质量的因素入手，本论文重在研究影响阴极铜质量的因素，从而来提高阴极铜的质量。

二、影响阴极铜质量的因素

1.电流密度的影响

电流密度的表达式为：Dk=I/S，我们常说的电流密度，一般指阴极电流密度，即单位阴极面积所流经的电流安培数。

电积沉铜的实质为一个电结晶过程，电结晶过程可分为两步，第一步是晶核的形成；第二步是晶核的长大。这两个过程的速度决定着阴极铜结晶的粗细程度。如果晶核的生成速度较快，而晶核生成后的成长速度较慢，则生成的晶核数目较多，晶粒较细。反之晶粒就较粗。也就是说在电积沉铜过程中，当晶核的生成速度大于晶核的成长速度时，就能获得结晶细致，排列紧密的阴极铜。电流密度的大小就影响着电结晶的两个过程。

电流密度较低的条件下，已形成的晶核可以不断均匀长大，而新的结晶核则不易形成。所以，在低电流密度下易得到粗晶粒结晶。虽然结晶均匀，但却不致密，阴极铜较软。电流密度较高的条件下，已形成的结晶核长大的速度就逐渐减慢而停止，促使形成新的结晶核，所以，高电流密度下，由于结晶核形成的速度较快，而易得到细晶粒的结晶。但过高的电流密度，将造成阴极附近电积液中Cu2+极度贫化。这时虽有利于形成结晶核，但却无充足的Cu2+来使结晶核长大。所以结晶虽然细小，但不致密，反而得到松软的沉积物。同时，Cu2+的极度贫化，还将造成杂质在阴极析出，进一步恶化阴极铜的构造，甚至得到海绵状结晶。

因此，合适的电流密度对阴极铜的质量影响非常大，河南某冶炼厂通过长期生产实践证明，电积沉铜过程中电流密度控制在180～240A/m2可得到较高质量的阴极铜。

2.电积液的流通（循环量）

电积液的循环流通，可以使阴极附近的铜离子浓度均匀分布，消除阴阳极间的浓差极化现象，同时可以使电积液的温度均匀，不至于产生分层现象。如果不进行循环流通，由于存在浓差极化现象，电积液就会分层，造成在电结晶过程中阴极沉积物结晶上下不均匀。实际生产中为提高生产率，在高电流密度下，只有采用大的循环速度，才有利于获得细晶粒的结晶。在一般电流密度下，电积液循环也应维持足够的速度方能得到结晶致密的阴极铜。在低电流密度下，循环量可稍低。

河南某冶炼厂生产过程中CuSO4料液的循环量一般控制在40-70L/min，可得到较高质量的阴极铜。

3.电积液温度的影响

电积液温度直接影响着电积液的导电率和Cu2+在溶液中的扩散速率。提高电积液温度，能提高电积液的导电率，加速铜离子的扩散，使阴极附近的Cu2+不发生贫化。高温下易得到粗晶粒结晶，其沉积物较松软。反之，则得到细晶粒的结晶。但温度过低，就使电积液电阻增大。

某厂生产实践证明，一般控制电积液温度在38-42℃，可得到较高质量的阴极铜。

4.电积液的酸度和铜离子的浓度

电积液中含游离H+的浓度即酸度，酸度是影响电结晶的极重要因素。生产实践证明当CuSO4料液中含酸低于160 g/L时，会使电积液电阻增大，槽电压升高，不利于获得细致结晶；但含酸过高，却会使CuSO4结晶析出，也会造成槽电压升高，也不利于获得细致结晶。Cu2+的浓度，在电积液含铜低的情况下，易在阴极区产生贫化现象，有利于获得细小结晶，但Cu2+浓度过低，却又会使阴极区Cu2+过度贫化，尤其是在高电流密度下更为显著，反而得不到致密的结晶。

河南某冶炼厂长期生产实践证明电积液中含酸量控制在 160～200 g/L，含Cu2+量控制在35-45g/L时可得到较高质量的阴极铜。

5.添加剂的影响（指阴极添加剂）

在铜电积生产中，除了阴、阳极板的质量和电解液成分之外，添加剂的种类、加入量以及加入方式等都是比较关键的问题。添加剂的配合使用在很大程度上直接影响着阴极铜的质量。目前，国内外常用的添加剂有：瓜尔胶、硫脲、盐酸等。理论与实践均已证明，为了使阴极铜表面光滑、平整、避免长粒子，减少短路和电积液机械粘附在阴极上的可能性，除了严格控制各工序技术条件外，还应添加适量的胶状物质和表面活性物质，以改善阴极表面质量。

河南某冶炼厂长期生产实践证明：瓜尔胶作为阴极平滑剂，可以减少一些杂质，如硫、铁及铅在阴极的夹带等，加入量一般在100～120g/t.Cu，硫脲具有去极化作用，电积液中硫脲的浓度为5mg/L 时，可得到较高质量的阴极铜。

6.电积液中的杂质含量

电积液中除H2SO4、CuSO4和少量添加剂外其余成分均为杂质成分。电积液中的杂质直接影响电流效率和阴极铜纯度质量。因此，电积液中杂质含量越低越好。

河南某冶炼厂生产实践证明，电积液中主要杂质：Fe<3.0g/L，Pb<0.8g/L，Bi<0.5g/L，Sb<0.3g/L，SiO2<0.5g/L时，可得到较高质量的阴极铜。

三、结论

实际生产过程中想提高电积沉铜过程中阴极铜质量，就要从电积过程中控制的电流密度、电积液的流通（循环量）、电积液温度、电积液的酸度和铜离子的浓度、添加剂加入量（指阴极添加剂）和电积液中的杂质含量等因素入手。

由理论和生产实践可知：

（1）电流密度控制在180～240A/m2；

（2）CuSO4料液的循环量一般控制在40-70L/min；

（3）电积液温度在38-42℃；

（4）含酸量控制在 160～200 g/L，含Cu2+量控制在35-45g/L；

（5）瓜尔胶加入量一般在100～120g/t.Cu，硫脲的浓度为5mg/L ；6、主要杂质含量：Fe<3.0g/L，Pb<0.8g/L，Bi<0.5g/L，Sb<0.3g/L，SiO2<0.5g/L时，可得到高质量的阴极铜质量。