浅析影响电解铜质量的因素及解决方法

2020-12-25

世界有色金属 2020年19期

（巴彦淖尔西部铜材有限公司，内蒙古巴彦淖尔 015000）

1 电解基本原理

铜的火法精炼一般能产出含铜98%～99.8%的铜产品，不能满足现代工业对铜的要求。因此，几乎所有的火法冶炼的铜都需要经过电解精炼，除去火法精炼难于去除的杂质，得到电解铜。铜电解精炼工艺自1869年首次在工业上应用至今，其基本原理没有变化。目前主要工艺有始极片法（传统法）和永久性阴极法（永久性不锈钢阴极作为阴极片），本文主要分析传统法，传统法是指以火法精炼浇铸的阳极板作为阳极，用纯铜薄片作为阴极，以硫酸铜和硫酸的混合溶液作为电解液，在直流电的作用下，阳极上的铜和电位较负的金属溶解进入溶液，贵金属和某些不溶金属进入阳极泥沉于电解槽底。溶液中的铜在阴极上优先析出，其它电位较负的金属留于电解液中定期净化除去。阴极上析出的金属铜纯度很高（＞99.9935%），称为高纯阴极铜，也称之为电解铜。

2 铜电解主要控制技术及参数

（1）原料。要求原料必须符合标准，首先物理规格应满足每块阳极板的重量差不超过5%；上下厚度一致，下部不可厚于上部；板面有一定的平直度；板面平整致密，无气泡、蜂空、飞边、毛刺及其他附着物；耳部不得有冷隔层和折损。鼓肚、弯曲的阳极板易引起极间短路，影响电效。化学指标如表1所示（各单位根据实际情况稍有差异）。

表1 原料的化学指标

（2）电解液成分。铜电解液的组是由硫酸铜和硫酸的水溶液，如果说阳极、阴极是铜电解过程的两个支柱，电解液则是铜电解过程中铜离子迁移的载体。电解液的组成成分、阳极成分、电流密度与电解铜的质量有着密切的关系。通常电解液的组成成分如表2所示，H2S2O4不能无限地升高，硫酸升高时，硫酸铜的溶解度会降低，电解液中Cu2+浓度不得小于35g/L，否则杂质AS、Sb、Bi可能在阴极析出，Cu2+浓度升高时，电阻、槽电压、电能消耗都会升高，严重时会有硫酸铜析出。

表2 解液的组成成分

（3）电解液温度、循环。温度是影响电解液的一个重要因素，温度升高，电解液粘稠度下降，有利于阳极泥沉积。同时电解液的电阻下降，电耗降低。此外，铜离子的扩散能力加强，阴极附近的铜离子贫化几率降低。但温度过高，会使添加剂的分解加快，电解液的蒸发量加大，会造成作业环境恶化，能耗上升。所以电解液通常维持在60℃～65℃，这样既能保证阴极铜的质量，又可以节约电耗。为了克服浓差极化、传递热量、添加剂、维持体积平衡、杂质平衡，需要电解液循环。循环量的大小与阳极板的成分、电流密度、电解槽的容积有关，一般单槽电解液循环量18L/min～35L/min，循环方式有两种：上进下出和下进上出。平行流技术用于大电流密度，属于强化循环方式。我公司为了便于阳极泥沉降，采用上进下出，循环量维持在20L/min～22L/min。

（4）添加剂。为了获得纯度高，表面光滑的电解铜，在电解精炼中要加入各种表面活性物质作为添加剂[1]。常用的添加剂有明胶、硫脲、干酪素、盐酸等。明胶能促使阴极铜结晶细致、表面光滑，对表面结粒有较强的抑制效果。硫脲有利于阴极铜结晶变细，板面致密，起到细化结晶的作用。盐酸作为添加剂，可使溶液中量很少的AgCl沉淀进入阳极泥，减少贵金属的损失，降低阳极钝化程度。

（5）电流密度、同极距。电流密度[2]是影响铜电解生产的重要技术经济指标之一。影响阴极铜沉积物结垢和性质的重要因素，若电流密度低，产生的细粒、粘附的阴极沉积物，不利于晶核的形成。当电流密度一定时，铜电解液电压受硫酸浓度和硫酸铜及其杂质浓度影响，硫酸浓度下降或铜离子浓度上升，会导致电阻增大，电压升高；当电解液成分不变是，电解液电压由电流密度决定，电流密度高，电解液电压增大，增加电耗，我公司一般控制在250A/m2。同极距是指槽内相邻阴极或阳极中心之间的距离，适当的缩短极距可减少电解液的电压降，降低电耗，此外能增加槽内的阴阳极片数，提高设备生产率，与此同时电极短路的危险性增加，我公司一般设定在90mm。

3 影响电解铜质量的因素

3.1 不合格电铜的形式

A、板面粒子；B、下沿肥边；C、异形、刀口铜；D、上沿粒子；E、上沿白边；F、下沿发绿；G、烧板、薄板。

图1 板面粒子

图2 下沿肥边

图3 异形、刀口铜

图4 板面发白

3.2 不合格电铜产生的原因及解决措施

（1）板面粒子。板面局部粒子：主要原因是阴阳极极距不均，导致阳极板大面鼓包、小面毛刺、弯曲，针对这种情况，应从阳极板挑选，阳极板置于槽头、槽尾；阳极板在电解槽内不垂直，阳极板在双极照缸时校正，保持垂直；对于始极片局部弯曲、不垂直，应在机组、出装槽在入槽使用前平整；针对始极片薄，因加工应力而不垂直，应通过电调平板，保持垂直，同时种板检查钛板以及接触点；电调在处理短路过程中附近电铜极距变动，因此每次处理短路后应检查附近3块阴阳极板；电调用探棍检查时碰触到阳极，为防止搅起槽底沉降的阳极泥，探棍检查应紧贴电铜表面。

板面大部分有粒子：首先考虑阳极板钝化，槽电压升高，应及时采取单槽断电、敲打阳极板、电解液静置沉降、吊出阳极板冲洗；其次考虑原料阳极板含氧量高，保持高位槽液位有溢流，分液缸排气，这样可以有效解决含氧量高带来的影响；此外还有可能是溢流口挡液板破损、循环量低，电解槽内铜离子贫化、接触点导电性不好，通电瞬间被电击、添加剂失效或用量不当等原因造成板面大部分有粒子。板面下部粒子：应考虑始极片弓板、弯曲，出装槽要严格按规定校正每一片始极片。此外可能是电解液比重大，阳极泥不易沉降，细小颗粒悬挂在始极片，造成“小面积”短路，导致产生粒子，同时伴有电解铜含银量升高，这时应实时是监控电解液中各成分的含量，及时净化电解液除杂、除胶的分解物。

（2）异形、刀口铜。它的特点是电铜边缘不齐整、电铜左右一边薄、一边厚，出现这种现象有以下几种可能：钛板部分表面有氧化层或油污，铜皮韧性不好，压纹加工后开裂，双极照缸、调片不到位、出现偏板，电调处理短路后未恢复到原位，对照实际情况可采取更换、打磨钛板，调整添加剂量，提高调片和照缸的工作质量，处理短路后检查左右对正情况，机组也要注意在铆耳时片歪斜，存在高低耳一定要及时扶正。在阴阳极板近（相对于这个板面）的地方，由于电解液的电阻小，电流就高。因此，这块地方金属沉积就特别快，很容易出现均匀密布的粒子，这也是形成刀口铜的原因。

（3）上沿白边、下沿发绿。产出的电解铜上沿有开花粒子或白边，造成这种现象的原因通常是由于电解液液位低导致的，部分硫酸铜结晶吸附在上沿，失去水之后变成白色粉末。处理这种问题就得加强槽面作业管理，按时提液到位，或者出铜前用高压水枪冲洗即可解决。还有一种情况是电解铜下沿发绿，这是由于电铜下沿有硫酸铜水印，遇潮发绿，通常是因为烫洗水未及时更换，烫洗水含酸高，烫洗时间、烫洗水温度不够造成的，及时更换烫洗水，延长烫洗时间，升高烫洗温度即可得到解决。