铜电解精炼工艺分析

张鹏飞

（北方铜业垣曲冶炼厂，山西 运城 043700）

当电解精炼的过程中，绝大部分的情况下阴极铜表面较为平滑，不会出现凹凸不平的现象，但是假如没有对其采取合理的手段进行控制，那么就会导致表面过多要素沉积，促使铜质地松软，极易受到外界空气影响。除去一些具有添加剂因素，假如铜表面电流密度不够平均，那么一些不合适的电解温度和铜离子浓度分布也会存在一定差异，从而降低阴极铜表面质量。这时需探讨电流密度计离子浓度对阴极铜表面质量的影响。

1 铜电解精炼概述

自上世纪八十年代就已经出现了铜电解精炼技术，而这一技术也延续至今，即使当下电解技术和电解工艺基础原理没有产生改变，但是其生产技术，生产流程和生产装备都获得了飞速发展，促使铜电解精炼技术不断朝着强化，高质量，节能方向前进。现阶段铜电解精炼技术主要分为传统电极片电解技术和强化电解平行流技术，传统始极片电解技术在实际电流密度为220A/m2~280A/m2，而强化电解平行流技术其电流密度为280A/m2~330A/m2，使用的是不锈钢永久阴极电解工艺。某铜电解精炼企业内部一期二十万吨铜冶炼工程属于我国初期引进的先进技术，与该技术相匹配的电解设计电流密度为280A/m2，其中包括七百个电解槽，具有国际领先水准，这种铜电解精炼技术可以在一定程度上提升加工效率，使铜冶炼总量达到45万吨以上，进而为产能的提升起到了辅助作用。对于强化电解平行流技术的使用使铜冶炼产能进一步提升，还能提升生产稳定性。

2 其他因素对铜表面的影响

分析电解液温度，电流密度，铜离子浓度对于阴极铜表面的影响。

2.1 实验过程

（1）实验条件：实验中阳极属于A公司生产的紫铜，实际使用尺寸为40*40*8mm，而阴极则选择市售铜板（其质量分数为99.9%，厚度为0.3mm），表面尺寸为60*60mm，可以在50℃温度下电解，实际电流密度Wie200A/m2。通电8小时，铜离子浓度为当40g/L，使用30mg/L透明胶，硫脲30mg/L。该实验中电解液可以分为硫酸氢根离子和硫酸铜。在电解过程中应禁止搅拌，阴极铜在沸腾蒸馏水中清洗三次后即可将其取出晾干。

（2）实验设备：本次试验所使用的设备包括GSYII6型点恒温水浴设备，BT224S电子分析天平，XJL-02立式金相显微镜，WYJ-15稳压器。使用稀硫酸将其浸泡半小时，最后对其进行蒸馏水清洗待用。借助平行试验方式对其中一些影响因素进行对比试验，结合影响因素之间存在的差异，可以将多个电解槽放置在恒温水浴内，仅仅改变其中一种因素对其实施电解，因为本次实验时间相对较短，因此这时可以不考虑其他添加剂的影响。

2.2 实验结果

电解温度对阴极铜表面产生的影响：电解液温度作为电解实验过程中的主要因素，为了了解不同温度下对电解产生的影响，需要在30,40,50,60℃下进行实验，并观察其他条件相同的情况下温度变化对其造成的影响。将实验内部所产生的物质使用显微镜对其进行观察，便于观察阴极铜的外形，晶粒大小和生长优势。经过温度实验表明，当前在温度较低的情况下可以获得表面质量较高的阴极铜，同时在实际电解过程中温度较低的情况下槽内电压较高，溶液粘度较高，降低了导电性，使阳极泥沉淀作用力降低。大部分悬浮物附着在阴极上，对阴极铜的纯度产生了不良影响。因为温度较低，会缩小铜离子的溶解度，使阳极上析出晶体，因此在实验电解的过程中需要实验人员将电解温度保持在较高的状态下。不但能够保证离子运动匀速，还可以保持电解溶液均匀，避免阴极铜离子贫化，增加结晶密度，进一步降低了阳极泥在阴极铜上的附着，使电解液溶解度持续提升，减轻了阳极钝化效果，能够为阳极泥脱离，沉淀和凝聚做出保证。其次，电解温度应符合标准，若电解温度超标那么也会造成影响，增加耗能，影响阴极铜质量，使阴极铜表面质量降低，当前电解温度需要保持在50℃。

在电解实验中，温度处于30℃的情况下，晶粒相对较小，这时阴极铜表面极为粗糙，在温度处于40℃的情况下，晶粒大小与30℃下相比有了明显缩小趋势，在温度处于50℃的情况下，晶粒密度比较细，具有明显的择优趋势，所以在实施铜电解的过程中需要使电解液温度保持在50℃下，获得较好的阴极铜表面状态。

2.3 阴极铜受到电流密度和铜离子浓度的影响

为了更好的进行电流密度对电解过程影响因素分析，需要在不同的电流密度下进行试验。本次试验采取四种电流密度，主要分为150A/m2，200A/m2，250A/m2，300A/m2。试验结果表示，在电流密度处于第一种情况下，阴极铜表面晶粒明显增大，且阴极铜表面较为粗糙，当电流密度处于第二种情况下，阴极铜表面晶粒较为平整，当阴极铜处于第三种情况下，晶粒明显缩小，而当电流密度处于第四种情况下，阴极铜表面晶粒增大，因此这时可以对其进行合理选择。由此可见在电流密度较低的情况下，阴极铜表面较为平整，但是采取过低的电流密度会影响生产，进一步增加电解槽数量。因此在实际电解过程中应该在保证阴极铜质量的基础上进一步提升电流密度。在电流密度提升的同时应注意控制以下几点内容。在电流密度不断加大的情况下需要避免短路现象的产生，还可能导致电流效率降低。而阴极铜在电流密度下降的同时也会导致其质量降低，在电流密度极高的情况下还会出现一些堆积物。因此在实际电解精炼的过程中应选择200A/m2比较适宜。

在五组不同铜离子浓度下进行阴极铜表面实验，其中铜离子浓度分为30，35，40，45，50g/L。在其他条件一致的情况下对其进行实验，铜离子浓度在第一种情况下的时候，在阴极铜晶粒紧密，表面光滑[1]。在铜离子浓度处于第二种情况下的时候，阴极铜晶粒致密，外部平整，在铜离子浓度处于第三种情况下的时候，阴极铜外部晶粒较小，在铜离子浓度处于第四种情况下的时候，表面比较粗糙，在铜离子处于第五种情况下的时候，阴极铜晶粒较大。因此由上述实验结果可以证实，当前随着铜离子浓度的提升，阴极铜表面也越来越粗糙，晶粒越来越大，因此应将铜离子浓度保持在35g/L~40g/L内。

3 强化电解平行流技术下的铜电解精炼

3.1 平行流技术概述

平行流技术可以提升电流密度，进而增强带铜电解产能。但是电流密度在提升的过程中会促使阳极区电解液不断扩散，阴极区电解液铜离子贫化，进而影响电解的实施。平行流技术其实际原理就是通过对电解液的运动方式，进而有效接近高电力面密度电解过程中出现的浓度差极化。结合实际情况进行分析，主要是通过特殊装置使电解液在阴极板的两面以标准速度进入电解槽内，这时电解液会逐渐流动，还会在阴阳两极之间出现自然的对流。处于阴极地区的电解液会向上运动，而处于阳极周围的电解液则会向下运动，这时电解液的运动模式类似环形[2]。阴极周围电解液的运动能够在一定程度上降低阴极周围出现的差极化，而阳极周围电解液的运动也将阳极周围的差极化不断缩小，能够加速沉降。电解液经过的特殊装置就属于平行流装置，电解液在持续高速运行的过撑中可以优化电解槽内的温度，使其更为均匀，有效避免了高电流密度下电解浓度差极化的现象。

3.2 平行流技术工艺特征

循环槽内的电解液可以借助电解液循环泵和换热器将加热或冷却至标准温度后送至电解槽内，这时电解液还可以通过溢流送回指电解循环槽内在，构成循环系统。在平行流技术使用的过程中其内部包括净化系统在，阀门，管道和流量计等工具。在双极作业的过程中，上清液通过压滤泵输送至过滤系统，之后返回电解液循环槽内实现有效的循环作业[3]。

平行流技术主要使用大容量循环槽，多个电解槽使用相同的电解液，实际循环槽尺寸为20*12*3mm，实际容积可以达到720m3，大容量循环槽可以为电解液成分及其添加剂的均匀性奠定基础。使用变频泵朝电解槽进行液体供给，打破传统高位槽的限制，借助变频泵液体供给方式满足出口所需压力。使用多套PFD装置，和传统液体传输管道不同，PFD装置处于电解槽内壁，可以依靠其较为特殊的结构符合高电流密度生产需求平行流技术在使用的过程中其阳极周期较短，在相同阳极单重的基础上，可以使用平行流技术的时候其阳极周期会比基础技术下阳极周期短30%，这也表示阳极消耗相对较快，这时阴极铜的产量相对较高。平行流技术下蒸汽消耗量较低，与常规技术相比，使用平行流技术可以减少近80%。电解液循环量较高，基础铜在电解的过程中其电解液循环量处于单槽25l/min~35 l/min，而在使用平行流技术后其单槽实际循环量则可以达到75l/min~95 l/min。

3.3 生产实践

平行流技术在A企业得到了大规模使用，实际应用过程中电流密度处于385A/m2，逐渐提升至420A/m2，为企业连续稳定生产奠定了基础。该企业内部当前生产的阴极铜表面光滑，质量较好，符合高纯度阴极铜标准[4]。

在生产实践的过程中需要进行合理的参数控制，电解液流量控制，电解液酸含量控制及添加剂控制。其中在温度控制的过程中需要使其与常规电解相同，但是在实际操作的过程中会因为电流流量较大增加电流的热能转化。电流密度在达到385A/m2的时候，电解热收入与支出较为均衡，但是在电流密度处于420A/m2的时候，不但不需要进行蒸汽加热，还需要冷却电解液。电解液电流控制的过程中，高电流密度生产应具有一定的电力密度并与其相匹配，这时实际流量较低，导致阴极铜底部较为稀疏，降低其质量，还会出现一些阳极泥粒子。电解液内部铜和酸的控制对于高电流密度生产有着非常重要的意义，为了降低阴极区域内部出现离子贫化的现象，减少阴极铜杂质析出，就需要提升电解液内部的含铜量。但是若没有合理控制含量就会产生阳极钝化的现象，严重影响阴极铜质量，所以相关人员应控制电解液内酸和铜的含量，降低阳极钝化。对于添加剂的控制应采取平行流技术，当前大部分高电流密度生产的过程中对于添加剂的使用较少。但是阴极铜析出质量对于添加剂较为敏感，这也表示在使用添加剂的时候可以扩大其使用范围。此外，在使用平行流技术进行高带哪里密度运行的时候会因为系统第一次装槽，进而更容易控制铜质量[5]。

4 结束语

综上所述，当下在实施铜电解精炼的过程中，平行流技术具有一定的先进性和高效性，这一技术一经出现就在铜电解精炼中获得了一定的成功，为我国铜电解精炼的发展起到了促进作用，代表我国铜电解精炼工艺技术迈进了新时代。高电流密度对于生产人员，生产设备和生产能原料要求较高，因此这时需要相关人员自身技术能力符合要求，进而为高电流密度稳定运行做出保证，产出质量较高的纯阴极铜。日后铜电解精炼过程中需要以高电流密度为基础，合理处理低品质阳极板，朝着更加节能环保的方向迈进。