影響金電解電流效率的因素及對策

夏志薇，馬堅剛，夏興旺，謝太李，夏先敏

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠 江西, 貴溪 335424）

1 引言

金是人類最早認識和使用的金屬之一，其具有獨特的抗腐蝕性、導電性和導熱性，在現(xiàn)代科學技術(shù)領域起到關鍵的作用，因而與其他貴金屬一同被稱為“首要高技術(shù)金屬”。江西銅業(yè)集團貴溪冶煉廠是中國重要的伴生黃金生產(chǎn)基地，黃金的主要原料是銅陽極泥，通過濕法處理得到粗金粉—澆鑄成金陽極板—金電解精煉—熔煉鑄型，得到純度99.995%的金錠，具體工藝流程如圖1所示。

圖1 金錠生產(chǎn)工藝流程圖

2 金電解精煉原理

金電解精煉以粗金陽極板作為陽極，鈦板為陰極，電解液為金的氯配合物和鹽酸的混合液，經(jīng)電流的作用下不斷發(fā)生氧化還原反應。陽極中的金不斷失去電子轉(zhuǎn)化為離子進入溶液，在電場的作用下，不斷向陰極方向運動，到達陰極后得到電子還原成金屬金，金電解就是金陽極板轉(zhuǎn)化成離子，在陰極還原成金的過程。金電解主要反應如下。

陽極反應：

陰極反應：

由法拉第第一定律知道，電解在電極上電解出來的物質(zhì)的量與通過的電量成正比。由第二定律知道，電解任何電解質(zhì)，在通過相同的電量時，在電極上電解出來的物質(zhì)的量與它們的化學當量成正比，析出1g當量的任何物質(zhì)都需要26.8A·h的電量。

實際電解產(chǎn)物的量與按法拉第定律計算得的理論產(chǎn)量之比稱為電流效率，用百分數(shù)表示為：

這個常數(shù)稱作金屬金的電化當量。

在金電解過程中，消耗相同的電量，電流效率越高，獲得的電金就越多，因此金電解電流效率是金電解生產(chǎn)中最重要的指標之一。它直接關系到電能消耗的多少，生產(chǎn)成本的高低，它標志著金電解生產(chǎn)技術(shù)水平的高低。貴冶金電解電流效率曾一度低下，從2013年以來至2019年一直小于97%，為了提高電流效率，我們進行一系列的研究，取得了顯著的成效，從2020年至今金電解電流效率均大于97%，進入國內(nèi)先進水平，具體如下表1所示。

表1 2013-2021年金電解電流效率情況 %

3 影響金電解電流效率的因素

金電解精煉過程中，其主要的控制參數(shù)有電解液的成分、陰極電流密度、槽電壓、極間距、電解液溫度、電解液循環(huán)量、導電性等［1］。

（1）電解液成分。金電解液由氯金酸（HAuCl4）溶液與游離的鹽酸組成、同時還有少量的銀、銅、鉛等其它雜質(zhì)，其中金、銀、銅離子濃度及酸度是電解液成分的控制核心，為了保證金電解過程的穩(wěn)定性，確保電流效率，電解液中金離子濃度、酸度、雜質(zhì)含量應當控制在一定的范圍。

（2）陰極電流密度。電流密度是指在陰極板單位有效面積上的電流強度［2］，電流密度是影響金電解效率的主要因素，金電解電流密度計算方法為：J=I/A，其中J為電流密度，I為通過陰極板電流，A為陰極板面積。隨著陰極電流密度的增加，電流效率隨之提高，根據(jù)電流密度計算公式，可通過控制金電解直流電流大小及陰極板面積大小，控制電流效率。實際生產(chǎn)過程中一般控制在700A/m2，但是電流密度也不能過高，太高容易引起其它離子共同放電，促使陰極表面出現(xiàn)樹枝狀結(jié)晶和粒子而導致短路，而且會使的陰極析出金的速度大于金陽極板溶解擴散遷移到陰極表面的速度，引起陰極上發(fā)生副反應，使得電流效率下降。

（3）槽電壓。槽電壓是指電解槽中相鄰的陰陽極板之間的電壓降，是影響電解效率的主要因素之一，通常與電解槽陰陽極間距、金陽極板成分、導電棒導電效果、電解液導電率等因素有關。

（4）極間距。金電解精煉過程中會在陰極鈦板上析出電金，慢慢增厚，如果極間距太短，會出現(xiàn)短路。在實際生產(chǎn)過程中，金電解極間距控制在100 mm。極間距大小與槽電壓密切相關，極間距太大，槽電壓增大，電能消耗增加，電流效率下降，故在條件允許的狀態(tài)下應盡可能的縮短極間距離，起到降低槽電壓，節(jié)約電耗，控制電流效率的效果。

（5）電解液溫度。金電解液溫度是影響電解效率的主要因素之一。電解液溫度對電解液導電性能影響很大。電解液溫度低，電解液電阻大，導電性能降低，影響電流效率，電解液溫度高，電解液電阻小，導電性增加，電能消耗降低，電流效率增加。同時電解液溫度高可降低極化，防止陽極鈍化且改善電金質(zhì)量，但溫度過高會增加電解液的揮發(fā)，導致陽極泥中金含量增加，在實際生產(chǎn)過程中電解液溫度一般控制在40～55℃。

（6）電解液循環(huán)量。金電解生產(chǎn)過程中需將電解液進行循環(huán)，一方面為了讓金電解液溫度均勻，另一方面保證金離子濃度均勻分布，實際生產(chǎn)過程中，循環(huán)流量根據(jù)電金生長情況與電解液實際溫度進行調(diào)節(jié)。

（7）導電性。金電解生產(chǎn)過程中導電性是影響電流效率的重要因素。金電解導電棒采用純銀導電母排進行連接，金電解精煉主要在鹽酸介質(zhì)中進行，金電解液、現(xiàn)場環(huán)境對導電母排、導電棒具有腐蝕性，使得導電性能下降，影響電流效率。

4 提高金電解電流效率的對策

（1）控制金電解液成分。根據(jù)實際生產(chǎn)情況，金電解精煉工藝將金電解液金離子控制在120～140g/L范圍內(nèi)，Ag+控制在0.02g/L以下，銀離子濃度不能太高，如果電解液雜質(zhì)含量太高，金離子濃度太低，則需要進行造液。具體金電解液成分大致如表2。

表2 金電解液成分

（2）控制適宜的陰極電流密度。陰極電流密度越大金電解電流效率就越高，但是電流密度也不能過高，為控制適宜的電流密度，實際生產(chǎn)過程中，采用鈦板作為陰極，利用金電解整流柜合理控制電流大小，目前金電解直流電流控制在360～380A之間，通過控制適宜的陰極電流密度，有效提高電流效率。

（3）穩(wěn)定金電解槽電壓。槽電壓是影響的電解效率的重要因素，正常情況下，金電解槽電壓在0.3～0.5V范圍內(nèi)。金電解采用恒定電流的電解模式，因此槽電壓越大，電能消耗就越大，單槽槽電壓包括陽極電位、陰極電位、電解液電阻的電壓降、導體電壓降、槽內(nèi)各點電壓降以及陽極板面陽極泥的電壓降總和。

在不影響生產(chǎn)的情況下，應該降低槽電壓，提高電流效率，日常生產(chǎn)過程中，通過采用以下措施穩(wěn)定金電解槽電壓：

①通過提高原料品質(zhì)，即提高粗金粉品質(zhì)，在金陽極板澆鑄過程中采用除雜試劑對雜質(zhì)進行脫除，提高陽極板品位，抑制陽極泥殼的產(chǎn)生，提高導電性能，起到降低陽極電位的作用；

②及時更換金陽極板，由于金陽極板在電解過程中會不斷溶解、變小，如果未及時更換殘極，增大電阻，會引起陽極槽電壓急劇升高；

③確保金電解導電性能，每天定期對金電解導電母排、導電棒、陰、陽極導電端與導電母排之間的接觸點、鈦板與導電棒之間的接觸點進行清洗擦拭、打磨，確保良好的接觸；

④控制極間距，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗，生產(chǎn)將陰、陽極板間距控制在100mm，能有效降低電解液電壓降，穩(wěn)定槽電壓；

⑤嚴格控制電解液成分；

⑥加強槽面管理，要求槽面操作人員及時檢查電解短路、斷路情況，發(fā)現(xiàn)及時處理，必須保證電金正常生產(chǎn)［4］。

（4）控制同極中心距。為了防止短路，在不影響操作的情況下，通過不斷摸索，總結(jié)經(jīng)驗，將金電解精煉同極中心距控制在80～100 mm，可有效控制槽電壓，降低電流效率。

（5）直交流電疊加電解。金電解過程電解液需保持一定的溫度，但金電解精煉通常不采用專門的加熱設施，依靠自身的電化學反應熱維持溫度，但是電化學反應熱不完全夠，需要在直流電源裝置中疊加交流電進行電解精煉，維持電解液所需溫度。金電解精煉過程以粗金板為陽極，陽極板中的雜質(zhì)都比金的電位低，都會電化學溶解進入電解液，游離的銀會與鹽酸反應生產(chǎn)AgCl薄膜，且附著在陽極表面，造成陽極鈍化，影響電解效率，陽極產(chǎn)生副反應產(chǎn)生氯氣影響現(xiàn)場環(huán)境。通常將交流電的電流強度控制為直流電的1～2倍。直交流電疊加電解能夠產(chǎn)生脈動電流，解決了 AgCl的危害，避免了陽極鈍化和環(huán)境污染，維持電解液溫度，提高了電金純度，間接降低了電流密度，減少了金粉的形成，提高了電流效率。

（6）設計金電解液循環(huán)系統(tǒng)。通過對金電解循環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化改進，為了讓金電解液中金離子濃度分布均勻，且為金電解液提供一定的溫度，設計出金電解下進上出的金電解液循環(huán)系統(tǒng)。金電解循環(huán)系統(tǒng)由高位槽、低位槽、鈦泵組成，其中高位槽與低位槽通過鈦泵連接，高位槽與金電解槽連接，利用高位槽的液自動溢流到電解槽內(nèi)，電解槽內(nèi)的電解液通過溢流口進入低位槽，然后通過鈦泵將低位槽電解液輸送到高位槽，促使電解液無限循環(huán)，有效的穩(wěn)定了金電解電流效率。

（7 ）加強電解槽槽面管理。電解精煉的電流效率影響因素很多，除了工藝參數(shù)影響之外，電解槽槽面管理工作是影響電流效率的關鍵。槽面管理主要涉及了裝槽質(zhì)量、槽面清擦等，金電解到周期后，需要將陰極板析出的電金全部取出，然后進行裝槽，重新電解，因此裝槽質(zhì)量對操作人員要求較高。裝槽作業(yè)時，必須保證陰陽極垂直、極間距均勻、導電棒與母排之間接觸良好、導電棒與母排拋光、鈦板掛耳與導電棒接觸良好、布袋架完好等多方面的因素，且在生產(chǎn)過程中，為了防止或減少漏點，應加強電解槽間、溶液循環(huán)系統(tǒng)對地的絕緣，及時清擦電解槽面中的電解液等，在工藝參數(shù)穩(wěn)定的情況下，從源頭上解決因裝槽、操作、或者槽面不干凈等引起的短路、斷路問題，引起電流效率下降。

5 結(jié)語

貴冶金電解經(jīng)過多年的生產(chǎn)實踐，通過不斷優(yōu)化金電解生產(chǎn)工藝、加強管理，金電解電流效率逐年提高，技術(shù)指標走在國內(nèi)同行業(yè)前列。目前金電解電流效率可達到98%，通過對影響金電解電流效率的研究，筆者認為，提高金電解電流效率的措施重點在于嚴格管控工藝參數(shù)、消除接觸斷路、短路、優(yōu)化電解液循環(huán)系統(tǒng)、加強槽面管理、精細員工的操作、加強巡檢，做好以上措施，可實現(xiàn)最佳電流效率，做到金電解高效、穩(wěn)定運行的目的。