高電流密度銅電解工業(yè)化試驗研究

方支靈

(銅陵有色金屬集團控股有限公司技術(shù)中心，安徽 銅陵 244000)

銅陵有色下屬銅冶煉企業(yè)金冠銅業(yè)，其主要采用閃速熔煉、閃速吹爐工藝(簡稱“雙閃”)，其最初設(shè)計陰極銅產(chǎn)能40萬t/a，目前已達產(chǎn)。但近幾年來，隨著金冠銅業(yè)對銅冶煉“雙閃”工藝不斷的研究和技術(shù)升級以及明年新奧爐工程投產(chǎn)，具備有充足的陽極銅滿足其陰極銅產(chǎn)能由最初40萬t/a增加到45萬t/a的需要，但目前限于銅電解工序的制約，其產(chǎn)能挖潛沒有得到有效的實施。因此有必要對銅電解工序進行進一步產(chǎn)能挖潛和技術(shù)升級。根據(jù)目前金冠銅業(yè)銅電解現(xiàn)狀，擬在原設(shè)備基礎(chǔ)上，通過提高電流密度，增加陰極銅產(chǎn)量。

為了順利提高電流，本項目課題組擬在金冠銅業(yè)銅電解車間利用工業(yè)生產(chǎn)槽進行高電流密度工業(yè)化試驗研究，考察各電解條件對高電流密度銅電解的影響，為后續(xù)提高電流密度生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 試驗原料及試劑

工業(yè)試驗中所用陽極板主要成分見表1，銅電解液主要成分見表2。下列陽極板及電解液成分均取自金冠銅業(yè)銅電解生產(chǎn)所用陽極板及電解液成分。

表1 陽極板成分Table 1 Composition of anode plate

表2 電解液成分分析結(jié)果Table 2 Analysis results of electrolyte composition

2 工業(yè)試驗方案

本項目課題組初步擬定在金冠銅業(yè)電解車間東系列第八系列第八組取2～3個工業(yè)生產(chǎn)槽作為本項目的工業(yè)試驗槽。試驗在現(xiàn)有的工業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)上各減少三塊陰陽極，將電流密度提高至335 A/m2，電解液循環(huán)量25 L/min，明膠的加入量72 g/t Cu，硫脲96 g/t Cu，阿維同25 g/t Cu，HCl 60 mg/L。出于安全考慮，減少的陰陽極主要集中在槽尾，同時在槽尾出去陰陽極區(qū)域放置格柵板，防止現(xiàn)場作業(yè)人員出現(xiàn)安全事故。本次工業(yè)試驗中主要考察陽極板重量、電解液循環(huán)量等外在因素對高電流密度銅電解影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 陽極板重量試驗

3.1.1 陽極板重量對槽壓的影響

從圖1、圖2中相關(guān)數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，當陽極板重量相差較大時，槽壓有一定的差距，陽極板重量越重，則槽壓越大。因此針對電流密度為335 A/m2高電流密度銅電解，采用395 kg陽極板，基本能夠滿足電解殘極率需求。

圖1 陽極上半周期槽壓變化Fig.1 Variation of cell pressure in the upper half cycle of anode

圖2 陽極下半周期槽壓變化Fig.2 Variation of cell pressure in the lower half cycle of anode

3.1.2 陽極板重量對陰極銅表面結(jié)晶狀況及內(nèi)在質(zhì)量影響

從圖3～圖6中可以看出，陽極重量為406 kg，無論陽極上下周期，陰極銅表面的結(jié)晶狀況均不是很好，可以明顯看出，在陰極銅下半部分出現(xiàn)了大量的陽極泥粒子，這些粒子為明顯的陽極泥粒子。因此可以看出陽極重量的增加，導致極距的減小。而對于陽極重量為395 kg、400 kg銅電解現(xiàn)場試驗，除上半周期陰極板面出現(xiàn)粒子外，下半周期陰極銅的表面結(jié)晶狀況及內(nèi)在質(zhì)量均良好。因此如果提高電流密度增加產(chǎn)量，采用400 kg陽極板即可滿足要求。

圖3 406 kg陽極板Fig.3 406 kg anode plate

圖4 400 kg陽極板Fig.4 400 kg anode plate

圖5 395 kg陽極板Fig.5 395 kg anode plate

圖6 386 kg陽極板Fig.6 386 kg anode plate

3.2 電解液循環(huán)量試驗

3.2.1 電解液循環(huán)量對槽壓的影響

從圖7中可以看出隨著電解液循環(huán)量的增加，槽壓是降低，雖然在試驗過程中槽壓的變化也會受到銅電解生產(chǎn)工藝參數(shù)的變化影響，如電解液的比重、槽溫、陰極板、接觸點及陽極板等因素的影響。但從總體趨勢及同等試驗條件下試驗結(jié)果來判斷，提高電解液循環(huán)量對降低槽壓是有利的。

圖7 不同電解液循環(huán)量下陽極上半周期槽壓變化Fig.7 Variation of anode cell pressure in the first half cycle with different electrolyte circulation

3.2.2 電解液循環(huán)量對懸浮物含量的影響

從表3、表4中試驗結(jié)果可以看出，循環(huán)量的增加(試驗槽電解液循環(huán)量分別為30 L/min、35 L/min)對電解液中懸浮物含量變化影響不是很明顯。從本項目的試驗結(jié)果可以看出，金冠銅業(yè)東系列電解液循環(huán)量增加至35 L/min，電解液中懸浮物的含量無明顯增加。

表3 陽極上半周懸浮物含量變化Table 3 Variation of suspended solids content in the first half cycle of anode

表4 陽極下半周懸浮物含量變化Table 4 Variation of suspended solids content in the lower half cycle of anode

3.2.3 電解液循環(huán)量對槽溫分布的影響

從表5中的試驗結(jié)果可以，電解液循環(huán)量達到了30 L/min以上，電解槽上下溫差在5 ℃，但是根據(jù)對國內(nèi)各大銅電解企業(yè)的工業(yè)數(shù)據(jù)分析，采用下進上出的進液方式，電解液循環(huán)量達到30 L/min時，其電解槽內(nèi)溫差一般在6 ℃左右[1]。而本項目所測數(shù)據(jù)大部分都小于5 ℃，這可能和數(shù)據(jù)采集時間正值夏季有關(guān)。

表5 循環(huán)量對電解液溫度分布的影響Table 5 Effect of circulation rate on electrolyte temperature distribution

4 結(jié) 論

(1)提高電解液循環(huán)量對降低槽壓是有利的。

(2)電解液循環(huán)量增加至35 L/min，電解液中懸浮物的含量無明顯增加。

試驗綜合分析，這可能與金冠銅業(yè)所用陽極板主要成分中雜質(zhì)金屬Pb、As偏高有關(guān)[2]。雜質(zhì)金屬Pb、As偏高導致陽極泥的黏滑性較好，陽極泥不容易散落進入電解液中，同時也使得其能夠承受大流量沖擊而不容易散落進入電解液中，造成電解液中懸浮物含量的增加。

(3)電解液循環(huán)量的增加，有利于降低電解槽不同區(qū)域內(nèi)的濃差極化及縮小電解槽中上下溫差[3]。

(4)由陽極板加重所引起的面極距的降低是本周期陽極泥粒子偏多的主要原因[4]。同時頻繁吊出查看陰極銅也造成陰極銅板面陽極泥粒子增多。

(5)高電流密度下，應該選擇合適的厚度或單重的陽極板，結(jié)合國內(nèi)外高電流密度生產(chǎn)時間，電流密度為325～330 A/m2，建議陽極板重量不要超過395 kg[5]。為保證殘極率，可適當調(diào)整作業(yè)周期。