Электролитическое рафинирование меди

     Общие достоинства и недостатки электролитического рафинирования меди.

     При современных усовершенствованиях [1,4] достоинствами являются: получение  достаточно высокого выхода по току (до 95-98%); получение более качественного  катодного металла с минимальным  содержанием примесей; сравнительно высокая удельная производительность; сравнительно не высокий удельный расход электроэнергии; не высокий выход  анодного скрапа (12-18%) [4]; возможность  извлечения благородных и редких металлов из черновой меди; отпала необходимость  в контроле за ваннами, следовательно, это дает возможность сокращения рабочего персонала; уменьшены трудозатраты [1].

     Недостатки: очень высокая стоимость аппаратурного  оформления; необходимость дорогостоящего ремонта электролизных ванн; при  некоторых усовершенствованиях  уменьшается выход по току (до 90% и ниже), увеличивается выход анодного скрапа (до 30%); возможность наличия  в катодном металле до 18 различных  примесей [1].

     3.6 Пути совершенствования электролитического рафинирования меди

     Путями  совершенствования электролиза  меди являются: улучшение обслуживания ванн, подбор оптимального состава электролита и особенно номенклатуры и дозировки поверхностно активных веществ, рационального энергетического режима, заготовки катодных основ и аппаратурного оформления, качества и формы катодного осадка [1].

     Наблюдается тенденция к использованию анодов и катодов больших размеров и  увеличению их числа в одной ванне. При соответствующем повышении  силы тока это позволяет повысить производительность ванн, снизить эксплуатационные и капитальные затраты. Увеличение массы катодов необходимо осуществлять с учетом трудности обработки катодов при выемке их из ванн и правке.

     Много внимания уделяется вопросам оперативного обнаружения и устранения коротких замыканий, использования вычислительной техники, для автоматического контроля за состоянием технологического режима. Опыт японских предприятий показал, что использование автоматизации позволяет значительно сократить численность обслуживающего персонала [2].

     Дальнейшая  интенсификация электролиза и повышение  качества катодной меди немыслимы без  тщательной очистки электролита от примесей. Успешные работы в этом направлении ведутся с использованием сорбционно-экстракционных процессов. Большие возможности имеет подбор типа и дозировки поверхностно активных добавок; к сожалению, до настоящего времени механизм их влияния и принципы подбора изучены недостаточно.

     Сообщается  о положительном эффекте добавок  поливинилового спирта, полиакриловокислого  натрия, полиэтиленгликоля, смеси клея (30 г/л) и сафраина (3 мг/л), клея, казеина  в смеси с протеином, феназином  и их производными (Япония), смеси  лигпольсуфоновой кислоты (20—110 мг/л) и  клея (0,1— 0,75 мг/л) (Англия), тхюциановой  кислоты, 2-тиомидазола, бензимидазола (ФРГ). Установлено, что добавки 1—10 мг/л полиакриламида ускоряют коагуляцию шлама, снижая его потери [1].

     Металлурги  Австралии предложили вводить в  электролит органические добавки на основе нитрила и его производных. Это позволило стабилизировать  и повысить содержание одновалентной меди, а следовательно, и сократить расход электроэнергии при электролизе; однако этот способ нуждается в полупромышленной и промышленной проверке.

     Рациональное  использование реверсивного тока немыслимо  без дополнительных мероприятий  по устранению утечек тока, тщательной очистки электролита, подбору интенсивности  циркуляции электролита.

     Несмотря  на увеличение удельного расхода  электроэнергии и снижение коэффициента использования тока, повышение плотности тока при реверсивном режиме рентабельно, но ограничивается требованиями получения качественных катодов. Для получения реверсивного тока перспективны тиристорные агрегаты. Интересны исследования по применению постоянного тока с наложением переменного и реверсивного тока и использованию пульсирующего тока с частотой перемены полюсов 3—4 тыс. в минуту (Япония, США) [1].

     Ведутся исследования подбора материала  матриц или антиадгезионных смазок, устраняющих сцепление осаждаемой меди с матрицей. Для этой цели предлагают титан, цирконий и их сплавы, реагенты типа хлорного парафина с низкой вязкостью, металлизированный мыльный раствор, калийное мыло на основе синтетических  жирных кислот, органические производные  фосфорной и тиофосфорной кислоты, фосфорные эфиры. Продолжаются поиски оптимальных конструкций аппарата для механизированного съема катодных основ. Фирма «Дженерал электрик» (США) предлагает использовать эффект гидравлического удара, возникающий при наложении электрического разряда в объеме электролита. Японские конструкторы предложили ряд механизмов, использующих предварительную механическую подготовку осадка с матрицей и последующее отделение катодной основы, например, с помощью вакуум-присосков или струи сжатого воздуха. Для непрерывной заготовки катодного листа нужной толщины перспективны электролизеры с барабанным катодом (по типу аппаратов для производства фольги), а также петлевой электролизер конструкции Гинцветмета [3].

     Английские  металлурги разработали способ получения  заготовок для проволоки и труб путем электролиза. Катодом служит лист, из нержавеющей стали размером 90 × 90 × 6 см, на каждой из сторон которого сделана канавка спиралевидной формы, заполненная изолирующей массой. Медь осаждается на поверхности между углублениями. При высокой чистоте поверхности катода, дозированной добавке лигносульфаната кальция и интенсивном перемешивании, получают заготовку длиной до 80 м и сечением 6х6 мм. Внутренний диаметр заготовок для труб длиной 0,6 м составляет 5 см, толщина стенок — не более 6 мм. Эксплуатационные расходы при электролизе выше, чем при получении листовых катодов. Рентабельность технологии обеспечивается с учетом меньших затрат при последующем получении калиброванного профиля проката.

     Используя вертикальные полые аноды (свинцовые  трубы) и катоды, изготовленные из тонкой медной проволоки и помещенные внутри анода, можно получать электролизом прутки требуемого диаметра [1].

     Большие возможности в повышении эффективности  электролитического рафинирования меди связаны с широким применением автоматических систем управления и контроля электрического режима, скорости циркуляции, температуры, состава электролита, дозировки поверхностно активных добавок [1].

 

     

4 Расчет электролитического  рафинирования

4.1 Материальный баланс

      На  электролитическое рафинирование  поступают аноды следующего состава, %: Cu – 99,0;Ni – 0,02;Fe – 0,02; O₂ – 0,2;Sn – 0,0006;Zn – 0,001;Pb – 0,08; прочие.

Выход анодного скрапа – 15 %.

Принимаем следующее распределение меди и  примесей (за вычетом скрапа) между  раствором, шламом и катодным осадком в соответствии с таблицей 4.1: 

Таблица 4.1

 

      Сучетом принятого распределения рассчитываем материальный баланс. Расчёт ведём  на 1000 кг анодов.

      В 1000 кг анодов содержится 990 кг меди. Перешло меди в скрап: 990 · 0,15 = 148,5 кг.

      Всего в раствор, на катоды и в шлам перешло:

      990 – 148,5 = 841,5 кг меди

      С учетом принятого распределения  перешло меди:

      В шлам – 841,5 · 0,002 = 1,683 кг

      В раствор –841,5 · 0,018 = 15,147 кг

      На  катод – 841,5 – 1,683 – 15,147 = 824,67 кг

      Аналогично  рассчитываем распределение примесей. Результаты расчета вводим в таблицу 4.2:

      В 1000 кг анодов содержится 2 кг никеля. Перешло никеля в скрап: 2 · 0,15 = 0,3 кг.

      Всего в раствор, на катоды и в шлам перешло:

      2 – 0,3 = 1,7 кг никеля

      С учетом принятого распределения  перешло никеля:

      В шлам – 1,7 · 0,01 = 0,017 кг

      В раствор  - 1,7 · 0,92 = 1,564 кг

      На  катод – 1,7 – 0,017 – 1,564 = 0,119 кг

      В 1000 кг анодов содержится 0,2 кг железа. Перешло железа в скрап: 0,2 · 0,15 = 0,03 кг.

      Всего в раствор, на катоды и в шлам перешло:

      0,2 – 0,03 = 0,17 кг железа

      С учетом принятого распределения  перешло железа:

      В шлам – 0,17 · 0,2 = 0,034 кг

      В раствор  - 0,17 · 0,7 = 0,119 кг

      На  катод – 0,17 – 0,034 – 0,119 = 0,017 кг

      В 1000 кг анодов содержится 2 кг кислорода. Перешло кислорода в скрап: 2 · 0,15 = 0,3 кг.

      Всего в раствор, на катоды и в шлам перешло:

      2 – 0,3 = 1,7 кг кислорода

      С учетом принятого распределения  перешло никеля:

      В шлам – 1,7 · 0,9 = 1,53 кг

      На  катод – 1,7 – 1,53 = 0,17 кг

      В 1000 кг анодов содержится 0,006 кг олова. Перешло олова в скрап: 0,006 · 0,15 = 0,0009 кг.

      Всего в раствор, на катоды и в шлам перешло:

      0,006 – 0,0009 = 0,0051 кг олова

      С учетом принятого распределения  перешло олова:

      В шлам – 0,0051 · 0,7 = 0,00357 кг

      В раствор  - 0,0051 · 0,20 = 0,00102 кг

      На  катод – 0,0051 – 0,00357 – 0,00102 = 0,00051 кг

      В 1000 кг анодов содержится 0,01 кг цинка. Перешло цинка в скрап: 0,01 · 0,15 = 0,0015 кг.

      Всего в раствор, на катоды и в шлам перешло:

      0,01 – 0,0015 = 0,0085 кг цинка

      С учетом принятого распределения  перешло цинка:

      В раствор  - 0,0085 · 1 = 0,0085 кг

      В 1000 кг анодов содержится 0,8 кг свинца. Перешло свинца в скрап: 0,8 · 0,15 = 0,12 кг.

      Всего в раствор, на катоды и в шлам перешло:

      0,8 – 0,12 = 0,68 кг свинца

      С учетом принятого распределения  перешло свинца:

      В шлам – 0,68 · 0,99 = 0,6732 кг

      На  катод – 0,68 – 0,6732  = 0,0068 кг

      В 1000 кг анодов содержится 4,984 кг прочих. Перешло прочих в скрап: 4,984 · 0,15 = 0,7476 кг.

      Всего в раствор, на катоды и в шлам перешло:

      4,984 – 0,7476 = 4,2364 кг олова

      С учетом принятого распределения  перешло олова:

      В шлам – 4,2364 · 0,98 = 4,151672 кг

      В раствор – 4,2364 · 0,01 = 0,042364 кг

      На  катод – 4,2364 – 4,151672 – 0,042364 = 0,042364 кг