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第四章电积
目录
一、工艺流程介绍
二、电积的目的
三、电积原理
四、阴极铜沉积物的构造与影响因素
五、始极片生产过程中的注意事项
六、电积岗位的工作内容
七、阴极铜粒子形成的原因与防治方法
八、气孔的形成原因与防治方法
九、电流效率与影响因素
十、槽电压与影响因素
十一、电积系统开车顺序
一、铜矿选冶厂电积部分的工艺流程图
二、电积的目的
通过电积法,使铜以高纯状态在阴极析出,达到与其它杂质分离的目的。
三、电积原理
电流通过电解质溶液,在阴极和阳极引起电化学变化的过程称为电解,以不溶解电极作阳极的称为电积。
在电积过程中,当电流通过电积液时,阴极发生铜离子沉积过程,阳极为铅、银或铅、钙、锡合金,它本身在电积过程中不发生溶解,只起导电作用。
电积过程的电化学反应:
(一)阴极反应:
Cu2++2e→Cu
(二)阳极反应:
2H2O→4H++O2↑+4e
(2HO--2e→2H++O2↑)
(三)总反应:
CuSO4+H2O→Cu+H2SO4+O2↑
四、阴极沉积物的构造与影响因素
(一)电结晶的机理
在电积液中,金属离子在电流的作用下,不断在阴极沉积的过程,称为电结晶。
电结晶过程可分为两步,第一步是晶核的形成;第二步是晶核的长大。
这两个过程的速度决定着金属结晶的粗细程度。
如果晶核的生长速度较快,而晶核生成后的成长速度较慢,则生成的晶核数目较多,晶粒较细。
反之晶粒就较粗。
也就是说在铜电解精炼过程中,当晶核的生成速度大于晶核的成长速度时,就能获得结晶细致,排列紧密的阴极铜。
(二)阴极沉积物的构造
对阴极沉积物,除了要求化学品位符合标准外,还要求有好的物理规格,即要求结晶均匀致密,表面光洁。
因为结晶粗糙的表面,会使许多杂质机械地夹杂在金属中,影响它的质量,而且表面容易被氧化。
(三)影响阴极铜结晶的因素
铜电解精炼(或电积)过程的实质是一个动态平衡,在这个平衡体系中,任何一道工序的失调都将打破这个平衡体系的平衡,最终影响阴极铜的质量。
1.电流密度的影响:
电流密度的表达式为:
Dk=I/S,我们常说的电流密度,一般指阴极电流密度。
低电流密度下,已形成的晶核可以不断均匀长大,而新的结晶核则不易形成。
所以,在低电流密度下易等到粗晶粒结晶。
虽然结晶均匀,但却不致密,阴极铜较软,从外观可以看到闪闪的亮星,也缺乏金属的声音。
高电流密度下,已形成的结晶核长大的速度就逐渐减慢而停止,促使形成新的结晶核,所以,高电流密度下,由于结晶核形成的速度较快,而易得到细晶粒的结晶。
但过高的电流密度,将造成阴极附近电积液中Cu2+极度贫化。
这时虽有利于形成结晶核,但却无充足的Cu2+来使结晶核长大。
所以结晶虽然细小,但不致密,反而得到松软的沉积物。
同时,Cu2+的极度贫化,还将造成杂质在阴极析出,进一步恶化阴极沉积物的构造,甚至得到海绵状结晶。
铜的电积作业,电流密度控制在180~240A/m2是比较理想的。
2.电积液温度的影响
提高电积液温度,能提高电积液的导电率,加速铜离子的扩散,使阴极附近的Cu2+不发生贫化。
高温下易得到粗晶粒结晶,其沉积物较松软。
反之,则得到细晶粒的结晶。
但温度过低,就使电积液电阻增大。
一般控制电积液温度在40℃左右,还应考虑对萃取工序的影响。
3.电积液的流通(循环)
电积液的搅拌(循环)流通,可以使阴极附近的铜离子浓度均匀分布,消除阴阳极间的浓差极化现象,同时可以使电积液的温度均匀,不至于产生分层现象。
如果不进行循环流通,由于存在浓差极化现象,电积液就会分层,造成在电结晶过程中阴极沉积物结晶上下不均匀。
在高电流密度下,只有采用大的循环速度,才有利于获得细晶粒的结晶。
在一般电流密度下,电积液循环也应维持足够的速度方能得到结晶致密的阴极产物。
在低电流密度下,循环量可稍低。
3.电积液的流通(循环)
电积液的搅拌(循环)流通,可以使阴极附近的铜离子浓度均匀分布,消除阴阳极间的浓差极化现象,同时可以使电积液的温度均匀,不至于产生分层现象。
如果不进行循环流通,由于存在浓差极化现象,电积液就会分层,造成在电结晶过程中阴极沉积物结晶上下不均匀。
在高电流密度下,只有采用大的循环速度,才有利于获得细晶粒的结晶。
在一般电流密度下,电积液循环也应维持足够的速度方能得到结晶致密的阴极产物。
在低电流密度下,循环量可稍低。
4.电积液的酸度和被沉积金属离子的浓度
①电积液的酸度:
电积液中含游离H+的浓度即酸度是影响电结晶的极重要因素。
要求电积液含游离酸在160g/l以上,含酸过低,会使电积液电阻增大,槽电压升高,不利于获得细致结晶;但含酸过高,却会使CuSO4结晶,也会造成槽电压升高,也不利于获得细致结晶。
我厂控制电积液中含酸量为:
160~180g/l。
②被沉积金属离子的浓度:
即Cu2+的浓度,在电积液含铜低的情况下,易在阴极区产生贫化现象,有利于获得细小结晶,但Cu2+浓度过低,却又会使阴极区Cu2+过度贫化,尤其是在高电流密度下更为显著,反而得不到致密的结晶。
控制电积液中含铜量为:
35~45g/l。
③在电积液中要严格控制铁的浓度,一般不大于5g/l,最好控制在3g/l以下。
铁含量的多少直接影响电流效率,铁每增加1g/l,电流效率就降低3~5个百分点。
在喷淋、萃取和电积操作时,严禁铁器进入溶液中,以免增加电积液中的铁含量。
5.添加剂的影响(指阴极添加剂)
在铜电解生产中,除了阴、阳极的质量和电解液成分之外,添加剂的种类、加入量以及加入方式等都是比较关键的问题。
添加剂的配合使用在很大程度上直接影响着阴极铜的质量。
目前,国内外常用的添加剂有:
胶、硫脲、盐酸、干酪素和阿维同一A(Avitone—A)等。
理论与实践均已证明,为了使阴极铜表面光滑、平整、避免长粒子,减少短路和电积液机械粘附在阴极上的可能性,除了严格控制各工序技术条件外,还应添加适量的胶状物质和表面活性物质,以改善阴极表面质量。
一般采用的添加剂及其作用如下:
①胶:
它是电解作业的主要添加剂之一,其作用是使析出的阴极沉积物细致光洁,改善阴极表面的物理状态。
加胶过少,形成尖头棱角粒子,板面分布不分上下,而且结晶变粗,质地松软、发脆,表面发红,极易被空气氧化。
加胶过多,形成园状粒子,且在园头上有尖刺,难击落,在阴极表面分布均匀。
瓜尔胶作为阴极平滑剂,可以减少一些杂质,如硫、铁及铅在阴极的夹带等,加入量一般在100~120g/t.Cu。
②硫脲:
硫脲为表面活性物质,能细化结晶。
一般认为硫脲及其各种络合物均能在铜阴极表面产生吸附,从而细化晶粒。
另外,硫脲的加入,促进了结晶核的形成,所以可以获得结构均匀致密的阴极铜。
较低的硫脲浓度具有去极化作用,高浓度的硫脲则可以产生较好的抑制节瘤的作用,但当硫脲加入量过多或电积液中硫脲积累较多时(30mg/l),阴极铜表面粗糙,存在粗大的“灯芯绒布”条纹,与此同时,阴极铜表面柱状粒子增多,含硫量升高,使铜发脆。
硫脲的浓度为5mg/l时效果最好。
③盐酸:
与瓜尔胶和硫脲配合使用,能细化结晶,对阴极沉积有利。
电积液中允许氯离子浓度为40~50mg/l,一般控制其浓度为20~25mg/l。
氯离子浓度过大,长铜刺,且闪亮。
另外,需注意盐酸与硫脲在一起时有反应,两者不能混在一起添加。
在我厂,联合使用瓜尔胶、硫脲和盐酸三种添加剂。
联合添加剂的整体作用机理并不是几个添加剂作用机理的简单叠加,而是相互间的协同作用。
对于添加剂的使用和管理,应建立添加剂监控制度,以使各种添加剂的作用互相配合补充,获得保证阴极铜质量的最佳添加剂用量。
另外,我厂还使用一种阳极添加剂,即硫酸钴。
硫酸钴的使用主要是为了保护铅阳极,减少铅阳极的腐蚀,延长其使用寿命。
硫酸钴还能降低阳极超电压,降低电耗。
硫酸钴的浓度为60~80ppm。
五、始极片生产过程中的注意事项
始极片生产是铜电解生产的基础,阴极铜的指标不好,质量不高,其根源很大一部分来自始极片生产。
所以,要提高阴极铜的质量,必须先解决始极片的问题。
(一)技术条件的控制要求
(1)严格控制电积液浓度:
铜离子及其它离子的浓度太高,引起电积液分层,有可能使槽下部电积液流动缓慢,温度下降,这样就会使电阻升高,种板下沿不长铜。
电积液中含铜过低,会使电铜析出疏松,易长粒子,严重时甚至产生粉末状。
(2)严格控制极距:
同一种板两边极距不同,则生产的始极片的厚薄不同,极距小的一面易长粒子,而另一面则可能长不满,并且两边由于极距不同,流量不同引起添加剂浓度不同,始极片易发酥发脆。
所以要求同名极距要一样,种板要在两极距的正中。
(二)操作中的注意事项
(1)对种板的要求:
始极片质量的好坏,与种板本身的表面状态有很大关系。
种板是铜离子结晶的底板,因此要求表面要光洁,无异物沾附,以免在电积过程中,以这些异物为核心形成新的结晶核,而长成粗大的粒子。
因此,种板使用一段时间后必须进行擦拭。
(2)防止烧板:
烧板是指种板通电后与阳极接触而发生短路,析出的铜皮发生“反溶解”的现象。
(3)始极片发脆:
分软脆和硬脆,软脆在大多数情况下由缺胶所引起的;硬脆一般是由于胶量过多所引起的。
另外,酸度过大也可能引起始极片硬脆。
(4)加工出的始极片在拍平架上人工校直,弯曲度小于2%,上架始极片要做到导电棒一条线、双耳一条线、侧边一条线。
(5)每隔2~3个阴极周期,要吊出铅阳极检查,对弯曲阳极重新加工、平直。
(6)挑选韧性较好、厚度适中的铜皮切耳子,做耳子的铜皮必须光洁、柔软,不能有粒子、沙眼或发酥现象。
(7)提高铜皮的成品率,降低种板开动槽数。
主要措施为:
①提高包边质量,杜绝底边长粒子。
②调整板面打磨周期和添加剂配比,提高边角合格率。
六、电积岗位的工作内容
主要工作内容:
检查处理短路、控制循环量、温度、槽电压符合技术条件要求,维护阴阳极排列,负责添加剂的配制和加入,如实填写原始记录。
(一)检查处理短路
1.检查短路做到“看、摸”结合,处理短路要仔细。
2.检查中提动极板时,不要擦阳极,位置要放对称。
3.每次短路检查完毕,在槽面要洒一次水,清洗接触点,洒水时水雾细而匀,不要溅起电积液,不准冲到槽子外面。
(二)电积液温度及循环量控制
1.每班测量温度4~8次,温度过低或过高须通过换热器进行调节。
2检查电积槽跑、漏液情况,检查循环量小时,调节高位槽的出口阀门,个别槽循环量小时,查明原因及时采取有效措施调节,避免长时间不循环打黑阴极铜。
3每班记录槽电压4次(每两小时记录一次),槽电压超过2.0伏时,要及时查找原因并处理。
(三)提水位
出阴极铜的前一天,由早班接班后将电积槽水位提高20~30mm,水位在不超过槽帮的前提下应尽量往高提。
在提水位的同时必须经常检查水位情况,防止电积液溢出。
出现断耳现象可立即提一次水位,断耳阴极铜必须当即捞出,并及时补入始极片或薄阴极铜。
新始极片入槽后第二天由中班降下水位。
因为阴极吊耳与液面交界处氧气比较充足,这就使电积液对界面处吊耳的腐蚀加剧,即发生下列化学反应:
2Cu+2H2SO4+O2→2CuSO4+2H2O这是断耳的主要原因,在出槽前一段时间将液面提高,使腐蚀处析出一层铜,以增加吊耳的强度,防止断耳的发生。
七、阴极铜粒子形成的原因与防治方法
(一)粒子形成的原因:
在我厂主要有两个原因,即:
1.添加剂加入量不当造成阴极长粒子:
前面已讲过。
2.电流密度局部过高造成阴极长粒子:
⑴阴、阳极相对面积不当,阳极面积太大,阴极周边长凸瘤粒子(铜皮剪边不能剪太多,要保持阴极尺寸)。
⑵装槽质量差
a.极距不均或阳极表面质量差等,导致电流密度局部过高,阴
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