第三章--铜电解精练工艺流程的选择教案资料

第三章--铜电解精练工艺流程的选择

第三章铜电解精炼工艺流程的选择与论证

3.1铜电解精炼流程简述

火法精炼产出的阴极铜品位一般为99.2~99.7%，其中还含有0.3~0.8%的杂质。为了提高铜的性能，使其达到各种应用的要求，同时回收其中的有价金属，特别是贵金属、铂族金属和稀散金属，必须对其进行电解精炼。

粗铜电解精炼是以铜阳极板为阳极，纯铜始极片或不锈钢板为阴极，以硫酸铜和硫酸溶液为电解液，将极板按一定的极距相间排列于电解槽内，通入直流电，阳极不断溶解，便在阴极上析出电解铜。电解过程中，阳极铜中的贵金属和硒、碲等有价元素进入阳极泥，沉积于电解槽底，定期排出，送阳极泥车间提取贵金属。镍、砷、锑、铋等杂质大部分进入电解液，需从循环液中抽取一部分进行净化处理。工艺流程包括电解精炼和电解液净化两部分。

电解精炼工艺有常规电解、周期反向电流电解和永久阴极电解三种方法可供选用。

1、常规电解

以纯铜始极片为阴极，电源为恒向直流电，电流密度为220～280A/m2。该法在世界各国均已有多年生产历史，工艺成熟可靠，电耗低。特别是采用了机械化、自动化水平高的阴阳极加工机组，并采用新技术适当提高了阴阳极板的垂直度以后，阴极铜产品质量得到显著的改善。常规电解精炼工艺流程见图3-1。

图3-1 常规铜电解精炼工艺流程图

但是传统法的始极片制作工艺复杂，不仅需要独立的生产系统，而且制作过程中劳动强度过大。除此之外，这种工艺流程自身还存在两个难以克服的缺点：

（l）电解精炼过程中存在“极限电流密度”，电解精炼时的实际电流密度必须低于极限电流密度，否则就会使阴极铜沉积表面粗糙，甚至形成“枝晶”，造成电解槽短路，使电解过程能耗大大增加，并且影响正常生产过程和产品质量。

（2）容易形成“阳极钝化”，在正常电压下阳极不能溶解，必须提高电压使钝化膜在更高的电压下被破坏并溶解，不仅影响正常生产，还会造成电能浪费和阴极铜的化学成分不稳定，进而影响产品的质量和物理性能。

2、周期反向电流电解

周期性短时间改变直流电流方向的电解方法。电解阴极及阳极和常规电解相同，周期性短暂反向，是为了克服阳极钝化，电流密度达300～350A/m2。，

可强化生产，节省投资，缩短电解铜在产周期。缺点是电流效率低，电耗高于常规电解。适于老厂扩大生产能力和电价低廉地区采用。

3、永久阴极电解

又名艾萨（ISA ）电解法。和常规电解不同，阴极是永久性的不锈钢板，在不锈钢阴极板上析出的电解铜定期取出剥离作为成品。1979年澳大利亚精炼铜公司（Coppei refinet iesplyLtd ．CRL ）首先将此法用于铜电解精炼工业生产，以后美国、加拿大和联邦德国等精炼厂也应用了这一方法。它的优点是可省掉铜始板片生产系统，不锈钢阴极平直，短路发生率低，阴极质量高。

本设计采用ISA 法电解工艺。

3.2铜电解精炼的理论基础

3.2.1阳极过程

铜电解精炼，在阳极上进行氧化反应：

+=-22Cu e Cu V E Cu Cu 34.00/2=+

+=-2'2'M e M V E M M 34.00'/'2<+

222122O H e O H +=-+ V E O O H 229.10/22= 2324212O SO e SO +=-- V E O SO 42.20/224=-

式中M′只指Fe 、Ni 、Pb 、As 、Sb 等比Cu 更负电性的金属。因其浓度很低，其电极电位将进一步降低，从而它们将优先进入电解液。由于阳极主要成分是铜，所以阳极的主要反应将是铜溶解形成Cu 2+的反应。至于H 2O 和SO 42-失去电子的氧化反应，由于其电极电位比铜正的多，故在阳极上是不可能进行的。另外，如Ag 、Au 、Pt 等电位更正贵金属、铂族金属和稀有金属，更是不能溶解，而落到电解槽底部，成为阳极泥。

3.2.2阴极过程

在阴极上进行的还原反应：

Cu e Cu =++22 V E Cu Cu 34.00/2=+

222H e H =++ V E H H 00/2=+

'2'2M e M =++ V E M M 34.00'/'2<+

氢的标准电位较铜负，且在铜阳极上的超电压使使氢的电极电位更负，所以在正常的电解精炼条件下，阴极不会析出氢，而只有铜的析出。同样，标准电位比铜低而浓度又小的负电性金属M′，不会在阴极析出。

电解过程中还形成一价铜离子Cu +并建立下列平衡：

Cu Cu Cu +=++22 2/2++=Cu Cu C C K

上式在不同温度下的平衡数据列在表3-1中。

表3-1 22Cu Cu Cu ++=+ 的平衡数据

温

度℃

E k (v)Cu/(0.5molCuSO 4) 2Cu C +g/l Cu C + g/l×310- 2Cu Cu C C ++ 410K ´ 25

55

100 0.316 0.355 0.353 1.037 1.004 1.00 3 3.7 89

342 270 11.2 25 7.3 0.012

可见，平衡的Cu +浓度是很小的。但是它的存在，与硫酸作用进行

Cu 2SO 4+1/2O 2+H 2SO 4=2CuSO 4+H 2O 反应，结果使电解液中的H 2SO 4不断减少，而Cu 2+又不断增加，并按Cu 2SO 4= CuSO 4+Cu 反应生成铜粉进入阳极泥，使其中的贵金属含量下降。

在电极与电解液界面上还进行铜的化学溶解反应：

O H CuSO SO H O Cu 2442221+=++

3.2.3阳极上杂质行为

根据阳极上杂质在电解时的行为，可将它们分为三类：

1、正电性金属和以化合物存在的元素

金银和铂族金属为正电性金属，它们不进行电化学溶解而落入槽底。阴极铜中含有这些金属是由于阳极泥机械夹带来的结果。Ag 2SO 4可溶于电解液中，但当加入少量氯离子（以HCl 形式存在）时，则形成AgCl 进入阳极泥。

氧、硫、硒、碲、为稳定化合物存在的元素。它们以Cu 2S 、Cu 2O 、

Cu 2Te 、Cu 2Se 、Ag 2Se 、Ag 2Te 等存在阳极板内，电解时亦进入阳极泥中。