Электролитическое рафинирование меди

      Катодные  основы (риунок 3.3) изготавливают из медных листов, полученных электролитическим путем в специальных ваннах при меньшей плотности тока, что способствует получению ровной и плотной поверхности катодного осадка. Размеры катодных основ превышают размеры анодов по длине на 25 - 50 мм, по ширине на 50 - 60 мм, Это в значительной степени предотвращает повышение плотности тока на краях катодных листов и образование на них крупных дендритов и шишек. Катодные основы подвешивают в ваннах на медных трубчатых штангах.

      Размерами катодов определяется ширина электролитной  ванны. Обычно расстояние от боковых  кромок катодов до стенки, ванны  составляет около 200 мм и от нижних до днища ванны 400 - 600 мм (для осаждения шлама). Длина ванны зависит от расстояния между осями электродов и их числа. Число анодов, завешиваемых в одну ванну, на разных заводах колеблется от 29 до 48 шт. Число катодов в ванне всегда на один больше, что обеспечивает равномерное растворение всех анодов, включая крайние. Нормальное расстояние между осями одноименных электродов обычно составляет около 110 мм, что соответствует ширине межэлектродного пространства (между анодом и катодом), равной примерно 35 - 40 мм.

Рисунок 3.3. Форма медных анодов (а) и катодов катодных основ  
 
 
 

Рисунок 3.4. Схема контакта между катодной штангой, анодом и промежуточной шиной: 1 – аноды; 2 – катодная штанга; 3 – токоподводящая шина; 4 – изолятор

      Подвод  тока к электродам рафинировочных ванн осуществляют при помощи медных шин, расположенных по бортам ванн. При  объединении ванн в блоки на бортах крайних ванн прокладывают главные (токоподводящие) шины, а на перегородках между отдельными ваннами — промежуточные. Для предотвращения утечек тока шины изолируют от каркаса ванны. Схематически наиболее распространенная система контакта между анодом, катодной штангой и промежуточной шиной изображена на рисунок 3.4. Промежуточные шины, казалось бы не нужные при такой системе токоподвода, способствуют улучшению распределения тока при нарушении непосредственного контакта между ушком анода и катодной штангой. Подключение ванн к системе питания электролитом в настоящее время чаще всего осуществляют по однокаскадной схеме.  

     Рисунок 3.5. Схема циркуляции электролита в блоках ванн: 1 – распределительный коллектор; 2 – ванны; 3 – сборные коллекторы 

      В этом случае подогретый электролит из напорного бака с помощью распределительного коллектора подводится к каждой ванне  и, пройдя через нее, вновь поступает на подогрев в сборный резервуар, рисунок 3.5.

      На  большинстве заводов электролит подают в нижнюю зону ванны, а отводят сверху. Однако такая схема подачи раствора способствует большому взмучиванию шлама и его переходу в катоды. При больших количествах образующегося при электролизе шлама целесообразно применять обратную циркуляцию, т. е. подавать электролит сверху, а отводить снизу.

      Движение  электролита вдоль длинной оси  ванны перпендикулярно плоскостям электродов нельзя признать правильным, так как в этом случае не обеспечивается более всего необходимое перемешивание раствора в межэлектродных зонах. При таком способе циркуляции, особенно при повышенных плотностях тока, трудно получать качественные осадки.

      Для повышения эффективности перемешивания  электролита его рекомендуется  подавать с продольной стороны ванны, чтобы он протекал параллельно плоскостям электродов. При этом электролит заливают в одну из крайних ванн блока и он последовательно перетекает во все остальные ванны через специальные отверстия (внизу) и пороги (вверху), имеющиеся в промежуточных перегородках. Ванны с таким движением электролита называются прямоточными.

      Расположение  основного оборудования в цехе электролитического рафинирования меди показано на рис. 6.6. Кроме основного оборудования, в этом цехе размещаются установки для приготовления катодных основ с устройствами для их обрезки и рифления, присоединения к ним ушков, а также транспортное и другое вспомогательное оборудование.

     3.4 Практика электролитического рафинирования меди

     Кроме основного оборудования, в цехе размещаются установки для приготовления катодных основ с устройствами для их обрезки и рифления, присоединения к ним ушков, а также транспортное и другое вспомогательное оборудование [3].

     Обслуживание  электролитных ванн заключается  в завешивании анодов и катодных основ, правке катодных листов в начале их наращивания, выемке готовых катодов  и остатков анодов, частичном и полном (перед ремонтом ванн) сливе электролита, выгрузке шлама, контроле за состоянием контактов и шин, регулировании скорости циркуляции электролита, устранении утечек тока и коротких замыканий.

     В зависимости от применяемой плотности  тока и массы анодов каждую партию катодов наращивают в течение 6—10 сут; за это время катоды достигают  толщины 8—10 мм. Срок срабатывания анодов соответствует двум-трем заменам  катодов и достигает 30 сут [1].

     Загрузку  в ванны анодов, удаление анодных  остатков и выгрузку готовых катодов производят мостовым краном с использованием специальной траверсы с фиксированным положением на ней электродов, называемой «бороной». Это обеспечивает постоянство межэлектродных расстояний по всей длине ванны и упрощает ее обслуживание при загрузке и выгрузке электродов. Катодные основы чаще всего завешивают вручную, строго фиксируя вертикальность их подвески.

     Извлеченные из ванн катоды направляют на промывку от электролита, загрязняющего их серой. Промывку осуществляют последовательно оборотными растворами и чистой горячей водой на промывочной машине. Хорошо отмытые катоды либо направляют непосредственно потребителю, либо переплавляют с получением слитков для волочения проволоки (вайербарсы) или медной катанки. Отработанные аноды (анодные остатки) переплавляют в анодных печах [3].

     Выгрузку  анодного шлама и полный слив электролита  осуществляют периодически после полного срабатывания нескольких партий анодов (в зависимости от выхода шлама). Для выпуска шлама две соседние ванны выключают (шунтируют) наложением специальных медных шин. После этого из ванны извлекают электроды, сливают электролит и на дне остается слой сгущенного шлама. Его сливают и смывают через нижнее отверстие в специальные емкости. В настоящее время на большинстве заводов предпочитают откачивать раствор и шлам насосом. После разгрузки ванны ее зачищают от обвалившихся кусочков меди, уплотнившегося шлама и в ряде случаев дополнительно промывают. Шлам пропускают через грохот для отделения крупной фракции меди, после чего фильтруют и направляют на специальную переработку [3].

     Короткие  замыкания могут возникать в  результате разрастания на катоде дендритов (шишек), завешивания в ванны искривленных анодов и плохо выправленных основ  или их искривления. Все это приводит к возникновению непосредственного  касания противоположно заряженных электродов и прекращению электрохимической работы тока.

     Образование шишек следует предупреждать  подбором оптимального режима коллоидных добавок и устранением взвеси частичек шлама в электролите. Короткие замыкания могут быть обнаружены вольтметром по понижению общего напряжения на ванне, гауссметром по возросшей интенсивности магнитного поля, по сильному разогреву замкнувших электродов и другими современными методами с использованием ЭВМ.

     Регулирование и поддержание оптимального состава  электролита осуществляют путем  вывода части электролита на регенерацию  и своевременными добавками к  нему соответствующих реагентов (воды, серной кислоты, коллоидов и т. д.). Оптимальную температуру (55—65 °С) раствора поддерживают централизованным подогревом электролита в теплообменных аппаратах, обогреваемых острым паром или электрическим током [4].

     С повышением температуры электролита  повышается его электропроводность, но возрастает испарение с зеркала  раствора, что ведет к усилению загазованности цеха и ухудшению  условий труда обслуживающего персонала. Для уменьшения испарения электролита  применяют различные способы  покрытия зеркала ванн. Так, например, используют пластмассовые шарики или  полиэтиленовую пленку. Для снижения загазованности необходима улучшенная вентиляция в цехах [1].

     Количество  отводимого на регенерацию электролита  определяется по времени накапливания до предельной концентрации наиболее опасной примеси. Обычно в наиболее короткий срок накапливаются никель или мышьяк.

     Тонкие  листы для изготовления катодных основ получают электролизом в специально выделенных матричных ваннах. Их число  составляет 10—14% от числа товарных ванн. Электродами в матричных  ваннах служат обычные аноды и  катодные матрицы, изготовленные из катаной меди, нержавеющей стали  или титана. Для облегчения сдирки осадка электролитной меди с матриц на их плоской поверхности вблизи торцов делают остроугольные канавки или торцы изолируют кромками из синтетических материалов.

     Чтобы получить качественные катодные осадки, электролиз в матричных ваннах ведут  при пониженной плотности тока (не более 220—230 А/м²) с использованием электролита с повышенным содержанием меди и поверхностно-активных добавок при умеренных температуре и скорости циркуляции электролита [1].

     В последние годы созданы и внедрены в промышленную практику автоматические линии по изготовлению катодных основ с механизацией всех работ — от подачи исходных листов до установки на стеллажи-накопители готовых основ, оборудованных катодными штангами.

     В современных медеэлектролитных  цехах работают также автоматические линии для промывки и штабелирования готовых товарных катодов [1].

     3.5 Достоинства и недостатки в процессе электролитического рафинирования меди

     В настоящее время применяют последовательное и параллельное включение ванн.

     Анализируя  литературные данные, рассмотрим  преимущества и недостатки той и другой системы  включения.

     Система серий имеет некоторые преимущества перед системой параллельного включения  электродов: меньший удельный расход электроэнергии; меньший выход анодных  остатков; меньший объем электролита; отсутствие производства катодных основ, ломиков; меньшие затраты меди для  изготовления токоподводящих шин. Однако у нее есть серьезные недостатки по сравнению с системой параллельного  включения электродов, связанные  с малым межэлектродным расстоянием (80-100мм): из-за низкой скорости циркуляции электролита можно рафинировать только относительно чистые сорта меди, содержащие небольшое количество сурьмы, мышьяка и висмута; при рафинировании  анодной меди с высоким содержанием  благородных металлов возрастают их потери с катодным осадком; большие  затраты ручного труда на отделение  катодной меди от электродных остатков и сложность механизации этой операции; жесткие требования не только к составу, но и к форме, состоянию  поверхности электродов; низкий коэффициент  использования тока.

     После того как система параллельного  включения претерпела ряд усовершенствований, себестоимость переработки анодной  меди по этой системе стала ниже, чем по системе серий [1]. Поэтому на большинстве медеэлектролитных заводах стали применять систему параллельного включения электродов.

     Для создания в электролизере циркуляции электролита используют поперечную или прямоточную подачу раствора. При применении поперечной подачи раствора (подача раствора сверху, а слив снизу.) уменьшается количество взмученного  в электролите шлама и в  итоге сокращаются потери благородных  металлов с катодами. Недостаток прямоточной  подачи электролита перед поперечной подачей в том, что при прямоточной  подаче электролита не обеспечивается равномерность его состава в  объеме. Электролизеры с прямоточной  подачей раствора используют только при небольших плотностях тока. Следовательно, процесс электролитического рафинирования  меди в электролизерах с поперечной подачей раствора будет идти намного  интенсивнее [1].

     Компоновку  электролизеров в серии проводят по каскадной и бескаскадной системе. У бескаскадной системы есть ряд  преимуществ по сравнению с каскадной  системой при повышенной интенсивности  работы электролизеров: возможность  строгого поддержания постоянства  температуры, состава электролита  и ввода ПАВ по всем ваннам.