1、工艺条件对铜电解精炼过程直流电耗的影响孙亚峰，任兵芝，王宏丹，夏文堂，邓佑明，向威，王磊（重庆科技学院 冶金与材料工程学院冶金工程系，重庆 401331）摘要：采用单因素试验研究了电解液温度（4070 ） 、电流密度（200320 A/m2） 、H 2SO4 浓度（110230 g/L） 、Cu 2+浓度（2565 g/L） 、极间距（2035 mm）等工艺条件对铜电解精炼过程直流电耗的影响规律。结果表明，随着电流密度和极间距的增大，直流电耗显著升高，随电解液温度和硫酸浓度的增加而显著降低；随着电解液中铜离子浓度的增大，直流电耗先急剧降低，然后趋于平稳，在 55 g/L 时电耗最小。关键词：铜
2、电解精炼；直流电耗；工艺条件；槽电压中图分类号：TF811；TF804 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2018）06-0000-00Effect of Process Conditions on Power Consumption of Copper ElectrorefiningSUN Ya-feng, REN Bing-zhi, WANG Hong-dan, XIA Wen-tang, DENG You-ming, XIANG Wei, WANG Lei(Department of Metallurgical Engineering, School of Metallurg
3、ical and Materials Engineering, Chongqing University of Science and Technology, Chongqing 401331, China)Abstract：Influences of electrolyte temperature (4070 ), current density (200320 A/m2), sulfuric acid concentration (110230 g/L), cupric ion concentration (2565 g/L), and electrode spacing (2035 mm
4、) on power consumption of copper electrorefining were investigated by single factor experiment. The results show that power consumption rises significantly with increase of current density and electrode spacing, and drops remarkably with rise of electrolyte temperature and sulfuric acid concentratio
5、n. Upon rising of Cu2+ concentration, power consumption drops sharply firstly and then tends to maintain stable, the minimum power consumption is obtained with Cu2+ concentration of 55 g/L.Key words：copper electrorefining; power consumption; process condition; cell voltage工业上，80%以上的铜产量是用火法冶金从硫化铜精矿中提
6、取的。硫化铜精矿经过熔炼、吹炼和火法精炼后，得到的阳极铜的品位为 99.2%99.7%，最后通过电解精炼的方法，进一步将铜的品位提升到 99.95%以上 1。在铜电解精炼生产中，直流电耗约占整个电解铜生产车间直接成本的 60%左右，显著影响电解铜生产的经济效益 2。为降低铜电解精炼的能耗，人们从电流密度 2-8、极距 2-3,5、电解液成分 2,4-5,7,9、电解液温度 2-5,7、添加剂 2-4,6-7,9、电解液循环量 3-7、阴阳极周期 4,7、进液方式 7-8,10等方面进行了研究，以降低槽电压 3-4,9-10，提高电流效率 2,5,10。本文在实验室条件下系统研究了电解液温度、电
7、流密度、电解液成分、极间距等工艺参数对铜电解精炼过程直流电耗的影响。1 试验1.1 原料铜电解精炼试验采用紫铜板作阳极，不锈钢板作阴极，用硫酸和硫酸铜的混合水溶液作电解液，阴、阳极板相间地插入电解槽，通入直流电进行电解。铜在阴极上沉积，杂质则以离子形态保留在电解液中或进入阳极泥 1-2。在使用前用砂纸逐级将阴阳极板打磨至表面光滑平整。阴极板的有效面积为 80 mm100 mm，其余表面使用透明胶带包裹绝缘。采用五水硫酸铜（分析纯） 、浓硫酸（98%）以及去离子水配置电解液。电解液中 Cu2+和 H+浓度检测时用到的试剂有硫代硫酸钠（分析纯） 、氢氧化钠溶液（0.5 mol/L） 、甲基红溴甲酚
8、绿溶液、氟氰化氨溶液、醋酸醋酸钠缓冲溶液、碘化钾溶液、淀粉溶液、硫氰化钾溶液等。收稿日期：2017-12-08基金项目：国家自然科学基金资助项目（51674057） ；重庆市教委科学技术研究项目（KJ1713343） ；重庆科技学院校内科研基金项目（CK2016B19） ；重庆科技学院 2016 年大学生科技创新训练计划项目（201636）作者简介：孙亚峰（1994-） ，男，河南卢氏人，本科生；通信作者：任兵芝（1982- ） ，男，四川苍溪人，博士，讲师.doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2018 .06.0021.2 试验装置采用自制的 2 L 有机玻璃容器作为电
9、解槽 11，进液方式采用传统的“下进上出”方式。为模拟真实电解槽内的流动，电解槽内共设置了 7 个极板，但只有中间的一对阴阳极板进行通电电解，每个试验的电解时间均为 2 h。电解液不加添加剂。试验结束后，用去离子水充分洗涤阴极板，然后再晾干、剥离电铜并称重，得到阴极实际析出的电铜重量。1.3 数据处理铜电解精炼的直流电耗与槽电压和电流效率密切相关，并随槽电压的升高或电流效率的降低而增加。生产实践表明，铜电解精炼电流效率波动的原因主要有系统设备漏电、阴阳极间发生短路等 10,12；而槽电压受电解液温度、电流密度、极距等工艺条件的影响波动范围较大 9，因此槽电压对铜电解精炼过程直流电耗的影响最大
10、3-4,9。在本文的铜电解精炼试验中，采用分析纯试剂和去离子水配制的电解液，杂质很少；另外，严格规范试验操作，在试验时没有短路或泄露电流发生，相同工艺条件至少做 3 次试验。试验发现，电流效率基本上稳定在较高水平（接近 100%） ，而槽电压变化较大，这与 KHOURAIBCHIA 的试验研究结果一致 12，所以直流电耗与槽电压的变化规律相同。因此，本文主要探讨工艺参数对铜电解精炼过程直流电耗的影响。在铜电解精炼中，槽电压通过与电脑连接的万用表软件 DMM Data Precessor 实时记录，并保存为 Excel 文件，求出平均槽电压；电流效率通常是指阴极电流效率，为阴极铜的实际产量与按照
11、法拉第定律计算的理论产量的比值 1,5，其计算公式为（1）10%1.852MDStn式中，M 为阴极实际析出的电铜量 (t)；D 为电流密度(A/m 2)；S 为阴极有效面积(m 2)；t 为电解时间(h) ；n为电解槽个数。2 试验结果与讨论2.1 电解液温度的影响试验条件：电流密度 280 A/m2、H 2SO4 浓度 170 g/L、Cu 2+浓度 45 g/L、极间距 30 mm，电解液温度对铜电解直流电耗的影响见图 1。由图 1 可以看出，电解液温度的变化对铜电解精炼过程影响较大。电解液温度从40 升高至 70 ，铜电解精炼过程的直流电耗近似线性显著降低，由 181.67 kWh/t
12、 降为 103.47kWh/t，降幅达 43.05%。这是因为电解液温度升高时，可使电解液的黏度减小，Cu 2+的扩散速度加快，有利于减轻阴、阳极浓差极化程度，降低电解液的电阻，提高电解液的电导率，从而降低槽电压 2-3,12，并促使铜电解精炼过程的直流电耗减少。但电解液温度过高，会增加电解液的蒸发损失，并引起电解槽内酸度变大，影响电解液成分的稳定，给正常生产带来不利影响。而且随着电解液的蒸发会向空气中排放酸雾，恶化车间劳动环境 5,13。因此，需综合考虑以上影响选择适当的电解液温度。40455056065707590105120135150165180195直流电耗/(kWht-1)温 度
13、/图 1 电解液温度对铜电解精炼直流电耗的影响Fig.1 Effect of electrolyte temperature on power consumption of copper electrorefining2.2 电流密度的影响试验条件：电解液温度 50 、极间距 30 mm、H 2SO4 浓度 170 g/L、Cu 2+浓度 45 g/L，不同电流密度条件下的直流电耗如图 2 所示。由图 2 可以看出，电流密度变化对铜电解精炼过程影响较大。电流密度从 200 A/m2 增大至 320 A/m2，直流电耗显著升高，由 107.25 kWh/t 增加为 176.23 kWh/t，增幅
14、达 64.32%。原因是，电流密度增大时，消耗在电解液电阻上的电压降和阴、阳极极化电压降相应增高，引起槽电压升高 2,9，增加直流电耗。20 240 280 32010120140160180 直流电耗/(kWht-1)电 流 密 度 /(Am-2)图 2 电流密度对铜电解精炼直流电耗的影响Fig.2 Effect of current density on power consumption of copper electrorefining2.3 电解液硫酸浓度的影响图 3 为电解液温度 50 、极间距 30 mm、电流密度 280 A/m2、Cu 2+浓度 45 g/L 的条件下，电解液
15、 H2SO4浓度对铜电解精炼直流电耗的影响。可以看出，硫酸浓度从 110 g/L 增大至 230 g/L，直流电耗显著降低，由177.50 kWh/t 减少至 132.18 kWh/t，且降幅逐渐增大。这是由于硫酸浓度增大时，电解液中 H+浓度随之增加，使得电解液的比电阻减小 2，电导率增大，引起槽电压降低，促使铜电解精炼过程的直流电耗减少。1014017020230130140150160170180直流电耗/(kWht-1)硫 酸 浓 度 /(gL-1)图 3 电解液硫酸浓度对铜电解精炼直流电耗的影响Fig.3 Effect of sulfuric acid concentration o
16、n power consumption of copper electrorefining2.4 电解液铜离子浓度的影响试验条件：电解液温度 50 、极间距 30 mm、电流密度 280 A/m2、H 2SO4 浓度 170 g/L，电解液铜离子浓度对直流电耗的影响见图 4。由图 4 可以看出，随电解液中铜离子浓度的增大，铜电解精炼的直流电耗总体是下降的，且铜离子浓度变化对直流电耗的影响明显减小，这与 KHOURAIBCHIA12、DAS 等 14的铜电积试验研究结果是一致的。电解液中 Cu2+浓度小于 35 g/L 时，直流电耗从 199.34 kWh/t 快速减少至 165.28 kWh/
17、t； Cu2+浓度由 35 g/L 增大至 55 g/L，直流电耗降幅趋缓；而 Cu2+浓度增大到 65 g/L 时，直流电耗略有增加，这是由于电解液中铜离子浓度过高时，易发生阳极钝化，使得铜电解精炼过程的直流电耗增加 7。25354556515016017018019020 直流电耗/(kWht-) 铜 离 子 浓 度 /(gL-1)图 4 电解液铜离子浓度对铜电解精炼直流电耗的影响Fig.4 Effect of Cu2+ concentration on power consumption of copper electrorefining2.5 极间距的影响试验条件：电解液温度 50 、
18、电流密度 280 A/m2、H 2SO4 浓度 17 0g/L、Cu 2+浓度 45 g/L，不同极间距下的直流电耗如图 5 所示。由图 5 可以看出，极间距变化对铜电解精炼过程直流电耗的影响较大。极间距从 20 mm 增大至 35 mm，直流电耗显著升高，增幅达 37.29%。在实验室电解条件下，极间距小于 25 mm 时，直流电耗由 120.61 kWh/t 快速增加至 147.46 kWh/t，超过 25 mm 后，增幅逐渐减小，到 35 mm 时，达到 165.59 kWh/t。这是因为增大极间距会增大电解液的电阻，从而提高槽电压，导致铜电解精炼过程直流电耗增加。在实际生产过程，缩短极
19、距是降低槽电压的重要途径之一，但同时电解槽内阴、阳极发生短路的可能性将会增加，引起电流效率下降 2-3,5，因此必须综合考虑多方面的影响来选择合适的极距。20 25 30 35120130140150160170直流电耗/(kWht-)极 间 距 /m图 5 极间距对铜电解精炼直流电耗的影响Fig.5 Effect of electrode spacing on power consumption of copper electrorefining3 结论1）随着电解液温度升高，铜电解精炼过程的直流电耗近似线性降低。2）随着电流密度增大，铜电解精炼过程的直流电耗显著升高。3）随着电解液中硫酸浓
20、度增大，铜电解精炼过程的直流电耗显著降低，且降幅逐渐增大。4）电解液中 Cu2+浓度由 25 g/L 增大至 35 g/L，铜电解精炼过程的直流电耗快速降低，由 35 g/L 继续增大至 55 g/L，直流电耗降幅趋缓；而再增大至 65 g/L，直流电耗略有升高。5）随着极间距增大，铜电解精炼过程的直流电耗显著升高，但增幅逐渐减小。参考文献1 陈利生，余宇楠，张志军，等. 湿法冶金电解技术 M. 北京：冶金工业出版社，2015：12-13.2 高秋平. 降低铜电解精炼直流电消耗的途径J. 江苏冶金， 2000(4)：77-79.3 梁文林. 铜电解过程中的节能措施与效益J. 有色冶金节能， 2
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