Электролитическое рафинирование меди

Основная цель этого передела — получение меди, удовлетворяющей по электропроводности требованиям международного стандарта (1,724*10в-6 Ом*см). Такая медь содержит обычно более 99,96°о меди, около 0,02% кислорода и 0,02% нормируемых девяти примесей в сумме. Дополнительная задача — извлечение из анодной меди селена, золота и серебра в богатый ими полупродукт — шлам, а также извлечение некоторых менее типичных спутников меди, таких как никель и кобальт. Извлечение золота, селена и серебра — очень важная задача передела, так как их ценность во много раз превосходит затраты на передел.
Устройство электролитных ванн и циркуляция электролита. Электролиз ведут в ваннах ящичного типа длиной часто 4 м, шириной — почти всегда около 1,0 м, глубиной — около 1,25 м. Ванны монтируют из сборного железобетона с кислотоупорной защитой из винипласта (асфальта, керамики) изнутри и по бортам. По коротким сторонам (торцам) ванны имеют карманы и сливные коробки. С помощью карманов в ванну подают электролит, т. е. раствор, содержащий медный купорос, серную кислоту и добавку (клей и другие вещества). Электролит подают в ванну с такой скоростью, чтобы заменить раствор, находящийся в ванне, примерно за 3 ч. Электролит, прошедший через ванну, собирают с желоба и насосами закачивают в баки-подогреватели. Оттуда через напорные башни электролит вновь возвращают в ванны.
Установка и подключение электродов. Для осуществления электролиза в ванны завешивают аноды и тонкие медные листы — катоды. Катоды заготавливают в цехе. Они по размеру несколько больше анодов (шире и длиннее). Для установки анода служат его литые ушки. Для подвески катода к катодному листу приваривают два ушка (петли) из тонкой медной ленты, через которые пропускают медный ломик или штангу. Обычно аноды устанавливают на расстоянии 100—105 мм, считая от средней плоскости одного анода до средней плоскости соседнего. При толщине анодов 40 мм расстояние между ними равно 100 — 20 — 20 = 60 мм. Катодную основу устанавливают строго между ними, не допуская никаких перекосов. Таким образом, толщина слоя электролита между катодом и анодом получается около 30 мм. Катодов ставят на один больше, чем анодов.
Электрическая цепь состоит из шин, анодов, раствора, катодов, шин и далее анодов следующей ванны ее электролита и т. д. Все аноды и катоды в каждой ванне соединены электрически параллельно, а ванны — последовательно. В современном цехе могут работать от 500—600 до 2—3 тыс ванн. Их группируют в блоки и цепи.
Процесс электролиза. Электролит. После включения постоянного тока на электродах протекают реакции, на аноде Cu — 2е = Cu2+, на катоде Cu2 +2е = Cu.
Реакции на электродах имеют обратное направление. Очевидно, что на электродные процессы в нашем случае электроэнергия теоретически не расходуется Расход ее имеет место на преодоление сопротивлений; шин, контактов, анодов, корочки на аноде (шлама), электролита, катодов и контактов со стороны катода и разности потенциалов анода и катода (около 0,04 В) Общее напряжение на ванне составляет 0,3—0,4 В. Самая большая его часть — потеря напряжения в электролите (до 70%).
Чтобы получить гладкий и чистый катодный осадок, электролит должен содержать 40—50 г/л меди или 160—200 г л медного купороса (CuSO4*5Н2О) и серной кислоты до 200 г л.
Чтобы сделать осадки более гладкими и более чистыми, в электролит добавляют клей и тиомочевину из расчета по 50—60 г на 1 т катодной меди (иногда до 100 г).
Катоды после 5—7 суток наращивания выгружают из ванн, промывают и, если надо, переплавляют в слитки (вайербарсы).
Отслужившие свой срок аноды выгружают и направляют в анодную печь. Масса анодных остатков — их называют скрапом — обычно составляет 12—14% от исходной.
Распределение примесей. Имеющиеся в аноде примеси во время электрохимического растворения меди ведут себя по-разному. Предусмотреть реакции происходящие на аноде и катоде, можно на основе электрохимического ряда напряжений. Металлы, имеющие отрицательный потенциал, растворяются на аноде и не осаждаются на катоде. Это — первая группа примесей. К ней из часто встречающихся примесей относятся железо, кобальт, никель, олово, свинец. Электродные реакции со свинцом и оловом сопровождаются образованием осадков сульфата свинца (PbSO4) и метаоловянной кислоты (H2SnO3) Выход шлама вследствие этого увеличивается.
Ко второй группе относят элементы, имеющие потенциалы, близкие к потенциалу меди. Практически это сурьма, мышьяк и висмут.
К третьей группе относят примеси, имеющие потенциал более положительный, чем медь. Из них особенно важны золото, серебро, платина, палладий и селен Все эти элементы на 98 —99% выпадают в осадок (шлам). Шлам — очень ценный материал, так как в нем концентрируются селен (содержание до 8%), серебро (до 20%) и золото.
Загрязнение шлама примесями затрудняет его переработку. Поэтому медь во время огневого рафинирования должна быть хорошо продразнена и правильно раскислена.
В высших марках меди допускают следующее содержание примесей (не более), 0,001 висмута; по 0,002 сурьмы, мышьяка, никеля, олова; по 0,004 железа, свинца, 0,01—0,02 O2.
Основные показатели электролиза. Качество катодного осадка, расход электроэнергии и производительность цеха зависят главным образом от следующих показателей: плотности тока, напряжения на ванне и выхода по току. Плотность тока определяется как сила тока, приходящаяся на единицу поверхности катодов: D — сила тока, А поверхность, м2.
В настоящее время в России и отчасти за рубежом освоена плотность тока 250—300 А/м2.
По силе тока и 1-му закону Фарадея можно найти теоретическую производительность ванны за сутки. Практически производительность ванны будет меньше из за утечек тока и коротких замыканий. Отношение практической производительности к теоретической называют выходом по току (Kt) и выражают в процентах Например, Kт = 92—95%.
Кроме выхода по току, на практике необходимо учитывать коэффициент машинного времени, равный 0,92—0,94 (Км) Расход технологической электроэнергии постоянного тока (Р. Э) определяют как В*10в3 : Кт1,186 кВт*ч/т, где В — напряжение на ванне.
Для плотностей тока в 250—300 A/м2 расход энергии 330—370 кВт*ч/т следует считать удовлетворительным,
Регулирование состава электролита. Во время растворения на аноде более электроотрицательных, чем медь, металлов сульфат-ион связывается с ними. Некоторое количество меди растворяется на аноде после окисления кислородом воздуха: Cu + 1/2О2 + H2SO4 = CuSO4 + H2O.
По этой реакции расходуется кислота, а электролит обогащается медью. Чтобы не допустить расстройства процесса, нужно ежесуточно выводить избыток меди. Для этого приходится отбирать каждые сутки определенный объем электролита и передавать его на специальную переработку, а систему циркуляции пополнять раствором кислоты в воде до постоянного объема.
Очевидно, что при выводе примесей мы теряем сульфат-ион, т. е., в конечном итоге, серную кислоту (около 10 кг на 1 т меди).
На состав электролита влияет еще испарение воды с поверхности ванн. При 60° С с 1 м2 электролита испаряется около 2 кг воды за 1 ч. Эти потери следует восполнять, подавая воду.
Продукция электролизного завода. Основной продукцией завода электролитического рафинирования меди могут быть катоды и медные вайербарсы. Катоды перед отгрузкой потребителю промывают водой в промывочных баках или на душирующей машине.
Если требуется получить слитки, то катоды переплавляют в шахтной или отражательной печи с газовым отоплением и через миксер-отстойник разливают в изложницы карусельной машины в длинные слитки — трапецеидального сечения — вайербарсы или вытягивают в проволоку-катанку Если во время переплавки расплавленную медь подвергают глубокому восстановлению древесным углем, то получают слитки бескислородной меди.
Техника безопасности в цехе электролиза. Источник опасности в электролизном цехе создают напряжение электрического тока (постоянного и переменного), кислые и горячие растворы. Для защиты рабочие должны носить суконный костюм, резиновые перчатки и очки, исправную резиновую обувь. С порядком выполнения операций следует обязательно познакомиться по инструкции.