阳极铜中杂质在电解过程中的不利影响及分析

甘　肃　冶　金ＧＡＮＳＵ　ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ

Ｖｏｌ.４２Ｎｏ.４Ａｕｇ.ꎬ２０２０

文章编号:１６７２￣４４６１(２０２０)０４￣００５５￣０２

阳极铜中杂质在电解过程中的不利影响及分析

李　玉ꎬ张　红ꎬ王宏伟ꎬ李彦龙ꎬ周矿兵

(西北冶研究院ꎬ甘肃　白银　７３０９００)

摘　要:铜火法熔炼生产的阳极铜所含杂质ꎬ随电解过程这些杂质释放到电解液中ꎮ通过各有害元素对阴极铜质量影响的直观描述ꎬ分析各有害杂质元素在阳极铜中适宜的含量范围ꎬ以期在熔炼过程中合理控制各杂质含量ꎬ从电解“源头”上减轻杂质元素对电解产品的影响ꎬ提高铜电解质量和效率ꎮ关键词:阳极铜ꎻ阴极铜ꎻ杂质ꎻ精炼

中图分类号:ＴＦ８１１　　　　　文献标识码:Ａ

ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＡｄｖｅｒｓｅＥｆｆｅｃｔｏｆＩｍｐｕｒｉｔｉｅｓｉｎＡｎｏｄｅ

ＣｏｐｐｅｒＤｕｒｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ

ＬＩＹｕꎬＺＨＡＮＧＨｏｎｇꎬＷＡＮＧＨｏｎｇ￣ｗｅｉꎬＬｉＹａｎ￣ｌｏｎｇꎬＺＨＯＵＫｕａｎｇ￣ｂｉｎｇ

(ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＭｅｔａｌｌｕｒｇｙꎬＢａｉｙｉｎ７３０９００ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓｉｎａｎｏｄｅｃｏｐｐｅｒｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙｃｏｐｐｅｒｐｙｒｏｍｅｔａｌｌｕｒｇｙａｒｅｒｅｌｅａｓｅｄｉｎｔｏｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｗｉｔｈｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｌｙ￣ｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓ.Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｖｉｓｕａｌｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｈａｒｍｆｕｌｅｌｅｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｃａｔｈｏｄｅｃｏｐｐｅｒꎬｔｈｅｓｕｉｔ￣ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓｉｎｔｈｅｓｍｅｌｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓꎬｒｅｄｕｃｅｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓｏｎｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｉｃｐｒｏｄｕｃｔｓｆｒｏｍｔｈｅ\"ｓｏｕｒｃｅ\"ｏｆｅｌｅｃｔｒｏｌｙ￣ｓｉｓꎬａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｃｏｐｐｅｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｓｉｓ.ＫｅｙＷｏｒｄｓ:ａｎｏｄｅｃｏｐｐｅｒꎻｃａｔｈｏｄｅｃｏｐｐｅｒꎻｉｍｐｕｒｉｔｙꎻｒｅｆｉｎｉｎｇ

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１　引言

阳极铜是湿法电解铜精炼的主要原料ꎬ通过对铜精矿造锍熔炼、铜锍吹炼、火法精炼等火法冶炼工序ꎬ经倒模浇注制成含铜量９９.３％~９９.７％的电解阳极铜板ꎬ再对阳极铜进行电解精炼ꎬ得到优质电解铜ꎮ

随着我国经济的发展ꎬ我国对铜的需求日益增加ꎬ而国内铜矿大多品位较低ꎬ经过多年开采ꎬ铜精矿成分也愈加不稳定ꎬ受原料成分影响ꎬ铜冶炼企业生产的阳极铜所含杂质波动范围大ꎮ另外ꎬ利用废旧电缆、电子产品等生产再生铜ꎬ在一定程度上缓解了国内铜资源紧张的矛盾ꎬ但因其合金含量成分高ꎬ回炉熔炼得到的阳极铜纯度大多在９８％左右ꎬ其品位和成分大多不能满足电解阳极铜的质量要求ꎮ

在电解过程中ꎬ阳极铜杂质成分如不能达到要求ꎬ不但会增加电解液净化除杂的压力ꎬ甚至还会提

高阴极铜的废品率ꎮ因此ꎬ熟悉阳极铜所含杂质及其含量对电解过程的影响ꎬ在生产过程中ꎬ采取有效措施控制阳极铜杂质的成分及比例ꎬ对提高阴级铜质量具有积极意义ꎮ

２　阳极铜中常见杂质在电解中的影响

电解精炼阴极铜主要质量缺陷为板面局部结粒密集、表面色纹等ꎮ通过对阴极铜成分分析ꎬ阴极铜因杂质引起的质量问题ꎬ主要是阴极铜晶体中存在机械夹杂ꎮ造成阴极铜质量不能达标的因素有阳极铜杂质成分及含量、电解液杂质含量、添加剂配比、生产工艺技术条件、操作管理等诸多原因ꎮ

本文仅讨论阳极铜中常见杂质在电解中对阴极铜质量的影响ꎬ明确阳极铜在熔炼过程中对哪些有害２.１　阳极铜常见杂质在电解过程中的有害性分析

在铜电解过程中ꎬ常见杂质及主要影响如下ꎮ元素应进行重点控制ꎬ为电解工艺模式化创造条件ꎮ

５６　　　　　　　　　甘　肃　冶　金　　　　　　　　　　　　　　　　第４２卷

⑴杂质在电解液中达到一定浓度时ꎬ会与铜离在铜电解精炼过程中ꎬ随着阳极铜在电解液中

盐类或氧化物不溶物质存在电解液中ꎬ如ＰｂＳＯ４、ＰｂＯ２、Ｓｎ(ＯＨ)２ＳＯ４等ꎬＰｂ、Ｓｎ数量多时ꎬ阴极铜会发生机械夹杂ꎻＡｓ、Ｓｂ、Ｂｉ在电解过程中溶解到一定程度会生成ＳｂＡｓＯ４、ＢｉＡｓＯ４絮状漂浮化合物ꎬ严重时可引起电解液混浊不清ꎬ这些化合物粘附在阴极上形成阴极铜机械夹杂的现象较为常见ꎻＯ、Ｓ、Ｓｅ等非金属在阳极中一般以Ｃｕ２Ｓ、Ｃｕ２Ｏ、Ｃｕ２Ｓｅ、Ａｇ２Ｓｅ２.２　阳极铜常见杂质含量要求分析

从阳极铜常见杂质在电解中有害性分析可以明确ꎬ在电解过程中电解液颗粒物质较多ꎬ是引起阴极铜机械夹杂的主要因素ꎬ这些颗粒物大多是阳极铜杂质形成的ꎬ因此有必要对阳极铜杂质含量进行ꎮ

阳极铜中能够引起阴极铜机械夹杂的主要元素有Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉꎬ其次为Ｐｂ、Ｓｎ等元素ꎬ在阳极铜精炼过程中ꎬ需对以上杂质含量进行重点控制ꎮ

三类产品各元素质量百分比(表１[２])指标ꎮ可以看出ꎬ标准对阳极铜Ｓｂ、Ｂｉ的含量进行了严格ꎬ分别为０.０２％、０.０１％ꎬ对Ａｓ的含量较为放宽ꎬ对Ｓｂ、Ｂｉ含量进行ꎬ就可降低ＢｉＡｓＯ４、ＳｂＡｓＯ４在电解液中的含量ꎮ

依据现行行业标准«阳极铜»ＹＳ/Ｔ１０８３－２０１５应[１]ꎮ

等稳定的化合物存在于阳极中ꎬ不发生电解反

子在阴极一同析出ꎬ对阳极铜质量造成影响ꎮ

的消耗ꎬ其所含杂质也同时进入电解溶液中ꎬ杂质超过一定浓度时ꎬ有害离子在阴极共同析出ꎮ一般情况下ꎬＺｎ、Ｆｅ、Ｎｉ等杂质主要以二价离子形式存在于电解液中ꎬ对电解铜质量影响较Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ要小的多ꎬ正常工况下ꎬ不会在阴极析出ꎮＡｓ、Ｓｂ、Ｂｉ在铜电解过程中会溶解到电解液中ꎬ这类杂质与铜的电位相近ꎬ一定条件下ꎬ在阴极会与铜一起析出ꎬ对电解铜质量影响明显ꎬ是电解过程希望去除的杂质[１]ꎮ

对于上述情况ꎬ只要生产工况正常ꎬ或稍作生产⑵杂质在电解液中形成难溶化合物或重金属物

工艺参数调整ꎬ阴极铜质量一般不会受到影响ꎮ

质ꎬ一起构成电解阳极泥ꎬ在一定条件下会造成铜电解液混浊ꎬ电解过程中这些物质粘结在阴极上ꎬ以机械夹杂的形式在阴极一同析出ꎬ严重影响阴极铜的表观质量ꎮ

在电解液中ꎬ形成难溶化合物或重金属沉淀的杂质主要有Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｂ、Ｐ、Ｓｎ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｏ、Ｓ、Ｓｅ等ꎬ其中有Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ等直接进入阳极泥中ꎬ不发生电化学反应ꎬ对电解过程影响小ꎻＰ、Ｓｎ溶解主要以

表１　阳极铜产品成分/％

产品等级一级品二级品三级品

Ｃｕ

９９.２０≤Ｃｕ≤９９.５０９８.８０≤Ｃｕ≤９９.２０９８.５０≤Ｃｕ≤９８.５０

Ｎｉ０.１００.２００.３０

Ａｓ０.１００.１５０.２０

Ｓｂ０.０２０.０５０.１０

Ｂｉ０.０１０.０３０.０５

Ｐｂ０.１００.１５０.２０

Ｓｎ０.０５０.１００.１５

Ｏ０.１５０.２００.２５

３　阳极铜杂质控制

３.１　铜精矿冶炼阳极铜杂质控制

铜精矿冶炼一般在粗铜精炼阶段除杂ꎬ主要包括氧化和还原两个过程ꎬ除杂主要在氧化精炼阶段ꎬ在此阶段ꎬＰｂ和Ｓｎ加入造渣剂就可达到精炼指标要求ꎬＡｓ、Ｓｂ、Ｂｉ为难除杂质ꎬ对于Ａｓ、Ｓｂ多采用反复氧化的方法才能达到指标要求ꎬ铜矿中Ｂｉ含量很少ꎬ一般不进行除杂ꎮ

因此ꎬ粗铜在精炼过程中Ａｓ、Ｓｂ的去除过程应予以重点关注ꎮ

３.２　废杂铜熔炼生产阳极铜

我国对废杂铜的回收处理方式分为两种ꎮ第一种是将废杂铜直接熔炼成不同牌号的铜合金或精铜ꎬ产品俗成再生铜[３]ꎮ

第二种是将废杂铜通过火法冶炼铸造成阳极铜[３]ꎮ

采用废杂铜为原料通过火法精炼得到的阳极铜一般不能满足«阳极铜»ＹＳ/Ｔ１０８３－２０１５有关各元素质量百分比的要求ꎬ多数产品铜含量在９８％以下ꎮ

４　提高阳极铜质量的措施

在铜电解精炼过程中ꎬ控制阳极铜杂质含量ꎬ可以有效提高阴极铜质量ꎬ可有效控制电解液中的杂质ꎬ电解液成分满足各项指标要求ꎬ对于生产高纯阴极铜ꎬ创造了充分的物质条件ꎮ

⑴在粗铜精炼氧化还原阶段ꎬ强化Ａｓ、Ｓｂ、Ｐｂ、Ｓｎ的去除过程ꎬ对产品成分在线监控ꎬ使各项指标达到要求ꎮ

⑵对含Ａｓ、Ｓｂ杂质较高的铜精矿ꎬ根据企业自身冶炼技术水平ꎬ采用杂质含量少的与杂质含量多的原料进行合理配比冶炼阳极铜ꎬ或者对该种原料不予购买ꎮ

(下转第６８页)

６８　　　　　　　　　甘　肃　冶　金　　　　　　　　　　　　　　　　第４２卷

体(Ｗ)和粗大的针状铁素体(Ｆ)组织ꎻ闪光结束时ꎬ对工件施加足够的顶端压力ꎬ非金属挤出夹杂物ꎮ参考文献:

[１]　王　宁ꎬ李　毅ꎬ杜林秀ꎬ等.高强度汽车车轮钢的研制及结构减重分析[Ｊ].轧钢ꎬ２００６ꎬ２３(０５):１￣４.与开发[Ｊ].材料应用ꎬ２０１２(０３):５７￣５９.京:中国国家质量技术监督局ꎬ２００６.中国国家质量技术监督局ꎬ１９９９.

[２]　栾士双ꎬ毕ꎬ翟利伟ꎬ等.车轮钢ＴＧ３８０ＣＬ的研制[３]　ＹＢ/Ｔ４１５１－２００６ꎬ汽车车轮用热轧钢板和带钢[Ｓ].北[４]　ＧＢ/Ｔ１３２９８－１９９１ꎬ金属显微组织检验方法[Ｓ].北京:[５]　吴爱新ꎬ赵文成ꎬ马韧宾ꎬ等.金属塑性变形与轧制技术[Ｍ].北京:北京大学出版社ꎬ２０１３.理测试ꎬ２０１６ꎬ３４(０３):４５￣５０.

收稿日期:２０１９￣１２￣３０

作者简介:霍　璐(１９８３￣)ꎬ女ꎬ河北省唐山市人ꎬ讲师ꎬ大学本科ꎬ理学学位ꎮ研究方向为钢铁冶金ꎮ

　　由图４可见ꎬ断口处非金属夹杂物主要为氧化物ꎮ在焊机闪光阶段ꎬ由于高温熔化状态的带钢暴露在空气中ꎬ带钢发生氧化ꎬ形成非金属夹杂物ꎬ当带钢两端被充分加热后ꎬ进行顶锻ꎬ上述非金属夹杂物挤出不完全ꎬ保留在焊缝处ꎮ非金属夹杂物破坏带钢的连续性ꎬ降低其塑性和韧性ꎬ在随后的成型工序中ꎬ焊缝处带钢受到拉应力的作用ꎬ受拉部位的夹杂物与基体金属变形不一致ꎬ夹杂物周围产生不均匀变形[５]ꎬ形成附加应力和应力集中引起微裂纹ꎬ在外力作用下ꎬ微裂纹沿着晶面发展形成解理面ꎬ不同高度的解理面聚集ꎬ形成了河流花样断口

[６]

５　结语

ꎮ

汽车车轮用钢闪光对焊成型后出现裂纹ꎬ主要原因是焊缝处存在非金属夹杂物ꎬ焊缝处晶粒粗大、组织不均匀ꎬ存在魏氏体(Ｗ)也会引起开裂ꎮ

优化焊接工艺参数ꎬ控制电压、闪光时间、顶锻压力和电流强度ꎬ避免由于过热度太大而形成魏氏(上接第５６页)

[６]　徐志刚.ＳＣＭ４４０合金结构钢工件裂纹原因分析[Ｊ].物

　　⑶对企业冶炼设备进行改造ꎬ采用技术升级的方式ꎬ如富氧精炼等ꎬ提高设备性能ꎮ

⑷使用废杂铜为原料采用火法冶炼生产阳极

９９.１％~９９.８％之间ꎮ铜品位过低ꎬ也会增加电解生９８.５％ꎮ

产过程中的控制难度ꎬ阳极铜铜品位下限不宜低于

⑷为满足铜的不同使用性能ꎬ在铜产品中掺加

控制难度ꎬ高纯阴极铜的生产ꎬ阳极铜品位一般在

铜ꎬ应尽量采用掺料的方式进行精炼ꎻ受设备能力ꎬ装备水平较低的企业ꎬ可联合技术较强的企业生产阳极铜ꎮ

了不同的合金元素ꎬ回收这样的废杂铜用来生产阳极铜ꎬ铜品位一般不能满足铜电解精炼的要求ꎬ建议不选用这样的原料进行阳极铜的生产ꎮ参考文献:

２００２.

[１]　朱祖泽ꎬ贺家奇.现代冶金学[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ[２]　中华人民共和国工业和信息化部.ＹＳ/Ｔ１０８３－２０１５ꎬ阳极铜[Ｓ].北京:中国标准出版社.

[３]　北京有色冶金设计研究总院ꎬ重有色金属冶炼设计手册(铜镍卷)[Ｍ].北京:冶金工业出版社ꎬ１９９６.１０.

收稿日期:２０２０￣０３￣１６

作者简介:李　玉(１９７３￣)ꎬ男ꎬ汉族ꎬ河南省唐河县人ꎬ机械高级工程师ꎬ本科学历ꎮ

５　结语

程中常见的质量问题ꎬ虽然其形成的主要机理表现的因素有很多ꎬ如电解过程中添加剂的配比及添加量、始极片及阳极铜加工质量、电解工况条件、电解工艺参数和标准化操作管理等ꎮ

⑵对阳极铜杂质含量进行控制ꎬ在铜电解过程⑶粗铜精炼过程中过度的提高阳极铜的品位ꎬ⑴阴极铜表面结粒、色纹差等缺陷是铜电解过

形式为机械夹杂ꎬ具有统一的相似性ꎬ但导致其产生

中才能保证引起阴极铜机械夹杂的其他因素在采取改进措施时具有可行性ꎮ

会发生较高的生产成本ꎬ同时也增加了电解生产的