Здесь можно найти образцы любых учебных материалов, т.е. получить помощь в написании уникальных курсовых работ, дипломов, лабораторных работ, контрольных работ и рефератов. Так же вы мажете самостоятельно повысить уникальность своей работы для прохождения проверки на плагиат всего за несколько минут.

ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ 

 

Здравствуйте гость!

 

Логин:

Пароль:

 

Запомнить

 

 

Забыли пароль? Регистрация

Повышение уникальности

Предлагаем нашим посетителям воспользоваться бесплатным программным обеспечением «StudentHelp», которое позволит вам всего за несколько минут, выполнить повышение уникальности любого файла в формате MS Word. После такого повышения уникальности, ваша работа легко пройдете проверку в системах антиплагиат вуз, antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru. Программа «StudentHelp» работает по уникальной технологии и при повышении уникальности не вставляет в текст скрытых символов, и даже если препод скопирует текст в блокнот – не увидит ни каких отличий от текста в Word файле.

Результат поиска


Наименование:


курсовая работа Электролитическое рафинирование меди

Информация:

Тип работы: курсовая работа. Добавлен: 26.08.2012. Сдан: 2011. Страниц: 42. Уникальность по antiplagiat.ru: < 30%

Описание (план):


Введение
      Медь  совместно с никелем, свинцом, цинком и оловом образуют группу основных тяжелых цветных металлов. Медь служит человеку на протяжении почти всей истории развития человеческого  общества. Значение меди для современного общества трудно переоценить.
      В периодической системе элементов  Д. И. Менделеева медь расположена в 1 группе 4-го периода, порядковый номер 29. Как элемент первой группы медь одновалентна. В этом состоянии она  наиболее широко представлена в рудных минералах, штейнах, шлаках и других продуктах пирометаллургии. В продуктах  их окисления в природе и в  технологических процессах более  устойчивым является двухвалентное  состояние.
      Медь  – мягкий, вязкий и ковкий металл красного цвета. Она легко прокатывается в тонкие листы и вытягивается в проволоку. По электропроводности медь уступает только серебру.
      В химическом отношении медь малоактивный металл, хотя она в определенных условиях может непосредственно  соединяться с кислородом, серой, галогенами и другими элементами.
      При обычной температуре сухой воздух и влага в отдельности не действуют  на медь, но во влажном воздухе, содержащем СО2, медь окисляется и покрывается зеленой пленкой основного карбоната CuCO3·Cu(OH)2.
      В ряду напряжений медь более электроположительна, чем водород. Поэтому в растворах  таких кислот, как серная и соляная, не растворяется в отсутствии окислителя. В кислотах-окислителях медь растворяется легко.
     Цели  курсовой работы: изучить и описать процесс электролитического рафинирования меди, рассмотреть пути его совершенствования, выбрать и обосновать технологические параметры процесса; рассчитать материальный  и  тепловой баланс процесса; рассчитать основное оборудование и его количество; расчитать напряжение на ванне; определить ведущую примесь. Производительность отделения электролитического рафинирования 350000 тонн катодной меди в год.
 

     
     1 Общие сведения  о металле
     1.1  Нахождение в природе
     Медь  – наиболее ценный и один из самых  распространенных цветных металлов. Благодаря своим свойствам, среди  которых пластичность, коррозионная стойкость, электропроводность, высокие  эстетические свойства и относительно невысокая стоимость производства и извлечения меди, позволяет применять  ее в различных отраслях промышленности, начиная от медицины и заканчивая электроникой.
     Содержание  меди в земной коре (4,7.5,5).10-3% по массе. Для меди характерны месторождения гидротермального происхождения. В морской воде содержание меди 3.10-7% по массе, в речной —1.10-7%; ионы меди, поступающие в бассейны морей и океанов, сорбируются донными отложениями, поэтому содержание меди в них достигает 5,7.10-3%. Ионы меди участвуют во многих физиологических процессах, среднее содержание меди в живых организмах 2.10-4% по массе, в крови человека около 0,001мг/л [6].
     В земной коре медь встречается в основном в виде соединений с S (св. 90% мировых  запасов и добычи медь) и в виде кислородсодержащих соединений. Известно более 250 медных минералов. Большинство из них встречается редко. Наибольшее промышленное значение для производства меди имеет небольшая группа минералов.
     Таблица 1.1 Минералы меди и её содержание в  минерале 

     Минерал меди      Содержание  меди, %
   Халькопирит CuFeS2      34,5
   Ковеллин CuS      66,4
   Халькозин Cu2S      79,8
   Борнит Cu5FeS4      63,3
   Малахит CuCO3·Cu(OH)2      57,4
   Азурит CuCO3·2Cu(OH)2      55,1
   Куприт CuO      88,8
   Хризоколла CuSiO3·2H2O      36,2
   Самородная  медь Cu, Au, Ag, Fe и др      до 100
     Источниками получения меди являются руды, продукты их обогащения – концентраты –  и вторичное сырьё. На долю вторичного сырья в настоящее время приходится ~ 40 % от общего выпуска меди.[1, 2]
     Медные  руды практически полностью относятся  к полиметаллическим. Монометаллических  руд меди практически нет. Возможными природными спутниками меди, как и  других тяжёлых цветных металлов, являются большинство элементов 4-6-го длинных периодов Периодической  системы Д. И. Менделеева.
     Ценными спутниками меди в рудном сырье являются примерно 30 элементов. Важнейшие из них: цинк, свинец, никель, кобальт, золото, серебро, платиновые металлы, сера, селен, теллур, кадмий, германий, рений, индий, талий, молибден, железо.
       Одновременное присутствие в  медных рудах всех указанных  элементов не является обязательным, но все они в различных комбинациях  могут встречаться в тех или  иных типах руд.
     В медном производстве используются все  типы руд: сульфидные (сплошные и вкрапленные), окисленные, смешанные и самородные. Однако основным медным сырьём являются сульфидные вкрапленники, запасы которых  в недрах являются наибольшими. Из сульфидных руд в настоящее время выплавляют 85-90 % всей первичной меди.
     В современной практике обычно разрабатывают  руды с содержанием меди 0,8-1,5 %, а  иногда и выше. Однако для крупных  месторождений вкрапленных руд  минимальное содержание меди, пригодное  для разработки в современных  условиях, составляет 0,4-0,5 %.[2]
     Наряду  с медными минералами в рудах  находятся в больших или меньших  количествах сульфиды других тяжелых  цветных металлов (цинка, свинца, никеля) и железа. Железо может присутствовать как в форме самостоятельных, так и в виде комплексных сульфидов  типа халькопирита и борнита. Основными  природными сульфидами железа являются пирит FeS2 и пирротин Fe7S8 (Fe1-xS). Ценность медных руд значительно повышается из-за наличия в них благородных металлов и ряда редких и рассеянных элементов: селена, теллура, рения, висмута и др.
     Халькопирит, ковеллин, борнит и пирит относятся  к высшим сульфидам. Они содержат избыток серы сверх стехиометрического содержания, соответствующего валентным  отношениям. При нагреве высшие сульфиды диссоциируют с образованием низших сульфидов и выделением паров  элементарной серы.[7]
     Кроме рудных минералов в медных рудах  содержится пустая порода в виде кремнезёма, глинозёма, кальцита, различных силикатов  и др. В практике медного производства встречаются кислые руды, в пустой породе которых преобладает кремнезём  SiO2 и основные руды со значительными количествами известняка и других минералов.
     Вследствие  низкого содержания меди и комплексного характера руд в большинстве  случаев непосредственная металлургическая переработка невыгодна, поэтому  они предварительно подвергаются флотационному  обогащению.
     При обогащении медных руд основным продуктом  являются медные концентраты, содержащие до 55 % Cu (чаще 10-30 %). Извлечение меди к концентраты при флотации колеблется от 80 до 95 %. Кроме медных, при обогащении руд получают пиритные концентраты и иногда концентраты ряда других цветных металлов (цинковый, молибденовый и др.). Отходами обогащения являются отвальные хвосты. Флотационные концентраты представляют собой тонкие порошки с частицами крупностью 89-95 % -74 мкм с влажностью 8-10 %.
     1.2 Физические свойства  меди 
     Медь  — пластичный метелл золотисто-розового цвета, на воздухе быстро покрывается оксидной плёнкой, которая придаёт ей характерный интенсивный желтовато-красный оттенок. Медь обладает высокой тепло- и электропроводностью (занимает второе место по электропроводности после серебра). Имеет два стабильных изотопа — 63Cu и 65Cu, и несколько радиоактивных изотопов. Самый долгоживущий из них, 64Cu, имеет период полураспада 12,7 ч и два варианта распада с различными продуктами.
     Металл  имеет гранецентрированную кубическую решетку с параметром, а = 3,6074 A; плотность 8,96 г/см3 (20 °С). Атомный радиус 1,28 A; ионные радиусы Cu+ 0,98 A; Сu2+ 0,80 A; tпл1083 °С; tкип 2600 °С; удельная теплоемкость (при 20 °С) 385,48 дж/(кг·К), т.е. 0,092 кал/(г·°С). Наиболее важные и широко используемые свойства Меди: высокая теплопроводность - при 20 °С 394,279 вт/(м·К.), то есть 0,941 кал/(см·сек·°С); малое электрическое сопротивление - при 20 °С 1,68·10-8 ом·м. Термический коэффициент линейного расширения 17,0·10-6. Давление паров над медью ничтожно, давление 133,322 н/м2 (т.е. 1 мм рт.ст.) достигается лишь при 1628 °С. Медь диамагнитна; атомная магнитная восприимчивость 5,27·10-6. Твердость Меди по Бринеллю 350 Мн/м2 (т. е. 35 кгс/мм2); предел прочности при растяжении 220 Мн/м2 (т. е. 22 кгс/мм2); относительное удлинение 60%, модуль упругости 132·103 Мн/м2(т.е. 13,2·103 кгс/мм2). Путем наклепа предел прочности может быть повышен до 400-450 Мн/м2, при этом удлинение уменьшается до 2% , а электропроводность уменьшается на 1-3.
     1.3 Химические свойства  меди
     Медь  относится к малоактивным металлам. Стандартный электродный потенциал меди равен +0,34 В, что определяет ее место в ряду стандартных электродных потенциалов: оно находится правее водорода. При обычных условиях она не взаимодействует с водой, растворами щелочей, соляной и разбавленной серной кислотой. Однако, в кислотах-сильных окислителях (например, азотной и концентрированной серной)-медь растворяется:
        Сu + 8HNO3 = 3Cu(NO3 )2 + 2NO + 4Н2O   (1.2.1) 
        разбавленная 
        Сu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2+ 2Н2O   (1.2.2) 
        концентрированная 
        Сu+ 2H2SO4 = CuSO4 + SO2 + 2 Н2O    (1.2.3) 
        концентрированная

     Как малоактивный металл медь обладает достаточно высокой стойкостью к коррозии, влажной  атмосфере, содержащей углекислый газ, медь покрывается зеленоватым налетом  карбоната меди:
     2 Сu + O2 + СO2 + Н2O =Сu (ОН)2 • СuСO(1.2.4)
     В большинстве известных соединений медь проявляет степень окисления + 2. Соединения меди (II)-оксид СuО и гидроксид Си(ОН)2-довольно устойчивы. Этот гидроксид амфотерен,хорошо растворяется в кислотах:
     Cu(OH)2 + 2НС1 = СuСl2 + 2Н2O    (1.2.5)
     и в концентрированных щелочах.
     Гидроксид меди (II)-труднорасворимое в воде вещество голубого цвета. При нагревании разлагается,образуя оксид меди (II) черного цвета:
     Сu(ОН)2 =СuО + Н2O      (1.2.6)
     Темный  цвет окисленных медных изделий обусловлен наличием на их поверхности этого  оксида. Для ионов меди (II) Сu2+ характерно образование комплексных соединений, например K2[Cu(CN)4]-тетрацианокупрат (II) калия:
     CuCl2 + 4KCN = К2 [Cu(CN)4] + 2КСl   (1.2.7)
     Из  других комплексных соединений меди (II) отметим соединение с аммиаком. Если к раствору хлорида меди (II) прилить небольшое количество раствора аммиака, то выпадет осадок гидроксида меди (II):
     CuCl2 + 2NH3 + 2Н2O = Сu(ОН)2 + 2NH4Cl  (1.2.8)
     Если  добавить избыток аммиака, то гидроксид  растворится с образованием комплексного соединения темно-синей окраски, характерной  для аммиачного комплекса меди:
     Сu(ОН)2+ 4NH3 = [Cu(NH3)4] (ОН)2    (1.2.9)
     Эта реакция является качественной на ион  меди (II).
     Растворимость гидроксида меди (II) в щелочах также  связана с образованием комплексных  соединений:
     Cu(OH)2 + 2NaOH = Na2 [Cu(OH)4]    (1.2.10)
     Образованием комплексных соединений объясняется цвет растворов солей меди (II). Почему, например, безводный сульфат меди (II)-вещество белого цвета, а раствор этой соли имеет голубую окраску? При растворении происходит химическое взаимодействие ионов соли с водой, и образуются так называемые аквакомплексы меди, имеющие голубую окраску:
     CuSO4 + 6Н2O = [Сu (Н2O)6] SO4    (1.2.11)
     Соединения  меди (III), например Cu203 или KCu02, встречаются редко, они малоустойчивы. Устойчивость соединений меди (I) выше, однако и они в водных растворах легко подвергаются диспролорциог нированию (реакции самоокисления-самовосстановления): 
2Сu+ = Сu + Сu2+       (1.2.12)

     1.4 Применение меди
     Медь, ее соединения и сплавы находят широкое  применение в различных отраслях промышленности.
     В электротехнике медь используется в  чистом виде: в производстве кабельных  изделий, шин голого и контактного  проводов, электрогенераторов, телефонного  и телеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливают теплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы. Сплавы меди с  другими металлами используют в  машиностроении, в автомобильной  и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры.
     Высокая вязкость и пластичность металла  позволяют применять медь для  изготовления разнообразных изделий  с очень сложным узором. Проволока  из красной меди в отожженном состоянии  становится настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно  вить всевозможные шнуры и выгибать самые сложные элементы орнамента. Кроме того, проволока из меди легко  спаивается с серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится. Эти свойства меди делают ее незаменимым материалом при производстве филигранных изделий.
     Коэффициент линейного и объемного расширения меди при нагревании приблизительно такой же , как у горячих эмалей, в связи с чем при остывании  эмаль хорошо держится на медном изделии, не трескается , не отскакивает. Благодаря  этому мастера для производства эмалевых изделий предпочитают медь всем другим металлам.
     Как и некоторые другие металлы, медь входит в число жизненно важных микроэлементов. Она участвует в процессе фотосинтеза и усвоении растениями азота, способствует синтезу сахара, белков, крахмала, витаминов. Чаще всего медь вносят в почву в виде пятиводного сульфата - медного купороса CuSO4.5H2O. В большом количестве он ядовит, как и многие другие соединения меди, особенно для низших организмов. В малых же дозах медь необходима всему живому
     В электротехнике медь используется в  чистом виде: в производстве кабельных  изделий, шин голого и контактного  проводов, электрогенераторов, телефонного  и телеграфного оборудования и радиоаппаратуры. Из меди изготавливают теплообменники, вакуум-аппараты, трубопроводы. Более 30% меди идет на сплавы. Сплавы меди с  другими металлами используют в  машиностроении, в автомобильной  и тракторной промышленности (радиаторы, подшипники), для изготовления химической аппаратуры.
     Высокая вязкость и пластичность металла  позволяют применять медь для  изготовления разнообразных изделий  с очень сложным узором. Проволока  из красной меди в отожженном состоянии  становится настолько мягкой и пластичной, что из нее без труда можно  вить всевозможные шнуры и выгибать самые сложные элементы орнамента. Кроме того, проволока из меди легко спаивается серебряным припоем, хорошо серебрится и золотится. Эти свойства меди делают ее незаменимым материалом при производстве филигранных изделий.
     Широкое применение имеют сплавы на основе меди. Сплавы, повышающие прочность и другие свойства меди, получают введением в нее добавок, таких, как цинк, олово, кремний, свинец, алюминий, марганец, никель. На сплавы идет более 30% меди.
     Латуни - сплавы меди с цинком ( меди от 60 до 90% и цинка от 40 до 10%) - прочнее меди и менее подвержены окислению. При присадке к латуни кремния и свинца повышаются ее антифрикционные качества, при присадке олова, алюминия, марганца и никеля возрастает антикоррозийная стойкость. Листы, литые изделия используются в машиностроении, особенно в химическом, в оптике и приборостроении, в производстве сеток для целлюлозно-бумажной промышленности.
     Бронзы. Раньше бронзами называли сплавы меди (80-94%) и олова (20-6%). В настоящее время производят безоловянные бронзы, именуемые по главному вслед за медью компоненту.
     Алюминиевые бронзы содержат 5-11% алюминия, обладают высокими механическими свойствами в сочетании с антикоррозийной стойкостью.
     Свинцовые бронзы, содержащие 25-33% свинца, используют главным образом для изготовления подшипников, работающих при высоких давлениях и больших скоростях скольжения.
     Кремниевые  бронзы, содержащие 4-5% кремния, применяют как дешевые заменители оловянных бронз.
     Бериллиевые бронзы, содержащие 1,8-2,3% бериллия, отличаются твердостью после закалки и высокой упругостью. Их применяют для изготовления пружин и пружинящих изделий.
     Кадмиевые бронзы - сплавы меди с небольшим количества кадмия (до1%) - используют при производстве троллейных проводов, для изготовления арматуры водопроводных и газовых линий и в машиностроении.
     Припои - сплавы цветных металлов, применяемые при пайке для получения монолитного паяного шва.
 

     
     2 Характеристика технологических схем переработки медных концентратов
     Для переработки всех видов медьсодержащего  сырья с целью получения металлической  меди применяют как пиро-, так  и гидрометаллургические процессы. В общем объёме произведённой  меди на долю пирометаллургических способов приходится ~ 85 % мирового выпуска этого  металла. Наибольшее распространение  гидрометаллургия меди имеет в странах  с жарким климатом, где имеется  возможность использовать открытые установки без сооружения больших  производственных зданий.
     Пирометаллургическая  технология предусматривает переработку  сырьевых материалов – руд и концентратов на черновую медь с последующим ее обязательным рафинированием. Цель пирометаллургии  меди - получение черновой меди –  достигается за счет практически  полного удаления серы, железа и  пустой породы в соответствующие  продукты технологии. При этом с  учетом комплексного характера медного  сырья одновременно решается задача максимального попутного извлечения  всех ценных элементов-спутников меди. Принципиальная технологическая схема пирометаллургического получения меди из сульфидных руд представлена на схеме 2.1.
  К числу пирометаллургических процессов, применяемых при производстве меди, относятся окислительный обжиг, различные виды плавок (на штейн, восстановительные, рафинировочные), конвертирование штейнов и в ряде случаев возгоночные процессы. Типичными гидрометаллургическими процессами являются выщелачивание, очистка растворов от примесей, осаждение металлов из растворов (цементация, электролиз и др.), а также электролитическое рафинирование.
  Медный  концентрат после обогащения имеет  следующий состав: 18,5-36,5% Cu; 0-0,05% Pb; 0-1,1% Zn; 7,1-31,6% Fe; 16,6-35,5% S; 5,5-24,8% SiO2; 2,1-7,2% Al2O3; 0,1-2,4% CaO.
Далее этот концентрат поступает на окислительный  обжиг, основным назначением которого являются частичное окисление сульфида железа и перевод последнего в  оксидную форму для того, чтобы при последующей плавке огарка больше железа перешло в шлак.
Окисление сульфидов при обжиге осуществляется при повышенных температурах (700-900оС). Необходимая для процесса обжига теплота получается за счет экзотермических реакций окисления сульфидов:
2FeS + 3,502 = Fe203 + 2S02 + 92100 кДж    (2.1)
22FeS + 5,502 = Fe203 + 4S02 + 165500 кДж   (2.2)
2CuFeS2 + 602 = Fe203 + Cu20 + 4S02     (2.3)
 


                                                            Медная руда 

      В отвал                 Хвосты                   Обогащение
       

                         Дутьё                              Медный концентрат 

                                                     Обжиг
                                                                                                       Плавка на 
            Газы                                  Огарок                                   черновую медь
                   Флюсы                 
                                              Плавка на штейн                                      
                                                                                                            Шлак       Газы
                                 Газы             Штейн              Шлак
                                                                                                       На обеднение
                                                                              В отвал
                               Кварц                           Дутьё
                                                                        
                                             Конвертирование                                В производство
                                                                                                                    H2SO4
                                  
                         Газы         Конвертерный  шлак        Черновая  медь
     
     
                                               На обеднение
                                                                          Воздух                Восстановитель
      В производство
          H2SO4                                                       Огневое рафинирование
                                                                                           
                                                                                             
                                                                                     Анодная медь 
 

                                                                     Электролитическое рафинирование 

                                                         Катодная медь                                              Шламы
     
             К потребителю                                  Переплавка                         Извлечение 
                                                                                                                            Au, Ag, Se, Te
                                               Вейербарсы                         Катанка 

  Схема 2.1 – Принципиальная технологическая  схема пирометаллургии меди: I – IV – варианты переработки исходного сырья на черновую медь [3]
 


   Продуктами  окислительного обжига медных концентратов являются огарок (17-30% Cu; 25-50% Fe; 12-18% S; 16-20% O2), пыль и газы. Обжиг в настоящее время проводится в печах кипящего слоя.[5]
   Далее огарок отправляется на плавку на штейн.
   Плавку  на штейн медных руд и концентратов – основной технологический процесс  – можно проводить любым видом  рудных плавок. В современной металлургии  меди для ее осуществления используют отражательные, рудотермические (электрические) и шахтные печи, а также автогенные процессы нескольких разновидностей.
   Процесс отражательной плавки предназначен для плавки мелкодисперсного материала (флотационный концентрат, цементационная медь, окалина, огарки, пыль) или оборотных  расплавов.
   Удельный  вес отражательной плавки в связи  с развитием автогенных процессов  снижается. В настоящее время  доля меди, полученная с ее использованием, составляет 40-50%.
   Электроплавка отличается источником энергии для  осуществления физико-химических превращений. Температура поддерживается за счет тепла, получаемого путем преобразования электрической энергии в тепловую. Используют дуговые электропечи, печи сопротивления и индукционные.
   Шахтную плавку в металлургии используют для переработки кусковых материалов (20—100 мм) в производстве меди и некоторых  других металлов.
   Шахтная печь представляет собой агрегат  с вертикальным рабочим пространством, в которой сверху загружают шихту  и топливо, а снизу через специальные  отверстия вдувают воздух. Шихта  по мере расплавления опускается вниз, а на её место загружают новые  порции. Жидкие продукты плавки непрерывно стекают во внутренний горн печи и  далее выпускаются в отстойный  горн.
   В последние годы все большее развитие получают автогенные процессы, осуществляемые за счет тепла от окисления сульфидов при использовании подогретого дутья или дутья, обогащенного кислородом. В этих процессах, являющихся окислительными плавками, в одной операции совмещаются процессы обжига и плавки на штейн.
   Процессы  переработки сульфидного сырья  в агрегатах автогенной плавки,  принято подразделять на две группы: факельные  и в  расплаве. К  первой категории, получивших наиболее широкую известность относятся: взвешенная плавка и кислородно –  факельная плавка; ко второй — плавка Ванюкова; совмещенная плавка шихты  и конвертирование штейнов в  одном агрегате; факельно-барботажная  плавка; кислородно-взвешенная циклонная  электротермическая плавка, а также  многие другие автогенные процессы.
   Медные  штейны содержат от 17 до 63% Сu, что связано с большими колебаниями содержания меди в исходных концентратах.[3]
   После этого штейн отправляют на конвертирование.
   Процесс конвертирования состоит из двух периодов: в первом периоде осуществляется окисление и ошлакование сернистого железа и большинства примесей, во втором - окисляется полусернистая медь и происходит образование металлической меди.
   Первый  период конвертирования заключается  в продувке воздуха через расплавленный  штейн в присутствии кварцевого флюса. Основная суммарная реакция  имеет вид:
   2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO•SiO2 + 2SO2 + 234кДж   (2.4)
   В зависимости от содержания меди в штейне первый период конвертирования продолжается от 5 до 20 ч. Из-за высокой экзотермичности реакций конвертирования температура в конвертере возрастает (на 2-3° за минуту продувки). Для поддержания температуры в оптимальных пределах (1180-1250 °С) в конвертер загружают холодные добавки (медьсодержащие материалы). По окончании последней продувки из конвертера сливают конвертерный шлак, после чего начинается второй период конвертирования.
   Конвертерные  шлаки первого периода конвертирования  содержат 23-27 % SiO2; 1,5-3,0% Сu, остальное - окислы железа, в том числе, магнетит (до 20-25 %). Обычно конвертерные шлаки перерабатывают в отражательных печах или направляют на обеднение (в электропечах, флотацией).
   Второй  период состоит в продувке полусернистой  меди (белого штейна) до получения черновой меди. Черновая медь в конвертере образуется благодаря протеканию следующих реакций:
   2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 186кДж    (2.5)
   2Cu2O + Cu2S = 6Cu + SO2 – 30кДж    (2.6) 

   Воздух  вдувают в расплав полусернистой  меди до полного ее окисления. Конец  операции определяют по пробам. Полученная черновая медь содержит значительное количество примесей (до 4 %) и направляется на огневое рафинирование.[5]
   Огневое рафинирование проводят с целью  удаления части примесей, обладающих по сравнению с медью повышенным сродством к кислороду. Такие примеси в отличие от благородных металлов, которые в этой стадии рафинирования практически не удаляются, часто называют неблагородными. Огневому рафинированию подвергают расплавленную медь.
   Процесс огневого рафинирования меди состоит  из следующих основных операций: загрузки, расплавления твердой меди и разогрева расплава, окисления примесей, съема шлака, раскисления (дразнения) меди и разливки меди в анодные слитки. Продолжительность процесса рафинирования зависит от многих факторов (состава черновой меди, вместимости печи, тепловой нагрузки, производительности загрузочных и разливочных устройств) и колеблется от 12 до 32 ч.
   Процессы  окисления меди ведут при 1150—1170°С. Увеличение температуры хотя и ускоряет процесс, но одновременно ведёт к  повышенному насыщению расплавленной  ванны Cu2O, что удлиняет стадию раскисления и увеличивает расход дорогостоящих восстановителей.
   В настоящее время для огневого рафинирования черновой меди в основном применяют стационарные отражательные печи и наклоняющиеся печи конвертерного типа.[3]
   Металлическая медь после огневого рафинирования  содержит ряд примесей (As, Sb, Se, Ni, Co, Fe). Кроме того, при рафинировании в анодную медь переходят золото, серебро и металлы платиновой группы, содержащиеся в черновой меди.
   Электролитическое рафинирование меди применяют для  получения меди высокой чистоты, обладающей повышенной электропроводностью и пластичностью. При этом благородные металлы, а также редкие элементы, такие, как селен и теллур, переходят в шлам.
   Процесс электролитического рафинирования  заключается в растворении анода под действием электрического тока и осаждении меди в виде чистого металла на катоде.
   Аноды и катоды помещают в электролизные  ванны, располагая электроды в ваннах вертикально, параллельно друг другу. Все аноды соединяются с положительным, а катоды с отрицательным полюсами источника постоянного тока. В ванны подают электролит в виде раствора сернокислой меди, содержащего свободную серную кислоту.
   Одним из важных показателей качества процесса электролитического рафинирования меди является выход по току. Чем выше этот показатель, тем ниже расход электроэнергии и выше производительность электролитных ванн.
   В настоящее время для получения  высокого выхода по току и низкого расхода электроэнергии при электролитическом рафинировании меди на практике электролиз проводят при температуре электролита 55-60°С, плотности тока 225-300 А/м2, содержании в электролите 40-50 г/л меди, 120-200 г/л свободной серной кислоты, расстоянии между центрами одноименных электродов 105-115 мм.
   При этом можно получить катодную медь чистотой 99,99 %.[5]
 

   
   3 Электролитическое рафинирование в схеме переработки медного концентрата
   Электролитическое рафинирование занимает особое место  в технологии производства меди. Анодная медь является сложным многокомпонентным сплавом. Обычно она содержит, %: 99,5-99,8 Cu; до 0,015 S; до 0,015 Fe; до 0,5 Ni; до 0,05 Pb; до 0,01 Bi; 0,2 As; 0,06 Se +Te; 0,03(300г/т) Au и 0,5 (5000г/т) Ag.
   Следует отметить, что чем выше в исходной меди содержание благородных металлов, тем ниже будет себестоимость  электролитной меди. Именно поэтому  при конвертировании медных штейнов  стремятся использовать в качестве флюса золотосодержащие кварциты.
   Для осуществления  электролитического рафинирования меди аноды, отлитые  после огневого рафинирования, помещают в электролизные ванны, заполненные  сернокислым электролитом. Между  анодов в ваннах располагаются тонкие медные листы – катодные основы.
   При включении ванн в сеть постоянного  тока происходит электрохимическое  растворение меди на аноде, перенос  катионов через электролит и осаждение  ее на катоде. Примеси меди при этом в основном распределяются между  шламом (твердым осадком на дне  ванн) и электролитом.
     В результате электролитического рафинирования  получают катодную медь; шлам, содержащий благородные металлы; Se; Te и загрязненный электролит, часть которого иногда используют для получения медного и никелевого купоросов. Кроме того, вследствие неполного электрохимического растворения анодов получают анодные остатки (анодный скрап).
     Электролитическое рафинирование меди, получение медной фольги и порошков объединяет не только единый электрохимический метод, но и общность электродных процессов.
     В процессе электролитического рафинирования  меди решаются две основные задачи: глубокая очистка от вредных примесей и попутное извлечение ценных компонентов. Согласно ГОСТ 859-66 высшая марка меди М00 должна содержать не менее 99,99 % меди. Электролитическое рафинирование  огневой меди является заключительной и очень важной стадией в схеме  переработки медных руд и концентратов.

     3.1 Теоретические основы электролитического рафинирования меди

     Электролитическое рафинирование меди основано на различии ее электрохимических свойств и  содержащихся в ней примесей. 
     Для получения наиболее чистой меди в  виде плотного, мелкокристаллического  осадка, концентрирования благородных  металлов и редких элементов в  шламе и попутного извлечения никеля слитки анодной меди подвергают электролитическому рафинированию. В  общем, виде процесс электролиза  описывается следующей электрохимической  схемой:
     Катодная  основа CuSO4, H2SO4, H2O,примеси, добавки, анодная медь.
     Электролитическое рафинирование стараются вести  с предельной скоростью процесса при наиболее эффективном использовании  электрического тока.

     Анодный процесс

     На  медном аноде возможны следующие  электрохимические реакции:
     Cu-2e = Cu2+; EoCu2+/Cu=0,34B  (3.1)
     Cu-e = Cu+; EoCu+/Cu=0,51B  (3.2)
     Cu+-е = Cu2+; EoCu2+/Cu=0,17B  (3.3)
     Теоретически  анодное растворение меди должно происходить с образованием Cu2+ и Cu+ в количествах, отвечающих равновесным потенциалам. В присутствии металлической меди в электролите устанавливается равновесие:
     CuSO4+Cu=Cu2SO4   (3.4)
     С точки зрения электролиза развитие этого процесса желательно, так как  электрохимический эквивалент Cu+ (1,185), и при осаждении на катоде требуется гораздо меньше электроэнергии.
     Константа реакции образования одновалентных  ионов меди K=[Cu+]2/[Cu2+] при температуре 25оС составляет 0,62*10-6, поэтому концентрация Cu+в растворе ничтожно мала и медь с анода под действием электрического тока переходит в раствор только по реакции (3.1). [2].
     Помимо  электрохимического растворения, протекают  следующие реакции;
     Cu+H2SO4+0.5O2 = CuSO4+H2O  (3.5)
     Cu2O+2H2SO4+0.5O2 = 2CuSO4+H2O (3.6)
     Скорость  химического растворения меди гораздо  меньше, чем скорость растворения  в электрохимическом процессе, однако она возрастает с увеличением температуры, концентрации кислоты, насыщения электролита кислородом.
     Особенно  обогащен кислородом верхний слой электролита  на границе с воздухом. Поэтому  аноды на границе раздела газообразной и жидкой фаз растворяются быстрее, чем в объеме электролита. Если не принимать специальных мер (периодически менять уровень электролита, покрывать  верхнюю часть анода антикоррозионной защитой), возможно разъедание анода  и обрыв его под действием  собственной тяжести.
     Наблюдаемое на аноде образование порошка (до 0,2%) обусловлено процессом диспропорцианирования  одновалентной меди:
     2Cu+ = Cu+Cu2+    (3.7)
     Одновалентная медь образуется не только при растворении  закиси меди, присутствующей в аноде, но и по реакции (4), тем более, что  с увеличением температуры равновесие последней сдвигается в право.
     Присутствующие  в анодной меди электрохимически и химически растворимые примеси (Ni, Fe, Zn, Co, Mn, а также частично As, Sb, Bi) переходят в электролит. Благородные металлы и нерастворимые химические соединения (селениды, теллуриды, двойные окислы, сульфаты свинца, мышьяка, сурьмы, олова) концентрируются в шламе.
     Никель  является характерной примесью для  анодов, особенно для анодов, получаемых из медно-никелевого сырья и вторичной  меди. При электролизе часть никеля переходит в электролит совместно  с другими примесями: накапливающийся  в электролите никель осложняет  доставку ионов меди к катоду, снижает  электропроводность, образует совместно  с сурьмой и мышьяком трудно растворимые  соединения в виде плавучего шлама. С увеличением концентрации никеля на 1г/л электропроводность электролита  снижается на 0,005Ом/см, а вязкость повышается на 0,012Па, что эквивалентно снижению температуры на 1оС. другая часть никеля образует не растворимые пленки закиси никеля на поверхности анода, что приводит его к пассивации и неравномерному растворению. Поведение никеля при электролизе существенно зависит от содержания кислорода в анодах. С увеличением содержания никеля рекомендуется снижать кислотность.
     Развитию  анодных процессов препятствует пассивация, особенно проявляющаяся  при рафинировании грязных сортов меди и повышенном содержании серебра  в анодах.
     При электроэкстракции меди из растворов  используют нерастворимые аноды, чаще всего изготовляемые из свинца с  добавками 3-6%сурьмы или реже 1%серебра[4].

     Катодный  процесс

     Основным  процессом на катоде в ваннах с  растворимыми и нерастворимыми анодами  является разряд ионов меди:
     Cu2++2e=Cuo
     При повышенной концентрации в электролите  элементов, у которых потенциал  выделения близок к потенциалу разряда  ионов меди или больше его, возникает  опасность выделения этих примесей на катоде. Разряд ионов-примесей упрощается при образовании примесей с медью  сплавов или твердых растворов. Требования к чистоте катодной меди определяются ГОСТом.
     Не  менее важно получать катоды с  мелкокристаллической структурой и  гладкой поверхностью, что улучшает отмывку, снижает потери благородных  металлов и упрощает последующее  производство бескислородной меди.
     Наиболее  важными технологическими параметрами, влияющими на показатели электролиза, являются плотность тока, состав электролита, скорость его циркуляции, тип и  расход поверхностно активных веществ (ПАВ).
     С увеличением плотности тока производительность электролизных ванн возрастает, однако при этом возрастает расход электроэнергии в связи с увеличивающейся  пассивацией анодов, способностью разряда  ионов-примесей, повышенными утечками тока, потерями на джоулево тепло; кроме  того, ухудшается качество осадка, возрастают затраты на очистку раствора и  увеличиваются потери благородных  металлов. Последнее вызвано увеличением  циркуляции электролита, механическим захватом шлама менее гладкой  поверхностью катода и притяжением  к катоду частиц шлама за счет большей  интенсивности магнитного поля в  межэлектродном пространстве.
     Применение  высокой плотности тока возможно при использовании чистого электролита, в случае повышенного расхода  ПАВ, эффективной его циркуляции и охлаждения, или при работе на специальном электрическом режиме (пульсирующий ток, постоянный + переменный ток, реверсивный ток).
     При электролизе целесообразнее использовать электролит с ограниченным содержанием  кислоты и повышенным содержанием  меди, так как при этом возрастает коэффициент использования тока. Однако в этом случае (особенно при  наличии примесей) снижается электропроводность и повышается вязкость электролита, в результате чего приходиться сильнее  подогревать.
     Увеличение  температуры способствует более  быстрому усреднению состава электролита  и осаждению шлама и, следовательно, улучшению качества катодного осадка и показателей электролиза. Однако при температуре выше 65-70оС осложняется обслуживание ванн, возрастают расход пара и химическое растворение электродов, поэтому обычно работают в интервале 55-65оС[1].
     Циркуляция  электролитата способствует равномерному срабатыванию анода, выравниванию состава и температуры электролита в объеме ванны. Однако при этом не должно происходить взмучивание шлама, так как это не только загрязняет катоды, но и увеличивает потери благородных металлов, при интенсивной циркуляции воздуха, что усиливает химическое растворение меди. По этой причине, а также из-за сильного взмучивания шлама, перемешивание электролита сжатым воздухом не применяют.
     При прямой циркуляции (электролит подают в нижнюю часть ванны и отводят  в верхней части на противоположной  стороне ванны) свежий электролит смешивается  с обогащенным медью электролитом внизу ванны, доставляет ионы меди к  катоду и выносится из ванны обедненным, что создает хорошие условия  для развития катодного процесса. Однако при этом большая вероятность  взмучивания шлама.
     При обратной циркуляции (электролит подают на поверхность ванны и отводят  снизу на противоположной ее стороне) поток свежего электролита совпадает  с направлением конвективных потоков  вблизи поверхности анода, но ухудшает гидродинамический режим в прикатодном  слое (здесь естественное движение раствора направленно вверх). Анод омывается  горячим, более бедным по меди раствором, что благоприятно влияет на кинетику анодного процесса. Одновременно уменьшается  расслаивание электролита и взмучивание  шлама, уменьшается напряжение на ванне. Поэтому обратная циркуляция оправдана  при электролизе анодов, склонных к пассивации, и при повышенном шламообразовании. Равномерность циркуляции электролита в объеме ванн во многом зависит и от ее конструкции.
     ПАВ способствуют получению осадков  с гладкой поверхностью и улучшенной текстурой. Адсорбируясь на поверхности  выделяющихся кристаллов меди, они  временно блокируют их и затормаживают  дальнейшее развитие, влияя тем самым  на соотношение скоростей возникновения  новых центров кристаллизации и  их роста. При преобладании скорости возникновения новых центров  кристаллизации над скоростью их роста образуется плотный мелкокристаллический осадок. Добавки ПАВ влияют и на коагуляцию дисперсных частиц шлама, что  ускоряет его отстаивание, снижая долю взвешенных частиц. Номенклатура используемых ПАВ весьма разнообразна: подбор их осуществляют имперически.
     Иногда  с целью снижения потерь шлама  и загрязнения катодов электролит фильтруют.
     Особые  неприятности доставляет «плавучий» шлам - хлопья темно серого цвета на поверхности  электролита. Плавучий шлам отличается от рядового шлама повышенным содержанием меди, несколько меньшим содержанием сурьмы, никеля мышьяка, железа: он мельче и хуже смачивается. Устойчивость его во взвешенном состоянии возрастает с увеличением вязкости электролита.
     Плавучий  шлам легко адсорбируется на катодах, что загрязняет медь, приводит к  образованию шишек и к дополнительным потерям благородных металлов. До последнего времени считали, что  образование плавучего шлама  обусловлено снижением растворимости  сурьмы, мышьяка при охлаждении электролита  и их гидролизом.
     Исследования показали, что состав плавучего шлама непостоянен, а причиной его образования является пассивация анодов: последняя зависит от состава электролита, его температуры, скорости циркуляции и плотности тока. в свою очередь одной из причин пассивации анодов является образование на их поверхности солевой пленки, формированию которой способствуют факторы, снижающие растворимость сульфата меди или повышающие вязкость электролита (увеличение концентрации сульфата никеля, кислоты, охлаждение электролита). Была выведена зависимость для определения условий шламообразования, включающая состав электролита и основные параметры электролиза:
     
   (3.8)

     где концентрация сульфат – иона, связанного с медью, никелем, серной кислотой, г-ион/л;
     Пр- произведение растворимости сульфата меди, г-ион/л;
      начальная концентрация ионов меди, г-ион/л;
     ia – анодная плотность тока, А/м2;
     d - толщина диффузионного слоя, см;
     z – число электронов, участвующих в реакции;
     D – коэффициент диффузии, см2;
     F – число Фарадея, F=96500 Кул/с.
     Пользуясь донным уравнением, можно определить допустимую анодную плотность тока или предельное содержание серной кислоты  и медного купороса при выбранном  режиме электролиза, исключающие пассивацию анодов[2].
     Для устранения отрицательного влияния  шлама можно организовать непрерывную  фильтрацию электролита. Однако наиболее правильно выдерживать оптимальный  режим электролиза, исключающий  накопление сурьмы в электролите  и пассивацию анодов.

     3.2 Основные параметры, влияющие на показатели электролитическогорафинирования меди

     3.2.1 Состав электролита

     Электролит, используемый при рафинировании  меди, должен обладать высокой электропроводностью и обеспечивать получение плотных и чистых катодных осадков меди. Для нормального питания ионами меди прикатодного слоя концентрация меди должна быть постоянно сравнительно высокой. Рафинирование можно успешно осуществлять в растворе одного сульфата меди, но электросопротивление такого электролита будет значительным, следовательно, возрастает удельный расход электроэнергии. Поэтому в электролит добавляют серную кислоту, которая в отличие от других кислот имеет низкую стоимость, доступность, высокую электропроводность, хорошую рассеивающую способность, просто регенерируется, исключает выделение при электролизе вредных паров и газов. Однако растворимость сульфата меди в растворе, содержащем серную кислоту, снижается.
     Кроме основных составляющих электролита - сульфата меди и серной кислоты, в растворе накапливаются примеси, входящие в состав анодной меди. Поэтому состав электролита на каждом предприятии индивидуален. Основными определяющими факторами при выборе состава электролита являются качество катодного осадка, выход по току, удельные расходы электроэнергии, кислоты, пара, полнота извлечения сопутствующих меди благородных и редких металлов.
     Содержание  меди II в электролите на различных предприятиях колеблется от 30 до 50 г/дм3. Концентрация серной кислоты обычно составляет (160-190) г/дм3, хотя и встречаются заводы, на которых минимальная концентрация серной кислоты снижена до 125 г/дм3 или, напротив, доходит до 230 г/дм3 [1].
     Рекомендуется придерживаться следующих концентраций: ионов меди II - (25-35) г/дм3, а кислоты до 200 г/дм3. При таких условиях электролит обладает высокой электропроводностью, пассивации анодов не наблюдается, снижается удельный расход электроэнергии. Важную роль в снижении выхода по току играет химическое растворение меди на катоде, на которое оказывают существенное влияние температура и насыщенность электролита кислородом. При плотности тока 270-300А/м2 в электролизерах ящичного типа с циркуляцией электролита снизу вверх со скоростью 12-18дм3/мин при концентрации никеля до 20г/дм3 оптимальным является электролит, содержащий 170-180г/дм3 серной кислоты, с отношением концентрации кислоты к медному купоросу от 1,1 до 1,3. Вероятность получения высокого выхода по току при низком содержании серной кислоты в электролите очень мала. При увеличении содержания кислоты в электролите до 170-180 г/дм3 вероятность получения выхода по току свыше 90% возрастает, одновременно с этим снижаются колебания выхода по току и частота получения низкого показателя выхода по току [1,3].
       Во избежание анодной пассивации суммарное содержание SO42- не должно превышать 255 г/дм3 [1]. Увеличение концентрации серной кислоты в электролите до 250 г/дм3 снижает растворимость сульфата меди, что способствует солевому пассивированию анодов и диффузионным ограничениям отвода ионов меди от поверхности анода.
     Для поддержания оптимального содержания меди и кислоты в электролите  применяют регенерацию раствора в электролизерах с нерастворимыми анодами на основе свинца.
     Осаждаемая  на катоде медь получается пористой, часто  губчатой, и содержит повышенное количество примесей [3].
     Более  эффективной, чем электрохимическая регенерация электролита, является стабилизация раствора благодаря выводу части электролита на производство сульфатов меди и никеля.
     Вывод электролита из процесса рафинирования  проводится периодически, чаще всего  ежесуточно. Содержание примесей в  выводимой электролите должно быть равным их количеству, накапливающемуся за тот же промежуток времени. Для  удобства работы вывод электролита рассчитывается по основной, наиболее опасной примеси. Контроль за повышением содержания этой примеси в электролите позволяет достаточно четко поддерживать оптимальный состав раствора [2].
     Основная  трудность при выборе оптимального состава электролита заключается  в невозможности прямого переноса опыта других предприятий, результатов  лабораторных и полупромышленных испытаний. В связи с этим часто освоение технологических режимов, особенно при смене сырья, затягивается. Поэтому особое внимание уделено методам нахождения оптимального состава электролита [1].

     3.2.2 Температура электролита

     С повышением температуры улучшаются показатели электролитического рафинирования меди, так как снижается сопротивление электролита, повышается растворимость сульфата меди, что предотвращает солевую пассивацию анодов, возрастает коэффициент диффузии меди, а следовательно, улучшаются условия для выравнивания концентрации ионов металла в электролите.
     Минимальной  можно  считать  температуру   электролита 500С. Часть тепла, необходимого для поддержания заданной температуры, выделяется при прохождении тока через раствор электролита, другую часть тепла получают в теплообменниках, в которых электролит подогревают паром обычно до температуры 60-650С [1]. Поскольку количество тепла, выделяемого в ванне электрическим током (Джоулево тепло), зависит от силы тока, проходящего через ванну, температура подогрева электролита в 
теплообменниках различна при различных плотностях тока [1,4].

     При общей тенденции к повышению  температуры электролита следует учитывать то обстоятельство, что чрезмерный нагрев раствора ведет к интенсивному его испарению и ухудшению условий труда в цехе. Для стабилизации температуры электролита в ваннах и уменьшения вредных испарений с зеркала ванны в настоящее время применяют различные способы закрытия электролита [3].

     3.2.3 Циркуляция  раствора электролита

     В процессе электролиза прикатодный  слой обедняется ионами меди, а прианодный обогащается ими, что ухудшает качество осадка и вызывает пассивирование анода  в результате выпадения сульфата меди на поверхности электрода. Кроме того, наблюдается и расслаивание электролита. Более концентрированный по меди раствор прианодного слоя опускается на дно электролизера, а более легкий - поднимается вверх. Поэтому необходимо принимать меры к выравниванию концентрации меди во всех частях ванны. Выравнивание концентрации растворов осуществляют его циркуляцией [1].
     Скорость  циркуляции на различных заводах  колеблется от 12 до 30 дм3/мин [1,2,3]. Увеличение скорости циркуляции раствора ограничивают из-за опасения взмучивания шлама. Поскольку ванны различны по размерам и силе тока, проходящего через них, то правильнее выбирать скорость циркуляции обеспечивающей смену всего электролита в ванне в течение 2-3ч [2].
     Исследования  влияния потерь благородных металлов с катодной медью от скорости циркуляции электролита показали, что при каждой плотности тока существует своя оптимальная скорость циркуляции, обеспечивающая минимальные потери.
     На  большинстве отечественных предприятий  электролит вводят на дно электролизеров и отводят с поверхности электролита. Этот способ осуществления перемешивания  электролита имеет существенный недостаток. Раствор движется навстречу падающему анодному шламу, задерживая его падение и тем самым увеличивая потери благородных металлов и загрязнение катодной меди. В месте поступления электролита особенно большая скорость движения раствора и, соответственно, взмучивание шлама.
     Исследования,  проведенные  на  комбинате  "Уралэлектромедь" с циркуляцией раствора снизу  вверх, показали, что в электролизерах ящичного типа скорость циркуляции не должна превышать (25/28) дм3/мин [1].
     Совершенствование конструкции электролизеров и способов циркуляции электролита нашло воплощение в новой конструкции ванн с поперечной по отношению к продольной оси подачей электролита. Стабильность раствора по всему объему электролизеров достигается благодаря промежуточным стенкам с отверстиями для протекания электролита, расположенными попеременно в нижней и верхней части ванны. Такая система циркуляции позволяет значительно повысить плотность тока без ухудшения качества катодного металла.

     3.2.4 Плотность тока

     Плотность тока характеризует интенсивность  ведения процесса и определяет его  основные технико-экономические показатели.
     С увеличением плотности тока, при  прочих равных условиях увеличивается  производительность цеха, уменьшается  число потребных ванн, затраты  на капитальное строительство и  рабочую силу, но возрастают затраты  на электроэнергию. Экономически оптимальная  плотность тока - это такая, при  которой стоимость электролитического рафинирования минимальна. Впервые  выбор экономически оптимальной  плотности тока рассмотрен П.М.Аваевым (1909 г.), в дальнейшем А.И.Гаев предложил учитывать наряду со стоимостью цеха, оборудования, качества анодной меди и другие технологические особенности, в частности, зависимость потерь благородных металлов от плотности тока [3].
     Технически  оптимальной плотностью тока называют плотность тока, при которой еще возможно получать качественную медь. Основным фактором, от которого зависит технически оптимальная плотность тока, считают чистоту анодной меди: чем она чище, тем выше может быть плотность тока.
     Несмотря  на имеющиеся публикации об использовании  плотности тока 500-600 А/м2, практикой работы предприятий установлено, что уже при 260-300 А/м2 понижается не только качество катодного осадка, но и технико-экономические показатели производства, однако разработанные и уже применяемые в настоящее время особые режимы электролиза (использование реверсивного тока и др.) дают возможность довести плотность тока до 500А/м2 и более [1].  В условиях интенсивного ведения процесса особенно актуально выявить степень влияния отдельных параметров процесса на его технико-экономические показатели и качество получаемого продукта. Основная трудность решения этой задачи заключается в невозможности моделирования результатов лабораторных и полупромышленных испытаний, опыта других предприятий из-за сложной взаимосвязи всех факторов, оказывающих влияние на электролитическое рафинирование. Предложены математические модели, позволяющие количественно оценить связь между основными параметрами электрорафинирования, составом анодной меди, качеством полученного металла, выходом по току и стабильностью его [1,3]. Использовать результаты данных исследований можно только предприятию, для которого они были проведены, т.е. для конкретных условий.
     Следует обратить внимание на неравномерность  распределения тока по электродам ванны, что приводит к увеличению отклонения от средней токовой нагрузки на электродах в большую или меньшую сторону.
     Кривые  распределения тока по электродам ванны  при токовой нагрузке 12,5 и 15,2 кА подчиняются закону нормального распределения [1]. Максимальное отклонение токовой нагрузки на электродах от среднестатистического значения достигает 40 % при общей нагрузке на ванну 12,5 кА и до 50 % при нагрузке 16,3 кА [1].
     На  катодах при максимальной токовой  нагрузке из-за неравномерного распределения последней по рабочей поверхности электрода появляются локальные участки с плотностью тока, значительно превышающей предельное значение в данных условиях. Это приводит к резкому изменению соотношения скоростей электрокристаллизации и массо-переноса, когда скорость всего электродного процесса начинает контролироваться доставкой вещества [1].
     Анализируя  заводские данные можно сделать  вывод что, наибольшее влияние на практике на выход по току оказывают  короткие замыкания и различные  утечки тока.

     3.2.5 Напряжение

     Теоретическое напряжение между анодом и катодом  при протекании процесса в обратимых условиях, т. е. при бесконечно малой скорости, стремится к нулю. Объясняется это тем, что потенциалы катода и анода практически равны по абсолютной величине и обратны по знаку. При осуществлении процесса с конечной скоростью напряжение на ванне начинает возрастать пропорционально скорости его протекания. При этом ток расходуется на преодоление концентрационной поляризации, возникающей вследствие разности концентраций меди в прианодном и прикатодном слоях, и сопротивления электролита. Часть его расходуется также на преодоление омического сопротивления в токоподводящей системе. Поскольку от напряжения на ванне зависит расход электроэнергии на электролиз, необходимо принимать меры к уменьшению фактического напряжения на ванне как за счет уменьшения сопротивления электролита и снижения концентрационной поляризации, так и за счет уменьшения сопротивления токоподводящей системы. Электропроводность электролита может быть дополнительно повышена (сопротивление снижено) за счет увеличения подвижности ионов путем его нагревания [3].
При общей  величине падения напряжения на ваннах при рафинировании меди порядка 0,3—0,4 В около 70—80% его приходится на преодоление сопротивления электролита, до 15—20% — на преодоление сопротивления проводников, тока и контактов, 5—6% — на катодную и анодную поляризацию [3].
     3.2.6 Поведение примесей  при электролитическом  рафинировании
      Примеси, содержащиеся в анодах, можно разбить  на 4 группы:
      металлы, у которых стандартный потенциал более отрицателен, чем потенциал меди;
      металлы, потенциал которых близок потенциалу меди;
      металлы, у которых потенциал положительнее потенциала меди;
      химические и интерметаллические соединения меди и других металлов (Cu2O, CuS, Cu2Se, Ag2Te, Ag2Se, MeO), переходящие, в основном, в шлам.
      Примеси первой группы, обладающие наиболее электроотрицательным потенциалом, практически полностью переходят в электролит. Исключение составляет лишь никель, около 5% которого из анода осаждается в шлам в виде твёрдого раствора никеля в меди. Твердые растворы по закону Нернста становятся даже более электроположительными, чем медь, что и является причиной их перехода в шлам.
      Особо по сравнению с перечисленными группами примесей ведут себя свинец и олово, которые по электрохимическим свойствам  относятся к примесям первой группы, но по своему поведению в процессе электролиза могут быть отнесены к примесям III и IV групп. Свинец и олово образуют нерастворимые в сернокислом растворе сульфат свинца PbSO4 и метаоловянную кислоту H2SnO3.
      Электроотрицательные  примеси на катоде в условиях электролиза  меди практически не осаждаются и  постепенно накапливаются в электролите. При большой концентрации в электролите  металлов первой группы электролиз может  существенно расстроиться.
      Накопление  в электролите сульфатов железа, никеля и цинка снижает концентрацию сульфата меди в электролите. Кроме  того, участие электроотрицательных металлов в переносе тока через электролит усиливает концентрационную поляризацию у катода.
      Электроотрицательные  металлы могут попадать в катодную медь в основном в виде межкристаллических включений раствора или основных солей, особенно при их значительной концентрации в электролите. В практике электролитического рафинирования  меди не рекомендуется допускать  их концентрацию в растворе свыше  следующих значений, г/л: 20 Ni, 25 Zn, 5 Fe.
      Примеси второй группы (As, Sb, Bi), имеющие близкие к меди электронные потенциалы, являются наиболее вредными с точки зрения возможности загрязнения катода. Будучи несколько отрицательнее чем медь, они полностью растворяются на аноде с образованием соответствующих сульфатов, которые накапливаются в электролите. Однако сульфаты этих примесей неустойчивы и в значительной степени подвергаются гидролизу, образуя основные соли (Sb, Bi) или мышьяковистую кислоту (As). Основные соли сурьмы образуют плавающие в электролите хлопья студенистых осадков («плавучий» шлам), которые захватывают частично и мышьяк.
      В катодные осадки примеси мышьяка, сурьмы и висмута могут попадать как  электрохимическим,  так и механическим путем в результате адсорбции  тонкодисперсных частичек «плавучего»  шлама. Таким образом, примеси второй группы распределяются между электролитом, катодной медью и шламом. Предельно  допустимые концентрации примесей второй группы в электролите составляют, г/л: 9 As, 5 Sb и 1.5 Bi.
      Распределение примесей I и II групп примесей по продуктам электролиза приведено в таблице 4.1. 

      Таблица 4.1 Распределение примесей I и II групп и меди между продуктами электролиза, % от исходного
Продукт электролиза Cu группа группа
Ni Zn Fe Pb Sn As Sb Bi
Электролит 1 – 2 75-100 100 100 - - 55-75 10-60 20-30
Шлам 0.1–0.2 0-25 - - >99 >99 20-40 40-90 60-80
Катод 98-99 0.5 - - <1 <1 ~10 ~10 ~10
 
      Более электроположительные по сравнению с  медью примеси (III группа), к которым относятся благородные металлы (Au и Ag), в соответствии с положением в ряду напряжений должны переходить в шлам в виде тонкодисперсного остатка.
      Переход золота в шлам составляет более 99,5 % от его содержания в анодах, а  серебра более 98 %. Несколько меньший  переход серебра по сравнению  с золотом связан с тем, что  серебро способно в небольшом  количестве растворяться в электролите  и затем осаждаться на катоде. Для  уменьшения растворимости серебра  и перевода его в шлам в электролит вводят небольшое количество хлорид-ионов. Произведение растворимости AgCl небольшая величина, что позволяет наиболее полно перевести серебро в шлам.
и т.д.................


Перейти к полному тексту работы


Скачать работу с онлайн повышением уникальности до 90% по antiplagiat.ru, etxt.ru или advego.ru


Смотреть полный текст работы бесплатно


Смотреть похожие работы


* Примечание. Уникальность работы указана на дату публикации, текущее значение может отличаться от указанного.