銅米電解工業化試驗研究

2020-03-27

摘要:以銅米為原料在銅電解系統進行工業化應用試驗,主要對銅米電解的生產過程控制、能耗、產品質量的研究情況進行了闡述。工業試驗結果表明,銅米電解工藝可以產出接近A級銅品質的陰極銅,目前技術條件下,銅米直接電解生產陰極銅工藝成本高,仍需進行改進。
關鍵詞:銅米;電解;工業化試驗;能耗;產品質量
銅米是廢線纜生產的銅顆粒,市場上主要有光亮銅米和雜線銅米(以下簡稱雜銅米),光亮銅米含銅量可達99%以上,雜銅米含銅80%~90%。廢銅米是生產陰極銅的主要原料之一,目前通行的是先火法處理,產出陽極板后再通過電解生產陰極銅。光亮銅米一般直接加入陽極精煉爐,生產陽極板;品位略低或混入雜質較多的銅米先進入PS轉爐除雜,產出粗銅再入陽極爐精煉;混和雜質嚴重的原料,則需在熔煉爐先處理。品質越差的銅米加工成本越高,為探索更短的加工流程和較低的加工成本,本文在電解槽進行了銅米電解生產陰極銅的工業試驗,產出了陰極銅產品,考察了銅米電解的工藝可行性、經濟性,以及工業化生產過程存在的問題。

1 試驗原料
選取市場采購的光亮銅米和雜銅米兩種原料,光亮銅米為直徑1.5mm以內、長5mm以下不等顆粒,雜銅米為直徑0.2~0.3mm、長2~3mm細絲,光亮銅米外觀呈紫銅光澤、潔凈、流動性好;雜銅米呈紫銅光澤、易堆積,有塑料、鐵絲以及不明雜物。兩種銅米含銅都達到99%以上。
2 試驗設施
工業電解槽配套獨立溶液循環系統、過濾機、加熱器,添加劑加入裝置,以及燙洗槽。鈦筐為陽極,陰極為常規電解始極片。電解液使用電解工序電解液(g/L):Cu40~48、H2SO4170~190、Ni≤20。

3 試驗過程
1)鈦筐內襯工業過濾布,裝滿雜銅米,目標電流密度200A/m2,電解液溫度60~65℃,電解液循環量1500~2000L/h,陰、陽極周期根據實際電解情況調整。通電接近20個小時,電流密度達到90A/m2,因槽電壓接近3V,陽極出現氣泡而斷電,銅米略有損耗。
2)鈦筐不襯過濾布,裝滿雜銅米,逐步將電流密度提高到130A/m2,槽電壓穩定到1.9V,持續120個小時,產出陰極銅547.5kg。
3)鈦筐外套工業過濾布袋,裝滿光亮銅米,電流密度130A/m2,平均槽電壓2.1V,持續116個小時,因部分濾布粘連陰極,停電出槽,產出陰極銅642kg。繼續通電,平均槽電壓逐步上升到2.4V,持續152個小時,產出陰極銅832.5kg。
4 試驗結果
1)首槽試驗選用雜銅米,因其顆粒小,為避免從鈦筐逸出,內襯過濾布。通電開始槽電壓就為1.9V,表現出明顯的導電不良,銅米不溶解,直至陽極產生氧氣而中斷試驗。拆裝陽極發現,陽極兩面僅有局部表面有電解液,鈦筐內襯過濾布造成陽極導電不良。
2)重新裝雜銅米,不襯過濾布,試驗得以繼續,過程中產生較多銅粉,也有小部分雜銅米從陽極鈦筐逸出,陰極表面粘附銅粉而變得粗糙。生產后期電解液出現不清澈,電解液酸、銅含量略呈下降趨勢,過程參數變化見表1。陰極銅產品中鉍和硫超標,未達到A級銅標準,試驗過程添加了明膠和微量硫脲,原料物理夾帶是造成雜質超標的主要原因。雜銅米電解試驗產出陰極銅化學成分(×10-6):Ag5.5、As2、Bi2.3、Cd0.6、Co1、Cr1、Fe4.4、Mn0.8、Ni2.9、P1、Pb1、S21、Sb0.8、Se0.5、Si6、Sn1、Te0.5、Zn1。

表1雜銅米電解試驗結果



以光亮銅米為原料,鈦筐陽極裝入重量超過雜銅米一倍,隨著通電時間的增加,表現出電解液酸度逐步下降,銅離子含量相對穩定,過程參數變化見表2。試驗持續進行268個小時,過程中陽極外襯過濾布仍有部分銅粉穿透,粘附于陰極表面,電解液逐步表現出明顯的混濁,加大溶液過濾量未起作用,陰極銅外觀粗糙和結粒。陰極銅產品鐵和硫超標,成分(×10-6):Ag4.4、As2、Bi0.8、Cd0.6、Co1、Cr1、Fe12、Mn0.8、Ni3.3、P1、Pb1、S18、Sb0.8、Se0.5、Si6、Sn1.3、Te0.5、Zn1。

表2光亮銅米電解試驗結果



光亮銅米純度高,電解過程陽極不斷產出銅粉,雖然使用生產壓濾布隔離,顯然未能影響其在陰極的粘附。試驗發現,過濾布表面、電解槽底面都有明顯可視銅粉。銅粉的存在使陰極銅質量受到較大的影響。
3) 試驗過程中,兩種銅米原料電解液都逐步出現混濁,過濾布粘附油狀黑色物。雜銅米夾帶少量混合物,對體系有一定影響,兩種原料中并無黑色油狀物,電解后的銅米表面顏色暗淡沒有光亮??紤]到銅米表面的防氧化涂層,因此做了預處理試驗,兩種銅米均加入硫酸泡洗5~6個小時,常溫通風定時攪拌,自然晾干后表面沒有變化、質量減少不到1%。試驗認為,銅米防氧化涂層和夾帶雜質對電解液的潔凈度有明顯污染,產品質量難以保障。
4)試驗過程電流密度不高,但噸銅直流電單耗達到1200~1300kWh。陽極鈦筐是用電解鈦種板打孔拼接制作的,板面孔洞的密度不如篩網,對導電有影響;銅米顆粒規格差異形成的電阻也不同。
5)試驗過程操作以手工作業為主,其中鈦筐添加銅米操作難度較大、勞動強度高。細絲狀雜銅米初裝一塊陽極需要20~30min,光亮銅米大約需要10min;試驗過程需經常觀察鈦筐內銅米消耗情況,人工添加。

5 成本分析
選取外襯過濾布電解階段進行核算。為減少銅粉在陰極的粘附,試驗過程中每塊陽極都外襯工業壓濾布用于過濾,以采購價格核算,其成本約為每噸銅2800元;電價按生產實際計算,直流電成本約為每噸銅560元(1200kWh);交流電單耗每噸銅為900kWh,成本約每噸銅400元,三項合計3760元;電解液、添加劑、人工、運輸、檢測費等忽略,溶液循環泵等直接使用現場設備。分析結果表明,試驗體系消耗偏高。
6 試驗結果分析
銅米電解工業試驗可以驗證其工藝過程是可行的,也可以產出接近A級銅品質的陰極銅,而其工業化最大的問題是成本較高,主要體現在:
1)銅米電解過程直流電單耗高,鈦筐通過改進可以改善導電性,但降低的空間有限;若工業化生產,如果不能有效控制銅粉的產生,過濾布不可缺少,實際生產濾布不能重復使用,工業生產上鈦筐裝備也是較大的投資,運行費用較高。
2)銅米電解生產,鈦筐添加銅米、電解過程中補充銅米均需人工操作,難以替代,勞動強度大,生產率低,人工成本高。
3)產品質量不能保障。銅粉的產生直接惡化陰極銅產品外觀質量,銅米夾帶的雜質和表面防氧化涂層都會污染電解液體系,分離夾帶雜質的難度很大,去除防氧化涂層缺少技術手段,即使兩者技術上可行也將繼續增加成本。
7 結論
銅米電解工業試驗是對銅米回收加工途徑的嘗試,試驗結果表明:工藝過程是可行的,也可以產出接近A級銅品質的陰極銅,但在目前技術水平下,銅米電解工藝成本較高,在投入工業應用前仍需進行工藝優化和節能降耗等方面的研究。


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