（冶金物理化学专业论文）铜电解精炼不锈钢阴极材料的研究与应用.pdf

昆明理工大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 国际上，采用不锈钢作为铜电解精炼的阴极一即所谓的i s a 法和k i d d 法电 解工艺，已经成为一种趋势，但是目前我国还没有自主知识产权的不锈钢阴极技 术。本文立足于填补此项技术的国内空白，通过大量的试验，制作出了铜电解精 炼用的不锈钢阴极板，以代替传统使用的始极片。不锈钢阴极的使用省去了始极 片工序和始极片的剥离、加工设备，从而缩短了阴极铜的工艺流程，降低了生产 成本，减轻了工人劳动强度，并且阴极板可以反复使用。此外，不锈钢阴极还可 改善阴极铜质量，提高电流效率。经过云南铜业股份有限公司的工业实验，已经 生产出了合格的阴极铜产品。 论文重点研究采用不锈钢制作阴极板的工艺和阴极板的导电结构设计方法， 主要包括：( 1 ) 不锈钢的材质选择；( 2 ) 不锈钢阴极板的制各方法；( 3 ) 阴极板 电流效率的试验研究；( 4 ) 阴极板和导电棒的连接关键技术；( 5 ) 阴极板在实际 电解液中的耐蚀性能；( 6 ) 阴极板的剥离性能；( 7 ) 阴极板的工业应用实验等。 从使用性和经济性的综合考虑，本文选定一种奥氏体不锈钢作为阴极板的材 料，具体成分为：碳( c ) 0 0 9 1 ，镍( n i ) 8 8 6 6 ，铬( c r ) 1 8 0 1 8 ，钛( t i ) 0 8 3 6 ，铁( f e ) 7 1 0 0 1 ，其余m n 、s i 、p 、s 微量。 通过大量试验测定了阴极板在实际电解条件下的电流效率，电流效率的平均 值为9 6 7 ，并且数据波动很小，比较稳定。 通过电压降的测定确定了优于现有国外方案的阴极板导电结构，最佳的导电 结构是采用截面2 0 2 5 m m 的实心碳钢作为承载梁，外侧电镀2 - 3 m m 铜作为导电 层。采用这种设计方法的阴极板样品已在云南铜业股份有限公司进行实际挂片试 验，试验结果证明此种导电结构导电性好，强度高，成本低。 通过浸泡失重法和电化学法研究了阴极板在实际电解液中的耐蚀性，结果表 明：国外采用的3 1 6 l 不锈钢和本文选择的不锈钢在实际电解溶液中均具有良好 的耐均匀腐蚀的能力，但从降低成本考虑，本文的不锈钢较为合适：所采用的两 种表面处理方法( 4 化学法和电解法) 均能有效地提高点蚀电位，提高不锈钢抗局 部腐蚀的能力，适合在实际电解液中使用；化学法适宜的工艺条件为：硝酸浓度 3 0 ，温度常温，时间2 小时；电解法的适宜条件为：在电解液中于1 5 0 0 5 v 的电 位下处理2 0 分钟。 昆明理工大学硕士研究生学位论文 摘要 不锈钢的表面状况是阴极板能否正常剥离的重要因素。为了考察不同的表面 粗糙度、表面处理方法和表面处理时间对剥离强度的影响，本文在总结前人和本 人前期工作的基础上，采用正交实验方法确定使阴极铜剥离强度最佳的工艺条 件。正交实验的结果表明，影响阴极铜和不锈钢结合强度的主次因素为：首要的 是表面粗糙度，其次是表面处理方法，最后是表面处理时间；就单一因素的影响 来看，表面粗糙度的最优水平为砂纸( 2 8 0 3 2 0 9 ) 打磨，表面处理方法的最优水 平是电解法表面处理，表面处理时间的最优水平是1 5 分钟。论文还给出了在模 拟未来的一种可能采用的剥离方法的条件下，由本文的结合强度数据推算剥离机 械应施加的力的分析计算方法。此实验方法和数值虽然和实际的剥离操作有一定 差距，但仍然可以为后续设计阴极铜剥离工艺和设备提供参考依据。 阴极板的绝缘包边也是关键技术，本文采用注塑方法包边，此种包边技术比 i s a 法正在采用的塑料夹条技术更为进步。注塑方法得到的塑料包边使用寿命 长，生产的阴极铜边缘整齐，还可免去i s a 法的竖边涂蜡工序。 本文的铜电解精炼耐用型不锈钢阴极板的制各方法已经申请国家发明专利， 专利申请号为0 2 1 1 3 3 5 1 4 。 本文的铜电解精炼的阴极导电结构已经申请国家实用新型专利，专利申请号 为0 2 2 7 5 6 7 0 1 。 以本文为基础的项目“铜电解精炼耐用型阴极材料的国产化研究”和“铜、 镍电解精炼用新型阴极材料制备技术”分别被云南省科技厅和国家科技部列为 2 0 0 2 年度云南省科技攻关计划( 项目编号：2 0 0 2 g g 0 8 ) 和国家高技术研究发展 计划( 8 6 3 计划) ( 项目编号；2 0 0 2 a a 0 0 1 0 2 4 ) ，已进入全面实施阶段。 关键词：铜，电解精炼，不锈钢阴极，研究，应用 昆明理工大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t i nt h ew o r l d ，t h es t a i n l e s ss t e e lc a t h o d e p r o c e s s ，s o c a l l e d i s aa n dk i o d ，p r o c e s si nc o p p e re l e c t r o l y t i cr e f i n i n gh a s b e e nat r e n d h o w e v e r ，t h e r ei sn o t 。t h i st e c h n i q u ew i t hi n d e p e n d e n tk n o w l e d g er i g h ti nc h i n a t of i l li nt h eb l a n ko f t h i s t e c h n i q u e ，t h e s t a i n l e s ss t e e lc a t h o d es h e e tw a s p r e p a r e d a f t e r m a n y e x p e r i m e n t si nt h i st h e s i s t h i sc a t h o d es h e e tc a ns u h s t i t u t ef o r t h es t a r t e r s h e e t ， w h i c hc a ne l i m i n a t et h es t a r t e r s h e e tw o r k i n gp r o c e d u r ea n do m i t s t r i p p i n ga n d p r o c e s s i n gf a c i l i t yo fs t a r t e r s h e e t ，s h o r t e np r o c e s sf l o wa n di o w e rt h ec o s ta n d l a b o rr e q u i r e m e n t s m e a n w h i l e ，t h es t a i n l e s ss t e e lc a t h o d es h e e tc a nb er e - u s e d f u r t h e r m o r e ，t h ec a t h o d es h e e ta l s oc a ni m p r o v et h ec a t h o d ec o p p e rq u a l i t ya n d i n c r e a s et h ec u r r e n te f f i c i e n c y i nt h ei n d u s t r i a l a p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t ，h i g h q u a l it yc a t h o d ec o p p e rh a sb e e np r o d u c e d t h et e c h n o l o g i c a lp r o c e s sf r o mt h es t a i n l e s ss t e e lt ot h ec a t h o d es h e e ta n d t h ed e s i g no fh a n g e rb a r ，w h i c hi sm a d eu s eo fh a n g e r i n gt h es h e e ta n d c o n d u c t i n g ， w e r ep a i dm o s ta t t e n t i o n t h ea i m st os t u d ya r em a i n l yi n c l u d e d ：( 1 ) s e l e c t i o no f s t a i n l e s ss t e e lm a t e r i a l ，( 2 ) m a n u f a c t u r i n gm e a n so fc a t h o d e s h e e t ，( 3 ) c u r r e n t e f f i c i e n c ys t u d y ，( 4 ) c o n n e c t i n gm e a n sb e t w e e nt h ec a t h o d es h e e ta n dt h eh a n g e rb a r ( 5 ) a n t i c o r r o s i o np e r f o r m a n c ei nt h er e a l e l e c t r o l y t e ，( 6 ) s t r i p p i n gp e r f o r m a n c e r e s e a r c h ，( 7 ) i n d u s t r i a la p p l i c a t i o ne x p e r i m e n t a p p r o a c h ，e t c ak i n do fa u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e lw a ss e l e c t e da st h em a t e r i a lo ft h ec a t h o d e a f t e rt h ep e r f o r m a n c ea n dt h ec o s to fs t a i n l e s ss t e e lc a t h o d es h e e tw e r ea n a l y z e d ， i t sc o n t e n t s b e i n gc a r b o n0 0 9 1 b yw e i g h t ，n i c k e l 8 8 6 6 b yw e i g h t ，c h r o m i u m 1 8 0 1 8 b yw e i g h t ，t i t a n i u m0 8 3 6 b yw e i g h t ，i r o n7 1 0 0 1 b yw e i g h t ，a n dt h er e s t i s m a n g a n e s e ，s i l i c o n ，p h o s p h o r o u sa n ds u l f u r t h ec u r r e n te f f i c i e n c yw a sd e t e r m i n e db ym a n ye x p e r i m e n t s ，a n dt h e a v e r a g e c u r r e n t e f f i c i e n c y w a s 9 6 7 f u r t h e r m o r e t h ef l u c t u a t i o no ft h ec u r r e n t e f f i c i e n c yw a sq u i t es m a l l t h eh a n g e rb a ra n dt h ec o n n e c t i n gm e a n sb e t w e e nt h ec a t h o d ea n dt h eh a n g e rb a r w a sd e c i d e db yt h ed e t e r m i n a t i o no f t h ev o l t a g er e d u c t i o n t h ev o l t a g ed e t e r m i n a t i o n 昆明理工大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t s h o w e d ，t h i sm e a n sw a ss u p e r i o rt ot h eo n e sa b r o a d t h er e c t a n g l ec a r b o ns t e e lw a s c h o s e nt ob et h eb e a m ，w h i c hs e c t i o ni s2 0 x 2 0m i l l i m e t e r c o p p e rc l a d d i n gw i t h 2 3m i l l i m e t e rt h i c k n e s s ，w a se l e c t r o p l a t e do nt h eb e a m t h i sm e a n sh a sb e e n e x a m i n e di nt h er e a le l e c t r o l y t i cr e f i n i n gi ny u n n a nc o p p e rc o r p o r a t i o nl i m i t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sm e a n sh a sg o o dc o n d u c t i n gp e r f o r m a n c e ，h i g hi n t e n s i o n a n dl o wc o s t t h ea n t i c o r r o s i o no fc a t h o d es h e e t ，i m m e r g e di n t or e a le l e c t r o l y t e ，w a s s t u d i e di f it h er e a le l e c t r o l y t eb ym e a n so fw e i g h t l o s sm e t h o da n de l e c t r o c h e m i c a l m e t h o d t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt w ok i n d so fs t a i n l e s ss t e e lb o t hh a v eg o o d a n t i c o r r o s i o np e r f o r m a n c e t h es e l e c t i o ni nt h i sp a p e rh a si t sf e a s i b i l i t yb e c a u s e o fl o wc o s t m o r e o v e r ，t w ok i n d so fs u r f a c et r e a t m e n tm e t h o d sc a ni m p r o v et h ea b i l i t y t or e s i s tl o c a lc o r r o s i o nb yi n c r e a s i n gt h ep i t t i n gp o t e n t i a l t h eo p t i m a lp r o c e s s a n dc o n d i t i o n so fc h e m i c a lm e t h o d sa r e ：3 0 n i t r i ca c i db yc o n c e n t r a t i o n r o o m t e m p e r a t u r ea n dt w oh o u r s t h ee l e c t r o l y t i cc o n d i t i o n sa r e ：a tp o t e n t i a l1 5 0 0 m y ， 2 0 m i n u t e s a d h e n s i o ns t r e n g t hw a sd e t e r m i n e db yw a yo fs t r e t c h i n ge x p e r i m e n t a sar e s u l t ， s u r f a c es t a t u sh a si m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h ea d h e n s i o ns t r e n g t h i no r d e rt o c o n f i r mt h ee f f e c to fv a r i o u s r o u g h n e s s ，s u r f a c et r e a t m e n tm e t h o d sa n dt i m e ， o r t h o g o n a lm e t h o d sw e r ea d o p t e dt o e n s u r et h eo p t i m a lp r o c e s sc o n d i t i o n s t h e r e s u l t so fo r t h o g o n a le x p e r i m e n td e m o n s t r a t et h ep r i m a r ya n ds e c o n d a r yf a c t o r s ： t h ec h i e fo n ei ss u r f a c er o u g h n e s s ，t h es e c o n di ss u r f a c et r e a t m e n tm e a n sa n dt h e l a s ti ss u r f a c et r e a t m e n tt i m e a sf a ra st h es i n g l ef a c t o ri sc o n c e r n e d ，t h eo p t i m a l l e v e lo fs u r f a c er o u g h n e s si sb u r n i s h e db ys a n dp a p e r ，a n di t sg r a n u l a r i t yi sb e t w e e n 2 8 0 # a n d3 2 0 # t h eo p t i m a ll e v e lo fs u r f a c et r e a t m e n ti se l e c t r o l y t i ct r e a t m e n t a n dt h et r e a t m e n tt i m ei s 1 5m i n u t e s ac a l c u l a t i n gf o r m u l at oo b t a i nt h ef o r c e n u m b e ro fs t r i p p i n gm a c h i n ea t s i m u l a t i n gac e r t a i ns t r i p p i n gm e a n sa l s og i v e n i nt h i sp a p e r a l t h o u g ht h i se x p e r i m e n th a sa no b v i o u sd i f f e r e n c ef r o mt h ef u t u r e o p e r a t i o n ，i tc a no f f e rt h et h e o r e t i cr e f e r e n c et od e s i g nf u t u r ep r o c e s sa n dd e v i c e f o rs e p a r a t i n gc a t h o d ec o p p e rf r o mac a t h o d es h e e ta l lt h es a m e t h em a s k i n gm e a n so nt h es i d ee d g e so ft h es h e e ta l s oi st h e k e yt e c h n o l o g y ， a n di n j e c t i n gp l a s t i cm e t h o dw a sm a d eu s eo fi nt h i st h e s i s t h i sm a s k i n gm e a n s i sp r i o rt ot h ep l a s t i ce d g e ，w h i c hc a nk e e pt h ef r i n g eo ft h ec a t h o d ec o p p e rt r i m 昆明理工大学硕士研究生学位论文 f u r t h e r m o r e ，t h el i f eo ft h i sm a s k i n gi sl o n g e rt h a nt h eo n ea b r o a d ，a n dt h em a j o r f e a t h e ri st h ee l i m i n a t i o no fw a xa sac a t h o d ep l a t em a s k i n ga g e n t t h ep r e p a r a t i o no ft h es t a i n l e s ss t e e lc a t h o d es h e e ti nc o p p e re l e c t r o l y t i c r e f i n i n g ，b a s e do nt h i st h e s i s ，h a sb e e na p p l i e dt ot h ei n v e n t i o np a t e n t ，a n dt h e a p p l i c a t i o nn u m b e r i s0 2 1 1 3 3 5 1 4 t h ed e s i g no ft h eh a n g e rb a ra n dt h ec o n n e c t i n gm e a n s ，a l s ob a s e do nt h i st h e s i s ， h a sb e e na p p l i e dt ot h ep r a c t i c a lp a t e n t ，a n dt h ea p p l i c a t i o nn u m b e ri s0 2 2 7 5 6 7 0 1 b a s e do nt h i sr e s e a r c hw o r k ，t h ep r o j e c t s “m a n u f a c t u r ei nc h i n ao fs t a i n l e s s s t e e lc a t h o d es h e e tu s e di nc o p p e re l e c t r o l y t i cr e f i n i n g ”a n d “m a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e o fs t a i n l e s ss t e e lc a t h o d em a t e r i a l su s e di n c o p p e r a n dn i c k e l e l e c t r o l y t i cr e f i n i n g ”h a v eb e e ns e l e 6 t e da sy u n n a np r o v i n c i a lt e n t h - f i v es c i e n c e a n dt e c h n o l o g yp l a n ，w h i c ht h en u m b e ri s2 0 0 2 g g 0 8 ，a n dm i n i s t r yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yh i g ht e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp l a n ( 8 6 3p l a n ) ，w h i c ht h e n u m b e ri s2 0 0 2 a a 0 0 1 0 2 4 t h et w op r o j e c t sh a v eb e e np u ti n t o p r a c t i c e k e y w o r d s ：c o p p e r ，e l e c t r o l y t i cr e f i n i n g ，s t a i n l e s ss t e e l ，c a t h o d es h e e t ，c a t h o d e c o p p e r ，s t u d y ，a p p l i c a t i o n 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：薛责翻 f 日期：z ，。z 年己月，。e t 垦望里三查堂堕主堕塞生兰垡堡奎 兰二空茎茎窒堕 1 文献综述 铜是国民经济建设中重要的有色金属，主要用于电气工业，要求铜具有较高 的导电性和良好的加工性能，以便制成各种规格的电气材料。火法精炼产出的精 铜一般含铜9 9 2 9 9 7 和杂质0 3 0 8 。这些杂质包括0 、s ；贱金属a s 、s b 、 b i 、f e 、z n 、n i 、c s 、p b 、s n ；贵金属a u 、a g 及铂族金属以及稀散金属s e 、t e 。 其中o 、s 、a s 、s b 、p b 、b i 存在都会显著降低电解铜的质量：而a u 、a g 、p t 、 n i 、c o 、s e 、t e 等是经济价值很高的金属，应该加以回收利用。因此，火法精 炼产出的铜还要进行电解精炼，以进一步脱除杂质和将铜含量提高到9 9 9 5 以 上。同时，在电解精炼过程中，电解槽底部的沉积物一一阳极泥富集了炼铜原料 中的贵金属，为回收贵金属提供了高品位的原料。 不论是火法还是湿法，最后一步都必须在硫酸铜溶液中进行铜的电解沉积。 因此，研究铜电解的阴极材料就具有重要的意义。 1 1 铜电解精炼的工艺流程 表卜1 电解精炼的阳极和阴极成分( ) 阳极阴极 元素 国内国外国内国外 c u9 9 2 9 9 79 9 4 - 9 9 89 9 9 59 9 9 9 so 0 0 2 4 o 0 1 50 0 0 1 0 0 0 3o o oo 0 0 0 4 0 0 0 0 7 oo 0 4 0 2o 1 o 3o 0 0 2 n i0 0 9 0 1 50 o 5o 0 0 2 微量0 0 0 0 7 f eo o o lo 0 0 2 0 0 0 30 0 0 5o 0 0 0 2 0 0 0 0 6 p bo 0 1 o 0 40 - 0 1o 0 0 50 0 0 0 5 a so 0 2 o 0 50 - 0 30 0 0 20 0 0 0 1 b io 0 0 2 60 - 0 0 l0 0 0 2 微量0 0 0 0 3 s eo 0 1 7 o 0 2 50 - 0 0 20 0 0 0 1 t eo 0 o o l微量一0 0 0 0 1 a g 0 0 5 8 - 0 1微量一0 i0 0 0 0 5 o 0 0 1 a u0 0 0 3 0 0 7 0 - 0 0 0 50 - 0 0 0 0 0 1 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第一章文献综述 电解前，待精炼的铜浇铸成一定形状的极板，与电源的正极相接；阴极则为 种板槽生产的始极片或不锈钢板，与电源的负极相接。电解精炼时，在外电源的 图卜1 铜电解精炼典型的工艺流程图 作用下，阳极发生溶解，溶解的铜离子在电解液中迁移至阴极并在阴极上放电沉 积，当沉积达到一定厚度时，将阴极取出，即为阴极铜。铜电解精炼厂的阳极和 阴极( 即阴极铜) 成分如表1 1 所示，铜电解精炼典型的工艺流程图如图卜1 所 示。 铜电解精炼工艺自1 8 6 9 年首次在工业上应用至今1 0 0 多年来，就其基本原 则和理论而言，并没有重大变化，而在围绕提高技术装备水平、扩大生产规模、 提高阴极铜质量、降低能源和人工消耗方面，则有了巨大进步。这种进步尤以近 二三十年间更为显著。特别是铜电解精炼阴极材料的改进，是一重大突破。 1 2 铜电解精炼传统使用的阴极板 在传统的铜电解精炼过程中，阴极通常采用铜始极片。最早的始极片是用电 解铜经熔化后浇铸而成。稍后，绝大多数铜冶炼厂均采用钛板制作始极片，即在 钛种板表面沉积约2 3 m m 的铜层，然后剥离下来再加上挂耳作为阴极板。 铜电解精炼传统使用的始极片，厚约o 4 0 7 m m ，其尺寸比阳极稍大，要求 铜片结晶致密，表面平整光洁。目前国内各大铜冶炼厂都采用钛种板制作始极片。 钛种板制作始极片有两个优点：一是钛板上的氧化膜具有隔离剂的作用，不需要 涂膜：二是铜片与钛板的传热率及热膨胀系数相差很大，将沉积了铜片的钛板放 入0 - 2 0 的水中，铜片可自动脱落。产出的铜片结晶致密，韧性好，片形规整， 成品率高。 基于钛种板具有上述优点，国内各大型冶炼厂基本上都采用钛板制作始极 昆明理工大学硕士研究生学位论文第一章文献综述 片，各单位也都致力于种板工序的研究，不断改进钛母板的性能，出现了各种新 技术和工艺，具体内容不再赘述，请参阅文献 2 卜 8 及文献 3 4 ，其中文献 3 4 记载了日本玉野炼铜厂始极片剥离的自动化流程与设备，对下一步我们设计不锈 钢阴极的铜剥离流程和设备有重要的参考价值。 钛种板制作始极片的工艺虽然成熟，但是仍然需要完整独立的始极片制作工 序及剥离加工设备，电解槽不能全部用来生产阴极铜，耗费了较多的工时，增加 了操作人员的劳动强度，并且钛板的成本较高，在一定程度上增加了生产成本。 与此相适应，不锈钢阴极技术应运而生。 1 3 不锈钢阴极技术的研究与应用凹卜卯、n 7 1 1 9 7 9 年，澳大利亚p e r r yi a nj a m e s 发明了用不锈钢阴极板代替传统的铜 始极片的方法，其专利号分别为g b 2 0 4 0 3 1 i 和g b 2 i 0 4 5 4 9 。由于此种阴极在生产 中可反复使用而不消耗，因此这种电解方法也命名为永久阴极法。永久阴极法( 又 称i s a 法) 其基本原理与传统法相同，但在永久阴极法中取消了传统法必须的 种板系统，从而简化了生产工序，降低了生产成本。该专利使用的阴极板为3 1 6 l 牌号的不锈钢，不锈钢成分( w t ) 为碳( c ) 0 0 3 ，镍( n i ) 1 2 0 ，铬( c r ) 1 7 0 ，钼 ( m o ) 2 2 5 ，其余为铁( f e ) 。不锈钢阴极板表面经抛光处理，达到2 b 光洁度。阴 极板左右两边使用聚丙烯塑料夹条绝缘，底边用蜡涂覆。 此方法产生以后，国际上对不锈钢阴极的研究日趋广泛，出现了许多种不同 的设计方法，相继公开了多项专利，具体内容请参阅文献 9 。 2 4 。 1 3 1 不锈钢阴极技术与传统始极片方法的比较 不锈钢阴极技术的独特之处体现在采用不锈钢阴极和与之相配套的阴极剥 离机两大系统。 i s a 法铜电解精炼技术的核心是采用不锈钢阴极板。 i s a 法永久性不锈钢阴极板由3 1 6 l 不锈钢板制造，极板厚度3 2 5 m m ，表面 光洁度2 b 。导电棒由3 0 4 l 不锈钢异型钢管压焊在阴极板上，然后先镀镍再镀铜， 镀铜厚度为2 5 m m 。镀镍、镀铜均采用电镀法，镀层覆盖全部焊缝，并延伸至极 板表面，以确保良好的导电性能。紧靠导电棒在阴极板面开有两个方形窗口，供 起吊阴极板时挂钩用。 阴极板的两侧垂直边采用聚氯乙烯挤压件包边绝缘，以防止在电解过程中电 铜析出而造成阴极铜剥离困难。阴极板的底边不用包边绝缘，而是采用蘸蜡的方 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第一章文献综述 法绝缘。原因是底部包边在阴极铜剥离作业时容易被损坏而且底部包边处易沉积 阳极泥而影响阴极铜质量，并造成金银等贵金属的损失。 2 6 1 作为永久性阴极，必须具有下列性能： ( 1 )耐腐蚀性能：阴极的工作介质是6 5 的硫酸溶液，必须保持长期的 化学稳定性，不被腐蚀； ( 2 )导电性能：电阻较小，电流分布均匀： ( 3 )机械性能：能经受起重运输机械及阴极剥离机组各种机械力的作用， 而保持原有的几何尺寸及规则的外形； ( 4 )板面表面活化性能：沉积的阴极铜既有必要的附着力，不至于自动 掉落；又要具有良好的剥离性。 i s a 法阴极剥离机组由日本三井金属矿业株式会社的锌阴极的剥离机经过移 植而成。大型功能阴极剥离机组的功能以及剥离作业程序2 6 】、 3 3 是： ( 1 ) 受料：出槽的整槽阴极铜由桥式起重机吊入受料站，受料运输机将阴 极铜往前传送至转载台车； ( 2 ) 转载分片：转载台车从受料运输机上将阴极铜转至转载运输机并分片 运入洗涤箱； ( 3 ) 洗涤：边向前输送边用9 0 的热水冲洗阴极铜上的电解液，并把阴极 底边及两侧的蜡清除干净： ( 4 ) 分片移位：将洗涤后的阴极一片一片的移到横向运输机上，横向运输 机依次把阴极送入挠曲装置进行预剥离； ( 5 ) 挠曲预剥离：将送来的阴极在其中心部位进行顶推，由于阴极挠曲变 形而使上半部铜脱离不锈钢板。这一作业进行两次，一边一次，使阴极两边的电 铜都完成预剥离。不锈钢阴极凭借其良好的弹性，当消除推力后立即恢复至平直 状态； ( 6 ) 剥离：经过预剥离的阴极，进入剥离工位，由两个楔形剥离器分别将 阴极两面的电铜从阴极板上剥离下来； ( 7 ) 电铜堆垛、称重、打印、捆扎、输出。 不锈钢阴极与传统的铜始极片相比，基本原理相同，但是省去了种板系统和 始极片剥离和加工系统，而且阴极板可以反复使用，从而缩短工艺流程，降低生 产成本，减轻工人劳动强度。此外，不锈钢阴极出于改善了阴极质量，还可提高 阴极铜质量和电流效率。因此，不锈钢阴极在国外获得了广泛应用。 表卜2 ”列出了以年产1 0 万吨电解铜为例，不锈钢阴极法与传统法的比较。 4 昆明理工大学硕士研究生学位论文第一章文献综述 表1 - 2 年产1 0 万吨电解铜工厂传统法与不锈钢阴极法的比较 项目单位传统法 1 不锈钢阴极法 规模万吨年1 01 0 电解槽数量 生产槽 3 8 43 6 0 口 种板槽 4 8 口 电流密度a m 22 4 02 8 0 同极距 m m1 0 59 5 电流效率 9 59 6 槽电压 v0 30 2 5 阴极尺寸m 【n1 0 0 0 x1 0 0 01 0 0 0 1 0 0 0 阴极周期 d1 27 9 阴极平均重量k g 块1 2 05 0 残极率2 01 5 1 8 ， 直流电单耗k w h t2 8 02 6 0 蒸汽单耗t t0 60 2 金属积压量 t6 2 4 06 9 8 0 投资估算亿1 82 o 劳动定员人l o o5 0 操作费用兀t8 0 07 0 0 机械作业线 阳极整形排板机组有 有 残极洗涤机组有 有 阴极洗涤机组有 有 始极片剥离机组有无 始极片加工机组有无 导电棒传递机组有 无 剪耳机有 无 阴极剥离机组无 有 建筑面积m 21 8 0 0 01 4 0 0 0 钛种板片2 6 6 9 无 不锈钢阴极片无 1 9 7 0 0 昆明理工大学硕士研究生学位论文第一章文献综述 由上述对比可知，不锈钢阴极法与传统法相比，其明显的优点是省去了种板 槽系统和始极片的剥离和加工过程。传统法所需的始极片剥离、耳攀剪切、导电 棒传递、始极片制作、以及成品阴极铜洗涤不再需要。只要阴极剥离、阳极整形 排板、残极洗涤3 台机组，比传统法少5 台机组。此外，传统法所需的钛种板以 及相应的电解液循环系统及供电设施均可省去。初步估算，这部分节省下来的投 资基本可以弥补不锈钢阴极法花费在阴极剥离机以及不锈钢阴极上的投资。因此 在投资上，不锈钢阴极法与传统法基本相当或略高一些。但是不锈钢阴极法在产 品质量、劳动力消耗、操作管理以及操作费用上均占有优势，故综合来看具有较 大的优越性。” 1 3 2 不锈钢阴极法铜电解的特点凹们 ( 1 ) 简化流程，减少操作人员，改善劳动条件 永久性阴极板可以反复使用，生产过程中省去了种板电解系统( 包括种板电 解槽、直流电源、电解液循环、种板剥离机等) 及始极片加工制作系统( 包括剪 切设备、始极片装配设备、导电棒贮运设备等) 。流程的简化，生产环节的减少， 既便于生产管理，同时使大幅度减少生产人员成为可能。据对一些工厂的统计， 由于减少了操作岗位、槽面检查工作量下降以及设备维修量降低，与传统法电解 相比，生产人员可以减少三分之一。 ( 2 ) 生产效率高 不锈钢阴极强度高，不易变形，经常保持平直状态。平直的阴极使缩短电解 槽内同极中心距成为可能。对阴极尺寸为1 0 0 0 1 0 0 0 的大型极板的常规法电解， 受始极片平直度的影响，极距一般为1 0 5 l l o m m 。而在i s a 法电解条件下，极距 可缩短为9 5 l o o m m 。即相同规格的电解槽，阴极装入片数可增加1 0 ，换言之， 电解槽的生产能力提高了1 0 。 阴极的平整，电极表面的光滑，加之6 8 天的阴极周期，电解过程中电极短 路、表面长粒子的情况大为改善，允许采用较高的电流密度。 ( 3 ) 阴极铜产品质量高 不锈钢阴极法电解不需耗费大量工时制作始极片，有条件将阴极周期缩短为 6 8 天，而传统电解法的阴极周期通常为l o 1 4 天。根据生产实践，传统电解法 8 天以后的阴极周期后半期，电铜表面长粒子的情况加剧，杂质含量也相应增加。 短周期有利于改善阴极铜质量。 始极片作为阴极产出的阴极铜，因有两个耳攀，在阴极洗涤过程中，往往在 昆明理工大学硕士研究生学位论文 第一章文献综述 吊攀铆接处难于清洗干净，造成阴极铜表面含有硫酸铜和硫酸，存放一段时间表 面变黑，从而影响质量。不锈钢阴极法生产的阴极铜形状规整，容易洗涤干净， 且无吊攀，产品物理规格良好。 ( 4 ) 金属积压量少，流动资金周转快 较高的电流密度以及阴极周期的缩短，减少了铜在加工过程中的积压量，缩 短了流动资金的占用量。此外也缩短了铜的积压时间，加快了资金的周转速度。 1 3 3 不锈钢阴极技术的应用 不锈钢阴极技术一经问世，就以其巨大的技术优势获得了广泛承认和应用。 目前世界上已有5 0 多家工厂已经或准备采用该项技术。表卜3 列出了截至2 0 0 2 年1 月，世界各地采用不锈钢阴极法生产企业的投产年份和生产能力，总生产能 力已经超过5 0 0 万吨”“。 表卜3 世界各地采用不锈钢阴极法生产电解铜的工厂情况 生产能力 序号厂址投产年份 ( 千吨年) 1b h a sp e r tp i r i e a u s t r a l i a1 9 8 55 2g i b r a l t a rm i n osl t d ，m c l e es el a k e ，b cc a n a d a1 9 8 65 3b h pc o p p e r ，s a nm a n u e l ，u s a 1 9 8 6 8 8 6 0 4b h pc o p p e r ，p i n t ov a l l e y ，m i a m i ，u s a1 9 8 91 2 5 m e x ic a r i ad ec a n u n e a ，m e x i c o1 9 8 9 9 0 0 l6 0 s t r a i t sr e s o u r c es m tg o r d o n ， 6 1 9 9 c i 9 8 4 5 a u s t r a l i a ( f o r m e r l yg u n p o w d e r ) 7 m o u n tis am if i esl i m i t e d a u s t r u l i a1 9 9 03 5 c o m p a n i am i n e r ad is p u t ad el a sc o n d e ss a e i 81 9 9 26 5 s 0 1 d u d ec h i le 9s t r a i t sr es o u r e c e s ，n i f t yc o p p e r ，a u s t r a l i a 1 9 9 3 0 04 3 s t r a i ts r e s o u r e c e s ，g i r i l a m b o n ec o p p e r ， 1 01 9 9 31 5 a u s t r a li a 1 le s c e n d i d ac o l o s o ，a n t o f a g a s t a ，c h i l e1 9 9 48 0 c o m p a n i am i d e r 8q u e b r a d ab l u n c as a ，i q u i q u e ， 1 2 1 9 9 48 3 c h i l e 昆明理工大学预士研究生学位论文第一章文献综述 1 3m i n e r am ic h i l