Badania nad intensyfikacją produkcji miedzi katodowej W HM Głogów II

Intensyfikacja produkcji miedzi elektrolitycznej wiąże się z podwyższeniem gęstości prądu na elektrodach (skróceniem cyklu katodowego) lub umieszczeniem dodatkowych elektrod w wannach (co można osiągnąć poprzez zmniejszenie rozstawu elektrod). Możliwy jest też wariant mieszany polegający na podwyższeniu gęstości prądu, przy jednoczesnym zmniejszeniu rozstawu elektrod. Znaczące zwiększenie produkcji katod miedzianych najwyższej jakości, przy zachowaniu obecnej liczby wanien elektrolitycznych, jest możliwe poprzez zastosowanie nowoczesnej, bezpodkładkowej technologii elektrorafinacji miedzi, znanej pod nazwą ISA-Process (ISA/KIDD). Według licznych danych pochodzących zarówno z literatury, jak i bezpośrednio z przemysłu, w zakładach pracujących w oparciu o tę technologię, stosuje się katodową gęstość prądu w zakresie od 280 do 350 A/m², a jej średnia wartość wynosi 310 A/m².

W Sieci Badawczej Łukasiewicz – Instytucie Metali Nieżelaznych zostały wykonane badania dotyczące intensyfikacji produkcji miedzi elektrolitycznej w warunkach laboratoryjnych, przy podwyższonej gęstości prądu i zmniejszonym rozstawie elektrod. Dla porównania były prowadzone również elektrolizy, przy obecnie stosowanym rozstawie elektrod – stosowanym przez krajowego producenta katod miedzianych. Dodatkowo określono możliwość prowadzenia procesu elektrorafinacji miedzi w wannach o nowej konstrukcji ŁUKASIEWICZ – Instytut Metali Nieżelaznych, która umożliwia przepływ elektrolitu w kierunku równoległym do powierzchni elektrod. Przeprowadzenie testów tych wanien w skali przemysłowej w warunkach technologicznych HM „Głogów II” byłoby możliwe, podobnie jak w przypadku technologii bezpodkładkowej ISA-Process, jedynie w przypadku wybudowania stanowiska testowego lub pilotowego. Rozwiązaniem tego problemu była weryfikacja wyników badań prowadzonych w ustalonych, zbliżonych warunkach procesu i w porównywalnej skali, uzyskanych zarówno w wannach o tradycyjnym przepływie elektrolitu, prostopadłym do powierzchni elektrod, jak i nowym, równoległym przepływie.

Fot. 1. Stanowisko modelowe do badań procesów elektrorafinacji i elektrowydzielania metali, wyposażone w elektrolizery z przepływem elektrolitu prostopadłym do powierzchni elektrod

Fot. 2. Stanowisko modelowe do badań procesów elektrorafinacji i elektrowydzielania metali, wyposażone w elektrolizery z  przepływem elektrolitu równoległym do powierzchni elektrod

W badaniach elektrorafinacji miedzi zastosowano następujące warunki:

• układ elektrod w wannach: 2 anody, 1 katoda (ułożone centralnie),
• katodowa gęstość prądu D_k = 230÷500 A/m²,
• rozstaw elektrod: 110÷90 mm,
• natężenie przepływu elektrolitu przez wannę: -  przy przepływie prostopadłym do powierzchni elektrod - 8,9÷13,3 cm³/min,- przy przepływie równoległym do powierzchni elektrod - 100 i 300 cm³/min,
• objętość elektrolitu w obiegu: - przy przepływie prostopadłym do powierzchni elektrod V = 2,7 dm³, objętość robocza wanny V = 2,0 dm³, - przy przepływie równoległym do powierzchni elektrod V = 5,9 dm³, objętość robocza wanny V = 4,0 dm³,
• dozowanie inhibitorów [g/t_Cu]: klej kostny – 100÷150, tiomocznik - 70÷105, NaCl - 70,
• temperatura procesu  – 60°C.

Badania wykonane z zastosowaniem anod z miedzi anodowej i elektrolitu przemysłowego, wykazały możliwość prowadzenia procesu przy katodowej gęstości prądu wynoszącej 500 A/m² i zmniejszonym rozstawie elektrod z 110 do 90 mm, z zachowaniem wysokiej jakości i czystości katod miedzianych, a także korzystnych wskaźników techniczno-ekonomicznych procesu. Udowodniono, że w warunkach prowadzonych badań wysoka gęstość prądu 500 A/m² i zmniejszony rozstaw elektrod 90 mm nie powodowały pasywacji anodowej, objawiającej się chwilowymi wzrostami napięcia powyżej wartości 1,0 V.

Wykazano, że korzystne jest prowadzenie procesu elektrorafinacji miedzi przy stosowaniu przepływu elektrolitu równoległego do powierzchni elektrod, z zastosowaniem technologii bezpodkładkowej wraz z dotychczasową, standardową dawką stosowanych inhibitorów: klej – 100 g/tCu, tiomocznik 70 g/tCu, NaCl 70 g/tCu i przy natężeniu przepływu elektrolitu przez wanny wynoszącym 300 cm³/min (ponad czterokrotna wymiana objętości wanny w ciągu 1 godziny). Równoległy przepływ elektrolitu polepsza warunki hydrodynamiczne procesu, a zastosowanie podkładek ze stali kwasoodpornej umożliwia uzyskanie: pionowości katod w elektrolizerach, równomiernego rozkładu ładunku elektrycznego na powierzchni katod i bardziej stabilnych warunków w trakcie prowadzenia procesu, co zapewnia uzyskanie katod o zadawalającym wyglądzie i czystości spełniającej wymagane normy dla miedzi najwyższej jakość Cu-CATH-1. W tych warunkach otrzymano miedź katodową z bardzo wysoką wydajnością procesu 99,4% i niskim jednostkowym zużyciem energii elektrycznej 307,0 kWh/t_Cu.