2020-03-27
摘要：以铜米为原料在铜电解系统进行工业化应用试验，主要对铜米电解的生产过程控制、能耗、产品质量的研究情况进行了阐述。工业试验结果表明，铜米电解工艺可以产出接近A级铜品质的阴极铜，目前技术条件下，铜米直接电解生产阴极铜工艺成本高，仍需进行改进。
关键词：铜米；电解；工业化试验；能耗；产品质量
铜米是废线缆生产的铜颗粒，市场上主要有光亮铜米和杂线铜米（以下简称杂铜米），光亮铜米含铜量可达99％以上，杂铜米含铜80％~90％。废铜米是生产阴极铜的主要原料之一，目前通行的是先火法处理，产出阳极板后再通过电解生产阴极铜。光亮铜米一般直接加入阳极精炼炉，生产阳极板；品位略低或混入杂质较多的铜米先进入PS转炉除杂，产出粗铜再入阳极炉精炼；混和杂质严重的原料，则需在熔炼炉先处理。品质越差的铜米加工成本越高，为探索更短的加工流程和较低的加工成本，本文在电解槽进行了铜米电解生产阴极铜的工业试验，产出了阴极铜产品，考察了铜米电解的工艺可行性、经济性，以及工业化生产过程存在的问题。
1 试验原料
选取市场采购的光亮铜米和杂铜米两种原料，光亮铜米为直径1.5mm以内、长5mm以下不等颗粒，杂铜米为直径0.2~0.3mm、长2~3mm细丝，光亮铜米外观呈紫铜光泽、洁净、流动性好；杂铜米呈紫铜光泽、易堆积，有塑料、铁丝以及不明杂物。两种铜米含铜都达到99％以上。
2 试验设施
工业电解槽配套独立溶液循环系统、过滤机、加热器，添加剂加入装置，以及烫洗槽。钛筐为阳极，阴极为常规电解始极片。电解液使用电解工序电解液（g/L）：Cu40~48、H2SO4170~190、Ni≤20。
3 试验过程
1）钛筐内衬工业过滤布，装满杂铜米，目标电流密度200A/m2，电解液温度60~65℃，电解液循环量1500~2000L/h，阴、阳极周期根据实际电解情况调整。通电接近20个小时，电流密度达到90A/m2，因槽电压接近3V，阳极出现气泡而断电，铜米略有损耗。
2）钛筐不衬过滤布，装满杂铜米，逐步将电流密度提高到130A/m2，槽电压稳定到1.9V，持续120个小时，产出阴极铜547.5kg。
3）钛筐外套工业过滤布袋，装满光亮铜米，电流密度130A/m2，平均槽电压2.1V，持续116个小时，因部分滤布粘连阴极，停电出槽，产出阴极铜642kg。继续通电，平均槽电压逐步上升到2.4V，持续152个小时，产出阴极铜832.5kg。
4 试验结果
１）首槽试验选用杂铜米，因其颗粒小，为避免从钛筐逸出，内衬过滤布。通电开始槽电压就为1.9V，表现出明显的导电不良，铜米不溶解，直至阳极产生氧气而中断试验。拆装阳极发现，阳极两面仅有局部表面有电解液，钛筐内衬过滤布造成阳极导电不良。
2）重新装杂铜米，不衬过滤布，试验得以继续，过程中产生较多铜粉，也有小部分杂铜米从阳极钛筐逸出，阴极表面粘附铜粉而变得粗糙。生产后期电解液出现不清澈，电解液酸、铜含量略呈下降趋势，过程参数变化见表1。阴极铜产品中铋和硫超标，未达到A级铜标准，试验过程添加了明胶和微量硫脲，原料物理夹带是造成杂质超标的主要原因。杂铜米电解试验产出阴极铜化学成分（×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杂铜米电解试验结果
以光亮铜米为原料，钛筐阳极装入重量超过杂铜米一倍，随着通电时间的增加，表现出电解液酸度逐步下降，铜离子含量相对稳定，过程参数变化见表2。试验持续进行268个小时，过程中阳极外衬过滤布仍有部分铜粉穿透，粘附于阴极表面，电解液逐步表现出明显的混浊，加大溶液过滤量未起作用，阴极铜外观粗糙和结粒。阴极铜产品铁和硫超标，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光亮铜米电解试验结果
光亮铜米纯度高，电解过程阳极不断产出铜粉，虽然使用生产压滤布隔离，显然未能影响其在阴极的粘附。试验发现，过滤布表面、电解槽底面都有明显可视铜粉。铜粉的存在使阴极铜质量受到较大的影响。
3) 试验过程中，两种铜米原料电解液都逐步出现混浊，过滤布粘附油状黑色物。杂铜米夹带少量混合物，对体系有一定影响，两种原料中并无黑色油状物，电解后的铜米表面颜色暗淡没有光亮。考虑到铜米表面的防氧化涂层，因此做了预处理试验，两种铜米均加入硫酸泡洗5~6个小时，常温通风定时搅拌，自然晾干后表面没有变化、质量减少不到1％。试验认为，铜米防氧化涂层和夹带杂质对电解液的洁净度有明显污染，产品质量难以保障。
4）试验过程电流密度不高，但吨铜直流电单耗达到1200~1300kWh。阳极钛筐是用电解钛种板打孔拼接制作的，板面孔洞的密度不如筛网，对导电有影响；铜米颗粒规格差异形成的电阻也不同。
5）试验过程操作以手工作业为主，其中钛筐添加铜米操作难度较大、劳动强度高。细丝状杂铜米初装一块阳极需要20~30min，光亮铜米大约需要10min；试验过程需经常观察钛筐内铜米消耗情况，人工添加。
5 成本分析
选取外衬过滤布电解阶段进行核算。为减少铜粉在阴极的粘附，试验过程中每块阳极都外衬工业压滤布用于过滤，以采购价格核算，其成本约为每吨铜2800元；电价按生产实际计算，直流电成本约为每吨铜560元（1200kWh）；交流电单耗每吨铜为900kWh，成本约每吨铜400元，三项合计3760元；电解液、添加剂、人工、运输、检测费等忽略，溶液循环泵等直接使用现场设备。分析结果表明，试验体系消耗偏高。
6 试验结果分析
铜米电解工业试验可以验证其工艺过程是可行的，也可以产出接近A级铜品质的阴极铜，而其工业化最大的问题是成本较高，主要体现在：
１）铜米电解过程直流电单耗高，钛筐通过改进可以改善导电性，但降低的空间有限；若工业化生产，如果不能有效控制铜粉的产生，过滤布不可缺少，实际生产滤布不能重复使用，工业生产上钛筐装备也是较大的投资，运行费用较高。
２）铜米电解生产，钛筐添加铜米、电解过程中补充铜米均需人工操作，难以替代，劳动强度大，生产率低，人工成本高。
３）产品质量不能保障。铜粉的产生直接恶化阴极铜产品外观质量，铜米夹带的杂质和表面防氧化涂层都会污染电解液体系，分离夹带杂质的难度很大，去除防氧化涂层缺少技术手段，即使两者技术上可行也将继续增加成本。
7 结论
铜米电解工业试验是对铜米回收加工途径的尝试，试验结果表明：工艺过程是可行的，也可以产出接近A级铜品质的阴极铜，但在目前技术水平下，铜米电解工艺成本较高，在投入工业应用前仍需进行工艺优化和节能降耗等方面的研究。
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