Электролизная блок-серия ванн для электролитического рафинирования меди и способ электролитического рафинирования меди

 

Использование: группа изобретений относится к области электрохимических производств в цветной металлургии и может быть использована при электролитическом рафинировании цветных металлов, в частности меди, в водных растворах. Сущность: электролизная блок-серия для электролитического рафинирования цветных металлов, в частности меди, в водных растворах электролитов состоит из серии ванн с включением электродов в электрическую цепь по системе мультипль и циркуляцией электролита ящичного типа при подаче его в каждую ванну с одного торца и удалении с другого, причем каждая ванна серии имеет несколько секций, электродные ячейки которых включены в электрическую цепь параллельно, секции каждой ванны и ванны - последовательно, электроды размещены вдоль каждой ванны и опираются на торцевые стены ванн и электродные балки между секциями, уложенные на боковые стены ванн. Способ электролитического рафинирования меди осуществляется в блок-сериях ванн предлагаемой конструкции и характеризуется совмещением направлений циркуляции электролита и электрической цепи при скорости циркуляции электролита до 50 дм³/мин и напряжения тока 1-3 В на каждой ванне блок-серии. Изобретение обеспечивает расширение арсенала технических средств, применяемых для электролитического получения, регенерации и рафинирования металлов электролизом из растворов. 2 с. и 17 з. п. ф-лы.

Группа изобретений относится к области электрохимических производств в цветной металлургии и может быть использована при электролитическом рафинировании цветных металлов, в частности меди, в водных растворах.

Известна и применяется двумя медерафинировочными заводами России блок-серия ванн для электролитического рафинирования меди с включением электродов по системе мультипль и продольной циркуляцией электролита параллельно плоскости электродов при подаче его со скоростью 140 дм³/мин через боковую сторону центральных ванн блок-серии в каждую электродную ячейку, перетоке по переточным отверстиям в соседние ванны блок-серии и удалением через карманы на крайних ваннах блока [ 1, с. 42].

Недостатками блочного электролизера (блок-серии ванн) с продольной циркуляцией электролита является турбулизация потока электролита в зоне переточных отверстий (критерий Рейнольдса 2000 - 8000 при критическом значении 580), а также неравномерное распределение электролита между электродными ячейками после выхода из переточных отверстий.

Известна и применяется двумя заводами Японии и Канады для рафинирования меди блок-серия с включением электродов по системе мультипль и проточной циркуляцией электролита (или ванна-бассейн "Джумбо"), в которой объединенные в блок ванны не имеют перегородок, электроды опираются на торцевые стены блока и электродные балки большой длины, уложенные на боковые стены блока и промежуточные стойки, а циркуляция электролита производится подачей его со скоростью 550 - 600 дм³/мин через карман на одной стороне блок-серии движением параллельно плоскости электродов через все секции блока (20) и удалением через карман на другой торцевой стороне блок-серии [2, с. 148].

Недостатком конструкции ванны-бассейна является чрезмерно большой объем электролита (более 100 м³), одновременно удаляемого из блок-серии при ее обслуживании и ремонте, турбулизация потока под электродами, вызывающая взмучиваиие шлама (критерий Рейнольдса 750 - 1000), а также ненадежность конструкции, исключающая возможность использования традиционных материалов для изготовления, а также работу с тяжелыми анодами двух- и трехсрочного срабатывания.

Известна и широко используется в промышленности блок-серия ящичных ванн для электролитического рафинирования меди и других цветных металлов в водных растворах электролитов, представляющая собой состыкованную боковыми сторонами серию ванн с параллельной системой включения электродов в электрическую цепь (или системой мультипль), последовательным включением ванн и поперечной циркуляцией электролита при подаче его через карман на одном торце каждой ванны со скоростью 15-20 дм³/мин, движении перпендикулярно плоскости электродов (сверху вниз или снизу вверх) и удалении через лоток на другом торце ванны [3, с. 19,23 ], прототип.

Недостатками электролизной блок-серии ванн ящичного типа являются неравномерность циркуляции электролита в разных электродных ячейках ванны из-за возможного образования застойных зон при движении электролита перпендикулярно плоскости электродов, ограничение линейной скорости циркуляции предельной величиной критерия Рейнольдса под электродами (Re=546 при скорости циркуляции 17 дм³/мин), а также достигающее 30% перераспределение тока между параллельно включенными электродными ячейками вследствие изменения состава и температуры электролита по длине ванны.

Недостатком всех перечисленных конструкций блок-серий с включением по системе мультипль от 30 до 50 электродных пар является высокая токовая нагрузка (до 30 кА), увеличивающая расход меди на ошиновку, и стоимость электрооборудования, а также низкое напряжение тока на блок-серии (не более 8 В при 20 ваннах в блоке), исключающее совмещение направлений электрических цепей и циркуляций электролита в цехах электролиза для подбора оптимальных циркуляционного, коллоидного и электрического режимов осаждения меди.

По принятой во всем мире компоновке, независимо от конструкции ванны, блок-серии объединены по две и снабжены главной и передаточной шинами большого сечения [3, с. 23] . На главной шине между блоками установлены шунты-размыкатели для шунтирования (отключения от электрической цепи) двух блоков при обслуживании или ремонте любой из ванн блоков.

Способ обслуживания блок-серий состоит в отключении от электрической цепи двух блоков замыканием входной и выходящей ветвей главной шины, удалением электролита из ванн в резервную емкость или другие ванны, выгрузке катодов и анодных остатков, чистке ванн от скрапа и анодного шлама, загрузке ванн анодами, катодными основами или матрицами и заполнении электролитом. После загрузки и заполнения электролитом двух блоков, состоящих из 20-40 ванн, они включаются в электрическую цепь удалением шунта-размыкателя и электроосаждение меди ведется при пересекающихся направлениях тока и электролита в блок-серии при скорости циркуляции электролита не более 28 дм³/мин [2, с. 126].

Одновременная обработка двух блоков связана с потерей около 10% машинного времени блок-серий.

Известны способы электрического рафинирования меди, включающие растворение анодов и осаждение катодной меди при прохождении электрического тока и циркуляции электролита в электролизерах различной конструкции, отличающиеся различными режимами осаждения катодной меди.

Способ электролитического рафинирования меди в блок-сериях ванн с продольной циркуляцией электролита параллельно плоскости электродов при подаче его со скоростью 140 дм³/мин проходит при большой турбулизации потока в зоне переточных отверстий, вызывающей загрязнение катодной меди, что является недостатком способа [1, с.42].

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному способу в группе изобретений по совокупности признаков является способ электролитического рафинирования меди, проводимый в блок-сериях ванн ящичного типа и включающий растворение анодов и осаждение меди при прохождении электрического тока и циркуляции электролита со скоростью 15-20 дм³/мин движением, перпендикулярно плоскости электродов, и удалением через лоток на другом конце ванны [см. 3, с. 19,23, принят за прототип].

Недостатком способа являются возможные нарушения технологических режимов (электрического, коллоидного и циркуляционного), приводящие к снижению качества катодной меди, вследствие неравномерности циркуляции электролита в разных электродных ячейках ванны из-за возможного образования застойных зон при движении электролита перпендикулярно плоскости электродов, ограничении скорости циркуляции и перераспределении тока между параллельно включенными электродными ячейками вследствие изменения состава и температуры электролита по длине ванны.

Заявляемая группа изобретений позволяет достичь единый технический результат, выраженный в повышении качества катодной меди.

При осуществлении изобретения по объекту - устройство расширяет арсенал технических средств, применяемых для электролитического получения, регенерации и рафинирования металлов электролизом растворов.

Заявляемая электролизная блок-серия ванн для электролитического рафинирования меди содержит серию электролитических ванн, оснащенных ошиновкой, электродами, включенными в электрическую цепь по системе мультипль, и устройствами для циркуляции электролита, расположенными на торцах каждой ванны, для подачи электролита в каждую ванну с одного торца и удаления с другого, причем каждая из состыкованных боковыми сторонами ванн блок-серии имеет несколько секций, электродные ячейки которых включены в электрическую цепь параллельно, секции каждой ванны и ванны - последовательно, электроды размещены вдоль каждой ванны параллельно движению электролита и опираются на торцевые стены ванн и электродные балки между секциями, уложенные на боковые стены ванн; ошиновка блок-серии ванн состоит из входной шины, уложенной на торцевую стену первой ванны, передаточных шин любых двух соседних ванн блок-серии, уложенных на их торцевые стены и выходной шины последней ванны; между входной шиной, передаточными шинами спаренных ванн и выходной шинами установлены шунты-размыкатели; в ваннах между их секциями установлены листовые отражатели на разной высоте от дна ванн, подвешенные к электродным балкам; устройство для подачи электролита в ванну выполнено в виде кармана, расположенного на торце каждой ванны по всей ее ширине; каждая ванна снабжена приемным и сливным карманами, расположенными на противоположных торцевых сторонах ванны по всей ширине ванны; блок-серия может быть скомпонована из необходимого количества ванн, она является единой конструкцией и собрана из сборных элементов; корпус ванн может быть выполнен из сборного или монолитного железобетона или из полимербетона; электродные балки между секциями ванн изготовлены из кислотостойкого железобетона или полимербетона, либо из стеклотекстолита или стекловолокнита; футеровка блок-серии из железобетона изготовлена из листовых полимерных материалов, например винипласта, полипропилена или других термопластов и реактопластов, или из кислотостойкого кирпича и/или плитки, уложенной на асфальто-битумной мастике; блок серия снабжена системой для управления потоком электролита, распределения его по ваннам, поддержания уровня электролита в ваннах серии и токоуравнительными шинами, уложенными на электродные балки между секциями.

Указанный единый технический результат по объекту - способу достигается тем, что в известном способе электролитического рафинирования меди в блок-сериях ванн ящичного типа, включающем электролиз с растворением анодной меди и осаждением катодной меди при прохождении электрического тока и циркуляции электролита и подготовительные операции к процессу электролиза, например выгрузку катодов и анодных остатков, чистку ванн от шлама, загрузку анодами и катодными основами, заполнение ванн электролитом, включение в электрическую цепь и др. , электролитическое рафинирование меди осуществляют в электролизных блок-сериях ванн при совмещении направлений циркуляции электролита и электрической цепи, при напряжении тока от 1 до 3 В на каждой ванне блок-серии и скорости циркуляции электролита от 15 до 50 дм³/мин, циркуляция электролита осуществляется параллельно плоскости электродов, установленных вдоль каждой ванны, разделенной на секции, электродные ячейки которых включены в электрическую цепь параллельно, а секции каждой ванны и ванны - последовательно, ошиновка блок-серии ванн состоит из входной шины, уложенной на торцевую стену первой ванны, передаточных шин любых двух соседних ванн блок-серии, уложенных на их торцевые стороны, и выходной шины последней ванны, между шинами установлены шунты-размыкатели; для управления потоком электролита и для исключения утечек тока между секциями ванн в секциях поочередно сверху вниз и снизу вверх между секциями установлены съемные листовые отражатели; подготовительные операции к электролизу осуществляют после отключения от электрической цепи любого необходимого количества смежных ванн блок-серии установкой шунтов-размыкателей на соответствующих передаточных шинах без отключения от электрической цепи остальных ванн; параметры циркуляционного, коллоидного и электрического режима электролиза устанавливают на каждой ванне блок-серии и/или на блок-серии ванн, и/или на одном и более модулях электролизного цеха. состоящих из 2-10 блок-серий ванн, в зависимости от марки получаемой катодной меди, состава перерабатываемого сырья и необходимых экономических показателей.

Сущность предлагаемого изобретения по объекту - устройство заключается в том, что блок-серия состоит из состыкованных боковыми сторонами ванн с циркуляцией электролита при подаче его в каждую ванну с одного торца и удалении с другого, но каждая ванна разделена на 4-6 секций без перегородок, электродные ячейки которых включены в цепь по системе мультипль параллельно, секции и ванны - последовательно, электроды размещены вдоль ванны и опираются на торцевые стены ванн и электродные балки между секциями, уложенные на боковые стены ванн.

Циркуляция электролита производится подачей его через карман на торцевой стороне ванны в каждую электродную ячейку, движением параллельно плоскости электродов через все секции ванны и удалением через сливной карман другой торцевой стороны ванны.

Электрическое питание блок-серии осуществляется подключением к выпрямителю приемной шины крайней ванны блока, уложенной на торцевую стену, прохождением тока через последовательно соединенные секции ванны и передаточную шину, уложенную на другую торцевую стену соседней ванны, и далее через все ванны блок-серии к конечной шине крайней ванны блока.

Передаточные шины двух соседних ванн блока, уложенные на торцевые стены ванн, снабжены шунтами - размыкателями для шунтирования - отключения от цепи любых двух соседних ванн блок-серии.

Ошиновка блок-серии ванн состоит из входной шины, уложенной на торцевую стену первой ванны блок-серии, и передаточных шин попарно объединенных электрически ванн 2-3, 4-5, 6-7, 8-9, 10-11 и так далее, уложенных на одной боковой стороне блок-серии (торцевых стенах ванн), и передаточных шин попарно электрически объединенных ванн 1-2, 3-4, 5-6, 7-8, 9-10, 11-12 и так далее, и выходной шины последней (нечетной) ванны, уложенных на другую боковую стену блок-серии, а также при необходимости уравнительных шин, уложенных на электродные балки. Передаточные шины электрически спаренных ванн, входная и выходные шины снабжены шунтами-размыкателями для отключения от цепи двух любых соседних ванн блок-серии на период их обслуживания, замены или ремонта.

Электролизная блок-серия работает следующим образом.

Подается электролит в каждую ванну через устройство для подачи электролита, например через карман, расположенный на торце ванны по всей ее ширине, в каждую электродную ячейку, движется со скоростью до 50 дм³/мин между электродными ячейками параллельно их плоскости и с помощью листовых пластинчатых отражателей, подвешенных на разной высоте к электродным балкам, перетекает последовательно сверху вниз и снизу вверх через все секции ванны и удаляется в систему циркуляции через устройство для удаления электролита, например, через карман, на другой торцевой стороне ванны.

Электрический ток подключается к приемной шине первой ванны, проходит по параллельно включенным электродным ячейкам последовательно через все секции ванны и по передаточной шине, уложенной на другой торцевой стороне ванны, передается на вторую ванну. Далее, после прохождения всех секций второй ванны по передаточной шине между второй и третьей ваннами ток передается на третью ванну и последовательно проходит через все ванны серии к конечной шине серии. Медь осаждается на катодах и накапливается на них. По мере накопления осадка производят выгрузку катодов и анодных остатков из предварительно отключенных ванн, производят очистку ванн от скрапа и шлама и вновь заполняют ванны электролитом, загружают катодные основы и аноды, и подключают к электрической цепи удалением шунта.

При необходимости отключения 1 и 2 ванн серии замыкают шунт между приемной шиной и передаточной шиной 2-3 ванн, отключения 2-3 ванн - шунт между передаточными шинами 1-2 и 3-4 ванн и так далее.

Полное удаление электролита из любой ванны производится его сифонированием в приемный бак без отключения от цепи всей серии.

Электроды завешиваются в ванну в один прием или по секциям при ее отключении от цепи шунтированием.

Способ электрохимического рафинирования меди, осуществляемый в предлагаемой электролизной блок-серии ванн, включает в себя собственно электролиз меди и подготовительные операции к процессу электролиза.

Подготовительные операции к процессу электролиза, включающие, например, загрузку и выгрузку электродов, заполнение ванн электролитом или удаление его после электролиза, чистку ванн от шлама и анодного скрапа, включение в электрическую цепь и др., рассмотрены выше при описании работы предлагаемой блок-серии ванн.

Осуществляемый в предлагаемой электролизной блок-серии ванн электролиз с растворением анодной меди и осаждением катодной меди при прохождении электрического тока и циркуляции электролита характеризуется тем, что он осуществляется при совмещении направлений циркуляции электролита и электрической цепи, при напряжении тока от 1 до 3 В на каждой ванне блок-серии и скорости циркуляции от 15 до 50 дм³/мин; конструкция блок-серии ванн позволяет устанавливать и регулировать параметры циркуляционного, коллоидного и электрического режима электролиза на каждой ванне блок-серии и/или на блок-серии ванн и/или на одном и более модулях электролизного цеха, состоящих из 2-10 блок-серий ванн, в зависимости от марки получаемой катодной меди, состава перерабатываемого сырья и необходимых экономических показателей, что приводит к стабилизации процесса электролиза как в отдельной ванне, так и в блок-серии или модуле, и следовательно, к повышению качества катодной меди. Установку и регулирование технологических параметров электролиза на ванне осуществляют посредством изменения количества электродных пар в каждой секции и управлением циркуляции электролита с помощью вентилей на каждой ванне, а на модуле - посредством установки (нa каждую циркуляцию цеха) автономного выпрямителя. В процессе электролиза рафинированная катодная медь осаждается на катодах и накапливается на них. По мере накопления осадка производят отключение от электрической цепи, выгрузку катодов и анодных остатков, очистку ванн и другие подготовительные операции, затем снова заполняют ванны электролитом, загружают катодные основы и аноды, подключают к электрической цепи и вновь проводят процесс электролитического рафинирования меди.

Таким образом, предлагаемая группа изобретений, включающая конструкцию электролизной блок-серии ванн и способ электролитического рафинирования меди, осуществляемый в предлагаемой блок-серии ванн, расширяет арсенал технических средств, применяемых для электролитического получения, регенерации и рафинирования металлов электролизом растворов, и обеспечивает достижения следующих технических преимуществ по сравнению с прототипом.

1. Для исключения утечек тока между секциями ванн и управления потоком электролита в секциях поочередно сверху вниз и снизу вверх между секциями установлены съемные листовые отражатели на разной высоте от дна ванны, подвешенные к электродным балкам.

2. При стандартных размерах электролизной ванны (4•1 м) снижается с 30-50 до 10-12 количество включенных параллельно в электрическую цепь электродных ячеек, что в несколько раз снижает токовую нагрузку в цепи, сечение шин и расход меди на ошиновку, стоимость выпрямителей, а также значительно уменьшает перераспределение тока между параллельно включенными ячейками.

3. Уменьшение объема электролита, одновременно удаляемого из серии, до объема одной ванны при последовательной обработке ванн серии.

4. Повышается на 5-7% производительность блок-серии в связи с отключением от цепи только двух соседних ванн при их обработке или ремонте.

5. Создаются условия для блочного ремонта серий путем замены отдельных ванн.

6. При увеличении напряжения тока на блок-серии из 10-20 ванн с 4-8 до 15-60 В обеспечивается совмещение автономного электрического питания и циркуляционного режима каждой циркуляции (модуля) электролизного цеха, включая применение специальных ПАВ, состава и температуры электролита, реверсивного и пульсирующего токов, а также плотности тока в соответствии с выпускаемой маркой катодной меди, экономическими показателями процесса и составом перерабатываемого сырья.

7. Повышается качество катодной меди.

Источники информации 1. Лавров Л.Г., Козлов В А., Шмурак В А. Пути интенсификации огневого и электролитического рафинирования меди. - М.: ЦнииЭИцветмет, 1973.

2. Козлов В.А., Набойченко С.С., Смирнов Б.Н. Рафинирование меди. -М.: Металлургия, 1992.

3. Федотьев Н. П., Алабышев А.Ф., Ротинян А.Л., Вячеславов П.М., Животинский П.Б., Гальнбек А.А. Прикладная электрохимия.- Л.: Химия, 1967.

Формула изобретения

1. Электролизная блок-серия ванн для электролитического рафинирования меди, содержащая серию электролитических ванн, оснащенных ошиновкой, электродами, включенными в электрическую цепь по системе мультипль, и устройствами для циркуляции электролита, расположенными на торцах каждой ванны для подачи электролита в каждую ванну с одного торца и удаления с другого, отличающаяся тем, что каждая из состыкованных боковыми сторонами ванн блок-серии имеет несколько секций, электродные ячейки которых включены в электрическую цепь параллельно, секции каждой ванны и ванны - последовательно, электроды размещены вдоль каждой ванны параллельно движению электролита и опираются на торцевые стены ванн и электродные балки между секциями, уложенные на боковые стены ванн, ошиновка блок-серии ванн состоит из входной шины, уложенной на торцевую стену первой ванны, передаточных шин любых двух соседних ванн блок-серии, уложенных на их торцевые стены, и выходной шины последней ванны, между входной шиной, передаточными шинами спаренных ванн и выходной шинами установлены шунты размыкатели.

2. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что в ваннах между их секциями установлены листовые отражатели на разной высоте от дна ванн, подвешенные к электродным балкам.

3. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что устройство для подачи электролита в ванну выполнено в виде кармана, расположенного на торце каждой ванны по всей ее ширине.

4. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что каждая ванна снабжена приемным и сливным карманами, расположенными на противоположных торцевых сторонах ванны по всей ширине ванны.

5. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что она скомпонована из необходимого количества ванн.

6. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что она является единой конструкцией и собрана из сборных элементов.

7. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что корпус ванн выполнен из сборного или монолитного железобетона.

8. Электролизная блок-серия по п. 1, отличающаяся тем, что ее корпус изготовлен из полимербетона.

9. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что электродные балки между секциями ванн изготовлены из кислотостойкого железобетона или полимербетона.

10. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что электродные балки выполнены из стеклотекстолита или стекловолокнита.

11. Электролизная блок-серия по пп.1 и 7, отличающаяся тем, что футеровка блок-серии изготовлена из листовых полимерных материалов, например винипласта, полипропилена или других термопластов и реактопластов.

12. Электролизная блок-серия по пп.1 и 7, отличающаяся тем, что футеровка изготовлена из кислотостойкого кирпича и/или плитки, уложенной на асфальтобитумной мастике.

13. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что каждая ванна серии составляет самостоятельную конструкцию и не имеет жесткого соединения с соседними ваннами.

14. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена системой для управления потоком электролита, распределения его по ваннам, поддержания уровня электролита в ваннах серии.

15. Электролизная блок-серия по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена токоуравнительными шинами, уложенными на электродные балки между секциями.

16. Способ электролитического рафинирования меди в блок-сериях ванн ящичного типа, включающий электролиз с растворением анодной меди и осаждением катодной меди при прохождении электрического тока и циркуляции электролита и подготовительные операции к процессу электролиза, например выгрузку катодов и анодных остатков, чистку ванн от шлама, загрузку анодами и катодными основами, заполнение ванн электролитом, включение в электрическую цепь, отличающийся тем, что электролитическое рафинирование меди осуществляется в электролизных блок-сериях ванн при совмещении направлений циркуляции электролита и электрической цепи, при напряжении тока 1-3 В на каждой ванне блок-серии и скорости циркуляции электролита 15 - 50 дм³/мин, причем циркуляция электролита осуществляется параллельно плоскости электродов, установленных вдоль каждой ванны, разделенной на секции, электродные ячейки которых включены в электрическую цепь параллельно, а секции каждой ванны и ванны - последовательно, ошиновка блок-серии ванн состоит из входной шины, уложенной на торцевую стену первой ванны, передаточных шин любых двух соседних ванн блок-серии, уложенных на их торцевые стороны, и выходной шины последней ванны, между шинами установлены шунты-размыкатели, ряд подготовительных операций к электролизу осуществляют после отключения от электрической цепи любого необходимого количества смежных ванн блок-серии установкой шунтов-размыкателей на соответствующих передаточных шинах.

17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что для управления потоком электролита и для исключения утечек тока между секциями ванн в секциях поочередно сверху вниз и снизу вверх между секциями установлены съемные листовые отражатели.

18. Способ по п. 16, отличающийся тем, что параметры циркуляционного, коллоидного и электрического режима электролиза устанавливают в зависимости от химического состава анодной меди.

19. Способ по п. 16, отличающийся тем, что параметры циркуляционного, коллоидного и электрического режима электролиза устанавливают на каждой ванне блок-серии и/или на блок-серии ванн и/или на одном и более модулях электролизного цеха, состоящих из 2-10 блок-серий ванн, в зависимости от марки получаемой катодной меди, состава перерабатываемого сырья и необходимых экономических показателей.