Бескислородная медь – электролитическая медь, свободная от медных оксидов, произведена без использования остаточных металлических или металлоидных раскислителей.
Если сравнивать физические и механические свойства двух сортов меди (бескислородной OF-Cu и содержащей кислород E-Cu), то видно, что существенных отличий нет. Оба сорта меди одинаково хороши в случае применения их там, где важную роль играет тепло- и электропроводность, коррозийная устойчивость, сопротивление к износу и способность деформироваться.
Исходя из вышесказанного рекомендовано её применение в вакуумной технике при изготовлении вакуумных распределительных устройств и полупроводников, при изготовлении электронных приборов. Важно применение меди сорта OF-Cu в производстве космической техники, в частности при изготовлении линейных ускорителей и сверхпроводников.
Кроме вышеуказанных областей применения бескислородной меди можно ещё назвать: микроэлектронику, радио- и приборостроение (тонкопленочные технологии и кабели в аудиосистемах обеспечивают высокую проводимость, что снижает степень искажения звука и уровень посторонних шумов), атомную энергетику, ювелирную и строительную промышленность (трубы и провода для работы в сильных электромагнитных полях, аноды в электрохимии и т.д.).
Кислородосодержащие сорта меди типа E-Cu57 и E-Cu58 имеют также высокую электропроводимость и рекомендованы для изготовления обычных распределительных устройств, для применения в электронной и электротехнической промышленности в случаях, не требующих наличие свойств характерных для бескислородной меди OF-Cu.
Главный недостаток меди сорта E-Cu заключается в том, что при высоких температурах водород, находящийся в пространстве соединяется медными оксидами, содержащимися в раскалённой меди, образуя медный пар, который расширяет кристаллическую структуру и делает материал хрупким и ломким (так называемая водородная болезнь). Поэтому медь сорта E-Cu не рекомендована для сварки и высокотемпературной пайки.
«Чистый металл», или Электролитическое рафинирование меди
Рафинирование — заключительный этап в цепочке получения из медной руды «чистого» металла. Он состоит из двух последовательных этапов — пирометаллургическое и электролитическое рафинирование. В первом черновая медь (содержит до 4 % примесей) обрабатывается в печах и из неё удаляются все примеси, кроме включений серебра, золота, селена и теллура, при этом чистота основного металла может достичь 99,6 %. Во втором с помощью электролитических ванн получают полностью очищенную медь, доля примесей в которой не превышает 0,001 %.
Рассмотрим подробнее процесс электролитического рафинирования. Речь идёт исключительно о промышленном производстве, в работе чаще всего используются гальванические ванны объемом 4-12 м 3 метра, в качестве электролита выступает смесь из сернокислой меди (CuSO4), подкисленной серной кислотой (H2SO4). В смесь погружаются аноды из меди, прошедшей пирометаллургическое рафинирование, и катоды из «чистой» меди. В ходе электролиза все примеси остаются в растворе электролита, а на катоде оседает очищенный металл. После завершения процесса катод, по сути, представляет собой готовый слиток меди, который можно как отправить предприятиям-потребителям напрямую, так и переплавить в слитки или иной требуемый тип проката. Часть «вымытых» из меди примесей оседает на дно ванны (т.н. шлам), в дальнейшем их можно подвергнуть последующей переработке с целью получения ценных металлов.
Промышленный процесс электролитического рафинирования предполагает работу с большими объёмами металлов, электролитов и, как следствие, высокие сопутствующие затраты (стоимость электролитов, электричество, потери и т. д.). В ходе рафинирования анод («загрязнённая» медь) постепенно растворяется, теряя в объёме — часть примесей оседает на дно ванны, часть растворяется в электролите. При этом чистая медь нарастает на катоде, постепенно увеличивая его в размерах. Начальная фаза изображена на рисунке ниже.
В рафинировании меди применяется такое понятие как экономическая плотность тока — плотность тока, при которой затраты электроэнергии на получение 1 тонны чистой меди будут минимальными (не путать с таковой при расчете сечения проводов, когда идет расчет электрических потерь в ЛЭП).
При этом время процесса зачастую бывает не оптимальным или вовсе не принимается во внимание из-за решающей роли стоимости электричества. Так, в среднем, на растворение анода требуется 20-30 суток, а катоды достигают оптимального размера за 6-12 суток при стандартной плотности тока 170-200 А/м 2 и напряжении между анодом и катодом 0,3-0,4 В. Расход электроэнергии при этом составляет в среднем 230-350 кВт⋅ч на 1 тонну меди.
Тем не менее, время тоже является важным фактором, напрямую влияющим как на себестоимость процесса получения медного проката, так и на общую производительность предприятия. Уменьшить время процесса рафинирования можно одним способом — увеличением плотности тока до более высоких, по сравнению со стандартными, значений. При этом, разумеется, придётся изменять многие параметры процесса, чтобы использование токов высокой плотности оставалось в рамках «экономической плотности». Для выполнения этого условия в ход идут различные методики, дополняющие друг друга:
Все описанные выше средства в настоящее время активно исследуются и совершенствуются на многих металлургических предприятиях в России и за рубежом. Основной их целью является не только ускорение процесса, но и обеспечение его непрерывности и повышение эффективности, в том числе экономической.
Первые два способа, как правило, обкатываются непосредственно на предприятиях в ходе экспериментов:
Использование же реверсных токов зачастую становится самым доступным методом — для его внедрения в промышленный процесс достаточно изменить схему питания гальванической ванны, применив современный источник тока и обеспечив циркуляцию электролита.
Хорошим решением этой задачи будет использование источников питания российского предприятия «Навиком», разрабатывающего источники питания для промышленного применения.
Смотреть что такое «Электролитическая медь» в других словарях:
электролитическая медь — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN electrolytic copper … Справочник технического переводчика
электролитическая медь — elektrolitinis varis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. electrolytic copper vok. Elektrolytkupfer, n rus. электролитическая медь, f pranc. cuivre électrolytique, m … Fizikos terminų žodynas
вязкая электролитическая медь — мягкая электролитическая медь — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы мягкая электролитическая медь… … Справочник технического переводчика
МЕДЬ — (символ Сu), переходный элемент красно розового цвета. Красноватая медь встречается в виде самородков, а также в составе нескольких руд, в том числе, куприта (оксид меди) и халькопирита (сульфид меди). Руды извлекают из окружающей их породы и… … Научно-технический энциклопедический словарь
Электролитическая растворимость — Нернст назвал электролитической растворимостью, в отличие от обыкновенной растворимости, случай, когда одновременно с растворением вещества происходят электрические явления. Типичный случай такой растворимости наблюдается для металлов. При… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона
МЕДЬ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ — ELECTROLYTIC COPPERСм. МЕДЬ … Энциклопедия банковского дела и финансов
Бескислородная медь — Бескислородная медь электролитическая медь, свободная от медных оксидов. В меди, полученной из руды электролизом, присутствует значительное количество оксида меди, который, при последующем отжиге в атмосфере водорода, взаимодействует с ним… … Википедия
Безкислородная медь — Oxygen free copper Безкислородная медь. Электролитическая медь, свободная от медных оксидов, произведенная без использования остаточных металлических или металлоидных раскис лителей. (Источник: «Металлы и сплавы. Справочник.» Под редакцией Ю.П.… … Словарь металлургических терминов
В анодах содержание меди редко превышает 99,2%, дальнейшее почти полное удаление примесей достигается электролитическим рафинированием.
На рис. 94 показана схема электролиза. Электроны движутся от отрицательного зажима источника постоянного тока к положительному (условно движение тока принимается от плюса к минусу). На катоде, представляющем тонкий медный лист — катодную основу, создается избыток электронов, на аноде из меди, подвергающейся рафинированию, происходит «откачка» электронов источником тока. Атомы меди на аноде теряют валентные электроны и, становясь положительно заряженными ионами, переходят в электролит:
На катоде, где имеется избыток электронов, ионы меди присоединяют электроны, разряжаясь, превращаются в атомы меди н осаждаются на катоде:
Убыль меди из электролита пополняется переходом ее с анода.
Другие металлы, содержащиеся в медных анодах в качестве примесей, ведут себя следующим образом: никель, железо, мышьяк и частично сурьма переходят в растворенном виде в электролит. Благородные металлы переходят в нерастворенном виде в шлам. Свинец попадает в шлам в виде PbSO4. Большая часть сурьмы и олова переходит в шлам.
В ряду напряжений все металлы, находящиеся правее меди, имеют более электроположительные электродные потенциалы; требуется меньшее напряжение электрического тока на электродах для их выделения, поэтому они могли бы ранее или одновременно выделяться с медью. Однако этого не происходит, потому что правее меди находятся металлы, нерастворимые в данном электролите. Все металлы, находящиеся левее меди, имеют менее электроположительные электродные потенциалы, и хотя многие из них растворимы в электролите, но для выделения их на катоде требуется большее напряжение тока, чем для меди.
Схема электрического рафинирования меди приведена на рис. 95.
Количество осаждаемой меди и расход электроэнергии
Постоянный электрический ток для электролиза меди подается от машинных генераторов или ртутных преобразователей. Сила тока в цепи электролитных ванн равняется 5000 а и более. Катодная плотность тока, равная величине силы тока, приходящейся на 1 м 2 катодной поверхности при производстве меди из вторичного сырья, составляет 170—200 а. При электролизе с растворимым анодом, когда оба электрода медные, потенциалы их в одном растворе практически одинаковы, на выделение меди требуется ничтожно малое напряжение тока. В основном напряжение расходуется на преодоление омического сопротивления электролита и в меньшей степени на другие сопортивления. Для рафинирования меди, полученной из вторичного сырья, напряжение на ванне равно 0,18—0,4 в. Если сила тока равна 1 а, значит каждую секунду по проводнику проходит 1 к (кулон) электричества, а за один час 3600 к. Для выделения одного грамм-эквивалента (грамм-эквивалент равен атомному весу, выраженному в граммах к поделенному на валентность) вещества при электролизе требуется 96500 к, или 96500/3600 = 26,8 а-ч. 1 г-экв двухвалентной меди равен 63,57/2 = 31,78 г.
1 а-ч выделит 31,78/26,8 = 1,186 г. меди.
Для выделения 1 кг меди теоретически требуется 1000/1,186 = 843 а-ч,
а для выделения 1 т меди — 843 000 а-ч.
В производственных условиях на выделение 1 т потребуется тока несколько больше вследствие потерь, в результате коротких замыканий, побочных электрических цепей и т. д. Коэффициент полезного использования тока Кт (выход по току) равен отношению теоретически необходимого количества тока к фактическим его затратам.
Расход электроэнергии на 1 г меди равняется количеству израсходованного тока в ампер-часах, умноженному на падение напряжения между электродами и поделенному на коэффициент использования тока:
Электролитные ванны
Электролитные ванны (рис. 96) объединяются в одном блоке — баке, изготовленном из дерева или кислотоупорного бетона. Несколько баков группируются в серию.
Число анодов в ванне составляет 25—42; катодов на один больше. Размеры катодов больше анодов по ширине и длине на 25—60 мм. Аноды и катоды в ванне располагают поочередно. Суммарная площадь всех поверхностей катодов, на которых происходит наращивание меди, называется катодной поверхностью.
Уменьшением расстояния между анодом и катодом возможно было бы снизить потери напряжения на преодоление омического сопротивления электролита, но при этом повышается вероятность замыканий между анодом и катодом вследствие коробления катодной основы или неравномерности отложения меди на катодах. При электролизе меди расстояние между одноименными электродами делают в пределах 105—110 мм. Аноды подвешивают в ванне так, чтобы между нижними концами анодов и днищем ванны оставалось расстояние 150—200 мм, необходимое для сбора шлама. Зазор между краями и стенками ванны равен 65—85 мм.
Ванна внутри облицовывается рольным свинцом или винипластом. Для поступления электролита устроены специальные карманы или трубки. В донной части ванны сделано отверстие для удаления шлама, закрываемое во время процесса электролиза пробкой. При сифонном удалении шлама отверстие в дне ванны отсутствует.
Ванны подключаются к источнику постоянного тока последовательно, а одноименные электроды в ванне включаются параллельно. Подвод тока к бакам осуществляется основными шинами прямоугольного сечения. По ваннам ток распределяется промежуточными шинами треугольного сечения.
Электролит
Составной частью электролита при электролизе меди являются медный купорос CuSO4•5H2O и техническая серная кислота (купоросное масло). Купоросное масло должно быть очищено от механических и химически связанных примесей. Концентрация медного купороса в электролите составляет; при производстве медных катодов 120—160 г/л, при производстве катодных основ 130—160 г/л. Водные растворы медного купороса являются слабыми проводниками электрического тока. Другая составляющая электролита — раствор серной кислоты — является хорошим проводником электрического тока. Введение в состав электролита серной кислоты сильно снижает его омическое сопротивление, вследствие чего улучшаются показатели по расходу тока. Содержание свободной серной кислоты в электролите составляет; при производстве медных катодов 125—180 г/л, при производстве катодных основ 100—160 г/л.
Для нормального ведения процесса электролиза меди необходимы циркуляция и подогрев электролита. Циркуляцию электролита осуществляют перекачиванием его кислотоупорными насосами в баки, из которых электролит самотеком поступает к ваннам. При расположении ванн по каскаду электролит последовательно проходит через несколько ванн. Скорость циркуляции по отдельным ваннам серии следует поддерживать одинаковой. Из ванн электролит отводится трубопроводом в сборный бак, из которого перекачивается снова в напорные баки. Перед поступлением в напорные баки электролит подогревается посредством паровых змеевиков, при этом повышается электропроводность и улучшается качество катодного осадка. Температура электролита должна быть 55—60°; слишком сильный нагрев электролита вызывает большой расход пара, а повышенное испарение влаги из электролита ухудшает условия работы в цехе. Для пополнения испарившейся воды в циркуляционную систему вводят конденсат, добавка водопроводной воды не допускается.
При уменьшении концентрации ионов меди в электролите и повышении концентрации примесей электродный потенциал меди становится менее электроположительным и может стать равным или меньше потенциала какой-либо примеси. Это приведет к тому, что примесь начнет выделяться на катоде. Во избежание осаждения примесей концентрацию ионов меди в электролите следует поддерживать в течение всего процесса электролиза в допустимом интервале. Обогащение электролита медью достигается введением в циркуляционную систему медного купороса; избыточное количество его удаляется в процессе регенерации.
Накапливающиеся в электролите примеси ухудшают его свойства: повышается вязкость, снижается электропроводность, вследствие этого ухудшается качество катодного осадка. Основными примесями при электролизе вторичной черновой меди являются: никель, сурьма, свинец. Для обновления состава электролита и удаления из него примесей периодически выводят из циркуляционной системы часть электролита на регенерацию.
Добавки в электролит
Регенерация электролита
Обновление электролита достигается выводом части его из системы циркуляции. Количество отбираемого электролита определяется пределами допустимой концентрации наиболее характерной примеси — никеля. С увеличением концентрации сульфата никеля повышается сопротивление электролита, ухудшаются условия осаждения шлама и образования осадка меди, а также повышается содержание никеля в катодной меди. На Московском медеплавильном заводе единовременный вывод электролита на регенерацию составляет 50—55 м 3 при содержании 170—180 г/л NiSO4 • 7H2O.
В специальном регенеративном отделении выведенный электролит подвергают электролизу с нерастворимыми анодами, в качестве которых используют листовой свинец толщиной около 5 мм. При электролизе с нерастворимыми анодами достигается разложение CuSO4 с выделением на аноде кислорода и образованием серной кислоты, а на катоде осаждается медь. Напряжение разложения равно разности электродных потенциалов анода и катода. Практически требуется напряжение на ванне 2,3—2,5 в.
Процесс осаждения меди длится около 20 час. После электролиза с нерастворимыми анодами электролит (8—10 г/л CuSO4 • 5H2O; 160—180 г/л NiSO4 • 7H2O и 180—200 г/л H2SO4), направляют на вакуумную выпарку, а затем раствор, насыщенный сульфатом никеля, нагретый до 60—70°, поступает на кристаллизацию. Никелевый купорос в кристаллическом виде является готовой продукцией. Маточник, содержащий до 600 г/л H2SO4, возвращают в процесс электролиза меди. Выделенная на катоде регенеративная медь имеет высокое содержание примесей. Она используется в плавильном цехе.
Производство катодов
Перед загрузкой анодов серию выключают, циркуляцию электролита останавливают. Проверяют уровень электролита в ваннах, излишки удаляют сифоном. На борты ванн укладывают бруски из сухого дерева или винипласта и хорошо Промытые трехгранные медные шины. Аноды взвешивают и загружают по плавкам. С одной стороны аноды опирают на изоляционный брусок, с другой стороны — на шину. Расстояние между анодами устанавливают по мерной рейке. Анод в ванне должен быть установлен строго вертикально. Для скорейшего прогрева электролита циркуляцию включают до окончания операции загрузки анодов.
Катодные основы перед завеской должны быть хорошо выправлены и иметь крепко приклепанные ушки. Перед завеской контакты анодов и трехгранные шины продувают паром. Ломики, на которые подвешивают катодные основы, промывают перед этим горячей водой, подкисленной серной кислотой. Ломики просовывают через ушки катодных основ и при завеске катодов устанавливают одним концом на шину, другим — на изоляционный брусок.
Рис. 97. Инструмент и приспособления, применяемые при электролизе: 1 — кардолента для зачистки контактов; 2 — крючок для правки положения анода а ванне; 3 — крючок для устранения замыканий анода н катода снизу; 4 — переносный индикатор тока (электрощуп); 5 — деревянная пешка подкладывается для выправки положения анода в ванне; 6 — ломик для правки катода; 7 — зубило для съема катодных основ
Прежде чем включить серию, проверяют отсутствие коротких замыканий катодных основ с анодами или стенками ванн, а также правильность расположения ломиков на шинах. Верхние края анодов и катодных основ должны находиться ниже уровня электролита. Серии включают, когда температура электролита становится не ниже 40°. Через каждый час замеряют температуру электролита. Через 3—6 час. производят правку катодов, для чего катоды поштучно вынимают и расправляют, а затем вновь завешивают. Инструмент, используемый при электролизе, приведен на рис. 97. Короткие замыкания обнаруживаются электрощупом, на них указывает падение напряжения, нагревание ломиков и мест контактов. Повышение напряжения указывает на загрязнения контактов. Контакты чистят кардолентой. Устранение замыканий и чистка контактов улучшают процесс электролиза и повышают коэффициент использования тока (выход по току).
Аноды находятся в электролитных ваннах 22—30 дней. Наращивание катодов длится 6—15 дней. Таким образом, одной партии анодов достаточно для образования в 2—4 раза большего числа катодов. При работе серии на третьем или четвертом сроке сработавшиеся аноды заменяют подсадом—годными к использованию анодами, отобранными из анодных остатков. Подсад предварительно выправляют.
Для обеспечения нарашивания меди на ушках, чтобы предупредить обрыв катодов, регулируют уровень электролита в ваннах посредством установки свинцовых колец в лотки ванны. Верхние края катодов при этом должны быть погружены в электролит на 5—10 мм. Катодное отложение меди должно иметь мелкокристаллическую структуру и гладкую поверхность.
Катоды из серий вынимают мостовым краном с применением приспособления для захвата катодов — «бороны».
Некоторое время катоды выдерживают над ванной для стенания электролита и затем подают на промывку водой или обработку паром для удаления электролита и после контроля транспортируют на склад. От каждой серии отбирают два катода в качестве пробы на химический анализ. Перед выгрузкой анодных остатков подачу в ванну электролита прекращают. Анодные остатки отмывают от шлама, сортируют, несработавшиеся возвращают в цикл электролиза в качестве подсада. Отработанные анодные остатки отправляют в плавильный цех. После выгрузки анодных остатков старые изоляционные бруски удаляют.
Требования к качеству медных катодов
Производство катодных основ
Катодные основы изготовляют из маточных листов, получаемых электролитическим осаждением меди на матрицах. Новые матрицы перед употреблением промывают водой, подкисленной серной кислотой, протирают, сушат, а затем обрабатывают раствором, содержащим 6—8 г/л сернистого натрия. Перед установкой их тщательно протирают тряпкой, после чего наносят равномерный слой смазки, состоящей из 1 части жирового солидола и 6—8 частей керосина.
Медь осаждается электролитическим способом на обеих сторонах матриц слоем 0,25—0,7 мм. Для облегчения сдирки маточных листов матрицы по краям имеют риски, на которых осадок образуется в виде плены, легко счищаемой зубилом. В последнее время матрицы стали изготавливать с фальцами из кислотоупорной пластической массы — фаолита. Если имеются фальцы, осадок меди по краям матриц не образуется, что значительно облегчает сдирку маточных листов.
Матрицы, погнутые или с изогнутыми ломиками, к посадке в ванны не допускаются.
В ваннах матричных серий применяют электролит с повышенным содержанием медного купороса и уменьшенным содержанием серной кислоты. Электролит используется более чистый: с меньшим содержанием примесей, с увеличенным количеством добавок, улучшающих структуру осадка. Температура электролита не должна превышать 56°, так как повышение температуры вызывает растворение смазки, наносимой на матрицы.
Периодически следует проверять правильность расположения анодов и матриц в ваннах и отсутствие коротких замыканий.
Матрицы с нарощенными осадками вынимают посредством «бороны». Одновременно допускается вынимать не более половины матриц из ванны; количество таких ванн должно быть не более четырех в серии. Вынутые матрицы выдерживают над ваннами для стекания с них электролита, после чего подают на промывку и затем на специальные станки для сдирки листов. На станках матрицы последовательно подаются на вращающуюся рамку, которая позволяет снять листы с обеих сторон матриц без ручного кантования. Листы подрезают по рискам, а если имеются фальцы, сдирку ведут отрывом листов в верхней части матриц. После приклепывания ушков и правки на вальцах катодные основы годны к употреблению.
Матрицы вновь зачищают, погнутые выправляют, затем смазывают и направляют снова на электролитическое получение маточных листов.
Удаление шламов
Накапливающийся в ваннах шлам не реже 1 раза в 2 месяца удаляют. Ванны отключают от циркуляционной системы; после отстаивания и удаления основной части электролита шламовую пульпу удаляют через отверстие в дне ванны или путем сифонирования, а иногда вычерпывания в специальную шламовую бадью. После фильтрации шламовой пульпы осветленный электролит подают в циркуляционную систему, а отделенный от жидкости шлам поступает на переработку в шламовое отделение для извлечения благородных и других металлов.
Бескислородная медь – электролитическая медь, свободная от медных оксидов, произведена без использования остаточных металлических или металлоидных раскислителей.
Рис. 95. Схема электролитического рафинирования меди
Рис. 96. Ванна для электролиза меди: 1 — анод; 2 — катод; 3 — прямоугольная шина; 4 — треугольная шина; 5 — изоляция (доска)
Рис. 97. Инструмент и приспособления, применяемые при электролизе: