[发明专利]电解过程中交流与直流叠加的系统

说明书

本申请涉及电解过程中交流与直流叠加的系统，用于在电解池端头电极注入交流电，以使交流电自第一个电极到最后一个电极以及一个电极到下一个电极以串联的形式进行流通循环，与此同时，直流电从阳极到阴极以并联的形式进行流通循环。

技术领域

本申请涉及铜工业技术领域，尤其涉及电解过程中交流与直流叠加的系统。

背景技术

在铜工业，无论在是电解冶金(EW)流程还是在电解精炼(ER)流程(图2)中，都使用电流整流器，以从在电解池内部流通循环的电解液中溶解的铜制造电解铜。整流器产生的电流来自直流电源，引起溶解的铜在负极表面电极上的沉淀，根据法拉第定律，与电流成一定的比例，作为结果获得附着在通常为永久不锈钢阴极板上高纯度的金属铜，也就是说，在没有铜的情况下开始并随后在一段沉淀时期之后收获两面都有附着的铜板。

流通循环电解液主要由水和硫酸以大约180[格令/升]的比例构成。电解液中溶解的铜通常比例为30到50[格令/升]。在EW流程中，溶解的铜通过一个管道系统进入电解池，这些管道将EW流程与先前的溶液萃取生产以及矿物或其他含有铜的物质的浸出阶段相连。在ER流程中，通过溶解来自之前精炼和熔炼阶段的杂铜的阳极这一过程获得铜。

电解池是具有深度并且底部为矩形的容器，以便将在电解过程中产生作用的电极插入其内部，这些电极的大部分都浸入流通循环的电解液中(图3)。在EW流程中，电极(阳极和阴极)交错插入，以使两个阳极之间总是有一个阴极；这样，在EW流程中，第一个和最后一个电极始终为阳极。相反，在ER流程中，由于目的在于溶解来自熔炼流程的阳极，电极(阳极和阴极)交错插入，以使两个阴极之间总是有一个阳极。这样，在ER流程中，第一个和最后一个电极始终为阴极。

在EW和ER中，铜沉淀流程在阴极上沉淀铜的能力方面具有限制，众所周知，电极上电流密度的任意增加会损害沉积铜的化学和物理品质。目前，在工业设施中采用约为200到450[安/平方米]的电流密度工作。如果提升电流水平，会提高产量，但代价是产出的铜的质量的严重下降。在常规的电解冶金(EW)和电解精炼(ER)流程中，冶金工艺的控制变量为：铜浓度、流速和电解液的温度。温度的提高会改善离子的局部迁移率，流速和浓度则提高在电极-电解液界面之间作用的离子的可用性。

采用电流密度高于300[安/平方米]生产铜，同时保持良好的物理化学沉积品质的EW工业设施以高于45[摄氏度]的温度，大约2.2[升/分钟/平方米]的高表面流速以及大于45[格令/升]的铜浓度实施操作。这带来了高运营成本，如果铜的国际评估高，这是合理的，然而在中低评估的情况下，高操作成本对于工厂运营的连续性来说是具有决定性的。

在采用ER制铜的工厂中，电流密度甚至更加受到阳极钝化现象的约束，因此通常只能在低于320[安/平方米]的电流密度下作业，并且在此情况下还应当以高于60[摄氏度]的温度进行操作以保持沉积质量。在ER工厂中，流速不是可用的变量，因为流速的提升导致阳极泥的搅动，污染所产生的阴极的较低比例。

尽管电解沉积现象以及在所谓的“双电化学层”的电极-电解液界面上发生的现象的详细研究不是我们的目的，仍有必要提及，在双电化学层的建模中，发现了如其名称所示的两个完全不同的电化学电层，具有不同的行为：内层或亥姆霍兹层以及外层或扩散层。在亥姆霍兹层内，发生溶液中的铜转变为金属铜的复杂现象。由于在如此小的距离“等待”被沉积的离子的大量积累，以及没有还原所需能量的质子的大量积累，能够以简单的方式将亥姆霍兹层作为电容器建模，该电容器由金属板(电极)和由电解液中高浓度的离子组成的非金属板构成，以并联的方式与具有电阻特性的阻抗连接，阻抗代表着将溶解的铜离子转化为阴极金属晶格上的原子所需的能耗(铜还原)(图4)。