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 м3 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/м2 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:
- Поиск сочетаний поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые улучшают свойства электролита.
- Использование различных схем циркуляции электролита, позволяющих повысить скорость до 20 л/мин на 1 см2 поверхности (при этом плотность тока может достигать 860 А/м2).
- Применение реверсного тока в процессе рафинирования. Оптимальным на данный момент является соотношение прямого и реверсного тока 200:10. Этот метод является в настоящее время самым эффективным, но требует надёжного источника питания, позволяющего генерировать импульсы тока, строго соответствующие заданным параметрам.
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:
- проверяются новые комбинации ПАВ,
- меняется состав электролита,
- строятся новые системы подачи электролита для повышения скорости его циркуляции.
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.
