cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ "МИСИС"10.17073/0021-3438-2021-4-16-23cvmet-1273Research ArticleМеталлургия цветных металловMetallurgy of Non-Ferrous MetalsСтатистический анализ распределения примесей при электрорафинировании медиStatistical analysis of the distribution of impurities during copper electrorefiningОстанинН. И.OstaninN. I.

Кандидат технических наук, доцент кафедры технологии электрохимических производств (ТЭХП)

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Cand. Sci. (Eng.), Assistant prof., Department of the technology of electrochemical manufactures (TEM)

620062, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 28

ostni@mail.ruРудойВ. М.RudoyV. M.

Доктор химических наук, профессор кафедры ТЭХП

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Dr. Sci. (Chem.), Prof., Department of TEM

620062, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 28

vlmx@rambler.ruДёминИ. П.DeminI. P.

Кандидат химических наук, директор по производству

620027, г. Екатеринбург, ул. Луначарского, 31

Cand. Sci. (Chem.), Production director, Ural Research Technological Institute

620027, Russia, Ekaterinburg, Lunacharsky str., 31

i.p.demin@mail.ruОстанинаТ. Н.OstaninaT. N.

Доктор химических наук, профессор кафедры ТЭХП

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Dr. Sci. (Chem.), Prof., Department of TEM

620062, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 28

t.n.ostanina@urfu.ruНикитинВ. С.NikitinV. S.

Кандидат химических наук, ст. преподаватель кафедры ТЭХП

620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 28

Cand. Sci. (Chem.), Senior lecturer, Department of TEM

620062, Russia, Ekaterinburg, Mira str., 28

nikitin-viachieslav@mail.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина (УрФУ)РоссияUral Federal UniversityRussian FederationУральский научно-исследовательский технологический институтРоссияUral Research Technological InstituteRussian Federation202112082021041623Copyright © Останин Н.И., Рудой В.М., Дёмин И.П., Останина Т.Н., Никитин В.С., 20212021Останин Н.И., Рудой В.М., Дёмин И.П., Останина Т.Н., Никитин В.С.Ostanin N.I., Rudoy V.M., Demin I.P., Ostanina T.N., Nikitin V.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1273

Электролитическое рафинирование меди позволяет получать металл высокой степени чистоты, поэтому анализ основных путей перехода примесей в продукты электролиза является актуальной проблемой, решение которой дает возможность управлять технологическим процессом при изменении состава сырья и, как следствие, содержания примесей в анодах. В настоящей работе на основе комплексного анализа и синхронизации большого массива данных по концентрации примесей в различных технологических средах (аноды, электролит, шлам и катодный металл), полученных на сериях товарных ванн, определены направления потока примесей и выявлены связи между их содержанием в этих средах. Показано, что переход примесей из одной технологической среды (источник) в другую (приемник) реализуется по четырем основным схемам: линейное увеличение, отсутствие видимой зависимости, наличие предельной концентрации в приемнике и наличие пороговой концентрации в источнике. Приведены результаты статистического анализа распределения 6 примесей (висмут, мышьяк, свинец, сера, никель и серебро), относящихся к разным группам, в четырех основных парах источник примеси – приемник: анод–раствор, анод–шлам, шлам–катод и раствор–катод. Для всех зависимостей концентрации примеси в источнике от содержания в приемнике определены коэффициенты линейных уравнений регрессии и проведена оценка их значимости. Полученные коэффициенты позволяют объяснить наблюдаемые в промышленном электролизере пути перехода примесей и прогнозировать качество катодной меди и состав шламов при изменении состава анодов. Проведенные расчеты показали, что накопление примесей в катодах происходит не столько за счет электрохимических реакций, сколько вследствие окклюзии частиц шлама и неполного удаления раствора с поверхности товарных катодов. Совершенствование и развитие технологии электролитического рафинирования меди должно быть направлено на поиск поверхностно-активных веществ, которые бы способствовали предотвращению адсорбции частиц взвешенного шлама на поверхности катодов, а также улучшению их отмывки от электролита.

Electrolytic copper refining makes it possible to obtain high purity metal, so the analysis of the main ways of impurity transition into electrolysis products is an actual problem. If it is solved, the process can be controlled when changing the composition of raw materials and, as a result, the content of impurities in the anodes. This paper uses the comprehensive analysis and synchronization of a large array of data on impurities concentrations in various process media (anodes, electrolyte, slime, and cathode metal) obtained on the series of commercial cells to identify the directions of impurity flows and relationship between their content in these media. It is shown that the transition of impurities from one process medium (source) to another (receiver) is implemented according to four main patterns: linear increase, no visible dependence, the presence of a limit concentration in the receiver and the presence of a threshold concentration in the source. The paper provides the results obtained in the statistical analysis of the distribution of six impurities (bismuth, arsenic, lead, sulfur, nickel and silver) belonging to different groups in four main pairs of the impurity source – receiver: anode – solution, anode – slime, slime – cathode, solution – cathode. The coefficients of linear regression equations are determined and their significance is estimated for all dependencies of the impurity concentration in the source on the content in the receiver. The coefficients obtained make it possible to explain the impurity transition paths observed in the commercial cells and predict the quality of cathode copper and the composition of slimes when the anode composition changes. The calculations showed that impurities are accumulated in cathodes due to the occlusion of slime particles and incomplete solution removal from the surface of commercial cathodes rather than due to electrochemical reactions. The copper electrorefining technology should be improved and developed so as to find surface-active additives that would prevent the adsorption of suspended slime particles on the cathode surface, as well as better wash them from the electrolyte.

медьэлектрорафинированиераспределение примесеймедные анодыэлектролиткатодная медьшламстатистический анализcopperelectrorefiningdistribution of impuritiescopper anodeselectrolytecathode copperslimestatistical analysisРабота выполнена в рамках соглашения № 075-03-2020-582/1 от 18.02.2020 (номер темы 0836-2020-0037).This work is performed in the frame of the State Assignment number 075-03-2020-582/1 dated 18.02.2020 (the theme number 0836-2020-0037).ReferencesГОСТ 859-2014. Медь. Марки. Введ. 2015-07-01. М.: Стандартинформ, 2015.GOST 859-2014. Copper. Grades. Introduced on 2015-07-01. Moscow: Standartinform, 2015 (In Russ.).Баймаков Ю.В., Журин А.И. Электролиз в гидрометаллургии. М.: Металлургия, 1977.Baimakov Yu.V., Zhurin A.I. Electrolysis in hydrometallurgy. Moscow: Metallurgiya, 1977 (In Russ.).Вольхин А.И., Елисеев Е.И., Жуков В.П., Смирнов Б.Н. Анодная и катодная медь. Челябинск: Юж.-Ур. кн. изд-во, 2001.Vol’khin A.I., Eliseev E.I., Zhukov V.P., Smirnov B.N. Anode and cathode copper. Chelyabinsk: Yuzhno-Ural’skoe knizhnoe izdatel’stvo, 2001 (In Russ.).Schlesinger M.E., King M.J., Sole K.C., Davenport W.G. Extractive metallurgy of copper (5-th Ed.). Elsevier, 2011. P. 251—280. DOI: 10.1016/B978-0-08-096789-9. 10014-9.Schlesinger M.E., King M.J., Sole K.C., Davenport W.G. Extractive metallurgy of copper (5-th Ed.). Elsevier, 2011. P. 251—280. DOI: 10.1016/B978-0-08-096789-9. 10014-9.Дёмин И.П., Рудой В.М., Останин Н.И., Плеханов К.А. Анализ путей попадания примесей в катодную медь в практике электролитического рафинирования. Цветные металлы. 2002. No. 5. С. 23—28.Demin I.P., Rudoy V.M., Ostanin N.I., Plekhanov K.A. Analysis of the ways of ingress of impurities into the cathode copper in the practice of electrolytic refining. Tsvetnye metally. 2002. No. 5. Р. 23—28 (In Russ.).Rudoy V.M., Ostanin N.I., Zaikov Yu.P., Demin I.P., Ashikhin V.V. The new approach to a choice of surfactants for electrorefining copper. In: Proc. Eur. Metal. Conf. ЕМС (18—21 Sept. 2005). Dresden, Germany, 2005. Vol. 1. P. 153—164.Rudoy V.M., Ostanin N.I., Zaikov Yu.P., Demin I.P., Ashikhin V.V. The new approach to a choice of surfactants for electrorefining copper. In: Proc. Eur. Metal. Conf. ЕМС (18—21 Sept. 2005). Dresden, Germany, 2005. Vol. 1. P. 153—164.Noguchi F., Iida N., Nakamura T., Ueda Y. Behaviour of anode impurities in copper electrorefining. Metal. Rev. MMIJ. 1992. Vol. 8. No. 2. P. 83—98.Noguchi F., Iida N., Nakamura T., Ueda Y. Behaviour of anode impurities in copper electrorefining. Metal. Rev. MMIJ. 1992. Vol. 8. No. 2. P. 83—98.Möller C.A., Bayanmunkh M., Friedrich B. Influence of As, Sb, Bi and O on copper anode behaviour. Pt. 3: Elemental distribution. World of Metallurgy (ERZMETALL). 2009. Vol. 62. No. 2. P. 70—80.Möller C.A., Bayanmunkh M., Friedrich B. Influence of As, Sb, Bi and O on copper anode behaviour. Pt. 3: Elemental distribution. World of Metallurgy (ERZMETALL). 2009. Vol. 62. No. 2. P. 70—80.Zeng W., Wang S., Free M.L. Experimental and simulation studies of electrolyte flow and slime particle transport in a pilot scale copper electrorefining cell. J. Electrochem. Soc. 2016. Vol. 163. No. 5. Р. E111—E122. DOI: 10.1149/2.0181605jes.Zeng W., Wang S., Free M.L. Experimental and simulation studies of electrolyte flow and slime particle transport in a pilot scale copper electrorefining cell. J. Electrochem. Soc. 2016. Vol. 163. No. 5. Р. E111—E122. DOI: 10.1149/2.0181605jes.Möller C.A., Bayanmunkh M., Friedrich B. Influence of As, Sb, Bi and O on copper anode behaviour. Pt. 2: Anode dissolution behaviour and anode sludge generation. World of Metallurgy (ERZMETALL). 2009. Vol. 62. No. 1. P. 6—16.Möller C.A., Bayanmunkh M., Friedrich B. Influence of As, Sb, Bi and O on copper anode behaviour. Pt. 2: Anode dissolution behaviour and anode sludge generation. World of Metallurgy (ERZMETALL). 2009. Vol. 62. No. 1. P. 6—16.Zeng W., Free M.L., Wang S. Studies of anode slime sintering/ coalescence and its effects on anode slime adhesion and cathode purity in copper electrorefining. J. Electrochem. Soc. 2016. Vol. 163. No. 2. Р. E14—E31. DOI: 10.1149/2.0681602jes.Zeng W., Free M.L., Wang S. Studies of anode slime sintering/ coalescence and its effects on anode slime adhesion and cathode purity in copper electrorefining. J. Electrochem. Soc. 2016. Vol. 163. No. 2. Р. E14—E31. DOI: 10.1149/2.0681602jes.Zeng W., Free M.L., Werner J., Wang S. Simulation and validation studies of impurity particle behavior in copper electrorefining. J. Electrochem. Soc. 2015. Vol. 162. No. 14. Р. E338—E352. DOI: 10.1149/2.0561514jes.Zeng W., Free M.L., Werner J., Wang S. Simulation and validation studies of impurity particle behavior in copper electrorefining. J. Electrochem. Soc. 2015. Vol. 162. No. 14. Р. E338—E352. DOI: 10.1149/2.0561514jes.Zeng W., Werner J., Free M.L. Experimental studies on impurity particle behavior in electrolyte and the associated distribution on the cathode in the process of copper electrorefining. Hydrometallurgy. 2015. Vol. 156. P. 232—238. DOI: 10.1016/j.hydromet.2015.06.005.Zeng W., Werner J., Free M.L. Experimental studies on impurity particle behavior in electrolyte and the associated distribution on the cathode in the process of copper electrorefining. Hydrometallurgy. 2015. Vol. 156. P. 232—238. DOI: 10.1016/j.hydromet.2015.06.005.Chen T.T., Dutrizac J.E. Mineralogical characterization of a copper anode and the anode slimes from the La Caridad Copper Refinery of Mexicana De Cobre. Metall. Mater. Trans. B. 2005. Vol. 36. No. 2. P. 229—240. DOI: 10.1007/s11663-005-0024-1.Chen T.T., Dutrizac J.E. Mineralogical characterization of a copper anode and the anode slimes from the La Caridad Copper Refinery of Mexicana De Cobre. Metall. Mater. Trans. B. 2005. Vol. 36. No. 2. P. 229—240. DOI: 10.1007/s11663-005-0024-1.Chen T.T., Dutrizac J.E. A Mineralogical overview of the behavior of nickel during copper electrorefining. Metall. Mater. Trans. B. 1990. Vol. 21. No. 2. P. 229—238. DOI: 10.1007/BF02664190.Chen T.T., Dutrizac J.E. A Mineralogical overview of the behavior of nickel during copper electrorefining. Metall. Mater. Trans. B. 1990. Vol. 21. No. 2. P. 229—238. DOI: 10.1007/BF02664190.Moats M.S., Wang S., Kim D. A review of the behavior and deportment of lead, bismuth, antimony and arsenic in copper electrorefining. In: T.T. Chen Honorary Symposium on Hydrometallurgy, Electrometallurgy and Materials Characterization (11—15 March 2012). Orlando, Florida, USA, 2012. P. 3—21. DOI: 10.1002/9781118364833.ch1.Moats M.S., Wang S., Kim D. A review of the behavior and deportment of lead, bismuth, antimony and arsenic in copper electrorefining. In: T.T. Chen Honorary Symposium on Hydrometallurgy, Electrometallurgy and Materials Characterization (11—15 March 2012). Orlando, Florida, USA, 2012. P. 3—21. DOI: 10.1002/9781118364833.ch1.Bounoughaz M., Manzini M., Ghali E. Behaviour of copper anodes containing oxygen, silver and selenium impurities during electro-refining. Canadian Metallurgical Quarterly. 1995. Vol. 34. No. 1. P. 21—26. DOI: 10.1016/0008-4433(94)00014-B.Bounoughaz M., Manzini M., Ghali E. Behaviour of copper anodes containing oxygen, silver and selenium impurities during electro-refining. Canadian Metallurgical Quarterly. 1995. Vol. 34. No. 1. P. 21—26. DOI: 10.1016/0008-4433(94)00014-B.Wang S. Impurity control and removal in copper tankhouse operations. JOM. 2004. Vol. 56. No. 7. P. 34—37. DOI: 10.1007/s11837-004-0089-3.Wang S. Impurity control and removal in copper tankhouse operations. JOM. 2004. Vol. 56. No. 7. P. 34—37. DOI: 10.1007/s11837-004-0089-3.Gu Z.H., Chen J., Fahidy T.Z. A study of anodic slime behavior in the electrorefining of copper. Hydrometallurgy. 1995. Vol. 37. No. 2. P. 149—167. DOI: 10.1016/0304-386X(94)00044-4.Gu Z.H., Chen J., Fahidy T.Z. A study of anodic slime behavior in the electrorefining of copper. Hydrometallurgy. 1995. Vol. 37. No. 2. P. 149—167. DOI: 10.1016/0304-386X(94)00044-4.Wang X., Chen Q., Yin Z., Wang M., Xiao B., Zhang F. Homogeneous precipitation of As, Sb and Bi impurities in copper electrolyte during electrorefining. Hydrometallurgy. 2011. Vol. 105. No. 3-4. P. 355—358. DOI: 10.1016/j.hydromet.2010.10.004.Wang X., Chen Q., Yin Z., Wang M., Xiao B., Zhang F. Homogeneous precipitation of As, Sb and Bi impurities in copper electrolyte during electrorefining. Hydrometallurgy. 2011. Vol. 105. No. 3-4. P. 355—358. DOI: 10.1016/j.hydromet.2010.10.004.Chen T.T., Dutrizac J.E. Mineralogy of copper electrorefining. JOM. 1990. Vol. 42. No. 8. P. 39—44. DOI: 10.1007/BF03221053.Chen T.T., Dutrizac J.E. Mineralogy of copper electrorefining. JOM. 1990. Vol. 42. No. 8. P. 39—44. DOI: 10.1007/BF03221053.Jafari S., Kiviluoma M., Kalliomäki T., Klindtworth E., Arif Tirto Ajia, Aromaa J., Wilson B.P., Lundströma M. Effect of typical impurities for the formation of floating slimes in copper electrorefining. Int. J. Miner. Process. 2017. Vol. 168. No. 10. P. 109—115. DOI: 10.1016/j.minpro.2017.09.016.Jafari S., Kiviluoma M., Kalliomäki T., Klindtworth E., Arif Tirto Ajia, Aromaa J., Wilson B.P., Lundströma M. Effect of typical impurities for the formation of floating slimes in copper electrorefining. Int. J. Miner. Process. 2017. Vol. 168. No. 10. P. 109—115. DOI: 10.1016/j.minpro.2017.09.016.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.