Совершенствование системы контроля и управления параметрами электролитического рафинирования меди

Использование современных автоматизированных систем управления в производстве катодной меди обеспечивает возможность удаленного доступа к ресурсам для контроля и регулирования параметрами электролитического процесса, что определяет показатели эффективности производства при снижении энергетических затрат. Важными параметрами в электролитическом рафинировании меди являются температура и состав электролита, скорость его циркуляции, уровень шлама, частота замыканий между электродами и плотность тока, которые напрямую влияют на количество и объем катодного осадка. Наличие коротких замыканий на ванне обуславливается ростом дендритов, что влечет за собой необходимость контролировать напряжение, состав и температуру электролита и периодически анализировать состав и накопление объема шламового осадка на дне электролизера. Интенсификация процесса электролиза происходит в основном за счет повышения плотности тока, снижения межэлектродного расстояния, улучшения качества электродов, совершенствования системы циркуляции электролита при дальнейшей механизации и автоматизации самого процесса и его вспомогательных операций, ведущих к повышению производительности. Целью данной работы являлось расширение функций автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) за счет внедрения датчиков контроля уровня шламового осадка для снижения безвозвратных потерь при наличии замыканий дендритного осадка на электроды в нижней донной части электролизера с использованием нового программного обеспечения. Рассмотрен способ контроля уровня шламового осадка для предотвращения коротких замыканий и разработана программа контроля при помощи датчиков уровня поплавкового типа. Данное мероприятие при внедрении позволит снизить расход электроэнергии на 15–20 %, что может быть полезным для внедрения в цехах электролитического производства меди на предприятии «Медеплавильный завод» (г. Лаокай, Социалистическая Республика Вьетнам).

1. Litvinenko V., Bowbriсk I., Naumov I., Zaitseva Z. Global guidelines and requirements for professional competencies of natural resource extraction engineers: Implications for ESG principles and sustainable development goals. Journal of Cleaner Production. 2022;338:130530. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.130530

2. Litvinenko V.S. Digital economy as a factor in the technological development of the mineral sector. Natural Resources Research. 2020;29:1521—1541. https://doi.org/10.1007%2Fs11053-019-09568-4

3. Potekhin D.V., Galkin S.V. Use of machine learning technology to model the distribution of lithotypes in the permo-carboniferous oil deposit of the usinskoye field. Journal of Mining Institute. 2023;259:41—51. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.101

4. Qingyu Zeng, Chun Li, Yi Meng, Jun Tie, Rentao Zhao, Zhifang Zhang. Analysis of interelectrode short-circuit current in industrial copper electrorefining cells. Measurement. 2020;164:108015. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108015

5. Mansouri N., Khayati G.R., Mohammad Hasani Zade, Mohammad Javad Khorasani S., Kafi Hernashki R. A new feature extraction technique based on improved owl search algorithm: a case study in copper electrorefining plant. Neural Computing and Applications. 2022;34:7749—7814. https://doi.org/10.1007/s00521-021-06881-z

6. Таранцева К.Р., Фаюстова Ю.А. Эффективность очистки сточных вод от ионов железа, меди и никеля сорбентом из шлама водоочистки. Экология и промышленность России. 2023;27(2):22—25. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2023-2-22-25

7. Мансурова О.К., Читкова Я.В. Исследование процессов при электролитическом рафинировании меди. В сб.: Инновационные научные исследования: теория, методология, практика: Материалы XX Междунар. науч.-практ. конференции (Пенза, 23 февраля 2020 г.). Пенза: Наука и Просвещение, 2020. С. 47—52.

8. Shestakov A.K., Petrov P.A., Nikolaev M.Yu. Automatic system for detecting visible emissions in a potroom of aluminum plant based on technical vision and a neural network. Metallurgist. 2023;66:1308—1319. https://doi.org/10.1007/s11015-023-01445-z

9. Мастюгин С.А., Волкова Н.А., Набойченко С.С., Ласточкина М.А. Шламы электролитического рафинирования меди и никеля. Екатеринбург: УрФУ, 2013. 256 с.

10. Худяков П.Ю., Федорова С.В., Симонов А.Ю., Старцев И.М., Лаптев В.А. Автоматическая система идентификации коротких замыканий в электролизных ваннах. Датчики и системы. 2020;(9-10(251)):61—66. https://doi.org/10.25728/datsys.2020.9-10.11

11. Вольхин А.И., Чухланцев Н.М., Плеханов И.Д., Спирин В.Е., Серикова В.В., Сизов В.А., Винник В.И. Устройство для обнаружения коротких замыканий в ваннах электролиза меди: Патент 55779 (РФ). 2006.

12. Горонько В.А. Устройство для определения тока короткого замыкания в электролизных ваннах: Патент 140216 (СССР). 1960.

13. Захаров Л.А., Мартюшев Д.А., Пономарева И.Н. Прогнозирование динамического пластового давления методами искусственного интеллекта. Записки Горного института. 2022;253:23—32. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.11

14. Салимжанова Е.В., Девочкин А.И., Юдин Е.В., Карпушова Д.Д. Разработка и внедрение технических решений по приведению качества катодной меди полярного деления в соответствие со стандартом Лондонской биржи металлов. Цветные металлы. 2018;6:44—51. https://doi.org/10.17580/tsm.2018.06.06

15. Mohammad Reza Shojaei, Gholam Reza Khayati, Seyed Mohammad Javad Korasani, Roya Kafi Harnashki. Investigating the nodulation mechanism of copper cathode based on microscopic approach: As a punch failure factor. Engineering Failure Analysis. 2022;133:105970. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2021.105970

16. Zakaev D., Nikolaichuk L., Irina F. Problems of oil refining industry development in Russia. International Journal of Engineering Research and Technology. 2020;13(2):267—270. https://doi.org/10.37624/IJERT/13.2.2020.267-270

17. Jingya Zhao, Yi Meng, Chun Li, Jun Tie. The effect of nodulation on the distribution of concentration and current density during copper electrolytic refining. Journal of Physics: Conference Series. 2022;2285:012015. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2285/1/012015

18. Gazaleeva G.I., Nazarenko L.N., Shigaeva V.N. Process flow design for upgrading rough concentrates containing fine slimes of tin and copper minerals. Obogashchenie Rud. 2018;(6(378)):20—26. (In Russ.). https://doi.org/10.17580/or.2018.06.04

19. Ding L., Li Q., Yuan J., Dong X., Peng D., Li B., Li H., Xue Y., Niu Y. Characteristic and control of electrochemical oscillation at the anode during electrolytic refining copper. International Journal of Electrochemical Science. 2020;15(9):9532—9542. https://doi.org/10.20964/2020.09.85

20. Selivanov E.N., Sergeeva S.V., Korolev A.A., Timofeev K.L., Krayukhin S.A., Pikulin K.V. Impurity distribution during electrolytic refining of antimony. Metallurgist. 2021;64:1198—1207. https://doi.org/10.1007/s11015-021-01105-0

21. Boikov A.V., Payor V.A., Savelev R.V. Technical vision system for analyzing the mechanical characteristics of bilk materials. Journal of Physics: Conference Series. 2018;944:012021. https://doi.org/10.1088/1742-6596/944/1/012021

22. Шклярский Я.Э., Батуева Д.Е. Разработка алгоритма выбора режимов работы комплекса электроснабжения с ветродизельной электростанцией. Записки Горного института. 2022;253:115—126. https://doi.org/10.31897/PMI.2022.7

23. Ding L., Cheng J., Wang T., Zhao J., Chen C., Niu Y. Continuous electrolytic refining process of cathode copper with non-dissolving anode. Minerals Engineering. 2019;135:21—28. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2019.02.032

24. McNulty B.A., Jowitt S.M., Belousov I. The importance of geology in assessing by- and coproduct metal supply potential; a case study of antimony, bismuth, selenium, and tellurium within the copper production stream. Economic Geology. 2022;117(6):1367—1385. https://doi.org/10.5382/econgeo.4919

25. Correa P.P., Cipriano A., Nunez F., Salas J.C., Lobel H. Forecasting copper electrorefining cathode rejection by means of recurrent neural networks with attention mechanism. IEEE Access. 2021;9:79080—79088. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3074780

26. Zhang J., Chen H., Fan B., Shan H., Chen Q., Jiang C., Hou G., Tang Y. Study on the relationship between crystal plane orientation and strength of electrolytic copper foil. Journal of Alloys and Compounds. 2021;884:10—16. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161044

27. Ostanin N.I., Rudoy V.M., Demin I.P., Ostanina T.N., Nikitin V.S. Statistical analysis of the distribution of impurities during copper electrorefining. Russian Journal of Non-Ferrous Metals. 2021;62(5):501—507. https://doi.org/10.3103/S1067821221050102

28. Boikov A.V., Savelev R.V., Payor V.A., Potapov A.V. Evaluation of bulk material behavior control method in technological units using DEM. Part 2. CIS Iron and Steel Review. 2020;20:3—6. https://doi.org/10.17580/cisisr.2020.02.01

29. Васильева Н.В., Бойков А.В., Ерохина О.О., Трифонов А.Ю. Автоматизированная оцифровка круговых диаграмм. Записки Горного института. 2021;247:82—87. https://doi.org/10.31897/PMI.2021.1.9

30. Кашин Д.А., Кульчицкий А.А. Контроль качества металлургических брикетов на основе изображений брикетированной металлошихты. Цветные металлы. 2022;9(957):92—98. https://doi.org/10.17580/tsm.2022.09.13

31. Sharikov Y.V., Cabascando V.E.Q. Mathematical modeling of mass, heat and fluid flow in a reverberatory furnace for melting nickel-containing raw materials. Journal of Physics: Conference Series. 2021;1753:1—8. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1753/1/012064

32. Bian Y., Su L., Yu Z., Lv Z., Chen H., Zhou Y., Lin M. Graphite/copper phthalocyanine composite cathode for overcharge protection and gas evolution suppression in aluminum-ion batteries at room temperature. Electrochimica Acta. 2019;332:1—23. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.135188

33. Sonawane J.M., Pant D., Ghosh P.C., Adeloju S.B. Polyaniline—copper composite: A non-precious metal cathode catalyst for low-temperature fuel cells. Energy Fuels. 2021;35(4):3385—3395. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.0c04152

34. Van Doremalen R.F.M., Van Netten J.J., Van Baal J.G., Vollenbroek-Hutten M.M.R., Van der Heijden F. Validation of low-cost smartphone-based thermal camera for diabetic foot assessment. Diabetes Research and Clinical Practice. 2019;149:132—139. https://doi.org/10.1016/j.diabres.2019.01.032

35. Han Ji-H., Khoo E., Bai P., Bazant M.Z. Overlimiting current and control of dendritic growth by surface conduction in nanopores. Scientific Reports. 2014;4(7056):1—8. https://doi.org/10.1038./srep07056

36. Зубов В.П., Тхан Ван Зуи, Федоров А.С. Технология подземной разработки мощных пластов угля с низкими прочностными характеристиками. Уголь. 2023;(5):37—45. http://dx.doi.org/10.18796/0041-5790-2023-5-37-45

37. Пряхин Е.И., Трошина Е.Ю. Изучение технологических и эксплуатационных особенностей высокотемпературостойких композитных пленок для лазерной маркировки деталей из черных сплавов. Черные металлы. 2023;(4):74—80. https://doi.org/10.17580/chm.2023.04.12