Теория электрометаллургических процессов

УДК 669.2/8.087 
М81 

Р е ц е н з е н т 
канд. техн. наук, доц. А.С. Попович 

Москвитин В.И. 

М81 
Теория электрометаллургических процессов: Лаб. практикум. - 2-е изд. - М.: МИСиС, 2004. - 41 с. 

Лабораторный практикум является руководством к лабораторным занятиям но курсу «Теория электрометаллургических процессов» для студентов, 
специализирующихся по металлургии цветных металлов. В нем подробно 
описаны приемы исследований и аппаратура, применяемая в работах по изучению электропроводности электролитов и основных закономерностей электрохимической и диффузионной кинетики электродных процессов. 

© Московский государственный институт 
стали и сплавов (Технологический 
университет) (МИСиС), 2004 

СОДЕРЖАНИЕ 

Предисловие 
4 

Лабораторная работа 1 

Электролитическое рафинирование меди 
5 

Лабораторная работа 2 

Электропроводность растворов электролитов 
11 

Лабораторная работа 3 

Поляризация никелевых электродов 
в никельсодержащих растворах 
19 

Лабораторная работа 4 

Поляризация электродов в алюминий(или магний)содержащих хпоридных расплавах 
26 

Лабораторная работа 5 

Определение коэффициентов диффузии 
хронопотенциометрическим методом 
34 

3 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Лабораторный практикум по теории электрометашхургических 
процессов имеет важное значение в общенаучной и специальной подготовке студентов, специализирующихся по металлургии цветных металлов. Настоящий практикум должен дать студенту правильное понимание взаимосвязи между теорией и практикой эксперимента, закрепить теоретические знания и привить навыки научной работы. 

Выполнение лабораторных работ осуществляется с использованием сложных электронных приборов высокого класса точности, с 
которыми будущие специалисты встретятся не только в научноисследовательских институтах, но и в заводских лабораториях. 
Стремление полнее использовать возможности современного оборудования, имеющегося на кафедре (катодные вольтметры, осциллографы, потенциостаты, мосты переменного тока) привело к необходимости усложнения лабораторных работ для расширения получаемой экспериментальной информации. 

Практикум содержит пять лабораторных работ по важнейшим разделам курса и касается в основном кинетики электродных 
процессов. Работы задуманы как небольшие научные исследования с 
получением определенных экспериментальных закономерностей и 
расчетных данных, подлежащих теоретической интерпретации. Каждая работа в связи с этим выполняется в течение четырех часов. Предусмотрена разбивка работ на двухчасовые этапы, не нарушающие в 
дальнейшем целостности восприятия полученных результатов. В течение первых двух часов студенты осваивают теоретическую часть 
работы, в последующие два часа выполняется ее практическая часть. 

Работы выполняются на современном уровне электрохимических исследований с использованием, в частности, различных классических и релаксационных методов изучения электродных процессов. Вместе с тем по мере возможности работам придавалась прикладная направленность. 

4 

Лабораторная работа 1 

ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЕ 
РАФИНИРОВАНИЕ МЕДИ 

(2 X 2 часа) 

1.1. Цель работы 

Овладеть методикой рафинирования меди и определения выхода меди по току и по энергии. 

1.2. Теоретическое введение 

Электролитическое рафинирование меди проводится с целью 
очистки ее от примесей и главным образом - для попутного извлечения благородных металлов, селенидов и теллуридов. Черновая медь 
используется в качестве растворимого анода. При рафинировании в 
электролит переходят в виде ионов медь и более электроотрицательные элементы: цинк, железо, никель, олово, свинец. Более электроположительные элементы анодно не растворяются (недостаточен потенциал) и, теряя механическую связь с электродом, переходят в шлам 
(осыпаются на дно электролизера). Это - золото, серебро, селениды, 
теллуриды, сульфиды и оксиды. На катоде из раствора разряжаются 
ионы меди, а ионы более электроотрицательных элементов остаются в 
электролите. Наиболее опасные примеси - те, у которых потенциалы 
близки к потенциалу меди (мышьяк, сурьма, висмут), так как они могут разряжаться на катоде вместе с основным металлом. 

Медь образует одно- и двухвалентные ионы. Основные реакции на аноде: 

Си = Си^" + 2ё 
ф° = 0,345В; 

Си = Си" + ё 
ф° = 0,522В. 

Реакции на катоде - те же, но протекают в обратную сторону. 
В растворе, между ионами устанавливается равновесие: 

2 C u " ^ C u + Cu^". 
(1.1) 

Константа равновесия реакции при 25 °С 

7^P = [Cu^1/[Cut-l,7. 10^ 
(1.2) 

5 

т.е. в растворе находятся практически только ионы Си^^. Тем не менее, при электролизе растворов солей меди на катоде наряду с ионами Си^" будут разряжаться также и ионы Си" в соотношении, соответствующем их равновесию. 

Если равновесие реакции (1.1) в электролите нарушится, то 
процессы на катоде будут протекать так, чтобы восстановить его. 

Предположим, чтх) концентрация ионов Си" стала меньше равновесной. Тогда при сохранении катодом своего прежнего потенциала 
(0,345 В) разряд ионов Си" прекратится, и будет протекать новая реакция: 

Си^" + ё = Си", 
(1.3) 

т.е. реакция неполного восстановления ионов меди. Поскольку в результате протекания этой реакции медь на катоде не выделяется, а электричество расходуется, то выход меди по току будет меньше 100 %. 

Основной причиной, нарушающей равновесие между Си^" и 
Си" в растворе, является окисление кислородом воздуха ионов Си": 

CU2SO4 + ПгЗОд + 0,502 = 2CuS04 + П2О. 
(1.4) 

Если по какой-либо причине концентрация ионов Си" станет 
больше равновесной, реакция (1.1) пойдет вправо, и в прианодном 
пространстве образуется порошкообразная металлическая медь. 

Для обеспечения высокой электропроводности электролита он 
должен содержать 125...230 г/л серной кислоты, а концентрацию меди 
следует поддерживать на уровне 50...70 г/л; температура электролита 
55...65 °С. Введение в электролит ПАВ обеспечивает получение мелкокристаллического плотного осадка, содержащего минимальное количество примесей. Циркуляция электролита снижает концентрационную поляризацию и предотвращает расслаивание раствора. 

Электролитическое рафинирование меди проводят при катодной плотности тока 200...350 А/м^ в зависимости от состава 
анодной меди и электролита, а также скорости его циркуляции. 

1.3. Описание установки 

Электролитическое рафинирование проводится на установке 
(рис. 1.1), состоящей из двух ванн с помещенными в них электродами, 
системы циркуляции раствора и токоподводящей системы. Электролизные ванны объединены в блок, который представляет собой плексигласовый ящик с перегородкой посередине. По бортам длинных сторон 
ванн проложены токоподводящие шины. Электроды в каждой ванне 
включены параллельно, а ванны в блоке - последовательно (рис. 1.2). 
Подвод постоянного тока к ваннам осуществляется от выпрямителя. 
6 

i 
^ 

воздух 

Рис. 1.1. Схема установки для электрорафинирования меди: 

1 - бачок напорный; 2 - электролит; 3 - кран; 

4 - ванна электролитическая; 5 - бачок сборный 

^Я 

Г А \ 

+ 
С^У 

+ 

кашоЩ 

^sWr 

ашх) 

Рис. 1.2. Схема включения ванн в блоке (а ) и электродов в ванне (б) 

1 

3 

2 

4 

5 


я 


б 

7 

Система циркуляции электролита состоит из двух бачков напорного и сборного, соединительных трубок и кранов. После израсходования электролита в напорном бачке в него перекачивают 
раствор из сборного бачка. 

В каждой ванне устанавливается несколько катодов и анодов. 
(катодов на один больше, чем анодов). Катоды из тонких медных 
листов, аноды - массивные, из черновой меди. Катодные штанги неизолированными концами опираются на отрицательную шину, а неизолированные плечики анодов - на положительную. 

1.4. Порядок выполнения работы 

в начале работы следует включить подогреватели электролита в напорном бачке. Затем необходимо тщательно зачистить наждачной бумагой поверхности катодов, контакты штанг и токоподводящие шины; взвесить катоды и измерить площадь погружаемой в 
электролит части их поверхности. При определении площади рабочей поверхности катода следует учитывать его обе стороны, так как к 
катоду ток идет с двух сторон (катод висит между двух анодов), а к 
двум крайним катодам - с одной стороны. Исходя из заданной преподавателем плотности тока рассчитывают необходимую силу тока. 
После этого катоды и аноды устанавливают в ванне в соответствующем порядке. Правильность собранной схемы и рассчитанной силы 
тока проверяется преподавателем. 

После выполнения указанной выше работы и подогрева электролита в напорном бочке до 50...65 °С приступают к заполнению 
ванн электролитом, для чего необходимо открыть все краны системы 
циркуляции. После того как ванны заполнятся электролитом, следует 
включить постоянный ток и отметить время включения. В процессе 
электролиза необходимо следить за силой тока и поддерживать ее на 
одном уровне. Через каждые 10 мин измеряют напряжение на блоке 
ванн и на одной ванне. 

По окончании опыта, не отключая тока и не прекращая циркуляции электролита, извлекают катоды из ванны и помещают их в фарфоровую чашку. Затем выключают ток, перекрывают краны, извлекают 
аноды из ванны и помещают их в другую чашку. Катоды и аноды тщательно промывают водой и высушивают в сушильном шкафу. Высушенные катоды взвешивают и по привесу металла и другим показателям процесса рафинирования рассчитывают выход меди по току и расход электроэнергии на единицу полученного катодного металла. 

8 

Работа выполняется бригадами студентов по 2 - 3 человека. 
Все бригады проводят эксперимент в одинаковых условиях, но при 
различной плотности тока (по указанию преподавателя). 

Указания по технике безопасности. Во время выполнения 
лабораторной работы необходимо соблюдать меры безопасности при 
работе с растворами кислот: 

- работать в халате; 
- при сливе электролита из ванн работать в резиновых перчатках. 
В случае попадания раствора на открытые участки тела необходимо промыть их водопроводной водой и сообщить об этом преподавателю. 

1.5. Обработка результатов экспериментов 

5.1. Опытные и расчетные данные вносят в таблицу: 

Время, 
ч 

Сила 
тока, 

А 

Напряжение, 
В 

Получено 
металла, 

г 

Выход 
по току, 

% 

Удельный расход 
электроэнергии, 

Вт-ч/кг 

I 
1 
I 
2 
I 
3 
I 
4 
I 
5 
I 
6 
I 

В ходе эксперимента заполняют графы 1, 2 и 3 таблицы. 
5.2. Количество полученного металла рассчитывают по привесу к исходной массе катодных основ. 

5.3. Выход по току определяют как отношение массы металла пц, 
полученного в опыте, к массе металла т^ которая может быть выделена 
теоретически по закону Фарадея тем же количеством электричества: 

где к - электрохимический эквивалент меди, г/(А.ч); 
/-силатока. А; 
X - время, ч. 

5.4. Удельный расход электроэнергии Вт-ч/кг рассчитывают 
как отношение затраченного количества электроэнергии к массе полученного металла 

где и, - напряжение на ванне. В; 

mi - масса полученного металла, кг. 

9 

1.6. Требования к отчету 

Отчет по работе должен содержать краткую теоретическую 
часть, схему установки с подрисуночными надписями, результаты 
опытов и их обработку. 

Записи следует вести аккуратно, без сокращения слов, ясно 
полно и четко. 

1.7. Контрольные вопросы 

1. Каковы цели и задачи электрорафинирования меди? 
2. В чем заключается сущность электрорафинирования меди? 
3. С какой целью в электролит вводится серная кислота? 
4. С какой целью применяется циркуляция электролита? 
5. Почему температура электролита при рафинировании 
поддерживается в пределах 50...65 °С? 

6. В чем проявляется вредное влияние кислорода в электролите? 
7. Каковы причины образования порошкообразной меди в 
электролите? 

8. Какие примеси в черновой меди наиболее вредны при получении катодной меди? 

9. Какие существуют схемы включения ванн и электродов 
при электрорафинировании меди? 

10.Каков принцип устройства электролизной ванны и 
блока ванн? 

1.8. Литература 

Байков Ю.В., Журин А.И.. Электролиз в гидрометаллургии. 2-е изд. - М.: Металлургия, 1977 - С. 37 - 40, 40 - 50. 

10 

Лабораторная работа 2 

ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ РАСТВОРОВ 

ЭЛЕКТРОЛИТОВ 

(2x2 часа) 

2.1. Цель работы 

Установление зависимости удельной электропроводности 
от температуры и определение температурного коэффициента 
электропроводности. Оценка величины энергии активации электропроводности. 

2.2. Теоретическое введение 

Электропроводность - важнейшее физико-химическое свойство электролитов. Увеличение электропроводности электролитов 
позволяет поднять силу тока на ванне без нарушения ее теплового 
режима. Увеличение силы тока способствует повышению производительности электролизера. Удельная электропроводность ж - величина Ом~'-см~\ обратная удельному сопротивлению ж = 1 / р. 

Электропроводность электролитов (проводников второго рода) с ростом температуры повышается и в узком интервале температур может быть представлена уравнением 

ж, = Ж18ос[1+а(Г-18)]. 
(2.1) 

Величина температурного коэффициента а = ( Жг - г£\& ос ) / 
/ [ Ж18 ос ( Г - 18 ) ] для кислот колеблется в интервале 0,010...0,015, 
для щелочей 0,016...0,020, для солей 0,020...0,025. 

Зависимость электропроводности электролитов от температуры подчиняется экспоненциальному закону 

ю^А^ехр[-Е^/(КТ)]. 
(2.2) 

где Аз: - константа, не зависящая от температуры; 

Е^ - энергия активации электропроводности, или энергия активации процесса, определяющего скорость движения ионов. 

11