ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО РАФИНИРОВАНИЯ МЕДИ: ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

MODERN APPROACHES TO REDUCING SPECIFIC ENERGY CONSUMPTION IN NICKEL ELECTROLYSIS

Ridzik Alexey Sergeevich

Student, Department of Physics, Biology, and Engineering Technologies, Murmansk Arctic University,

Russia, Apatity

Bobreva Lyubov Aleksandrovna

Scientific Supervisor, PhD in Engineering, associate professor, Murmansk Arctic University,

Russia, Apatity

АННОТАЦИЯ

В статье рассматриваются актуальные вопросы оптимизации процесса электрролитического рафинирования меди. Проведен детальный анализ влияния плотности тока на основные технологические параметры: производительность оборудования, энергоэффективность и качество готовой продукции. Представлены результаты расчетов материального и теплового балансов, произведена сравнительная оценка двух режимов (240 А/м² и 300 А/м²) с точки зрения экономической целесообразности. Показано, что увеличение плотности тока позволяет значительно сократить количество основного оборудования и снизить себестоимость продукции.

ABSTRACT

This article examines current issues in optimizing the electrolytic refining of copper. A detailed analysis of the impact of current density on key process parameters, including equipment performance, energy efficiency, and finished product quality, is provided. The results of material and heat balance calculations are presented, and a comparative assessment of two operating modes (240 A/m² and 300 A/m²) is provided in terms of economic feasibility. It is shown that increasing current density significantly reduces the amount of primary equipment and lowers production costs.

Ключевые слова: электрорафинирование меди; плотность тока; электролиз; катодная медь; энергоэффективность; экономическая эффективность.

Keywords: copper electrorefining; current density; electrolysis; copper cathode; energy efficiency; economic effectiveness.

В современной российской металлургии производство высокочистых медных катодов является стратегической задачей, напрямую влияющей на конкурентоспособность отечественной промышленности на мировых рынках. Ключевым параметром, определяющим как производительность, так и энергетические затраты процесса, является плотность тока. Традиционные технологии работают в диапазоне 200–350 А/м², однако современные тенденции требуют поиска компромиссов между скоростью осаждения меди и качеством катодов, особенно в условиях перехода на отечественное оборудование и интеграции с возобновляемыми источниками энергии [1].

Цель данной работы является выявление оптимальных условий электролитического рафинирования, обеспечивающих максимальное качество продукции при минимальных затратах энергии на примере цеха производительностью 50 000 тонн катодов в год.

Исходные данные для расчетов включали состав анодов (Cu — 98,45%, Ni — 0,4%, Ag — 0,0297% и др.) и электролита. На основе материального баланса было установлено, что из 870 кг анодной массы (за вычетом 13% скрапа) на катоде оседает 839,43 кг меди. Чистота катодной меди составила 99,994%, что соответствует высшим стандартам [2].

Расчет количества ванн показал значительную зависимость от плотности тока:

• Вариант 1 (240 А/м²): требуется 340 товарных ванн.
• Вариант 2 (300 А/м²): требуется 274 товарные ванны.

Сокращение на 66 ванн (почти на 20%) достигается за счет увеличения производительности одной ванны. В первом варианте суточная производительность товарной ванны составляет 382,95 кг/сут, во втором — 478,8 кг/сут. При этом масса одного катода увеличивается с 89,4 до 111,8 кг.

Расчеты напряжения на ванне и расхода электроэнергии выявили основные различия между режимами, таблица. Сопротивление электролита, зависящее от температуры (65°C) и межэлектродного расстояния, составляет основную долю падения напряжения [1,3].

Таблица 1.

Энергетические расчеты

Хотя увеличение плотности тока привело к росту удельного энергопотребления на 16,9%, сокращение числа ванн и объема циркулирующего электролита позволило снизить абсолютное потребление пара. Более высокая плотность тока компенсирует тепловые потери испарением (Q₁ = 15,1 кВт·ч на ванну), и разница в тепловом балансе компенсируется снижением затрат на подогрев, что делает вариант 2 более энергетически сбалансированным.

Экономический анализ, включающий расчет сметной стоимости оборудования, амортизации, фонда оплаты труда и цеховых расходов, показал преимущества высокоплотностного режима.

• Капитальные затраты (оборудование):
  
  • Вариант 1: 235,3 млн руб.
  • Вариант 2: 200,3млн руб. (Экономия капитальных вложений составляет ~35 млн рублей)
• Себестоимость 1 тонны катодной меди:
  
  • Вариант 1: 311 674,37 руб./т
  • Вариант 2: 308 724,55 руб./т

Снижение себестоимости во втором варианте обусловлено в первую очередь уменьшением амортизационных отчислений и затрат на содержание оборудования, а также оптимизацией численности обслуживающего персонала (списочная численность рабочих снижена с 236 до 202 человек). Основная статья затрат — сырье (анодная медь) остается неизменной, однако экономия на переделе обеспечивает конкурентное преимущество.

Заключение

Проведенное исследование подтверждает эффективность перехода на более высокие плотности тока (до 300 А/м²) в процессе электролитического рафинирования меди. Несмотря на рост удельного расхода электроэнергии, данный режим обеспечивает:

1. Сокращение количества основного технологического оборудования на 19,4%.
2. Увеличение производительности одной ванны на 25%.
3. Снижение себестоимости товарной продукции на 2,95 тыс. руб. за тонну.
4. Снижение эксплуатационных затрат за счет меньшего количества обслуживаемых ячеек и сокращения штата.

Таким образом, режим с плотностью тока 300 А/м² является предпочтительным для условий современного производства, обеспечивая баланс между качеством катодной меди (99,994%) и экономической эффективностью. Полученные результаты могут служить основой для модернизации существующих и проектирования новых цехов электролиза меди, особенно в условиях необходимости импортозамещения и повышения энергетической эффективности российской промышленности.

Список литературы:

1. Береговский В. И., Кистяковский Б. Б. Металлургия меди и никеля: учеб.пособие Москва: Металлургия, 2016. – 456 с.
2. Баймаков, Ю. В., Журин А. И. Электролиз в гидрометаллургии: учебное пособие. Москва: Металлургия, 2015. – 384 с.
3. Уткин, Н. И. Производство цветных металлов: учебное пособие. Москва: Интермет Инженеринг, 2017. – 442 с.