RE对铜电积Pb-Sn-RE合金阳极性能的影响机制研究

Due to the recurring problems from the traditional Pb-Ca-Sn anode, this paper investigates a novel Pb-Sn-RE alloy anode, with focuses on its mechanic properties, oxygen evolution electro- catalytic activity and corrosion resistance in order to meet the stringent demand for copper electrowinning anode in industrial application. The work will include Pb-Sn-RE anode preparation from different rare earth metals with different quantities, the influence of RE metals to the mechanic property of the alloy, from its structural perspective to analyse how RE affecting the essence of Pb alloy's mechanic property, the structure and appearance of the alloy surface oxidized layer, corrosion resistance, the dynamics of oxygen evolution process in H2SO4 solution and its electro-catalytic activity. The optimal amount of Pb-Sn-RE in the anode, comparison with the traditional Pb-Ca-Sn alloy anode and simulation of electrowinning will also be investigated. Success of the project, not only a new model of anode can be established for electrowinning industrial application, but also a new process is introduced with reduction in energy consumption and increase in product quality.

本项目提出制备Pb-Sn-RE合金阳极，在力学性能、析氧电催化活性和耐腐蚀性能方面对传统Pb-Ca-Sn阳极进行全面改进，以满足现代工业生产对铜电积用阳极日益苛刻的要求。 项目将制备出具有不同RE种类和含量的Pb-Sn-RE合金，研究RE元素对合金力学性能的影响规律，从金相结构角度揭示RE改善Pb合金力学性能的本质；研究Pb-Sn-RE合金在工况下的表面氧化膜结构、形貌等特性，揭示RE元素对合金耐腐蚀性能的影响机制；研究Pb-Sn-RE合金在H2SO4溶液中的析氧过程动力学，探讨RE元素对Pb合金析氧电催化活性的影响；模拟铜电积过程，研究具有最优成分的Pb-Sn-RE合金阳极的应用特性，并与传统Pb-Ca-Sn合金阳极对比，形成新型Pb-Sn-RE合金阳极在铜电积过程的应用技术原型。 项目的成功，将为铜电积提供一款综合性能优良的新型阳极，对湿法提铜的节能降耗和产业升级具有重要意义。

铜电积工业普遍采用高浓度H2SO4电积体系，阳极材料一直采用铅基合金阳极，该类阳极存在的主要问题是：阳极析氧过电位高（大于800mV），铅基合金阳极的PbO2氧化膜疏松多孔、造成电积过程中铅基体的腐蚀速率快、单耗高，铅基合金阳极密度大、强度低、易弯曲蠕变，造成短路，降低电流效率，增加能耗。稀土在合金材料制备方面表现出的优异性能受到广泛关注，但稀土在湿法电积用阳极方面研究相关报导较少。本项目提出制备Pb-Sn-RE 合金阳极，在力学性能、析氧电催化活性和耐腐蚀性能方面对传统Pb-Ca-Sn 阳极进行全面改进，以满足现代工业生产对铜电积用阳极日益苛刻的要求。. 制备不同稀土含量的Pb -Pr、Pb-Sm 和Pb-Nd铅基合金阳极，通过拉伸力学性能测试、金相显微组织观察等手段研究其对Pb合金阳极在不同成分下的力学性能、显微组织的影响；研究结果表明，不同含量Pr、Sm、Nd、Gd四种稀土元素均可以不同程度提高阳极的力学性能，且各合金抗拉强度均随稀土元素添加量的增加而增强；在稀土元素加入量相同的条件下，Pr、Nd、Sm、Gd对合金强度提高作用大小依次为：Pr >Gd >Sm > Nd。. 各阳极在硫酸溶液中的阳极恒流失重试验研究表明，低含量Pr、Gd对耐腐蚀性影响甚小，含量大于1%时，不同成分不同含量稀土元素铅基阳极表面工作时形成氧化膜的过程及组织成分、微观形貌研究表明，Pr的加入使得阳极表面形成的PbO2膜层粗糙、多孔，降低了阳极的耐腐蚀性能，Gd的加入尽管对表面结构的影响不同，但由于会形成类似“火山口”的区域影响了阳极的耐腐蚀性；. 各电极的在硫酸溶液中的阳极析氧电位试验研究表明， Pr、Gd、Sm均能不同程度降低阳极电位，有利于降低电积能耗。研究结果最终形成了根据不同需求的新型Pb-Sn-RE合金阳极原型，优选出Pb-Sn（0.6%）-Pr（0.5%）合金阳极该阳极与典型传统Pb-Sn(0.3%)-Ca(0.06%)阳极相比，在阳极力学性能、耐腐蚀性能及阳极电位方面均有优势。. 项目成果可为铜电积高性能Pb基合金阳极的设计提供理论支持，对降低电积过程能耗、减少阳极腐蚀、提高阴极铜产品质量及阳极板使用寿命等具有重要的意义。