李衛(wèi)民 摘譯

（云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）

低阻值永久陰極的開發(fā)

李衛(wèi)民 摘譯

（云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）

陰極銅的電積精煉和電解精煉中，永久不銹鋼陰極的使用已成為了一種普遍接受的技術。作為該技術的開發(fā)者，艾薩工藝技術公司（IPT）多年來不斷改進這一技術，并維持領先地位。

迫于市場對提高陰極銅生產(chǎn)效率的壓力增加，IPT認識到了開發(fā)更高效陰極板的必要性。

為適應市場的需求，IPT現(xiàn)在已開發(fā)出了一種低阻值陰極板（艾薩陰極BRTM）。艾薩陰極BRTM通過減少銅鍍層末端和溶液線的距離，提供了更低的電阻。

湯斯維爾艾薩電解精煉廠和智利的一家主要的電積精煉廠所做的試驗，證實了新型陰極BRTM的性能。最新結(jié)果表明，采用艾薩陰極BRTM，可以明顯節(jié)約生產(chǎn)成本。

不銹鋼永久陰極；銅電解；電阻

1 導言

1978年，MIM公司的湯斯維爾銅電解精煉廠引入了永久不銹鋼陰極，從而改變了銅電解工業(yè)的面貌。

艾薩工藝技術可以減少人力需求，并且可以提供優(yōu)越的機械處理系統(tǒng)，減少銅的庫存水平，允許強度更高的操作，改進陰極質(zhì)量，使電解生產(chǎn)更安全。此外，艾薩工藝技術也可用于規(guī)模小的電積精煉，而無需提供始極片。

平直不銹鋼陰極的引入，使得具有優(yōu)良觸點配置的陽極澆鑄系統(tǒng)和陽極整形機組的開發(fā)成為必要。與艾薩電解工藝相結(jié)合的這些系統(tǒng)的開發(fā)，可以使操作電流密度高達350 A/m2、電流效率超過98%。

這一技術保證了產(chǎn)出的陰極質(zhì)量優(yōu)于LME（倫敦金屬交易所）“A級”銅質(zhì)量。這一工藝是如此的成功，以至于LME“A級”銅標準現(xiàn)在已被最好的銅廠商認為是一種最低要求。

艾薩陰極BRTM是最新的艾薩陰極板，提供的阻值更低，且可以明顯減少電力成本。薩爾迪瓦（Zaldivar）礦業(yè)公司的現(xiàn)場試驗支持了澳大利亞湯斯維爾所進行的早期的試驗工作。其使用的艾薩陰極BRTM見圖1。

圖1 薩爾迪瓦礦業(yè)公司使用的艾薩陰極BRTM“最低阻值的陰極”

2 永久陰極

艾薩電解工藝成功的關鍵是艾薩陰極的基本設計。這一設計，盡管在過去的二十多年中不斷得到改進，但是依然符合I.J.Perry最初的設計概念。

艾薩陰極包括將304 L不銹鋼吊桿點焊到316 L不銹鋼板（厚3.25 mm）上。這種組合件已被證明非常堅固，在工業(yè)生產(chǎn)中不會由于腐蝕或機械搬運造成連接故障。

然后吊桿組合件鍍上一層厚為2.5 mm的銅。這層2.5 mm厚的銅提供了足夠好的導電性以及一定程度的抗腐蝕性。正確操作時，電積精煉中陰極板的工作壽命可以超過7 a，電解精煉中陰極板的工作壽命可以超過15 a（最長可達20 a），而無須對陰極板進行修復。

艾薩電解吊桿系統(tǒng)退化的得非常緩慢，而且是可以預期的。這就允許操作人員可以仔細擬定操作陰極的修復計劃。工業(yè)生產(chǎn)中，這種組合件不會發(fā)生災難性的故障。

圖2和圖3說明了電積精煉條件下艾薩陰極和實心吊桿系統(tǒng)隨時間而發(fā)生的陰極性能對比的情況。A區(qū)為陰極性能未發(fā)生變化的區(qū)域。B區(qū)為陰極性能開始退化的區(qū)域。曝露在腐蝕性環(huán)境中的艾薩陰極性能上會略有下降。實心銅桿會在吊桿與陰極本體連接處遭受腐蝕。

圖2 艾薩陰極性能

圖3 實心銅吊桿性能

艾薩陰極組合件具有如下關鍵特點：

·機械強度大

·固有的初始平直度和長期平直度

·短路時吊桿具有抗退火（軟化）性

·具有足夠的陰極板本體厚度，可以抵抗剝片機組的應力，同時維持高電流效率時所需的垂直度。

·可以機械嵌入陰極板的邊緣掩蔽系統(tǒng)

自工業(yè)化應用以來，已生產(chǎn)出了一百多萬塊艾薩陰極板。這些陰極板已被證明是機械上最堅固、最具防腐性的陰極板。這些特點對于維持長期的高電流效率非常必要。

3 永久艾薩陰極板的進展

艾薩陰極自1978年制造出之后，已得到不斷發(fā)展和改進。圖4為艾薩電解系統(tǒng)的進展情況。

圖4 艾薩電解系統(tǒng)的進展情況

剛開始用于工業(yè)銷售的艾薩陰極是圖4（1）所示的工字形吊桿。銅鍍層的平均厚度是1.3mm，多年后這一厚度才增至2.5mm。在此之前，圖4（2）為底邊為圓形的工字形吊桿。這一設計改進了接觸壓力，并有助于維持陰極在槽中的垂直度。銅鍍層平均厚度的增加改進了吊桿的防腐性能。制造出配有實心吊桿的陰極板在湯斯維爾的電解精煉廠進行測試。

之后的發(fā)展是采用圖4（3）所示的頂部平整的矩形中空（RHS）不銹鋼棒。RHS吊桿使陰極板的剛性更強，且使電鍍銅鍍層的形狀更簡單。這一設計后來改進為圖4（4）所示的圓形RHS桿。頂邊的圓弧使銅鍍層的分布更均勻，保證了電解液可以從吊桿頂端滴落，減少了吊桿腐蝕的可能性。

隨后陰極板的主要發(fā)展是艾薩2000無蠟陰極板。這種陰極在沿陰極板的底邊加工一個用于將陰極銅分成兩片的V形槽。同時，也消除了底邊涂蠟的需求。

根據(jù)客戶的具體要求，制造艾薩陰極時可以采用更薄的RHS桿。圖4（5）為最新的艾薩陰極BRTM的結(jié)構(gòu)。銅鍍層已延伸至剛好在提升線上方，其平均厚度為3.0mm。

4 “低阻值”陰極板的研發(fā)

4.1 早期的艾薩陰極

早期的艾薩陰極，雖然在許多方面具有優(yōu)勢，但是與實心銅吊桿系統(tǒng)相比，電阻值更高。盡管艾薩陰極初始電阻更高，但與其它類型的陰極比，所消耗的電能更少。低電阻雖然具有吸引力，但在MIM公司的湯斯維爾銅電解精煉廠進行了大規(guī)模的試驗后，實心銅吊桿系統(tǒng)的長期性能較差，導致其應用受到抵制。

所進行的試驗對比了實心銅吊桿與艾薩陰極的性能。大約制造出3000塊配有實心銅吊桿的陰極板投入使用。對電解車間的重要數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析,結(jié)果表明實心銅吊桿的電流效率比艾薩陰極的電流效率更低。電流效率的差值為2.4%，第一個出銅期的結(jié)果證明了實心銅吊桿的低效能。

這些差異是由實際的物理性能造成的，如陰極板的平直度。艾薩陰極具有固定的垂直度，并且可以長時間維持其平整性。即使在嚴重短路的情況下，吊桿依然保持平直。這是與易于彎曲的實心銅吊桿進行直接對比得到的結(jié)果。

此外，在艾薩電積精煉廠也進行了比較艾薩陰極和實心銅吊桿的許多試驗。

在電流效率和導電性兩方面，艾薩陰極被認為是最有效的陰極。

4.2 艾薩陰極BRTM的發(fā)展

標準的艾薩永久陰極板的銅鍍層下延至陰極板下大約15mm。這保證了銅鍍層更均勻，電流流向陰極板更均勻。理論上講，如果銅鍍層延長至陰極板，就會明顯減少通過不銹鋼的高電阻路徑，從而降低阻值。

艾薩技術公司現(xiàn)已開發(fā)出低阻值陰極（艾薩陰極BRTM）。通過延長銅鍍層降低陰極板電阻只是理論概念，之后進行的計算則集中于銅鍍層延伸長度增加的影響。計算得出，銅鍍層延長至提升線時，每塊陰極的阻值可以減少11 μΩ。這些結(jié)果表明，銅鍍層越往下延伸，節(jié)約的能量就越多。

BRTM陰極的設計與標準設計有兩方面的不同：①銅鍍層沿陰極板延長大約55 mm，而標準設計為15～17 mm。②銅鍍層平均厚度為3.0mm，而標準設計為2.5mm。

這種新的“高導電性陰極”的優(yōu)點為：①銅鍍層的延長減小了電流流經(jīng)不銹鋼的長度，從而減少了銅鍍層和溶液線間的電阻值。②銅鍍層厚度的增加，提高了陰極的抗腐蝕性，特別在是電積精煉中，陰極處于腐蝕性的環(huán)境下時。

4.3 初始試驗工作

IPT開發(fā)了一些艾薩陰極BRTM的原型。研究人員對這些陰極進行了廣泛的測試，以確定陰極板結(jié)構(gòu)的電氣特性。北昆士蘭詹姆士·庫克大學的約翰·尼爾森（John Nielsen）做了與陰極結(jié)構(gòu)相關的一系列試驗。

各種類型陰極板的導電性都進行了測量。此外，也開發(fā)出了陰極板的電阻模型，從而表明每種陰極類型的電耗。

IPT認為，如果銅鍍層不延長至提升線下，陰極操作以及配套的剝片機組則不會受影響。這種概念被證明是正確的。更進一步的有限元分析表明，與標準陰極相比，獲益可高達38%。銅鍍層沿陰極板電鍍的越深，電阻值就減少的越多。

4.4 艾薩陰極BRTM的生產(chǎn)試驗

湯斯維爾電解精煉廠的初始陰極試驗已經(jīng)開始且正在進行之中。這些陰極達到了降低電阻值的目標，同時可滿足電解精煉工藝的生產(chǎn)要求。

同時決定將試驗擴大至電積精煉的生產(chǎn)。智利的一家大型電積精煉廠對BRTM陰極進行了小型試驗后，同意擴大試驗范圍。整槽裝有艾薩陰極板BRTM的電解槽的測試始于2002年10月。

4.5 薩爾迪瓦礦業(yè)公司的試驗數(shù)據(jù)

整槽裝有艾薩陰極BRTM試驗板的電解槽在薩爾迪瓦礦業(yè)公司投入使用，見圖5。

由于這些陰極板已用于生產(chǎn)，它們的電氣性能已被監(jiān)測，最新的結(jié)果證實了早期所進行的試驗工作。電流分布和陰極板的內(nèi)阻都定期進行了記錄。

為計算出陰極板的內(nèi)阻，對吊桿和溶液線之間的電勢差進行了測量。結(jié)果表明，與使用了約7 a的艾薩陰極相比，艾薩陰極BRTM是一種阻值更低的陰極。圖6強調(diào)了新型艾薩陰極BRTM與舊艾薩陰極在性能上的差異。

為了對比多種陰極板結(jié)構(gòu)的性能，薩爾迪瓦礦業(yè)公司進行了更多的測量。這些結(jié)果示于圖7。

圖5 裝有艾薩BRTM陰極板的電解槽在薩爾迪瓦礦業(yè)公司進行試驗

圖6 不同類型陰極的陰極板性能差異圖

圖7 不同種類陰極板的內(nèi)阻

用來對比的陰極類型如下：

·艾薩陰極BRTM

·實心銅吊桿

·更厚的實心銅桿

·包覆實心銅吊桿

2003年1月8日在薩爾迪瓦礦業(yè)公司進行的最新測量結(jié)果表明，艾薩陰極BRTM電氣性能非常優(yōu)越，電阻值最低。

4.6 成本節(jié)約

薩爾迪瓦礦業(yè)公司記錄的測量數(shù)據(jù)表明，對于同等規(guī)模的工廠，艾薩陰極BRTM每年可以減少電力成本大約100 000美元。這是新型艾薩陰極BRTM提供的可以節(jié)約的數(shù)據(jù)，由于艾薩陰極BRTM增加銅鍍層深度后極板電阻明顯降低。這是與使用了7年的艾薩陰極和實心銅吊桿相比較得出的結(jié)果。測量是在2002年11月15～16日進行的。裝有新型艾薩陰極BRTM的電解槽與分別裝有使用了7年的艾薩陰極與實心銅吊桿陰極的其它兩個標準電解槽一起進行了測量。

以下計算表明了節(jié)能的潛力：

觸點至溶液線的電勢差：平均差值：23 mV

每塊陰極板的平均電流：660 Am/s

每槽功率：989 W/槽

工廠使用的電解槽總數(shù)：368

電力成本：0.032＄/kWh

每年節(jié)約的電力成本：102 036＄

根據(jù)湯斯維爾銅電解精煉廠早期的試驗數(shù)據(jù)和計算也表明，通過采用銅鍍層更深的吊桿，也可顯著節(jié)約成本。

5 結(jié)論

永久艾薩陰極板自開發(fā)以來，已經(jīng)歷了重大的改進。陰極板的最新進展是開發(fā)出了艾薩陰極BRTM。過去的和目前的試驗工作表明，這是最有效的陰極板，可以顯著節(jié)約電力成本。銅鍍層目前剛好延長至提升窗的底邊上方，銅鍍層的平均厚度也有增加。艾薩陰極BRTM是一種機械和化學性能穩(wěn)定性的低阻值陰極板。

蘇 平 校

Abstract:The ISA PROCESS Technology(IPT)has now developed a low resistance cathode plate(ISA Cathode BRTM)in response to market demand.The ISA Cathode BRTMprovides lower electrical resistance by decreasing the distance between the end of the copper plating and the solution line.Plant trials in the Townsville ISA PROCESS refinery and in a major Chilean electrowinning plant were undertaken to prove the performance of the new cathode type BRTM.Results to date indicate that significant operating cost savings are available with the use of the ISA Cathode BRTMelectrodes.

Key words:stainless permanent cathode;copper electrowinning;electrical resistance

The development of a“l(fā)ower resistance”permanent cathode

Translated selectively by LI Wei-min

TF811

B

1672-6103（2011）02-0006-04

李衛(wèi)民(1971—)，男，云南大理人，云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠生產(chǎn)技術部高級工程師。

2010-08-07