□文/毛允正/

國內(nèi)外銅電解工藝技術(shù)與裝備綜述

Review of Domestic and International Copper Electrolysis Process Technology and Equipment

□文/毛允正/

上世紀70年代以來，銅電解工藝技術(shù)有了很大的發(fā)展。出現(xiàn)了周期反向電流（PRC）電解，永久不銹鋼陰極（ISA法、KIDD法、OT法、EPCM法）電解等新工藝。銅電解精煉生產(chǎn)向大型化、大極板化、自動化、高效率、高質(zhì)量、低消耗、低成本的目標發(fā)展。

一、傳統(tǒng)法電解

傳統(tǒng)法電解包括小極板短周期常規(guī)電解和大極板長周期常規(guī)電解兩大類。小極板短周期常規(guī)電解是上世紀70年代以前國內(nèi)外的主打工藝，在我國也已有多年生產(chǎn)歷史，工藝成熟可靠，從生產(chǎn)管理到工人操作都積累了豐富經(jīng)驗。始極片制作工藝從原始的銅母板過渡到鈦母板，簡化了操作工序，提高了工作效率。傳統(tǒng)電解工藝仍需要獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)，勞動強度大，能耗和生產(chǎn)成本高。但因其建設(shè)投資較低，現(xiàn)5萬噸規(guī)模以下的小型銅電解廠多采用此工藝。

大極板長周期常規(guī)電解雖屬始極片傳統(tǒng)工藝，但其機械化、自動化水平有了很大提高，其陰陽極加工、出裝槽、陰極銅和殘極洗滌、打包均實現(xiàn)了機械化，控制系統(tǒng)一般采用PLC進行控制，適用于中型銅電解生產(chǎn)企業(yè)。

二、周期反向電流(PRC)電解技術(shù)

在銅電解精煉生產(chǎn)中，提高電流密度是強化生產(chǎn)的重要措施。常規(guī)電解法電流密度很少超過300A/m2，高于這個指標陽極鈍化現(xiàn)象較為明顯，反而降低整體生產(chǎn)效率。我國原上海冶煉廠常規(guī)電解時曾將電流密度提高到300A/m2生產(chǎn)，此時各項生產(chǎn)管理都得到位，投入很大的人力物力，總效果不是太好。

1962年保加利亞精煉廠成功進行了周期反向電流電解的工業(yè)試驗，陽極鈍化現(xiàn)象在電流高達550~650A/m2時才開始出現(xiàn)。1963年P(guān)RC技術(shù)在保加利亞精煉廠首次應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，使電流密度提高到350A/m2以上。由于該技術(shù)特別適用于常規(guī)電解精煉工廠的挖潛增產(chǎn)，應(yīng)用這一技術(shù)的改造工廠不斷增加，在80年代末時曾達到所有銅電解廠家的15%。

由于PRC技術(shù)采用的電流密度高，槽電壓高于常規(guī)電解法，有效電流效率低于常規(guī)電解，其電能消耗要比常規(guī)電解高出30%左右。在能源緊張、能源費用大幅提高的情況下，PRC技術(shù)的推廣應(yīng)用受到了限制。因此上世紀90年代以來，PRC技術(shù)沒有得到進一步推廣應(yīng)用。

三、永久不銹鋼陰極電解技術(shù)

永久不銹鋼陰極法是用不銹鋼板制成永久性陰極來取代傳統(tǒng)的始極片，從而省去生產(chǎn)始極片的種板電解系統(tǒng)及陰極制作工序，簡化了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率。目前永久陰極電解技術(shù)有ISA法、KIDD法、OT法、EPCM法四種，它們主要在包邊形式、導(dǎo)電棒結(jié)構(gòu)、底部結(jié)構(gòu)、陰極表面粗糙度上有所不同。

1. 四種方法簡介

ISA法（艾薩電解法）1978年澳大利亞湯斯維爾M ount ISA精煉公司的湯斯維爾冶煉廠(CRL)開發(fā)成功并投入生產(chǎn)，并從1979年開始把艾薩技術(shù)賣到國際上。目前全世界已有60多家銅電解工廠采用ISA法，共計產(chǎn)能500萬噸以上，占世界銅產(chǎn)量的35%以上。國內(nèi)江西貴溪冶煉廠三期20萬噸采用此工藝，2003年投產(chǎn)。云銅三期在2006年也采用ISA法，年產(chǎn)10萬噸。使用ISA法最大的工廠是德國的北德精煉廠年產(chǎn)37萬噸。

KIDD法是加拿大鷹橋公司的奇得克思冶煉廠在1986年開發(fā)成功的另一種不銹鋼陰極生產(chǎn)工藝。1992年該技術(shù)實現(xiàn)商業(yè)化，目前應(yīng)用KIDD工藝的電解工廠有10家，年生產(chǎn)能力約280萬噸，其中最大的工廠是智利楚其卡馬塔冶煉廠，年產(chǎn)能約90萬噸。國內(nèi)銅陵金隆公司二期20萬噸電解采用此工藝，2005年投產(chǎn)。

超達集團（XSTRA）在2002年兼并M ount ISA公司，2006年兼并加拿大鷹橋公司。所以，目前ISA法和KIDD法同屬于超達集團，重點發(fā)展ISA法銅電解工藝。

OT法是芬蘭奧托昆普公司在2001年利用其先進的不銹鋼生產(chǎn)與制造技術(shù)，以及在陰陽極機組、行車等方面的良好業(yè)績開發(fā)的不銹鋼陰極法。國內(nèi)山東祥光銅業(yè)公司一期20萬噸電解采用，2007年投產(chǎn)。

EPCM公司成立于1970年，總部在加拿大。1980年與鷹橋公司合作推廣KIDD技術(shù)，2006年分開，同時鷹橋公司被超達公司收購。在電解設(shè)備上，EPCM公司主要優(yōu)勢是制造陰極剝片機組和不銹鋼陰極板。其制造的機器人剝片機組是在原鷹橋公司生產(chǎn)的陰極剝片機組的基礎(chǔ)上自主研發(fā)改進的設(shè)備，2008年第一套機器人剝片機組制造完成，比利時的Metallo Chinique公司首家使用并與2009年完成安裝，國內(nèi)祥光銅業(yè)二期購入二套，2011年投入使用。EPCM公司在1998年成立的智利CORRA公司是世界上較大的不銹鋼陰極板生產(chǎn)制造廠，每年生產(chǎn)10萬塊不銹鋼陰極板（也稱SP陰極板），該工藝稱為EPCM法。

2. 四種方法的異同對比表

3. 永久不銹鋼陰極板技術(shù)的優(yōu)勢

（1） 永久不銹鋼陰極可以重復(fù)使用，壽命長。維護保養(yǎng)好壽命可達20年以上，從而省去生產(chǎn)始極片工序和陰極制作工序，工藝流程變得簡單。

（2） 不銹鋼陰極強度高，平直度好。與經(jīng)過平整的陽極板一起發(fā)生短路機會少，可以提高電流密度生產(chǎn)，傳統(tǒng)法電流密度250A/m2左右，永久陰極法可提高到280-340A/m2生產(chǎn)，極大的提高了生產(chǎn)效率。

（3） 產(chǎn)品質(zhì)量好。表面更加平整，且一面無粒子，傳統(tǒng)電解法生產(chǎn)的電解銅板面有時會有彎曲和兩面長粒子的現(xiàn)象；只有一面接觸含酸洗水，產(chǎn)品含硫也比傳統(tǒng)法低一倍；產(chǎn)品無耳部夾帶硫酸現(xiàn)象，傳統(tǒng)法電解很難從根本上解決此事。

（4）流動資金占用少。 由于永久陰極法電流密度高，可縮短陰極與陽極的生產(chǎn)周期，電解槽數(shù)量少，又不需要始極片，電解過程中銅積壓量相對少，周轉(zhuǎn)快，在維持連續(xù)生產(chǎn)所需的流動資金占用量相對減少，約是傳統(tǒng)法的85%，加快資金周轉(zhuǎn)。

（5）生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)法低。由于永久陰極法自動化、機械化程度高，同樣規(guī)模電解廠使用的人力比傳統(tǒng)法可減少1/2以上，規(guī)模效益突出，生產(chǎn)率高。

自1978年永久陰極電解技術(shù)面世以來，呈現(xiàn)了強大生命力，越來越廣泛的得到使用。目前世界上約70%的電解銅產(chǎn)量是由永久陰極法生產(chǎn)，隨著電解廠的規(guī)?；?000年后新建15萬噸以上規(guī)模的電解廠基本都采用永久陰極法。

四、銅電解主要裝備

經(jīng)濟不斷全球化，人力成本不斷提高，行業(yè)競爭日趨激烈的現(xiàn)實情況下，各電解銅廠想方設(shè)法的提高自身生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)加工成本，促使電解生產(chǎn)使用的裝備不斷得到改進和發(fā)展，朝著機械化、自動化、精巧化方向前進。

1. 主要生產(chǎn)機組

采用永久不銹鋼陰極法電解廠一般配備陰極剝片機組、陽極加工機組、殘極機組、自動或半自動行車，高效率的電解液過濾設(shè)備、DCS控制系統(tǒng)等。稍有規(guī)模的大極板長周期傳統(tǒng)法電解也基本實現(xiàn)陰陽極加工、出裝槽、洗滌、打包的機械化。

（1）陰極剝片機組

完成陰極板受理、清洗、剝離、取樣、壓紋、堆落、稱重、貼標簽、自動打包、重新排距等工作，進口機組設(shè)計能力達到500片/小時。

（2）陽極加工機組

將陽極板壓耳、稱重（超重或超輕挑出）、壓平（保證板面平直度）、測厚（太厚或太薄挑出）、銑耳（保證導(dǎo)電良好），按極距排板，加工成達到電解使用要求后裝槽。設(shè)計加工能力達到450片/小時，進口機組運行穩(wěn)定，國產(chǎn)機組液壓系統(tǒng)待持續(xù)改進。

（3）殘極機組

將電解出槽殘極進行沖洗、堆摞、打包等，清洗水自動過濾循環(huán)使用。設(shè)計能力一般450-500片/小時，國產(chǎn)機組已成熟。

（4）自動或半自動行車

采用無線編碼或激光定位，定位精準，按生產(chǎn)計劃自動或半自動地進行日常陰陽極的出裝槽作業(yè)，節(jié)約出槽時間，生產(chǎn)效率高。同時可配備紅外線短路檢測功能。該設(shè)備一般進口，主要有奧圖泰行車、昆茲行車、住友行車。

（5）DCS控制系統(tǒng)

上述四套自動化機組都有各自的PLC進行單獨控制，將機組控制信號與生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)溫度、壓力等其他控制點信號進行收集、分類，統(tǒng)一到主控制器形成電解廠整體DCS系統(tǒng)，進行日常生產(chǎn)安排、監(jiān)控、統(tǒng)計、分析管理等控制。達到集中控制，分散管理的要求。

2. 銅電解整體電解槽

電解槽是電解精煉的重要設(shè)備，制造周期長，其維修費用和壽命直接影響電解生產(chǎn)及成本。主要分為兩類：一是傳統(tǒng)混凝土玻璃鋼槽；二是乙烯基酯樹脂整體電解槽。

傳統(tǒng)混凝土玻璃鋼槽制作工藝比較成熟，一次性投資比較少，國內(nèi)銅電解基本使用該型槽。但該型槽的制作較復(fù)雜，工期長，對玻璃鋼防腐制作人員要求高，防腐層壽命較短（一般

6年需要更換），日常小中修費用較高，且維修時間長影響生產(chǎn)效率。生產(chǎn)中需重點防護，易出現(xiàn)跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象，對電解出裝槽等生產(chǎn)操作要嚴格管理。

乙烯基酯樹脂整體電解槽由1984年成立的CTI公司進行工業(yè)化生產(chǎn)，并實現(xiàn)商業(yè)化。該型槽有出色的防腐性能，抗沖擊碰撞能力強，使用壽命長（一般20年以上），電解槽及相關(guān)管道施工安裝便捷，槽絕緣性能較好，目前工藝成熟穩(wěn)定，國外廣泛使用。由于價格較高，一次性投資較大，國內(nèi)處于試用階段，目前尚無整個銅電解廠大規(guī)模使用先例。

以前整體電解槽的價格要比傳統(tǒng)混凝土玻璃鋼槽高出的2-3倍，國內(nèi)電解槽廠難于接受。目前國內(nèi)已有三家實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，整體電解槽性能質(zhì)量也不錯，價格得到大幅度下降，約是傳統(tǒng)玻璃鋼槽的1.3倍。由于整體電解槽壁厚70mm,槽間距20mm,相鄰兩槽壁160mm。傳統(tǒng)玻璃鋼槽厚115mm, 槽間距30mm,相鄰兩槽壁260mm，相比整體電解槽尺寸減小1/3以上。建設(shè)以年產(chǎn)20萬噸電解銅電解廠測算，采用整體電解槽可節(jié)省4跨24米廠房，同時槽間導(dǎo)電母排、導(dǎo)電棒、槽間墊板、循環(huán)管道、電解槽安裝成本都得到降低，加上整體電解槽年維修費用低、壽命長、槽利用率高，所以從整體投資效益測算，目前建設(shè)15萬噸以上電解銅廠采用整體電解槽已比較適宜，也是發(fā)展趨勢。

五、結(jié)語

國外發(fā)達國家的銅精煉企業(yè)在上世紀80年代中后期就基本實現(xiàn)采用先進的工藝生產(chǎn)。國內(nèi)在80年代建成的江銅貴溪冶煉廠的銅冶煉及銅電解已經(jīng)達到了國際水平，之后，銅陵有色公司、云南銅業(yè)等銅冶煉企業(yè)也都逐步完成先進工藝技術(shù)改造任務(wù)，極大提高了生產(chǎn)效率，目前這三家企業(yè)的電解銅產(chǎn)能分別達到了100萬噸、70萬噸和40萬噸。目前國內(nèi)新建或擴建的電解銅廠也紛紛引進先進的技術(shù)與先進裝備。近年來國內(nèi)的設(shè)備制造商在電解裝備的研發(fā)、生產(chǎn)上取得長足進步，縮短了中國銅工業(yè)與世界先進水平的距離，我國正逐步由銅的生產(chǎn)大國向銅的生產(chǎn)強國邁進。