賈春江（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

?

貴冶電解二系統(tǒng)降低直流電單耗生產(chǎn)實(shí)踐

賈春江
（江西銅業(yè)集團(tuán)公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

摘 要：銅電解直流電單耗，是噸銅所消耗的直流電量，能綜合反映電解的生產(chǎn)技術(shù)水平。貴溪冶煉廠電解車(chē)間二系統(tǒng)，采用ISA法電解工藝，在高電流密度下生產(chǎn)，相比傳統(tǒng)法電單耗更高。為降低直流電單耗，從降低短路率、提高電流效率、降低槽電壓等方面著手采取的一系列具體措施。

關(guān)鍵詞：銅電解；高電流密度；槽電壓；電單耗；生產(chǎn)實(shí)踐

1 引言

貴溪冶煉廠電解車(chē)間二系統(tǒng)，2007年建成投產(chǎn)，采用ISA法電解工藝，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為年產(chǎn)陰極銅30萬(wàn)t。近年來(lái)通過(guò)提高電流密度、延長(zhǎng)陰極生產(chǎn)周期等措施，有效產(chǎn)能提高到了38萬(wàn)t/年，但是在提高產(chǎn)能的同時(shí)，噸銅直流電單耗出現(xiàn)了大幅上升。這是因?yàn)樘岣唠娏髅芏葧?huì)使陰陽(yáng)極電位差加大，同時(shí)電解液的電壓降、接觸點(diǎn)和導(dǎo)體上的電壓損失增加，從而增加了直流電單耗［1］。

電費(fèi)是電解車(chē)間的生產(chǎn)成本的主要構(gòu)成部分，降低直流電單耗（下簡(jiǎn)稱電單耗），是降低生產(chǎn)成本最直接有效的方法。電解的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)相互影響，在降低電單耗的同時(shí)，也可以優(yōu)化其它的技經(jīng)指標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)控制也有重要的意義。根據(jù)工藝條件的設(shè)定，本系統(tǒng)的陽(yáng)極電解通電周期為18天，本文電單耗是由18天的直流電度數(shù)之和除以18天的陰極銅產(chǎn)量所得，即周期平均電單耗，以消除因作業(yè)計(jì)劃不均衡導(dǎo)致的數(shù)據(jù)誤差。

2 影響電單耗的因素分析

直流電單耗包括生產(chǎn)電解槽、線路損失等全部直流電能消耗量，可用下式來(lái)計(jì)算直流電單耗［2］

式中W為直流電單耗kW·h/(t.Cu)，E為電解槽的槽電壓V，η為電流效率%，q為銅的電化當(dāng)量。

從上式可以看出，電單耗的高低取決于銅電解過(guò)程中的槽電壓和電流效率，通過(guò)降低槽電壓或者提高電流效率，可以降低電單耗。

2.1槽電壓的影響因素

對(duì)于一個(gè)電解槽來(lái)說(shuō)，為使電解反應(yīng)正常進(jìn)行，所必須外加的總電壓稱之為槽電壓。每個(gè)電解槽的槽電壓包括：陽(yáng)極電位、陰極電位、電解液電位引起的電壓降、導(dǎo)體上的電壓降以及槽內(nèi)各接觸點(diǎn)的電壓降［3］。

式中：E為槽電壓，ξ+為陽(yáng)極電位，ξ-為陰極電位，EL為電解液電壓降，Ecom為導(dǎo)體上的電壓降，Ep為槽內(nèi)各接觸點(diǎn)電壓降。

因此要想降低槽電壓，可以通過(guò)降低陽(yáng)極電位，或者提高電解槽導(dǎo)體的導(dǎo)電性，減少導(dǎo)體和電解液的電壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2電流效率的影響因素

式中：:η為電流效率，Q為實(shí)際銅產(chǎn)量，q為銅的電化當(dāng)量，I為理論電流，n為電解槽數(shù)，t為通電時(shí)間。

影響電流效率的因素很多。在實(shí)際的生產(chǎn)中，表現(xiàn)為電解液成分、添加劑加入量和各項(xiàng)工藝參數(shù)的穩(wěn)定控制，其中影響電流效率的最主要因素是短路和設(shè)備的漏電現(xiàn)象。這是因?yàn)樵O(shè)備漏電和極間短路造成了部分電流沒(méi)有參與電解反應(yīng)，白白流失，導(dǎo)致陰極銅產(chǎn)量下降，電流效率降低。

3 對(duì)策方案

在實(shí)際生產(chǎn)中，我們根據(jù)陽(yáng)極的取樣分析結(jié)果來(lái)制定合理的陽(yáng)極裝槽計(jì)劃，避免雜質(zhì)元素在系統(tǒng)內(nèi)過(guò)度積累給電解過(guò)程帶來(lái)不利影響，穩(wěn)定工藝條件，降低槽電壓。通過(guò)及時(shí)修復(fù)不銹鋼陰極板，保證裝槽質(zhì)量；強(qiáng)化短路處理，降低短路率；加強(qiáng)設(shè)備設(shè)施檢修維護(hù)，減少循環(huán)系統(tǒng)泄漏和設(shè)備漏電造成的電能損失等措施，提高電流效率。

3.1合理安排高雜質(zhì)陽(yáng)極裝槽

陽(yáng)極電位與陽(yáng)極銅的成份關(guān)系密切，陽(yáng)極銅雜質(zhì)含量高會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極電位高。從近年來(lái)貴冶電解車(chē)間的陽(yáng)極銅使用情況來(lái)看，在雜質(zhì)含量超標(biāo)的陽(yáng)極銅中，主要超標(biāo)雜質(zhì)元素有鎳、砷、銻、鉍等，其中對(duì)槽電壓和電單耗影響最大。表1所示是某段時(shí)間內(nèi)裝槽陽(yáng)極鎳含量與電度的對(duì)應(yīng)關(guān)系（陽(yáng)極中其它元素含量穩(wěn)定）。高鎳陽(yáng)極電解時(shí)，不僅使陽(yáng)極的電位升高，而且鎳也會(huì)在電解液中快速積累，導(dǎo)致電解液電壓降快速上升，表現(xiàn)為槽電壓顯著升高。對(duì)于類似雜質(zhì)含量超標(biāo)的陽(yáng)極，先進(jìn)行小批量試用，摸清其表現(xiàn)和影響程度，再制定相應(yīng)的裝槽計(jì)劃和應(yīng)對(duì)措施。

貴冶電解二系統(tǒng)有兩個(gè)獨(dú)立的循環(huán)系統(tǒng)，每作業(yè)批次的陽(yáng)極裝槽量為64槽，每槽54塊。當(dāng)有高鎳陽(yáng)極銅裝槽時(shí)，首先控制高鎳陽(yáng)極的單次裝入量，按計(jì)劃小批量分批次消化，其次合理布局，按比例分裝在兩個(gè)系統(tǒng)，避免電解液成份產(chǎn)生較大波動(dòng)，化整為零、各個(gè)擊破，將高鎳陽(yáng)極帶來(lái)的影響降到最低。

表1　陽(yáng)極含鎳與電單耗對(duì)應(yīng)表

3.2提高不銹鋼陰極板導(dǎo)電性

高電流密度生產(chǎn)出現(xiàn)陰陽(yáng)極短路時(shí)，極板短時(shí)間發(fā)熱嚴(yán)重，陰極板高溫會(huì)發(fā)生變形、絕緣板燒壞［4］。電解二系統(tǒng)使用的不銹鋼陰極板有兩種類型。其中一類不銹鋼板的導(dǎo)電棒為“鋼包銅”，即導(dǎo)電棒內(nèi)部為銅外部為不銹鋼，在導(dǎo)電棒的搭包處才裸露出銅層。隨著生產(chǎn)過(guò)程中銅層的磨損，導(dǎo)電棒的鋼層開(kāi)始突出與導(dǎo)電包接觸，使銅層與導(dǎo)電包虛接，且由于鋼的導(dǎo)電性比銅差，導(dǎo)致接觸部位觸點(diǎn)電壓降Ep上升。

使用高斯計(jì)檢測(cè)通電槽不銹鋼陰極，可判斷其通過(guò)的電流大小，從而將導(dǎo)電性差的不銹鋼陰極板挑出，將導(dǎo)電棒包鋼的突出部分打磨或切除掉，使導(dǎo)電棒銅層能夠與導(dǎo)電包緊密接觸，提高導(dǎo)電性，降低觸點(diǎn)壓降。

圖1　處理前導(dǎo)電棒

圖2　處理后導(dǎo)電棒

3.3降低短路率

短路是指陰陽(yáng)極間出現(xiàn)的短接現(xiàn)象，發(fā)生短路的陰陽(yáng)極成為了電流的傳輸導(dǎo)體，而在陰極和陽(yáng)極上沒(méi)有發(fā)生電解反應(yīng)。短路率是系統(tǒng)內(nèi)短路極板數(shù)與裝槽極板總數(shù)之比，是反映電流利用情況的重要參數(shù)。短路率越低則電流效率越高。

在實(shí)際生產(chǎn)中，除強(qiáng)化裝槽整缸操作外，還嚴(yán)格控制電解液的循環(huán)量（28～32L/min）和溫度（61.5～64℃）。因?yàn)檫m當(dāng)?shù)碾娊庖貉h(huán)量和溫度，有利于消除陰極附近銅離子貧化現(xiàn)象，增加粒子擴(kuò)散速度，降低濃差極化作用，使系統(tǒng)的短路率降低［5］。此外，陽(yáng)極板澆鑄過(guò)程中，產(chǎn)生的毛刺、板筋等導(dǎo)致陽(yáng)極板板面不平整，引起極板間短路［6］，其中陽(yáng)極底部飛邊毛刺導(dǎo)致的初始短路最多。針對(duì)底部飛邊，通過(guò)陽(yáng)極機(jī)組優(yōu)化改進(jìn)，抬高陽(yáng)極板在壓力機(jī)內(nèi)位置，使壓力機(jī)可以壓平底部飛邊毛刺，有效減少了初始短路。強(qiáng)化短路處理，減少短路時(shí)間和重復(fù)短路。通過(guò)上述措施，如圖3所示，短路率由0.25%逐步下降為0.10%左右。

圖3　短路率變化趨勢(shì)

3.4更換絕緣皮和漏電管道

經(jīng)過(guò)7年的連續(xù)生產(chǎn)，電解槽導(dǎo)電銅排下的絕緣皮嚴(yán)重老化，表面及內(nèi)部滲透形成大量硫酸銅結(jié)晶，再加上電解槽玻璃鋼防腐層老化，導(dǎo)致對(duì)地絕緣下降，產(chǎn)生漏電現(xiàn)象。陰陽(yáng)極與導(dǎo)電銅排之間存在氧化層或硫酸銅結(jié)晶時(shí)，接觸點(diǎn)電阻增大，槽電壓升高［7］。循環(huán)系統(tǒng)FRP上酸和回液主管老化嚴(yán)重，管道內(nèi)電解液滲漏，同樣造成漏電。因此對(duì)電解槽絕緣皮進(jìn)行了批量更換，并徹底清理導(dǎo)電銅排，將老化的上酸、回液主管改為絕緣性更好、抗老化能力更強(qiáng)的增強(qiáng)聚丙烯和復(fù)合PE管道。

3.5調(diào)整電流，保持合理殘極率

電解槽內(nèi)的電解液電壓降關(guān)系式如下［8］：

I為通入電解槽的電流強(qiáng)度，n為電解槽內(nèi)的極間數(shù)目，ρ為電解液的比電阻，l為極距，A為起反應(yīng)的電極表面積。

隨著電解過(guò)程的進(jìn)行，陽(yáng)極銅逐漸溶解，極距I增加，陽(yáng)極表面積A變小，電解液電壓降EL上升，因此殘極率并非越低越好，重要的是保證殘極率的穩(wěn)定性，保證陽(yáng)極溶解的均勻性，一方面單塊陽(yáng)極板面各區(qū)域要均勻溶解，另一方面同槽內(nèi)各塊陽(yáng)極在相同時(shí)間內(nèi)要基本等量的溶解［9］。通過(guò)一些措施的實(shí)施，短路率下降，電流效率提高，殘極率也明顯降低，但殘極率持續(xù)降低也帶來(lái)能耗的反彈。在這種情況下，我們將整流器輸出電流由37400A降低到37100A，使殘極率穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)合理的范圍，以保持更好的能耗指標(biāo)。如圖4所示，目前系統(tǒng)殘極率控制在13.4%左右。電流I降低后，電解槽導(dǎo)體R基本恒定，Ecom=I2/R，導(dǎo)體電壓降同時(shí)下降。

圖4　殘極率變化趨勢(shì)

4 實(shí)施效果

采取以上措施后電單耗有明顯下降，見(jiàn)圖5。

圖5　陰極銅噸銅直流電單耗對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

電解車(chē)間二系統(tǒng)實(shí)際陰極銅產(chǎn)量達(dá)38萬(wàn)t/年，因此降低電單耗對(duì)降低電解成本有重要意義。電單耗作為反映電解技術(shù)和管理水平的綜合性指標(biāo)，是各種因素共同作用的結(jié)果，在實(shí)際調(diào)控過(guò)程中，任何一項(xiàng)指標(biāo)的改變都可能會(huì)引起其它指標(biāo)的變化，需綜合考量。

參考文獻(xiàn)：

［1］別良偉, 任智順. 銅電解車(chē)間提高電流密度下的生產(chǎn)與實(shí)踐[J]. 銅業(yè)工程, 2013(1):22-24.

［2］彭容秋. 銅冶金[M]. 長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社, 2004:242.

［3］朱祖澤, 賀家齊. 現(xiàn)代銅冶金學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2004:543.

［4］周松林. 高強(qiáng)化銅電解精煉新工藝與生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 有色金屬(冶煉部分）, 2013(2):1-4.

［5］林欣, 陳崇善. 提高銅電解電流效率的生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 銅業(yè)工程, 2014(2):23-25.

［6］潘泰屹. 淺談銅電解精煉的電流效率[J]. 大眾科技, 2014(9):191-192. ［7］王剛, 柳智. 降低銅電解精煉過(guò)程中的直流電耗[J]. 山西冶金, 2014(3):58-60.

［8］傅崇說(shuō). 有色冶金原理[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 1992:286.

［9］王沖, 羅勁松, 李堅(jiān). 銅電解降低殘極率的生產(chǎn)實(shí)踐及經(jīng)濟(jì)效益[J].中國(guó)有色冶金, 2014(2):30-34.

The Productive Practice of Reducing DC Unit Consumption in the 2ndElectrolysis System of Guixi Smelter

JIA Chun-jiang
（Guixi Smelter, Jiangxi Copper Corporation, Guixi 335424, Jiangxi, China）

Abstract:Theunit DC consumption in copper electrolysis is the DC electricity comsumption of tons copper, and it reflects the level of copper electrolysis technology and management.The 2ndelectrolysis system of Guixi Smelter uses the ISA technique with high current density. Compared with the traditional method，the power consumption is higher.This paper describes a series of concrete measures to reduce the DC power consumption, from cutting down the short circuit rate, improving current efficiency, reducing the cell voltage, etc.

Keywords:copper electrolysis；high current density；cellvoltage；DC unit consumption；productive practice

作者簡(jiǎn)介：賈春江(1984-)，男，河北井陘人，本科，主要從事銅電解工作。E-mail:260183097@qq.com

收稿日期：2015-12-04

中圖分類號(hào)：TF111.52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1009-3842（2016）01-0044-04