劉宇鋒， 董 博， 柯新安， 劉建新

(大冶有色金屬集團(tuán)有限公司， 湖北 黃石 435005)

降低銅電解電耗的生產(chǎn)實(shí)踐

劉宇鋒， 董 博， 柯新安， 劉建新

(大冶有色金屬集團(tuán)有限公司， 湖北 黃石 435005)

分析了影響銅電解電能消耗的因素，介紹了降低電單耗采取的措施以及取得的效果。

銅； 電解精煉； 電單耗； 槽電壓； 電流效率

大冶有色電解一車(chē)間投產(chǎn)至今一直采用傳統(tǒng)電解法，近年來(lái)，通過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高操作管理水平等，噸銅直流電耗由過(guò)去330kWh降低至280kWh，取得了非?？捎^的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 影響銅電解直流電耗的因素及采取的措施

電能是保證銅電解精煉進(jìn)行的必要條件，電耗是綜合反映電解生產(chǎn)水平和經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)重要指標(biāo)。在銅電解精煉過(guò)程中，電耗是指每生產(chǎn)1 t陰極銅所消耗的電能。每析出1t電銅所需電能由下式計(jì)算[1]：

(1)

式中：W——直流電單耗，kWh/tCu；

E——電解槽的槽電壓，V ；

η——電流效率，%；

q——銅的電化當(dāng)量，1.185 2 g/(A·h)。

從公式(1)可以看出，銅電解精煉的直流電耗與槽電壓成正比，與電流效率成反比。因此，提高電流效率和降低槽電壓是降低直流電單耗的有效途徑。大冶有色電解一車(chē)間有著十幾年的陰極銅生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，電流效率近年來(lái)一直保持在96%以上，波動(dòng)范圍不大，而槽電壓則由于受電流密度、電解液成分及溫度、陽(yáng)極板質(zhì)量接觸點(diǎn)電阻等因素的影響，波動(dòng)很大，因而槽電壓對(duì)陰極銅電能單耗的影響比電流效率更大。

1.1 槽電壓因素

槽電壓是影響電解銅電能消耗的重要因素，每個(gè)電解槽的槽電壓包括陽(yáng)極電位、陰極電位、電解液電阻引起的電壓降、導(dǎo)體上的電壓降以及槽內(nèi)各接觸點(diǎn)的電壓降[2]。在降低槽電壓方面，主要采取了以下措施：

1.1.1 合理控制電解液成分

電解液的主要成分是銅、酸、鎳，電解液中金屬陽(yáng)離子濃度升高，則溶液比電阻增大，槽電壓升高，電能消耗增大；而氫離子濃度升高則會(huì)提高溶液導(dǎo)電性，降低電耗。電解液的成分應(yīng)合理，含銅高，電解液比重大，電解過(guò)程中槽電壓高，而含銅低容易導(dǎo)致貧化；電解液中的硫酸含量不能無(wú)限提高，硫酸濃度增大，導(dǎo)致電解液比重增大，影響陰極銅質(zhì)量。在保證陰極銅質(zhì)量穩(wěn)定的情況下，生產(chǎn)中控制電解液成分Cu2+43～46 g/L、H2SO4165～175 g/L、Ni2+≤12 g/L、比重不大于1.23時(shí)，各項(xiàng)綜合指標(biāo)較好，見(jiàn)表1。另外，為了提高電解液潔凈度，降低陽(yáng)極泥引起的電壓降，改變陽(yáng)極泥過(guò)濾方式，采取“三段”過(guò)濾模式，提高電解液過(guò)濾質(zhì)量，最大限度減少溶液中陽(yáng)極泥含量，為電解生產(chǎn)及降低直流電耗創(chuàng)造良好的技術(shù)條件。

表1 銅電解液成分及槽電壓

1.1.2 提高電解液溫度

電解液溫度是電解生產(chǎn)過(guò)程中最關(guān)鍵的工藝條件之一，不僅關(guān)系著陰極銅的質(zhì)量，而且直接影響直流電單耗。理論和實(shí)踐證明，適當(dāng)提高電解液溫度，有利于降低電解液粘度，漂浮的陽(yáng)極泥易沉降，離子擴(kuò)散速度加快，電解液電阻減小，從而可提高電解液的導(dǎo)電率，降低槽電壓，減少直流電耗。試驗(yàn)測(cè)定，電解液在55 ℃時(shí)的導(dǎo)電率約為25 ℃的2.5倍；在50～60 ℃時(shí)，溫度每升高1 ℃，電解液的電阻約減小0.7%。本廠電解液的溫度控制范圍為63～65 ℃。

1.1.3 調(diào)整添加劑的加入方式和配比

調(diào)整添加劑的加入方式，添加劑由原來(lái)的低位槽加入改為高位槽加入，每天7：00和19：00準(zhǔn)時(shí)加入添加劑，并且不論添加劑多少都要稀釋到相同體積，調(diào)整加膠泵的功率，保證加膠時(shí)上一次膠量正好加完，以使添加劑連續(xù)穩(wěn)定加入系統(tǒng)。

在相同電解條件下，隨著添加劑總量的增加，槽電壓和直流電耗也隨之增加，在保證質(zhì)量的前提下應(yīng)盡量少加添加劑。明膠的使用量逐步降低，從原來(lái)的183 g/tCu降低至103 g/tCu左右。

1.1.4 優(yōu)化生產(chǎn)控制

1.1.4.1 合理控制電流密度

電流密度是銅電解精煉過(guò)程中最主要的技術(shù)條件之一，提高電流密度可以相應(yīng)提高產(chǎn)量，但隨著電流密度的提高，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)體上的電壓損失增大，從而增大了槽電壓和電解直流電耗。因此應(yīng)根據(jù)陽(yáng)極板成分、產(chǎn)量、電解技術(shù)條件選擇最經(jīng)濟(jì)合理的電流密度。生產(chǎn)實(shí)踐中，電流密度控制在250～255 A/m2時(shí)，既降低了電能消耗，又能保證了陰極銅質(zhì)量穩(wěn)定。

1.1.4.2 保持合理的殘極率

銅電解過(guò)程中，為提高直收率將殘極率控制較低，而過(guò)低殘極率導(dǎo)致電解后期垮槽，大量出現(xiàn)穿孔陽(yáng)極，造成槽電壓上升較高，電單耗顯著增加。因此合理控制殘極率，將殘極率由原來(lái)的14%提高到15%～16%，在保證直收率不受太大影響的前提下，杜絕了大面積殘極垮槽，降低了槽電壓和電單耗，見(jiàn)表2。

表2 殘極率與槽電壓的關(guān)系

1.1.5 降低陰陽(yáng)極接觸點(diǎn)壓降

在電解生產(chǎn)中，銅導(dǎo)電棒、導(dǎo)電排與酸霧及電解液長(zhǎng)期接觸，其表面會(huì)有結(jié)晶等污物，反復(fù)使用增加接觸電阻，接觸點(diǎn)壓降也比較大。保持銅導(dǎo)電棒的潔凈及良好的導(dǎo)電性，可以降低導(dǎo)電棒接觸電阻。對(duì)陽(yáng)極機(jī)組進(jìn)行了改造，每天觀察銑耳質(zhì)量，及時(shí)調(diào)整或更換銑刀，確保陽(yáng)極耳部平整符合要求；灑水頻次由1次/班提高到2次/班，加大接觸點(diǎn)沖洗力度，并在槽面換裝作業(yè)時(shí)采用15%～20%的稀硫酸刷洗接觸點(diǎn)，這樣既可洗去存于陰極導(dǎo)電棒、槽間導(dǎo)電板及各接觸點(diǎn)表面的硫酸銅結(jié)晶，又能降低導(dǎo)電棒和各接觸點(diǎn)的溫度，使導(dǎo)電棒和接觸點(diǎn)的接觸電阻降低；對(duì)陽(yáng)極耳部、導(dǎo)電排、接觸點(diǎn)的刷洗進(jìn)行管控，確保陰、陽(yáng)極接觸點(diǎn)壓降≤0.02 V。

1.2 電流效率因素

銅電解精煉的電流效率通常是指陰極電流效率，為電解銅的實(shí)際產(chǎn)量與按照法拉第定律計(jì)算的理論產(chǎn)量之比。直流電單耗與電流效率成反比，提高電流效率是降低銅電解直流電單耗的另一個(gè)重要途徑。對(duì)此采取的主要措施有：

1.2.1 提高陰陽(yáng)極裝槽質(zhì)量

陰極銅生產(chǎn)以裝槽為起點(diǎn)，陰極板入車(chē)間后，由專(zhuān)人檢查每塊板的質(zhì)量，不合格堅(jiān)決不用。陽(yáng)極板裝入槽后， 由專(zhuān)人檢查裝槽質(zhì)量。設(shè)立始極片分揀挑選班，不合格的始極片杜絕上槽。保證槽面陰陽(yáng)極裝槽質(zhì)量，減少陰、陽(yáng)極短路的可能，從而提高了電流效率，降低了電耗。

1.2.2 加強(qiáng)槽面管理

在電解過(guò)程中，陰、陽(yáng)極極距不均勻，陰、陽(yáng)極彎曲或有飛邊毛刺，陰極長(zhǎng)粒子等都可造成陰、陽(yáng)極直接接觸，形成短路。因此制定了上、下工序驗(yàn)收把關(guān)制度，嚴(yán)格崗位動(dòng)作標(biāo)準(zhǔn)，建立短路交接班制度，加強(qiáng)出裝槽作業(yè)質(zhì)量，確保陰陽(yáng)極板懸垂精度，減少短路現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2.3 減少漏電損失

設(shè)備漏電主要是指電解槽和循環(huán)系統(tǒng)的漏電。由于設(shè)備老化、漏液、跑液以及槽底硫酸銅結(jié)晶的粘附，導(dǎo)致小部分電流經(jīng)設(shè)備流向地面而損失。所以每年定期對(duì)電解液，循環(huán)管道結(jié)垢進(jìn)行沖洗清理，對(duì)管道支撐統(tǒng)一檢查安裝耐酸黑皮子，每天對(duì)槽下管道、電解槽進(jìn)行檢查，有破損立即處理，杜絕“跑冒滴漏”等現(xiàn)象造成系統(tǒng)漏電。

2 改進(jìn)實(shí)踐

表3是2014年、2015年槽電壓月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從中可以看出，通過(guò)優(yōu)化生產(chǎn)控制、合理控制電解液成分、調(diào)整添加劑配比等措施，2015年平均槽壓0.33 V，較2014年的0.36 V有明顯下降，從2015年6月份開(kāi)始槽壓下降較快，最后保持在0.30～0.31 V。

表4是2014年、2015年電流效率月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從中可以看出，通過(guò)提高裝槽質(zhì)量、加強(qiáng)槽面管理、減少設(shè)備漏電等，2015年平均電流效率97.05%，較2014年的94.15%有明顯提升，從2015年5月份開(kāi)始電流效率提高較快，最后保持在97%～97.5%。

表5是2014年、2015年電單耗月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從中可以看出，通過(guò)降低槽電壓、提高電流效率，2015年平均電單耗309.1 kWh/tCu，較2014年的336.6 kWh/tCu有明顯下降，從2015年6月份開(kāi)始電單耗下降較快，最后保持在300 kWh/tCu左右。

表3 2014年、2015年槽電壓月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) V

表4 2014年、2015年電流效率月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) %

表5 2014年、2015年電單耗月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù) kWh/tCu

3 結(jié)語(yǔ)

(1)降低電單耗的關(guān)鍵措施是在保證陰極銅質(zhì)量穩(wěn)定的情況下，降低槽壓、提高電流效率。

(2)按照技術(shù)可行，陽(yáng)極板量和經(jīng)濟(jì)上有利的原則，正確選擇電流密度。

(3)采用與電流密度和陽(yáng)極板成分相適應(yīng)的電解液成分、添加劑、電解條件，完善設(shè)備和規(guī)范操作，有利于降低槽電壓和提高電流效率。

(4)合理控制殘極率、加強(qiáng)槽面管理、優(yōu)化工藝條件等可降低溶液電阻電壓降、接觸點(diǎn)電壓降，消除陰陽(yáng)極極化。

(5)提高電流效率的關(guān)鍵在于提高陰極沉積物質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)消除短路，減少漏電。

近年來(lái)，大冶有色冶煉廠對(duì)銅電解生產(chǎn)的理論認(rèn)識(shí)水平和生產(chǎn)實(shí)踐控制能力有了很大的提高，在電解槽工藝參數(shù)均一化控制以及電解液凈化方法等方面進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，為高純陰極銅質(zhì)量的提升，生產(chǎn)成本的降低打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 歐陽(yáng)準(zhǔn).淺談銅電解的電能消耗[J].有色冶金節(jié)能，2004，(2)：25-27.

[2] 傅崇說(shuō).有色冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2007：287-289.

Production practice of power consumption reduction in copper electrolysis

LIU Yu-feng, DONG Bo, KE Xin-an, LIU Jian-xin

This paper analyzes and discusses the factors affecting the electric energy consumption in copper electrolysis, and measures taken to reduce unit power consumption and the achieved results.

copper; electrolytic refining; unit power consumption; cell voltage; current efficiency

劉宇鋒(1988—)，男，湖北黃岡人，冶金工程師，從事冶金生產(chǎn)技術(shù)工作。

2016-- 02-- 24

TF811

B

1672-- 6103(2017)02-- 0023-- 03