羅勁松， 王 沖， 王有維， 代開健， 曾文斌

(1.云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠， 云南 昆明 650102； 2.云南銅業(yè)(集團)有限公司， 云南 昆明 650000)

設備及自動化

種板打磨改善銅始極片質(zhì)量的生產(chǎn)實踐

羅勁松1， 王 沖2， 王有維1， 代開健1， 曾文斌1

(1.云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠， 云南 昆明 650102； 2.云南銅業(yè)(集團)有限公司， 云南 昆明 650000)

始極片是傳統(tǒng)銅電解生產(chǎn)的核心，除工藝參數(shù)控制和添加劑的種類、數(shù)量主要影響其質(zhì)量外，種板的打磨情況也是影響始極片質(zhì)量的關鍵因素。本文對電解分廠采用機組打磨種板改善始極片質(zhì)量及其實施過程的優(yōu)化措施進行了介紹，對種板打磨影響始極片質(zhì)量的機理進行了分析，并對其在生產(chǎn)實踐中的打磨質(zhì)量、效率、槽電壓和始極片質(zhì)量、成品率、經(jīng)濟效益等固化效果進行了詳細的闡述。

銅； 種板打磨； 始極片質(zhì)量； 生產(chǎn)實踐

在傳統(tǒng)電解銅生產(chǎn)中，用于生產(chǎn)始極片的陰極板稱為種板或母板，國內(nèi)外銅電解廠種板材質(zhì)經(jīng)歷了從銅種板向不銹鋼板、鈦種板發(fā)展的趨勢[1]。鈦板具有良好的耐腐蝕性能，能抵抗HCl、H2SO4、HNO3的腐蝕，電解條件下，鈦種板的腐蝕速率<0.01 mm/a，遠小于不銹鋼和銅種板。鈦板還具有如下特點：①鈦板表面光滑且容易氧化形成一層TiO2薄膜，無需涂隔離劑；②銅的導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)分別為鈦的23.4倍和2.1倍，溫度變化時兩者產(chǎn)生熱應力差，始極片易與母板完整剝離，大大降低勞動強度的同時改善了電銅質(zhì)量；③鈦的比重4.5，為銅的1/2，為不銹鋼的1/1.73，相同面積、相同厚度的鈦種板要比銅種板輕得多；④鈦種板的比電阻42 μΩcm，銅的僅1.6 μΩcm，使用鈦板雖會增加銅電解單耗，但生產(chǎn)效率及高純陰極銅的品位均有所提高，綜合效益顯著。鈦種板具有使用壽命長、重量輕、無需隔離劑、不易粘板、析銅附著力強、始極片結(jié)晶致密，光滑平整，柔韌性和延展性好等優(yōu)點，并且始極片成品率高，能有效減少種板槽個數(shù)。

始極片質(zhì)量的優(yōu)劣，不僅影響下道工序的加工質(zhì)量，而且對于降低生產(chǎn)成本、提高陰極銅質(zhì)量和物理規(guī)格的合格率都至關重要。在生產(chǎn)實踐中影響始極片的因素有內(nèi)部因素(電流密度、電解液成分及含量、溫度、流量、電阻率、添加劑數(shù)量、陰極極化值等)和外部因素(陽極板外形、極距、鈦板垂直度等)外，鈦板打磨質(zhì)量也是影響始極片質(zhì)量的重要因素之一，因為隨著鈦母板使用，使表面TiO2膜變厚或參差不齊，都會降低始極片的結(jié)晶質(zhì)量和性能，需定期打磨使表面重獲一層均勻連續(xù)且厚度適中的TiO2膜，有利于始極片的均勻結(jié)晶和剝離，因此，如何選擇打磨方式確保鈦板打磨質(zhì)量成為關鍵。

1 種板打磨現(xiàn)狀及存在問題

1.1 鈦板打磨質(zhì)量

傳統(tǒng)生產(chǎn)種板組現(xiàn)使用鈦板近4 000塊，截止2015年4月，所有鈦板都是用角磨機進行人工打磨，而人工打磨的鈦板由于打磨不全面或力度不均勻，而使鈦板表面不光滑、有棱印。生產(chǎn)實踐表明：人工打磨的鈦板入槽使用2個月后始極片開始出現(xiàn)結(jié)晶粗糙甚至破損的現(xiàn)象，最終導致始極片質(zhì)量差、成品率低。

1.2 鈦板垂直性

“兩極”居中、等距是生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)始極片的前提，但鈦板在出裝槽時受到機械應力、種板剝離過程用力不均和長時間使用均造成鈦板不同程度的彎曲和變形，使用垂直性不好的鈦板導致極距不均勻，Cu2+到鈦板遷移析出的距離不相等，極間距小的一側(cè)由于電力線集中，電流密度相對大，析出的始極片相對厚，極間距大的一側(cè)則薄，最終導致始極片重量標準偏差大、厚薄不均勻[2]。

2 方案的制定及實施過程的優(yōu)化

2.1 方案的制定

生產(chǎn)實踐證明，采用人工打磨鈦板存在以下不足：①鈦板打磨質(zhì)量不理想，鈦板表面打磨不全面、不均勻、有條紋、有棱印；②打磨效率較低，角磨機打磨每人每天打磨量約45塊，不能保證正常陰極更換和生產(chǎn)；③操作難度大，角磨機在使用過程中抖動大，不易控制，且鋼絲飛濺會引發(fā)安全事故。在成本控制、節(jié)能減排、增產(chǎn)減員的背景下，電解分廠與昆明理工大學合作參與設計研發(fā)機組打磨鈦板，改善鈦板打磨質(zhì)量，并在2015年3月對鈦板打磨機組進行安裝和調(diào)試。人工打磨與機組打磨優(yōu)劣對比如表1。

2.2 打磨機組工作原理

圖1為打磨機組示意圖和實物照片，打磨機主要由打磨輸送單元(輸送底架，滾珠絲杠裝置、輸送小車)，打磨單元(打磨輥組件、打磨底架、防塵罩和廢料收集箱)和吸塵器組成。其工作原理為：行車將待打磨的種板放置在便于人工上料的位置，由人工將單片種板送入夾具。梯形絲杠動作，種板在輸送夾具以及滾珠絲杠的推動下，自動送入到打磨單元的打磨裝置內(nèi)。打磨裝置由兩對鋼絲輥刷組成，每個輥刷由一個電機單獨驅(qū)動(電機配有變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，以獲得符合打磨要求的種板)，隨著輸送夾具的拖動，鋼絲輥對種板板面進行打磨[3]。

表1 人工打磨與機組打磨對比

圖1 打磨機組示意圖和實物照片

2.3 實施過程優(yōu)化

4月份鈦板打磨組安裝調(diào)試后，針對打磨時間較長引起的機組過熱和粉塵量較大、容易引發(fā)安全隱患的問題，分廠對打磨機進行了幾點改進和優(yōu)化：①在打磨機組支座底部加裝水箱進行循環(huán)水冷卻；②在磨輥兩邊設計噴淋水管，不僅起冷卻的作用而且有增大摩擦的作用；③將傳統(tǒng)沿用的腳踏打磨開關改為手動打磨開關，增加了操作的靈活性；④為保證打磨機鋼絲滾軸在打磨過程中不損壞鈦板的塑料包邊，設計的打磨滾軸尺寸為800 mm，鈦板寬度為845 mm，因此鈦板邊緣存在的2公分打磨盲區(qū)和死角，采用氣動打磨機進行打磨可消除打磨盲區(qū)和死角。

3 種板槽電解技術參數(shù)

電解液溫度控制在58～68 ℃，電解液循環(huán)量控制范圍：25～35 L/min,陽極物理規(guī)格：870 mm×840 mm×(42±2) mm和840 mm×900 mm×(42±2) mm，鈦母板燙洗溫度大于75 ℃，其他工藝參數(shù)見表2。

種板槽生產(chǎn)極片對電解液化學成分控制要求見表3。

表2 種板槽電解技術參數(shù)

表3 電解液化學成分控制要求 g/L

4 生產(chǎn)實踐的效果

4.1 打磨質(zhì)量

圖2為人工和機組打磨鈦板質(zhì)量的實物對比圖。機組打磨的鈦板表面較光滑、均勻；而手持角磨機在鈦板表面來回打磨，不僅肉眼難以區(qū)分已打和未打區(qū)域，導致有少量板面未打磨到，同時磨光盤盤面與板面無法保持同一平面上，人員力度不均衡，均造成鈦板表面不光滑、有條紋、有棱印，TiO2氧化膜不均勻[4]。

采用自動打磨機，不僅可以連續(xù)打磨，還減少了工人的勞動強度[5]。與手工打磨相比，不存在未打磨區(qū)以及用力不均等情況，種板板面可獲得均勻的TiO2膜，國外報導的打磨周期為3～4個月或每使用六次拋光一次，本廠的打磨周期約3個月左右，視具體情況靈活掌握。

圖2 人工與機組打磨質(zhì)量對比

隔離膜的存在是始極片剝離的關鍵，而鈦板表面光滑則有助于隔離膜的均勻致密。若鈦種板表面的TiO2薄膜不均，在厚度大或過度光滑的地方，析出的銅量少，而在TiO2膜較薄或較粗糙的板面析出的銅量多而牢，始極片成網(wǎng)狀，產(chǎn)生 ‘花板’。采用機組打磨種板，不僅能有效控制TiO2膜層的均勻性、厚度和光滑度，有效防止光板、脫離等現(xiàn)象，而且在打磨的過程中還對鈦種板起到校直的作用，大幅降低人工勞動量、提高了鈦板的打磨質(zhì)量。

4.2 打磨效率

打磨的速度由原來的平均45 s/塊提高到10 s/塊，圖3是以月份為單位的人工與機組打磨數(shù)量對比，由線性擬合方程

Y=329.08+4.560 2x

Y=1.649+2.986x

可知：機組打磨鈦板效率遠高于人工打磨，對比斜率可得：采用機組打磨效率提高50.9%。

圖3 人工與機組打磨數(shù)量對比

4.3 打磨合格率

人工和機組均打磨1 000塊鈦板，在種板槽進行生產(chǎn)實踐對比，在同一個月內(nèi)，統(tǒng)計出現(xiàn)花板數(shù)量：人工打磨多達95塊，而機組打磨僅為10塊。這表明機組打磨合格率較高，且能保證在99%以上，詳見圖4。

圖4 人工與機組打磨合格率對比

4.4 槽電壓

在鈦種板合格率生產(chǎn)實踐對比的同時，對人工和機組打磨后的槽電壓進行了統(tǒng)計，并繪制其槽壓曲線，見圖5，通過線性回歸擬合和高斯方程擬合后分析參數(shù)。人工和機組打磨的槽電壓線性擬合方程分別為

Y=0.355-2.309x

Y=0.362-3.018x

圖5 人工與機組打磨槽電壓對比

斜率分別為-2.309和-3.018，且在高斯方程擬合中分布系數(shù)chi^2越小越好，線性強度R^2越大越好，由

分析對比可知：采用機組打磨鈦種板后槽壓略有降低，達到提質(zhì)增效的目的。

鈦的化學活性大，對氧的親和力強，其表面能天然地覆蓋一層致密、富于保護性的TiO2薄膜，該膜即使很薄也十分穩(wěn)定，具有優(yōu)異的抗磨損性和抗腐蝕性，除氫氟酸外基本沒有物質(zhì)可以腐蝕它，這些便是鈦板倍受青睞的根本原因[4]。人工和機組打磨的槽電壓存在差異，因為槽電壓與TiO2膜的厚度和均勻度有密切關系：TiO2電阻率高，其電阻遠高于Ti的電阻，且電阻隨TiO2膜層厚度和不均勻度的增加而升高。由于人工打磨不全面、力度不均勻而使鈦板表面不平滑、較粗糙、有條紋，形成的TiO2膜也厚薄不均，這樣勢必造成鈦板表面的鈍化，妨礙電流通過。由陰極電位φca=IcaRca可知，人工打磨TiO2膜不均勻，電阻較大，陰極電位φca較大，導致人工打磨鈦板槽電壓相對高。

4.5 結(jié)晶質(zhì)量

鈦板表面上的TiO2膜是否均勻連續(xù)直接影響著始極片結(jié)晶甚至出現(xiàn)花板，在TiO2膜過厚或粗糙度不均勻時，由于TiO2膜的電阻遠高于鈦的電阻，導電性較差，鈦板表面實際電流密度比表觀電流密度小，若實際電流密度造成某一局部的電位低于銅的析出電位時，則該處析出的銅量很少，母板覆蓋少；由于這部分電流密度過小，析出銅的結(jié)晶脆而粗糙，剝離過程就容易損壞[5]。當采用的電流密度小時，有TiO2膜或TiO2膜過厚的部分電流密度較小，易出現(xiàn)花板；而采用高電流密度時，雖然有TiO2膜或TiO2膜過厚的部分電流密度較小，但總的電流的增加，它的電流密度還是足夠大，不易出現(xiàn)花板。而TiO2膜層較薄的部位則難免電力線集中、電流密度過大，導致析出疏松而粗糙的晶體。實踐表明采用機組打磨種板，板面光滑度好、TiO2膜均勻、厚度適中，電力分布均勻，始極片表面光滑、結(jié)晶致密均勻。人工與機組打磨結(jié)晶對比見圖6。

圖6 人工與機組打磨結(jié)晶對比

4.6 始極片重量

圖7為人工與機組打磨始極片質(zhì)量正態(tài)分布對比圖，在正態(tài)分布統(tǒng)計圖中由平均數(shù)計算公式

及標準差計算公式

計得平均數(shù)μ1=6.03 kg，μ2=6.52 kg，標準差σ1>σ2，采用機組打磨后標準差σ2較小，說明數(shù)據(jù)波動小、始極片質(zhì)量集中且均勻。

圖7 人工與機組打磨質(zhì)量正態(tài)分布

4.7 始極片成品率和耳片數(shù)

通過種板崗位關鍵業(yè)績看板數(shù)據(jù)做出了以月份為單位的始極片、耳片變化曲線圖8，其中1～4月為人工打磨，5～12月為機組打磨，從曲線圖可知采用機組打磨后始極片成品率提高，并且顯著高于考核值，耳片的質(zhì)量不僅得到改善，耳片數(shù)也大幅度提高。

圖8 始極片成品率、耳片數(shù)曲線圖

4.8 直接經(jīng)濟效益

采用機組打磨后，直接經(jīng)濟效益統(tǒng)計見圖9，具體總結(jié)如下：

圖9 直接經(jīng)濟效益統(tǒng)計

(1)種板組操作人員減少4人，成本按11萬/人計算，一年節(jié)約4×11=44萬元，見圖9(1)。

(2)廢片數(shù)減少約65張/天，廢片回爐成本約385元/t，廢片均重量為6.0 kg/片，每t廢片共1 000 kg÷6.0 kg=166張，回爐成本=385元÷166張=2.32元/片，則日節(jié)約回爐成本65×2.32 =151元，月節(jié)約成本：30×151=4 530元，年節(jié)約成本4 530×12=5.4萬元，見圖9(2)。

(3)始極片的剝離性提高，廢鈦板每月減少4塊，鈦板單價4 000元，年節(jié)約成本：4×4 000×12=19萬元，共計經(jīng)濟效益約44+5.4+19=68萬元/a，見圖9(3)。

(4)此外，采用機組打磨提供了優(yōu)質(zhì)的始極片，從而一定程度改善電銅質(zhì)量，減少了黑線銅數(shù)量，提高產(chǎn)品入庫率，也間接產(chǎn)生了經(jīng)濟效益，見圖9(4)。

5 結(jié)論

隨著鈦母板使用，表面TiO2膜變厚或參差不齊，都會降低始極片的機械性能，使其組織結(jié)構變得粗糙，采用機組打磨不僅能獲得一層連續(xù)均勻、厚度適中的TiO2膜，還對鈦板間接起到校直作用。該法顯著提高了始極片的成品率和耳片率，降低了槽電壓，節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低了勞動強度，提高了鈦板打磨效率，明顯延長了鈦板使用壽命。機組打磨始極片結(jié)晶均勻、光滑，改善了始極片質(zhì)量，一定程度也改善陰極銅質(zhì)量，減少了黑線銅數(shù)量。創(chuàng)造直接經(jīng)濟價值約68萬/a。

[1] 李堅，王達健，朱祖澤.銅電解中的鈦種板[J].有色礦業(yè)，2003(1)：37-39.

[2] 朱祖澤，賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學[M].北京:科學出版社，2003.

[3] 肖會勇.銅始極片輥式矯直機矯直過程分析與參數(shù)研究[D].云南:昆明理工大學，2013.

[4] 樂安勝，陳勝兵，柯贊軍.提高銅電解種板始極片質(zhì)量的實踐[J].中國有色金屬，2011(5)：66-67.

[5] 汪文兵.不銹鋼陰極材料表面鈍化新工藝及其性能與應用研究[D].云南:昆明理工大學，2006.

Productionpracticetoimprovecopperstartingblankqualitybypolishing

LUO Jin-song， WANG Chong， WANG You-wei， DAI Kai-jian， ZENG Wen-bin

Copper starting sheet is the core of the traditional copper electrolysis. In addition to process parameters control, and the type and quantity of additives, polishing of the starting sheet is also a key factor affecting the quality of the starting sheet. The paper introduces the polishing machine unit to improve starting sheet quality in the tank house and the optimiation meatures used during the process. The paper also analyzes the influence mechanism of starting blank polishing on the quality of starting sheet, and specifically elaborates its effect on the polishing quality, efficiency, tank voltage, starting sheet quality, product yield rate and economic benefits in practice.

copper; starting sheet polishing ; starting sheet quality; production practice

TF811

B

1672-6103(2017)05-0017-06

羅勁松(1976—)，男，山西人，碩士，高級工程師，現(xiàn)任云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠電解分廠廠長，主要從事銅電解生產(chǎn)及工藝研究。

2016-11-04