曾紹武

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

1 引言

貴溪冶煉廠已經(jīng)成為年產(chǎn)百萬噸陰極銅的世界第一大單個銅冶煉廠，電耗直接關(guān)系到我廠生產(chǎn)成本的高低，是銅電解生產(chǎn)的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，它的好壞標(biāo)志著銅電解生產(chǎn)水平的高低，而槽電壓是影響直流電耗的重要因素，槽電壓的控制就顯得尤為重要。

直流電耗的計(jì)算公式如下：

式中：W為直流電耗（Kwh/t）；E為槽電壓（V）；η為電流效率（%）；q為金屬的電化學(xué)當(dāng)量，對于二價銅為 1.186（g/（A·h））。

槽電壓由以下幾個部分組成：

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

由以上兩式可知，直流電耗與槽電壓成正比，與電流效率成反比。槽電壓則包括陽極電位、陰極電位、電解液電阻所引起的電壓降、導(dǎo)體上的電壓降以及槽內(nèi)各接觸點(diǎn)的電壓降等 。一般工廠的電流效率都在90%～98%（國內(nèi)為95%～98%），波動范圍不大。而槽電壓由于受電流密度、電解液成分以及溫度、陽極組成等因素的影響而波動范圍較大［1］，因而對陰極銅直流電耗具有更大的影響。

2 影響銅電解槽電壓因素的探討

影響槽電壓的因素很多，目前通常認(rèn)為電解液成分、電解液溫度及循環(huán)速度、電流密度、極間距、陰極斷耳和殘極率和陽極成分等能對槽電壓產(chǎn)生影響，槽電壓包括陽極電位、陰極電位、電解液電阻所引起的電壓降、導(dǎo)體上的電壓降以及槽內(nèi)各接觸點(diǎn)的電壓降等 ，以下根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐就這些因素對槽電壓的影響進(jìn)行分析探討。

2.1 電解液電壓降

2.1.1 電解液成分

電解液電阻隨雜質(zhì)含量升高而升高，隨酸度的增加而降低，隨銅含量增加而增大，采用低雜質(zhì)高酸低銅的電解液對降低槽電壓有利。然而電解液酸度過大會降低電解液中硫酸銅的溶解度易引起陽極鈍化，使槽電壓急劇升高［2］。

據(jù)相關(guān)研究介紹［3］，電解液的比電導(dǎo)是對電解液導(dǎo)電性能的具體表示。研究指出，在溫度為40～70℃范圍內(nèi)，電解液主要成分為Cu2+30～60g/L、Ni2+0～30g/L、HSO100～200g/L的條件下，電解液

24的比電導(dǎo)與其成分及溫度的關(guān)系為：

式中：Cu、Ni、K分別表示Cu2+、Ni2+和H2SO4的濃度（g/L）；t為電解液溫度（℃）；r為比電導(dǎo)（S/cm）。

影響比電導(dǎo)顯著性的順序?yàn)椋毫蛩釢舛龋倦娊庖簻囟龋綨i2+濃度＞Cu2+濃度。

電解液成分因各廠的陽極成分、電流密度、電解液凈化能力等電解技術(shù)條件不同而有所不同，表1是我廠2013～2015年電解液主要成分、溫度控制溫度范圍和直流單耗統(tǒng)計(jì)記錄。

表1 貴溪冶煉廠2013～2015年電解液主要成分、溫度控制溫度范圍和直流單耗統(tǒng)統(tǒng)計(jì)記錄

2.1.2 電解液溫度及循環(huán)速度

電解液溫度控制和循環(huán)速度對銅電解生產(chǎn)有重要影響。提高電解液溫度有利于降低電解液粘度，使漂浮陽極泥容易沉降，增加各種離子的擴(kuò)散速度，減少電解液電阻，從而降低槽電壓。而過高的電解液溫度也會對生產(chǎn)帶來不利影響，過高的電解液溫度會使添加劑分解速度加快，消耗能源、惡化工作環(huán)境，加劇銅在電解液中的化學(xué)溶解，使電解液含銅增加，增大電解液電阻，從而使槽電壓升高。我廠電解液溫度一般控制在60～65℃之間。

電解液循環(huán)速度大小主要取決于電流密度，電流密度越大，要求的循環(huán)速度越大，表2是電流密度與循環(huán)速度的一般關(guān)系［1］。

表2 電流密度與循環(huán)速度的一般關(guān)系

2.1.3 電流密度

電流密度一般是指陰極電流密度，即單位陰極板面積上通過的電流強(qiáng)度［1］。提高電流密度會使陰、陽極電位差加大，同時電解液的電壓降、接觸點(diǎn)和導(dǎo)體上的電壓損失增加，從而增加了槽電壓［4］。

電流密度計(jì)算公式如下：

式中：Dk為陰極電流密度（A/m2）；A為通過的電流強(qiáng)度（A）；L為陰極的有效長度（浸入電解液中的深度）（m）；W為陰極的寬度（m）；n為每槽裝入的陰極片數(shù)（槽內(nèi)兩端放陰極時按2n-2,否則按2n計(jì)算）。

由此式可知，在其他技術(shù)條件不變的情況下，改變通過的電流強(qiáng)度、陰極浸入電解液的深度以及每槽裝入的陰極片數(shù)都能改變電流密度，從而影響槽電壓。

我廠電解車間一系列2015年6月初電流由27800A降至25500A，圖1、圖2分別是5月和7月的直流單耗記錄和電效記錄，為避免降電流后直流單耗的異常波動和計(jì)算誤差，兩個記錄時間相隔一個月。

由圖可以看出，降電流后，直流單耗明顯下降，而電效沒有明顯變化，這說明槽電壓下降了，從而說明降低電流強(qiáng)度可以減小槽電壓。

陰極浸入電解液后，正常寬度是不變的，而有效長度則隨槽內(nèi)電解液液位高低變化，我廠應(yīng)對不同情況下的電銅生產(chǎn)有多個液位控制標(biāo)準(zhǔn)，每槽電解液液位高低也隨生產(chǎn)計(jì)劃在變化，陰極的有效長度也在發(fā)生變化。圖3是一組16槽電解槽同一時間段相同控制條件下高液位和低液位的槽電壓記錄曲線。由圖可以看出電解槽內(nèi)保持高液位時，槽電壓明顯比低液位時低，說明陰極有效長度越長，槽電壓越低。

圖1 5月和7月直流單耗記錄曲線

圖2 5月和7月電效記錄曲線

圖3 高液位和低液位下槽電壓記錄曲線

2.1.4 極間距

極間距的增大會使陰陽極間電解液電阻增大，同時增大了陰陽極電位差；另一方面，在電解槽尺寸不變時，極間距增大會減少陰陽極塊數(shù)，增大電流密度。電解液電壓降與極間距、電流密度的關(guān)系如下［5］：

式中：E為電解液的電壓降（V）；Dk為陰極電流密度（A/m2）；ρ為電解液的電阻率（Ω·m）；L為極間距（m）。

因此，增大極間距會加大槽電壓。生產(chǎn)過程中，極間距不會隨意改變，不過隨著電解生產(chǎn)的進(jìn)行，陰陽極之間距離會逐漸增大，從而加大槽電壓。我廠陽極周期分前后半周期，圖4是一組16槽電解槽在相同陽極和相同控制條件下處于陽極前半周期和陽極后半周期相同通電時間時的槽電壓，可以明顯看到后半周期槽電壓相對較高，這是因?yàn)楹蟀胫芷陉枠O變薄，陰陽極極間距增大，電解液電阻增大。

圖4 陽極前后半周期槽電壓記錄曲線

2.2 導(dǎo)體上的電壓降

2.2.1 陰極斷耳

傳統(tǒng)工藝銅電解過程中的始極片吊耳會出現(xiàn)斷落情況，使電銅掉入電解槽內(nèi)而不參與電解反應(yīng)，導(dǎo)致陰極通電塊數(shù)減少。導(dǎo)電棒被玻璃鋼等絕緣物附著使陰極不通電也會減少陰極通電塊數(shù)。圖5是相同陽極和工藝條件下，正常陰極塊數(shù)和減少8塊陰極的兩槽電解槽通電生產(chǎn)48h槽壓穩(wěn)定后一整天的槽壓記錄曲線，記錄時每隔2h記錄一次。可以看出減少陰極塊數(shù)后，槽電壓明顯升高。

圖5 正常陰極塊數(shù)和減少8塊陰極槽電壓記錄曲線

2.2.2 殘極率

殘極率的高低直接與成本有關(guān)，殘極率高會直接提升回爐成本，因此在生產(chǎn)過程中我們都盡量降低殘極率，但是殘極率主要與陽極本身的物理規(guī)格和成分有關(guān)，在電解過程中一味追求低殘極率會使槽電壓急劇升高。這是因?yàn)殂~電解后期，殘極表面積已經(jīng)大幅縮小，同時由于追求低殘極率，殘極表面積進(jìn)一步減小，陽極斷耳現(xiàn)象會大量發(fā)生，這就使得電解槽內(nèi)實(shí)際通電的陽極有效面積大大減小，陽極上的電流密度大大提高，槽電壓急劇升高。

我廠電解車間二系列采用的是ISA法工藝，正常生產(chǎn)中不存在陰極斷耳現(xiàn)象，圖6是我廠電解車間二系列2014年4月殘極率和陽極斷耳數(shù)記錄曲線，由圖可以看出殘極率下降時殘極斷耳數(shù)增多。

圖6 二系列殘極率和陽極斷耳數(shù)記錄曲線

2.2.3 陽極成分

銅電解精煉的陽極是一種含有多種元素的合金，在電解過程中除需要提煉的有價元素外，其他都是雜質(zhì)元素，這些雜質(zhì)在電解過程中會出現(xiàn)強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)變化和物相變化，對陽極鈍化、陰極質(zhì)量、電解液凈化以及從陽極泥中回收有價元素均有很大影響［1］，雜質(zhì)元素參與電解過程和進(jìn)入電解液都會增大電阻，使槽電壓升高，同時由于陽極含有雜質(zhì)導(dǎo)電率大部分比銅低，增加了陽極的電阻，也會增大槽電壓。

2.3 槽內(nèi)各接觸點(diǎn)電壓降

槽內(nèi)接觸主要是陰陽極和導(dǎo)電排之間的接觸。對磨損嚴(yán)重的導(dǎo)電排和導(dǎo)電棒進(jìn)行更換，對導(dǎo)電棒進(jìn)行嚴(yán)格的酸洗和燙洗過程，避免有硫酸銅結(jié)晶，槽面沖水清潔接觸點(diǎn)，槽電壓降低。這是因?yàn)閷?dǎo)電棒和導(dǎo)電排破損或附有硫酸銅結(jié)晶會增加接觸點(diǎn)電阻，使槽電壓升高。而隨著電解的進(jìn)行，接觸點(diǎn)上會逐漸析出硫酸銅結(jié)晶，使接觸變壞，接觸點(diǎn)電阻增大，槽電壓升高，同時接觸點(diǎn)電阻熱增多，促使其表面生成氧化膜［6］，電阻進(jìn)一步增加，槽電壓更高，直接沖水可以清潔接觸點(diǎn)，降低槽電壓。

3 結(jié)語

綜上所述，實(shí)際生產(chǎn)中降低槽電壓應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）根據(jù)電解液雜質(zhì)含量調(diào)節(jié)凈液量，降低電解液中雜質(zhì)含量，維持適當(dāng)?shù)你~、酸含量。

（2）適當(dāng)提高電解液溫度、加大電解液循環(huán)速度。

（3）控制好電解液液位提放時間以減少陰極斷耳，對已斷耳的陰極及時修復(fù)，對陰極板和導(dǎo)電棒及時維護(hù)，確保陰極能正常通電。

（4）控制好適當(dāng)?shù)臍垬O率，對斷耳陽極及時更換。

（5）減少陽極雜質(zhì)含量，適當(dāng)調(diào)節(jié)各個生產(chǎn)系統(tǒng)不同陽極的搭配比例以控制電解液雜質(zhì)。

（6）槽面及時沖水清潔，提高沖水頻率和質(zhì)量，機(jī)組要確保陰極板和導(dǎo)電棒的清潔和完整無破損。

電解車間設(shè)計(jì)中降低槽電壓應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

（1）采用大尺寸電解槽、陽極和陰極，增大單塊陰陽極有效面積，為生產(chǎn)中降低電流密度提供條件。

（2）加大每槽極板數(shù)，減小極間距。

（3）增大導(dǎo)電排橫截面積和斷面周長，減弱生產(chǎn)過程中導(dǎo)電排的升溫，防止接觸點(diǎn)表面氧化。