魏 棟

(陽谷祥光銅業(yè)有限公司， 山東 陽谷 252327)

在銅電解生產(chǎn)中，電流密度是衡量其技術水平的重要指標之一。適當提高電流密度，可有效提高勞動生產(chǎn)率，降低金屬在半成品中的占壓時間，縮短生產(chǎn)周期，提高資金的使用率。高電流密度電解生產(chǎn)是銅電解的重要發(fā)展方向。目前，銅電解行業(yè)大多采用永久不銹鋼陰極電解技術，電流密度通常在260～300 A/m2，這也是目前常規(guī)的、成熟的電解技術。

祥光銅業(yè)一期電解于2007年11月投產(chǎn)，采用永久不銹鋼陰極技術，共720個電解槽，電流密度為265～300 A/m2，通過優(yōu)化工藝參數(shù)和加強操作管理，最高可達到310 A/m2[1]，年產(chǎn)陰極銅20萬t以上。該企業(yè)二期電解采用與奧地利METTOP公司聯(lián)合開發(fā)的高電流密度銅電解技術，于2011年6月正式投產(chǎn)，在不改變電解槽數(shù)量、不改變極間距與陰、陽極板的情況下，將電流密度提高至385～420 A/m2，產(chǎn)能提高了35%～50%，年產(chǎn)陰極銅25～30萬t。

本文著重介紹了祥光銅業(yè)電解二期高電流密度銅電解技術的工藝設計與改進、參數(shù)控制、生產(chǎn)管控、問題討論與分析，以及該技術的優(yōu)、缺點等方面的內容。

1 高電流密度電解技術的理論基礎與設計改進

1.1 理論基礎

常規(guī)電解的電解液循環(huán)主要采用電解槽底部中央給液、槽面兩端溢流的方式，這也是目前最常見的循環(huán)方式。高電流密度電解技術下電解液循環(huán)的實現(xiàn)方式為：將一特殊裝置(即PFD裝置)懸掛于電解槽長側壁的中下部，在電解槽底部側面平行給液，電解液經(jīng)槽面兩端溢流，匯流至循環(huán)槽。前者循環(huán)方式的電解液沒有直接作用于陰極板面上，不利于陰極附近電解液成分及添加劑的均布。而高電流密度電解技術通過PFD裝置給液，可使電解液流經(jīng)每塊陰極板面的兩側，并且由于電解過程中陰、陽極附近電解液存在密度差而發(fā)生自然對流[2]，在大循環(huán)量下，電解液的濃度、溫度、添加劑等分布更均勻，可很好地解決高電流密度銅電解時出現(xiàn)的濃差極化現(xiàn)象，進而提升電流密度，提高陰極銅產(chǎn)量，這也是高電流密度電解技術實現(xiàn)的理論基礎。銅電解過程的示意圖如圖1所示。

1—正極;2—負極;3—陽極;4—陰極;5—電解液(硫酸銅與硫酸的混合溶液)圖1 電解示意圖

1.2 設計改進

1.2.1 可控硅整流器的選擇

由于高電流密度銅電解技術的運行電流遠高于常規(guī)電解的運行電流，其槽電壓也明顯高于常規(guī)電解時的槽壓，因此提高了整流器的負荷能力。電解二期分東、西兩個系統(tǒng)，各有360個電解槽，根據(jù)工藝布局，設計安裝時電解二期東、西系統(tǒng)選用額定直流電壓在210 V以上、額定直流電流在51 kA以上的可控硅整流器。

1.2.2 工藝管道、儲槽、泵類設備的改變

(1)高電流密度電解技術生產(chǎn)時，電解液循環(huán)量大幅增加，常規(guī)電解的管道不能滿足生產(chǎn)需求，因此對各主要管道的材質、管徑進行了改進。供液主管選擇管徑DN400的鋼骨架管道、回液主管選擇管徑DN450的玻璃鋼管道。

(2)取消高位槽，改進循環(huán)方式。由于常規(guī)電解的供液方式不能滿足高電流密度電解技術對電解液循環(huán)量的要求，因此，取消了高位槽，改由變頻式循環(huán)泵提供動力，通過PFD裝置直接給電解槽供液。在出裝槽作業(yè)時，利用變頻泵與循環(huán)電解液的壓力聯(lián)鎖，可實時調節(jié)對電解槽的給液量，實現(xiàn)對電解槽給液的自動調節(jié)。

(3)改善泵及過濾機能力。循環(huán)泵、過濾泵均采用Q=600 m3/h，H=66 m的臥式泵，采用大流量循環(huán)泵來滿足電解液的給液量。采用過濾能力在500 m3/h以上的凈化過濾機進行強化過濾，提高電解液的潔凈度，以滿足生產(chǎn)需求。

(4)優(yōu)化電解液循環(huán)槽的內部結構。電解二期循環(huán)槽內部結構設計獨特，分有各個小室。添加劑由獨立的添加系統(tǒng)送至電解液循環(huán)槽的特定位置，保證了添加劑加入的均勻性。

1.2.3 剝片機組的加工能力

電解二期每天出裝130槽以上，以每臺機組工作10 h計，機組剝片能力應為367塊/h?？紤]到行車、叉車、機組故障及其他因素的影響，改用500塊/h的機器人剝片機組，避免了傳統(tǒng)剝片機組鏈條運輸過程中易出現(xiàn)故障的情況，提高了生產(chǎn)作業(yè)率。

2 工藝參數(shù)控制與生產(chǎn)管控

2.1 電解液成分控制

電解液成分如銅離子、酸度、氯離子濃度的控制與電解電流密度、陽極板的成分等因素相關，陰極銅的析出質量與上述因素密切相關。銅電解生產(chǎn)時，電解液中銅離子濃度稍高一些，可以有效地防止砷、銻放電共同析出，減少在陰極銅板面的附著。隨著電流密度的提高，單位時間內陰極析出的銅量也相應增加，因此，電解液含銅量就需要適當提高。適當提高硫酸濃度，可以增加電解液的比電導，提高電解液的導電性。但酸度也不能無限增加，酸度過高時，會影響電解液中硫酸銅的溶解度，而且硫酸濃度越高，陽極區(qū)銅離子的飽和濃度值就越小[3]。這會降低陽極極限電流密度，增加陽極發(fā)生鈍化的可能性。氯離子的添加，一方面可沉降陽極板中溶出的銀離子，減少貴金屬的損失，另一方面還可抑制電解液中砷、銻、鉍等雜質的活性，降低陽極鈍化的發(fā)生率。

實際生產(chǎn)過程中，分別對337 A/m2、385 A/m2、412 A/m2電流密度下電解液的成分進行了檢測，掌握了不同條件下電解液成分的控制參數(shù)，詳見表1。

表1 不同電流密度下電解液成分

2.2 電解液循環(huán)量的控制

采用高電流密度電解技術進行銅電解生產(chǎn)時，陰、陽極附近銅離子濃度會快速變化，容易引起濃差極化，影響電解生產(chǎn)，因此，需加大電解液單槽的循環(huán)量。另外，電解液循環(huán)量的增大，也有利于電解槽上部與下部電解液溫度的均勻性。實際生產(chǎn)中，對電解液的循環(huán)量進行多次試驗、調整，得出電流密度在420 A/m2時電解液循環(huán)量的最佳控制區(qū)間為80～100 L/min·槽。

2.3 合理控制添加劑的配比及加入量

添加劑在銅電解生產(chǎn)控制過程中起著比較關鍵的作用，在高電流密度下進行銅電解生產(chǎn)，若添加劑的配比、加入量不當，可加速陰極銅表面粒子、凸瘤的長大，易形成極間短路，降低電流效率，增大能耗，同時影響陰極銅外觀質量。根據(jù)每天觀察的陰極銅析出情況，及時、合理地調控骨膠、硫脲、鹽酸的加入量，可有效地保證陰極銅質量。

投產(chǎn)初期及系統(tǒng)大修剛開車時，由于電解液成分較好、潔凈度比較高，添加劑的消耗量相對較小，骨膠、硫脲消耗可控制在45～65 g/t Cu。隨著電解液中雜質的升高，添加劑消耗會逐步增加，骨膠、硫脲消耗控制在50～85 g/t Cu可滿足陰極銅的生產(chǎn)需求。

2.4 生產(chǎn)精細化管控

高電流密度銅電解生產(chǎn)時，對陽極板的加工質量、極間距的調整、電解槽的清洗等物料與工藝操作方面有著較高的要求，日常生產(chǎn)操作要嚴格按照崗位操作規(guī)程進行作業(yè)，以保證陰極銅質量。

(1)嚴格控制陽極精煉工序。陽極精煉工序要嚴格控制氧化、還原、澆鑄等工藝條件，加強對澆鑄模的維護，防止陽極出現(xiàn)彎曲、背筋、耳朵曲翹、裂縫、板面凸瘤等情況，同時板體不得有大量銅粉、脫模劑，以確保陽極質量。

(2)精準加工陽極板。機組對陽極板單重、耳厚、錐度、板厚等進行精確測定；提高陽極板的底銑質量，保證陽極裝槽后的懸垂度。

(3)加強陽極板表面處理。陽極板裝槽前，提前用電解后液進行泡洗，洗去板面的銅粉、夾渣等，有利于電解陰極銅的析出質量。

(4)嚴控出裝槽作業(yè)質量。出裝槽作業(yè)時，槽頭閥關閉數(shù)量、提銅時間、電解槽的清洗、陰陽極板的裝槽位置等必須嚴格按操作規(guī)程進行。其中，陽極板、陰極板的裝槽位置尤為關鍵，要參照PFD裝置進行精確定位，以保證電解生產(chǎn)。

(5)加強生產(chǎn)系統(tǒng)控制。日常作業(yè)要到位：短路處理要及時；導電排觸點沖洗到位；對電解液流量、溫度、添加劑的加入等情況巡檢及時、全面；系統(tǒng)電解液體積控制穩(wěn)定；注意嚴防外來雜物進入電解系統(tǒng)。

為保證措施實施到位，保障電解順利進行，生產(chǎn)過程中建立了質量管理網(wǎng)絡體系，生產(chǎn)廠、車間、工段、班組各級均明確了質量管理責任人。對關鍵的工藝操作與控制形成多級檢查機制，如裝槽作業(yè)質量，員工裝槽完畢后，班組長要逐槽查看，工段每天檢查、車間定期抽查，廠部進行督導與不定期檢查，以確保生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定及產(chǎn)品質量。

3 技術經(jīng)濟指標對比

本文收集了最近兩年高電流密度銅電解生產(chǎn)的一些技術經(jīng)濟指標，并與常規(guī)電解指標進行了對比，具體情況如表2所示。

表2 技術經(jīng)濟指標對比

從表2可見，與常規(guī)電解相比，高電流密度電解技術具有以下明顯優(yōu)勢。

(1)陰、陽極周期短，陰極銅周轉快，資金占壓時間短、利用率高。

(2)效率和產(chǎn)能高。電流效率明顯升高，年產(chǎn)量可提高35%～50%。

(3)能耗低。蒸汽、除鹽水等噸銅單耗明顯降低，綜合能耗大幅下降。

(4)雜質含量低。陰極銅含銀大幅降低，可有效減少貴金屬的損失；陰極銅中雜質總量低，優(yōu)于A級銅的國家標準(雜質總和≤65×10-6)，產(chǎn)品質量高。

4 問題討論與分析

4.1 直流電耗高

由電流效率η=m/nqit及直流電單耗w=uit/m可得出w=u/nqη，式中n、q均為常數(shù)，可見直流電單耗與槽電壓u和電流效率η相關。高電流密度電解的運行電流高，槽電壓相對較高，導致直流電單耗較高。

實際生產(chǎn)中，采取每天沖洗4次導電排觸點，處理2次短路，每2 h一次槽面點檢的管控措施，盡可能降低電耗。另一方面，由于陰極周期短，短路形成幾率小等因素，加之工藝管控到位，陰極銅電效保持在較高水平，近兩年平均電效在99.2%以上，這也在一定程度上降低了直流電耗。

4.2 電解液溫度的平衡

電解生產(chǎn)過程中，陰極板在通電時會有部分電能轉化為熱能，電流密度越高，轉化的熱能就越多。生產(chǎn)實踐中，當運行電流控制在38 000 A左右時，電能轉化的熱能與電解液的熱損失基本可達到平衡。當電流超過該值時，熱量無法平衡，電解液的溫度就會逐步升高，夏季生產(chǎn)時表現(xiàn)的尤為明顯。在高電流密度生產(chǎn)時，很容易出現(xiàn)系統(tǒng)溫度無法平衡的情況，電解液溫度整體處于高限，陰極銅質量明顯受到影響。

為解決該問題，二期電解車間就電解液的換熱系統(tǒng)進行了改進，新增電解液冷卻系統(tǒng)，采用低溫循環(huán)水來對電解液進行冷卻、降溫，很好地解決了電解液溫度無法平衡的問題。

4.3 陰極銅板面氣孔問題

高電流密度電解工藝省去了高位槽，采用循環(huán)泵直接給電解槽供液，當循環(huán)泵出現(xiàn)故障、切換到備用泵時，容易出現(xiàn)系統(tǒng)進氣的情況，導致陰極銅表面長氣孔，影響陰極銅的產(chǎn)品質量。

根據(jù)現(xiàn)場循環(huán)泵位置及管道的走向情況，經(jīng)過不斷摸索試驗，總結出以下措施：當循環(huán)泵故障時，采用換泵不換管道的方式避免氣體的帶入；檢查電解液流經(jīng)的管道、法蘭、閥門、換熱器等處是否漏氣；控制合適的循環(huán)槽液位，可有效解決陰極銅板面的氣孔問題。

4.4 陽極鈍化問題

陽極雜質鉛、鉍等含量高時，易發(fā)生陽極鈍化。陽極鈍化嚴重時，槽電壓高達2 V以上，燒板情況嚴重，容易損壞陰極板、絕緣板等，對陰極銅質量也有很大影響。

公司制定了陽極銅產(chǎn)品標準及相應的考核指標，從源頭抓起，加強熔煉管控，盡可能降低鉛、鎳、鉍等雜質的含量，降低陽極板的單重偏差，提高陽極銅質量。另外，電解生產(chǎn)時，可采取擊打陽極耳部、停電沖洗陽極板面等措施來破壞陽極表面的鈍化膜，可有效緩解陽極鈍化現(xiàn)象。

4.5 進液裝置的堵塞問題

高電流密度生產(chǎn)所用進液裝置長期浸泡在電解液中，由于電解液中含有砷、銻、鉍、鉛、錫等雜質，使進液裝置內腔出現(xiàn)結垢現(xiàn)象，影響噴嘴的出液情況，進而影響陰極銅質量。日常維護時，采取化學藥劑浸泡進液裝置、高壓水槍沖洗內腔的方法，可有效解決該問題。進液裝置的清洗周期一般為2～3年。

另外，周松林等[4]發(fā)明了一種超高電流密度電解或電積槽，制作電解槽或電積槽時提前預留出空間、替代該進液裝置的內腔，將帶有噴嘴、保護模塊的不銹鋼板通過螺栓固定在電解槽或電積槽上，以便清洗內腔的結垢等異物，也能夠有效解決結垢問題。

5 結束語

高電流密度銅電解技術在祥光銅業(yè)的成功應用，是銅電解技術的一次重大突破，不僅提高了該公司的技術水平，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益，也使國內銅電解技術水平提升了一個新臺階。同時，該技術還大力推動了銅冶煉行業(yè)節(jié)能減排與綠色發(fā)展，對有色金屬行業(yè)的轉型升級具有重要意義。