銅電解精煉擴(kuò)大產(chǎn)能的技改實(shí)踐與研究

□文/陳長順張家港聯(lián)合銅業(yè)有限公司

銅電解精煉擴(kuò)大產(chǎn)能的技改實(shí)踐與研究

The Practice and Research on the Expansion of Production Capacity of Copper Electro Refi ning

□文/陳長順
張家港聯(lián)合銅業(yè)有限公司

張家港某銅業(yè)公司通過實(shí)施一系列銅電解精煉產(chǎn)能挖潛技改和銅電解擴(kuò)建，電解銅生產(chǎn)能力得到大幅度提升，陽極泥、粗硫酸鎳等副產(chǎn)品產(chǎn)量大為增長，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也不斷優(yōu)化改進(jìn)。本文較系統(tǒng)全面地介紹和總結(jié)了該公司近年來采取的一些做法，并提出了進(jìn)一步擴(kuò)大銅電解精煉產(chǎn)能的建議。

銅電解精煉；常規(guī)電解法；擴(kuò)大產(chǎn)能；技改實(shí)踐

張家港某銅業(yè)公司銅電解精煉系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)為年產(chǎn)電解銅3萬噸。為充分挖掘設(shè)備潛能以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收及降低單位生產(chǎn)成本，他們自投產(chǎn)以來，實(shí)施了一系列銅電解精煉產(chǎn)能挖潛技改和電解擴(kuò)建，產(chǎn)能獲得了較大提升，目前電解銅年生產(chǎn)能力為21.5萬噸，副產(chǎn)品陽極泥、粗硫酸鎳的產(chǎn)量也相應(yīng)有了大幅度提高。

一、銅電解精煉系統(tǒng)簡介

1. 原始設(shè)計(jì)情況概述

銅電解精煉系統(tǒng)采用的是常規(guī)電解法生產(chǎn)工藝，電解槽內(nèi)口容積規(guī)格為：3 480×870×1105 mm（長×寬×深），電解銅規(guī)格為：740×770×11～12mm（寬×高×厚）。設(shè)計(jì)的主要生產(chǎn)工藝條件為：每槽陰、陽極塊數(shù)分別為32塊和33塊；電流密度為220～240A/m2；同極距100mm。公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品規(guī)模為年產(chǎn)電解銅3萬噸，分二期建設(shè)，即電解Ⅰ期（192個電解槽）和電解Ⅱ期（200個電解槽），種板系統(tǒng)設(shè)置于Ⅰ期，共32個電解槽，電解液單獨(dú)循環(huán)、整流機(jī)組單獨(dú)供電。

2. 目前銅電解系統(tǒng)情況概述

該公司目前有五個銅電解精煉生產(chǎn)系統(tǒng)，共計(jì)1 192個電解槽，電解槽內(nèi)口容積規(guī)格為：3 480×870×1 340 mm（長×寬×深），電解銅規(guī)格為：740×1 000×11～12mm（寬×高×厚）。采用的主要生產(chǎn)工藝條件是每槽陰、陽極塊數(shù)分別為39塊和40塊；電流密度可根據(jù)銅原料供應(yīng)、陽極板庫存情況和銅價市場行情實(shí)行彈性生產(chǎn)調(diào)整，一般在280～320A/m2；同極距84.5mm。

二、擴(kuò)大產(chǎn)能措施及效果分析

針對投產(chǎn)初期存在電解銅產(chǎn)品規(guī)模小、單位產(chǎn)品的能耗高及生產(chǎn)成本高、設(shè)備作業(yè)率低等不足，公司對銅電解系統(tǒng)實(shí)施了電解槽加高及電銅二次加長技改、縮小時及提高電流密度等一系列擴(kuò)大產(chǎn)能措施，先后進(jìn)行了銅電解Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期三次擴(kuò)建，并不斷完善電解生產(chǎn)工藝配套設(shè)備設(shè)施，主產(chǎn)品電解銅及副產(chǎn)品陽極泥、粗硫酸鎳的產(chǎn)量均實(shí)現(xiàn)了大幅度提高。

1. 縮小極距，逐步增加每槽陰、陽極塊數(shù)

按Ⅰ、Ⅱ期工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)書，每槽裝陽極板33塊、陰極銅32塊，同極距為100mm。投產(chǎn)初期的實(shí)際陰、陽極塊數(shù)分別為33塊、34塊。此后，在電解槽內(nèi)口尺寸維持不變的情況下，采取了逐步增加陰、陽極即縮小極距的做法，共實(shí)施了4次縮小極距措施：將每槽陰極塊數(shù)分別增加1~3塊，極距由最初設(shè)計(jì)的100mm縮小至84.5mm。

通過采取縮小極距的措施，在投入極小的情況下實(shí)現(xiàn)了電解銅產(chǎn)能大幅增加。據(jù)測算，每槽陰極由33塊增加到39塊，在維持電流密度不變的情況下，每只電解槽產(chǎn)能可增加18.18%，增產(chǎn)效果極其顯著。

2. 實(shí)施電解銅板面加長技改

該公司實(shí)施電解銅板面加長分兩步走：第一步是將板面長度由770 mm加長至900mm；第二步是在第一次板面加長技改的基礎(chǔ)上，再將板面長度由900mm進(jìn)一步增加到1 000mm。

二次電解銅板面加長技改是在系統(tǒng)不停電的情況下實(shí)施完成，在不增加銅電解基建和設(shè)備投入、電流密度維持不變的情況下，每只電解槽產(chǎn)能增加16.88%，增產(chǎn)效果明顯。

3. 不斷提高電流密度

在確保電解銅產(chǎn)品質(zhì)量的前提下將電流密度由原來的220～240A/m2提高到最高時為320A/m2，因陽極板供應(yīng)未能滿足電解滿負(fù)荷生產(chǎn)需求，目前運(yùn)行的生產(chǎn)電流密度為310A/m2。按目前電流密度計(jì)算，每只電解槽產(chǎn)能較設(shè)計(jì)水平240A/m2提高29.17%，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4. 改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加電解槽配置

該公司I期投產(chǎn)后的數(shù)年內(nèi)，I期種板系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)的電解液循環(huán)與直流供電均單獨(dú)設(shè)置，I期槽面上的生產(chǎn)槽與種板槽之間設(shè)置了幾米寬的行走通道。經(jīng)充分論證，在2001年實(shí)施電解槽加高技改時，將I期種板與生產(chǎn)系統(tǒng)合二為一，并利用I期生產(chǎn)槽與種板槽之間的通道場地空間增加配置了8只電解槽。為解決電解銅人工碼垛作業(yè)存在的不足，他們于2002年首先在電解Ⅲ期上馬了一套陰極聯(lián)動機(jī)組進(jìn)行試點(diǎn)，實(shí)踐應(yīng)用中效果較好，于是在Ⅳ、Ⅴ期擴(kuò)建設(shè)計(jì)時直接配置了陰極聯(lián)動機(jī)組，該機(jī)組因節(jié)省了人工碼垛作業(yè)占用場地，使得與電解Ⅲ期廠房一樣大小的Ⅳ、Ⅴ期（各配置268只電解槽）較Ⅲ期（配置256只電解槽）多配置12只電解槽。

通過設(shè)計(jì)改進(jìn)，在無需增加任何廠房面積的情況下，I、Ⅳ、Ⅴ期共增加了32只電解槽，按320 A/m2電流密度測算，每年可增加產(chǎn)能5 800噸左右。

5. 通過擴(kuò)建實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)

公司銅電解精煉系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模最初設(shè)計(jì)為年產(chǎn)3萬噸，為擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)模，除采取挖潛增產(chǎn)技改措施提高電解銅產(chǎn)能外，2001年以來進(jìn)行了三次銅電解投建。目前，五個電解系統(tǒng)共有1 192只規(guī)格相同的電解槽，電解槽數(shù)量上為建廠設(shè)計(jì)時的3倍，電解銅產(chǎn)能大幅增加。

該公司通過采取上述措施，電解銅年生產(chǎn)能力由投產(chǎn)初期的3萬噸發(fā)展到目前的21.5萬噸；陽極泥、粗硫酸鎳等副產(chǎn)品產(chǎn)量也相應(yīng)大幅增長。另外，通過不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)控制和完善生產(chǎn)工藝配套設(shè)備設(shè)施，銅電解生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也獲得了優(yōu)化改進(jìn)，多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了國內(nèi)同類廠家先進(jìn)水平，尤其在降低電解銅交流電工序單耗及降低電解銅煤單耗上效果極為明顯，銅電解精煉部分生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

三、下一步可考慮采取的擴(kuò)能措施

1. 采取永久性不銹鋼陰極（PC）母板電解技術(shù)

永久性不銹鋼陰極母板電解技術(shù)，目前在國內(nèi)外先進(jìn)廠家已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，銅陵金隆銅業(yè)公司在2007年已經(jīng)采用此先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：不銹鋼陰極表面光潔、平直、懸垂度好，不容易造成短路，較常規(guī)電解法可進(jìn)一步縮小極距和提高電流密度，因而可進(jìn)一步提升產(chǎn)能；取消了鈦種板系統(tǒng)，無需始極片生產(chǎn)、加工制作，也無需始極片聯(lián)動機(jī)組；陽極溶解更均勻，因而可以提高陽極殘極率；采用高電流密度時，因產(chǎn)生的熱量焦耳數(shù)值多，可有效降低蒸汽消耗；自動化程度高，可有效減少勞動定員；有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量；工藝技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，勞動生產(chǎn)率高、綜合能耗低、生產(chǎn)成本低。實(shí)施該技術(shù)，除不銹鋼材、配套電解銅剝離機(jī)組一次性投資偏高外，綜合運(yùn)行成本明顯低于始極片加工制作綜合成本。

2. 采用周期反向電流電解（PRC）技術(shù)

提高電流密度是強(qiáng)化銅電解精煉生產(chǎn)的重要措施，但采用常規(guī)電解法，一般電流密度不高于300A/m2，過高的電流密度，會使電極附近的濃差極化增大及陽極鈍化，使陰極沉積物的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量變差，電流效率降低，也使貴金屬損失增加。

采用PRC技術(shù)可有效避免濃差極化，從而可以使電流密度提高到400A/m2以上。PRC技術(shù)自1963年在保加利亞銅精煉廠首次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以來，經(jīng)過多年實(shí)踐，目前已經(jīng)發(fā)展成比較成熟的技術(shù)，使用可控硅整流器很容易實(shí)現(xiàn)周期反向電流，國內(nèi)民營企業(yè)浙江蘭溪自立銅業(yè)公司已經(jīng)采用此技術(shù)處理較低品位陽極板。

表1 銅電解精煉部分生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

另有研究資料報道，采用400~800A/m2與PRC技術(shù)相結(jié)合，在經(jīng)濟(jì)上是最有利的，成本可大幅降低，陰極質(zhì)量也能得到保證，對此先進(jìn)電解技術(shù)可考慮盡早加以實(shí)施。

3. 引進(jìn)先進(jìn)機(jī)組，提升作業(yè)效率

先進(jìn)的陽極加工處理機(jī)組可以對陽極進(jìn)行切削、壓平、矯正、平整飛邊毛刺和排列作業(yè)，這有利于提高電流效率、提高裝槽作業(yè)效率和減輕操作工勞動強(qiáng)度，也有利于提高陽極裝槽質(zhì)量，更好地滿足生產(chǎn)高純陰極銅的要求。

4. 增加陰、陽極數(shù)量和調(diào)整陰、陽極運(yùn)行周期還可擴(kuò)大產(chǎn)能

經(jīng)過計(jì)算，將陽極塊重減輕至240kg左右，每槽陰、陽極數(shù)量分別增加到41塊、42塊，陰極周期保持不變，現(xiàn)運(yùn)行的陽極周期由18天調(diào)整為16天，電流強(qiáng)度可進(jìn)一步提高至19 000A，此時電流密度仍在320A/m2以下，兩塊陽極板之間的操作間距為39.5mm也高于電流18 300A、每槽40塊陽極板下的操作間距38.5mm，在此生產(chǎn)工藝條件下，年可增加電解銅產(chǎn)能為7 500噸，陰極銅煤單耗指標(biāo)也將得到進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

五個系統(tǒng)滿負(fù)荷生產(chǎn)時，鈦種板系統(tǒng)開動的槽數(shù)為100只，對鈦種板生產(chǎn)始極片的一些工藝條件還可以優(yōu)化改進(jìn)：即對I期所有電解槽或生產(chǎn)始極片的種板槽陽極實(shí)行減薄、增加塊數(shù)處理，通過計(jì)算，將種板陽極減輕至230kg左右后，陽極因減薄，每槽陽極可由目前的40塊增加到43塊，在此條件下，鈦種板下槽時的操作間距較原來進(jìn)一步擴(kuò)大，并且開動的種板槽數(shù)可減少至93只，相應(yīng)可增加7只電解銅生產(chǎn)槽，年可增加電解銅產(chǎn)量1 250噸。

5. 單獨(dú)設(shè)置處理低品位陽極板系統(tǒng)

在采用較高電流密度生產(chǎn)中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)一些物理規(guī)格與化學(xué)品位不達(dá)標(biāo)的陽極板無法滿足生產(chǎn)高純陰極銅的要求，建議單獨(dú)設(shè)置一個電解系統(tǒng)用于處理外購或自產(chǎn)的低品位陽極板、陽極次品，對其他系統(tǒng)因陽極鈍化等原因更換下來的不合格陽極板也可重新下槽利用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。