國內外銅電解工藝技術與裝備綜述

□文/毛允正/

國內外銅電解工藝技術與裝備綜述

Review of Domestic and International Copper Electrolysis Process Technology and Equipment

□文/毛允正/

上世紀70年代以來，銅電解工藝技術有了很大的發展。出現了周期反向電流（PRC）電解，永久不銹鋼陰極（ISA法、KIDD法、OT法、EPCM法）電解等新工藝。銅電解精煉生產向大型化、大極板化、自動化、高效率、高質量、低消耗、低成本的目標發展。

一、傳統法電解

傳統法電解包括小極板短周期常規電解和大極板長周期常規電解兩大類。小極板短周期常規電解是上世紀70年代以前國內外的主打工藝，在我國也已有多年生產歷史，工藝成熟可靠，從生產管理到工人操作都積累了豐富經驗。始極片制作工藝從原始的銅母板過渡到鈦母板，簡化了操作工序，提高了工作效率。傳統電解工藝仍需要獨立的生產系統，勞動強度大，能耗和生產成本高。但因其建設投資較低，現5萬噸規模以下的小型銅電解廠多采用此工藝。

大極板長周期常規電解雖屬始極片傳統工藝，但其機械化、自動化水平有了很大提高，其陰陽極加工、出裝槽、陰極銅和殘極洗滌、打包均實現了機械化，控制系統一般采用PLC進行控制，適用于中型銅電解生產企業。

二、周期反向電流(PRC)電解技術

在銅電解精煉生產中，提高電流密度是強化生產的重要措施。常規電解法電流密度很少超過300A/m2，高于這個指標陽極鈍化現象較為明顯，反而降低整體生產效率。我國原上海冶煉廠常規電解時曾將電流密度提高到300A/m2生產，此時各項生產管理都得到位，投入很大的人力物力，總效果不是太好。

1962年保加利亞精煉廠成功進行了周期反向電流電解的工業試驗，陽極鈍化現象在電流高達550~650A/m2時才開始出現。1963年PRC技術在保加利亞精煉廠首次應用于工業規模的生產，使電流密度提高到350A/m2以上。由于該技術特別適用于常規電解精煉工廠的挖潛增產，應用這一技術的改造工廠不斷增加，在80年代末時曾達到所有銅電解廠家的15%。

由于PRC技術采用的電流密度高，槽電壓高于常規電解法，有效電流效率低于常規電解，其電能消耗要比常規電解高出30%左右。在能源緊張、能源費用大幅提高的情況下，PRC技術的推廣應用受到了限制。因此上世紀90年代以來，PRC技術沒有得到進一步推廣應用。

三、永久不銹鋼陰極電解技術

永久不銹鋼陰極法是用不銹鋼板制成永久性陰極來取代傳統的始極片，從而省去生產始極片的種板電解系統及陰極制作工序，簡化了生產流程，提高了生產效率。目前永久陰極電解技術有ISA法、KIDD法、OT法、EPCM法四種，它們主要在包邊形式、導電棒結構、底部結構、陰極表面粗糙度上有所不同。

1. 四種方法簡介

ISA法（艾薩電解法）1978年澳大利亞湯斯維爾M ount ISA精煉公司的湯斯維爾冶煉廠(CRL)開發成功并投入生產，并從1979年開始把艾薩技術賣到國際上。目前全世界已有60多家銅電解工廠采用ISA法，共計產能500萬噸以上，占世界銅產量的35%以上。國內江西貴溪冶煉廠三期20萬噸采用此工藝，2003年投產。云銅三期在2006年也采用ISA法，年產10萬噸。使用ISA法最大的工廠是德國的北德精煉廠年產37萬噸。

KIDD法是加拿大鷹橋公司的奇得克思冶煉廠在1986年開發成功的另一種不銹鋼陰極生產工藝。1992年該技術實現商業化，目前應用KIDD工藝的電解工廠有10家，年生產能力約280萬噸，其中最大的工廠是智利楚其卡馬塔冶煉廠，年產能約90萬噸。國內銅陵金隆公司二期20萬噸電解采用此工藝，2005年投產。

超達集團（XSTRA）在2002年兼并M ount ISA公司，2006年兼并加拿大鷹橋公司。所以，目前ISA法和KIDD法同屬于超達集團，重點發展ISA法銅電解工藝。

OT法是芬蘭奧托昆普公司在2001年利用其先進的不銹鋼生產與制造技術，以及在陰陽極機組、行車等方面的良好業績開發的不銹鋼陰極法。國內山東祥光銅業公司一期20萬噸電解采用，2007年投產。

EPCM公司成立于1970年，總部在加拿大。1980年與鷹橋公司合作推廣KIDD技術，2006年分開，同時鷹橋公司被超達公司收購。在電解設備上，EPCM公司主要優勢是制造陰極剝片機組和不銹鋼陰極板。其制造的機器人剝片機組是在原鷹橋公司生產的陰極剝片機組的基礎上自主研發改進的設備，2008年第一套機器人剝片機組制造完成，比利時的Metallo Chinique公司首家使用并與2009年完成安裝，國內祥光銅業二期購入二套，2011年投入使用。EPCM公司在1998年成立的智利CORRA公司是世界上較大的不銹鋼陰極板生產制造廠，每年生產10萬塊不銹鋼陰極板（也稱SP陰極板），該工藝稱為EPCM法。

2. 四種方法的異同對比表

3. 永久不銹鋼陰極板技術的優勢

（1） 永久不銹鋼陰極可以重復使用，壽命長。維護保養好壽命可達20年以上，從而省去生產始極片工序和陰極制作工序，工藝流程變得簡單。

（2） 不銹鋼陰極強度高，平直度好。與經過平整的陽極板一起發生短路機會少，可以提高電流密度生產，傳統法電流密度250A/m2左右，永久陰極法可提高到280-340A/m2生產，極大的提高了生產效率。

（3） 產品質量好。表面更加平整，且一面無粒子，傳統電解法生產的電解銅板面有時會有彎曲和兩面長粒子的現象；只有一面接觸含酸洗水，產品含硫也比傳統法低一倍；產品無耳部夾帶硫酸現象，傳統法電解很難從根本上解決此事。

（4）流動資金占用少。 由于永久陰極法電流密度高，可縮短陰極與陽極的生產周期，電解槽數量少，又不需要始極片，電解過程中銅積壓量相對少，周轉快，在維持連續生產所需的流動資金占用量相對減少，約是傳統法的85%，加快資金周轉。

（5）生產成本比傳統法低。由于永久陰極法自動化、機械化程度高，同樣規模電解廠使用的人力比傳統法可減少1/2以上，規模效益突出，生產率高。

自1978年永久陰極電解技術面世以來，呈現了強大生命力，越來越廣泛的得到使用。目前世界上約70%的電解銅產量是由永久陰極法生產，隨著電解廠的規模化，2000年后新建15萬噸以上規模的電解廠基本都采用永久陰極法。

四、銅電解主要裝備

經濟不斷全球化，人力成本不斷提高，行業競爭日趨激烈的現實情況下，各電解銅廠想方設法的提高自身生產率，降低生產加工成本，促使電解生產使用的裝備不斷得到改進和發展，朝著機械化、自動化、精巧化方向前進。

1. 主要生產機組

采用永久不銹鋼陰極法電解廠一般配備陰極剝片機組、陽極加工機組、殘極機組、自動或半自動行車，高效率的電解液過濾設備、DCS控制系統等。稍有規模的大極板長周期傳統法電解也基本實現陰陽極加工、出裝槽、洗滌、打包的機械化。

（1）陰極剝片機組

完成陰極板受理、清洗、剝離、取樣、壓紋、堆落、稱重、貼標簽、自動打包、重新排距等工作，進口機組設計能力達到500片/小時。

（2）陽極加工機組

將陽極板壓耳、稱重（超重或超輕挑出）、壓平（保證板面平直度）、測厚（太厚或太薄挑出）、銑耳（保證導電良好），按極距排板，加工成達到電解使用要求后裝槽。設計加工能力達到450片/小時，進口機組運行穩定，國產機組液壓系統待持續改進。

（3）殘極機組

將電解出槽殘極進行沖洗、堆摞、打包等，清洗水自動過濾循環使用。設計能力一般450-500片/小時，國產機組已成熟。

（4）自動或半自動行車

采用無線編碼或激光定位，定位精準，按生產計劃自動或半自動地進行日常陰陽極的出裝槽作業，節約出槽時間，生產效率高。同時可配備紅外線短路檢測功能。該設備一般進口，主要有奧圖泰行車、昆茲行車、住友行車。

（5）DCS控制系統

上述四套自動化機組都有各自的PLC進行單獨控制，將機組控制信號與生產系統內溫度、壓力等其他控制點信號進行收集、分類，統一到主控制器形成電解廠整體DCS系統，進行日常生產安排、監控、統計、分析管理等控制。達到集中控制，分散管理的要求。

2. 銅電解整體電解槽

電解槽是電解精煉的重要設備，制造周期長，其維修費用和壽命直接影響電解生產及成本。主要分為兩類：一是傳統混凝土玻璃鋼槽；二是乙烯基酯樹脂整體電解槽。

傳統混凝土玻璃鋼槽制作工藝比較成熟，一次性投資比較少，國內銅電解基本使用該型槽。但該型槽的制作較復雜，工期長，對玻璃鋼防腐制作人員要求高，防腐層壽命較短（一般

6年需要更換），日常小中修費用較高，且維修時間長影響生產效率。生產中需重點防護，易出現跑、冒、滴、漏等現象，對電解出裝槽等生產操作要嚴格管理。

乙烯基酯樹脂整體電解槽由1984年成立的CTI公司進行工業化生產，并實現商業化。該型槽有出色的防腐性能，抗沖擊碰撞能力強，使用壽命長（一般20年以上），電解槽及相關管道施工安裝便捷，槽絕緣性能較好，目前工藝成熟穩定，國外廣泛使用。由于價格較高，一次性投資較大，國內處于試用階段，目前尚無整個銅電解廠大規模使用先例。

以前整體電解槽的價格要比傳統混凝土玻璃鋼槽高出的2-3倍，國內電解槽廠難于接受。目前國內已有三家實現規模生產，整體電解槽性能質量也不錯，價格得到大幅度下降，約是傳統玻璃鋼槽的1.3倍。由于整體電解槽壁厚70mm,槽間距20mm,相鄰兩槽壁160mm。傳統玻璃鋼槽厚115mm, 槽間距30mm,相鄰兩槽壁260mm，相比整體電解槽尺寸減小1/3以上。建設以年產20萬噸電解銅電解廠測算，采用整體電解槽可節省4跨24米廠房，同時槽間導電母排、導電棒、槽間墊板、循環管道、電解槽安裝成本都得到降低，加上整體電解槽年維修費用低、壽命長、槽利用率高，所以從整體投資效益測算，目前建設15萬噸以上電解銅廠采用整體電解槽已比較適宜，也是發展趨勢。

五、結語

國外發達國家的銅精煉企業在上世紀80年代中后期就基本實現采用先進的工藝生產。國內在80年代建成的江銅貴溪冶煉廠的銅冶煉及銅電解已經達到了國際水平，之后，銅陵有色公司、云南銅業等銅冶煉企業也都逐步完成先進工藝技術改造任務，極大提高了生產效率，目前這三家企業的電解銅產能分別達到了100萬噸、70萬噸和40萬噸。目前國內新建或擴建的電解銅廠也紛紛引進先進的技術與先進裝備。近年來國內的設備制造商在電解裝備的研發、生產上取得長足進步，縮短了中國銅工業與世界先進水平的距離，我國正逐步由銅的生產大國向銅的生產強國邁進。