貴冶電解二系統降低直流電單耗生產實踐

賈春江（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

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貴冶電解二系統降低直流電單耗生產實踐

賈春江
（江西銅業集團公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

摘 要：銅電解直流電單耗，是噸銅所消耗的直流電量，能綜合反映電解的生產技術水平。貴溪冶煉廠電解車間二系統，采用ISA法電解工藝，在高電流密度下生產，相比傳統法電單耗更高。為降低直流電單耗，從降低短路率、提高電流效率、降低槽電壓等方面著手采取的一系列具體措施。

關鍵詞：銅電解；高電流密度；槽電壓；電單耗；生產實踐

1 引言

貴溪冶煉廠電解車間二系統，2007年建成投產，采用ISA法電解工藝，設計產能為年產陰極銅30萬t。近年來通過提高電流密度、延長陰極生產周期等措施，有效產能提高到了38萬t/年，但是在提高產能的同時，噸銅直流電單耗出現了大幅上升。這是因為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、接觸點和導體上的電壓損失增加，從而增加了直流電單耗［1］。

電費是電解車間的生產成本的主要構成部分，降低直流電單耗（下簡稱電單耗），是降低生產成本最直接有效的方法。電解的各項技術指標相互影響，在降低電單耗的同時，也可以優化其它的技經指標，對生產控制也有重要的意義。根據工藝條件的設定，本系統的陽極電解通電周期為18天，本文電單耗是由18天的直流電度數之和除以18天的陰極銅產量所得，即周期平均電單耗，以消除因作業計劃不均衡導致的數據誤差。

2 影響電單耗的因素分析

直流電單耗包括生產電解槽、線路損失等全部直流電能消耗量，可用下式來計算直流電單耗［2］

式中W為直流電單耗kW·h/(t.Cu)，E為電解槽的槽電壓V，η為電流效率%，q為銅的電化當量。

從上式可以看出，電單耗的高低取決于銅電解過程中的槽電壓和電流效率，通過降低槽電壓或者提高電流效率，可以降低電單耗。

2.1槽電壓的影響因素

對于一個電解槽來說，為使電解反應正常進行，所必須外加的總電壓稱之為槽電壓。每個電解槽的槽電壓包括：陽極電位、陰極電位、電解液電位引起的電壓降、導體上的電壓降以及槽內各接觸點的電壓降［3］。

式中：E為槽電壓，ξ+為陽極電位，ξ-為陰極電位，EL為電解液電壓降，Ecom為導體上的電壓降，Ep為槽內各接觸點電壓降。

因此要想降低槽電壓，可以通過降低陽極電位，或者提高電解槽導體的導電性，減少導體和電解液的電壓降來實現。

2.2電流效率的影響因素

式中：:η為電流效率，Q為實際銅產量，q為銅的電化當量，I為理論電流，n為電解槽數，t為通電時間。

影響電流效率的因素很多。在實際的生產中，表現為電解液成分、添加劑加入量和各項工藝參數的穩定控制，其中影響電流效率的最主要因素是短路和設備的漏電現象。這是因為設備漏電和極間短路造成了部分電流沒有參與電解反應，白白流失，導致陰極銅產量下降，電流效率降低。

3 對策方案

在實際生產中，我們根據陽極的取樣分析結果來制定合理的陽極裝槽計劃，避免雜質元素在系統內過度積累給電解過程帶來不利影響，穩定工藝條件，降低槽電壓。通過及時修復不銹鋼陰極板，保證裝槽質量；強化短路處理，降低短路率；加強設備設施檢修維護，減少循環系統泄漏和設備漏電造成的電能損失等措施，提高電流效率。

3.1合理安排高雜質陽極裝槽

陽極電位與陽極銅的成份關系密切，陽極銅雜質含量高會導致陽極電位高。從近年來貴冶電解車間的陽極銅使用情況來看，在雜質含量超標的陽極銅中，主要超標雜質元素有鎳、砷、銻、鉍等，其中對槽電壓和電單耗影響最大。表1所示是某段時間內裝槽陽極鎳含量與電度的對應關系（陽極中其它元素含量穩定）。高鎳陽極電解時，不僅使陽極的電位升高，而且鎳也會在電解液中快速積累，導致電解液電壓降快速上升，表現為槽電壓顯著升高。對于類似雜質含量超標的陽極，先進行小批量試用，摸清其表現和影響程度，再制定相應的裝槽計劃和應對措施。

貴冶電解二系統有兩個獨立的循環系統，每作業批次的陽極裝槽量為64槽，每槽54塊。當有高鎳陽極銅裝槽時，首先控制高鎳陽極的單次裝入量，按計劃小批量分批次消化，其次合理布局，按比例分裝在兩個系統，避免電解液成份產生較大波動，化整為零、各個擊破，將高鎳陽極帶來的影響降到最低。

表1　陽極含鎳與電單耗對應表

3.2提高不銹鋼陰極板導電性

高電流密度生產出現陰陽極短路時，極板短時間發熱嚴重，陰極板高溫會發生變形、絕緣板燒壞［4］。電解二系統使用的不銹鋼陰極板有兩種類型。其中一類不銹鋼板的導電棒為“鋼包銅”，即導電棒內部為銅外部為不銹鋼，在導電棒的搭包處才裸露出銅層。隨著生產過程中銅層的磨損，導電棒的鋼層開始突出與導電包接觸，使銅層與導電包虛接，且由于鋼的導電性比銅差，導致接觸部位觸點電壓降Ep上升。

使用高斯計檢測通電槽不銹鋼陰極，可判斷其通過的電流大小，從而將導電性差的不銹鋼陰極板挑出，將導電棒包鋼的突出部分打磨或切除掉，使導電棒銅層能夠與導電包緊密接觸，提高導電性，降低觸點壓降。

圖1　處理前導電棒

圖2　處理后導電棒

3.3降低短路率

短路是指陰陽極間出現的短接現象，發生短路的陰陽極成為了電流的傳輸導體，而在陰極和陽極上沒有發生電解反應。短路率是系統內短路極板數與裝槽極板總數之比，是反映電流利用情況的重要參數。短路率越低則電流效率越高。

在實際生產中，除強化裝槽整缸操作外，還嚴格控制電解液的循環量（28～32L/min）和溫度（61.5～64℃）。因為適當的電解液循環量和溫度，有利于消除陰極附近銅離子貧化現象，增加粒子擴散速度，降低濃差極化作用，使系統的短路率降低［5］。此外，陽極板澆鑄過程中，產生的毛刺、板筋等導致陽極板板面不平整，引起極板間短路［6］，其中陽極底部飛邊毛刺導致的初始短路最多。針對底部飛邊，通過陽極機組優化改進，抬高陽極板在壓力機內位置，使壓力機可以壓平底部飛邊毛刺，有效減少了初始短路。強化短路處理，減少短路時間和重復短路。通過上述措施，如圖3所示，短路率由0.25%逐步下降為0.10%左右。

圖3　短路率變化趨勢

3.4更換絕緣皮和漏電管道

經過7年的連續生產，電解槽導電銅排下的絕緣皮嚴重老化，表面及內部滲透形成大量硫酸銅結晶，再加上電解槽玻璃鋼防腐層老化，導致對地絕緣下降，產生漏電現象。陰陽極與導電銅排之間存在氧化層或硫酸銅結晶時，接觸點電阻增大，槽電壓升高［7］。循環系統FRP上酸和回液主管老化嚴重，管道內電解液滲漏，同樣造成漏電。因此對電解槽絕緣皮進行了批量更換，并徹底清理導電銅排，將老化的上酸、回液主管改為絕緣性更好、抗老化能力更強的增強聚丙烯和復合PE管道。

3.5調整電流，保持合理殘極率

電解槽內的電解液電壓降關系式如下［8］：

I為通入電解槽的電流強度，n為電解槽內的極間數目，ρ為電解液的比電阻，l為極距，A為起反應的電極表面積。

隨著電解過程的進行，陽極銅逐漸溶解，極距I增加，陽極表面積A變小，電解液電壓降EL上升，因此殘極率并非越低越好，重要的是保證殘極率的穩定性，保證陽極溶解的均勻性，一方面單塊陽極板面各區域要均勻溶解，另一方面同槽內各塊陽極在相同時間內要基本等量的溶解［9］。通過一些措施的實施，短路率下降，電流效率提高，殘極率也明顯降低，但殘極率持續降低也帶來能耗的反彈。在這種情況下，我們將整流器輸出電流由37400A降低到37100A，使殘極率穩定在一個相對合理的范圍，以保持更好的能耗指標。如圖4所示，目前系統殘極率控制在13.4%左右。電流I降低后，電解槽導體R基本恒定，Ecom=I2/R，導體電壓降同時下降。

圖4　殘極率變化趨勢

4 實施效果

采取以上措施后電單耗有明顯下降，見圖5。

圖5　陰極銅噸銅直流電單耗對比

5 結語

電解車間二系統實際陰極銅產量達38萬t/年，因此降低電單耗對降低電解成本有重要意義。電單耗作為反映電解技術和管理水平的綜合性指標，是各種因素共同作用的結果，在實際調控過程中，任何一項指標的改變都可能會引起其它指標的變化，需綜合考量。

參考文獻：

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The Productive Practice of Reducing DC Unit Consumption in the 2ndElectrolysis System of Guixi Smelter

JIA Chun-jiang
（Guixi Smelter, Jiangxi Copper Corporation, Guixi 335424, Jiangxi, China）

Abstract:Theunit DC consumption in copper electrolysis is the DC electricity comsumption of tons copper, and it reflects the level of copper electrolysis technology and management.The 2ndelectrolysis system of Guixi Smelter uses the ISA technique with high current density. Compared with the traditional method，the power consumption is higher.This paper describes a series of concrete measures to reduce the DC power consumption, from cutting down the short circuit rate, improving current efficiency, reducing the cell voltage, etc.

Keywords:copper electrolysis；high current density；cellvoltage；DC unit consumption；productive practice

作者簡介：賈春江(1984-)，男，河北井陘人，本科，主要從事銅電解工作。E-mail:260183097@qq.com

收稿日期：2015-12-04

中圖分類號：TF111.52

文獻標識碼：B

文章編號：1009-3842（2016）01-0044-04