降低傳統(tǒng)法陰極銅直流電單耗

周 楠

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

降低傳統(tǒng)法陰極銅直流電單耗

周 楠

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

通過對影響銅電解直流電單耗的主要因素的分析，貴溪冶煉廠電解車間采取提高始極片垂直度、減少系統(tǒng)漏電、提高電解液導(dǎo)電率、合理調(diào)整殘極率等措施，有效降低了傳統(tǒng)法陰極銅直流電單耗，陰極銅電單耗由原來的334.51kW·h/t降低至324kW·h/t。

傳統(tǒng)法；直流電單耗；始極片；殘極率；陰極銅

1 引言

江銅集團(tuán)貴溪冶煉廠電解車間一系列自投產(chǎn)至今一直采用傳統(tǒng)法電解生產(chǎn)工藝，經(jīng)過幾次擴(kuò)建，目前擁有1412個(gè)電解槽，年產(chǎn)能30萬t。近年來隨著技術(shù)和管理水平的不斷提高，多項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)創(chuàng)歷史最好水平，但是降低能耗方面的進(jìn)步相對緩慢。電解車間是用電大戶，電耗是綜合反映電解生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是對成本影響最大的因素，同時(shí)對陰極銅的質(zhì)量也具有較大的影響。為了降低生產(chǎn)成本，節(jié)約能源，提質(zhì)增效，將銅電解生產(chǎn)過程中的電耗指標(biāo)降下來尤其重要。

銅電解電耗有兩種，一種是直流電單耗，一種是交流電單耗。交流電單耗包含有直流電單耗，因此降低直流電單耗的措施，也是降低交流電單耗的措施。

2 直流電單耗現(xiàn)狀調(diào)查

近幾年電解車間一系列直流電單耗與電流密度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 一系列各年度電流密度與直流電單耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，電解車間一系列的噸銅直流電單耗都還比較高且有波動(dòng)，說明仍有下降空間。

3 影響直流電單耗的主要因素分析

銅電解直流電單耗的決定因素由槽電壓和電流效率組成，其計(jì)算公式如下：

式中：η─電流效率（%），M─實(shí)際析出電銅質(zhì)量（t），q─金屬的電化學(xué)當(dāng)量，對于二價(jià)銅是1.18548（g·A-1·h-1），I─電流強(qiáng)度（A），t─析出時(shí)間（h），n─槽數(shù)（個(gè)），E─直流電耗（kW·h/t），V─槽電壓（V）。

由此可知，直流電單耗與槽電壓成正比，與電流效率成反比。也就是說，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中應(yīng)該降低槽電壓，提高電流效率才有利于直流電單耗的降低。

3.1 電流效率

為了提高電流效率，應(yīng)盡可能的控制或減少副反應(yīng)的發(fā)生。防止系統(tǒng)設(shè)備漏電以及極間短路多等等。系統(tǒng)設(shè)備漏電包括電解槽以及循環(huán)系統(tǒng)的漏電。導(dǎo)電板絕緣不良，電解槽絕緣不好，或者循環(huán)系統(tǒng)老化泄漏嚴(yán)重，直流供電系統(tǒng)在泄漏點(diǎn)接地，都會造成電流損耗。大量銅粒子的形成導(dǎo)致陰陽極短路，直接影響電效。圖1是該車間一系列在2014年度直流電耗以及電流效率的數(shù)據(jù)記錄曲線。

圖1 一系列2014年度直流電單耗與電效數(shù)據(jù)記錄曲線

由圖1數(shù)據(jù)分析可得，車間一系列在2014年的電流效率為98.32%，還有進(jìn)步空間。為此，加強(qiáng)電解液的濃度和溫度等工藝技術(shù)條件的控制，提高始極片的垂直度，盡量除去電解液中的有害雜質(zhì)，適當(dāng)加入添加劑和選擇適當(dāng)?shù)碾娏髅芏龋际翘岣唠娦У耐緩健?/p>

3.2 槽電壓

槽電壓由以下幾個(gè)部分組成［1］：

式中：E─槽電壓，EA─陽極實(shí)際電位，EK─陰極實(shí)際電位，Eη─極化電動(dòng)勢，EΩ─電解液內(nèi)阻歐姆電壓降，ER─槽內(nèi)接觸點(diǎn)導(dǎo)電體等外阻電壓降。

由公式（4）可知，組成槽電壓的所有項(xiàng)目包括電解槽兩極端點(diǎn)電位差，極化電動(dòng)勢，電解液內(nèi)阻所引起的歐姆電壓降，電解槽各接觸點(diǎn)、導(dǎo)電體和陽極泥等外阻所引起的電壓降等等。其中兩極端點(diǎn)電位差和極化電動(dòng)勢常利用能斯特公式和塔費(fèi)爾公式進(jìn)行計(jì)算［1］，其他因素可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐進(jìn)行討論。

3.2.1 電解液歐姆電壓降

直流電單耗受電解液中的成分含量及技術(shù)條件的影響。電解液的比電導(dǎo)是對電解液導(dǎo)電性能的具體表現(xiàn)。根據(jù)相關(guān)研究表明［2］，影響電解液比電導(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。電解液比電導(dǎo)受鎳離子濃度影響比銅離子更大。適當(dāng)提高電解液溫度，可以加速離子擴(kuò)散，降低溶液濃差極化，提高導(dǎo)電率，減少電解液的粘度和比重，有利于陽極泥的沉降，從而降低槽電壓。表2是一系列2012-2014年電解液主要的工藝技術(shù)控制條件和直流電單耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)記錄。

表2 一系列2012-2014年電解液主要工藝技術(shù)控制條件和直流單耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

從表2上可以看出，近幾年來一系列電解液的鎳離子含量有上升的趨勢，直流電單耗隨之增大。降低電解液中鎳離子的含量，提高電解液電導(dǎo)率，有利于降低直流電單耗。

3.2.2 電解槽接觸點(diǎn)電壓降

陰極導(dǎo)電棒與槽間導(dǎo)電板的接觸面是圓弧形，其優(yōu)點(diǎn)是接觸良好，并且導(dǎo)電性好。當(dāng)電解時(shí)間較長時(shí)，接觸點(diǎn)處有硫酸銅析出，使接觸狀況變壞，接觸電壓升高，造成銅棒溫度上升，其表面易形成氧化膜［3］，電阻增加而使接觸電壓更高。

3.2.3 導(dǎo)電體電壓降

銅電解精煉的陽極板是一種含有多種元素的合金。在電解過程中，粗銅陽極板中的雜質(zhì)會出現(xiàn)強(qiáng)烈的化學(xué)和物相變化，這對陽極鈍化、陰極質(zhì)量、電解液凈化以及從陽極中回收有價(jià)金屬均具有很大影響［4］。當(dāng)陽極雜質(zhì)含量高時(shí)，雜質(zhì)不斷溶解在電解液中，造成電解液電阻不斷增加，而且在陽極表面易形成陽極泥膜，甚至陽極鈍化，這些均會導(dǎo)致槽電壓增大。

4 降低直流電單耗的生產(chǎn)措施

近兩年來，從工藝、設(shè)備、管理、操作等多方面著手，通過相關(guān)技術(shù)人員的攻關(guān)，該電解車間一系列直流電單耗有較大幅度的降低。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出以下措施：

4.1 提高電流效率

4.1.1 提高始極片垂直度

始極片壓紋輥因酸腐蝕以及機(jī)械磨損需要定期更換，由于壓紋時(shí)始極片每根紋路要經(jīng)過3～4次重復(fù)軋制，因此安裝時(shí)每組輥?zhàn)由舷鄳?yīng)的凹凸輪的位置必須做到絲毫不差，稍有偏差，壓紋時(shí)前輥軋制的紋路就會被后一組軋制時(shí)破壞，造成始極片垂直度差。為了加工出垂直度好的始極片，該車間對始極片加工機(jī)組進(jìn)行了改造。將每根紋路重復(fù)軋制3～4次改進(jìn)為每根紋路只軋制一次，同時(shí)將原來由外向內(nèi)壓紋方式改為由內(nèi)向外軋制，消除了壓紋過程中產(chǎn)生的形變應(yīng)力向內(nèi)集中的現(xiàn)象，使應(yīng)力向外釋放，穩(wěn)定提高了始極片垂直度。圖2是該車間一系列始極片加工機(jī)組改造前后一個(gè)月抽取的始極片垂直度數(shù)據(jù)記錄曲線。

圖2 一系列始極片加工機(jī)組改造前后一個(gè)月垂直度數(shù)據(jù)記錄曲線

4.1.2 優(yōu)化改造減少漏電

電解液在電解過程中是種導(dǎo)體，其電位在陰陽電位之間［5］。為了防止和減少漏電問題，一系列更換泄漏嚴(yán)重的電解槽，吊裝整體樹脂新電解槽48個(gè)。更換泄漏嚴(yán)重的電解液管道1440m，安裝聚丙烯和復(fù)合PE新式管道。及時(shí)檢修其他電解槽和管道的泄漏點(diǎn)。加強(qiáng)電解槽之間，溶液循環(huán)系統(tǒng)和對地的絕緣，更換電解槽老化絕緣皮376塊，絕緣板399塊。改造加酸管，拆除鈦管，更換為復(fù)合PE管道，消除管道漏電。管道支架做絕緣處理，在檢修期間使用角鋼作為管道支架的接地支撐全都改為鋼襯PE支架。

4.1.3 提高槽面操作技能和短路處理效率

在員工之間開展勞動(dòng)競賽，獎(jiǎng)金與電效掛鉤，強(qiáng)化班組競爭意識，促使員工不斷提高操作技術(shù)水平。該廠在2015年度開展了電解精煉工技能競賽，員工的操作技能得以提升，嚴(yán)格的操作法及保優(yōu)措施，確保了電銅質(zhì)量的提高。提高短路處理效率，加強(qiáng)早中晚三班短路處理。同時(shí)加強(qiáng)極板整形，使極板平整垂直，無飛邊毛刺等，降低短路率，提高電效，從而減少電耗。

4.2 降低槽電壓

4.2.1 降低電流密度

在當(dāng)電流密度增大時(shí)，陰陽極電位差增大，同時(shí)電解液的電壓降，接觸點(diǎn)和導(dǎo)體上的電壓降增加，從而增加了槽電壓和電銅的直流電耗［6］。由于電流密度越高，電流發(fā)熱越多，電耗就越高。就此現(xiàn)象該車間一系列增加電解槽開動(dòng)數(shù)54槽，電流密度由原來的279A/m2降低至255A/m2，陰極銅周期延長至12天。圖3是該車間電流密度調(diào)整前后一個(gè)月的直流單耗數(shù)據(jù)記錄曲線。

圖3 一系列電流密度調(diào)整前后一個(gè)月直流電單耗數(shù)據(jù)記錄曲線

由圖3中的數(shù)據(jù)記錄曲線可以看出，增加電解槽開動(dòng)數(shù)和降低生產(chǎn)電流后，直流電單耗有明顯的減少。

陰極浸入電解液的深度長短直接改變電流密度，從而影響槽電壓。傳統(tǒng)電解法在生產(chǎn)過程中有高中低三個(gè)液位之分。為研究合適的電解高液位線標(biāo)準(zhǔn)，降低噸銅電單耗，該電解車間一系列以老系統(tǒng)24組為實(shí)驗(yàn)槽，調(diào)節(jié)液位高度，測量、記錄并計(jì)算出不同液位的電流密度與槽壓的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 電流密度、槽壓與液位高度之間關(guān)系的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在電解精煉過程中，液位線過高，淹沒始極片和陽極會造成電解后期電銅上口長粒子和大量殘極斷耳掉落的現(xiàn)象，就生產(chǎn)實(shí)際情況綜合考慮，高液位調(diào)整至陰極銅上沿下端15mm為降低直流電單耗的合理液位線，并且維持的周期天數(shù)由原來的4天變?yōu)?天。

4.2.2 調(diào)整殘極率

在銅電解后期，陽極表面積會大幅縮小。如果殘極率高會直接提升回爐成本，因此在生產(chǎn)過程中盡量降低殘極率。但不可追求過低的殘極率，這樣會使得槽內(nèi)實(shí)際通電的陽極在電解后期有效面積大幅減小甚至斷耳，電流密度增大，造成槽電壓急劇升高，最終導(dǎo)致電耗增高。因此本廠根據(jù)實(shí)際情況綜合考慮，選擇合理的殘極率控制在13.5%～14%之間。通過核算陽極通電時(shí)間，對通電時(shí)間過長的電解槽組，進(jìn)行提前停電操作，穩(wěn)定電解后期總槽壓。

4.2.3 提高電解液導(dǎo)電率

脫銅槽雜質(zhì)脫除效率越低，脫銅脫雜槽開動(dòng)數(shù)越多，電耗就越高。針對電解液脫雜能力跟不上現(xiàn)有生產(chǎn)進(jìn)度的狀況，將凈液工序誘導(dǎo)法電積脫銅脫雜槽改為分級脫銅脫雜工藝，提高了雜質(zhì)脫除效率，減少脫銅脫雜槽開動(dòng)數(shù)量12個(gè)，凈液電耗顯著降低。同時(shí)通過加強(qiáng)工藝控制、降低濾液含銅等措施，進(jìn)一步提高了As、Ni的脫除量，降低了電解液As、Ni等雜質(zhì)含量，將電解液含Ni量上限由15g/L下調(diào)為13g/L。

添加劑對電耗的影響由添加劑在電解過程中的機(jī)理決定。適當(dāng)?shù)哪z量促使陰極銅形成平滑的表面，減少缺陷。同時(shí)由于添加劑的分子或絡(luò)合物能在陰極表面形成膠質(zhì)薄膜，從而增加電阻，造成槽電壓升高。因此在保證陰極銅質(zhì)量的前提下進(jìn)行低膠生產(chǎn)，通過低膠電解項(xiàng)目攻關(guān)，一系列減少骨膠加入量5g/t左右，提高了電解液導(dǎo)電率，降低了電耗。

4.2.4 清潔接觸點(diǎn)

定期沖水既可以沖洗掉各接觸點(diǎn)表面的硫酸銅結(jié)晶和雜質(zhì)，又能降低接觸點(diǎn)溫度，從而使接觸電壓降低。一般情況電解槽面每隔2h沖水1次。出裝槽時(shí)對電解槽接觸點(diǎn)需清刷干凈并檢查，同時(shí)需要定期燙洗銅導(dǎo)電棒，保持銅導(dǎo)電棒的潔凈度以及良好的導(dǎo)電性，降低導(dǎo)電棒接觸電阻。

5 結(jié)語

經(jīng)過不斷摸索，貴溪冶煉廠在降低傳統(tǒng)法陰極銅直流電單耗方面總結(jié)出了一系列有效措施，取得了不錯(cuò)的成績，2015年度直流電單耗降至324kW·h/t。

［1］傅崇說. 有色冶金原理［M］. 北京：冶金工業(yè)出版社， 2008：285-287.

［2］朱祖澤， 賀家齊. 現(xiàn)代銅冶金學(xué)［M］. 北京：科學(xué)出版社， 2003：516-517.

［3］董文勝， 蔡光齊. 降低直流電單耗的生產(chǎn)實(shí)踐［J］. 稀有金屬， 2006，30（s2）：127-129.

［4］彭容秋. 銅冶金［M］. 長沙：中南大學(xué)出版社， 2004：237-242， 230.

［5］胡淵明， 馬春來. 降低銅電解直流電耗的生產(chǎn)實(shí)踐［J］. 有色礦冶，2006， 22（4）：61-63.

［6］別良偉. 銅電解精煉過程中的節(jié)能措施與實(shí)踐［J］. 銅業(yè)工程，2011（1）：43-45.

Reducing the Traditional Copper Cathode DCConsumption

ZHOU Nan
（JCC Guixi Smelter， Guixi 335424， Jiangxi， China）

By analyzing the main factors affecting copper electrolytic direct current consumption， the electrolytic workshop of Guixi Smelter took measures to improve the starting sheet verticality， reduce system leakage of electricity， improve the electrolyte conductivity，adjust the scrap ratereasonably， reduce the traditional copper cathode direct current consumptioneffectively. Copper cathode electricity consumption was reduced from the original 334.51KW·h/t to 324KW·h/t.

traditional method；direct current consumption；starting sheet；scrap rate；copper cathode

TF811

B

1009-3842（2016）04-0065-04

2016-03-29

周楠（1987-），男，江西玉山人，本科，主要從事銅電解精煉生產(chǎn)操作工作。E-mail： 642944134@qq.com