永久不銹鋼陰極板使用實踐

吳萬華

（紫金銅業有限公司，福建 龍巖 364200）

300 kt/a銅冶煉項目由中國瑞林設計院設計，第一期200 kt/a于2012年年初建成投產，2015年挖潛增效至300 kt/a。其中配備960槽電解槽、兩臺進口電解專用吊車、一臺進口陽極整形機組、兩臺國產陰極銅剝片機組、一臺國產殘極洗滌機組、進口不銹鋼陰極板38 880塊、國產陰極板14 310塊。陰極板的性能直接影響陰極銅的質量，其中陰極板的導電率直接關系著電解的槽電壓，進而影響銅電解的交流電耗等關鍵技術經濟指標。該項目不銹鋼陰極板使用年限近6年，其間主要存在陰極板懸垂度變差，表面平整度、光潔度及導電性能變差等問題。

1 陰極板結構及性能介紹

為了避免傳統始極片不平整給產品質量帶來的不利影響，1978年澳大利亞艾薩公司的湯韋爾銅冶煉廠通過不斷創新和實踐，探索利用剛度和韌性較好的不銹鋼板替代傳統始極片作為陰極，極板的平整度大大提高。電解時，銅直流電在作用下在不銹鋼陰極上不斷析出，沉積到一定厚度后在剝片機組將陰極銅剝離作為產品，不銹鋼陰極板則重新返回電解槽中繼續重復使用，開創了永久不銹鋼陰極銅電解技術。該技術省去了始極片的生產工序，縮短了工藝流程，大大提高了生產效率，有效降低生產成本。不銹鋼作為銅電解精煉的陰極板，已經成為一種趨勢，也逐步推廣。不銹鋼陰極板根據導電棒類型可分為鋼包銅不銹鋼陰極板和銅包鋼不銹鋼陰極板。本項目采用的陰極板為鋼包銅不銹鋼陰極板，其結構如圖1所示，其制作過程主要有以下步驟[1]。

圖1 不銹鋼陰極板結構

（1）將陰極銅熔煉澆鑄成銅方坯，并將方坯擠壓成實心銅棒；將不銹鋼無縫圓管輥壓形成與銅吊棒合適的形狀；通過冷擠壓復合的方式使無縫不銹鋼管與紫銅棒復合成型至設計尺寸大小，并緊密結合，然后切割成陰極板所需的最終長度，制作成鋼包銅復合導電梁；不銹鋼包銅復合導電梁上局部銑出榫槽，兩端底部銑出紫銅，并成一定圓弧。

（2）將不銹鋼板裁剪至設計尺寸，不銹鋼頂部剪兩個吊裝用窗口，底部銑削90°倒V型槽；將平整過的不銹鋼板榫頭壓入槽中，使不銹鋼板直接與導電梁緊密接觸；用氬弧焊接的方式將不銹鋼板與復合導電棒不銹鋼套袖包裹焊接在一起以避免電化腐蝕；安裝夾邊條，使其與陰極板緊密貼合；掛吊檢驗裝配后的懸垂度，并在導電棒上打上產品鋼印。

2 陰極板使用過程出現的問題及原因分析

極板的懸垂度和平整度對保持極板電流的均勻分布及電流效率作用極為重要[2]。陰極板的平直不容易引起極間短路，可以提高電流效率和電流密度，進而提高產量和陰極銅質量。懸垂度差的陰極板則會導致電流分布不均，嚴重時會產生極間短路和陰極銅長粒子的質量缺陷。目前，陰極板在使用過程中主要存在導電棒變形、板面變形與劃痕等問題，主要是由以原因造成的[3]。

使用剝片機組剝離時，不銹鋼陰極板在撓曲工位受到松板機構的反復擠壓和彎曲，特別是板兩側撓曲行程不一致時對板面損傷更大；切刀、砍刀、分離刀定位位置出現偏差將板面劃傷，或操作不當使不銹鋼陰極板產生應力集中而出現彎曲和波浪狀變形等；電解專用行車吊運陰極板下槽時與陽極板飛邊發生碰撞，導致板面彎曲；夾邊條老化松動或缺失，電解液液位偏高沒過窗口，導致陰極銅兩面連在一起，導致銅板難剝離或無法剝離時，采用電鎬或鑿刀強行將其剝開導致板面損傷；夾邊條夾緊裝置壓邊行程過大或壓力過高，陰極板晃動定位不準出現斜擠壓，導致板面變形。不銹鋼陰極板使用時間越久，不銹鋼陰極變形越嚴重，數量就越多，當陰極板板面平整度和懸垂度＞5 mm時，為了避免極間短路和長粒子，必須將不合格陰極板挑出修復。

陰極銅的剝離難易程度主要取決于陰極銅與陰極板的結合強度。結合強度高，陰極銅不剝離或難剝離，損壞陰極板且影響剝片效率；結合強度小，陰極銅在行車起吊或機組洗滌時易開裂脫落甚至掉在槽內，容易造成物體擊打安全事故和增加工作強度。陰極銅和陰極板的結合強度主要取決于不銹鋼陰極板表面光潔度。因此，表面光潔度要求在2B水平，既保證陰極銅不易脫落，又保證在剝片時易剝離。使用過程中由于板面長期浸泡在電解液中，板面容易結垢，主要附著不導電物質，如有機膠、砷銻鉍化合物、硫酸鋇、硫酸鈣等，使得板面導電性能下降。此外，隨著使用年限的加長，大多數導電棒密封銅套松動或缺失，不銹鋼套與銅棒出現分層現象，導電棒內部滲入電解液，極板底部與陰極導電端之間電阻增大，導電率不理想，導電棒往陰極板傳遞電流的性能下降。在電解第二周期時，陽極板逐步溶解，板身變小，陰陽極平行面積變小，根據庫侖定律E=KQ/r2，其中Q為場源電量，r為距場源中心距離，因此，陰極板底部附近電場強度很小甚至沒有，導致陰極板底部不發生電化學反應吸附銅，陰極銅長的不飽滿，出現花板，影響陰極銅外觀質量。

3 應對措施及取得的效果

目前，陰極板容易出現懸垂度變差、表面不平整、光潔度變差等問題。首先要從源頭抓起，通過對機組不斷調試和改進，確保機組處于良好運行狀態，有計劃進行預防性維護保養，杜絕設備帶病運行。其次，加強運行人員培訓，提高員工操作技能，規范標準化作業，避免違規和野蠻操作導致損傷陰極板。還有加強陽極板質量控制，及時發現剔除陽極板飛邊，通電前調整好電解槽液位，及時更換老化松動夾邊條等，避免陰極板損傷。陰極板必須懸掛放置，不得立在地板或疊在一起使得陰極板彎曲，此外應避免陰極板長時間浸泡在電解液中。

對于陰極板變形，懸垂度變差的陰極板一般修復即可。不銹鋼陰極板的修復方法一般分為校平機修復和人工修復。修復完畢懸掛在專用工具上，測量陰極板的垂懸度并記錄，要求導電棒直線度≤2 mm，板面平整度≤±3 mm，對角線≤±3 mm，不銹鋼陰極板板面與導電端頭導電平面垂直度（懸垂度）≤±3 mm。

表面光潔度不理想問題可以通過人工打磨拋光或刷光機得到恢復。首先將夾邊條取下，用專用鏟子去除陰極板板面未剝凈的銅，去除表面毛刺與銅粉，用角磨機將板面附著的不導電結垢去除，使用角磨機時應用力均勻。為了避免損壞陰極板，打磨必須使用特種纖維輪，不得用硬質的砂輪。要求修復后的板面光滑、無劃傷等缺陷，板面光潔度恢復至2B。針對導電棒密封性能下降、電解液滲入導電棒內部問題，可在導電棒兩端空隙注入導電膠或氬弧焊，一是起密封作用，阻礙電解液進一步滲入導電棒，引起電化學腐蝕；二是增加導電性，提高導電棒與陰極板之間的電流傳遞性能。而針對第二周期陽極板板身變短、陰極板底部電場強度減弱、陰極銅吸附不飽滿問題，可適當加長陽極板板身長度，使得陽極板平行面積加大，提高電解電流強度，以提高陰極板底部電場強度和陰極銅質量。

夾邊條夾持力不足，對極板夾持密封不嚴導致陰極銅兩邊緣長花瓣，可定期更換夾邊條和在剝片機組受板鏈工位增加夾邊條夾緊裝置。此外，應避免陰極板長期高溫浸泡，降低洗滌水溫度以提高夾邊使用壽命，降低夾邊條更換率。

通過有計劃的精細化管理和員工標準化作業，陰極板性能得到很好的改善，懸垂度和板面光潔度完全滿足工藝要求，生產的陰極銅完全符合A級銅標準，成功在上海金屬交易所和倫敦金屬交易所注冊，并暢銷海內外市場。

1 郭忠誠，薛方勤，朱曉云，等.銅電解精煉耐用型不銹鋼陰極板的制備方法：中國，CN02113351.4[P].2003-02-26.

2 孫小亮，李華武.永久不銹鋼陰極板修復及懸垂度檢驗方法[J].有色冶金設計與研究，2017，38（1）：20-23.

3 潘新權，趙榮升，吳文明.KIDD工藝陰極板變形原因探究與治理[J].銅業工程，2011，（2）：30-32.