提升電銅剝離率的探索與實踐

謝鈿生， 何夏雨， 謝 君

(銅陵有色金冠銅業分公司， 安徽 銅陵 244000)

金冠銅業電解車間設計產能40萬t，選用不銹鋼永久陰極電解工藝，配置2套機器人式高速剝片機組，設計加工速度630片/h。不銹鋼陰極板選用KIDD法，導電棒為鍍銅鋼棒，陰極板的底邊開有90°的V形槽，兩側垂直邊采用夾邊條(塑料夾條和張緊棒)絕緣，生產出來的電銅兩片底部相連[1]。

電解生產系統及陰極剝片機組于2013年2月投入生產運行，經過一年多的生產運行，電解生產負荷及電銅質量趨于穩定，剝片機組生產日均負荷基本穩定。后來由于電銅剝離困難、剝離次數多、機組故障率高等問題，2014～2015年電解滿負荷生產期間的電解出銅作業，平均每天要到20∶00結束，較設計的18∶00結束晚兩個小時，剝片機組的加工作業效率低、維修成本高、裝出槽時間長問題突出。

1 電銅剝離

1.1 電銅剝離

電銅剝離是指電銅在剝片機組經過洗滌后，通過機器人轉運到剝片，經固定、繞曲或擠壓使電銅產生形變，利用銅板的剛性和陰極板的柔性不同而產生分離，然后通過剝離小刀、砍斧作用，使陰極銅與不銹鋼板完全分離的過程[2]。電銅一次剝離率是指每塊電銅在剝片站經過繞曲、小刀分離、砍斧3個功能一次性完成電銅剝離的電銅數量與當日電銅剝片總數的比例。

剝片機組加工是電解生產的最后一道工序，剝片機組電銅加工分為洗滌、剝離、固定、堆垛、稱重、打包等6個主要過程[3]。電銅剝離是整個機組加工最為關鍵的環節，在實際生產中，可能由于電銅質量(例如底部過厚、過薄、肥邊等)、陰極板或機組故障等原因，導致電銅在剝片站無法經過繞曲、小刀分離、砍斧3個功能一次性完成電銅剝離。因此，電銅一次剝離率高低可以直接影響到機組作業效率、故障率、維修成本、裝出槽時間及機組安全生產作業環境。

1.2 電銅剝離率對生產的影響

金冠銅業電解系統自2013年投產以來，通過初期試生產磨合及設備和工藝的優化，整個生產系統實現了達產運行。在2015～2016年期間，公司就電銅剝離問題進行了專項統計，前期銅的平均一次剝離率73%、后期銅的平均一次剝離率僅有58%，詳細情況見表1、表2。由于電銅一次剝離率水平較低，對電解生產管理、剝片機組設備運維產生很大影響：由于電銅多次剝離，每天每臺剝片機組作業時間延長約30～40 min；由于電銅難剝離，增加了砍斧動作頻次，導致砍斧故障高發，而且由于銅鋼難分離，砍斧對陰極板的損壞及懸垂度產生極大影響，尤其是對夾邊條的損壞明顯；難剝離板在進行手動模式剝離時，會出現單面電銅剝離，給機器人錯誤信號，造成機器人卡板故障，嚴重時可能導致機器人碰撞重大故障；對于經多次剝離而無法剝離的電銅，需要人工進入剝片站進行人工剝離或用行車吊離，給人員操作增加安全風險。

表1 前期電銅剝離次數統計

表2 后期電銅剝離次數統計

2 影響電銅剝離率的主要原因分析

2.1 電銅物料差

1)陰極銅重量不達標。電銅板面物理規格應大小固定，重量過輕則是銅板厚度不夠，剛性達不到銅、鋼分離要求，一般低于80 kg(不含陰極板重量)的電銅，剝片機組是無法剝離的。重量不達標主要原因：一是陰極板在電解生產過程中，由于陰極板、陽極板導電不良或是極板短路，導致陰極銅生長質量不夠；二是陽極板單重較理論計算值過低，陽極后半周期重量不夠或過殘，導致陰極板沒有對應的陽極，從而陰極銅生長質量不夠。

2)陰極銅下沿過薄。陰極板面與陽極板板面是按照一定比例設計的，一般陽極板的掛耳長度/陰極板的掛棒長度不低于0.96，如果此值低于0.96，陽極板經過前半周期的溶解，后半周期陽極板將逐步變薄、變短，電極面積減少，對應的陰極板電極面積也會減少，尤其是陰極板下部進一步變短，導致陰極下沿長銅慢、少[4]。這點認識已經在生產實踐中確認，有一個時間段，機組出現大面積陰極板下沿過薄問題，對陽極板堆場進行了陽極板測量，隨機抽取了10槽(每槽56塊)，其中陽極板掛耳長度低于最小設計值1 089 mm的陽極板比例達到57.14%。追索原因是陽極板生產車間試用銅模澆鑄，隨著銅模試用時間延長，銅模變形縮小，導致澆鑄陽極板長度變短。

2.2 陰極板質量保障低

1)陰極銅底部與陰極板底部凹槽粘連過緊無法一次剝離。該問題起初在生產初期尤為明顯，部分陰極板底部Ⅴ形槽開口未對毛邊處理，導致極板在通電生產后，由于毛邊不光滑，陰極生長后粘結過于緊密，底部還可能會產生肥邊，進而導致電銅在機組極難剝離。

2)不銹鋼陰極板導電棒鍍銅損壞，導致陰極板導電性能下降，陰極銅生長不完全，電銅板面過薄。陰極板導電棒鍍銅損壞的主要原因：機組的剝離小刀撞擊、小刀故障反向旋轉損壞鍍銅；行車在下槽時，吊鉤擠壓損壞鍍銅。

2.3 機組設備存在故障及缺陷

1)砍斧和大臂變形或破損。砍斧和大臂變形或破損，會導致砍斧在砍銅時，砍傷陰極板夾邊條或擠松夾邊條，損壞后的陰極板再裝槽長銅，導致陰極板側面兩片連接起來進而無法剝離[5]。這個問題如果處理不及時，就會形成一個惡性循環。電銅出現夾邊條長銅，出現難剝離，難剝離后砍斧動作次數增加，進一步增加夾邊條損壞機率，損壞的不銹鋼板循環裝槽生產，又產生更多難剝離銅，形成一個惡性循環。

2)剝片機組震動。該問題主要是高速剝片機組結構設計缺陷和分離機架油缸動力設計缺陷。金冠銅業的機器人式高速剝片機組是全沉式剝片站，剝片站離地很高，機架連接強度不夠，再加上分離機架要求動作非常快，這兩個問題進一步疊加，導致剝片機組剝片站震動非常大。剝片機組震動大，一方面增加機械設備的磨損疲勞故障，另一方面損傷陰極板，尤其是導電棒損失尤為明顯。

3)夾邊條校緊裝置功能缺失。剝片機組原本在輸出單元設計有一個校緊裝置，該裝置可在陰極板循環使用過程中校緊修復夾邊條，但在試車調試過程中發現，該功能無法實現運行，導致部分陰極板夾邊條松動，夾條絕緣效果下降，陰極板側邊長銅，使得電銅無法剝離或被砍斧損壞。

2.4 生產管理及操作不到位

1)裝槽管理不到位。裝槽是把經過剝片機組出來的陰極板和陽極機組加工出來的合格陽極板裝槽。裝槽操作過程中，導電排接觸點、陰極-陽極間距調整2項操作質量是保證電銅質量的基礎，陰極板裝槽前的完整性檢查是對機組加工循環利用的補充檢查，應及時發現損壞的陰極板，并進行更換。

2)剝片機組的操作及設備維護[3]。金冠銅業的剝片機組是首套第三代剝片機組，機組生產運行系統較為復雜，具有功能多、運行速度快的特點，一般一名合格的高速剝片機組主操手需要至少半年以上的培訓和帶徒實踐。在電銅剝離方面，操作方面的問題主要體現在對異常電銅物料的及時發現和剝離方式的判斷：如果難剝離電銅未及時發現，經機器人輸送到剝片站，剝片站根據自動程序進行剝離，一次剝離無法剝離，一旦遇到無夾邊條電銅，砍斧極易損傷；如果是底部過薄或單面電銅，則陰極板或夾邊條極易損傷。剝片機組的設備維護問題：一方面是設備點檢是否到位，能否及時發現故障前奏，尤其是剝片站，剝片站是機組加工動作最頻繁的單元，分離小刀、砍斧、砍斧大臂、導電棒固定裝置、輸出單元夾邊條加緊裝置等尤為關鍵；另一方面是對設備的維修是否到位，尤其是焊接、固定維修，如果出現焊接不到位，可能產生二次派生較大故障。

3 優化改進

3.1 優化改進工藝，解決電銅物料差問題

1)增加后期銅下部厚度。通過延長陽極板掛耳板身長度，要求陽極板生產車間加強陽極板長度、寬度質量檢驗，確保生產符合設計尺寸的合格陽極板，按照設計要求，掛耳長度最低不應低于1 089 mm。這樣可以有效增加陰極板底部對應電極，可使陰極板板面電極分布更加均勻，增加陰極板底部長銅厚度。同時解決了電銅底部卷邊質量外觀問題。

2)通過加強工藝控制管控，提高陽極板加工標準。陽極板加工機組是陽極板質量控制的最后一道工序，因此，應按照設計和工藝要求，提高陽極板接收標準，控制主要參數設定：一是控制陽極板負錐度，減少刀口板的裝槽；二是陽極板單重下限由365 kg提升到375 kg(設計390±5 kg)。采取參數控制后，電銅下部過薄情況得到顯著改善；同時，對于一次拒收的不合格陽極板，單獨設置參數和工藝條件使用。

3.2 優化改進設備,提升設備運行穩定性

1)對可以快速解決的設備缺陷，進行優化改進。改進措施：一次性對陰極板底部毛邊進行打磨處理；砍斧頭的硬度由70提高到80～85，減少變形；在剝片站兩側增加加固槽鋼，用20螺栓固定，有效緩解了剝片站晃動。

2)恢復和優化夾邊條校緊單元功能。原來設計的夾邊條加緊裝置板面過小，陰極板擺動后夾不到。改進措施：增加夾板面積；在校緊裝置下方增設防擺裝置。

3)改進分離小刀結構。針對小刀銅套撞擊和反向旋轉陰極板鍍銅的問題，降低了小刀刀面寬度，并增設了銅套凸起，問題得以有效解決。

3.3 完善生產管理制度及操作流程

1)完善操作和生產管理體系。通過對電銅難剝離進行系統性分析，準確查找相關問題，對于操作和工藝控制方面的問題，要把解決的具體措施歸納到操作規程、生產管理規定，固化下來，形成一套完整的體系。

2)建立和優化標準化的剝片機組設備點檢、維護體系。例如砍斧頭的點檢標準調整，由每天的作業后點檢更換，調整為每天中午和作業后點檢更換，防止變形砍斧頭損傷夾邊條。

3)建立槽面陰極板檢查及更換制度。出銅班每天在槽面上檢查陰極板狀況，將夾邊條損壞、壽命到期的挑出，統一集中到陰極板維修點進行維修更換；建立工藝巡檢制度，對新裝槽通電2 h后的陰極長銅情況進行檢查，對導電不良、不長銅的陰極板進行更換。

4 結果分析

在采取以上各項措施后，電銅一次剝離率明顯上升，后期銅一次剝離率由58%上升至81.5%，前期銅一次剝離率由73%上升至92%，詳細情況見表3、表4、圖1。根據2016年全年統計，機組平均每天作業時間提前到18∶14結束，作業結束時間較原先20∶00提前近2個小時，基本達到設計目標，機組作業效率大幅提升，通過對增產電銅、節省維修費用等綜合測算，每年新增效益超過80萬元。

表3 前期銅電銅剝離次數統計

表4 后期銅電銅剝離次數統計

5 結語

金冠銅業通過系統性地對電銅剝離率進行研究、分析與改進，有效地解決了電銅難剝離問題，并從工藝優化、設備改進、管理系統化等方面促進了生產效率的提升。電銅一次剝離率的提升不僅縮短了作業時間，降低了勞動作業時長，而且降低了生產成本，促進了管理的提升。

圖1 改進前后期剝片機組一次剝離率對比