銅電解系統(tǒng)開車與試生產(chǎn)實(shí)踐

張海濤，徐求知，孫成明

（金冠銅業(yè)分公司，安徽 銅陵 244000）

目前國內(nèi)新上銅冶煉項(xiàng)目電解工序基本采用永久陰極（Permannent cathode）電解，配套電解專用行車、陰極剝片機(jī)組、陽極整形機(jī)組、殘極洗滌機(jī)組、DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)等，自動(dòng)化程度相對較高，正常生產(chǎn)過程中以關(guān)鍵設(shè)備的維保及維持穩(wěn)定運(yùn)行為首要任務(wù)，但新系統(tǒng)開車則以快速調(diào)整穩(wěn)定生產(chǎn)為目的，使槽內(nèi)電銅結(jié)晶及時(shí)趨于正常化，為后續(xù)出銅、擴(kuò)槽，乃至逐步提升電流密度做準(zhǔn)備。

1 通電前的準(zhǔn)備

銅冶煉項(xiàng)目電解工序從開始建設(shè)到竣工投產(chǎn)一般歷經(jīng)18個(gè)月至24個(gè)月左右，到具備試生產(chǎn)條件時(shí)現(xiàn)場安全和消防措施已準(zhǔn)備就緒，所有機(jī)電儀設(shè)備、工藝管道等均已安裝結(jié)束，設(shè)備單體調(diào)試無問題，水電氣供應(yīng)有保障，管道經(jīng)過吹掃，所有槽罐及現(xiàn)場衛(wèi)生清理干凈，防腐措施施工完畢并驗(yàn)收合格，作業(yè)工器具準(zhǔn)備齊全，添加劑等各類直耗材存量充足，作業(yè)人員經(jīng)培訓(xùn)合格后上崗。

（1）機(jī)組試車。銅電解工序三種機(jī)組在試生產(chǎn)前必須經(jīng)過嚴(yán)格的試車，并做好記錄。試車內(nèi)容主要包括液壓站及油路管線調(diào)試，移載小車運(yùn)行調(diào)試，鏈條運(yùn)行調(diào)試，洗滌水箱調(diào)試，轉(zhuǎn)運(yùn)裝置調(diào)試，剝片機(jī)組剝離站、鉚接/壓紋工位調(diào)試，陽極機(jī)組運(yùn)輸機(jī)、橫送鏈、銑刀的調(diào)試等。陽極整形機(jī)組和殘極洗滌機(jī)組需用陽極板和殘極進(jìn)行帶負(fù)荷調(diào)試，剝片機(jī)組建議可利用清洗新不銹鋼陰極板機(jī)會(huì)進(jìn)行帶負(fù)荷調(diào)試。

（2）循環(huán)系統(tǒng)水試。電解循環(huán)系統(tǒng)水試包括冷水水試和熱水水試，主要目的是檢驗(yàn)循環(huán)系統(tǒng)管路是否通暢，管道和閥門等是否存在漏點(diǎn)。根據(jù)目前國內(nèi)銅電解系統(tǒng)工藝管道設(shè)計(jì)方式，基本采用按系列供液和回液，所以可根據(jù)產(chǎn)能規(guī)模的不同按系列逐一進(jìn)行水試。水試過程要注意保持循環(huán)槽的液位在一定水平，防止工藝循環(huán)泵空轉(zhuǎn)。冷水水試時(shí)，水從板換旁通流通即可，熱水水試時(shí)開啟板式換熱器進(jìn)行加熱，注意開啟板換要先開通循環(huán)，再緩慢打開蒸汽閥門，防止因蒸汽加熱空氣引起安全事故。

（3）溶銅配液。銅電解液的成分為硫酸和硫酸銅的水溶液，所以新系統(tǒng)開車一般以溶解固體硫酸銅方式進(jìn)行，然后根據(jù)化驗(yàn)和計(jì)算向電解液中加入硫酸、鹽酸，最終一般要求Cu2+：46g/L～50g/L，fH2SO4：180g/L～200g/L，Cl-：0.03g/L～0.05g/L。在溶銅配液過程中需注意適當(dāng)增加取樣化驗(yàn)電解液成分的頻次，同時(shí)保證取樣的代表性和準(zhǔn)確性。溶銅配液的體積以初次通電組數(shù)的選擇為依據(jù)，同時(shí)要考慮循環(huán)槽和高位槽的電解液體積占比不宜過大。

（4）電解槽裝板。目前國內(nèi)新增銅冶煉項(xiàng)目的電解槽尺寸大致相同，長5.84m左右，寬1.17m左右，一個(gè)電解槽裝陽極板56塊，陰極板55塊。試生產(chǎn)前需確保已有足夠數(shù)量的首次通電裝槽用的合格陽極板，且火法工序工藝流程已經(jīng)打通，可持續(xù)供應(yīng)陽極板，同時(shí)需對新陰極板按極距100mm進(jìn)行排板。陰極排板工作可由作業(yè)人員在畫好標(biāo)線的極板準(zhǔn)備架或空電解槽內(nèi)進(jìn)行，排好后的整槽陰極板可放于空電解槽內(nèi)，如陰極板數(shù)量較多，可用長條形方木墊在陰極板耳部上，然后板面穿插摞放兩層或三層。通電前由電解專用行車將陽極和陰極裝入電解槽內(nèi)，然后即可根據(jù)計(jì)劃合理安排時(shí)間擴(kuò)液和通電生產(chǎn)。

2 首次通電參數(shù)選擇

對于銅電解系統(tǒng)首次通電，電解液的成分控制按上述溶銅配液中的要求即可，同時(shí)合理選擇通電組數(shù)，電流密度，添加劑用量，電解液流量等，對能否快速將系統(tǒng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定也將起到至關(guān)重要的作用。

2.1 通電組數(shù)

通電組數(shù)選擇不宜過多或過少，過多要求初始電解液液量較大，溶銅配液時(shí)間長，且一旦出現(xiàn)電銅質(zhì)量問題無法扭轉(zhuǎn)，造成的經(jīng)濟(jì)損失較大，同時(shí)一次性通電組數(shù)過多時(shí)，因銅在電解液中的溶出，電解液中Cu2+濃度會(huì)上升較快，需要通過補(bǔ)水?dāng)U液或電積脫銅方式來維持Cu2+濃度穩(wěn)定，對初期不穩(wěn)定的系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生較大影響。如初期通電組數(shù)過少，則循環(huán)槽、高位槽、工藝管道內(nèi)的總液量占比電解液總體積數(shù)值較大，即非通電體積占比大，添加劑平衡點(diǎn)不易找到，即使找到平衡點(diǎn)后也不易維持。

2.2 電流密度

通電電流密度的設(shè)定一方面要考慮試生產(chǎn)期的計(jì)劃產(chǎn)量，按照以下所列公式進(jìn)行計(jì)算，另一方面適當(dāng)設(shè)置一個(gè)較為經(jīng)濟(jì)的電流密度，即能保證有相對較為充足的時(shí)間來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定，進(jìn)一步改善電銅板面結(jié)晶狀況。但初期電流密度選擇也不宜過低，電流密度過低時(shí)添加劑用量小，消耗慢，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定性的形成。

根據(jù)計(jì)劃產(chǎn)量計(jì)算電流密度：產(chǎn)量÷（1.1852×24×槽數(shù)×d×98%×96%×117.35×10-6）=電流密度（A/㎡）

電化當(dāng)量：1.1852；當(dāng)年通電天數(shù)：d；電流密度：98%；槽時(shí)利用率：96%；單槽陰極有效沉積面積：117.35㎡

2.3 添加劑用量

（1）添加劑應(yīng)用策略。添加劑調(diào)整是應(yīng)對電銅結(jié)晶異常較為有效的手段，開車初期的添加劑用量及調(diào)整是開車順利與否的關(guān)鍵。由于明膠和硫脲在電解結(jié)晶時(shí)的相互影響，其作用效果主要取決于兩方面，一是添加劑用量的絕對值，即單耗的高低，二是明膠與硫脲的比值。在添加劑的用法上基本有用兩種方式，即高膠低硫脲（膠/硫脲＞1）和低膠高硫脲（即膠/硫脲＜1），其優(yōu)劣對比如表1所示：

表1 添加劑用量優(yōu)劣對比

（2）底膠和添加劑初始用量。因新系統(tǒng)開車時(shí)，電解液基本為新配制，要適量加入底膠來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，建議可提前三天開始配置底膠，建議用量為通電后正常用量的1.5倍至2倍左右。表2為該廠開車時(shí)添加劑的用量情況（僅供參考）。

表2 銅電解開車添加劑用量參考

另建議系統(tǒng)調(diào)整穩(wěn)定前，明膠和硫脲分開加入，以便于后續(xù)單獨(dú)進(jìn)行調(diào)整。

（3）添加劑的快速調(diào)整。銅電解系統(tǒng)正式通電以后，通過觀察板面結(jié)晶情況來快速及時(shí)的調(diào)節(jié)添加劑用量是重要手段之一，所以開車期間增加看銅頻次是必要的。另也可通過其它輔助方法作為判斷依據(jù)，即霍爾（Holl）試驗(yàn)和單槽試驗(yàn)。霍爾試驗(yàn)相關(guān)文獻(xiàn)已有完整闡述，本文不再贅述。單槽試驗(yàn)方法是在電解槽循環(huán)進(jìn)液管處開孔焊接一段φ60mm左右的UPVC豎管，可以向單個(gè)電解槽內(nèi)滴定添加劑用來做對比試驗(yàn)，通過結(jié)晶變化趨勢，判斷添加劑的用量是否適合。兩種試驗(yàn)方法只可作為一種輔助手段使用。

3 擴(kuò)槽過程

銅電解系統(tǒng)通電且電銅結(jié)晶正常化以后既要啟動(dòng)擴(kuò)槽計(jì)劃，一方面可消耗不斷增長的陽極板庫存，另一方面是為維持電解液中Cu2+和雜質(zhì)濃度水平。關(guān)于銅電解擴(kuò)槽，根據(jù)各廠礦實(shí)際情況有多種方式，本文只闡述一種實(shí)際應(yīng)用過的較為利于系統(tǒng)穩(wěn)定的方式。

擴(kuò)液補(bǔ)酸方式：電解槽通電以后，因銅的溶出并不斷富集，電解液中Cu2+濃度會(huì)逐步上升，具體每天進(jìn)入電解液的銅量通過如下計(jì)算可得：1.1852g/Ah×24×電流密度×98%×通電槽數(shù)×1.3%=每天溶出銅量（kg）。

電化當(dāng)量：1.1852；電流效率：98%；銅的溶出率：1.3%

根據(jù)每天進(jìn)入電解液中的銅量，計(jì)算需要擴(kuò)大多少體積方能滿足電解液中的Cu2+濃度平衡，之后通過向系統(tǒng)補(bǔ)水的方式進(jìn)行擴(kuò)液。可以利用空電解槽進(jìn)行補(bǔ)水，即每個(gè)空電解槽的有效體積約9.6m3，往空槽中注滿水，打開循環(huán)進(jìn)液閥門，讓系統(tǒng)電解液在該槽循環(huán)。待所擴(kuò)總液量滿足兩組電解槽的用量后即可擴(kuò)槽通電生產(chǎn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)一方面是擴(kuò)液量準(zhǔn)確、穩(wěn)定，另一方面是通過補(bǔ)水可以稀釋電解液中雜質(zhì)濃度，擴(kuò)槽期間不需要開啟電積系統(tǒng)進(jìn)行脫銅和脫雜。

4 維持電解系統(tǒng)穩(wěn)定性

試生產(chǎn)期間，因?yàn)殡娊庀到y(tǒng)未完全達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，加之火法系統(tǒng)初期產(chǎn)出的陽極板成分出現(xiàn)波動(dòng)，物理規(guī)格欠佳的可能性較大，電銅質(zhì)量出現(xiàn)小幅度的波動(dòng)屬于較為正常的情況。但如何規(guī)避出現(xiàn)大規(guī)模或較為嚴(yán)重的質(zhì)量問題值得我們探究和思考。

（1）穩(wěn)定控制工藝參數(shù)。控制工藝參數(shù)的長期穩(wěn)定是對銅電解工序較為基本的要求，包括合理控制有效循環(huán)體積，槽溫，流量，電解液比重，銅酸濃度，As、Sb、Bi、Ni、Pb等主要雜質(zhì)濃度，槽電壓等，以上參數(shù)均需定期測量，并持續(xù)統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)異常信息及時(shí)查明原因并解決處理。

（2）定期看銅。試生產(chǎn)期間，管理人員、技術(shù)人員要每天從電解槽內(nèi)吊出1天至2天電銅觀察板面結(jié)晶情況，到剝片機(jī)組查看已出槽電銅規(guī)格和質(zhì)量情況等。主要觀察點(diǎn)為板面是否生長粒子，粒子形態(tài)，結(jié)晶是否粗糙，板面是否有氣孔，電銅上沿口高電流密度區(qū)、兩層和底邊低電流密度區(qū)的結(jié)晶情況等，并做好記錄和分析。

（3）加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)。要加強(qiáng)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備的點(diǎn)巡檢和維保工作，包括主循環(huán)泵，其它各類臥式離心泵，壓濾機(jī)，濃密機(jī)，工藝管道、閥門和流量計(jì)等。主循環(huán)泵作為關(guān)鍵設(shè)備，要著重增加巡檢頻次，測量運(yùn)行溫度，查看運(yùn)行情況等。

5 結(jié)語

銅電解系統(tǒng)生產(chǎn)穩(wěn)定需要較高的精細(xì)化管理和操作，通電前需進(jìn)行充分的設(shè)備調(diào)試和循環(huán)系統(tǒng)水試，注重極板的裝槽質(zhì)量，通電后高度重視生產(chǎn)參數(shù)的穩(wěn)定控制，試生產(chǎn)電流穩(wěn)定，添加劑調(diào)控有條理，層級間管理明確，信息反饋及時(shí)。該廠電解系統(tǒng)經(jīng)過6個(gè)月的試生產(chǎn)期，未出現(xiàn)電銅質(zhì)量大幅度波動(dòng)問題，電流密度穩(wěn)步提升至300A/㎡。