淺析永久不銹鋼電解和常規電解工藝

汪 涵

1 概述

目前國內主要的銅電解精煉工藝可分為永久不銹鋼陰極法和傳統始極片大極板長周期常規電解法。永久不銹鋼陰極電解法簡稱PC電解（permanent cathode），是采用永久不銹鋼陰極取代始極片的現代電解工藝。傳統常規電解法也稱CT常規始極片（the conventional starting sheet process）電解，使用始極片（銅片）作為陰極的傳統常規電解工藝。PC電解技術與常規電解技術相比，具有工藝技術指標先進、產品質量高、勞動生產率高、生產成本低等優勢，并在現代銅精煉工廠得到廣泛應用。在當前行業大力倡導綠色循環經濟的發展模式下，PC電解技術不僅僅節約了生產成本，降低能耗，在技術上精益求精，也讓企業獲得了長足發展。并且企業生產規模越大，在節水、節電以及減少二氧化碳排放的效應上就越明顯。金隆公司電解車間就是采用PC電解、常規電解兩種工藝方法生產陰極銅，年產量共可達46萬噸。

2 工藝流程

PC電解系統的整個生產工藝基本實現機械自動化，陰極板是采用可循環使用的永久不銹鋼板。CT電解系統的生產工藝同樣實現了高度的機械化，通過種板系統生產出電解所需的始極片（陰極板）。兩種電解方法的工藝流程如下。

2.1 常規電解工藝流程

常規電解系統主要分為四部分，即始極片生產班組（種板生產班組）、機組加工班組、運轉班組以及出銅班組。

首先是將合格的陽極板送至常規陽極整形加工機組，加工后的陽極按105mm極距排列,由電解專用吊車吊入種板電解槽。同時種板生產班組將包邊好的鈦板按105mm極距排列，由電解專用吊車吊入種板電解槽。先在陽極周期十八天，陰極周期一天。經過一個陰極周期，陰極由吊車吊出進行剝片，剝下的始極片經檢驗、裝箱、計量后送陰極加工機組，鈦母板經專用行車吊至相應電解槽進行裝槽。到周期殘極再經殘極洗滌堆垛機組洗滌、打包后由汽車送至精煉車間。

同時將合格的陽極板送至陽極整形加工機組，加工后的陽極按105mm極距排列,由電解專用吊車吊入電解槽。合格始極片經陰極加工機組加工成陰極并按105mm極距排列,由電解專用吊車吊入電解槽?，F電解陰極周期十天，陽極周期二十天。經過一個陰極周期，陰極由吊車送至陰極洗滌機組，經洗滌、打包、檢驗、計量后送成品庫，導電棒經轉運機組送陰極加工機組重復利用。到周期殘極經殘極洗滌堆垛機組洗滌、打包后由汽車送至精煉車間。

而運轉班組則控制電解液由循環泵從循環槽輸送至板式換熱器，在板式換熱器里加熱至65℃左右再進入高位槽，然后從高位槽自流進入各電解槽。在電解槽內電解液的流動方式采用下進液上出液的循環方式。在此期間要對電解液的成分指標進行適時的監控，尤其是對其中的雜質成分要掌握精確的數據。然后根據電解液成分每天抽取部分電解液送凈液工段處理，保證電解系統電解液中銅及雜質濃度不超過規定限值。

出銅班組在出裝槽時，上清液排入循環槽。排出的陽極泥漿經溜槽至陽極泥地坑，經地坑泵泵入陽極泥儲槽后經壓濾機壓濾，濾渣即為陽極泥。濾液經過二次過濾后流入電解液儲槽。

2.2 PC電解工藝流程

PC電解系統主要分為三部分，即機組加工班組、運轉班組以及出銅班組。相對于常規電解少了始極片的生產環節。其工藝流程是將合格的陽極板送至陽極整形加工機組，加工后的陽極板按極距100mm排列,由半自動專用吊車吊入電解槽，現電解陰極周期九天，陽極周期十八天。經過一個陰極周期，陰極由吊車送至陰極洗滌剝片機組，剝下的陰極銅經打包、檢驗、計量后送成品庫，不銹鋼陰極板重新排板后經專用行車吊至相應電解槽進行裝槽。殘極經殘極洗滌堆垛機組洗滌、打包后由汽車送至精煉車間。

然后運轉班組則控制電解液由臥式循環泵從循環槽輸送至板式換熱器，在板式換熱器里加熱至65℃左右泵入高位槽，然后自高位槽自流進入各電解槽。電解槽內電解液的流動方式同樣采用下進液上出液的循環方式。同CT電解一樣，對電解液的成分進行適時檢測監控，在精確掌握銅離子、酸度及各雜質成分的基礎上。再根據電解液成分，通過計算每天抽取一定量的電解液送凈液工段處理，保證電解系統電解液中的銅離子、酸度及其它雜質成分不超過規定值。

出銅班組出裝槽時，上清液并入溢流液管。配置3臺電解液循環槽并互相連通?；匾哼M1#電解液循環槽，此槽配置1臺泵用于過濾電解液，1臺泵用于向平衡槽打液。濾液進2#電解液循環槽，此槽配置1臺循環泵；3#電解液循環槽配置2臺循環泵。

陽極泥進地坑后經泵打至濃密機，其溢流液進陽極泥儲槽，底液經隔膜泵打至1#壓濾機，濾液再進濃密機或陽極泥槽。陽極泥儲槽液由泵打至2#過濾機，其濾液后再進低位槽。

從上面介紹的電解精煉主要生產工藝流程可知：常規電解跟PC電解工藝流程差別不是很大，相比于PC電解，常規電解多出一道始極片生產（種板生產）加工程序，其它生產工藝流程和PC電解流程基本相同。但正是因為多了這一環節，常規電解工藝中陰極銅因為極板有吊耳使得銅顆粒的清洗變得更困難，難以保證產品質量。這同時又延長生產流程、增加操作人員和設備，卻難以獲得更好的效果。而PC電解法生產的陰極銅顆粒少，沒有吊耳所有更容易清洗，產品質量容易控制。同時PC電解法的陰極平整，且現多使用平行流裝置，使電解液的流動更加均勻，電力線分布勻稱，不容易出現短路的現象，陽極電解溶解均勻，因此殘極率更低。多因素疊加的情況下導致PC電解法相對常規電解法有不可比擬的優勢。

3 系統指標

3.1 系統極距、電解液循環量及電流密度

極距（極板間距離）通常表示為兩個同名電極板（陽極板與陽極板）之間的最近距離。由于不銹鋼板的線條設計、懸垂度好、表面平直、光滑，不容易引起短路，這種優勢使PC電解能夠使用較小的極板間距離、較高的電解液循環流量、較高電流強度、電流密度進行電解。一般的傳統常規電解系統所使用的電流密度大多為240A/m2～300A/m2，板距為100mm～120mm；使用不銹鋼陰極法的工廠使用的電流密度一般在280A/m2～330A/m2，極距90mm～100mm?，F階段某電解公司之前的傳統常規電解系統所使用的最高電流密度高達295A/m2，板間距離為105mm，電解液循環量27m3/h槽；PC電解系統所使用的最高電流密度高達320A/m2左右，板間距離為100mm，電解液循環量30m3/h槽?？梢钥隙ǖ氖?，實際情況下的電解液流量快慢以及電流密度高低，是要根據精煉車間生產的陽極板中各種雜質的含量、分布以及產品的初步生產計劃進行相應的微調。然而，在原材料完全相同的基本條件下，PC電解系統所使用的電流密度高于傳統常規電解系統，流量更快，電解極板間距更小。

3.2 系統陰陽極周期

一般來說PC電解槽采用較短的陰極循環時間，循環一般為6天～8天，通常是陽極循環的三分之一。短時間也會減少負極銅板長顆粒的可能性。這可以較好地保證陰極產出銅的質量水平。普通CT電解的規模較大時如果采用短循環時間，不但要制作始極片，而且勞動強度也將要得到加強，從而降低了整個生產線的工作效率。因此由于單臺機組處理工藝的局限性，大多數常規電解工藝的設計周期較長，通常是陽極長周期的一半。因此，某廠電解車間的PC系統采用的循環時間為陽極板為18天，陰極板為9天；常規CT模式系統陽極生產循環時間20天，陰極為10天。

3.3 電解殘極率

由于不銹鋼陰極板的平直特性和電力線的均勻分布，不容易產生線路短路，因此陽極溶液流動比較均勻，不會形成渦流，也就不會在電解后期形成大洞或殘片斷裂掉入槽內。殘極量可大大降低至12%～15%。傳統CT電解槽中殘極量大多為14～15%。低殘留量的突出優點體現在低殘留處理原材料和較少的燃料能源消耗，這在當前環保要求及碳排放要求更高產業生態下，無疑具有更強的競爭力。而且殘極所占有的銅量基本上是在生產中循環周轉，所以，殘極率低占用的流動資金少，資金的使用效率增加。當然，要使殘極率低，陽極板厚薄均勻程度也是重要條件，所以現在很多使用PC電解技術的工廠為了進一步降低殘極率，在陽極板加工整型機組上都有陽極單塊稱重的系統，太厚和太薄的陽極板可自動剔除。這樣在多個環節進行優化、精細化。

3.4 槽電壓、電流效率及電能消耗

槽電壓包括陽極電位、陰極電位、電解液電阻所引起的電壓降、導體上的電壓降以及槽內各接觸點的電壓降，有時還包括陽極表面的陽極泥電壓降。銅電解精煉的電流效率通常是指陰極電流效率，為電解銅的實際產量與按照法拉第定律計算的理論產量之比。銅電解精煉的直流電能消耗是指每生產1t的電解陰極銅所消耗的直流電，包括生產電解槽、種板電解槽、脫銅電解槽以及線路損失等全部直流電能消耗量，其能綜合地反映出一個電解車間生產的技術水平和經濟效果。根據某廠電解車間生產數據如下：CT電解系統電流效率為98.5%，槽電壓為0.35V～0.4V，直流電耗為330kwh/t～350kwh/t銅；PC電解系統電流效率為99.5%，槽電壓為0.26V～0.35V，直流電耗為300kwh/t～320kwh/t銅。因電能消耗的計算與槽電壓成正比，與電流效率成反比，PC電解明顯具有低槽電壓、高電流效率、直流電耗低的優點。

3.5 設備及構筑物

根據某廠電解車間的數據，PC電解系統的生產規模（陰極銅）為25萬噸/年，電解槽尺寸（mm）為5840×1170×1400/1600，槽內陰極數（塊）為55，槽內陽極數（塊）為56，電解槽（個）為720，無種板槽（個），單槽產銅量（t/槽·a）為347.2；常規電解系統的生產規模（陰極銅）為21萬噸/年，電解槽尺寸（mm）為5940×1170×1400/1600，槽內陰極數（塊）為50，槽內陽極數（塊）為51，電解槽（個）為720，種板槽（個）為48，單槽產銅量（t/槽·a）為273.4。由上可知，由于常規電解需要種板系統，PC電解所需電解槽數為常規電解的93.8%；同時，相比于常規電解，PC電解槽槽內兩種極板數量各多五塊，在幾乎相同規格的電解槽中陰陽極裝入片數增加了10%；在單槽產銅量上，PC電解系統更是高于常規電解系統，前者是后者的1.27倍，PC電解系統的年產量明顯高于常規電解系統的年產量。

3.6 陽極板尺寸

因PC電解系統比常規電解系統少了一道種板生產加工工序，兩種電解方法所用的陽極板外觀及尺寸也有相應的不同。PC電解系統所用陽極板一般只有一種，而常規電解系統所用陽極板一般分為兩種，一種是種板系統所用的種板大陽極板，另一種是生產電解陰極銅所用的生產陽極板。根據某廠電解車間數據，其常規電解系統所用的種板陽極板塊重：390±5kg，生產陽極板塊重：372±5kg；其PC電解系統所用生產陽極板塊重：383±5kg。三種陽極板尺寸各不相同，種板系統所用陽極板比生產陽極板重的原因是生產合格優質的陰極銅對始極片的要求比較嚴格，為防止后期始極片邊緣變薄，影響陰極銅的產品質量，種板系統使用的陽極板尺寸要相對變大。PC電解系統生產陽極板比常規生產陽極板重的原因是PC電解系統電流密度大，相同時間下陽極板的陽極溶解較大。

3.7 產品質量

相比于始極片，不銹鋼陰極板更平直，電解時產生的電力線分布均勻，使陰極銅析出更致密均勻；同時由于不銹鋼陰極板不易變形，減少了短路的形成和板面結瘤，而且電解產品從陰極板上剝取，避免了始極片在制作、存放過程中造成的表面氧化、污染，使電銅中心形成雜質夾層；始板片陰極所產生的陰極銅，因有兩個吊耳，在陰極洗滌過程中往往不易將吊耳鉚接處清洗干凈，造成陰極銅表面含有硫酸銅和硫酸，存放一定時間后導致表面變黑，從而影響整體質量，而通過不銹鋼陰極板產出的電銅無吊耳容易清洗，產品的整體物理規格良好。所以，PC電解產出的產品質量相對較好。

4 投資及經濟效益

為了進一步比較兩種工藝，現將當初金隆公司PC電解系統籌建時，在機組聯動線均進口情況下，根據外商初步報價，對投資和經濟效益作出分析。

PC電解法的引進費用比常規電解法（全部引進）多9621萬元，比常規電解法（部分引進）多11815萬元，下面對某廠電解車間的兩種電解方法在20萬噸電解規模時的經濟指標進行比較。

4.1 固定資產投資

PC電解系統的應用，需要消耗大量的不銹鋼陰極板，啟動成本較高。但是，PC電解法由于工藝流程簡化，建筑面積比常規電解法少，所以建筑工程、配套設備、安裝費用都比常規電解法要省的多?？傮w來說，PC電解固定資產投資略高于常規電解系統。

4.2 流動資金

PC電解系統與常規電解系統相比，由于電流密度高、陰極周期短，相同產量下，所用電解槽數量少，而且不需要始極片生產制作工序，電解過程中銅積壓量相對減少，周轉快，故維持簡單再生產所需的流動資金占用量相對較少，大約是常規電解的80%～90%左右。在市場經濟的形勢下，企業更加重視資金周轉，流動資金少無疑是PC電解的一大優點。

4.3 生產加工成本

在生產加工成本上，兩種電解法各有優劣。

相比于常規電解，PC電解在生產成本上有以下幾個優勢。第一，回爐消耗費用。PC電解殘極率為12%～15%，常規電解殘極率為14%～15%，PC電解殘極率相對較低，回精煉車間的返熔費低。第二，人員工資消耗。根據某廠電解車間人員分配，常規電解系統工作人員為77人，而PC電解系統工作人員為55人，這是由于PC電解系統利用可反復使用的不銹鋼陰極取代了一次性的始極片，省去了繁瑣的種板系統始極片生產制造加工工序，簡化了生產流程，減少了設備、場地和操作工人，自動化程度高，勞動定員少，工資成本低。第三，維修消耗。雖然不銹鋼陰極板成本較高，但該項備件使用壽命較長，很少需要維修，故修理費用比常規電解法低。第四，電解蒸氣消耗成本。根據某廠電解車間數據，常規電解系統生產出每噸陰極銅的平均蒸氣消耗量在0.25t左右；PC電解系統生產出每噸陰極銅的平均蒸汽消耗量在0.15t左右，夏季基本上不消耗蒸汽，在高電流密度生產時甚至電解液需要降溫，這主要是：①PC電解電流密度高，電流通過電解液時產生的熱量大；②短路少，不用經常掀起槽面覆蓋物檢查短路，槽面覆蓋好，散熱少；③相同電解銅產量下，電解槽數量少，槽面輻射熱、蒸發損失少。

常規電解液有幾個優勢：第一，折舊成本。直接工程費低于PC電解系統，所以折舊費低；第二，攤銷成本。由于PC電解引進設備的海運、保險費比常規電解高，因此常規系統管理費中的攤銷費要低。

綜合以上因素，再根據某廠電解車間生產資金及投入成本數據：PC電解系統生產規模（陰極銅）為25萬噸/年，年投入生產資金為10150萬元，實際年產量為25萬噸，生產加工成本約為406元/噸；常規電解系統生產規模（陰極銅）為21萬噸/年，年投入生產資金為9156萬元，實際年產量為21萬噸，生產加工成本約為436元/噸.可知相比于常規電解系統，PC電解系統生產每噸陰極銅的加工成本要低約30元，若在同為20萬噸電解銅生產規模下，各項成本費用合計PC電解系統比常規電解系統每年要節約600萬元左右?？傮w來說，PC電解系統在生產成本上更占優勢。

5 結語

綜上所述，與常規CT電解相比，PC電解具有節能、環保的優點，其工藝技術指標先進、產品質量好、勞動生產率高、綜合能耗低、生產成本低等優勢，使其在世界上銅精煉廠得到廣泛應用。并在此基礎上不斷進行改進，提高電流密度。目前不少企業的電流密度通過各種技術措施使電流密度達到375A/m2以上，在降耗提效的道路上更進一步，PC電解的市場潛力更加廣闊。因此，國內新建電解廠基本采用不銹鋼電解工藝，更有利于產品質量的保證，降低生產成本，提高產品的競爭力。