低阻值永久陰極的開發(fā)

李衛(wèi)民 摘譯

（云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）

低阻值永久陰極的開發(fā)

李衛(wèi)民 摘譯

（云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）

陰極銅的電積精煉和電解精煉中，永久不銹鋼陰極的使用已成為了一種普遍接受的技術(shù)。作為該技術(shù)的開發(fā)者，艾薩工藝技術(shù)公司（IPT）多年來不斷改進(jìn)這一技術(shù)，并維持領(lǐng)先地位。

迫于市場對提高陰極銅生產(chǎn)效率的壓力增加，IPT認(rèn)識到了開發(fā)更高效陰極板的必要性。

為適應(yīng)市場的需求，IPT現(xiàn)在已開發(fā)出了一種低阻值陰極板（艾薩陰極BRTM）。艾薩陰極BRTM通過減少銅鍍層末端和溶液線的距離，提供了更低的電阻。

湯斯維爾艾薩電解精煉廠和智利的一家主要的電積精煉廠所做的試驗(yàn)，證實(shí)了新型陰極BRTM的性能。最新結(jié)果表明，采用艾薩陰極BRTM，可以明顯節(jié)約生產(chǎn)成本。

不銹鋼永久陰極；銅電解；電阻

1 導(dǎo)言

1978年，MIM公司的湯斯維爾銅電解精煉廠引入了永久不銹鋼陰極，從而改變了銅電解工業(yè)的面貌。

艾薩工藝技術(shù)可以減少人力需求，并且可以提供優(yōu)越的機(jī)械處理系統(tǒng)，減少銅的庫存水平，允許強(qiáng)度更高的操作，改進(jìn)陰極質(zhì)量，使電解生產(chǎn)更安全。此外，艾薩工藝技術(shù)也可用于規(guī)模小的電積精煉，而無需提供始極片。

平直不銹鋼陰極的引入，使得具有優(yōu)良觸點(diǎn)配置的陽極澆鑄系統(tǒng)和陽極整形機(jī)組的開發(fā)成為必要。與艾薩電解工藝相結(jié)合的這些系統(tǒng)的開發(fā)，可以使操作電流密度高達(dá)350 A/m2、電流效率超過98%。

這一技術(shù)保證了產(chǎn)出的陰極質(zhì)量優(yōu)于LME（倫敦金屬交易所）“A級”銅質(zhì)量。這一工藝是如此的成功，以至于LME“A級”銅標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在已被最好的銅廠商認(rèn)為是一種最低要求。

艾薩陰極BRTM是最新的艾薩陰極板，提供的阻值更低，且可以明顯減少電力成本。薩爾迪瓦（Zaldivar）礦業(yè)公司的現(xiàn)場試驗(yàn)支持了澳大利亞湯斯維爾所進(jìn)行的早期的試驗(yàn)工作。其使用的艾薩陰極BRTM見圖1。

圖1 薩爾迪瓦礦業(yè)公司使用的艾薩陰極BRTM“最低阻值的陰極”

2 永久陰極

艾薩電解工藝成功的關(guān)鍵是艾薩陰極的基本設(shè)計(jì)。這一設(shè)計(jì)，盡管在過去的二十多年中不斷得到改進(jìn)，但是依然符合I.J.Perry最初的設(shè)計(jì)概念。

艾薩陰極包括將304 L不銹鋼吊桿點(diǎn)焊到316 L不銹鋼板（厚3.25 mm）上。這種組合件已被證明非常堅(jiān)固，在工業(yè)生產(chǎn)中不會(huì)由于腐蝕或機(jī)械搬運(yùn)造成連接故障。

然后吊桿組合件鍍上一層厚為2.5 mm的銅。這層2.5 mm厚的銅提供了足夠好的導(dǎo)電性以及一定程度的抗腐蝕性。正確操作時(shí)，電積精煉中陰極板的工作壽命可以超過7 a，電解精煉中陰極板的工作壽命可以超過15 a（最長可達(dá)20 a），而無須對陰極板進(jìn)行修復(fù)。

艾薩電解吊桿系統(tǒng)退化的得非常緩慢，而且是可以預(yù)期的。這就允許操作人員可以仔細(xì)擬定操作陰極的修復(fù)計(jì)劃。工業(yè)生產(chǎn)中，這種組合件不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性的故障。

圖2和圖3說明了電積精煉條件下艾薩陰極和實(shí)心吊桿系統(tǒng)隨時(shí)間而發(fā)生的陰極性能對比的情況。A區(qū)為陰極性能未發(fā)生變化的區(qū)域。B區(qū)為陰極性能開始退化的區(qū)域。曝露在腐蝕性環(huán)境中的艾薩陰極性能上會(huì)略有下降。實(shí)心銅桿會(huì)在吊桿與陰極本體連接處遭受腐蝕。

圖2 艾薩陰極性能

圖3 實(shí)心銅吊桿性能

艾薩陰極組合件具有如下關(guān)鍵特點(diǎn)：

·機(jī)械強(qiáng)度大

·固有的初始平直度和長期平直度

·短路時(shí)吊桿具有抗退火（軟化）性

·具有足夠的陰極板本體厚度，可以抵抗剝片機(jī)組的應(yīng)力，同時(shí)維持高電流效率時(shí)所需的垂直度。

·可以機(jī)械嵌入陰極板的邊緣掩蔽系統(tǒng)

自工業(yè)化應(yīng)用以來，已生產(chǎn)出了一百多萬塊艾薩陰極板。這些陰極板已被證明是機(jī)械上最堅(jiān)固、最具防腐性的陰極板。這些特點(diǎn)對于維持長期的高電流效率非常必要。

3 永久艾薩陰極板的進(jìn)展

艾薩陰極自1978年制造出之后，已得到不斷發(fā)展和改進(jìn)。圖4為艾薩電解系統(tǒng)的進(jìn)展情況。

圖4 艾薩電解系統(tǒng)的進(jìn)展情況

剛開始用于工業(yè)銷售的艾薩陰極是圖4（1）所示的工字形吊桿。銅鍍層的平均厚度是1.3mm，多年后這一厚度才增至2.5mm。在此之前，圖4（2）為底邊為圓形的工字形吊桿。這一設(shè)計(jì)改進(jìn)了接觸壓力，并有助于維持陰極在槽中的垂直度。銅鍍層平均厚度的增加改進(jìn)了吊桿的防腐性能。制造出配有實(shí)心吊桿的陰極板在湯斯維爾的電解精煉廠進(jìn)行測試。

之后的發(fā)展是采用圖4（3）所示的頂部平整的矩形中空（RHS）不銹鋼棒。RHS吊桿使陰極板的剛性更強(qiáng)，且使電鍍銅鍍層的形狀更簡單。這一設(shè)計(jì)后來改進(jìn)為圖4（4）所示的圓形RHS桿。頂邊的圓弧使銅鍍層的分布更均勻，保證了電解液可以從吊桿頂端滴落，減少了吊桿腐蝕的可能性。

隨后陰極板的主要發(fā)展是艾薩2000無蠟陰極板。這種陰極在沿陰極板的底邊加工一個(gè)用于將陰極銅分成兩片的V形槽。同時(shí)，也消除了底邊涂蠟的需求。

根據(jù)客戶的具體要求，制造艾薩陰極時(shí)可以采用更薄的RHS桿。圖4（5）為最新的艾薩陰極BRTM的結(jié)構(gòu)。銅鍍層已延伸至剛好在提升線上方，其平均厚度為3.0mm。

4 “低阻值”陰極板的研發(fā)

4.1 早期的艾薩陰極

早期的艾薩陰極，雖然在許多方面具有優(yōu)勢，但是與實(shí)心銅吊桿系統(tǒng)相比，電阻值更高。盡管艾薩陰極初始電阻更高，但與其它類型的陰極比，所消耗的電能更少。低電阻雖然具有吸引力，但在MIM公司的湯斯維爾銅電解精煉廠進(jìn)行了大規(guī)模的試驗(yàn)后，實(shí)心銅吊桿系統(tǒng)的長期性能較差，導(dǎo)致其應(yīng)用受到抵制。

所進(jìn)行的試驗(yàn)對比了實(shí)心銅吊桿與艾薩陰極的性能。大約制造出3000塊配有實(shí)心銅吊桿的陰極板投入使用。對電解車間的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明實(shí)心銅吊桿的電流效率比艾薩陰極的電流效率更低。電流效率的差值為2.4%，第一個(gè)出銅期的結(jié)果證明了實(shí)心銅吊桿的低效能。

這些差異是由實(shí)際的物理性能造成的，如陰極板的平直度。艾薩陰極具有固定的垂直度，并且可以長時(shí)間維持其平整性。即使在嚴(yán)重短路的情況下，吊桿依然保持平直。這是與易于彎曲的實(shí)心銅吊桿進(jìn)行直接對比得到的結(jié)果。

此外，在艾薩電積精煉廠也進(jìn)行了比較艾薩陰極和實(shí)心銅吊桿的許多試驗(yàn)。

在電流效率和導(dǎo)電性兩方面，艾薩陰極被認(rèn)為是最有效的陰極。

4.2 艾薩陰極BRTM的發(fā)展

標(biāo)準(zhǔn)的艾薩永久陰極板的銅鍍層下延至陰極板下大約15mm。這保證了銅鍍層更均勻，電流流向陰極板更均勻。理論上講，如果銅鍍層延長至陰極板，就會(huì)明顯減少通過不銹鋼的高電阻路徑，從而降低阻值。

艾薩技術(shù)公司現(xiàn)已開發(fā)出低阻值陰極（艾薩陰極BRTM）。通過延長銅鍍層降低陰極板電阻只是理論概念，之后進(jìn)行的計(jì)算則集中于銅鍍層延伸長度增加的影響。計(jì)算得出，銅鍍層延長至提升線時(shí)，每塊陰極的阻值可以減少11 μΩ。這些結(jié)果表明，銅鍍層越往下延伸，節(jié)約的能量就越多。

BRTM陰極的設(shè)計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)有兩方面的不同：①銅鍍層沿陰極板延長大約55 mm，而標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為15～17 mm。②銅鍍層平均厚度為3.0mm，而標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)為2.5mm。

這種新的“高導(dǎo)電性陰極”的優(yōu)點(diǎn)為：①銅鍍層的延長減小了電流流經(jīng)不銹鋼的長度，從而減少了銅鍍層和溶液線間的電阻值。②銅鍍層厚度的增加，提高了陰極的抗腐蝕性，特別在是電積精煉中，陰極處于腐蝕性的環(huán)境下時(shí)。

4.3 初始試驗(yàn)工作

IPT開發(fā)了一些艾薩陰極BRTM的原型。研究人員對這些陰極進(jìn)行了廣泛的測試，以確定陰極板結(jié)構(gòu)的電氣特性。北昆士蘭詹姆士·庫克大學(xué)的約翰·尼爾森（John Nielsen）做了與陰極結(jié)構(gòu)相關(guān)的一系列試驗(yàn)。

各種類型陰極板的導(dǎo)電性都進(jìn)行了測量。此外，也開發(fā)出了陰極板的電阻模型，從而表明每種陰極類型的電耗。

IPT認(rèn)為，如果銅鍍層不延長至提升線下，陰極操作以及配套的剝片機(jī)組則不會(huì)受影響。這種概念被證明是正確的。更進(jìn)一步的有限元分析表明，與標(biāo)準(zhǔn)陰極相比，獲益可高達(dá)38%。銅鍍層沿陰極板電鍍的越深，電阻值就減少的越多。

4.4 艾薩陰極BRTM的生產(chǎn)試驗(yàn)

湯斯維爾電解精煉廠的初始陰極試驗(yàn)已經(jīng)開始且正在進(jìn)行之中。這些陰極達(dá)到了降低電阻值的目標(biāo)，同時(shí)可滿足電解精煉工藝的生產(chǎn)要求。

同時(shí)決定將試驗(yàn)擴(kuò)大至電積精煉的生產(chǎn)。智利的一家大型電積精煉廠對BRTM陰極進(jìn)行了小型試驗(yàn)后，同意擴(kuò)大試驗(yàn)范圍。整槽裝有艾薩陰極板BRTM的電解槽的測試始于2002年10月。

4.5 薩爾迪瓦礦業(yè)公司的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

整槽裝有艾薩陰極BRTM試驗(yàn)板的電解槽在薩爾迪瓦礦業(yè)公司投入使用，見圖5。

由于這些陰極板已用于生產(chǎn)，它們的電氣性能已被監(jiān)測，最新的結(jié)果證實(shí)了早期所進(jìn)行的試驗(yàn)工作。電流分布和陰極板的內(nèi)阻都定期進(jìn)行了記錄。

為計(jì)算出陰極板的內(nèi)阻，對吊桿和溶液線之間的電勢差進(jìn)行了測量。結(jié)果表明，與使用了約7 a的艾薩陰極相比，艾薩陰極BRTM是一種阻值更低的陰極。圖6強(qiáng)調(diào)了新型艾薩陰極BRTM與舊艾薩陰極在性能上的差異。

為了對比多種陰極板結(jié)構(gòu)的性能，薩爾迪瓦礦業(yè)公司進(jìn)行了更多的測量。這些結(jié)果示于圖7。

圖5 裝有艾薩BRTM陰極板的電解槽在薩爾迪瓦礦業(yè)公司進(jìn)行試驗(yàn)

圖6 不同類型陰極的陰極板性能差異圖

圖7 不同種類陰極板的內(nèi)阻

用來對比的陰極類型如下：

·艾薩陰極BRTM

·實(shí)心銅吊桿

·更厚的實(shí)心銅桿

·包覆實(shí)心銅吊桿

2003年1月8日在薩爾迪瓦礦業(yè)公司進(jìn)行的最新測量結(jié)果表明，艾薩陰極BRTM電氣性能非常優(yōu)越，電阻值最低。

4.6 成本節(jié)約

薩爾迪瓦礦業(yè)公司記錄的測量數(shù)據(jù)表明，對于同等規(guī)模的工廠，艾薩陰極BRTM每年可以減少電力成本大約100 000美元。這是新型艾薩陰極BRTM提供的可以節(jié)約的數(shù)據(jù)，由于艾薩陰極BRTM增加銅鍍層深度后極板電阻明顯降低。這是與使用了7年的艾薩陰極和實(shí)心銅吊桿相比較得出的結(jié)果。測量是在2002年11月15～16日進(jìn)行的。裝有新型艾薩陰極BRTM的電解槽與分別裝有使用了7年的艾薩陰極與實(shí)心銅吊桿陰極的其它兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電解槽一起進(jìn)行了測量。

以下計(jì)算表明了節(jié)能的潛力：

觸點(diǎn)至溶液線的電勢差：平均差值：23 mV

每塊陰極板的平均電流：660 Am/s

每槽功率：989 W/槽

工廠使用的電解槽總數(shù)：368

電力成本：0.032＄/kWh

每年節(jié)約的電力成本：102 036＄

根據(jù)湯斯維爾銅電解精煉廠早期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算也表明，通過采用銅鍍層更深的吊桿，也可顯著節(jié)約成本。

5 結(jié)論

永久艾薩陰極板自開發(fā)以來，已經(jīng)歷了重大的改進(jìn)。陰極板的最新進(jìn)展是開發(fā)出了艾薩陰極BRTM。過去的和目前的試驗(yàn)工作表明，這是最有效的陰極板，可以顯著節(jié)約電力成本。銅鍍層目前剛好延長至提升窗的底邊上方，銅鍍層的平均厚度也有增加。艾薩陰極BRTM是一種機(jī)械和化學(xué)性能穩(wěn)定性的低阻值陰極板。

蘇 平 校

Abstract:The ISA PROCESS Technology(IPT)has now developed a low resistance cathode plate(ISA Cathode BRTM)in response to market demand.The ISA Cathode BRTMprovides lower electrical resistance by decreasing the distance between the end of the copper plating and the solution line.Plant trials in the Townsville ISA PROCESS refinery and in a major Chilean electrowinning plant were undertaken to prove the performance of the new cathode type BRTM.Results to date indicate that significant operating cost savings are available with the use of the ISA Cathode BRTMelectrodes.

Key words:stainless permanent cathode;copper electrowinning;electrical resistance

The development of a“l(fā)ower resistance”permanent cathode

Translated selectively by LI Wei-min

TF811

B

1672-6103（2011）02-0006-04

李衛(wèi)民(1971—)，男，云南大理人，云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠生產(chǎn)技術(shù)部高級工程師。

2010-08-07