提高銅電解電流效率的生產(chǎn)實(shí)踐

林 欣，陳崇善

(紫金銅業(yè)有限公司，福建 龍巖 364205)

1 引言

在銅電解精煉中，電流效率通常是指陰極電流效率，為陰極銅的實(shí)際產(chǎn)量與按照法拉第定律計算的理論產(chǎn)量之比［1］，是考核生產(chǎn)效率和能力的重要指標(biāo)之一，它直接關(guān)系到電解過程中的能耗的多少，影響生產(chǎn)成本的高低，反映了銅電解精煉的技術(shù)管理水平［2］。

電流效率的計算公式:

式中:η為電流效率;M為當(dāng)日出銅電解槽實(shí)際陰極析出量(噸);q為銅的電化當(dāng)量(1.186克/安培小時);I為電流強(qiáng)度(安培);t為通電時間(小時);n為電解槽個數(shù)(當(dāng)日出銅槽數(shù))。

電流效率的提高將會直接提高電解廠的經(jīng)濟(jì)效益。以紫金銅業(yè)電解廠年產(chǎn)20萬t陰極銅為例，若將槽電壓保持0.3V不變，按設(shè)計要求電流效率為96%計算出直流電耗約為2634度/噸銅，如果將電流效率提高1%，直流電耗將降為2607度/噸銅，每噸電解銅節(jié)約17度電，若以每度工業(yè)用電平均費(fèi)用為0.534元計，則一年可節(jié)約電費(fèi)約為28萬元。

本廠自2012年投產(chǎn)以來，經(jīng)過近兩年來的生產(chǎn)實(shí)踐，為了提高電流效率，采取了一系列的改進(jìn)措施，至2013年取得了初步成效，由之前平均電效不夠穩(wěn)定，到9月份將其提升穩(wěn)定在98%左右。以下是本廠提高電流效率所采取的具體措施。

2 影響電流效率的主要因素及應(yīng)對措施

2.1 電解液中的雜質(zhì)離子及循環(huán)量

陰極銅在電解液中的化學(xué)溶解速度決定于電解液的溫度、酸度、電解液中氧含量。因此，為減少陰極的反溶，電解液不宜維持過高的溫度，并盡可能減少氧的溶入，以減少溶液中的含氧量。通常陰極銅的化學(xué)復(fù)溶使電流效率降低0.25% ～0.75%［3］。

由于電解精煉所處理的陽極銅中含有多種可溶或不可溶的雜質(zhì)，因而實(shí)際生產(chǎn)所用的電解液中總會有一定濃度的砷、銻、鉍、鎳等雜質(zhì)離子，這些雜質(zhì)離子會對陰極銅質(zhì)量產(chǎn)生很大影響，容易使得陰極銅表面出現(xiàn)銅瘤，進(jìn)而影響電流效率。所以為了滿足高純陰極銅的生產(chǎn)，減少其對電流效率的影響，通常對電解液的主要雜質(zhì)成分都有一定的要求和控制。

表1 我廠電解液主要雜質(zhì)成分控制標(biāo)準(zhǔn)。

為了提高電解液的流動均勻性和控制雜質(zhì)離子在電解液中的不斷富集，要求員工在陰、陽極裝槽完成后，必須將進(jìn)液管底孔調(diào)整到對準(zhǔn)陰極板底部位置，防止在電解過程中陽極板上的陽極泥被電解液沖起污染陰極銅;每日根據(jù)化驗(yàn)結(jié)果計算出陽極板進(jìn)入電解液中雜質(zhì)的數(shù)量，再對照規(guī)定的雜質(zhì)允許含量，確定從電解生產(chǎn)系統(tǒng)抽取的電解液數(shù)量，通過管道輸送至凈液工段采用真空蒸發(fā)濃縮生產(chǎn)硫酸銅和誘導(dǎo)法脫砷及雜質(zhì)［4］。由表2可知，我廠8月凈液工段對電解液中砷、銻、鉍、鎳含量脫除率分別是53.6%、75.0%、80.0%、29.9%。脫銅后液雜質(zhì)含量達(dá)到我廠的控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足了生產(chǎn)要求。

表2 2013年8月電解液與脫銅后液中砷、銻、鉍、鎳的含量

電解液的循環(huán)量高，使得陽極泥易附著于陰極表面，形成陽極泥粒子，導(dǎo)致極間短路;而循環(huán)量太低，又會導(dǎo)致電解液濃差極化和溫度下降，影響電銅質(zhì)量和增加電耗［3］。所以我廠經(jīng)生產(chǎn)實(shí)踐，將電解液循環(huán)量控制在30L/min/槽左右，既可以減少陽極泥翻騰，減小陰極短路幾率，又可以保持正常的生產(chǎn)運(yùn)行。

2.2 溫度

適當(dāng)提高電解液溫度，有利于消除陰極附近銅離子的貧化現(xiàn)象，降低濃差極化作用，有利于降低電解液的粘度，增加各種離子的擴(kuò)散速度，減少電解液的電阻，從而提高電解液的導(dǎo)電率、降低電解槽的電壓降，防止了雜質(zhì)在陰極上放電，減少銅電解生產(chǎn)的電能消耗，使銅在陰極上能均勻地析出。

但電解液的溫度過高，加快陽極銅和陰極銅的溶解和添加劑的分解速度，提高電解液中的銅離子濃度;同時增加電解液的蒸發(fā)損耗，惡化車間勞動環(huán)境。因此適當(dāng)?shù)碾娊庖簻囟?，是提高電流效率的因素之一。?jù)文獻(xiàn)［3］，電解液在55℃時的導(dǎo)電率幾乎為25℃時的2.5倍;在 50～60℃時，溫度每升高1℃，電解液電阻約減少0.7%。本廠將液溫控制在60～65℃，同時在電解槽面上覆蓋耐酸滌綸布及關(guān)閉槽面生產(chǎn)區(qū)域天窗，盡量使電解液保溫，以減少電解液蒸發(fā)消耗;減少熱能損失，提高電流效率。

2.3 極間距

極間距離通常以同名電極(同為陽極或陰極)之間的距離來表示，我廠采用的極間距為100mm?？s短極間距，可降低電能消耗，但極間距過小，極間的短路現(xiàn)象增多，這不僅對陰陽極的垂直度及陽極的其他物理狀態(tài)有更高的要求，且易引起電流的損失，降低電流效率［5－6］。若陰、陽極板沒有對正、極間距不均勻，使電流密度不一，靠近陽極板的一側(cè)，電流密度過大，易長粒子，增加能耗;距陽極板較遠(yuǎn)的一側(cè)，因電流密度較小，銅板析出太薄。

由表3可以看出，2～4月份本廠短路率均較高(1月份生產(chǎn)槽數(shù)為360槽，2～8月份為滿負(fù)荷720槽生產(chǎn))，通過員工認(rèn)真調(diào)整陰、陽極板對正平行，對于垂直度不高的陽極板，在其耳部墊銅絲確保板間距均勻;并用手拖式高斯短路探測計探查極間短路且及時處理等措施，使每塊板電流分布均勻，5～8月份短路率都低于2.5‰，滿足生產(chǎn)要求，提高了電流效率。

表3 我廠2013年1－8月平均短路率

2.4 陽極板的化學(xué)成分和物理規(guī)格

陽極板的化學(xué)成分不均勻，容易造成溶解不均或陽極板表面凹凸不平及過早穿孔，電流密度也隨之分布不均勻;陽極物理規(guī)格不達(dá)標(biāo)，出現(xiàn)鼓包、板身厚薄不均、耳朵過厚或飛邊毛刺，不銹鋼陰極出現(xiàn)卷曲、彎折等都可能造成陰極銅長出粗糙的粒子，形成短路，引起電流效率下降。

本廠對每批陽極板都跟蹤檢測，確保其化學(xué)成分和物理規(guī)格達(dá)標(biāo)。因?yàn)殛枠O板的飛邊毛刺在陽極機(jī)組加工前不便檢查，我廠在陽極機(jī)組提板稱重位置安裝高清防抖攝像頭，操作人員可以清晰觀察到陽極板板身過厚或板底邊緣的飛邊毛刺，并且定期校準(zhǔn)和維修電子稱、更換測量板身及耳厚的傳感器，通過人工判斷和計算機(jī)監(jiān)測相結(jié)合的措施，保證裝槽的陽極板質(zhì)量，提高電流效率，使生產(chǎn)正常高效的運(yùn)行。表4、5為我廠陽極板化學(xué)成分和物理規(guī)格控制標(biāo)準(zhǔn)。

表4 本廠陽極板化學(xué)成分控制標(biāo)準(zhǔn)

表5 本廠陽極板物理規(guī)格控制標(biāo)準(zhǔn)

2.5 電解槽漏電

電解槽的漏電是通過彼此鄰近的電解槽或通過電解槽的絕緣體到地面漏電［3］，避免電解槽內(nèi)的溶液與地導(dǎo)通等都是減少電解槽對地漏電提高電效的必要措施［4］。

為了防止或減少漏電，應(yīng)加強(qiáng)電解槽對地的絕緣。加強(qiáng)電解槽與梁、柱、地間的絕緣性能。生產(chǎn)初期，裝槽時發(fā)現(xiàn)接觸點(diǎn)有短路冒火現(xiàn)象，分析原因是電解槽的絕緣性能差，采取切斷兩組電解槽之間回液管道不銹鋼支架，用304不銹鋼作為立管支架固定在水泥梁柱上，再支撐絕緣膠墊，避免兩電解槽可能形成的通電回路產(chǎn)生漏電。此外，作業(yè)人員經(jīng)常檢查設(shè)備的絕緣和漏電情況，維持車間內(nèi)的清潔和干燥，減少設(shè)備對地漏電，提高生產(chǎn)電流效率。

2.6 電流密度

電流密度通常是指在陰極板單位有效面積上所通過的電流強(qiáng)度。在生產(chǎn)實(shí)踐中，實(shí)際陰極電流密度是指陰極的平均電流密度。在電流密度允許范圍內(nèi)，電解槽數(shù)相同情況下，電流密度越高，產(chǎn)出的陰極銅越多。但是電流密度提高后，若添加劑配比或其他條件控制不當(dāng)，會引起多種離子共同放電，容易造成陰極表面出現(xiàn)樹枝狀結(jié)晶或粒子，導(dǎo)致板間短路，電流效率下降。因此在平常電流的控制中，不能過分追加高電流、高產(chǎn)能。本廠自2012年投產(chǎn)以來，電流密度由2013年4月份之前的285A/m2，逐步提升至2013年8月份的309A/m2。圖1出示了電流密度和電流效率的變化趨勢。1～5月份，電流密度是285A/m2，采取適當(dāng)提高溫度，調(diào)整極間距，合理處理短路，挑選合格的陽極板，減少電解槽對地漏電，控制合理的添加劑配比等合理措施，使得電流效率上升，至5月份電流效率達(dá)到97.6%，但前5個月平均值低于96%，而從6月份開始采用適當(dāng)提高電流密度方式來提升電效，電流密度升高至309A/m2，電流效率提升明顯，6～9月份基本穩(wěn)定在98%左右。

圖1 2013年1－9月紫金銅業(yè)電解廠電流密度、電流效率

3 結(jié)語

紫金銅業(yè)電解廠經(jīng)過近兩年的初期生產(chǎn)實(shí)踐，雖然在許多工藝指標(biāo)較先進(jìn)的銅電解廠還有差距，但是不斷地縮短與先進(jìn)銅電解廠的指標(biāo)差距已成為我們努力的方向［7］，在提高電解陰極銅電效上我們采取了一些整改措施，并取得了初步成效。

(1)電解液循環(huán)量一般控制在30L/min/槽左右，液溫在60～65℃范圍內(nèi)，每日跟蹤控制電解液中雜質(zhì)離子的含量，滿負(fù)荷生產(chǎn)時，電流密度為309A/m2。

(2)在陽極機(jī)組提板稱重位置安裝高清防抖攝像頭，操作人員可以清晰觀察到陽極板板身過厚或板底邊緣的飛邊毛刺，以后進(jìn)一步將這一功能完善整合成陽極整形機(jī)組的一體功能，將進(jìn)一步提高陽極板的加工質(zhì)量。

(3)切斷原安裝的各組電解槽之間回液管道不銹鋼支架，提高電解槽的絕緣性能，從而提高電流效率。

(4)保證裝槽陽極板規(guī)格符合要求以及極間距的均勻，避免板間短路，減少電解槽對地漏電，不斷提高槽面管理水平，加強(qiáng)員工對槽面工作的監(jiān)管和巡查，不斷提高陰極銅電解的電流效率，減少電解過程中的電能損失，從而降低生產(chǎn)成本。

［1］ 朱祖澤，賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學(xué)［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.558－563.

［2］ 蘇中府.影響銅電解電流效率的因素和對策［J］.有色冶金節(jié)能，2000，4(8):27 －28.

［3］ 童文勝，蔡光奇.降低直流電單耗的生產(chǎn)實(shí)踐［J］.稀有金屬，2006，12(30):127 －129.

［4］ 李鵬，劉建萍，王艷.銅電解提高電流密度的生產(chǎn)實(shí)踐［J］.中國有色冶金，2011，8(4):22 －24.

［5］ 王春海.淺析銅冶煉過程中影響電流效率的因素［J］.新疆有色金屬，2008，2(4)，64 －67.

［6］ 張文林，李堅.淺談銅電解精煉中的極間短路［J］.有色冶金節(jié)能，2006，6(7):26 －29.

［7］ 胡淵明，馬春來，史建遠(yuǎn).降低銅電解直流電單耗的生產(chǎn)實(shí)踐［J］.有色礦冶，2009，22(4):61 －63.