優(yōu)化銅電解縮、擴(kuò)槽管理的生產(chǎn)實(shí)踐

林 欣

(紫金銅業(yè)有限公司， 福建 龍巖 364205)

紫金銅業(yè)電解廠采用永久不銹鋼陰極工藝，設(shè)計(jì)規(guī)模年產(chǎn)30萬t標(biāo)準(zhǔn)陰極銅，主廠房采用雙跨結(jié)構(gòu)，分東、西循環(huán)系統(tǒng)，每系統(tǒng)共四個系列，每系列8組，每組15個電解槽，共計(jì)960槽，滿負(fù)荷生產(chǎn)單個系統(tǒng)體積超過4 300 m3。為了保證冶煉系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行，延長冶煉設(shè)備使用壽命，降低由于設(shè)備故障導(dǎo)致的生產(chǎn)損失，熔煉廠約每兩年需進(jìn)行15天左右的年中大修，閃速爐、轉(zhuǎn)爐、陽極爐停爐，電解廠配合進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)縮、擴(kuò)槽檢修作業(yè)。同時，管道的清洗、維修和更換作業(yè)會交叉進(jìn)行，若生產(chǎn)計(jì)劃不細(xì)致，工藝調(diào)整不準(zhǔn)確，則易導(dǎo)致大規(guī)模陰極銅質(zhì)量問題。

自2012年投產(chǎn)以來，電解廠共經(jīng)歷三次系統(tǒng)檢修，針對歷次縮、擴(kuò)槽方案，作業(yè)流程，工藝控制條件等情況進(jìn)行歸納總結(jié)，形成了一套較為完整的縮、擴(kuò)槽檢修流程，通過降低生產(chǎn)電流，按東、西系統(tǒng)30槽交錯縮減和增擴(kuò)的方式進(jìn)行作業(yè)，避免了電解液各項(xiàng)成分變化幅度過大，保障了年修期間電解系統(tǒng)的平穩(wěn)過渡，保證了陰極銅的質(zhì)量和產(chǎn)量。

1 縮、擴(kuò)槽檢修方案的制定

檢修方案的準(zhǔn)確性、完整性和可操作性是決定每次系統(tǒng)縮、擴(kuò)槽檢修順利完成的基礎(chǔ)[1]。縮、擴(kuò)槽檢修方案包括以下幾個方面：作業(yè)項(xiàng)目的分類，主要分為縮、擴(kuò)槽項(xiàng)目，清洗項(xiàng)目，管道項(xiàng)目等；各作業(yè)項(xiàng)目組織責(zé)任人框架，做到協(xié)調(diào)有序，分工明確；編制檢修項(xiàng)目安全作業(yè)規(guī)程，梳理檢查所需設(shè)備種類和工況、維修管件的材質(zhì)和數(shù)量，提前安排進(jìn)入施工現(xiàn)場；編制計(jì)劃進(jìn)度完成表、施工質(zhì)量監(jiān)督方案和應(yīng)急處置方案，保證整個檢修過程的有序推進(jìn)。

2 縮、擴(kuò)槽主要管理措施及效果分析

2.1 陽極板的充足儲備

針對年修計(jì)劃，提前儲備充足的陽極板，合理控制縮槽速度，降低電解液成分變化幅度，避免單系統(tǒng)縮減過快、縮槽間隔過短以及縮減槽數(shù)過多(最后縮減量不能超過總數(shù)1/3)的情況出現(xiàn)。

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)情況，以2017年為例，編制預(yù)計(jì)產(chǎn)量計(jì)劃表推算出年修期間需出槽雙極23批，縮減360槽，用于管道清洗。則需準(zhǔn)備庫存陽極板22組，共計(jì)6 780 t的陽極板用于縮槽期間的裝槽(22組即330槽，每槽需20.5 t陽極板)。

2.2 電流密度的準(zhǔn)確調(diào)控

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[2]。在電解槽數(shù)相同情況下，電流密度越高，產(chǎn)出的陰極銅越多。但電流密度提高后，若添加劑配比或其他工藝條件控制不當(dāng)，會引起多種離子共同放電，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[3-4]。

年修期間需將電流降低，防止由于縮槽作業(yè)引起的電流密度過高，而且在低電流密度條件下，添加劑、電解液成分控制更加容易，運(yùn)行平穩(wěn)一段時間后，通過縮槽縮液就可以進(jìn)行更充分的準(zhǔn)備，更有利于調(diào)控。經(jīng)過精密測算，將電流由原來的34 500 A降至30 000 A，即電流密度由307 A/m2降低至267 A/m2(陰極板有限面積1.01×1.028×2=2.078 m2，每槽有54塊陰極板，則電流密度為34 500÷2.078÷54=307.36 A/m2)，既可以保證任務(wù)的完成，又可以按計(jì)劃平穩(wěn)進(jìn)行檢修。

2.3 結(jié)垢管道的計(jì)劃性清洗和收集

通過合理排布生產(chǎn)出槽計(jì)劃，縮槽管理制度，采取東、西系統(tǒng)輪流縮減一個系列，縮減后再清洗，清洗完成配合檢修安裝的原則，對電解廠管道結(jié)垢進(jìn)行化學(xué)分析(表1)。由表1可知，結(jié)垢中含Au、Ag的量較多，故在地坑邊上制作過濾網(wǎng)，將沖洗下來的結(jié)垢及時收集清理裝袋，晾干后重新送至熔煉廠配料工段配料，回收貴金屬。結(jié)垢全部實(shí)現(xiàn)開路循環(huán)處理，減少漂浮陽極泥，保證電解液循環(huán)量達(dá)30 L/min·槽的技術(shù)要求。

表1 電解廠管道結(jié)垢元素分析

2.4 電解液中銅離子濃度準(zhǔn)確控制

銅離子濃度對陰極銅表面質(zhì)量有較大影響。如陽極銅雜質(zhì)含量很高，則按銅計(jì)算的陰極電流效率會高于陽極電流效率，即在單位時間在陰極析出的銅大于從陽極上溶解的銅量，因而電解液含銅逐漸貧化。為維持正常的電解生產(chǎn)，則必須定期向電解液中補(bǔ)銅，例如硫酸銅結(jié)晶，以補(bǔ)充溶液中銅離子濃度的不足。反之，如陽極銅的主品位很高，雜質(zhì)含量較低，則會使陰極電流效率低于陽極電流效率，使電解液中銅離子逐漸累積。在高電流密度下電解速度加快，陽極板迅速溶解，銅離子在陰極附近迅速析出，陰、陽極間銅離子濃度梯度迅速增大，濃差極化增大，使陰極易長粒子。適當(dāng)提高電解液的銅含量可減緩銅離子濃度梯度，使陰極沉積物致密。含銅量不斷上升，電解液阻值也將不斷增大，致使電解過程槽電壓升高[5]。此外，由于硫酸銅在硫酸溶液中有一定的溶解度，當(dāng)含銅量超過其溶解度或因電解液的溫度下降時，硫酸銅就可能從電解液中結(jié)晶，附于輸液管道和陰、陽極板以及電解槽內(nèi)壁，影響正常的電解作業(yè)。生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定銅離子濃度最好控制在45～50 g/L之間。

年修前一個月至少儲備500 t以上的硫酸銅，每天化驗(yàn)3次銅離子濃度，出現(xiàn)低于40 g/L時，要結(jié)合參與循環(huán)、外排總量測算出所需硫酸銅量，并將其稀釋重溶返回上清液槽，使得銅離子及時快速回到循環(huán)系統(tǒng)中，縮槽后在最短的時間內(nèi)提升電解液中的銅離子濃度，維持系統(tǒng)中銅離子濃度的平衡穩(wěn)定。此外，充足的硫酸銅儲備，也可作為擴(kuò)槽時的電解液配料劑，以提高擴(kuò)槽速度。

2.5 添加劑用量的準(zhǔn)確測算

銅電解添加劑包括骨膠、硫脲和鹽酸，它們以少量加入電解液中，起著調(diào)節(jié)沉積物物理性質(zhì)的作用，如光澤度、平滑度、硬度或韌性等。添加劑的用量和配比要根據(jù)原料情況、各項(xiàng)工藝技術(shù)參數(shù)以及實(shí)際觀察到的陰極銅質(zhì)量變化進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整[6-7]。

加膠量不足時，不能充分發(fā)揮膠質(zhì)對粒子生長的抑制作用，會在陰極板身上長粒子，這種粒子是尖頭棱角形的，可相對均勻地分布于整個板身。隨著膠量的增加，這種粒子逐漸變圓，直到消失。加膠量過大時，膠抑制陰極表面尖端棱角優(yōu)先生長的作用被消弱了，陰極銅表面生長的粒子呈圓頭狀，與陰極基體的接觸面積較大，極難擊落。陰極的整個板身都吸附有相當(dāng)數(shù)量的膠質(zhì)，不僅會產(chǎn)生陰極銅分層現(xiàn)象，而且使整個陰極的基體結(jié)構(gòu)都很致密。

硫脲加入量少時，易在陰極表面有亮晶，結(jié)晶疏松；但加入量過多時，又使陰極銅表面出現(xiàn)粗條紋狀結(jié)晶，嚴(yán)重時出現(xiàn)粗結(jié)晶粒子。

加鹽酸不適當(dāng)情況下，氯離子濃度過小時，往往在陰極上出現(xiàn)魚鱗狀光亮的灰白粒子，這種粒子與陰極銅接觸處是一點(diǎn)，中間大，頭是尖的，并且生長很快；氯離子濃度過大時，易在陰極表面生長針狀粒子，若氯離子濃度減小，此粒子逐漸變圓直至消失。

年修期間管道清洗采用兩臺清洗機(jī)同時作業(yè)，平均每臺清洗機(jī)用水量15 m3/h，需耗水240 m3/d，大量的洗滌水容易進(jìn)入系統(tǒng)，致使電解液體積和成分出現(xiàn)較大波動，原添加劑平衡體系被打破，板身極易出現(xiàn)大面積密集粒子。針對此情況，采取洗滌水抽出開路的方式，將洗滌水經(jīng)地坑中過濾網(wǎng)過濾后通過泵抽送入廢酸池內(nèi)，及時回收洗滌水，避免進(jìn)入系統(tǒng)破壞水平衡。根據(jù)電解液黏度、新通電陰極銅上的生產(chǎn)情況和沉積物狀況作為調(diào)節(jié)添加劑的加入量依據(jù)，考慮前期部分水已經(jīng)進(jìn)入系統(tǒng)，補(bǔ)充部分底膠，維持系統(tǒng)體積平衡和陰極銅質(zhì)量的穩(wěn)定，維持體系平衡和陰極銅質(zhì)量的穩(wěn)定。組織工藝技術(shù)人員將添加劑的判斷加量形成經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行總結(jié)，但通過人工判斷控制添加劑量具有一定的滯后性和不穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)量可能偏離最佳值。最好將膠溶度、陰極過電位或者電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)在線檢測，得出在不同電解條件時添加劑的最佳量，將添加劑的控制由滯后調(diào)節(jié)變?yōu)槌翱刂?，指?dǎo)生產(chǎn)的調(diào)節(jié)方向。

2.6 系統(tǒng)體積的穩(wěn)定控制

縮槽時陰極板不允許在電解液中浸泡，避免有機(jī)物在板面上附著，造成底部不長銅，形成孔洞板。通過將第一槽陰極板全部調(diào)整至陽極位，定位錐保持固定位置，底槽陰極板導(dǎo)電端上方墊條形方木，對奧地利昆茨行車實(shí)行陰極鉤手、自動切換開鉤方式，即可實(shí)現(xiàn)放兩槽陰極板。有效節(jié)省了縮槽時陰極板的放置問題，避免放置在電解液中浸泡?？粘龅牟圩涌蓛Υ婕s一半電解液，其余部分進(jìn)入平衡槽進(jìn)行儲存，少部分則通過進(jìn)液脫銅后開路至硫酸廢酸處理。

以出裝槽作業(yè)與起點(diǎn)作業(yè)時間分別采用靜、動態(tài)體積作為衡量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)對突發(fā)狀況。精確計(jì)算槽存體積，區(qū)別制定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，通過細(xì)致分析和精細(xì)操作，達(dá)到了精確控制的目的。再以倒返液均衡比(按東、西系統(tǒng)倒、返液量各自差值與各自總平均的比值)、當(dāng)班總體積對班組落實(shí)考核指標(biāo)，督促班組均衡倒返液并嚴(yán)格控制體積失衡后的膨脹，控制好系統(tǒng)中電解液成分。從圖1、圖2可知，隨著生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的積累，積分考核制度及檢修方案的完善，2017年7月整月檢修期間，倒液差值僅為9 m3，返液差值僅為59 m3，均達(dá)到了歷年來最好水平。

圖1 倒液數(shù)據(jù)

圖2 返液數(shù)據(jù)

2.7 系統(tǒng)擴(kuò)槽循環(huán)的穩(wěn)定開啟

在系統(tǒng)開始擴(kuò)槽開循環(huán)時，應(yīng)先對槽內(nèi)儲液進(jìn)行自加液自循環(huán)，合理控制各儲槽液位，將平衡槽內(nèi)液逐步打入循環(huán)系統(tǒng)，使得較冷的電解液充分混合循環(huán)，使循環(huán)系統(tǒng)的電解液保持均勻性。此外，承裝電解液擦槽子液較臟，陽極泥較多，需要足夠的沉降時間。循環(huán)至少3 h以上，電解液溫度是送電的最根本條件(本廠要求槽內(nèi)58 ℃以上)，由于循環(huán)剛開始時電解液溫度下降過快，需將待通電電解槽全部蓋上彩條布，以提升板式換熱器溫度，逐步滿足30槽擴(kuò)液需求。若要盡快滿足正常送電要求，必須加大加熱升溫力度，系統(tǒng)可先用低電流送電，待溫度上升至送電溫度時，再提升至生產(chǎn)電流，一般將電流值設(shè)置為平時電流0.6倍開循環(huán)較為適宜。

3 歷次年修陰極銅質(zhì)量

本廠自生產(chǎn)以來共經(jīng)歷三次較大的系統(tǒng)性縮、擴(kuò)槽年修。由表2可以看出，初次縮擴(kuò)槽年修，由于縮槽數(shù)較少，并且生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)不足，方案未完善落實(shí)，雖然縮槽數(shù)量最少，但產(chǎn)出廢銅率最高，達(dá)到8.54%。通過不斷積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化檢修方案，嚴(yán)格控制倒返液均衡比，精準(zhǔn)調(diào)控各項(xiàng)工藝條件，至2017年第三次年修結(jié)束，陰極銅廢板率不斷降低，達(dá)歷年最低1.92%，保證了生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行，提升了陰極銅質(zhì)量。

表2 歷次年修年修槽數(shù)和廢銅率

4 結(jié)語

本廠2017年年修期間完成了縮槽6個系列(720槽)管道結(jié)垢清洗及縮、擴(kuò)槽滿負(fù)荷生產(chǎn)的任務(wù)，嚴(yán)格落實(shí)了上級的工作部署。通過歷次檢修經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，本廠對年修期間的各種問題提出了相應(yīng)的解決措施，穩(wěn)定了陰極銅質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升了公司品牌形象和經(jīng)營效益，并且為其他銅冶煉行業(yè)電解廠檢修作業(yè)提供了借鑒參考。