淺談?dòng)绊戙~電解殘極率的主要因素

范傳勇

（紫金礦業(yè)集團(tuán)股份有限公司，福建 龍巖 364200）

1 引言

目前紫金礦業(yè)集團(tuán)已有三家銅冶煉全資子公司，分別為紫金銅業(yè)有限公司、吉林紫金銅業(yè)有限公司、黑龍江紫金銅業(yè)有限公司，其產(chǎn)能分別為年產(chǎn)30 萬t、13 萬t、15 萬t，三家銅冶煉分公司均采用ISA 法電解精煉，即：電解陽極采用可溶粗銅澆鑄成的陽極板（銅含量約98.5%～99.7%）［1］、陰極采用不溶的不銹鋼陰極板，電解液成分主要為硫酸和硫酸銅的混合液、溫度保持在65℃左右，在直流電的作用下，粗銅在陽極電解、失去電子形成Cu2+進(jìn)入溶液，Cu2+在電流的作用下移向陰極，Cu2+在陰極表面得到電子形成金屬銅，并在不銹鋼陰極板上沉積，具體反應(yīng)如下：

陽極：Cu - 2e-= Cu2+

陰極：Cu2++ 2e = Cu

殘極率作為ISA 法銅電解中的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，是各銅冶煉分公司考核電解廠的主要考核指標(biāo)，直接與員工的績(jī)效薪酬掛鉤，因此，針對(duì)如何降殘極率，電解廠各級(jí)管理人員須進(jìn)行分析討論、總結(jié)有效措施，并落到實(shí)處，最終實(shí)現(xiàn)降低殘極率、提高電流效率。

2 影響銅電解殘極率的主要因素

銅電解屬于銅冶煉大系統(tǒng)中的精煉部分，是產(chǎn)出陰極銅的最后一道工序，主要崗位有陽極整形崗位、出裝槽崗位、槽面管理崗位、殘極洗滌崗位、剝片崗位等，影響殘極率的因素較多，主要影響因素有單塊陽極板的重量、陽極板的物理規(guī)格、陽極整形效果、裝槽質(zhì)量、槽面管理質(zhì)量、電解通電時(shí)長(zhǎng)、電流效率、電解液雜質(zhì)等。

殘極率（國(guó)內(nèi)外基本控制在10%～20%之間）的計(jì)算公式：殘極率=殘陽極重量/陽極板重量

陽極板重量——指的是作為電解陽極的陽極板重量；

殘陽極重量——指的是陽極板經(jīng)過一定時(shí)間電解后所殘留的重量。

由于殘陽極洗滌干凈后需送熔煉廠轉(zhuǎn)爐崗位重熔，然后送陽極爐澆鑄成陽極板，陽極板再次送電解廠電解精煉，因此，降低銅電解殘極率，相當(dāng)于減少了返轉(zhuǎn)爐重熔的殘陽極，可降低銅金屬返轉(zhuǎn)爐、陽極爐重熔澆鑄所產(chǎn)生的成本［2］，同時(shí)可減少銅金屬在返轉(zhuǎn)爐、陽極爐重熔澆鑄的回收率損失，最終達(dá)到降低公司噸銅加工成本的目的。

2.1 單塊陽極板重量

陽極板是由電解廠上游工序、熔煉廠陽極爐崗位生產(chǎn)澆鑄的，設(shè)計(jì)院為公司設(shè)計(jì)的陽極板單塊重量［3］為380±10kg，其中陽極板的兩個(gè)陽極耳朵合重約16kg（8kg/個(gè)）。然而，陽極板的兩個(gè)耳朵是暴露在空氣中、未浸泡在電解液中，懸掛在電解槽兩邊的銅導(dǎo)電排（或絕緣板）上，起通電作用、不參與電解溶解，因此陽極板的兩個(gè)耳朵重量是全部計(jì)入殘陽極重量當(dāng)中，鑒于此，在保證陽極板懸掛在電解槽中重心不偏移、垂直度不變的前提下，同時(shí)確保陽極板耳朵可承受板身重量、不斷耳，降低陽極板兩個(gè)耳朵的重量，是降低殘極率最為直接有效的方法，熔煉廠陽極爐崗位通過減薄陽極耳朵厚度、改變耳朵彎曲弧度等措施，可降低陽極耳朵重量，從而實(shí)現(xiàn)降低殘極率，降低陽極耳朵重量與殘極率的關(guān)系如表1 所示。

表1 降低陽極板耳朵重量與殘極率的關(guān)系

在保證陽極板垂直度不變、單塊陽極板重量380kg、變薄后的陽極耳朵可承受板身重量的前提下，陽極爐崗位通過多次實(shí)驗(yàn)，將陽極板耳朵重量由8kg/個(gè)降至6.7kg/個(gè)，兩個(gè)陽極耳朵合計(jì)降低了2.6kg，相對(duì)應(yīng)的殘極率下降了0.684%。

降低陽極耳朵重量的同時(shí)，須確保每塊陽極板的重量都在380±10kg 以內(nèi)，在電解時(shí)間一樣的條件下，出槽時(shí)才能保證每塊殘陽極都厚薄均勻，根據(jù)以往的生產(chǎn)實(shí)踐，陽極爐崗位圓盤澆鑄機(jī)不穩(wěn)定時(shí)，陽極板出現(xiàn)厚薄不均，單塊重量最高達(dá)477kg，最低323kg，重量輕的陽極板會(huì)提前電解完，為了避免出現(xiàn)炸槽現(xiàn)象，只能提前出槽、出銅，因此偏重的陽極板未完全電解，導(dǎo)致該批次殘極率高達(dá)20%以上，熔煉廠通過技術(shù)攻關(guān)，優(yōu)化改造圓盤澆鑄機(jī)稱重系統(tǒng)，使陽極板單塊重量控制在380±10kg 以內(nèi)，達(dá)到降低殘極率的目的。

摘 要：現(xiàn)階段，全球經(jīng)濟(jì)環(huán)境還不容樂觀，仍然處于后金融危機(jī)階段，我國(guó)航運(yùn)業(yè)在這種經(jīng)濟(jì)發(fā)展形勢(shì)下舉步維艱，也使得航海類專業(yè)學(xué)生畢業(yè)實(shí)習(xí)過程中容易出現(xiàn)權(quán)益保障問題?，F(xiàn)通過分析后金融危機(jī)下航海類學(xué)生在畢業(yè)實(shí)習(xí)中權(quán)益保護(hù)存在的問題和其中的成因，并提出合理有效的措施進(jìn)一步保障學(xué)生的權(quán)益，促進(jìn)航海教育的健康發(fā)展。

2.2 陽極板的物理規(guī)格

陽極板的物理規(guī)格主要指陽極板板厚、是否存在飛邊毛刺、垂直度、是否鼓包等。

根據(jù)陽極整形機(jī)組的控制要求，陽極板厚控制在38～54mm，根據(jù)吊車吊具的可吊范圍，陽極耳厚應(yīng)控制在28～44mm。陽極爐崗位結(jié)合電解廠陽極板厚、耳厚控制要求，在保證單塊陽極板重量380±10kg 的前提下，應(yīng)改造、調(diào)整陽極板模具［4］，盡量減薄耳厚、加大板厚，提高澆鑄水平，做到每塊陽極板厚薄均勻，使殘極率得以降低。

圓盤澆鑄機(jī)作業(yè)時(shí)受銅模溫度不均衡、圓盤運(yùn)轉(zhuǎn)速度控制不到位、銅水含揮發(fā)性氣體影響，陽極板極易產(chǎn)生飛邊毛刺及鼓包現(xiàn)象。陽極板存在飛邊毛刺及鼓包現(xiàn)象，一是在裝槽的時(shí)候容易頂彎不銹鋼陰極板，導(dǎo)致陰陽極距離較近電解產(chǎn)生粒子形成短路、或陰陽極接觸形成短路（同名電極間距設(shè)計(jì)為100 mm），致使電流效率降低、殘極率升高；二是陰極板不被頂彎的情況下，靠近飛邊毛刺、鼓包的陰極板面，由于飛邊、鼓包距離陰極板較近，導(dǎo)致局部電流密度過大而長(zhǎng)粒子，粒子長(zhǎng)大后再接觸陽極形成短路，致使電流效率降低、殘極率升高。

在陽極板澆鑄過程中，若銅模的耳厚與板厚比例不協(xié)調(diào)，將導(dǎo)致澆鑄后的陽極板垂直度不行、懸掛在電解槽中未能與槽面垂直，從而致使陽極板底部與陰極板距離太近形成短路。

因此，控制陽極板的板厚、飛邊毛刺、鼓包及垂直度等物理規(guī)格，對(duì)電解殘極率的降低具有較大影響。

2.3 陽極整形效果

由于澆鑄出來的陽極板耳朵底部受銅模影響并不是平整的、存在一定的斜坡度，如果不經(jīng)過任何處理直接裝入電解槽，一會(huì)導(dǎo)致陽極板懸掛在電解槽里面發(fā)生傾斜、不垂直，致使陽極底部與陰極板距離太近形成短路，使殘極率升高；二會(huì)導(dǎo)致陽極耳朵底部與電解槽導(dǎo)電排發(fā)生線接觸、影響導(dǎo)電效果、增加電耗，致使電流效率降低、殘極率升高。因此，陽極板須經(jīng)過電解廠的第一道工序——陽極整形，方可裝入電解槽電解，陽極整形機(jī)組最重要的功能之一就是對(duì)陽極耳朵底部進(jìn)行銑削［5］，將耳朵底部銑削成鏡面，一是使陽極耳朵與電解槽導(dǎo)電排產(chǎn)生面接觸，增強(qiáng)導(dǎo)電效果、降低電耗，從而降低殘極率；二是使陽極板懸掛在電解槽里面不傾斜、與槽面垂直，陰陽極之間不產(chǎn)生短路，從而提高電流效率、降低殘極率。

2.4 裝槽質(zhì)量

經(jīng)過陽極整形的陽極板，通過泡洗槽浸泡去除陽極板表面的銅粉、脫模劑（或直接在電解槽利用電解液循環(huán)帶走銅粉，前提是未通電的情況下），再安排員工裝槽，裝槽作業(yè)主要有清洗銅導(dǎo)電排、照缸、墊銅絲等工作。陽極板裝槽之前，裝槽工須用電解液沖洗一遍銅導(dǎo)電排，然后用不銹鋼鋼絲刷刷一遍，最后用冷凝水將導(dǎo)電排沖洗干凈、確保電解液無殘留，避免硫酸銅結(jié)晶影響導(dǎo)電性。

經(jīng)過陽極整形機(jī)組整形后的陽極板，懸掛在電解槽里面不一定百分百垂直，因此需要安排裝槽工對(duì)每一槽的新入槽陽極板進(jìn)行照缸，一旦發(fā)現(xiàn)陽極板懸掛不垂直，可利用φ3mm 的銅絲來墊垂直，陽極板墊垂直之后再吊入陰極板，同時(shí)裝槽工對(duì)陰極板進(jìn)行照缸，確保陰極板在兩塊陽極板的正中間，減少因陰陽極距離較近引起長(zhǎng)粒子而產(chǎn)生的短路，進(jìn)而提高電流效率、降低殘極率。因此，加強(qiáng)裝槽管理、確保裝槽質(zhì)量尤為重要，通過將電流效率、殘極率指標(biāo)掛鉤裝槽工的績(jī)效工資，可提高裝槽質(zhì)量。

2.5 槽面管理質(zhì)量

陰陽極裝入電解槽后，移交給槽面管理崗位，由其負(fù)責(zé)將電解液循環(huán)升溫至62～65℃，然后通電開始電解，槽面管理質(zhì)量的好壞，主要體現(xiàn)在液位控制、添加劑控制、短路處理等三方面，加強(qiáng)槽面管理工作，對(duì)殘極率的降低起重要作用。

2.5.1 液位控制

按每槽55 塊陽極板、54 塊陰極板（有效電解面積1010×1029mm）、陽極板380kg/塊、殘極率14%、陽極板含銅99.4%、電流效率96.5%、電流34700A（對(duì)應(yīng)電流密度309 A/m2）、電化當(dāng)量1.186g/A·h 測(cè)算，計(jì)算出新裝槽的陽極板完全電解所需要的天數(shù)為：

從上述公式可知，陽極板完全電解大概需要18.4 天，一般分兩個(gè)周期出槽（出銅），第一周期電解9 天，第二周期電解9.4 天。為了降低殘極率，在第一周期可以適當(dāng)提高電解液液位，盡可能地讓陽極板板身更多的部位、面積沒入電解液當(dāng)中參與電解，尤其是陽極板板身頂部，在第一周期可讓液位與陽極板頂部的模面平齊（澆鑄面比模面高2～3mm）；為了殘陽極不斷耳，第二周期須將電解液的液位下降5mm。通過控制電解第一周期、第二周期的電解液液位，可適當(dāng)降低殘極率。

2.5.2 添加劑控制

銅電解精煉時(shí)為獲得平整而致密的高純陰極銅，經(jīng)常在電解液當(dāng)中加入適量的添加劑，主要有骨膠、硫脲、鹽酸等。合理控制添加劑配比，可有效抑制銅粒子的產(chǎn)生，減少短路，從而提高電流效率、降低殘極率，同時(shí)可生產(chǎn)出表面光滑、致密的陰極銅。通常骨膠加入量為40～60g/t 銅，硫脲加入量為20～50g/t 銅，鹽酸加入量控制在105 g/t 銅左右，陽極板雜質(zhì)含量較低時(shí)，Cl-濃度一般控制在20～50mg/L。

2.5.3 短路處理

短路處理是每個(gè)槽面管理班的重要工作，每天分三個(gè)班、每班8h，每個(gè)班需要用冷凝水沖洗陰陽極導(dǎo)電棒與銅導(dǎo)電排的接觸點(diǎn)，每班槽面沖水必須兩次（短路處理前后各一次），清除接觸點(diǎn)上的硫酸銅結(jié)晶，提高導(dǎo)電性、降低電耗。同時(shí)，每個(gè)班需進(jìn)行一次短路處理，利用拖表（也叫極板電流檢測(cè)儀，原理是感應(yīng)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱來辨別是否短路，長(zhǎng)粒子短路造成電流密度變大、磁場(chǎng)也變強(qiáng)）查出短路的陰極板，然后用粒子鏟清除銅粒子，減少短路率，從而提高電效、降低殘極率。為了提高槽面管理工的積極性、杜絕吃大鍋飯的現(xiàn)象，可采取分田到戶的形式，為每個(gè)槽面管理班劃分責(zé)任區(qū)，然后對(duì)各班組所掛鉤責(zé)任區(qū)的電流效率、殘極率進(jìn)行月度考核，考核結(jié)果與月獎(jiǎng)掛鉤。

2.6 電解通電時(shí)長(zhǎng)

根據(jù)單塊陽極板重量、殘極率預(yù)估值、陽極板含銅量、電效預(yù)估值、電流等數(shù)據(jù)計(jì)算出陽極板完全電解所需要的天數(shù)，同時(shí)根據(jù)新裝槽通電日期、扣除第一周期出單極（出陰極銅）的停電時(shí)長(zhǎng)，預(yù)測(cè)第二周期出雙極（殘陽極、陰極銅均出槽）的時(shí)間，電解廠應(yīng)合理安排出槽計(jì)劃，盡量不提前出雙極，提前出雙極會(huì)導(dǎo)致陽極板電解不完全、殘陽極重量偏重，從而使得殘極率偏高。同時(shí)，槽面管理班對(duì)次日需出雙極的電解槽，應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注殘陽極的斷耳情況，為了避免發(fā)生炸槽現(xiàn)象，殘陽極斷耳數(shù)控制在單槽不超過9 塊，一旦單槽斷耳超過9 塊，須立即停電；為了減少出雙極的出槽壓力、加快出槽速度、提高槽時(shí)利用率［6］，建議出雙極的同批次電解槽（一般30 槽）總斷耳數(shù)不超過35 塊。此外，若單槽斷耳數(shù)不超過9 塊、同批次電解槽總斷耳數(shù)不超過35 塊，為了降低殘極率，可適當(dāng)延長(zhǎng)電解通電時(shí)間。

2.7 電流效率

殘極率與電流效率［7］成反比，電流效率越高、殘極率越低，反之亦然?？己穗娊鈴S殘極率，必然同步考核電流效率，電流效率跟陽極板的物理規(guī)格、陽極整形效果、裝槽質(zhì)量、添加劑配比、槽面管理質(zhì)量、電解液雜質(zhì)等因素息息相關(guān)，2019 年其中一家電解廠的電流效率與殘極率的關(guān)系如表2 所示。

表2 2019 年電解廠電流效率與殘極率的關(guān)系

從表2 可看出，只要不提前出雙極、讓陽極板完全電解，那么電流效率越高、殘極率就越低，因此電解廠抓殘極率指標(biāo)的同時(shí)必須抓電流效率。

2.8 電解液雜質(zhì)

電解液雜質(zhì)含量越高，電解液的電阻就越大，使導(dǎo)電率降低，增加電耗、降低電流效率，導(dǎo)致殘極率升高。同時(shí)雜質(zhì)含量過高時(shí)，將影響陰極銅質(zhì)量，導(dǎo)致陰極銅化學(xué)成分超標(biāo)、不合格。電解液的雜質(zhì)主要有砷（As）、銻（Sb）、鉍（Bi）、鎳（Ni）等，電解液主要成分控制標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

表3 電解液主要成分控制標(biāo)準(zhǔn)

雜質(zhì)含量超過上表標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，電解液需送凈液工序脫雜，脫除As、Sb、Bi、Ni 等雜質(zhì)后，再將凈化后的電解液返回電解系統(tǒng)，因此，提高凈液工序的脫雜效率，及時(shí)脫除電解液中的雜質(zhì)，避免因電解液雜質(zhì)超標(biāo)而長(zhǎng)粒子形成短路，對(duì)電流效率、殘極率的控制至關(guān)重要。

3 結(jié)語

綜上所述，通過控制單塊陽極板的重量、確保陽極板的物理規(guī)格符合設(shè)計(jì)要求、保證陽極整形銑削效果、嚴(yán)把裝槽質(zhì)量關(guān)、加強(qiáng)槽面管理、適當(dāng)延長(zhǎng)電解通電時(shí)間、提高電流效率、有效脫除電解液雜質(zhì)等措施，可有效降低殘極率，減少返回熔煉廠轉(zhuǎn)爐重熔的殘陽極，進(jìn)而降低公司的噸銅加工成本，同時(shí)能減少熔煉廠重復(fù)粗煉帶來的銅回收率損失，最終實(shí)現(xiàn)公司效益最大化。