铜电解精炼扩大产能的技改实践与研究

□文/陈长顺张家港联合铜业有限公司

铜电解精炼扩大产能的技改实践与研究

The Practice and Research on the Expansion of Production Capacity of Copper Electro Refi ning

□文/陈长顺
张家港联合铜业有限公司

张家港某铜业公司通过实施一系列铜电解精炼产能挖潜技改和铜电解扩建，电解铜生产能力得到大幅度提升，阳极泥、粗硫酸镍等副产品产量大为增长，主要技术经济指标也不断优化改进。本文较系统全面地介绍和总结了该公司近年来采取的一些做法，并提出了进一步扩大铜电解精炼产能的建议。

铜电解精炼；常规电解法；扩大产能；技改实践

张家港某铜业公司铜电解精炼系统初始设计为年产电解铜3万吨。为充分挖掘设备潜能以实现增产增收及降低单位生产成本，他们自投产以来，实施了一系列铜电解精炼产能挖潜技改和电解扩建，产能获得了较大提升，目前电解铜年生产能力为21.5万吨，副产品阳极泥、粗硫酸镍的产量也相应有了大幅度提高。

一、铜电解精炼系统简介

1. 原始设计情况概述

铜电解精炼系统采用的是常规电解法生产工艺，电解槽内口容积规格为：3 480×870×1105 mm（长×宽×深），电解铜规格为：740×770×11～12mm（宽×高×厚）。设计的主要生产工艺条件为：每槽阴、阳极块数分别为32块和33块；电流密度为220～240A/m2；同极距100mm。公司设计的产品规模为年产电解铜3万吨，分二期建设，即电解Ⅰ期（192个电解槽）和电解Ⅱ期（200个电解槽），种板系统设置于Ⅰ期，共32个电解槽，电解液单独循环、整流机组单独供电。

2. 目前铜电解系统情况概述

该公司目前有五个铜电解精炼生产系统，共计1 192个电解槽，电解槽内口容积规格为：3 480×870×1 340 mm（长×宽×深），电解铜规格为：740×1 000×11～12mm（宽×高×厚）。采用的主要生产工艺条件是每槽阴、阳极块数分别为39块和40块；电流密度可根据铜原料供应、阳极板库存情况和铜价市场行情实行弹性生产调整，一般在280～320A/m2；同极距84.5mm。

二、扩大产能措施及效果分析

针对投产初期存在电解铜产品规模小、单位产品的能耗高及生产成本高、设备作业率低等不足，公司对铜电解系统实施了电解槽加高及电铜二次加长技改、缩小时及提高电流密度等一系列扩大产能措施，先后进行了铜电解Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期三次扩建，并不断完善电解生产工艺配套设备设施，主产品电解铜及副产品阳极泥、粗硫酸镍的产量均实现了大幅度提高。

1. 缩小极距，逐步增加每槽阴、阳极块数

按Ⅰ、Ⅱ期工程项目设计书，每槽装阳极板33块、阴极铜32块，同极距为100mm。投产初期的实际阴、阳极块数分别为33块、34块。此后，在电解槽内口尺寸维持不变的情况下，采取了逐步增加阴、阳极即缩小极距的做法，共实施了4次缩小极距措施：将每槽阴极块数分别增加1~3块，极距由最初设计的100mm缩小至84.5mm。

通过采取缩小极距的措施，在投入极小的情况下实现了电解铜产能大幅增加。据测算，每槽阴极由33块增加到39块，在维持电流密度不变的情况下，每只电解槽产能可增加18.18%，增产效果极其显著。

2. 实施电解铜板面加长技改

该公司实施电解铜板面加长分两步走：第一步是将板面长度由770 mm加长至900mm；第二步是在第一次板面加长技改的基础上，再将板面长度由900mm进一步增加到1 000mm。

二次电解铜板面加长技改是在系统不停电的情况下实施完成，在不增加铜电解基建和设备投入、电流密度维持不变的情况下，每只电解槽产能增加16.88%，增产效果明显。

3. 不断提高电流密度

在确保电解铜产品质量的前提下将电流密度由原来的220～240A/m2提高到最高时为320A/m2，因阳极板供应未能满足电解满负荷生产需求，目前运行的生产电流密度为310A/m2。按目前电流密度计算，每只电解槽产能较设计水平240A/m2提高29.17%，具有可观的经济效益。

4. 改进设计，增加电解槽配置

该公司I期投产后的数年内，I期种板系统、生产系统的电解液循环与直流供电均单独设置，I期槽面上的生产槽与种板槽之间设置了几米宽的行走通道。经充分论证，在2001年实施电解槽加高技改时，将I期种板与生产系统合二为一，并利用I期生产槽与种板槽之间的通道场地空间增加配置了8只电解槽。为解决电解铜人工码垛作业存在的不足，他们于2002年首先在电解Ⅲ期上马了一套阴极联动机组进行试点，实践应用中效果较好，于是在Ⅳ、Ⅴ期扩建设计时直接配置了阴极联动机组，该机组因节省了人工码垛作业占用场地，使得与电解Ⅲ期厂房一样大小的Ⅳ、Ⅴ期（各配置268只电解槽）较Ⅲ期（配置256只电解槽）多配置12只电解槽。

通过设计改进，在无需增加任何厂房面积的情况下，I、Ⅳ、Ⅴ期共增加了32只电解槽，按320 A/m2电流密度测算，每年可增加产能5 800吨左右。

5. 通过扩建实现增产

公司铜电解精炼系统生产规模最初设计为年产3万吨，为扩大产品规模，除采取挖潜增产技改措施提高电解铜产能外，2001年以来进行了三次铜电解投建。目前，五个电解系统共有1 192只规格相同的电解槽，电解槽数量上为建厂设计时的3倍，电解铜产能大幅增加。

该公司通过采取上述措施，电解铜年生产能力由投产初期的3万吨发展到目前的21.5万吨；阳极泥、粗硫酸镍等副产品产量也相应大幅增长。另外，通过不断优化生产工艺参数控制和完善生产工艺配套设备设施，铜电解生产主要技术经济指标也获得了优化改进，多项指标达到了国内同类厂家先进水平，尤其在降低电解铜交流电工序单耗及降低电解铜煤单耗上效果极为明显，铜电解精炼部分生产统计数据见表1。

三、下一步可考虑采取的扩能措施

1. 采取永久性不锈钢阴极（PC）母板电解技术

永久性不锈钢阴极母板电解技术，目前在国内外先进厂家已经得到了广泛应用，铜陵金隆铜业公司在2007年已经采用此先进技术，该技术具有如下优点：不锈钢阴极表面光洁、平直、悬垂度好，不容易造成短路，较常规电解法可进一步缩小极距和提高电流密度，因而可进一步提升产能；取消了钛种板系统，无需始极片生产、加工制作，也无需始极片联动机组；阳极溶解更均匀，因而可以提高阳极残极率；采用高电流密度时，因产生的热量焦耳数值多，可有效降低蒸汽消耗；自动化程度高，可有效减少劳动定员；有利于提高产品质量；工艺技术指标先进，劳动生产率高、综合能耗低、生产成本低。实施该技术，除不锈钢材、配套电解铜剥离机组一次性投资偏高外，综合运行成本明显低于始极片加工制作综合成本。

2. 采用周期反向电流电解（PRC）技术

提高电流密度是强化铜电解精炼生产的重要措施，但采用常规电解法，一般电流密度不高于300A/m2，过高的电流密度，会使电极附近的浓差极化增大及阳极钝化，使阴极沉积物的结构和质量变差，电流效率降低，也使贵金属损失增加。

采用PRC技术可有效避免浓差极化，从而可以使电流密度提高到400A/m2以上。PRC技术自1963年在保加利亚铜精炼厂首次应用于工业生产以来，经过多年实践，目前已经发展成比较成熟的技术，使用可控硅整流器很容易实现周期反向电流，国内民营企业浙江兰溪自立铜业公司已经采用此技术处理较低品位阳极板。

表1 铜电解精炼部分生产统计数据

另有研究资料报道，采用400~800A/m2与PRC技术相结合，在经济上是最有利的，成本可大幅降低，阴极质量也能得到保证，对此先进电解技术可考虑尽早加以实施。

3. 引进先进机组，提升作业效率

先进的阳极加工处理机组可以对阳极进行切削、压平、矫正、平整飞边毛刺和排列作业，这有利于提高电流效率、提高装槽作业效率和减轻操作工劳动强度，也有利于提高阳极装槽质量，更好地满足生产高纯阴极铜的要求。

4. 增加阴、阳极数量和调整阴、阳极运行周期还可扩大产能

经过计算，将阳极块重减轻至240kg左右，每槽阴、阳极数量分别增加到41块、42块，阴极周期保持不变，现运行的阳极周期由18天调整为16天，电流强度可进一步提高至19 000A，此时电流密度仍在320A/m2以下，两块阳极板之间的操作间距为39.5mm也高于电流18 300A、每槽40块阳极板下的操作间距38.5mm，在此生产工艺条件下，年可增加电解铜产能为7 500吨，阴极铜煤单耗指标也将得到进一步优化改进。

五个系统满负荷生产时，钛种板系统开动的槽数为100只，对钛种板生产始极片的一些工艺条件还可以优化改进：即对I期所有电解槽或生产始极片的种板槽阳极实行减薄、增加块数处理，通过计算，将种板阳极减轻至230kg左右后，阳极因减薄，每槽阳极可由目前的40块增加到43块，在此条件下，钛种板下槽时的操作间距较原来进一步扩大，并且开动的种板槽数可减少至93只，相应可增加7只电解铜生产槽，年可增加电解铜产量1 250吨。

5. 单独设置处理低品位阳极板系统

在采用较高电流密度生产中，技术人员发现一些物理规格与化学品位不达标的阳极板无法满足生产高纯阴极铜的要求，建议单独设置一个电解系统用于处理外购或自产的低品位阳极板、阳极次品，对其他系统因阳极钝化等原因更换下来的不合格阳极板也可重新下槽利用，经济效益明显。