铜电解车间提高电流密度下的生产与实践

别良伟，任智顺

(金川集团股份有限公司铜冶炼厂，甘肃金昌 737100)

1 引言

在铜电解生产中，电流密度是衡量铜电解生产技术水平的一项重要技术指标，合理提高电流密度可挖掘设备产能、降低在线产品数量、减少流动资金占用。高电流密度生产是铜企业共同追求的目标。采用传统始极片电解工艺生产阴极铜的企业，在采用大板阳极板、不改变极距、不增加电解槽下提高电流密度更是增加电铜产能最快的方法［1－3］。

国内某大型铜冶炼厂铜电解车间于2009年5月～12月在150kt/a系统进行了提升电流密度的工业扩大试验，试验结果显示该公司外购高杂阳极板在高电流密度下能够生产出符合国家标准GB/T467－1997(CATH－1)的高纯阴极铜，同时车间摸索出在高电流密度条件下生产出高纯阴极铜的合理添加剂配比及相关工艺技术条件。试验成功后车间于2010年6月在200kt/a系统进行高电流密度的工业化生产，逐步实现了车间大板阴极铜生产系统275～280A/m2高电流密度生产，产出的高纯阴极铜合格率保持在95%以上，符合国家标准GB/T467－1997(CATH－1)。这样铜电解车间不仅可以顺利完成全年的生产任务，并且使单位产品的劳动工资、维修费、相应地减少，提高了劳动效率，节约了设备设施投资，优化了部分经济技术指标，达到利用原有设备增产的目的，使整个铜生产系统实现经济科学运行。

本文重点介绍铜电解车间大板阴极铜生产系统275～280A/m2电流密度下的生产实践及取得的成果。

2 提高电流密度的生产与实践

提高电流密度下生产主要工艺技术条件对比表见表1。电流密度提高到275～280A/m2以后，为了保证电解体系中各组分的稳定，需要每天根据电解液分析结果，及时进行抽、补液、补H2SO4，以维持电解液中Cu2+和H2SO4浓度和溶液体积的平衡。车间通过在工艺技术控制、槽面精细化操作等方面逐步改进适应，最终达到了增产保质的目的。

表1 提高电流密度下生产主要工艺技术条件对比表

2.1 设备方面改进

(1)调整硅整流负荷。由于电流密度的提高，原硅整流器能力不能满足需要，铜电解车间先后对种板整流变压器和种板整流器、电解整流变压器和电解整流器负荷进行调整，以适应高电流密度下的电解生产，同时对整流室内的冷却水系统进行更新，以稳定电流供应和降低直流电单耗。

(2)国产阳极加工机组改造。对国产阳极机组的铣耳、压板、液压油缸等关键部位的部件进行更换，以提高阳极机组加工能力，为配合高电流密度生产，提高电流效率和槽作业率，降低能耗提供保证。

(3)对电解槽液位调节装置改造。通过采用简单易行的液位调节方式，保证电解过程不同时间段液面控制要求，一方面降低材料成本，另一方面可以减少阳极残极顶部余留过多，降低残极率。

(4)做好关键设备的检修维护工作。做好循环泵、阳极泥地坑泵等关键设备及备品备件的统型工作，提高检修效率。加强对阳极加工机组、电铜机组、导电棒机组、专用吊车等关键设备设施的日常点检及维护工作，降低因阳极加工机组等设备故障给正常生产带来的不利影响。

2.2 工艺方面改进

(1)电解液循环方式的改造。电流密度未提高前采用的是电解槽内底管进液、两端上部出液的循环方式，由于液流方向与阳极泥沉降方向相对，阳极泥沉降效果差，极易堵塞进液底管的孔眼，同时杂质中As、Sb、Bi易形成飘浮阳极泥，对高纯阴极铜的质量影响较大。电流密度的提高会造成阳极附近的Cu2+浓度相应增大，有出现阳极钝化的危险，阴极附近Cu2+浓度相应减小而降低阴极铜的质量。为了减少阴极附近的浓差极化，提高阴极铜的质量，增大电解液的循环速度，车间采取电解槽一端底部三通进液、另一端出液的循环方式，电解液从电解槽槽头底部进液，槽尾一端出液，这样可使电解液成分、温度在电解槽内分布相对均匀，提高循环流量，减少阳极钝化和浓差极化，减少因漂浮阳极泥在阴极的粘附几率，降低贵金属的损失，同时解决了进液底管易堵塞，更换繁琐的问题。改造后，不仅节约了材料成本，还可以使通电时间提前，槽作业率大大提高，为阴极铜产量提升创造了良好的条件。

(2)合理调整大板铜阳极板物理规格。高电流密度下阳极板的溶解和阴极铜的析出速度加快，在保证阳极周期20d，阴极周期10d的情况下，通过计算将阳极板重量由原来的320kg/块提高到330～340kg/块，阳极板在浇铸上均采用上厚下薄型式，通过调整阳极板身尺寸、耳部尺寸，以降低大板铜残极率，提高电流效率，降低阴极铜加工成本，优化铜电解生产各项技术指标。

(3)加强电解工艺技术条件控制。高电流密度下阳极的电化学溶解速度加快，电解液中的Cu2+浓度不断上升，As、Sb、Bi等杂质也在不断富集，而硫酸浓度则逐渐降低［4］。为保持高电流密度下电解液成分的均匀性，避免小范围电解槽内电解液成分波动大，控制杂质浓度在规定的范围内，车间加大了电解液净化和循环力度，每天根据电解液化验分析结果，定时定量的从低位槽中抽取电解液净化，采取勤抽少补、小流量补入的原则。根据电解液的蒸发量和当天生产作业的情况，实现小流量连续补充冷凝水，严格控制各溶液储罐的液位，保证电解液总体积的稳定。同时将电解液循环速度提高到28～35L/min，每天定时检测电解槽中电解液的温度，确保电解液温度均匀控制在60～65℃。

为避免阴极铜出现气孔，通过更改高位槽溢流管的位置，改变槽头回液总管的位置，循环槽进液管增加缓冲槽等措施，有效的避免了阴极铜出现气孔的现象。

(4)合理调整添加剂的配比。添加剂是一项控制阴极铜质量的重要因素，高电流密度下若添加剂配比不当，易引起阴极表面的树枝状结晶、凸瘤、粒子等析出物，使阴、阳极之间的短路现象显著增加，引起电流效率的下降［5］。现场设备设施检修完毕后，天气的变化，现场突然断送电等特殊情况易造成生产体系不稳。根据阴极铜表面析出情况，及时调整添加剂的配比，明胶、硫脲和阿维同等添加剂定时定量充分混合均匀后小流量地加入生产高位槽，盐酸和补充硫酸定时定量加入循环槽，避免电解液成分波动，确保阴极铜质量稳定。

(5)加强各岗位精细化操作。车间岗位人员从阳极板加工、钛种板的打磨、始极片剥离、挑选、加工等工序实行精细化操作，保证阳极和始极片的悬垂度和加工质量。对阳极和始极片装槽工序制定精细化操作要求，从平板、照大耳、找排列、擦接触点等确保入槽两极间距均匀、悬垂度好、电力线分布均匀。槽面做好极间短路和烧板的检测与处理工作，为确保各接触点导电性良好，以降低接触电阻，降低槽电压，从而降低电耗，提高电效。认真做好提压溜工作，确保阳极板溶解均匀，降低残极率和阴极铜的加工成本。

2.3 节能降耗、增收节支的措施

在铜电解精炼过程中电消耗和蒸汽消耗是主要的能源消耗，约占总能耗的99.0% ～99.5%以上，可见铜电解精炼过程中节能的关键是节电和节汽。因此，做好电消耗与蒸汽消耗的节能降耗工作是降低电解铜的综合成本，提高产品市场竞争力的关键所在［6］。

提高电流密度会使阴、阳极电位差加大，同时电解液的电压降、接触点和导体上的电压损失增加，从而增加了槽电压和电解的直流电单耗。车间严格控制电解液的温度保持在60～65℃，该措施可有利于降低电解液的粘度，使漂浮的阳极泥容易沉降，增加各种离子的扩散速度，减少电解液的电阻，从而提高电解液的导电率、降低电解槽的电压降，减少铜电解生产的电能消耗。

电流密度的提高，电解液电阻产生的热量随之增加，因此用来加热电解液所用的蒸汽消耗量减少。高电流密度会使电解槽液面水份蒸发而造成车间内酸雾加重，恶化了劳动条件，因此在用高电流密度生产时在电解槽上面覆盖槽盖布可减少蒸汽消耗。对循环系统的槽罐和溜槽加盖，减少设备的对流、辐射放热，对槽罐和管道做好保温措施，同时采用换热效率更高的钛板式换热器，一方面降低了蒸汽波动对电解的影响;另一方面提高了热效率，降低了蒸汽消耗，节约了能源［7］。

根据原料成分情况，在保证电解工序技术条件稳定的前提下，及时、合理地组织净化电蒸发的开停工作，以降低动力电消耗。合理组织生产、优化生产要素，保证电解槽满负荷运行，通过强化管理，提高精细化操作水平，提高能源利用效率，从根本上降低能耗指标。

3 社会效益

采用275～280A/m2高电流密度后除了能提高阴极铜产能外，还可大幅度提高劳动效率，缓解企业人力资源的紧张状况，降低了基建投资优化了部分电解经济技术指标，使该公司的铜电解技术处于国内同行业先进水平，该技术将为公司下一步铜产业不断做大做强提供有力的技术支持，社会效益十分显著。

4 结语

铜电解车间于2010年6月将275～280A/m2的高电流密度全面推广应用在整个大板阴极铜生产系统后，通过采取有效的措施使高纯阴极铜品级率95%以上，产品质量符合国家标准GB/T467－1997(CATH－1)。该技术的研发及成功应用，不仅提高了该公司铜电解技术水平，实现了公司“工艺要适应原料”的要求，同时在不增加设备、设施和基建投资的情况下，使阴极铜的产能得到提高，进一步提高了劳动生产率，优化了部分经济技术指标，为企业选择合理的电流密度和推进企业发展、技术创新、适应市场打下了有力基础，创造了可观的社会效益。

［1］ 许卫，吕重安，肖发新.大冶冶炼厂高电流密度铜电解工业试验［J］.中国有色冶金(重金属)，2008(6):36－39.

［2］ 宣善伦.高电流密度下生产阴极铜的实践［J］.中国有色冶金(重金属)，2007(12):27－29.

［3］ 郑雅杰，赵攀峰，等.高电流密度电解对阴极铜质量的影响［J］.中南大学学报，2009，40(2):311 －316.

［4］ 有色金属提取冶金手册编委会.有色金属提取冶金手册(铜镍卷)［M］.北京:冶金工业出版社，2000.

［5］ 朱祖泽，贺家齐.现代铜冶金学［M］.北京:科学出版社，2003.

［6］ 别良伟.铜电解精炼过程中的节能措施与实践［J］.铜业工程，2011(1):43－45.

［7］ 李宝文.侯马冶炼厂50kt/a铜电解设计与生产实践［J］.铜业工程，2007(1):40－42.