云铜传统电解与ISA电解完全成本对比分析

王 冲， 罗劲松， 沐亚玲， 李 坚

(1.云南铜业股份有限公司, 云南 昆明 650102； 2.昆明理工大学 冶金与能源工程学院, 云南 昆明 650093)



重金属

云铜传统电解与ISA电解完全成本对比分析

王 冲1,2， 罗劲松1， 沐亚玲1， 李 坚2

(1.云南铜业股份有限公司, 云南 昆明 650102； 2.昆明理工大学 冶金与能源工程学院, 云南 昆明 650093)

以2013年度云南铜业股份有限公司传统铜电解和ISA铜电解工艺的生产数据，对比分析了两种铜电解生产工艺在相同铜产量下的固定成本、变动成本、财务费用、主要经济技术指标折算的成本和完全成本。结果表明，因两个生产系统的基本建设投资差异引起的固定费用差异最大，由财务费用和主要经济技术指标差异引起的成本差异次之，变动成本则相差最小，ISA电解的完全成本比传统电解的高3.50元/tCu。

铜电解； 完全成本； 传统电解； ISA电解

全球铜产量的80%左右产自硫化铜矿，而硫化铜矿经火法冶炼产出的阳极铜中铜含量(质量分数)通常只有99.0%～99.5%[1]，须经过电解精炼获得高纯阴极铜。铜电解精炼的历史悠久，20世纪70年代以来，在传统工艺的基础上，出现了周期反向电流电解、不锈钢阴极电解和薄型阳极电解等工艺。与传统铜电解工艺采用纯铜始极片作为生产电解槽的阴极所不同，永久阴极铜电解工艺采用不锈钢板作为永久性阴极，省去了铜始极片的电解生产和加工制作；此外，由于不锈钢阴极板硬度高、板面平整、垂悬度好，对于提高电流密度强化铜电解生产和提升阴极铜产品质量，作用非常显著。因此，从其问世伊始，就引起了铜冶金行业的极大关注，技术不断完善，并在全球获得推广。目前，全球主要有4种不锈钢阴极铜电解生产工艺，即ISA工艺、Kidd工艺、EPCM工艺和OT工艺[2]。截止2008年底，全球采用ISA电解(电积)工艺技术的工厂有50多家[3]，目前又增至60多家，产能超过500万t，占世界铜产量的35%以上[2]。

云南铜业股份有限公司(以下简称云铜)是国家第一个五年计划中156项重点建设项目之一，于1958年建成投产，此后历经几次改造和扩建，拥有8跨采用传统电解工艺生产高纯阴极铜的电解车间。2010年，云铜新建成投产第9～10跨电解车间，采用ISA电解工艺，年产18万t高纯阴极铜。自此，云铜电解分厂内，传统电解和ISA电解两种铜电解生产工艺并存。为了更好地了解实际生产条件下两种电解工艺的差异，本文对阴极铜产能均为18万t/a的第6～8跨(采用传统电解工艺)和第9～10跨(采用ISA电解工艺)在2013年度的完全成本进行全面分析，探讨两种铜电解生产工艺在技术、经济方面存在的差异，为本公司和同行提供借鉴。

1 固定成本对比分析

1.1 人工成本对比

云铜铜电解分厂主要包括传统电解生产系统(以下简称传统电解)、ISA电解生产系统(以下简称ISA电解)、电解液净化系统(简称净液系统)、维修部门和管理人员等5个部分。表1为云铜铜电解分厂的人员分布情况。由于传统电解和ISA电解的产能接近，表1将净液系统、维修部门、管理人员平均分配到传统电解和ISA电解。

表1 2013年云铜铜电解分厂的人员构成

传统电解的人员包含正式工和外协工，正式工按年工资11.00万元/(年·人)计算人工成本，外协工按18.04元/tCu计算人工成本。2013年传统电解的总产量按18万t计算，则传统电解的人工总成本计算如下：

传统电解的总人工成本=传统电解的员工人数×

11.00+ (传统电解的铜产量×18.04 )=

120×11.00+ (180 000×18.04) =1 644.70万元

传统电解的吨铜人工成本=16 447 000/180 000=

91.40元/tCu

ISA电解的人员只有正式工，人工成本全部按照年工资11.00万元/(年·人)计算，2013年ISA电解的总产量按照18万t计算，则ISA电解人工总成本计算如下：

ISA电解的总人工成本=ISA电解的员工人数×

11.00=137×11=1 507.00万元

ISA电解的吨铜人工成本=15 070 000 /180 000=

83.70元/tCu

1.2 折旧费用对比

云铜铜电解分厂所有折旧费均按照直线法进行计算，取残值为5%，使用年限为35 a。第6～8跨(传统电解)的基本建设投资为4.00亿元，于2004年建成投产；第9～10跨(ISA电解)的基本建设投资为6.98亿元，于2010年投产。为了更好地比较传统电解和ISA电解在同一时期内的折旧费用，本文假设传统电解于2010年与ISA电解一起投产，考虑资金的时间价值(资金随着时间的推移而产生的增值)，将2004年传统电解的基本建设投资按照复利法折算到2010年[4]，则有：

F=P(1+i)n=4×(1+3.6%)6=4.945 6亿元

式中：F为本利；P为本金；i为一个计息周期内的利率；n为计息期数，2004年银行整存整取的5年以上存期年利率为3.6%。

因此，2013年云铜传统电解和ISA电解的总折旧费用分别为1 342.00万元和1894.00万元，折算到吨铜为：

传统电解的吨铜折旧费用=13 420 000/180 000=

74.60元/tCu

ISA电解的吨铜折旧费用=18 940 000/180 000=

105.20元/tCu

1.3 固定成本对比

将上述计算所得的人工成本和折旧费用加和得到固定成本，列于表2。通过表2可得云铜传统电解和ISA电解的固定成本(含人工成本和折旧费用)总和分别为166.00元/tCu和188.90元/tCu。

表2 云铜传统电解和ISA电解的固定成本对比 元/tCu

从表2可以看出，与ISA电解相比，传统电解的人工成本高出7.70元/tCu；而ISA电解的折旧费用却比传统电解高出30.60元/tCu，这是造成ISA电解与传统电解的固定成本差距较大的主要原因，这主要是ISA电解的基本建设投资费用高于传统电解，因此ISA电解的吨铜固定成本比传统电解高出22.90元/tCu。

2 变动成本对比分析

云铜铜电解生产的变动成本如图1所示，可以看出，云铜铜电解生产中，99%的变动成本集中在动力费用和材料费用部分，这是由铜电解生产本身的特点所决定的。因此，后续仅就动力费用和材料费用进行对比分析。

图1 云铜铜电解生产的变动费用组成

2.1 动力费用对比

云铜铜电解生产的动力费用如图2所示。云铜铜电解生产中，99%的动力费用集中于电和蒸汽，因此，后续对动力费用的对比分析仅为电和蒸汽部分。

图2 云铜铜电解生产的动力费用组成

从云铜2013年的生产报表统计结果[5]可知，传统电解和ISA电解的交流电单耗分别为254.95 kW·h/tCu和308.92 kW·h/tCu，蒸汽单耗分别为1.19 GJ/tCu和0.62 GJ/tCu。2013年交流电单价为0.61元/(kW·h)，蒸汽单价为30.00元/GJ。

此外，2013年云铜传统电解和ISA电解的平均电流密度分别为263.5 A/m2和281.7 A/m2。通常电流密度在220～300 A/m2范围内每增加1 A/m2，槽电压大约增加1 mV[1]。电能的单位消耗按下式计算[1]：

W=(Ece×1 000)/(η×a)

(2)

式中：W为交流电能的单位消耗，kW·h/tCu；Ece为电解槽的槽电压，V；η为电流效率，%；a为金属的电化当量，对于二价铜为1.186。

2013年云铜ISA电解的平均电流效率为98.6%。由于电流密度的差异，ISA电解比传统电解多消耗的电能为：

W=(281.7-263.5)/(98.6%×1.186)=

15.57 kW·h/tCu

若将ISA电解的电流密度降低至与传统电解相同时，ISA电解的交流电单耗为293.35 kW·h/tCu，其交流电耗成本为178.90元/tCu。通过以上计算获得两种铜电解工艺的动力费用对比，如表3所示。

表3 云铜传统电解和ISA电解的动力费用对比 元/tCu

从表3可见，2013年云铜传统电解的交流电耗成本比ISA电解低23.40元/tCu，但蒸汽消耗成本却比ISA电解高17.10元/tCu，致使传统电解的动力费比ISA电解低6.30元/tCu。

2.2 材料费用对比

2013年度云铜铜电解分厂传统电解和ISA电解的阴极铜实际产量分别为167 669 t和153 069 t，而从2013年度各类材料使用数据的统计结果[2]可知，传统电解和ISA电解生产的材料总费用分别为438万元和445万元，折算到吨铜为：

传统电解的吨铜材料单耗=4 380 000/167 669=

26.10元/tCu

ISA电解的吨铜材料单耗=4450 000/153 069=

29.10元/tCu

可见，2013年度云铜铜电解分厂传统电解和ISA电解的各类材料消耗分别为26.10元/tCu和29.10元/tCu，两者相差3.00元/tCu。

2.3 变动成本对比

变动成本主要是指铜电解生产所需的动力费用和材料费用(不包括铜阳极)之和。传统电解和ISA电解的变动成本对比列于表4。

表4 云铜传统电解和ISA电解的变动成本对比 元/tCu

从表4可以看出，云铜ISA电解的变动成本比传统电解高9.30元/tCu，其中，材料费用的差距较小，拉开差距的主要因素是动力费用(即电和蒸汽部分)。ISA电解的电耗较高，其一是由于ISA电解生产附带大功率机组较多，机组长时间作业耗电量大；其次是ISA电解所使用的不锈钢阴极的电阻较纯铜始极片大，致使电解的槽电压较高，因此电耗增加。不过，也正是由于ISA电解所使用的不锈钢阴极板电阻稍大，其在电解过程中因发热量增加而补充了一部分电解液所需热量，从而使ISA电解生产所需蒸汽消耗量比传统电解的蒸汽量减少。

3 财务费用对比分析

财务费用主要是指铜电解生产过程中，阴极和阳极等原材料在生产流程中滞留所引起的费用(如利息支出)。云铜传统电解与ISA电解均按照年产18万t阴极铜计算，传统电解和ISA电解流程中铜的滞留量分别为11 471 t和10 644 t，各自占总量的52%和48%。根据云铜的统计数据，传统电解和ISA电解产生的总财务费用为6 423.00万元，按生产中铜的占用比例计算，则2013年度传统电解和ISA电解的财务费用分别为3 340.00万元和3 083.00万元，因此传统电解和ISA电解的的吨铜财务费用分别为185.60元/tCu和171.30元/tCu，前者比后者高14.30元/tCu。

4 主要技术经济指标折算到完全成本的对比分析

云铜传统电解与ISA电解的主要技术经济指标见表5，由于交流电和蒸汽指标已在动力费用中进行了讨论，此处不再列出。

表5 云铜传统电解与ISA电解的主要

从表5可以看出，2013年度云铜ISA电解所产阴极铜的银含量略高于传统电解所产阴极铜，而残极率却低于传统电解。金属电解的电流密度是影响阴极沉积物结构和性质的重要因素之一。通常，较低的电流密度容易形成细粒粘附状阴极沉积物，而较高的电流密度易产生粗粒不粘附的多孔沉积物；在实际的铜电解生产中，提高电流密度首先会增加阴、阳极的极化电位，使得电极电位比铜正的金属杂质(如银)更易析出；其次提高电流密度需要相应地改变铜电解生产的工艺条件(如增加电解液的循环速度和添加剂的加入量等)，这往往会使阴极表面的粗糙程度也随之增加，电解液中悬浮的含银微粒更易在阴极板面上粘附。由于云铜ISA电解的平均电流密度高于传统电解，因此ISA电解所产阴极铜的银含量也普遍高于传统电解所产的阴极铜。此外，由于ISA电解所使用的不锈钢阴极板整体平直，在电解过程中极板的电力线分布均衡；ISA电解所使用的阳极板在入槽前经过阳极机组进行称重挑拣，因此入槽阳极板的块重(每块阳极板的重量)比较均匀，因此在相近的电解工艺条件下，阳极的溶解更加均匀，整个电解过程更易控制，使ISA电解的残极重量更小，残极率更低，而且残极率波动不大。将表5中的阴极铜含银按照2013年银含税销售价格5.02元/g折算到成本，铜残极的回炉费按照1 151.00元/t铜残极(包括回炉费、金属损失费、财务费、运输费)折算到成本进行对比，见表6所示。

表6 云铜传统电解与ISA电解的主要技术经济

从表6可以看出，云铜传统电解与ISA电解生产中，由阴极铜银含量差异所引起的成本差额为7.00元/tCu，由残极率的差异引起的成本差额为21.40元/tCu。

5 完全成本对比分析

通过以上分析，将各项费用汇总于表7中，可更直观地对比两种铜电解生产工艺的成本差异。

从表7的数据可知：

(1) 由于传统电解的基本建设投资比ISA电解低约30%(以ISA电解为基)，因此传统电解与ISA电解的折旧费用相差较大，后者高出30.60元/tCu；而人工成本差异较小，前者高出7.70元/tCu。传统电解与ISA电解的固定费用分别为166.00元/tCu和188.90元/tCu，后者比前者高22.90元/tCu。

(2) ISA电解系统的机械化程度较高，附带大功率机组较多，而且使用电阻较大的不锈钢阴极，因此ISA电解的槽电压较高，电解的电耗增加；另一方面，ISA电解由于不锈钢阴极的发热而补充了电解液所需的一部分热量，使得ISA电解系统的蒸汽消耗量减少。传统电解与ISA电解的变动成本分别为217.30元/tCu和226.60元/tCu，后者比前者高9.30元/tCu。

(3) 传统电解平均电流密度低，阴阳极周期长，槽存较多，使传统电解财务费用高出ISA电解14.30元/tCu。

(4) 传统电解的残极率较高，使得残极送火法精炼系统的重熔加工费用增加，而ISA电解所产阴极铜的银含量又比传统电解的阴极铜高。传统电解与ISA电解由技术经济指标折算的成本分别为231.50元/tCu和217.30元/tCu，前者比后者高14.40元/tCu。

表7 云铜传统电解和ISA电解的完全成本对比 元/tCu

(5) 在设计产能基本接近(按年产18万t阴极铜计)，人工成本等均以2013年的生产数据为基础的条件下，云铜传统电解和ISA电解的完全成本分别为800.40元/tCu和803.90元/tCu，后者比前者高3.50元/tCu，两者相差约0.4%。

6 结论

对2013年云铜铜电解分厂的各项生产成本进行分析比较，ISA电解系统的基本建设投资费用较高、变动成本略高，但财务费用和主要技术经济指标折算的成本较低，传统电解和ISA电解的完全成本分别为800.40元/tCu和803.90元/tCu，后者比前者高3.50元/tCu，两者相差约0.4%，完全成本相差很小。然而ISA电解的机械化程度高，劳动强度大幅降低，操作人员少，更有利于生产组织及产品质量的稳定，且人工成本低、流程占用少(电流密度高，金属积压少)、残极率等主要技术经济指标更优于传统电解，因此，随着人工成本逐渐增加，今后铜电解的发展趋势将更趋向于ISA电解。

[1] 朱祖泽，贺家齐. 现代铜冶金学[M]. 北京：科学出版社，2003.

[2] 毛允正. 国内外铜电解工艺技术与装备综述[J]. 资源再生，2012，(6): 50-53.

[3] 熊友泉. 国内首条引进ISA电解装备的完善[J]. 有色设备，2009，(3) : 27-31.

[4] 陈雯. 冶金技术经济学[M]. 重庆：重庆大学出版社，1999.

[5] 云南铜业股份有限公司冶炼加工总厂相关财务和生产报表[Z]. 2013，12.

Contrastive analysis of full cost of traditional copper electrolysis and ISA copper electrolysis coexisting in Yunnan copper co.,Ltd

WANG Chong, LUO Jin-song, MU Ya-ling, LI Jian

The fixed costs, variable costs, finance charges, costs converted from the main economic and technical index, and full costs coming from this two copper electrolysis system had been contrasted and analyzed, using the production data at 2013. The results indicate that the difference of the fixed costs caused by the capital construction investment of this two copper electrolysis systems is the largest, and the cost differences caused by the finance charges, costs converted from the main economic and technical index take the second place, and the cost difference from variable costs is the least. The full cost of ISA copper electrolysis is higher than traditional copper electrolysis of 3.5 yuan/tCu.

copper electrolysis； full cost； traditional copper electrolysis； ISA copper electrolysis

王 冲(1972—)，男，贵州遵义人，硕士，高级工程师，硕士生导师，云南铜业股份有限公司副总经理。

2014-- 07-- 24

TF811； TF803.27

B

1672-- 6103(2015)02-- 0006-- 05