浅析永久不锈钢电解和常规电解工艺

汪 涵

1 概述

目前国内主要的铜电解精炼工艺可分为永久不锈钢阴极法和传统始极片大极板长周期常规电解法。永久不锈钢阴极电解法简称PC电解（permanent cathode），是采用永久不锈钢阴极取代始极片的现代电解工艺。传统常规电解法也称CT常规始极片（the conventional starting sheet process）电解，使用始极片（铜片）作为阴极的传统常规电解工艺。PC电解技术与常规电解技术相比，具有工艺技术指标先进、产品质量高、劳动生产率高、生产成本低等优势，并在现代铜精炼工厂得到广泛应用。在当前行业大力倡导绿色循环经济的发展模式下，PC电解技术不仅仅节约了生产成本，降低能耗，在技术上精益求精，也让企业获得了长足发展。并且企业生产规模越大，在节水、节电以及减少二氧化碳排放的效应上就越明显。金隆公司电解车间就是采用PC电解、常规电解两种工艺方法生产阴极铜，年产量共可达46万吨。

2 工艺流程

PC电解系统的整个生产工艺基本实现机械自动化，阴极板是采用可循环使用的永久不锈钢板。CT电解系统的生产工艺同样实现了高度的机械化，通过种板系统生产出电解所需的始极片（阴极板）。两种电解方法的工艺流程如下。

2.1 常规电解工艺流程

常规电解系统主要分为四部分，即始极片生产班组（种板生产班组）、机组加工班组、运转班组以及出铜班组。

首先是将合格的阳极板送至常规阳极整形加工机组，加工后的阳极按105mm极距排列,由电解专用吊车吊入种板电解槽。同时种板生产班组将包边好的钛板按105mm极距排列，由电解专用吊车吊入种板电解槽。先在阳极周期十八天，阴极周期一天。经过一个阴极周期，阴极由吊车吊出进行剥片，剥下的始极片经检验、装箱、计量后送阴极加工机组，钛母板经专用行车吊至相应电解槽进行装槽。到周期残极再经残极洗涤堆垛机组洗涤、打包后由汽车送至精炼车间。

同时将合格的阳极板送至阳极整形加工机组，加工后的阳极按105mm极距排列,由电解专用吊车吊入电解槽。合格始极片经阴极加工机组加工成阴极并按105mm极距排列,由电解专用吊车吊入电解槽。现电解阴极周期十天，阳极周期二十天。经过一个阴极周期，阴极由吊车送至阴极洗涤机组，经洗涤、打包、检验、计量后送成品库，导电棒经转运机组送阴极加工机组重复利用。到周期残极经残极洗涤堆垛机组洗涤、打包后由汽车送至精炼车间。

而运转班组则控制电解液由循环泵从循环槽输送至板式换热器，在板式换热器里加热至65℃左右再进入高位槽，然后从高位槽自流进入各电解槽。在电解槽内电解液的流动方式采用下进液上出液的循环方式。在此期间要对电解液的成分指标进行适时的监控，尤其是对其中的杂质成分要掌握精确的数据。然后根据电解液成分每天抽取部分电解液送净液工段处理，保证电解系统电解液中铜及杂质浓度不超过规定限值。

出铜班组在出装槽时，上清液排入循环槽。排出的阳极泥浆经溜槽至阳极泥地坑，经地坑泵泵入阳极泥储槽后经压滤机压滤，滤渣即为阳极泥。滤液经过二次过滤后流入电解液储槽。

2.2 PC电解工艺流程

PC电解系统主要分为三部分，即机组加工班组、运转班组以及出铜班组。相对于常规电解少了始极片的生产环节。其工艺流程是将合格的阳极板送至阳极整形加工机组，加工后的阳极板按极距100mm排列,由半自动专用吊车吊入电解槽，现电解阴极周期九天，阳极周期十八天。经过一个阴极周期，阴极由吊车送至阴极洗涤剥片机组，剥下的阴极铜经打包、检验、计量后送成品库，不锈钢阴极板重新排板后经专用行车吊至相应电解槽进行装槽。残极经残极洗涤堆垛机组洗涤、打包后由汽车送至精炼车间。

然后运转班组则控制电解液由卧式循环泵从循环槽输送至板式换热器，在板式换热器里加热至65℃左右泵入高位槽，然后自高位槽自流进入各电解槽。电解槽内电解液的流动方式同样采用下进液上出液的循环方式。同CT电解一样，对电解液的成分进行适时检测监控，在精确掌握铜离子、酸度及各杂质成分的基础上。再根据电解液成分，通过计算每天抽取一定量的电解液送净液工段处理，保证电解系统电解液中的铜离子、酸度及其它杂质成分不超过规定值。

出铜班组出装槽时，上清液并入溢流液管。配置3台电解液循环槽并互相连通。回液进1#电解液循环槽，此槽配置1台泵用于过滤电解液，1台泵用于向平衡槽打液。滤液进2#电解液循环槽，此槽配置1台循环泵；3#电解液循环槽配置2台循环泵。

阳极泥进地坑后经泵打至浓密机，其溢流液进阳极泥储槽，底液经隔膜泵打至1#压滤机，滤液再进浓密机或阳极泥槽。阳极泥储槽液由泵打至2#过滤机，其滤液后再进低位槽。

从上面介绍的电解精炼主要生产工艺流程可知：常规电解跟PC电解工艺流程差别不是很大，相比于PC电解，常规电解多出一道始极片生产（种板生产）加工程序，其它生产工艺流程和PC电解流程基本相同。但正是因为多了这一环节，常规电解工艺中阴极铜因为极板有吊耳使得铜颗粒的清洗变得更困难，难以保证产品质量。这同时又延长生产流程、增加操作人员和设备，却难以获得更好的效果。而PC电解法生产的阴极铜颗粒少，没有吊耳所有更容易清洗，产品质量容易控制。同时PC电解法的阴极平整，且现多使用平行流装置，使电解液的流动更加均匀，电力线分布匀称，不容易出现短路的现象，阳极电解溶解均匀，因此残极率更低。多因素叠加的情况下导致PC电解法相对常规电解法有不可比拟的优势。

3 系统指标

3.1 系统极距、电解液循环量及电流密度

极距（极板间距离）通常表示为两个同名电极板（阳极板与阳极板）之间的最近距离。由于不锈钢板的线条设计、悬垂度好、表面平直、光滑，不容易引起短路，这种优势使PC电解能够使用较小的极板间距离、较高的电解液循环流量、较高电流强度、电流密度进行电解。一般的传统常规电解系统所使用的电流密度大多为240A/m2～300A/m2，板距为100mm～120mm；使用不锈钢阴极法的工厂使用的电流密度一般在280A/m2～330A/m2，极距90mm～100mm。现阶段某电解公司之前的传统常规电解系统所使用的最高电流密度高达295A/m2，板间距离为105mm，电解液循环量27m3/h槽；PC电解系统所使用的最高电流密度高达320A/m2左右，板间距离为100mm，电解液循环量30m3/h槽。可以肯定的是，实际情况下的电解液流量快慢以及电流密度高低，是要根据精炼车间生产的阳极板中各种杂质的含量、分布以及产品的初步生产计划进行相应的微调。然而，在原材料完全相同的基本条件下，PC电解系统所使用的电流密度高于传统常规电解系统，流量更快，电解极板间距更小。

3.2 系统阴阳极周期

一般来说PC电解槽采用较短的阴极循环时间，循环一般为6天～8天，通常是阳极循环的三分之一。短时间也会减少负极铜板长颗粒的可能性。这可以较好地保证阴极产出铜的质量水平。普通CT电解的规模较大时如果采用短循环时间，不但要制作始极片，而且劳动强度也将要得到加强，从而降低了整个生产线的工作效率。因此由于单台机组处理工艺的局限性，大多数常规电解工艺的设计周期较长，通常是阳极长周期的一半。因此，某厂电解车间的PC系统采用的循环时间为阳极板为18天，阴极板为9天；常规CT模式系统阳极生产循环时间20天，阴极为10天。

3.3 电解残极率

由于不锈钢阴极板的平直特性和电力线的均匀分布，不容易产生线路短路，因此阳极溶液流动比较均匀，不会形成涡流，也就不会在电解后期形成大洞或残片断裂掉入槽内。残极量可大大降低至12%～15%。传统CT电解槽中残极量大多为14～15%。低残留量的突出优点体现在低残留处理原材料和较少的燃料能源消耗，这在当前环保要求及碳排放要求更高产业生态下，无疑具有更强的竞争力。而且残极所占有的铜量基本上是在生产中循环周转，所以，残极率低占用的流动资金少，资金的使用效率增加。当然，要使残极率低，阳极板厚薄均匀程度也是重要条件，所以现在很多使用PC电解技术的工厂为了进一步降低残极率，在阳极板加工整型机组上都有阳极单块称重的系统，太厚和太薄的阳极板可自动剔除。这样在多个环节进行优化、精细化。

3.4 槽电压、电流效率及电能消耗

槽电压包括阳极电位、阴极电位、电解液电阻所引起的电压降、导体上的电压降以及槽内各接触点的电压降，有时还包括阳极表面的阳极泥电压降。铜电解精炼的电流效率通常是指阴极电流效率，为电解铜的实际产量与按照法拉第定律计算的理论产量之比。铜电解精炼的直流电能消耗是指每生产1t的电解阴极铜所消耗的直流电，包括生产电解槽、种板电解槽、脱铜电解槽以及线路损失等全部直流电能消耗量，其能综合地反映出一个电解车间生产的技术水平和经济效果。根据某厂电解车间生产数据如下：CT电解系统电流效率为98.5%，槽电压为0.35V～0.4V，直流电耗为330kwh/t～350kwh/t铜；PC电解系统电流效率为99.5%，槽电压为0.26V～0.35V，直流电耗为300kwh/t～320kwh/t铜。因电能消耗的计算与槽电压成正比，与电流效率成反比，PC电解明显具有低槽电压、高电流效率、直流电耗低的优点。

3.5 设备及构筑物

根据某厂电解车间的数据，PC电解系统的生产规模（阴极铜）为25万吨/年，电解槽尺寸（mm）为5840×1170×1400/1600，槽内阴极数（块）为55，槽内阳极数（块）为56，电解槽（个）为720，无种板槽（个），单槽产铜量（t/槽·a）为347.2；常规电解系统的生产规模（阴极铜）为21万吨/年，电解槽尺寸（mm）为5940×1170×1400/1600，槽内阴极数（块）为50，槽内阳极数（块）为51，电解槽（个）为720，种板槽（个）为48，单槽产铜量（t/槽·a）为273.4。由上可知，由于常规电解需要种板系统，PC电解所需电解槽数为常规电解的93.8%；同时，相比于常规电解，PC电解槽槽内两种极板数量各多五块，在几乎相同规格的电解槽中阴阳极装入片数增加了10%；在单槽产铜量上，PC电解系统更是高于常规电解系统，前者是后者的1.27倍，PC电解系统的年产量明显高于常规电解系统的年产量。

3.6 阳极板尺寸

因PC电解系统比常规电解系统少了一道种板生产加工工序，两种电解方法所用的阳极板外观及尺寸也有相应的不同。PC电解系统所用阳极板一般只有一种，而常规电解系统所用阳极板一般分为两种，一种是种板系统所用的种板大阳极板，另一种是生产电解阴极铜所用的生产阳极板。根据某厂电解车间数据，其常规电解系统所用的种板阳极板块重：390±5kg，生产阳极板块重：372±5kg；其PC电解系统所用生产阳极板块重：383±5kg。三种阳极板尺寸各不相同，种板系统所用阳极板比生产阳极板重的原因是生产合格优质的阴极铜对始极片的要求比较严格，为防止后期始极片边缘变薄，影响阴极铜的产品质量，种板系统使用的阳极板尺寸要相对变大。PC电解系统生产阳极板比常规生产阳极板重的原因是PC电解系统电流密度大，相同时间下阳极板的阳极溶解较大。

3.7 产品质量

相比于始极片，不锈钢阴极板更平直，电解时产生的电力线分布均匀，使阴极铜析出更致密均匀；同时由于不锈钢阴极板不易变形，减少了短路的形成和板面结瘤，而且电解产品从阴极板上剥取，避免了始极片在制作、存放过程中造成的表面氧化、污染，使电铜中心形成杂质夹层；始板片阴极所产生的阴极铜，因有两个吊耳，在阴极洗涤过程中往往不易将吊耳铆接处清洗干净，造成阴极铜表面含有硫酸铜和硫酸，存放一定时间后导致表面变黑，从而影响整体质量，而通过不锈钢阴极板产出的电铜无吊耳容易清洗，产品的整体物理规格良好。所以，PC电解产出的产品质量相对较好。

4 投资及经济效益

为了进一步比较两种工艺，现将当初金隆公司PC电解系统筹建时，在机组联动线均进口情况下，根据外商初步报价，对投资和经济效益作出分析。

PC电解法的引进费用比常规电解法（全部引进）多9621万元，比常规电解法（部分引进）多11815万元，下面对某厂电解车间的两种电解方法在20万吨电解规模时的经济指标进行比较。

4.1 固定资产投资

PC电解系统的应用，需要消耗大量的不锈钢阴极板，启动成本较高。但是，PC电解法由于工艺流程简化，建筑面积比常规电解法少，所以建筑工程、配套设备、安装费用都比常规电解法要省的多。总体来说，PC电解固定资产投资略高于常规电解系统。

4.2 流动资金

PC电解系统与常规电解系统相比，由于电流密度高、阴极周期短，相同产量下，所用电解槽数量少，而且不需要始极片生产制作工序，电解过程中铜积压量相对减少，周转快，故维持简单再生产所需的流动资金占用量相对较少，大约是常规电解的80%～90%左右。在市场经济的形势下，企业更加重视资金周转，流动资金少无疑是PC电解的一大优点。

4.3 生产加工成本

在生产加工成本上，两种电解法各有优劣。

相比于常规电解，PC电解在生产成本上有以下几个优势。第一，回炉消耗费用。PC电解残极率为12%～15%，常规电解残极率为14%～15%，PC电解残极率相对较低，回精炼车间的返熔费低。第二，人员工资消耗。根据某厂电解车间人员分配，常规电解系统工作人员为77人，而PC电解系统工作人员为55人，这是由于PC电解系统利用可反复使用的不锈钢阴极取代了一次性的始极片，省去了繁琐的种板系统始极片生产制造加工工序，简化了生产流程，减少了设备、场地和操作工人，自动化程度高，劳动定员少，工资成本低。第三，维修消耗。虽然不锈钢阴极板成本较高，但该项备件使用寿命较长，很少需要维修，故修理费用比常规电解法低。第四，电解蒸气消耗成本。根据某厂电解车间数据，常规电解系统生产出每吨阴极铜的平均蒸气消耗量在0.25t左右；PC电解系统生产出每吨阴极铜的平均蒸汽消耗量在0.15t左右，夏季基本上不消耗蒸汽，在高电流密度生产时甚至电解液需要降温，这主要是：①PC电解电流密度高，电流通过电解液时产生的热量大；②短路少，不用经常掀起槽面覆盖物检查短路，槽面覆盖好，散热少；③相同电解铜产量下，电解槽数量少，槽面辐射热、蒸发损失少。

常规电解液有几个优势：第一，折旧成本。直接工程费低于PC电解系统，所以折旧费低；第二，摊销成本。由于PC电解引进设备的海运、保险费比常规电解高，因此常规系统管理费中的摊销费要低。

综合以上因素，再根据某厂电解车间生产资金及投入成本数据：PC电解系统生产规模（阴极铜）为25万吨/年，年投入生产资金为10150万元，实际年产量为25万吨，生产加工成本约为406元/吨；常规电解系统生产规模（阴极铜）为21万吨/年，年投入生产资金为9156万元，实际年产量为21万吨，生产加工成本约为436元/吨.可知相比于常规电解系统，PC电解系统生产每吨阴极铜的加工成本要低约30元，若在同为20万吨电解铜生产规模下，各项成本费用合计PC电解系统比常规电解系统每年要节约600万元左右。总体来说，PC电解系统在生产成本上更占优势。

5 结语

综上所述，与常规CT电解相比，PC电解具有节能、环保的优点，其工艺技术指标先进、产品质量好、劳动生产率高、综合能耗低、生产成本低等优势，使其在世界上铜精炼厂得到广泛应用。并在此基础上不断进行改进，提高电流密度。目前不少企业的电流密度通过各种技术措施使电流密度达到375A/m2以上，在降耗提效的道路上更进一步，PC电解的市场潜力更加广阔。因此，国内新建电解厂基本采用不锈钢电解工艺，更有利于产品质量的保证，降低生产成本，提高产品的竞争力。