銅電解精煉擴(kuò)大產(chǎn)能的技改實(shí)踐與研究

□文/陳長(zhǎng)順張家港聯(lián)合銅業(yè)有限公司

銅電解精煉擴(kuò)大產(chǎn)能的技改實(shí)踐與研究

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

□文/陳長(zhǎng)順
張家港聯(lián)合銅業(yè)有限公司

張家港某銅業(yè)公司通過實(shí)施一系列銅電解精煉產(chǎn)能挖潛技改和銅電解擴(kuò)建，電解銅生產(chǎn)能力得到大幅度提升，陽極泥、粗硫酸鎳等副產(chǎn)品產(chǎn)量大為增長(zhǎng)，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也不斷優(yōu)化改進(jìn)。本文較系統(tǒng)全面地介紹和總結(jié)了該公司近年來采取的一些做法，并提出了進(jìn)一步擴(kuò)大銅電解精煉產(chǎn)能的建議。

銅電解精煉；常規(guī)電解法；擴(kuò)大產(chǎn)能；技改實(shí)踐

張家港某銅業(yè)公司銅電解精煉系統(tǒng)初始設(shè)計(jì)為年產(chǎn)電解銅3萬噸。為充分挖掘設(shè)備潛能以實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收及降低單位生產(chǎn)成本，他們自投產(chǎn)以來，實(shí)施了一系列銅電解精煉產(chǎn)能挖潛技改和電解擴(kuò)建，產(chǎn)能獲得了較大提升，目前電解銅年生產(chǎn)能力為21.5萬噸，副產(chǎn)品陽極泥、粗硫酸鎳的產(chǎn)量也相應(yīng)有了大幅度提高。

一、銅電解精煉系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1. 原始設(shè)計(jì)情況概述

銅電解精煉系統(tǒng)采用的是常規(guī)電解法生產(chǎn)工藝，電解槽內(nèi)口容積規(guī)格為：3 480×870×1105 mm（長(zhǎng)×寬×深），電解銅規(guī)格為：740×770×11～12mm（寬×高×厚）。設(shè)計(jì)的主要生產(chǎn)工藝條件為：每槽陰、陽極塊數(shù)分別為32塊和33塊；電流密度為220～240A/m2；同極距100mm。公司設(shè)計(jì)的產(chǎn)品規(guī)模為年產(chǎn)電解銅3萬噸，分二期建設(shè)，即電解Ⅰ期（192個(gè)電解槽）和電解Ⅱ期（200個(gè)電解槽），種板系統(tǒng)設(shè)置于Ⅰ期，共32個(gè)電解槽，電解液?jiǎn)为?dú)循環(huán)、整流機(jī)組單獨(dú)供電。

2. 目前銅電解系統(tǒng)情況概述

該公司目前有五個(gè)銅電解精煉生產(chǎn)系統(tǒng)，共計(jì)1 192個(gè)電解槽，電解槽內(nèi)口容積規(guī)格為：3 480×870×1 340 mm（長(zhǎng)×寬×深），電解銅規(guī)格為：740×1 000×11～12mm（寬×高×厚）。采用的主要生產(chǎn)工藝條件是每槽陰、陽極塊數(shù)分別為39塊和40塊；電流密度可根據(jù)銅原料供應(yīng)、陽極板庫存情況和銅價(jià)市場(chǎng)行情實(shí)行彈性生產(chǎn)調(diào)整，一般在280～320A/m2；同極距84.5mm。

二、擴(kuò)大產(chǎn)能措施及效果分析

針對(duì)投產(chǎn)初期存在電解銅產(chǎn)品規(guī)模小、單位產(chǎn)品的能耗高及生產(chǎn)成本高、設(shè)備作業(yè)率低等不足，公司對(duì)銅電解系統(tǒng)實(shí)施了電解槽加高及電銅二次加長(zhǎng)技改、縮小時(shí)及提高電流密度等一系列擴(kuò)大產(chǎn)能措施，先后進(jìn)行了銅電解Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ期三次擴(kuò)建，并不斷完善電解生產(chǎn)工藝配套設(shè)備設(shè)施，主產(chǎn)品電解銅及副產(chǎn)品陽極泥、粗硫酸鎳的產(chǎn)量均實(shí)現(xiàn)了大幅度提高。

1. 縮小極距，逐步增加每槽陰、陽極塊數(shù)

按Ⅰ、Ⅱ期工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)書，每槽裝陽極板33塊、陰極銅32塊，同極距為100mm。投產(chǎn)初期的實(shí)際陰、陽極塊數(shù)分別為33塊、34塊。此后，在電解槽內(nèi)口尺寸維持不變的情況下，采取了逐步增加陰、陽極即縮小極距的做法，共實(shí)施了4次縮小極距措施：將每槽陰極塊數(shù)分別增加1~3塊，極距由最初設(shè)計(jì)的100mm縮小至84.5mm。

通過采取縮小極距的措施，在投入極小的情況下實(shí)現(xiàn)了電解銅產(chǎn)能大幅增加。據(jù)測(cè)算，每槽陰極由33塊增加到39塊，在維持電流密度不變的情況下，每只電解槽產(chǎn)能可增加18.18%，增產(chǎn)效果極其顯著。

2. 實(shí)施電解銅板面加長(zhǎng)技改

該公司實(shí)施電解銅板面加長(zhǎng)分兩步走：第一步是將板面長(zhǎng)度由770 mm加長(zhǎng)至900mm；第二步是在第一次板面加長(zhǎng)技改的基礎(chǔ)上，再將板面長(zhǎng)度由900mm進(jìn)一步增加到1 000mm。

二次電解銅板面加長(zhǎng)技改是在系統(tǒng)不停電的情況下實(shí)施完成，在不增加銅電解基建和設(shè)備投入、電流密度維持不變的情況下，每只電解槽產(chǎn)能增加16.88%，增產(chǎn)效果明顯。

3. 不斷提高電流密度

在確保電解銅產(chǎn)品質(zhì)量的前提下將電流密度由原來的220～240A/m2提高到最高時(shí)為320A/m2，因陽極板供應(yīng)未能滿足電解滿負(fù)荷生產(chǎn)需求，目前運(yùn)行的生產(chǎn)電流密度為310A/m2。按目前電流密度計(jì)算，每只電解槽產(chǎn)能較設(shè)計(jì)水平240A/m2提高29.17%，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4. 改進(jìn)設(shè)計(jì)，增加電解槽配置

該公司I期投產(chǎn)后的數(shù)年內(nèi)，I期種板系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)的電解液循環(huán)與直流供電均單獨(dú)設(shè)置，I期槽面上的生產(chǎn)槽與種板槽之間設(shè)置了幾米寬的行走通道。經(jīng)充分論證，在2001年實(shí)施電解槽加高技改時(shí)，將I期種板與生產(chǎn)系統(tǒng)合二為一，并利用I期生產(chǎn)槽與種板槽之間的通道場(chǎng)地空間增加配置了8只電解槽。為解決電解銅人工碼垛作業(yè)存在的不足，他們于2002年首先在電解Ⅲ期上馬了一套陰極聯(lián)動(dòng)機(jī)組進(jìn)行試點(diǎn)，實(shí)踐應(yīng)用中效果較好，于是在Ⅳ、Ⅴ期擴(kuò)建設(shè)計(jì)時(shí)直接配置了陰極聯(lián)動(dòng)機(jī)組，該機(jī)組因節(jié)省了人工碼垛作業(yè)占用場(chǎng)地，使得與電解Ⅲ期廠房一樣大小的Ⅳ、Ⅴ期（各配置268只電解槽）較Ⅲ期（配置256只電解槽）多配置12只電解槽。

通過設(shè)計(jì)改進(jìn)，在無需增加任何廠房面積的情況下，I、Ⅳ、Ⅴ期共增加了32只電解槽，按320 A/m2電流密度測(cè)算，每年可增加產(chǎn)能5 800噸左右。

5. 通過擴(kuò)建實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)

公司銅電解精煉系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模最初設(shè)計(jì)為年產(chǎn)3萬噸，為擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)模，除采取挖潛增產(chǎn)技改措施提高電解銅產(chǎn)能外，2001年以來進(jìn)行了三次銅電解投建。目前，五個(gè)電解系統(tǒng)共有1 192只規(guī)格相同的電解槽，電解槽數(shù)量上為建廠設(shè)計(jì)時(shí)的3倍，電解銅產(chǎn)能大幅增加。

該公司通過采取上述措施，電解銅年生產(chǎn)能力由投產(chǎn)初期的3萬噸發(fā)展到目前的21.5萬噸；陽極泥、粗硫酸鎳等副產(chǎn)品產(chǎn)量也相應(yīng)大幅增長(zhǎng)。另外，通過不斷優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)控制和完善生產(chǎn)工藝配套設(shè)備設(shè)施，銅電解生產(chǎn)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也獲得了優(yōu)化改進(jìn)，多項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了國(guó)內(nèi)同類廠家先進(jìn)水平，尤其在降低電解銅交流電工序單耗及降低電解銅煤?jiǎn)魏纳闲Ч麡O為明顯，銅電解精煉部分生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表1。

三、下一步可考慮采取的擴(kuò)能措施

1. 采取永久性不銹鋼陰極（PC）母板電解技術(shù)

永久性不銹鋼陰極母板電解技術(shù)，目前在國(guó)內(nèi)外先進(jìn)廠家已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，銅陵金隆銅業(yè)公司在2007年已經(jīng)采用此先進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：不銹鋼陰極表面光潔、平直、懸垂度好，不容易造成短路，較常規(guī)電解法可進(jìn)一步縮小極距和提高電流密度，因而可進(jìn)一步提升產(chǎn)能；取消了鈦種板系統(tǒng)，無需始極片生產(chǎn)、加工制作，也無需始極片聯(lián)動(dòng)機(jī)組；陽極溶解更均勻，因而可以提高陽極殘極率；采用高電流密度時(shí)，因產(chǎn)生的熱量焦耳數(shù)值多，可有效降低蒸汽消耗；自動(dòng)化程度高，可有效減少勞動(dòng)定員；有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量；工藝技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，勞動(dòng)生產(chǎn)率高、綜合能耗低、生產(chǎn)成本低。實(shí)施該技術(shù)，除不銹鋼材、配套電解銅剝離機(jī)組一次性投資偏高外，綜合運(yùn)行成本明顯低于始極片加工制作綜合成本。

2. 采用周期反向電流電解（PRC）技術(shù)

提高電流密度是強(qiáng)化銅電解精煉生產(chǎn)的重要措施，但采用常規(guī)電解法，一般電流密度不高于300A/m2，過高的電流密度，會(huì)使電極附近的濃差極化增大及陽極鈍化，使陰極沉積物的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量變差，電流效率降低，也使貴金屬損失增加。

采用PRC技術(shù)可有效避免濃差極化，從而可以使電流密度提高到400A/m2以上。PRC技術(shù)自1963年在保加利亞銅精煉廠首次應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)以來，經(jīng)過多年實(shí)踐，目前已經(jīng)發(fā)展成比較成熟的技術(shù)，使用可控硅整流器很容易實(shí)現(xiàn)周期反向電流，國(guó)內(nèi)民營(yíng)企業(yè)浙江蘭溪自立銅業(yè)公司已經(jīng)采用此技術(shù)處理較低品位陽極板。

表1 銅電解精煉部分生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

另有研究資料報(bào)道，采用400~800A/m2與PRC技術(shù)相結(jié)合，在經(jīng)濟(jì)上是最有利的，成本可大幅降低，陰極質(zhì)量也能得到保證，對(duì)此先進(jìn)電解技術(shù)可考慮盡早加以實(shí)施。

3. 引進(jìn)先進(jìn)機(jī)組，提升作業(yè)效率

先進(jìn)的陽極加工處理機(jī)組可以對(duì)陽極進(jìn)行切削、壓平、矯正、平整飛邊毛刺和排列作業(yè)，這有利于提高電流效率、提高裝槽作業(yè)效率和減輕操作工勞動(dòng)強(qiáng)度，也有利于提高陽極裝槽質(zhì)量，更好地滿足生產(chǎn)高純陰極銅的要求。

4. 增加陰、陽極數(shù)量和調(diào)整陰、陽極運(yùn)行周期還可擴(kuò)大產(chǎn)能

經(jīng)過計(jì)算，將陽極塊重減輕至240kg左右，每槽陰、陽極數(shù)量分別增加到41塊、42塊，陰極周期保持不變，現(xiàn)運(yùn)行的陽極周期由18天調(diào)整為16天，電流強(qiáng)度可進(jìn)一步提高至19 000A，此時(shí)電流密度仍在320A/m2以下，兩塊陽極板之間的操作間距為39.5mm也高于電流18 300A、每槽40塊陽極板下的操作間距38.5mm，在此生產(chǎn)工藝條件下，年可增加電解銅產(chǎn)能為7 500噸，陰極銅煤?jiǎn)魏闹笜?biāo)也將得到進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)。

五個(gè)系統(tǒng)滿負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，鈦種板系統(tǒng)開動(dòng)的槽數(shù)為100只，對(duì)鈦種板生產(chǎn)始極片的一些工藝條件還可以優(yōu)化改進(jìn)：即對(duì)I期所有電解槽或生產(chǎn)始極片的種板槽陽極實(shí)行減薄、增加塊數(shù)處理，通過計(jì)算，將種板陽極減輕至230kg左右后，陽極因減薄，每槽陽極可由目前的40塊增加到43塊，在此條件下，鈦種板下槽時(shí)的操作間距較原來進(jìn)一步擴(kuò)大，并且開動(dòng)的種板槽數(shù)可減少至93只，相應(yīng)可增加7只電解銅生產(chǎn)槽，年可增加電解銅產(chǎn)量1 250噸。

5. 單獨(dú)設(shè)置處理低品位陽極板系統(tǒng)

在采用較高電流密度生產(chǎn)中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)一些物理規(guī)格與化學(xué)品位不達(dá)標(biāo)的陽極板無法滿足生產(chǎn)高純陰極銅的要求，建議單獨(dú)設(shè)置一個(gè)電解系統(tǒng)用于處理外購或自產(chǎn)的低品位陽極板、陽極次品，對(duì)其他系統(tǒng)因陽極鈍化等原因更換下來的不合格陽極板也可重新下槽利用，經(jīng)濟(jì)效益明顯。