國(guó)內(nèi)外銅電解工藝技術(shù)與裝備綜述

□文/毛允正/

國(guó)內(nèi)外銅電解工藝技術(shù)與裝備綜述

Review of Domestic and International Copper Electrolysis Process Technology and Equipment

□文/毛允正/

上世紀(jì)70年代以來(lái)，銅電解工藝技術(shù)有了很大的發(fā)展。出現(xiàn)了周期反向電流（PRC）電解，永久不銹鋼陰極（ISA法、KIDD法、OT法、EPCM法）電解等新工藝。銅電解精煉生產(chǎn)向大型化、大極板化、自動(dòng)化、高效率、高質(zhì)量、低消耗、低成本的目標(biāo)發(fā)展。

一、傳統(tǒng)法電解

傳統(tǒng)法電解包括小極板短周期常規(guī)電解和大極板長(zhǎng)周期常規(guī)電解兩大類。小極板短周期常規(guī)電解是上世紀(jì)70年代以前國(guó)內(nèi)外的主打工藝，在我國(guó)也已有多年生產(chǎn)歷史，工藝成熟可靠，從生產(chǎn)管理到工人操作都積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。始極片制作工藝從原始的銅母板過(guò)渡到鈦母板，簡(jiǎn)化了操作工序，提高了工作效率。傳統(tǒng)電解工藝仍需要獨(dú)立的生產(chǎn)系統(tǒng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，能耗和生產(chǎn)成本高。但因其建設(shè)投資較低，現(xiàn)5萬(wàn)噸規(guī)模以下的小型銅電解廠多采用此工藝。

大極板長(zhǎng)周期常規(guī)電解雖屬始極片傳統(tǒng)工藝，但其機(jī)械化、自動(dòng)化水平有了很大提高，其陰陽(yáng)極加工、出裝槽、陰極銅和殘極洗滌、打包均實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化，控制系統(tǒng)一般采用PLC進(jìn)行控制，適用于中型銅電解生產(chǎn)企業(yè)。

二、周期反向電流(PRC)電解技術(shù)

在銅電解精煉生產(chǎn)中，提高電流密度是強(qiáng)化生產(chǎn)的重要措施。常規(guī)電解法電流密度很少超過(guò)300A/m2，高于這個(gè)指標(biāo)陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象較為明顯，反而降低整體生產(chǎn)效率。我國(guó)原上海冶煉廠常規(guī)電解時(shí)曾將電流密度提高到300A/m2生產(chǎn)，此時(shí)各項(xiàng)生產(chǎn)管理都得到位，投入很大的人力物力，總效果不是太好。

1962年保加利亞精煉廠成功進(jìn)行了周期反向電流電解的工業(yè)試驗(yàn)，陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象在電流高達(dá)550~650A/m2時(shí)才開始出現(xiàn)。1963年P(guān)RC技術(shù)在保加利亞精煉廠首次應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模的生產(chǎn)，使電流密度提高到350A/m2以上。由于該技術(shù)特別適用于常規(guī)電解精煉工廠的挖潛增產(chǎn)，應(yīng)用這一技術(shù)的改造工廠不斷增加，在80年代末時(shí)曾達(dá)到所有銅電解廠家的15%。

由于PRC技術(shù)采用的電流密度高，槽電壓高于常規(guī)電解法，有效電流效率低于常規(guī)電解，其電能消耗要比常規(guī)電解高出30%左右。在能源緊張、能源費(fèi)用大幅提高的情況下，PRC技術(shù)的推廣應(yīng)用受到了限制。因此上世紀(jì)90年代以來(lái)，PRC技術(shù)沒有得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

三、永久不銹鋼陰極電解技術(shù)

永久不銹鋼陰極法是用不銹鋼板制成永久性陰極來(lái)取代傳統(tǒng)的始極片，從而省去生產(chǎn)始極片的種板電解系統(tǒng)及陰極制作工序，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，提高了生產(chǎn)效率。目前永久陰極電解技術(shù)有ISA法、KIDD法、OT法、EPCM法四種，它們主要在包邊形式、導(dǎo)電棒結(jié)構(gòu)、底部結(jié)構(gòu)、陰極表面粗糙度上有所不同。

1. 四種方法簡(jiǎn)介

ISA法（艾薩電解法）1978年澳大利亞湯斯維爾M ount ISA精煉公司的湯斯維爾冶煉廠(CRL)開發(fā)成功并投入生產(chǎn)，并從1979年開始把艾薩技術(shù)賣到國(guó)際上。目前全世界已有60多家銅電解工廠采用ISA法，共計(jì)產(chǎn)能500萬(wàn)噸以上，占世界銅產(chǎn)量的35%以上。國(guó)內(nèi)江西貴溪冶煉廠三期20萬(wàn)噸采用此工藝，2003年投產(chǎn)。云銅三期在2006年也采用ISA法，年產(chǎn)10萬(wàn)噸。使用ISA法最大的工廠是德國(guó)的北德精煉廠年產(chǎn)37萬(wàn)噸。

KIDD法是加拿大鷹橋公司的奇得克思冶煉廠在1986年開發(fā)成功的另一種不銹鋼陰極生產(chǎn)工藝。1992年該技術(shù)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，目前應(yīng)用KIDD工藝的電解工廠有10家，年生產(chǎn)能力約280萬(wàn)噸，其中最大的工廠是智利楚其卡馬塔冶煉廠，年產(chǎn)能約90萬(wàn)噸。國(guó)內(nèi)銅陵金隆公司二期20萬(wàn)噸電解采用此工藝，2005年投產(chǎn)。

超達(dá)集團(tuán)（XSTRA）在2002年兼并M ount ISA公司，2006年兼并加拿大鷹橋公司。所以，目前ISA法和KIDD法同屬于超達(dá)集團(tuán)，重點(diǎn)發(fā)展ISA法銅電解工藝。

OT法是芬蘭奧托昆普公司在2001年利用其先進(jìn)的不銹鋼生產(chǎn)與制造技術(shù)，以及在陰陽(yáng)極機(jī)組、行車等方面的良好業(yè)績(jī)開發(fā)的不銹鋼陰極法。國(guó)內(nèi)山東祥光銅業(yè)公司一期20萬(wàn)噸電解采用，2007年投產(chǎn)。

EPCM公司成立于1970年，總部在加拿大。1980年與鷹橋公司合作推廣KIDD技術(shù)，2006年分開，同時(shí)鷹橋公司被超達(dá)公司收購(gòu)。在電解設(shè)備上，EPCM公司主要優(yōu)勢(shì)是制造陰極剝片機(jī)組和不銹鋼陰極板。其制造的機(jī)器人剝片機(jī)組是在原鷹橋公司生產(chǎn)的陰極剝片機(jī)組的基礎(chǔ)上自主研發(fā)改進(jìn)的設(shè)備，2008年第一套機(jī)器人剝片機(jī)組制造完成，比利時(shí)的Metallo Chinique公司首家使用并與2009年完成安裝，國(guó)內(nèi)祥光銅業(yè)二期購(gòu)入二套，2011年投入使用。EPCM公司在1998年成立的智利CORRA公司是世界上較大的不銹鋼陰極板生產(chǎn)制造廠，每年生產(chǎn)10萬(wàn)塊不銹鋼陰極板（也稱SP陰極板），該工藝稱為EPCM法。

2. 四種方法的異同對(duì)比表

3. 永久不銹鋼陰極板技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1） 永久不銹鋼陰極可以重復(fù)使用，壽命長(zhǎng)。維護(hù)保養(yǎng)好壽命可達(dá)20年以上，從而省去生產(chǎn)始極片工序和陰極制作工序，工藝流程變得簡(jiǎn)單。

（2） 不銹鋼陰極強(qiáng)度高，平直度好。與經(jīng)過(guò)平整的陽(yáng)極板一起發(fā)生短路機(jī)會(huì)少，可以提高電流密度生產(chǎn)，傳統(tǒng)法電流密度250A/m2左右，永久陰極法可提高到280-340A/m2生產(chǎn)，極大的提高了生產(chǎn)效率。

（3） 產(chǎn)品質(zhì)量好。表面更加平整，且一面無(wú)粒子，傳統(tǒng)電解法生產(chǎn)的電解銅板面有時(shí)會(huì)有彎曲和兩面長(zhǎng)粒子的現(xiàn)象；只有一面接觸含酸洗水，產(chǎn)品含硫也比傳統(tǒng)法低一倍；產(chǎn)品無(wú)耳部夾帶硫酸現(xiàn)象，傳統(tǒng)法電解很難從根本上解決此事。

（4）流動(dòng)資金占用少。 由于永久陰極法電流密度高，可縮短陰極與陽(yáng)極的生產(chǎn)周期，電解槽數(shù)量少，又不需要始極片，電解過(guò)程中銅積壓量相對(duì)少，周轉(zhuǎn)快，在維持連續(xù)生產(chǎn)所需的流動(dòng)資金占用量相對(duì)減少，約是傳統(tǒng)法的85%，加快資金周轉(zhuǎn)。

（5）生產(chǎn)成本比傳統(tǒng)法低。由于永久陰極法自動(dòng)化、機(jī)械化程度高，同樣規(guī)模電解廠使用的人力比傳統(tǒng)法可減少1/2以上，規(guī)模效益突出，生產(chǎn)率高。

自1978年永久陰極電解技術(shù)面世以來(lái)，呈現(xiàn)了強(qiáng)大生命力，越來(lái)越廣泛的得到使用。目前世界上約70%的電解銅產(chǎn)量是由永久陰極法生產(chǎn)，隨著電解廠的規(guī)?；?，2000年后新建15萬(wàn)噸以上規(guī)模的電解廠基本都采用永久陰極法。

四、銅電解主要裝備

經(jīng)濟(jì)不斷全球化，人力成本不斷提高，行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的現(xiàn)實(shí)情況下，各電解銅廠想方設(shè)法的提高自身生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)加工成本，促使電解生產(chǎn)使用的裝備不斷得到改進(jìn)和發(fā)展，朝著機(jī)械化、自動(dòng)化、精巧化方向前進(jìn)。

1. 主要生產(chǎn)機(jī)組

采用永久不銹鋼陰極法電解廠一般配備陰極剝片機(jī)組、陽(yáng)極加工機(jī)組、殘極機(jī)組、自動(dòng)或半自動(dòng)行車，高效率的電解液過(guò)濾設(shè)備、DCS控制系統(tǒng)等。稍有規(guī)模的大極板長(zhǎng)周期傳統(tǒng)法電解也基本實(shí)現(xiàn)陰陽(yáng)極加工、出裝槽、洗滌、打包的機(jī)械化。

（1）陰極剝片機(jī)組

完成陰極板受理、清洗、剝離、取樣、壓紋、堆落、稱重、貼標(biāo)簽、自動(dòng)打包、重新排距等工作，進(jìn)口機(jī)組設(shè)計(jì)能力達(dá)到500片/小時(shí)。

（2）陽(yáng)極加工機(jī)組

將陽(yáng)極板壓耳、稱重（超重或超輕挑出）、壓平（保證板面平直度）、測(cè)厚（太厚或太薄挑出）、銑耳（保證導(dǎo)電良好），按極距排板，加工成達(dá)到電解使用要求后裝槽。設(shè)計(jì)加工能力達(dá)到450片/小時(shí)，進(jìn)口機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，國(guó)產(chǎn)機(jī)組液壓系統(tǒng)待持續(xù)改進(jìn)。

（3）殘極機(jī)組

將電解出槽殘極進(jìn)行沖洗、堆摞、打包等，清洗水自動(dòng)過(guò)濾循環(huán)使用。設(shè)計(jì)能力一般450-500片/小時(shí)，國(guó)產(chǎn)機(jī)組已成熟。

（4）自動(dòng)或半自動(dòng)行車

采用無(wú)線編碼或激光定位，定位精準(zhǔn)，按生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)或半自動(dòng)地進(jìn)行日常陰陽(yáng)極的出裝槽作業(yè)，節(jié)約出槽時(shí)間，生產(chǎn)效率高。同時(shí)可配備紅外線短路檢測(cè)功能。該設(shè)備一般進(jìn)口，主要有奧圖泰行車、昆茲行車、住友行車。

（5）DCS控制系統(tǒng)

上述四套自動(dòng)化機(jī)組都有各自的PLC進(jìn)行單獨(dú)控制，將機(jī)組控制信號(hào)與生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)溫度、壓力等其他控制點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行收集、分類，統(tǒng)一到主控制器形成電解廠整體DCS系統(tǒng)，進(jìn)行日常生產(chǎn)安排、監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)、分析管理等控制。達(dá)到集中控制，分散管理的要求。

2. 銅電解整體電解槽

電解槽是電解精煉的重要設(shè)備，制造周期長(zhǎng)，其維修費(fèi)用和壽命直接影響電解生產(chǎn)及成本。主要分為兩類：一是傳統(tǒng)混凝土玻璃鋼槽；二是乙烯基酯樹脂整體電解槽。

傳統(tǒng)混凝土玻璃鋼槽制作工藝比較成熟，一次性投資比較少，國(guó)內(nèi)銅電解基本使用該型槽。但該型槽的制作較復(fù)雜，工期長(zhǎng)，對(duì)玻璃鋼防腐制作人員要求高，防腐層壽命較短（一般

6年需要更換），日常小中修費(fèi)用較高，且維修時(shí)間長(zhǎng)影響生產(chǎn)效率。生產(chǎn)中需重點(diǎn)防護(hù)，易出現(xiàn)跑、冒、滴、漏等現(xiàn)象，對(duì)電解出裝槽等生產(chǎn)操作要嚴(yán)格管理。

乙烯基酯樹脂整體電解槽由1984年成立的CTI公司進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。該型槽有出色的防腐性能，抗沖擊碰撞能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)（一般20年以上），電解槽及相關(guān)管道施工安裝便捷，槽絕緣性能較好，目前工藝成熟穩(wěn)定，國(guó)外廣泛使用。由于價(jià)格較高，一次性投資較大，國(guó)內(nèi)處于試用階段，目前尚無(wú)整個(gè)銅電解廠大規(guī)模使用先例。

以前整體電解槽的價(jià)格要比傳統(tǒng)混凝土玻璃鋼槽高出的2-3倍，國(guó)內(nèi)電解槽廠難于接受。目前國(guó)內(nèi)已有三家實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，整體電解槽性能質(zhì)量也不錯(cuò)，價(jià)格得到大幅度下降，約是傳統(tǒng)玻璃鋼槽的1.3倍。由于整體電解槽壁厚70mm,槽間距20mm,相鄰兩槽壁160mm。傳統(tǒng)玻璃鋼槽厚115mm, 槽間距30mm,相鄰兩槽壁260mm，相比整體電解槽尺寸減小1/3以上。建設(shè)以年產(chǎn)20萬(wàn)噸電解銅電解廠測(cè)算，采用整體電解槽可節(jié)省4跨24米廠房，同時(shí)槽間導(dǎo)電母排、導(dǎo)電棒、槽間墊板、循環(huán)管道、電解槽安裝成本都得到降低，加上整體電解槽年維修費(fèi)用低、壽命長(zhǎng)、槽利用率高，所以從整體投資效益測(cè)算，目前建設(shè)15萬(wàn)噸以上電解銅廠采用整體電解槽已比較適宜，也是發(fā)展趨勢(shì)。

五、結(jié)語(yǔ)

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的銅精煉企業(yè)在上世紀(jì)80年代中后期就基本實(shí)現(xiàn)采用先進(jìn)的工藝生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)在80年代建成的江銅貴溪冶煉廠的銅冶煉及銅電解已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際水平，之后，銅陵有色公司、云南銅業(yè)等銅冶煉企業(yè)也都逐步完成先進(jìn)工藝技術(shù)改造任務(wù)，極大提高了生產(chǎn)效率，目前這三家企業(yè)的電解銅產(chǎn)能分別達(dá)到了100萬(wàn)噸、70萬(wàn)噸和40萬(wàn)噸。目前國(guó)內(nèi)新建或擴(kuò)建的電解銅廠也紛紛引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)與先進(jìn)裝備。近年來(lái)國(guó)內(nèi)的設(shè)備制造商在電解裝備的研發(fā)、生產(chǎn)上取得長(zhǎng)足進(jìn)步，縮短了中國(guó)銅工業(yè)與世界先進(jìn)水平的距離，我國(guó)正逐步由銅的生產(chǎn)大國(guó)向銅的生產(chǎn)強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。