1987—2013年銅電解精煉操作數(shù)據(jù)回顧

申美玲 摘譯

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國外工程技術(shù)

1987—2013年銅電解精煉操作數(shù)據(jù)回顧

申美玲 摘譯

1987年，John Schloen發(fā)表了銅電解廠操作數(shù)據(jù)調(diào)查與分析一文。繼這篇文章之后，在過去的20多年里，每一屆(1991，1995，1999，2003，2007，2010和2013)科布雷(Cobre)銅電解會(huì)議都提交了一系列的銅電解調(diào)查。調(diào)查中的數(shù)據(jù)收集和分析主要由William Davenport推動(dòng)，因此為了向Davenport教授在銅加工領(lǐng)域的貢獻(xiàn)表達(dá)敬意，本文對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理和回顧，并且探討了歷史走勢(shì)和未來可能的技術(shù)發(fā)展。

銅電解精煉； 操作數(shù)據(jù)； 陽極； 陰極； 電流密度; 電流效率； 成分

此文是William Davenport專題報(bào)告的一部分。Davenport教授在提取冶金領(lǐng)域的貢獻(xiàn)之一是在許多著作和文章中收集和公布了大量的、重要的銅電解精煉廠的操作數(shù)據(jù)。這些調(diào)查最早由John Schloen在接受Davenport教授的幫助及指導(dǎo)下于1987年發(fā)起，從1991年至2013年在每屆銅電解會(huì)議中提交并延續(xù)。這次回顧檢驗(yàn)了1987，1991，1999，2003，2007，2010和2013年調(diào)查報(bào)告中收集的數(shù)據(jù)，呈現(xiàn)出現(xiàn)代銅電解精煉的演變過程。由于1995年的數(shù)據(jù)缺少電子版本及時(shí)間的限制，本文沒有包括此項(xiàng)數(shù)據(jù)。

這次回顧的計(jì)算中，僅使用離散值。數(shù)據(jù)以一個(gè)范圍的形式呈現(xiàn)，分析時(shí)排除了可能的模糊數(shù)據(jù)。盡管如此，所有的平均值都來自至少10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，多數(shù)情況下，如精煉數(shù)據(jù)，會(huì)統(tǒng)計(jì)20個(gè)以上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。少部分參數(shù)，較早期的(1987和1991)調(diào)查報(bào)告中沒有包含這些數(shù)據(jù)，因此沒有呈現(xiàn)在數(shù)據(jù)圖中。

1 陽極

在銅熔煉中，大多數(shù)有害雜質(zhì)如鉛、銻、鉍用氧化法僅能部分去除。2004年王在報(bào)道中指出，當(dāng)白合金和粗銅達(dá)到平衡時(shí)，這些雜質(zhì)主要進(jìn)入銅物相，而雜質(zhì)在銅物相中很難被去除。王、Kim和Moats在2013年的調(diào)查中指出，鑄造的時(shí)候，雜質(zhì)或是與銅顆粒一起留在液相中，或是以氧化物或硒化物顆粒的形式分布在銅顆粒的邊緣。由于原料的來源不同，商品銅陽極的雜質(zhì)含量波動(dòng)較大。因此，相比產(chǎn)品中硒、碲、銻、砷含量較高的處理原生銅的冶煉廠，處理再生銅的冶煉廠產(chǎn)品中焊料元素含量較高，如鉛、錫。

過去的25年里，銅精煉用陽極的平均組成示于圖1。值得注意的是，鉍的平均含量增長(zhǎng)了約4倍，同時(shí)陽極含砷、碲和銀也有所增長(zhǎng)。碲和銀能夠從陽極泥中提取，因此它們含量的增長(zhǎng)能夠?yàn)榫珶拸S創(chuàng)造更大的效益。銻的平均含量在250～350 ppm范圍內(nèi)波動(dòng)。2013年的調(diào)查中陽極的平均組成列于表1，表1中其它元素對(duì)時(shí)間的趨勢(shì)沒有做考察。

自1987年以來，陽極重量有了顯著的增長(zhǎng)。由于陽極重量的增加可以減少單耗，陽極重量的平均值從1987年的310 kg增長(zhǎng)到2013年的380 kg，如圖2所示。

鑒于相同的原因，如果有充足的陽極供應(yīng)，所有銅精煉廠都期望提高產(chǎn)出率。因此，在過去的26年里電流密度一直在提高(數(shù)據(jù)稍后提供)。電流密度的增長(zhǎng)抵消了陽極重量的增加，導(dǎo)致陽極壽命(或循環(huán)時(shí)間)縮短的趨勢(shì)，詳見圖2。

圖1 1987年至2013年陽極組成的走勢(shì)圖

表1 2013年的精煉綜述中陽極組成的平均值 ×10-6

圖2 1987年至2013年陽極壽命、重量及殘極率的走勢(shì)圖

從圖2也能看出殘極率下降的趨勢(shì)，從>17%降至<14%。應(yīng)用提高陽極外形的裝置和陽極鑄造重量自動(dòng)控制裝置，可達(dá)到較低的殘極率(<14%)。

2 電解液

在過去的26年里，銅精煉廠電解液的組成一直在變化。圖3闡明了精煉用電解液中銅、砷、銻和鉍的平均濃度。在調(diào)查期間，銅的平均濃度大致從45 g/L升高至49 g/L，砷的平均濃度從早期的3.5～4.0 g/L升高至1999～2013年的5.2～6.9 g/L，銻的平均濃度保持在0.3～0.36 g/L的較小范圍內(nèi)，鉍在電解液中的濃度從0.084 g/L到0.256 g/L，升高較為顯著。電解液含硫酸、鎳、氯的平均濃度基本保持不變，分別為170 g/L，12 g/L和0.044 g/L。

圖3 1987年至2013年銅精煉電解液組成的走勢(shì)圖

電解液的溫度也有小幅升高。入口溫度保持在63.1～64.5 ℃，出口溫度從平均的60.3 ℃逐步升高至63.3 ℃。隨著時(shí)間的增加精煉廠會(huì)保存更多的熱能，所以電解液溫度升幅越大，說明越多的電解槽面被覆蓋。

每個(gè)精煉廠都會(huì)在電解精煉過程中添加膠和硫脲，添加HCl和NaCl以維持氯含量約～45 mg/L。在調(diào)查期間，有30%～50%的工廠會(huì)添加阿維同-A。硫脲的平均添加量在逐年增加，從1987～1991年的55 g/t陰極提高至1999～2007年的63～67 g/t陰極，最終提高到2010～2013年的76 g/t陰極。膠的添加量在79～97 g/t陰極之間波動(dòng)，大體呈下降趨勢(shì)。使用阿維同-A的精煉廠，膠的添加量維持在12～29 g/t陰極，大多數(shù)調(diào)查的平均值為16～19 g/t陰極。

在過去的1/4世紀(jì)里，這一調(diào)查見證了電解液過濾、離子交換和分子識(shí)別技術(shù)在除銻、鉍方面的應(yīng)用，也見證了應(yīng)用酸凈化單元從精煉廠溶液回收硫酸。

3 陰極

從上世紀(jì)80年代后期開始，永久陰極技術(shù)逐步取代了始極片技術(shù)，這種變化在歐洲和北美尤為明顯。從80年代奧地利的布里克斯萊格(Brixlegg)和德國漢堡的阿魯比斯(Aurubis)，到90年代西班牙的大西洋銅業(yè)(Atlantic Copper)、比利時(shí)的奧倫阿魯比斯(Aurubis Olen)、德國魯能的阿魯比斯(Aurubis Lunen)、瑞典的布利登謝萊夫特奧(Boliden Skeleftea)。在北美，美國懷特派恩(White Pine)、加拿大基德溪(Kidd Creek)、美國肯尼科特(Kennecott)、加拿大蒙特利爾(Montreal)、美國塞浦路斯邁阿密(Cyprus Miami)使用的均為永久陰極技術(shù)。自2000年后最近的替換包括智利的丘基卡馬塔(Chuquicamata)、巴西的巴拉那帕內(nèi)馬(Paranapanema)、芬蘭的波里布利登(Boliden Pori)和獨(dú)聯(lián)體的Uralelektromed(CIS)。

圖4 1987年至2013年電積時(shí)間與生產(chǎn)率的數(shù)據(jù)

永久陰極技術(shù)在今天已經(jīng)成為新建銅精煉廠的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和典型工藝。永久陰極技術(shù)能縮短陰極周期(見圖4)、提高電流密度(見圖5)、提高電流效率(見圖5)、改善陰極質(zhì)量(見圖6)，最終提高了精煉廠的生產(chǎn)率。從始極片技術(shù)到永久陰極技術(shù)，精煉廠的平均電流密度從1987年的235 A/m2提高到2013年的313 A/m2。較高的電流密度和永久陰極技術(shù)使得平均電積時(shí)間從1987年的10.7天減少到2013年的8.4天。過去的26年里，隨著操作工對(duì)永久陰極垂度和硬度的經(jīng)常性檢查，平均電流效率從94.1%升高到96.3%。單位產(chǎn)品能耗基本保持不變，因?yàn)殡娏餍实纳叽笾碌窒擞捎陔娏髅芏容^高而導(dǎo)致的槽電壓的升高。從1987年到2013年，單位產(chǎn)品的能耗保持在305～358 kWh范圍內(nèi)。陰極質(zhì)量是眾多因素作用的結(jié)果，如陽極組成、添加劑、電解液組成和陰極技術(shù)。在過去的20多年里，盡管陽極雜質(zhì)率升高、陽極重量增長(zhǎng)、殘極率下降，精煉廠還是有能力維持或者提高陰極的質(zhì)量，尤其是陰極中Sb、As和Fe的平均含量在下降。

圖5 1987年至2013年電流密度、電流效率(C.E.)、槽電壓和電能耗的數(shù)據(jù)

圖6 1987年至2013年陰極成分的走勢(shì)

4 未來的趨勢(shì)

銅精煉技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)集中在自動(dòng)化、高電流密度和連續(xù)檢測(cè)方面。從塑料襯里的混凝土槽發(fā)展到聚合物混凝土一體槽用了30多年時(shí)間，這一變化使得電解槽能夠整合更多技術(shù)，如電極處理自動(dòng)化、高電流密度技術(shù)和連續(xù)檢測(cè)技術(shù)。

能夠完成大批量陽極制備、陰極碼垛和剝片任務(wù)的高速機(jī)器人推動(dòng)了電極處理自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程。無人自動(dòng)行車吊運(yùn)電極起落，已經(jīng)完全整合進(jìn)入精煉廠的自動(dòng)管理系統(tǒng)。

電解液平流技術(shù)(METTOP-BRX)使見諸報(bào)端的最大電流密度值持續(xù)提高。Moats等人在2013年提交的綜述中，報(bào)道了布里克斯萊格Montanwerke的400 A/m2電流密度即采用了此項(xiàng)技術(shù)。作者也提到祥光銅業(yè)使用的420 A/m2電流密度同樣也采用了電解液平流技術(shù)。銅精煉廠用降低資金成本和提高生產(chǎn)率來抵消高電流密度帶來的高耗能。電流密度提高的極限值與陽極組成和鈍化有關(guān)。

連續(xù)檢測(cè)為精煉廠提供了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如奧圖泰(Autotec)稱作高效生物傳感器(Cellsense)的無線槽電壓、溫度監(jiān)視技術(shù)能夠及時(shí)檢測(cè)到電極短路或鈍化。這項(xiàng)技術(shù)將繼續(xù)推動(dòng)精煉廠自動(dòng)化水平和高電流密度技術(shù)。

最后，銅精煉廠最初的電解槽使用的是鑄造或軋制鉛合金陽極，現(xiàn)在使用的是鈦陽極，例如奧圖泰的鈦涂層陽極技術(shù)。利用這項(xiàng)技術(shù)，可以杜絕銅陰極被鉛污染，取消處理電解槽鉛泥的工作，從而去除電解車間鉛的影響。鈦陽極技術(shù)還可以通過降低槽電壓和提高電流密度達(dá)到節(jié)能的效果。

略)

蘇平校對(duì)
摘自 Conference of Metallurgists Proceedings 2014

中國恩菲又一科技成果達(dá)到國際領(lǐng)先水平

中國有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)組織專家組成員在緬甸達(dá)貢山鎳礦項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)中國恩菲與中國有色集團(tuán)共同完成的“紅土鎳礦生產(chǎn)高品位鎳鐵關(guān)鍵技術(shù)與裝備大型化研究”項(xiàng)目進(jìn)行了成果鑒定。鑒定結(jié)論是：整體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

達(dá)貢山鎳礦工程是中國恩菲承擔(dān)的在國內(nèi)外有重要影響的大規(guī)模紅土礦開發(fā)和鎳鐵冶煉綜合工程。工程自2004年初啟動(dòng)，2008年底中國恩菲完成了實(shí)施版基本設(shè)計(jì)，2012年10月1#電爐投產(chǎn)，2013年7月底2#電爐投產(chǎn)，2013年12月通過緬甸政府組織的功能性驗(yàn)收，2014年轉(zhuǎn)入工業(yè)化運(yùn)行。

達(dá)貢山鎳礦的開發(fā)，通過自主創(chuàng)新與集成創(chuàng)新相結(jié)合,突破了我國紅土鎳礦生產(chǎn)高品位鎳鐵領(lǐng)域一系列關(guān)鍵技術(shù)，完成了鎳鐵冶煉主體裝備大型化開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能、安全和環(huán)保的綜合生產(chǎn)效果。這一研發(fā)成果引領(lǐng)了國內(nèi)鎳鐵冶煉技術(shù)發(fā)展方向，改變了中國鎳鐵冶煉格局。

該研發(fā)項(xiàng)目首創(chuàng)了管狀帶式運(yùn)輸紅土礦技術(shù)，解決了達(dá)貢山礦區(qū)高落差、遠(yuǎn)距離、復(fù)雜地形的原料輸送難題，大大降低了運(yùn)輸成本；開發(fā)了Ф5.5 m×115 m大型紅土礦預(yù)還原回轉(zhuǎn)窯，實(shí)現(xiàn)了紅土礦在窯內(nèi)高效選擇性預(yù)還原，提高了電爐生產(chǎn)效率；開發(fā)了高溫焙砂輸送的機(jī)電一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高溫焙砂輸送過程中的保溫、環(huán)保與自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率；開發(fā)了機(jī)電一體化的72兆伏安紅土礦礦熱電爐，并首次采用銅水套立體冷卻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了大型紅土礦礦熱電爐全封閉、高電壓操作、全自動(dòng)化控制；首創(chuàng)了鎳鐵精煉噴吹與化學(xué)升溫技術(shù)，形成了鎳鐵精煉新工藝，實(shí)現(xiàn)了有選擇地進(jìn)行脫硫、脫硅、脫炭、脫磷等工序，生產(chǎn)出高品質(zhì)鎳鐵。

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

A review of copper electrorefining operating data——1987 to 2013

Translated selectively by SHEN Mei-ling

In 1987, Jonn Schloen published a survey and analysis of copper electrorifining tank room data. Following this paper, a series of copper electrorefining suvery have been conducted and presented at each of the Copper-Cobre meetings over the past 20+ years (1991, 1995, 1999, 2003, 2007, 2101 and 2013). For each of these surveys, William Davenport has been key driving force in the collection and analysis of data. To honour Professor Davcenport’s contribution to copper processing, a review of the data was conducted. Historic trends and possible future technologies are discussed.

copper electrorefining; operating data; anode; cathode; current density; current efficiency; composition

申美玲(1982—)，女，山西太原人，碩士，從事有色冶金設(shè)計(jì)工作。

2015- 09- 15

TF811

B

1672- 6103(2015)06- 0001- 04