淺析銅陽極板整形預(yù)處理對(duì)電解工藝的影響

羅勁松

?

淺析銅陽極板整形預(yù)處理對(duì)電解工藝的影響

羅勁松

簡要分析了銅陽極板外形質(zhì)量對(duì)電解工藝的影響，重點(diǎn)介紹了銅陽極板整形預(yù)處理的主要方式及效果。

銅； 陽極板； 外形質(zhì)量； 整形預(yù)處理； 電解工藝

0 前言

銅冶煉廠采用的粗銅精煉方法，一般是先火法精煉除去部分雜質(zhì)，然后電解精煉產(chǎn)出符合市場要求的純銅?；鸱ň珶挐茶T的電解精煉用陽極板，不但化學(xué)成分和雜質(zhì)含量要符合相應(yīng)要求，而且物理外形也要滿足一定要求。在同樣條件下，陽極板的外形質(zhì)量越好，電解工藝經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、陰極銅質(zhì)量越好。然而，由于澆鑄工藝自身的特點(diǎn)及工藝參數(shù)控制不當(dāng)?shù)仍?，陽極板外形存在不同的缺陷，這些缺陷不可避免地影響著電解工藝。因此陽極板在進(jìn)入電解槽電解之前，需要進(jìn)行預(yù)處理，以改善陽極板的外形質(zhì)量，優(yōu)化電解工藝指標(biāo)。

1 銅陽極板外形質(zhì)量缺陷對(duì)電解工藝的影響

銅水澆鑄陽極板的過程屬于鑄造加工，為使極板便于從模具中脫出，陽極板邊緣存在一定拔模斜度，吊耳與導(dǎo)電排接觸面積較小，幾乎為線接觸，導(dǎo)致極板與導(dǎo)電排的接觸壓降高。

電解過程的槽電壓為[1]：

Ecs=(φan-φca)+Et+Econ+Ep

(1)

式中：Ecs為槽電壓；φan為陽極電位；φca為陰極電位；Et為電解液電壓降；Econ為導(dǎo)體上的電壓降；Ep為槽內(nèi)各接觸點(diǎn)的電壓降。

電解過程的直流電耗為[1]：

W=1 000E/(η·q)

(2)

式中：W為直流電耗，kW·h/t；E為槽電壓，V；q為銅的電化當(dāng)量，1.186 g/(A·h) ；η為電流效率，%。

從式(1)、(2)可知，接觸點(diǎn)電壓降的高低直接關(guān)系到槽電壓，而電解直流電耗與槽電壓成正比，接觸點(diǎn)電壓降高會(huì)使直流電耗升高。降低陽極耳部重量，減小耳部厚度，是降低銅電解殘極率的有效措施之一，通常耳部比板面薄12～15 mm[2]。盡管這樣可以降低銅電解殘極率、提高經(jīng)濟(jì)效益，但是受鑄造工藝限制，耳部厚度與板身厚度不一致，吊耳只能從一側(cè)變薄，使得陽極板耳部重心與板身重心不在同一鉛垂面內(nèi)，影響陽極板的懸垂度。銅陽極板懸掛在電解槽中，其懸垂度對(duì)生產(chǎn)的陰極銅質(zhì)量有著重要的影響，如果懸掛的陽極板傾斜度較大，則產(chǎn)出的陰極銅厚度不均勻，嚴(yán)重時(shí)還將造成電流短路[3]。這是因?yàn)殛枠O板懸掛時(shí)發(fā)生傾斜，導(dǎo)致陽極板與陰極板上方、下方的極距不一致，陽極上下溶解不均勻，甚至底部與陰極板接觸造成短路而影響電流效率。

在銅水澆鑄、成型、冷卻的過程中，陽極板各部位冷卻速度不一致，陽極板發(fā)生扭曲變形；模放置不平使板面厚薄不均，影響每塊陽極板不同位置與兩側(cè)陰極板之間的極距。影響極間距的電極幾何形狀的微小變化都會(huì)對(duì)電極電阻和電流分布產(chǎn)生較大影響[4]。板面出現(xiàn)凸包，澆鑄機(jī)圓盤晃動(dòng)極板四周產(chǎn)生卷邊、毛刺等外形缺陷，同樣會(huì)影響每塊陽極板不同位置與陰極板之間的極距，而且容易發(fā)生尖端放電現(xiàn)象，導(dǎo)致陰極銅長粒子，影響陰極銅質(zhì)量。此外，陽極板厚薄不均、背筋、凸包、卷邊和毛刺較大，容易造成裝槽陽極短路率增加，陽極溶解不均勻，從而導(dǎo)致殘極率升高[2]。

2 銅陽極板整形預(yù)處理

對(duì)于上述陽極板外形存在的問題，需要采取相應(yīng)的整形預(yù)處理措施。目前，冶煉廠多采用陽極機(jī)組對(duì)銅陽極板進(jìn)行整形處理。另外，電極入槽要求平行、等距及置中放置，使陽極溶解均勻，所以陽極板的整形加工添加了相應(yīng)的工序。陽極機(jī)組功能主要包括受板、分板、垂直矯耳、稱重、水平矯耳、板身整平、耳部及板身厚度測量、廢板收集、側(cè)銑耳、底銑耳及等間距排板等[5]。不同廠家設(shè)計(jì)制造的陽極機(jī)組每個(gè)工序所采用的處理方式不盡相同。

2.1 陽極板矯壓

矯壓工序主要起3個(gè)作用：①通過對(duì)陽極板吊耳部位施加壓力，耳部偏移，使其重心所在鉛垂面盡可能靠近板身重心所在鉛垂面或與之重合，改善銅陽極板在電解槽中的懸垂度； ②減小或消除陽極板的變形； ③擠壓背筋、凸包、卷邊和毛刺，盡可能將其壓平。矯壓按陽極板的放置方式分為臥式和立式，兩者矯壓的效果無明顯差別；按矯壓點(diǎn)位又分為點(diǎn)壓和面壓，如圖1所示。

圖1 陽極板板面點(diǎn)壓與面壓示意圖

點(diǎn)壓即在陽極板板面上選取幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行壓制，面壓則是對(duì)整個(gè)板面進(jìn)行校壓，兩種方式都能明顯減小或消除陽極板的變形。只要吊耳部位和板身部位的砧板相對(duì)高度選擇合適，施加壓力合理，均可有效偏移吊耳重心，但是對(duì)于處理背筋、凸包、卷邊和毛刺的效果有一定的差異。點(diǎn)壓只選擇陽極板的幾個(gè)點(diǎn)壓制，未覆蓋整個(gè)板面，不能大面積處理這些缺陷，難免出現(xiàn)遺漏。因此，處理這方面問題時(shí)，面壓的效果更為理想。采用面壓處理的陽極板因背筋、凸包、卷邊和毛刺引起的短路及溶解不均勻的情況比點(diǎn)壓方式少。

2.2 陽極板吊耳底部銑削

吊耳底部銑削工序是將底部斜面銑平，增大陽極與導(dǎo)電排接觸面積，降低接觸點(diǎn)電壓降。目前，由于各塊陽極板外形質(zhì)量差異較大，吊耳底面銑削加工后，雖然可以保證底面與極板鉛垂面垂直，但很難保證陽極板懸掛時(shí)吊耳底面水平，也就是說，很難實(shí)現(xiàn)吊耳底部整個(gè)銑削平面與導(dǎo)電排成為面接觸，而只是線接觸。對(duì)此，可以在銑削加工后垂直壓制吊耳，使陽極板懸掛時(shí)底部銑削面水平，從而使整個(gè)銑削面與導(dǎo)電排接觸。吊耳底部銑削另一方面的好處是，陽極板在澆鑄冷卻、存儲(chǔ)等過程中，表面發(fā)生氧化并夾雜脫模劑等雜質(zhì)，影響導(dǎo)電性，吊耳銑削后，去除了原表面的氧化層和雜質(zhì)，露出新的接觸面，導(dǎo)電性更好，從而降低了接觸壓降。

在陽極板整形機(jī)組中，吊耳銑削加工比較常用的刀具有端面銑刀和圓周銑刀[6]。其中圓周銑刀一般為螺旋刃銑刀，如圖2所示。

圖2 螺旋刃銑刀

銑削按照進(jìn)給方向分為平行板面銑削和垂直板面銑削，如圖3所示。

圖3 銑削進(jìn)給方向

采用螺旋刃銑刀銑削時(shí)，由于螺旋刃上不同圓周上的刀片磨損程度不一致，吊耳底部銑削后呈凹凸臺(tái)階面。銑削進(jìn)給沿板面方向時(shí)，凹凸臺(tái)階面排列方向與板面垂直，如圖4所示，吊耳底部與圓弧形導(dǎo)電排接觸面為凸面，凹面對(duì)應(yīng)處不能與導(dǎo)電排接觸，接觸面積比底部為平面時(shí)小。銑削進(jìn)給方向垂直板面時(shí)，凹凸臺(tái)階面排列方向與板面平行，如圖5所示，吊耳底部與圓弧形導(dǎo)電排接觸面為凸面或者凹面，與底部為平面效果一致。由此可以看出，沿垂直板面方向銑削吊耳，吊耳與導(dǎo)電排的接觸面積比沿板面方向進(jìn)給銑削方式的大，接觸點(diǎn)壓降低。

圖4 沿板面銑削效果

圖5 垂直板面銑削效果

2.3 陽極板等距排列

陽極板等距排列是為了兩極之間的距離相等，使陽極板溶解均勻。陽極板排列的準(zhǔn)確度將直接影響極間距，從而影響陰極銅質(zhì)量。陽極板整形機(jī)組上所采用的排距裝置一般為鏈機(jī)構(gòu)，不同形式的排距鏈選擇的排列基準(zhǔn)不盡相同，主要以陽極板脫模底面為基準(zhǔn)(例如圖6所示的半弧形鏈)，或者以陽極板中心面為基準(zhǔn)(例如圖7所示的梯形鏈)，兩種排距方式的效果分別如圖8、圖9所示。

圖6 半弧形鏈

圖7 等腰形鏈

圖8 脫模面基準(zhǔn)排距效果

圖9 中心面基準(zhǔn)排距效果

在每塊陽極板實(shí)際厚度與設(shè)定厚度相等的理想狀態(tài)下，兩者均能達(dá)到陽極入槽后與兩側(cè)陰極距離相等的效果，但是陽極板是澆鑄成型，在實(shí)際生產(chǎn)中很難做到等量澆鑄，導(dǎo)致各塊陽極板厚度不一致，并且厚度差異較大。因而，兩種排距方式的效果差異較大，以脫模底面為排列基準(zhǔn)的情況下，等距排列好的陰極板插入到陽極板之間時(shí)，如果陽極板厚度大于或小于標(biāo)準(zhǔn)厚度，基準(zhǔn)面的另一側(cè)與陰極板的極距小于或大于設(shè)定距離，基準(zhǔn)側(cè)等于設(shè)定距離；以中心面為排列基準(zhǔn)的情況下，等距排列好的陰極板插入陽極板之間時(shí)，如果陽極板厚度大于或小于標(biāo)準(zhǔn)厚度，陽極板與兩側(cè)陰極板的距離小于或大于設(shè)定值且兩距離相等。

隨著極間距的不斷縮小, 電極排距的較小變化都會(huì)對(duì)極間距有成比例放大的影響, 從而對(duì)電流分布產(chǎn)生影響[4]。可見，排距方式不合理會(huì)對(duì)電流分布造成很大的影響。極距越小，兩極間電解液電阻越小，銅離子從陽極移動(dòng)到陰極的距離也越短，陰陽極之間的電力線越密，陽極溶解越快，距陽極較近的一面，因電流密度過大導(dǎo)致結(jié)晶粗糙甚至長粒子。另外，陽極板與陰極板極距小一側(cè)的溶解大于極距大的另一側(cè)，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行，陽極板板身的重心偏移，但陽極板吊耳部位未發(fā)生溶解，重心位置不變，板身重心與吊耳重心不在同一鉛垂面上，陽極板繞吊耳與導(dǎo)電排的接觸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，將影響陽極板的懸垂度，陽極泥易沉降在陰極板面上而影響陰極銅質(zhì)量。無論從每塊陽極板還是每槽陽極板來看，選取以中心面為基準(zhǔn)的排距方式，陽極板溶解均勻性更好，更有利于電解工藝的控制。

2.4 陽極板對(duì)中

陰、陽極板在電解槽中平行、等距、置中是電解工藝最基本的要求，陽極板在入槽前不但要按設(shè)定極距排列好，還需進(jìn)行對(duì)中，以便與陰極板對(duì)正。陽極機(jī)組通常采用兩側(cè)對(duì)中和底部對(duì)中，如圖10所示。兩種方式均能使每塊陽極板放置在沿板面方向上的一定區(qū)間內(nèi)，但由于陽極澆鑄模具內(nèi)表面熱熔損壞程度不一，銅流動(dòng)情況不一致，導(dǎo)致每批陽極板的寬度不一致，不同廠家、批次的陽極板寬度尺寸波動(dòng)較大，兩種方式的對(duì)中效果在實(shí)際生產(chǎn)中存在差別，如圖11所示。

圖10 對(duì)中形式

圖11 對(duì)中效果

兩側(cè)對(duì)中后極板沒有置中，入槽后陽極兩側(cè)邊緣區(qū)域與陰極板距離不一致；而底部對(duì)中后陽極板置中，兩側(cè)邊緣對(duì)應(yīng)區(qū)域與陰極板距離一致。陰、陽極沒有對(duì)正，陰極一邊邊緣離陽極的邊緣太近而長凸瘤，另一邊邊緣則偏離陽極太遠(yuǎn)而析出太薄[7]。由以上分析可知，采用底部對(duì)中方式，陰極銅板兩側(cè)邊緣出現(xiàn)長凸瘤或板厚太薄的情況少，陰極銅外形比較規(guī)整。

3 結(jié)語

陽極板物理外形缺陷以及放置是否與陰極板平行、等距、置中，對(duì)銅電解工藝有很大的影響。生產(chǎn)實(shí)踐表明，陽極板入槽前的一系列整形預(yù)處理，對(duì)改善極板物理外形質(zhì)量有著重要的作用。通過整形預(yù)處理，使陽極板盡可能平行、等距、置中，從而改善陽極板的懸垂度，提高陽極板導(dǎo)電性及電流分布均勻性，降低陰極銅長粒子的幾率，提高電流效率及陰極銅質(zhì)量。

綜上分析可知，各個(gè)整形預(yù)處理工序所采取的方式不同，預(yù)處理效果存在差異，只有充分了解陽極板缺陷對(duì)電解工藝的具體影響，選取較合理的加工方式，才能更好地優(yōu)化電解工藝經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 彭容秋.銅冶金[M].長沙:中南大學(xué)出版社，2004:255-256.

[2] 王沖，羅勁松，李堅(jiān).銅電解降低殘極率的生產(chǎn)實(shí)踐及經(jīng)濟(jì)效益[J].中國有色冶金，2013，(2):30-34．

[3] 黃湘，邵曉光.銅陽極板懸垂度控制技術(shù)在陽極整形機(jī)組的應(yīng)用[J].有色設(shè)備，2014，(1):45-47.

[4] 李衛(wèi)民.現(xiàn)代銅電解精煉的電流分布[J].中國有色冶金,2009, (2):1-6.

[5] 普宗祥.大極板銅陽極準(zhǔn)備機(jī)組的國產(chǎn)化[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究,2013,(1):31-33.

[6] 趙德化，康貴榮，孫健，潘東亮.銅陽極板整形機(jī)組的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與思考[J]. 新技術(shù)新工藝，2013，(4):31-33.

[7] 朱祖澤，賀加齊.現(xiàn)代銅冶金學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社，2003:530.

(云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠, 云南 昆明 650102)

Simply analysis of the effect of shaping and pre-processing copper anode plate on electrorefining process

LUO Jin-song

The effect of shape quality of copper anode plate on electrorefining process was simply analyzed in the paper. The main ways and effect of shaping and pre-processing copper anode plate were emphatically introduced.

copper; anode plate; shape quality; shaping and pre-processing; electrorefining technology

羅勁松(1976—)，男，山西長治人，工程碩士，高級(jí)工程師，現(xiàn)任云南銅業(yè)股份有限公司冶煉加工總廠電解分廠廠長。

2015- 04- 26

TF811

B

1672- 6103(2015)06- 0026- 04