永久陰極與傳統(tǒng)銅電解直流電單耗的對(duì)比分析

許 衛(wèi), 王 敏, 樂(lè)安勝, 劉 毅, 馬登峰

(1.大冶有色金屬有限責(zé)任公司， 湖北 黃石 435005 ; 2.大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 黃石 435005)

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永久陰極與傳統(tǒng)銅電解直流電單耗的對(duì)比分析

許 衛(wèi)1, 王 敏2, 樂(lè)安勝1, 劉 毅1, 馬登峰1

(1.大冶有色金屬有限責(zé)任公司， 湖北 黃石 435005 ; 2.大冶有色設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 黃石 435005)

在電流密度為295 A/m2時(shí)大冶有色永久陰極電解直流電單耗為278.57 kW·h/t.Cu。分析認(rèn)為，較低的兩極接觸點(diǎn)電壓、陰陽(yáng)極間距和添加劑用量是永久陰極電解在較高的電流密度下直流電單耗低于同廠傳統(tǒng)電解的主要原因。進(jìn)一步分析認(rèn)為當(dāng)電流密度為280 A/m2時(shí)永久陰極電解直流電單耗可達(dá)到260 kW·h/t.Cu。

銅電解； 永久陰極； 直流電單耗

大冶有色30萬(wàn)t永久陰極銅電解系統(tǒng)自2014年6月達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)后，所產(chǎn)DJ-B牌陰極銅于2015年8月在英國(guó)LME注冊(cè)成功。其各項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)亦穩(wěn)步提升，其中直流電單耗如圖1所示，至2015年8月起穩(wěn)定在280 kW·h/t.Cu以下， 10月為278.57 kW·h/t.Cu。

圖1 2015年永久陰極法直流電單耗趨勢(shì)圖

大冶有色傳統(tǒng)法電解電流密度一般控制在250～275 A/m2，直流電單耗在290～315 kW·h/t.Cu。

一般認(rèn)為，相對(duì)于傳統(tǒng)法，永久陰極法電解具有工藝流程簡(jiǎn)化，產(chǎn)品質(zhì)量好，單位面積產(chǎn)量大等優(yōu)點(diǎn)，但因其電流密度高，引起槽壓上升，電單耗高于前者[1]。

為了分析永久陰極電解在較高的電流密度下電單耗低于同廠傳統(tǒng)電解的原因，選取30萬(wàn)t永久陰極東區(qū)2015年10月與傳統(tǒng)大板Ⅱ系2007年電單耗攻關(guān)期間最優(yōu)的12月的數(shù)據(jù)[2]進(jìn)行對(duì)比分析。

1 傳統(tǒng)和永久陰極電解的工藝參數(shù)

2007年12月傳統(tǒng)大板Ⅱ系與2015年10月30萬(wàn)t東區(qū)的工藝參數(shù)對(duì)比見表1。

表1傳統(tǒng)電解和永久陰極電解工藝參數(shù)對(duì)比

單位傳統(tǒng)法永久陰極法直流電單耗kW·h/t.Cu291.74278.57電流密度A/m2256295陽(yáng)極品位%98.8199.14陽(yáng)極重量kg368367同名極距mm105100陰陽(yáng)極塊數(shù)塊47/4854/55陽(yáng)極周期d2319陰極周期d8/8/79/10殘極率%17.5314.71流量L/min2525

從表1中可看出：

(1)相對(duì)于傳統(tǒng)電解永久陰極電解直流電單耗約低5%。

(2)傳統(tǒng)法電解2007年陽(yáng)極品位略低，2015年永久陰極電解陽(yáng)極品位較為正常。

(3)永久陰極電解極距小，電流密度高。因陰極平直，不容易短路，所以永久陰極電解可采用較小極距和較高的電流密度。

(4)為提高作業(yè)率，2014年永久陰極電解由設(shè)計(jì)的三周期改為兩周期。

(5)永久陰極電解殘極率低。由于不銹鋼陰極平直，電力線分布均勻，且陽(yáng)極整型機(jī)組自動(dòng)剔除太厚和太薄的陽(yáng)極板，使裝槽陽(yáng)極溶解均勻，在電解后期殘極基本平直完整。

2 影響直流電單耗的因素

銅電解直流電單耗由槽電壓和電流效率決定。

計(jì)算公式如下：

W=l000V/1.1852η

(1)

式中：W——直流電耗，kW·h/Cu.t；

V——槽電壓，V；

η——電流效率，%；

1.1852——銅的電化當(dāng)量，g·A/h。

由此可知，直流電耗與槽電壓成正比，與電流效率成反比。

槽電壓V由以下幾個(gè)部分組成

V槽=V極+IR1+IR2

(2)

式中：V槽——槽電壓，V；

V極——極化電位，V；

IRl——電解液電阻Rl所引起的電壓降，V；

IR2——接觸點(diǎn)及導(dǎo)體電阻R2所引起的電壓降，V。

電解液的電壓降(IRl)與電解液成分、電流密度和極間距有關(guān)。

計(jì)算公式如下：

E=Dk·ρ·L

(3)

式中：E——電解液的電壓降，V；

Dk——電流密度，A/m2；

ρ——電解液的電阻率，Ω·m；

L——極間距離，m。

3 電效η對(duì)比分析

大冶有色永久法電解2014年5月份達(dá)產(chǎn)時(shí)電效為96.5%，2015年4月份后電效穩(wěn)定在97.5%左右，如圖2所示。

圖2 不銹鋼法電效趨勢(shì)圖

大冶有色傳統(tǒng)電解電效～97%，2007年12月傳統(tǒng)大板Ⅱ系電效為97.51%。因而兩種電解電效相差不大，由公式(1)可知影響直流電耗主要因素為槽電壓V。

4 槽壓V對(duì)比分析

4.1 接觸點(diǎn)及導(dǎo)體電阻所引起的電壓降IR2

因其它因素影響相近，這里主要比較陰陽(yáng)極與導(dǎo)電排的接觸點(diǎn)壓降。統(tǒng)計(jì)大冶有色兩個(gè)電解接觸點(diǎn)壓降如表2。

表2 傳統(tǒng)和永久陰極法接觸壓降對(duì)比mV

通過(guò)表2對(duì)比分析:

(1)永久陰極電解陰極與導(dǎo)電排接觸點(diǎn)壓降略大于傳統(tǒng)電解。

(2)永久陰極電解陽(yáng)極與導(dǎo)電排接觸點(diǎn)壓降僅為傳統(tǒng)電解的50%。永久陰極法陽(yáng)極使用的整形機(jī)組，設(shè)有校耳壓耳功能，且對(duì)耳部進(jìn)行測(cè)銑+底銑，同時(shí)對(duì)陽(yáng)極厚度進(jìn)行挑選，確保陽(yáng)極厚薄均一。由此保證裝槽陽(yáng)極的垂直度好，陽(yáng)極耳部與導(dǎo)電排接觸良好。

(3)總體而言，永久陰極電解比傳統(tǒng)電解的接

觸點(diǎn)平均壓降低5.796 mV，相當(dāng)于5.0 kW·h/t.Cu。因此因?yàn)榻佑|點(diǎn)的原因，永久陰極電解比傳統(tǒng)電解直流電單耗低1.7%。

一般認(rèn)為灑水可在一定程度上降低槽電壓[3]，但在永久陰極電解生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，灑水前后槽壓基本沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明永久陰極電解在生產(chǎn)穩(wěn)定時(shí)，其接觸點(diǎn)壓降和陰陽(yáng)極壓降穩(wěn)定。

4.2 電解液電阻所引起的電壓降IRl

如公式(3)所示，電解液電阻所引起的電壓降IRl(E)取決于電解液電阻率ρ、極間距L和電流密度Dk的乘積。

4.2.1 電解液電阻率ρ

據(jù)研究[4]，在銅電解液的濃度、溫度范圍內(nèi)，電解液電阻率ρ與主要成分為Cu2+、Ni2+、H2SO4及溫度的關(guān)系為 ：

ρ=3.2+10-3(1.3[As]+7.3[Cu]+4.5[Fe]+9.6[Ni]-5.6[H2SO4]-14.6t)

(4)

式中ρ——電解液的電阻率，Ω·cm；

[Cu]等——Cu2+等的濃度，g/L；

t——電解液的溫度，℃。

傳統(tǒng)電解與永久陰極電解電解液成分，溫度及電阻率計(jì)算結(jié)果見表3.

表3傳統(tǒng)電解和永久陰極法電解液對(duì)比

電解液成分/g·L-1Cu2+H2SO4Ni2+AsFe比重/kg·L-1槽溫/℃電阻率/Ω·cm傳統(tǒng)電解47.80183.8012.909.280.34≤1.24631.7373永久陰極電解42.99178.9510.509.231.35≤1.23641.6962

對(duì)比分析表3:

(1)永久陰極電解液比重低于傳統(tǒng)電解。永久陰極電解生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)槽面漂浮粒子與電解液比重有直接關(guān)系。當(dāng)比重低于1.23時(shí)，板面狀況(尤其是上沿粒子)良好；當(dāng)比重達(dá)到1.24時(shí)，陰極銅上沿就有漂浮陽(yáng)極泥粒子析出；當(dāng)比重達(dá)大于1.25時(shí)，陰極銅板面出現(xiàn)大量的粒子。分析認(rèn)為，相對(duì)于傳統(tǒng)電解，永久陰極電解極間距較小，導(dǎo)致陽(yáng)極泥沉降條件苛刻，當(dāng)電解液比重較高時(shí)，部分輕質(zhì)陽(yáng)極泥還未聚集沉降即被循環(huán)電解液帶起粘附在陰極銅頂部，造成陰極板上部出現(xiàn)大量粒子。為此，永久陰極電解銅采取低酸低銅的工藝控制方法，并加強(qiáng)電解液凈化，嚴(yán)格控制Ni2+≤12 g/L確保電解液比重不大于1.23。

(2)永久陰極電解液溫度高于傳統(tǒng)電解。理由同上，為了降低電解液的粘度，使漂浮陽(yáng)極泥容易沉降。

上述兩個(gè)因素的綜合結(jié)果，根據(jù)公式(4)計(jì)算永久陰極電解液電阻率低于傳統(tǒng)電解2.37%。

4.2.2 極間距L

極間距L或者說(shuō)電化學(xué)間距(陽(yáng)極板面至陰極板面之間的實(shí)際間距)與同名極距(陽(yáng)極板中心或陰極板中心之間的距離)不是一回事。極間距取決于同名極距、陽(yáng)極板厚度和陰極板厚度。極間距不僅影響電解電壓，還是影響陽(yáng)極泥下落/沉降空間的重要因素[5]。

計(jì)算兩種電解極間距如表4。

表4 傳統(tǒng)電解和永久陰極電解極間距對(duì)比 mm

分析兩種電解極間距差別構(gòu)成見表5。

表5傳統(tǒng)電解和永久陰極電解極間距差別構(gòu)成

差別/mm比例/%總的差別5.26100同名極距2.547.53陰極厚度1.22523.29改變周期1.2724.14其他(殘極率等)0.2655.04

由表5可知，傳統(tǒng)電解和永久陰極電解極間距差別主要由同名極距的不同，陰極尺寸的差異及永久陰極電解三周期變兩周期所構(gòu)成。

4.2.3 電壓降IRl(E)

兩種電解電壓降IRl根據(jù)公式(3)計(jì)算結(jié)果見表6。

表6傳統(tǒng)電解和永久陰極電解電壓降IRl(E)

Dk/A·m-2L/mmDk·Lρ/Ω·cmE/V傳統(tǒng)電解25636.569359.361.73730.162600永久陰極電解29531.309233.51.69620.156617差值比例15.23%-14.39%-1.34%-2.37%-3.65%

由表6可知，永久陰極電解比傳統(tǒng)電解的接觸點(diǎn)平均壓降低5.983 mV，相當(dāng)于5.2 kW·h/t.Cu。因此因?yàn)殡娊庖弘娮璧脑?，永久陰極電解比傳統(tǒng)電解直流電單耗低1.8%。

4.3 極化電壓V極

在銅電解中，增加添加劑用量與提高電流密度均會(huì)增大極化電壓[6-8]。傳統(tǒng)電解和永久陰極電解添加劑用量見表7。

表7 傳統(tǒng)電解和永久陰極電解添加劑用量對(duì)比 g/t.Cu

如從前文分析進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，傳統(tǒng)電解“低電流密度+高添加劑用量”所產(chǎn)生的極化略低于“高電流密度+低添加劑用量” 所產(chǎn)生的極化。

傳統(tǒng)電解采用較高添加劑用量，是因?yàn)殛?yáng)極品位較低，加大明膠用量以絮凝沉降電解液中的懸浮物[9]。但同時(shí)提高了電解液中明膠濃度，增大極化電壓。

一般認(rèn)為，添加劑用量隨著電流密度的提高而增大，使極化電壓“雙倍”的增加[10]。但永久陰極電解添加劑用量較低，原因分析如下：

(1)永久陰極電解陽(yáng)極品位較為正常。

(2)傳統(tǒng)電解陰陽(yáng)極之間的工藝條件不均勻[11-13]，為保證生產(chǎn)的平穩(wěn)，在工藝控制上就有部分的“富余”，而永久陰極電解相對(duì)而言“均一化”一些，在工藝控制上更接近“基本面”。

(3)加入阿維同，解放了部分作為絮凝劑的明膠用量。

5 進(jìn)一步優(yōu)化

5.1 電流密度295 A/m2

在生產(chǎn)實(shí)踐中觀察到，在電流密度為295 A/m2時(shí)，電解液Cu2+維持在39 g/L,依然對(duì)陰極銅質(zhì)量無(wú)明顯影響。

設(shè)想永久陰極法控制Cu2+在41 g/L，H2SO4在185 g/L，溫度及電解液中其他雜質(zhì)濃度不變。按公式(4)，公式(3)計(jì)算槽電壓降低4.470 mV，直流電單耗可降至274.70 kW·h/t.Cu。

5.2 電流密度280 A/m2

永久陰極電解電流密度與槽壓變化曲線如圖3。

圖3 電流密度與槽壓

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，得出

V=1.08DK

(5)

其中V——槽壓，mV；

DK——電流密度，A/m2。

永久陰極電解設(shè)計(jì)電流密度一般為280 A/m2[14-15]。

在前述優(yōu)化條件下，按公式(5),公式(1)計(jì)算，直流電單耗基本可達(dá)到260 kW·h/t.Cu[6]。

5 結(jié)論

相對(duì)于傳統(tǒng)電解，永久陰極電解因較低的兩極接觸點(diǎn)電壓、較小的陰陽(yáng)極間距和添加劑用量，是永久陰極電解在較高的電流密度下直流電單耗低于同廠傳統(tǒng)電解的主要原因。

如進(jìn)一步優(yōu)化工藝控制，在電流密度為280 A/m2時(shí)永久陰極電解直流電單耗可達(dá)到260 kW·h/t.Cu。

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Analysis and comparison of DC unit consumption by permanent cathode electrolysis and conventional copper electrolysis

XU Wei, WANG Min, LE An-sheng, LIU Yi, MA Deng-feng

As for Daye smelter, when the current density is 295 A/m2, the DC unit power consumption by permanent cathode electrolysis is 278.57 kW·h/t.Cu. In the paper, it is analyzed that three main factors, including the lower voltage at contact points of cathode and anodes, space between cathode and anode and additive consumption, contribute to lower DC unit power consumption by permanent cathode electrolysis than that by conventional electrolysis in the same plant with such high current density. It is further analyzed that DC unit power consumption by permanent cathode electrolysis can reach 260 kW·h/t.Cu when the current density is 280 A/m2.

copper electrolysis; permanent cathode; DC unit power consumption

許 衛(wèi)(1975—)，男，湖北鄂州人，碩士，高級(jí)工程師，從事銅電解技術(shù)管理工作。

2015-12-10

TF811

B

1672-6103(2016)05-0021-04