永久陰極法銅電解生產(chǎn)工藝優(yōu)化

樂(lè)安勝

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

永久陰極法銅電解生產(chǎn)工藝優(yōu)化

樂(lè)安勝

(大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石 435005)

介紹了大冶有色30萬(wàn)t永久陰極法系統(tǒng)，分析了投產(chǎn)以來(lái)出現(xiàn)的問(wèn)題及采取的優(yōu)化改造措施。通過(guò)優(yōu)化改造，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)大幅提升，陽(yáng)極泥含水從28.5%下降到22.6%，A級(jí)銅產(chǎn)出率穩(wěn)定在99.5%，電流效率升至98%，直流電單耗下降到275 kW·h/t·Cu。

銅精煉； 永久陰極法； 工藝創(chuàng)新

自1978年不銹鋼陰極板應(yīng)用于銅精煉，銅電解工業(yè)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。永久陰極法采用了更平直的不銹鋼陰極，經(jīng)過(guò)幾十年工藝不斷的改進(jìn)，其經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的始極片法電解，所以被大部分新建銅電解項(xiàng)目所采用。在生產(chǎn)實(shí)踐中各廠家均在持續(xù)優(yōu)化銅精煉工藝，提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，降低生產(chǎn)成本[1-9]。

1 大冶有色30萬(wàn)t銅電解系統(tǒng)簡(jiǎn)介

大冶有色是國(guó)有控股的大型銅冶煉企業(yè)，于2012年10月竣工投產(chǎn)的30萬(wàn)t銅加工清潔生產(chǎn)示范項(xiàng)目，采用不銹鋼永久陰極法電解[10]。電解系統(tǒng)2014年6月達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)后，于2015年8月在英國(guó)金屬交易所陰極銅注冊(cè)成功。電解分為東西區(qū)兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)擁有電解槽512個(gè),配置硫酸銅、電積和硫酸鎳系統(tǒng)，電解流程圖見(jiàn)圖1。

火法系統(tǒng)澆鑄的陽(yáng)極板經(jīng)陽(yáng)極機(jī)組整形銑耳后，用專(zhuān)用行車(chē)裝槽。陰極到周期后，整槽起吊運(yùn)至陰極剝片機(jī)組進(jìn)行剝離作業(yè)，不銹鋼陰極板返回電解槽，進(jìn)入下一個(gè)周期。剝離的陰極銅堆碼打包，殘極經(jīng)過(guò)殘極機(jī)組洗滌后返回火法系統(tǒng)。換裝作業(yè)人工用電解液沖洗電解槽底部陽(yáng)極泥，用泥沙泵轉(zhuǎn)入濃密機(jī)，再?gòu)牡撞枯斔偷桨蹇驂簽V機(jī)進(jìn)行壓濾，濾后液返回電解循環(huán)系統(tǒng)。抽取四分之一的循環(huán)電解液進(jìn)行精密過(guò)濾。每天外輸一定體積的電解液通過(guò)硫酸銅、電積和硫酸鎳系統(tǒng)進(jìn)行凈化。電解系統(tǒng)工藝參數(shù)如表1。

圖1 電解系統(tǒng)流程圖

表1 電解工藝參數(shù)

2 生產(chǎn)中出現(xiàn)的主要問(wèn)題

在電解過(guò)程中，陽(yáng)極板中的脫模劑和石英砂沉入電解槽底部，然后被沖入地坑，因其比重較大，經(jīng)常將地坑的攪拌槳淹沒(méi)，影響正常生產(chǎn)，需要定期進(jìn)行人工清坑作業(yè)。為達(dá)到陽(yáng)極泥含水要求，濾餅要經(jīng)過(guò)大約一個(gè)半小時(shí)的吹風(fēng)。造成酸霧彌漫廠房，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，經(jīng)常發(fā)生陽(yáng)極泥含水超標(biāo)，2014年平均含水高達(dá)28.5%。當(dāng)同區(qū)兩組(32槽/組)同時(shí)洗槽作業(yè)，兩臺(tái)板框壓縮機(jī)無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)新設(shè)板框壓濾機(jī)空間。未及時(shí)更換破損的過(guò)濾布，會(huì)發(fā)生“跑黑”現(xiàn)象，使陽(yáng)極泥顆粒進(jìn)入電解液的循環(huán)系統(tǒng)，影響的陰極銅質(zhì)量。

電解項(xiàng)目自達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)后，各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)與同行業(yè)有一定的差距，其中A級(jí)銅產(chǎn)出率一般在99%，出現(xiàn)陰極銅質(zhì)量波動(dòng)。電流效率在95%上下波動(dòng)，直流電單耗在310 kW·h/t.Cu左右。

3 工藝優(yōu)化

3.1 陽(yáng)極泥壓濾系統(tǒng)改造

地坑新增流量為60 m3/h,揚(yáng)程52 m,功率30 kW,轉(zhuǎn)速2 950 r/min的泥沙泵。每次作業(yè)時(shí)，先進(jìn)行攪拌，再啟動(dòng)泵。每次作業(yè)完確保地坑無(wú)累積。替換一臺(tái)陽(yáng)極泥板框?yàn)楦裟に畨喊蹇?，其過(guò)濾面積為100 m2，高壓鼓膜，自動(dòng)液壓壓緊、保壓、拉板卸料模式。陽(yáng)極泥先用隔膜水壓板框進(jìn)行第一次壓濾，濾后液進(jìn)入普通板框進(jìn)行第二次過(guò)濾，濾后液進(jìn)行精密過(guò)濾機(jī)過(guò)濾。陽(yáng)極泥泥漿經(jīng)過(guò)了一次壓濾、一次過(guò)濾和一次精密過(guò)濾后，電解液的純凈度明顯提高。改造后的陽(yáng)極泥過(guò)濾流程如圖2。

圖2 改造后的陽(yáng)極泥過(guò)濾流程

3.2 電解液成分控制

一般認(rèn)為高電流密度生產(chǎn)，需要提高Cu2+濃度，確保陰極銅質(zhì)量的穩(wěn)定。提高H2SO4的濃度，可以增加電解液的導(dǎo)電性，為降低電耗提供條件[11-12]。但Cu2+和H2SO4濃度的升高，增加電解液的比重，影響陽(yáng)極泥的沉降。在生產(chǎn)中有時(shí)電解液中Cu2+降到40 g/L以下，依然能高產(chǎn)出高純銅。于是降低Cu2+濃度，在控制電解液比重前提下，適當(dāng)提高H2SO4濃度，嚴(yán)格控制電解液其他雜質(zhì)含量。

表2 優(yōu)化前后電解液成分對(duì)比 g/L

電解成分的控制主要是依靠增大開(kāi)路的凈化量。電解液先經(jīng)硫酸銅系統(tǒng)脫銅及其中的殘膠，再經(jīng)過(guò)一二段電積深度脫銅和脫雜，終液輸送到硫酸鎳系統(tǒng)脫鎳。

3.3 添加劑調(diào)整

銅電解的添加劑一般有明膠(骨膠)、硫脲和鹽酸，少數(shù)廠家使用阿維酮等。雖然銅電解使用添加劑已有百年的歷史，但其機(jī)理目前還沒(méi)有完全解釋清楚。添加劑的在線檢測(cè)系統(tǒng)有人進(jìn)行了研究，但一般還是憑經(jīng)驗(yàn)調(diào)整加入量。添加劑主要是控制陰極銅板面質(zhì)量，過(guò)量是適量的好幾倍。添加劑有時(shí)效性，而其是否適量從陰極銅板面反應(yīng)有延遲性，所以每個(gè)系統(tǒng)最佳的加入量非常難掌握[13-18]。在不影響陰極銅質(zhì)量前提下，逐步降低其用量，達(dá)到最低值后，穩(wěn)定加入量，最后明膠加入量穩(wěn)定在43 g/t.Cu，硫脲控制在70 g/t.Cu，2015年明膠單耗趨勢(shì)如圖3，硫脲單耗趨勢(shì)如圖4。

圖3 2014～2015年明膠單耗趨勢(shì)

圖4 2014～2015年硫脲單耗趨勢(shì)

在調(diào)整明膠和硫脲時(shí)，穩(wěn)定鹽酸加入量，按照180 mL/t.Cu的量加入。新增阿維酮，按照9 g/t.Cu的量加入。

3.4 提高電解液溫度

電解液的溫度關(guān)系電解中離子擴(kuò)散、離子活性和粘度等，即影響電解液導(dǎo)電性能和陽(yáng)極泥的沉降等。在高溫下，漂浮陽(yáng)極泥也會(huì)減少。一般認(rèn)為提高溫度會(huì)增加添加劑消耗、提高溶解率、增加蒸發(fā)量和蒸汽耗量等[19-22]。將電解溫度由60～63 ℃控制提升到65～67 ℃。

4 優(yōu)化后效果

陽(yáng)極泥過(guò)濾系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造優(yōu)化后，沒(méi)有出現(xiàn)因板框壓濾機(jī)正在壓濾影響生產(chǎn)。全年陽(yáng)極泥含水量達(dá)到要求，平均22.6%，最低降到20%，詳見(jiàn)圖5。壓濾時(shí)間大幅縮短了，過(guò)濾餅一般10 min就可以壓干，卸完后馬上進(jìn)液，進(jìn)行連續(xù)作業(yè)。

圖5 2014～2015年陽(yáng)極泥含水

圖6 2014～2015年A級(jí)銅產(chǎn)出率

提升電解液溫度，發(fā)現(xiàn)對(duì)加快添加劑的分解、陰極銅的溶解、電解液的蒸發(fā)量影響不是十分明顯。因?yàn)楦唠娏髅芏壬a(chǎn)，產(chǎn)生大量的焦耳熱，并且電解槽保溫效果好，蒸汽耗量基本沒(méi)有增加。

陽(yáng)極泥過(guò)濾系統(tǒng)優(yōu)化改造后，確保了電解液純度，降低了添加劑用量和電解液粘度?？刂坪秒娊庖罕戎兀欣陉?yáng)極泥的沉降。增加凈化開(kāi)路量，減少系統(tǒng)殘膠及雜質(zhì)含量。提高溫度也會(huì)降低電解粘度，同時(shí)增加了離子的擴(kuò)散和活性[23-24]。這些均有利于提升陰極銅質(zhì)量，高純銅產(chǎn)出率由2014年的平均99%提升至2015的99.5%，高純銅產(chǎn)出率如圖6。

圖7 2014～2015年電效趨勢(shì)

圖8 2014～2015年直流單耗趨勢(shì)圖

當(dāng)陰極銅質(zhì)量穩(wěn)定，工藝控制平穩(wěn)，電流效率也穩(wěn)定上升，2015年末升至98%，詳見(jiàn)圖7。電解液成分的合理控制，離子擴(kuò)散的加快，致使槽壓大幅下降，同時(shí)因電效的上升，陰極銅直流單耗大幅下降，已下降至275 kW·h/t.Cu，詳見(jiàn)圖8。

5 結(jié)語(yǔ)

到目前為止，30萬(wàn)t銅電解改造優(yōu)化一年的運(yùn)行情況看，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)穩(wěn)定，關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)大幅提升。陽(yáng)極泥壓濾板框完全滿足生產(chǎn)需求，陽(yáng)極泥含水量由原來(lái)的28.5%下降到22.6%，電解液純凈度明顯提高，使A級(jí)銅產(chǎn)出率由2014年的99%穩(wěn)定到2015年平均99.5%。陰極銅質(zhì)量和工藝控制的平穩(wěn)，使電流效率穩(wěn)定上升至98%，槽壓大幅下降，使陰極銅直流單耗大幅下降至275 kW·h/t.Cu。

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Theoptimizationforstainlessstellcathodeelectrolysiscopperelectrolyticproductionprocess

YUE An-sheng

This paper describes the system of 300 kt/a stainless stell cathode electrolysis in Daye Nonferrous Metals Group Co．Ltd．, analyses causes of problems rising in production since put into productionand gives transform optimization. Through transforming optimization, the economic and technical indexes soared,anode slime contain water cut decreased from 28.5% to 22.6%, A-grad copper output ratio steady at 99.5%, Current efficiency rose to 98%, DC power consumption decreased to 275 kW·h/t.Cu.

copper refining；stainless stell cathode electrolysis；process innovation

TF811

B

1672-6103(2017)06-0010-04

樂(lè)安勝(1983—)， 男， 湖北大冶人， 工程師， 從事冶金生產(chǎn)技術(shù)工作。

2016-01-13