永久不銹鋼陰極板使用實(shí)踐

吳萬華

（紫金銅業(yè)有限公司，福建 龍巖 364200）

300 kt/a銅冶煉項(xiàng)目由中國(guó)瑞林設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，第一期200 kt/a于2012年年初建成投產(chǎn)，2015年挖潛增效至300 kt/a。其中配備960槽電解槽、兩臺(tái)進(jìn)口電解專用吊車、一臺(tái)進(jìn)口陽極整形機(jī)組、兩臺(tái)國(guó)產(chǎn)陰極銅剝片機(jī)組、一臺(tái)國(guó)產(chǎn)殘極洗滌機(jī)組、進(jìn)口不銹鋼陰極板38 880塊、國(guó)產(chǎn)陰極板14 310塊。陰極板的性能直接影響陰極銅的質(zhì)量，其中陰極板的導(dǎo)電率直接關(guān)系著電解的槽電壓，進(jìn)而影響銅電解的交流電耗等關(guān)鍵技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。該項(xiàng)目不銹鋼陰極板使用年限近6年，其間主要存在陰極板懸垂度變差，表面平整度、光潔度及導(dǎo)電性能變差等問題。

1 陰極板結(jié)構(gòu)及性能介紹

為了避免傳統(tǒng)始極片不平整給產(chǎn)品質(zhì)量帶來的不利影響，1978年澳大利亞艾薩公司的湯韋爾銅冶煉廠通過不斷創(chuàng)新和實(shí)踐，探索利用剛度和韌性較好的不銹鋼板替代傳統(tǒng)始極片作為陰極，極板的平整度大大提高。電解時(shí)，銅直流電在作用下在不銹鋼陰極上不斷析出，沉積到一定厚度后在剝片機(jī)組將陰極銅剝離作為產(chǎn)品，不銹鋼陰極板則重新返回電解槽中繼續(xù)重復(fù)使用，開創(chuàng)了永久不銹鋼陰極銅電解技術(shù)。該技術(shù)省去了始極片的生產(chǎn)工序，縮短了工藝流程，大大提高了生產(chǎn)效率，有效降低生產(chǎn)成本。不銹鋼作為銅電解精煉的陰極板，已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，也逐步推廣。不銹鋼陰極板根據(jù)導(dǎo)電棒類型可分為鋼包銅不銹鋼陰極板和銅包鋼不銹鋼陰極板。本項(xiàng)目采用的陰極板為鋼包銅不銹鋼陰極板，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其制作過程主要有以下步驟[1]。

圖1 不銹鋼陰極板結(jié)構(gòu)

（1）將陰極銅熔煉澆鑄成銅方坯，并將方坯擠壓成實(shí)心銅棒；將不銹鋼無縫圓管輥壓形成與銅吊棒合適的形狀；通過冷擠壓復(fù)合的方式使無縫不銹鋼管與紫銅棒復(fù)合成型至設(shè)計(jì)尺寸大小，并緊密結(jié)合，然后切割成陰極板所需的最終長(zhǎng)度，制作成鋼包銅復(fù)合導(dǎo)電梁；不銹鋼包銅復(fù)合導(dǎo)電梁上局部銑出榫槽，兩端底部銑出紫銅，并成一定圓弧。

（2）將不銹鋼板裁剪至設(shè)計(jì)尺寸，不銹鋼頂部剪兩個(gè)吊裝用窗口，底部銑削90°倒V型槽；將平整過的不銹鋼板榫頭壓入槽中，使不銹鋼板直接與導(dǎo)電梁緊密接觸；用氬弧焊接的方式將不銹鋼板與復(fù)合導(dǎo)電棒不銹鋼套袖包裹焊接在一起以避免電化腐蝕；安裝夾邊條，使其與陰極板緊密貼合；掛吊檢驗(yàn)裝配后的懸垂度，并在導(dǎo)電棒上打上產(chǎn)品鋼印。

2 陰極板使用過程出現(xiàn)的問題及原因分析

極板的懸垂度和平整度對(duì)保持極板電流的均勻分布及電流效率作用極為重要[2]。陰極板的平直不容易引起極間短路，可以提高電流效率和電流密度，進(jìn)而提高產(chǎn)量和陰極銅質(zhì)量。懸垂度差的陰極板則會(huì)導(dǎo)致電流分布不均，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生極間短路和陰極銅長(zhǎng)粒子的質(zhì)量缺陷。目前，陰極板在使用過程中主要存在導(dǎo)電棒變形、板面變形與劃痕等問題，主要是由以原因造成的[3]。

使用剝片機(jī)組剝離時(shí)，不銹鋼陰極板在撓曲工位受到松板機(jī)構(gòu)的反復(fù)擠壓和彎曲，特別是板兩側(cè)撓曲行程不一致時(shí)對(duì)板面損傷更大；切刀、砍刀、分離刀定位位置出現(xiàn)偏差將板面劃傷，或操作不當(dāng)使不銹鋼陰極板產(chǎn)生應(yīng)力集中而出現(xiàn)彎曲和波浪狀變形等；電解專用行車吊運(yùn)陰極板下槽時(shí)與陽極板飛邊發(fā)生碰撞，導(dǎo)致板面彎曲；夾邊條老化松動(dòng)或缺失，電解液液位偏高沒過窗口，導(dǎo)致陰極銅兩面連在一起，導(dǎo)致銅板難剝離或無法剝離時(shí)，采用電鎬或鑿刀強(qiáng)行將其剝開導(dǎo)致板面損傷；夾邊條夾緊裝置壓邊行程過大或壓力過高，陰極板晃動(dòng)定位不準(zhǔn)出現(xiàn)斜擠壓，導(dǎo)致板面變形。不銹鋼陰極板使用時(shí)間越久，不銹鋼陰極變形越嚴(yán)重，數(shù)量就越多，當(dāng)陰極板板面平整度和懸垂度＞5 mm時(shí)，為了避免極間短路和長(zhǎng)粒子，必須將不合格陰極板挑出修復(fù)。

陰極銅的剝離難易程度主要取決于陰極銅與陰極板的結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合強(qiáng)度高，陰極銅不剝離或難剝離，損壞陰極板且影響剝片效率；結(jié)合強(qiáng)度小，陰極銅在行車起吊或機(jī)組洗滌時(shí)易開裂脫落甚至掉在槽內(nèi)，容易造成物體擊打安全事故和增加工作強(qiáng)度。陰極銅和陰極板的結(jié)合強(qiáng)度主要取決于不銹鋼陰極板表面光潔度。因此，表面光潔度要求在2B水平，既保證陰極銅不易脫落，又保證在剝片時(shí)易剝離。使用過程中由于板面長(zhǎng)期浸泡在電解液中，板面容易結(jié)垢，主要附著不導(dǎo)電物質(zhì)，如有機(jī)膠、砷銻鉍化合物、硫酸鋇、硫酸鈣等，使得板面導(dǎo)電性能下降。此外，隨著使用年限的加長(zhǎng)，大多數(shù)導(dǎo)電棒密封銅套松動(dòng)或缺失，不銹鋼套與銅棒出現(xiàn)分層現(xiàn)象，導(dǎo)電棒內(nèi)部滲入電解液，極板底部與陰極導(dǎo)電端之間電阻增大，導(dǎo)電率不理想，導(dǎo)電棒往陰極板傳遞電流的性能下降。在電解第二周期時(shí)，陽極板逐步溶解，板身變小，陰陽極平行面積變小，根據(jù)庫侖定律E=KQ/r2，其中Q為場(chǎng)源電量，r為距場(chǎng)源中心距離，因此，陰極板底部附近電場(chǎng)強(qiáng)度很小甚至沒有，導(dǎo)致陰極板底部不發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)吸附銅，陰極銅長(zhǎng)的不飽滿，出現(xiàn)花板，影響陰極銅外觀質(zhì)量。

3 應(yīng)對(duì)措施及取得的效果

目前，陰極板容易出現(xiàn)懸垂度變差、表面不平整、光潔度變差等問題。首先要從源頭抓起，通過對(duì)機(jī)組不斷調(diào)試和改進(jìn)，確保機(jī)組處于良好運(yùn)行狀態(tài)，有計(jì)劃進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)，杜絕設(shè)備帶病運(yùn)行。其次，加強(qiáng)運(yùn)行人員培訓(xùn)，提高員工操作技能，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，避免違規(guī)和野蠻操作導(dǎo)致?lián)p傷陰極板。還有加強(qiáng)陽極板質(zhì)量控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)剔除陽極板飛邊，通電前調(diào)整好電解槽液位，及時(shí)更換老化松動(dòng)夾邊條等，避免陰極板損傷。陰極板必須懸掛放置，不得立在地板或疊在一起使得陰極板彎曲，此外應(yīng)避免陰極板長(zhǎng)時(shí)間浸泡在電解液中。

對(duì)于陰極板變形，懸垂度變差的陰極板一般修復(fù)即可。不銹鋼陰極板的修復(fù)方法一般分為校平機(jī)修復(fù)和人工修復(fù)。修復(fù)完畢懸掛在專用工具上，測(cè)量陰極板的垂懸度并記錄，要求導(dǎo)電棒直線度≤2 mm，板面平整度≤±3 mm，對(duì)角線≤±3 mm，不銹鋼陰極板板面與導(dǎo)電端頭導(dǎo)電平面垂直度（懸垂度）≤±3 mm。

表面光潔度不理想問題可以通過人工打磨拋光或刷光機(jī)得到恢復(fù)。首先將夾邊條取下，用專用鏟子去除陰極板板面未剝凈的銅，去除表面毛刺與銅粉，用角磨機(jī)將板面附著的不導(dǎo)電結(jié)垢去除，使用角磨機(jī)時(shí)應(yīng)用力均勻。為了避免損壞陰極板，打磨必須使用特種纖維輪，不得用硬質(zhì)的砂輪。要求修復(fù)后的板面光滑、無劃傷等缺陷，板面光潔度恢復(fù)至2B。針對(duì)導(dǎo)電棒密封性能下降、電解液滲入導(dǎo)電棒內(nèi)部問題，可在導(dǎo)電棒兩端空隙注入導(dǎo)電膠或氬弧焊，一是起密封作用，阻礙電解液進(jìn)一步滲入導(dǎo)電棒，引起電化學(xué)腐蝕；二是增加導(dǎo)電性，提高導(dǎo)電棒與陰極板之間的電流傳遞性能。而針對(duì)第二周期陽極板板身變短、陰極板底部電場(chǎng)強(qiáng)度減弱、陰極銅吸附不飽滿問題，可適當(dāng)加長(zhǎng)陽極板板身長(zhǎng)度，使得陽極板平行面積加大，提高電解電流強(qiáng)度，以提高陰極板底部電場(chǎng)強(qiáng)度和陰極銅質(zhì)量。

夾邊條夾持力不足，對(duì)極板夾持密封不嚴(yán)導(dǎo)致陰極銅兩邊緣長(zhǎng)花瓣，可定期更換夾邊條和在剝片機(jī)組受板鏈工位增加夾邊條夾緊裝置。此外，應(yīng)避免陰極板長(zhǎng)期高溫浸泡，降低洗滌水溫度以提高夾邊使用壽命，降低夾邊條更換率。

通過有計(jì)劃的精細(xì)化管理和員工標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，陰極板性能得到很好的改善，懸垂度和板面光潔度完全滿足工藝要求，生產(chǎn)的陰極銅完全符合A級(jí)銅標(biāo)準(zhǔn)，成功在上海金屬交易所和倫敦金屬交易所注冊(cè)，并暢銷海內(nèi)外市場(chǎng)。

1 郭忠誠(chéng)，薛方勤，朱曉云，等.銅電解精煉耐用型不銹鋼陰極板的制備方法：中國(guó)，CN02113351.4[P].2003-02-26.

2 孫小亮，李華武.永久不銹鋼陰極板修復(fù)及懸垂度檢驗(yàn)方法[J].有色冶金設(shè)計(jì)與研究，2017，38（1）：20-23.

3 潘新權(quán)，趙榮升，吳文明.KIDD工藝陰極板變形原因探究與治理[J].銅業(yè)工程，2011，（2）：30-32.