奧爐廠區(qū)試生產(chǎn)期間陽極板質(zhì)量影響因素與控制措施

曾慶康

（銅陵有色金冠銅業(yè)分公司，安徽 銅陵 244000）

礦銅火法冶煉一般采用“造锍熔煉-冰銅吹煉-粗銅火法精煉-電解精煉”工藝，最終產(chǎn)品為高純陰極銅，其中火法精煉工藝的中間產(chǎn)品陽極板作為電解精煉工藝的原料，其化學成分及物理規(guī)格與陰極銅質(zhì)量直接相關，因此提高陽極板質(zhì)量始終作為銅冶煉企業(yè)關注的重點之一。

銅陵有色金冠銅業(yè)奧爐廠區(qū)于2018年5月建成投產(chǎn)，采用“頂吹爐熔煉-智能數(shù)控吹煉爐吹煉-回轉(zhuǎn)式陽極爐精煉-PC大極板電解”工藝[1]，經(jīng)過2年的生產(chǎn)實踐，在陽極板的質(zhì)量控制以及操作、管理方面積累了一定經(jīng)驗。本文主要介紹了本廠區(qū)試生產(chǎn)期間影響陽極板質(zhì)量的因素以及解決辦法。

1 工藝概述

銅陵有色金冠銅業(yè)奧爐廠區(qū)精煉車間配置三臺智能數(shù)控吹煉爐（以下簡稱吹煉爐）和兩臺回轉(zhuǎn)式陽極爐（以下簡稱陽極爐），吹煉爐產(chǎn)出含銅品位≥98.5%粗銅作為陽極爐原料，兩爐粗銅并入一臺陽極爐。陽極爐作業(yè)周期大致分為進料、氧化、放渣、還原、澆鑄、保溫六個階段[1]，產(chǎn)出陽極板經(jīng)現(xiàn)場質(zhì)檢后，合格陽極板轉(zhuǎn)作為下游電解精煉工序原料。

試生產(chǎn)期間，影響陽極板合格率的主要表觀現(xiàn)象有飛邊毛刺多、陽極板變形、厚度不均、拱背或粘膜、尺寸偏差大、重量分布波動大等問題，針對前述出現(xiàn)的種種問題，通過不斷調(diào)整試驗，最終取得一定成效。

2 控制概況

2.1 含氧量的影響。

陽極爐氧化階段的目的主要是脫除粗銅中殘留S元素和少量As、Sb、Bi等雜質(zhì)，氧化、放渣結束后，采用天然氣、重油或粉煤等C、H類物質(zhì)作為還原劑以脫除氧化階段銅水溶解的過量O元素。

圖1 Cu-Cu2O系二元相圖

銅水還原不足，終點含氧量過高，超過0.39%時，熔點升高（見圖1），銅水經(jīng)過出銅溜槽進入圓盤澆鑄機銅模前，因存在溫度損失，降溫過程中出現(xiàn)Cu2O液相且浮于整個液相表面，進入銅模后，因熔體沖擊、湍流，造成部分Cu2O液體噴濺與銅模壁接觸而快速凝固，同時因銅水含氧量偏高、熔點高，進入銅模后凝固時間縮短，其最終影響容易形成飛邊毛刺，導致廢板率升高。

圖2 銅液中氫氧平衡關系圖

銅水還原過量，銅水中O含量過低，H在銅水中的溶解度增加（見圖2）。當O含量 小 于0.05%時，H在銅液中溶解量迅速增加，當O含量小于0.03%后，H的溶解量迅速增加，形成銅液中H的二次充氣。在澆鑄階段當銅水凝固時，過還原銅水中H或生成的H2O會從銅水中大量逸出，造成陽極板氣孔增多，氣孔過多容易引起電解陽極產(chǎn)生鈍化、陰極上產(chǎn)生銅粉粒子以及影響陽極泥沉降。[2]

當終點含氧量控制在0.1%～0.2%時，既能確保爐前作業(yè)人員能夠穩(wěn)定控制，同時飛邊毛刺及氣孔現(xiàn)象得到有效控制。

2.2 澆鑄溫度的影響。

澆鑄溫度過高時，銅水流動性良好，進入銅模后能夠快速自由展開，經(jīng)圓盤噴淋區(qū)冷卻水冷卻后固化，當銅水帶入熱量增大，銅水注入銅模區(qū)域溫度過高，由于銅的軟化溫度小于200度，澆鑄過程中，銅模溫度特別是銅水注入?yún)^(qū)域溫度多在200度以上，銅模發(fā)生軟化，強度下降[3]，隨著使用次數(shù)的增加，銅模發(fā)生中間部分下凹、四周上凸的變形，最終造成澆鑄出的陽極板銅澆筑面呈反拱形，影響入槽陽極板懸垂度。

澆鑄溫度過高，也容易出現(xiàn)粘模問題，銅模與銅液（陽極板）發(fā)生黏連的部位基本都在以銅液與銅模初始接觸點開始沿最大流動方向（縱向）長約600mm、寬400mm的范圍內(nèi)，發(fā)生黏連的原因有：①相似者相溶造成銅模與銅液相溶；②脫模劑隔離效果欠佳。[4]

澆鑄溫度過低，銅水注入銅模過程中，濺落在銅模內(nèi)壁后迅速凝固，形成飛邊毛刺或在陽極板邊緣處形成突起，該類影響可通過機械方式修復；在圓盤澆鑄機啟停過程中，受加速度影響，銅水液面傾斜提供推動力，在圓盤澆鑄機加速、減速過程中，銅水冷卻凝固，產(chǎn)出陽極板上下沿厚度偏差過大、左右兩側厚度差過大，該類陽極板影響電解短路率和電流分布，難以后期修復，嚴重時只能回爐處理，對產(chǎn)品產(chǎn)量、質(zhì)量及加工成本均有較大影響。

結合前期實踐反饋結果，最終確定銅水澆鑄溫度控制在1200℃±10℃為最佳作業(yè)溫度。

2.3 模具選擇

自投產(chǎn)以來，用于陽極板澆鑄模具先后采用鋼模和銅模兩種材質(zhì)，兩種材質(zhì)模具使用情況比較如表1所示：

通過分析，鋼模與銅模相比，澆鑄出的陽極板物理外觀較好但使用壽命低，但由于鋼模在鑄造時含有雜質(zhì)較多、延展性及韌性不及銅模、對冷卻水要求高于銅模，在澆鑄過程中，模具需要承受高頻次間斷性高溫液態(tài)銅水的不斷沖刷，溫度在180℃-1150℃之間反復變化，導致鋼模出現(xiàn)裂紋、斷裂、凹坑、散熱慢及疲勞磨損等不可修復問題，不僅影響其自身使用壽命，同時容易造成陽極板表面產(chǎn)生突起、陽極板拱背、頂穿、陽極板邊緣網(wǎng)格狀飛邊毛刺等問題。

綜合考慮銅模與鋼模的使用成本、對陽極板質(zhì)量影響，最終確定銅模作為陽極板澆鑄模具。

表1 鋼模與銅模使用情況比較[5]

2.4 陽極板變形

試生產(chǎn)期間因陽極板變形被判為廢板約占廢板總數(shù)的26%（見圖3），僅次于飛邊毛刺的影響，對陽極板整體合格率影響較大。陽極板變形主要形式有拱背、耳部上翹、板身下沿彎曲三種形式。拱背源于陽極板預頂起時，兩側耳部均未頂起，板身受力過大影響；耳部上翹同樣出現(xiàn)在預頂起時，此時一側耳朵已頂起，另一側未頂起，在陽極板繼續(xù)上升過程中，單側耳部受力變形所致；板身下沿彎曲發(fā)生在單耳能夠頂起、另一吊耳未頂起期間，因未頂起耳朵突然松脫，造成整個陽極板突然下落，與銅模發(fā)生撞擊造成。

圖3 陽極板廢板分布

通過分析陽極板彎曲發(fā)生原因，對銅模耳部進行機械修復，并調(diào)整預頂起和頂起裝置運行速度、角度、高度，變形數(shù)量及比例大幅降低。

2.5 陽極板重量分布

陽極板重量通過圓盤澆鑄機電子秤實時控制，造成陽極板稱重不準、波動大的因素有：校秤參數(shù)設置問題、外界存在干擾電子秤信號接收的因素、機械裝置運行不正常等。自試生產(chǎn)以來，陽極板重量分布曾反復出現(xiàn)單重上下偏差超過10公斤的情況，這種重量分布幅度較大的陽極板，在電解電流強度一定的條件下，重量輕的陽極板未到周期就提前斷耳，較重的陽極板在周期結束時仍未電解完全[6]，容易引起殘極率升高、殘極過殘斷裂砸壞進液管引起電銅質(zhì)量的生產(chǎn)事故。

通過分析并結合現(xiàn)場維保實際情況，發(fā)現(xiàn)引起陽極板單重的主要因素有：傳感器表面粘結含銅物料和電子秤護罩變形造成，為此通過定期對電子秤進行清理、校秤，陽極板重量偏差可以穩(wěn)定在3-5公斤/塊。

2.6 陽極板耳部長度尺寸

截至目前，澆鑄出陽極板耳部尺寸先后出現(xiàn)耳部過長和耳部偏短的問題。

耳部過長同時受到鋼母模尺寸及電解陽極機組可接受尺寸影響，由于陽極板耳部在設計時，為提高脫模效果，其耳部外緣留有一斜角，造成陽極板澆鑄面與水平面各方向尺寸不同，水平面尺寸大于澆鑄面，造成陽極板耳部總長大于陽極機組需求值。

鋼母模使用次數(shù)一般80-100次，隨著使用次數(shù)的增加，其整體外形輪廓逐漸收縮，當使用次數(shù)過多后，造成鑄造后的銅模尺寸偏小，進而造成陽極板外形尺寸過短，影響電解陽極機組、行車及電解槽掛板。

在充分考慮鋼母模、銅模及陽極板在整個澆鑄過程中存在的長度變化率，以及陽極板澆鑄面和水平面尺寸差異的基礎，每爐次對鋼母模及陽極板外形尺寸進行測量核驗，降低廢板率。

2.7 循環(huán)水質(zhì)影響

一般澆鑄機循環(huán)水采用閉路循環(huán)方式，長期作業(yè)后，循環(huán)水呈乳白色，由于本廠區(qū)采用雜質(zhì)濃度較高的回用水作為澆鑄機循環(huán)水的補充水，造成澆鑄機循環(huán)水呈深藍色，陽極板經(jīng)噴淋區(qū)、水槽區(qū)冷卻后，陽極板表面殘留有少許循環(huán)水中雜質(zhì)，隨著室外堆放時間的延長，陽極板表面顏色由赤紅色轉(zhuǎn)為淡綠色、藍色、藍白相錯、白色，且難以通過沖洗、機械刮擦除去，進入電解槽后，引起陰極銅在D期形成表面粒子，嚴重影響電銅優(yōu)質(zhì)品率。

據(jù)分析，陽極板表面變色物質(zhì)可能是由循環(huán)水中Cl-與Cu2+反應結合生成CuCl2引起，后期通過改善補充水水質(zhì)，降低Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-等物質(zhì)濃度，電銅質(zhì)量逐步恢復。

2.8 脫模劑影響

目前，國內(nèi)外使用的脫模劑主要有硫酸鋇、骨粉、粘土粉等。其中硫酸鋇為使用最為廣泛生產(chǎn)效果最良好的脫模劑。硫酸鋇是一種白色無定型粉末，其化學性質(zhì)穩(wěn)定，1400℃才會分解，可以很好地滿足作為脫模劑的要求。脫模劑的使用方法分為兩種，一種是直接將脫模劑干粉均勻涂抹于銅模上，另一種是把含脫模劑的乳濁液噴灑到提前預熱的銅模表面，待水分蒸發(fā)后生成粉狀或片狀敷在銅模面上形成隔離層，起到完成銅模與銅陽極板分離的作用[7]。

試生產(chǎn)生產(chǎn)期間，在控制參數(shù)均未做調(diào)整的情況下，同一硫酸鋇廠家兩個批次產(chǎn)品，因在同一爐次使用，現(xiàn)場工況突發(fā)性惡化：銅模表面脫模劑發(fā)黃且呈泡沫狀、陽極板溫度過高粘模和拱背數(shù)量驟然上升、調(diào)節(jié)冷卻水流量難以控制銅模和陽極板溫度，更換前一批次硫酸鋇后恢復正常。經(jīng)化驗后一批次硫酸鋇中含有部分雜質(zhì)高于正常值，是引起該問題的主要原因。

為此，嚴格控制硫酸鋇成分及脫模劑配比，是預防上述問題出現(xiàn)的重要手段。

3 小結

針對生產(chǎn)期間陽極板物理尺寸及化學成分兩個方面出現(xiàn)的問題，立足于工藝流程及設備配置特點，通過明確控制參數(shù)、前期預防、過程監(jiān)控及后期調(diào)整等措施，陽極板合格率達到98%以上。