30 萬噸銅電解系統(tǒng)的工藝技術(shù)優(yōu)化

徐 鑫 范 翔 程艮艮

(大冶有色有限責(zé)任公司冶煉廠,湖北 黃石 435002)

0 前言

30 萬噸銅加工清潔示范項(xiàng)目是某公司為實(shí)施“五大戰(zhàn)略”、打造湖北省千億有色金屬支柱產(chǎn)業(yè)而建立的工程,于2012 年10 月竣工投產(chǎn)。該項(xiàng)目生產(chǎn)的“大江DJ-B”牌陰極銅先后獲得中國(guó)馳名商標(biāo)、湖北省著名商標(biāo),于2014 年通過上海金屬交易所注冊(cè),2015 年倫敦金屬交易所注冊(cè)成功。近年來,隨著廠定生產(chǎn)任務(wù)的逐年增加,車間對(duì)提升陰極銅產(chǎn)能展開攻關(guān),通過采取提高作業(yè)率、提高電流密度、修復(fù)不銹鋼陰極板等相關(guān)措施,產(chǎn)量顯著提高,取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1 30 萬噸銅銅電解系統(tǒng)簡(jiǎn)介

30 萬噸銅電解系統(tǒng)擁有國(guó)內(nèi)一流的裝備和技術(shù),以國(guó)際一流的永久不銹鋼陰極電解工藝生產(chǎn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的始極片生產(chǎn)工藝,具有高效率、低能耗、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。主要設(shè)備如專用電解行車和陰極機(jī)組均為奧圖泰(Outotec)公司進(jìn)口,是目前世界同行業(yè)中較為先進(jìn)的裝備。廠房?jī)?nèi)分東西兩個(gè)生產(chǎn)系列、兩套循環(huán)系統(tǒng),陽(yáng)極整形機(jī)組、殘極洗滌機(jī)組及陰極剝片機(jī)組配置在廠房的中部,共64 組1 024 個(gè)銅電解槽,年設(shè)計(jì)產(chǎn)能為30 萬t[1-4]。設(shè)計(jì)的主要工藝參數(shù)見表1。

30 萬噸銅電解系統(tǒng)經(jīng)過近2 年多時(shí)間的生產(chǎn)運(yùn)行,工藝參數(shù)控制較為成熟,生產(chǎn)作業(yè)流程體系較為完善,電解液成分、添加劑的加入量、電流密度等工藝參數(shù)都進(jìn)行了最優(yōu)選取。至2014 年底,30 萬噸銅電解系統(tǒng)在300 A/m2電流密度下,A 級(jí)銅產(chǎn)出率達(dá)99%以上,電流效率達(dá)96%以上,直流電單耗控制在310 kWh/t-Cu 以內(nèi),殘極率低于16%,直收率達(dá)81%以上,各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到原設(shè)計(jì)值,實(shí)現(xiàn)了達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)的要求。但隨著產(chǎn)能任務(wù)的連年增加,在不增加設(shè)備設(shè)施的情況下提升30 萬噸系統(tǒng)的產(chǎn)能,是亟待解決的問題[5-6]。通過采用提高作業(yè)效率、提高電流密度、修復(fù)不銹鋼陰極板等工藝技術(shù)措施,在穩(wěn)定電流效率及陰極銅質(zhì)量的同時(shí)提高陰極銅產(chǎn)能。

表1 30 萬噸銅電解系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要工藝參數(shù)

2 30 萬噸電解系統(tǒng)產(chǎn)能提升生產(chǎn)實(shí)踐

2.1 提高作業(yè)效率

30 萬噸銅電解系統(tǒng)自2014 年達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)后一直處于滿負(fù)荷生產(chǎn)狀態(tài),作業(yè)時(shí)間長(zhǎng),尤其陰極銅出裝的每天作業(yè)時(shí)間都超過10 h,車間勞動(dòng)強(qiáng)度增大,產(chǎn)量提升困難。為改善這一局面,通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)廠家、反復(fù)對(duì)比各項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及工藝參數(shù)控制,在經(jīng)濟(jì)化運(yùn)行原則指導(dǎo)下和在確保陰極銅質(zhì)量的前提條件下,對(duì)電解作業(yè)周期進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整,逐步提高電流密度和縮短陽(yáng)極的生產(chǎn)周期,將陽(yáng)極溶解周期由原來的21 d 逐步調(diào)整為18 d,將陰極周期由剛開始生產(chǎn)的(7 +7 +7)d 調(diào)整為(9 +9)d,同時(shí)將殘極率控制在13%～14%。調(diào)整后,每槽陰極銅出裝時(shí)間壓縮為8 h,整個(gè)系統(tǒng)年產(chǎn)量增加了0.59 萬t。

同時(shí),為了提高剝片機(jī)組的運(yùn)行效率,保證陰極銅一次剝離率和壓縮機(jī)組作業(yè)時(shí)間,加強(qiáng)了對(duì)不合格陰極板的挑揀工作,由專人對(duì)上槽使用的不銹鋼陰極板進(jìn)行挑選,重新安裝松動(dòng)的夾邊條、掉落的陰極板,以降低陰極銅連邊率,確保機(jī)組運(yùn)行效率。此外還提高了陽(yáng)極準(zhǔn)備架的使用率。通過采取上述措施改進(jìn)后,單組出銅時(shí)間平均降低了2 h,極大地減輕了機(jī)組操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度,陰極銅年產(chǎn)量增加了約0.29 萬t。

通過以上幾項(xiàng)措施,30 萬噸電解系統(tǒng)作業(yè)率逐步提升,由2014 年達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)初期的94.5%,提升至現(xiàn)在的95%～96%。

2.2 提高電流密度

2.2.1 電流密度提高導(dǎo)致的問題

眾所周知,電流密度是銅電解精煉中最主要的技術(shù)指標(biāo)之一。電流密度和陰極銅產(chǎn)量為正比關(guān)系,因此提高電流密度,可以在基本不增加設(shè)備的情況下,提高陰極銅產(chǎn)量、勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。但隨著電流密度的提高,相應(yīng)的操作管理、工藝控制將發(fā)生變化,需要解決的問題也一一出現(xiàn),主要為:1)槽電壓和陰極電極電位上升,導(dǎo)致比銅電位更正的雜質(zhì)元素更易析出,影響陰極銅質(zhì)量;2)短路率增加,電流效率難以控制;3)槽電壓上升,直流電單耗升高;4)陰極附近的銅離子析出速度較快,易出現(xiàn)陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象;5)系統(tǒng)添加劑、電解液成分控制、流量等參數(shù)需重新摸索。

2.2.2 應(yīng)對(duì)措施

分析以上問題后,采取以下措施逐一解決:1)通過合理控制電解液中銅離子濃度、硫酸濃度及根據(jù)季節(jié)變化控制電解液溫度,進(jìn)而達(dá)到控制槽電壓的目的;2)通過適當(dāng)提高殘極率來保證直流電單耗值;3)通過強(qiáng)化槽面管理作業(yè)及檢查陰、陽(yáng)極板的垂懸度來降低短路率;4)通過調(diào)整陰極銅添加劑的配比,適當(dāng)提高電解液循環(huán)速度,以保證陰極銅質(zhì)量。采取以上措施后,系統(tǒng)電流密度得到逐步穩(wěn)定的提高[1-2]。截至2019 年,電解系統(tǒng)的電流密度超過了設(shè)計(jì)的300 A/m2,達(dá)到了330 A/m2,陰極銅年產(chǎn)量可提高約2.68 萬t。

同時(shí)為了防止電流密度提高對(duì)電流效率產(chǎn)生不良影響,在調(diào)整電解基礎(chǔ)工藝參數(shù)的同時(shí),加強(qiáng)槽面管理,確保陰、陽(yáng)極上槽質(zhì)量,控制極間短路發(fā)生率,建立極間短路考核機(jī)制,確保產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量。

2.3 修復(fù)不銹鋼陰極板

2.3.1 不銹鋼陰極板存在問題

不銹鋼陰極板存在以下問題:1)由于不銹鋼陰極板長(zhǎng)時(shí)間浸泡在電解液中,電解液中的部分殘膠和雜質(zhì)粘附在不銹鋼板板面上,影響不銹鋼板的導(dǎo)電性;2)在使用過程中大部分不銹鋼陰極板導(dǎo)電棒出現(xiàn)了變形彎曲的情況;3)由于不銹鋼陰極板底部V 型槽使用了7 年,磨損腐蝕情況較嚴(yán)重,嚴(yán)重影響機(jī)組剝片站的剝離速度。

2.3.2 不銹鋼陰極板修復(fù)措施

一方面,為了避免不銹鋼陰極板老化、磨損帶來的諸多生產(chǎn)問題,加大了不銹鋼陰極的維護(hù)保養(yǎng)頻次。通過基層班組結(jié)構(gòu)整合調(diào)整,增設(shè)整板小組,不僅對(duì)機(jī)組挑揀出的陰極板重新打磨,還對(duì)不銹鋼陰極板進(jìn)行等級(jí)分類:對(duì)輕微變形的不銹鋼陰極板做簡(jiǎn)單修復(fù);對(duì)嚴(yán)重變形的不銹鋼陰極板進(jìn)行返廠維修。另一方面,針對(duì)長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度生產(chǎn)造成的陰極板導(dǎo)電棒嚴(yán)重彎曲的問題,進(jìn)行了批量穿芯工作和導(dǎo)電棒校直工作。此外,針對(duì)V 型槽磨損腐蝕的問題,采用銑刀重新銑槽。

采取上述措施后,不銹鋼陰極板垂直度提高,板面無雜質(zhì),在槽面使用過程中,陰極析出質(zhì)量較好,板面平直,短路率較低,電流效率提高明顯,同時(shí)設(shè)備使用壽命提高了,陰極銅產(chǎn)量也增加了。

3 效果及分析

30 萬噸銅電解系統(tǒng)自2012 年10 月建成投產(chǎn)以來,陰極銅產(chǎn)能逐年上升(圖1),由2013 年的21.5 萬t 上升到2019 年的33.8 萬t。2019 年,30萬噸銅電解系統(tǒng)陰極銅產(chǎn)量較設(shè)計(jì)產(chǎn)能提高了約12.6%。通過近7 年的生產(chǎn),對(duì)系統(tǒng)生產(chǎn)組織進(jìn)行了優(yōu)化,并逐步摸索出30 萬噸銅電解系統(tǒng)在高電流密度條件下的最佳工藝控制參數(shù),在產(chǎn)量逐年攀升的基礎(chǔ)上,陰極銅質(zhì)量得到進(jìn)一步保證,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

圖1 30 萬噸電解系統(tǒng)2013—2019 年陰極銅產(chǎn)量變化圖

綜上所述,通過采取提高作業(yè)效率、提高電流密度、修復(fù)不銹鋼陰極板等工藝措施,30 萬噸銅電解系統(tǒng)產(chǎn)能比設(shè)計(jì)產(chǎn)能提高了約12.6%,陰極銅的產(chǎn)量和質(zhì)量得到了保證,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。未來,針對(duì)不銹鋼板導(dǎo)電棒變形嚴(yán)重的修復(fù)工作,由于現(xiàn)有的壓板機(jī)模具限制,部分導(dǎo)電棒縱向變形量超過30 mm,需人工初步校正后再進(jìn)入壓力機(jī)進(jìn)行校正,維修工作的難度加大,下一步應(yīng)針對(duì)導(dǎo)電棒縱向變形進(jìn)一步優(yōu)化校正模具,提高模具適應(yīng)性,降低勞動(dòng)強(qiáng)度。