銅電解降低殘極率的應(yīng)用研究

曹洪有

（黑龍江紫金銅業(yè)有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

在銅電解精煉過程中，產(chǎn)出的殘極一般返回火法冶煉工序，重新熔鑄成陽極。殘極率是指產(chǎn)出的殘極質(zhì)量占裝槽陽極質(zhì)量的百分比，它是影響陰極銅加工成本的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，大多數(shù)企業(yè)把殘極率作為銅電解工序的主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)加以考核。殘極作為中間物料，在底吹爐、陽極爐、電解三道工序循環(huán)，所以殘極率越高，返回熔煉的中間物料越多，循環(huán)處理量越大，增加了重復(fù)冶煉的成本。因此，在保證電解廠正常生產(chǎn)和陰極銅質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量降低殘極率，降低返回熔煉的中間物料量，降低返煉加工費(fèi)及金屬損失，最終降低生產(chǎn)成本與能耗。

1 降低殘極率的效益測(cè)算

以黑龍江紫金銅業(yè)有限公司電解廠年產(chǎn)15 萬t陰極銅項(xiàng)目為例，每年約需消耗陽極板18 萬t，殘極率每上升1%，就會(huì)增加約2 200 t 返熔煉陽極爐的陽極板量（見表1），這些返熔煉的殘極需要經(jīng)過陽極爐精煉和電解精煉后才能變成陰極銅產(chǎn)品。按陽極爐精煉和電解精煉每噸銅加工費(fèi)700 元計(jì)算，殘極率每上升1%，就會(huì)增加銅加工費(fèi)用154 萬元，這些費(fèi)用還不包括運(yùn)輸成本及其他財(cái)務(wù)支出，可見殘極率對(duì)冶煉成本的影響是巨大的，適當(dāng)控制較低的殘極率能為企業(yè)創(chuàng)造更多價(jià)值，帶來更多效益。如考慮回收率及金、銀的加工成本等因素，則節(jié)約的費(fèi)用更加可觀。

表1 殘極率與返熔煉殘極量的關(guān)系

2019年10月投產(chǎn)時(shí)，電解廠殘極率離國(guó)內(nèi)先進(jìn)指標(biāo)有較大差距，不利于企業(yè)生產(chǎn)成本的降低。2020年1月以來，經(jīng)過近兩年的生產(chǎn)實(shí)踐，電解廠采取了許多降低殘極率的改進(jìn)措施，至今已取得較大成效，殘極率基本控制在14%左右，偏高不穩(wěn)定的局面得到改善。

2 殘極率過高的主要原因和應(yīng)對(duì)措施

引起殘極率過高的主要原因有生產(chǎn)計(jì)劃周期不穩(wěn)定、電解槽短路率高、入槽陽極板物理規(guī)格差、槽時(shí)利用率低、裝槽質(zhì)量差、電解槽液位調(diào)節(jié)不當(dāng)、設(shè)備運(yùn)行率低、添加劑控制不當(dāng)?shù)?。針?duì)以上主要影響因素，電解廠采取多項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施。

2.1 制定詳細(xì)的生產(chǎn)計(jì)劃，合理控制通斷電時(shí)間

電化學(xué)反應(yīng)中，陽極溶解的銅量可以用式（1）計(jì)算，從式（1）不難看出，單個(gè)電解槽內(nèi)陽極銅溶解量主要與通電時(shí)間和電流效率有關(guān)。通電時(shí)間越長(zhǎng)，陽極銅溶解越多，殘極率越低；反之，通電時(shí)間越短，陽極銅溶解量越少，殘極率越高?？梢?，影響殘極率高低的最直接因素是通電時(shí)間，只有合理控制通電時(shí)間，才能有效降低殘極率。

式中：為陽極溶解的銅量，g；為電化當(dāng)量，1.1852 g/A·h；為電流強(qiáng)度，A；為電解槽數(shù)，臺(tái)；為通電時(shí)間，h；為陽極電流效率，%。

為了合理控制通斷電時(shí)間，使每個(gè)開關(guān)的通斷電時(shí)間一致，差別盡量控制在1 h 之內(nèi)，保證出槽時(shí)殘極質(zhì)量合適，電解廠制定詳細(xì)的出裝計(jì)劃，使生產(chǎn)作業(yè)有序進(jìn)行，解決了之前生產(chǎn)周期混亂、通電時(shí)間長(zhǎng)短不一造成的殘極率過高問題。

2.2 加強(qiáng)短路處理，提高電流效率

由式（1）可知，電流效率高低反映了電化學(xué)反應(yīng)的效率，如果電流效率為100%，那么殘極率的大小只與通電時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，而目前陽極電流效率較低，使殘極率難以控制。短路是電流效率降低的最主要原因，短路造成電流在電解槽內(nèi)分布不均勻，電解槽內(nèi)的大部分電流從短路處流過，而在短路發(fā)生部位，陰陽極相連造成陽極不溶解，短路使電流效率下降，造成陰極銅產(chǎn)量下降、陽極溶解變慢，導(dǎo)致殘極率偏高。為了提高電流效率，降低殘極率，電解廠加強(qiáng)了短路處理。投產(chǎn)初期，員工使用鏟子撈粒子，這種方法在液下處理，操作人員無法看清粒子所在部位，極易遺漏粒子，而且其造成陽極泥翻騰，增加了陰極板長(zhǎng)粒子的風(fēng)險(xiǎn)。電解廠研發(fā)了一種升降陰極板的短路處理設(shè)備（見圖1），這種設(shè)備不依靠單梁吊，也不會(huì)與行車作業(yè)發(fā)生沖突，可根據(jù)人員作業(yè)情況在槽面上隨時(shí)使用，設(shè)備占用空間小，移動(dòng)靈活，能耗較低，該方法處理短路更徹底，遺漏更少。

圖1 半自動(dòng)升降陰極板機(jī)

2.3 有效改善陽極板物理外形質(zhì)量，保證裝槽陽極規(guī)格一致、質(zhì)量均一

陽極板作為電解生產(chǎn)的唯一原料，陽極板質(zhì)量的好壞決定了電解生產(chǎn)各項(xiàng)指標(biāo)的好壞，陽極板的外形質(zhì)量與殘極率有著密切關(guān)系，它影響電解槽內(nèi)一系列化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，影響電流密度在陰陽極板上的均勻分布。電解廠根據(jù)陽極板的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)分析此類參數(shù)對(duì)電解生產(chǎn)的影響，制定相應(yīng)措施。

一是安排專業(yè)技術(shù)人員跟蹤每批次陽極板的化學(xué)成分變化，陽極板入槽與爐次相對(duì)應(yīng)，跟蹤入槽后的生產(chǎn)狀況；二是陽極板物理規(guī)格定期抽檢，并與黑龍江紫金銅業(yè)有限公司陽極板規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)（見表2）做比較，每班對(duì)陽極板澆鑄質(zhì)量進(jìn)行跟蹤，發(fā)現(xiàn)問題時(shí)及時(shí)匯報(bào)并記錄；三是每班檢查銑耳質(zhì)量，對(duì)整形后的陽極板進(jìn)行外形尺寸測(cè)量，測(cè)量結(jié)果記入抽查記錄表，并且對(duì)入槽陽極墊銅絲數(shù)量逐槽記錄，查找墊銅絲過多原因，對(duì)于陽極板出現(xiàn)的澆鑄質(zhì)量問題，如超重、厚度不均、耳部過厚、板面裂紋、背筋過大、鼓包、夾渣等，及時(shí)反饋給精煉工序。通過全員共同努力，陽極板外形質(zhì)量逐步提高，超重現(xiàn)象明顯減少，各種澆鑄缺陷明顯減輕。陰陽極裝槽時(shí)及剝片機(jī)組出銅時(shí)，及時(shí)挑出不合格的陰極板，吊至陰極板維修區(qū)域；定期對(duì)不銹鋼陰極板進(jìn)行抽檢，及時(shí)修復(fù)不合格陰極板，保證滿足生產(chǎn)要求。

表2 陽極板物理規(guī)格要求

2.4 提升設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，提高槽時(shí)利用率

設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率低，直接造成生產(chǎn)作業(yè)流程停滯，生產(chǎn)任務(wù)不能及時(shí)完成，槽時(shí)利用率降低，作業(yè)計(jì)劃被動(dòng)地被打亂，導(dǎo)致陽極板通電時(shí)間不足，出槽殘極率上升。為了提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，加快生產(chǎn)作業(yè)，提高人員與設(shè)備的協(xié)作能力，電解廠制定了兩項(xiàng)措施。一是加強(qiáng)人員設(shè)備操作培訓(xùn)，提高人員設(shè)備操作熟練度。二是加強(qiáng)設(shè)備的檢修和維護(hù)力度，減少設(shè)備的故障率。通過一定時(shí)間的運(yùn)行，設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)率明顯提高，同時(shí)電解槽時(shí)利用率逐月提高，電流效率逐步提高，2021年電流效率首次突破98%。

2.5 加強(qiáng)出裝槽管理，保證陰陽極裝槽質(zhì)量

陰陽極入槽的要求是垂直、平行、等距和置中。垂直指的是陰陽極板面與導(dǎo)電銅排保持垂直，平行指的是陰陽極的板面之間保持平行，等距指的是陰陽極板的間距相等，置中指的是陰陽極板對(duì)中，中心在一條直線上。陰陽極的位置關(guān)系影響電流在極板上的均勻分布和陽極泥的順利沉降。好的裝槽質(zhì)量能從源頭上減少粒子的產(chǎn)生，減少短路數(shù)量，提高電流效率，進(jìn)一步降低殘極率。

2.6 合理規(guī)劃單雙極通電時(shí)間，控制好總通電時(shí)間

第一周期短路情況嚴(yán)重，將通電時(shí)間控制得短一些，而第二周期短路情況比較輕，將通電時(shí)間控制得長(zhǎng)一些。陽極周期總通電時(shí)間應(yīng)控制精確，防止通電過長(zhǎng)，殘極過殘，或者通電時(shí)間過短，殘極過重，殘極率偏高。通過對(duì)比短路發(fā)生狀況，依據(jù)目前生產(chǎn)狀況，電解廠將第一周期的通電時(shí)間控制在205 h 左右，第二周期通電時(shí)間控制在230 h 左右，出槽殘極率基本可以控制在14%左右。

2.7 加強(qiáng)電解槽液位調(diào)節(jié)

調(diào)節(jié)電解槽液位的目的是最大限度地利用陽極板，同時(shí)保證陽極周期末期殘極板的完整性，盡可能避免殘極板斷耳現(xiàn)象。所以，電解槽內(nèi)第一陰極周期和第二陰極周期液位高度是不同的。為了最大限度地利用陽極板，第一陰極周期電解槽內(nèi)電解液的液位盡量提高一些，一般調(diào)節(jié)至陽極大面上沿下部2 mm，而為了防止陽極周期末期斷耳現(xiàn)象的發(fā)生，第二陰極周期電解槽液位調(diào)節(jié)至陽極板小面上沿上部2 mm。這種第二陰極周期液位下調(diào)的方式在電解生產(chǎn)中被稱為“留橋”。

電解槽液位調(diào)節(jié)過低有可能造成出銅時(shí)殘極上沿較厚，殘極率升高；如果液位調(diào)節(jié)過高，可能導(dǎo)致陽極耳部溶解，殘極掉入電解槽內(nèi)，需要人工撈取，增加了不必要的勞動(dòng)量。因此，調(diào)節(jié)電解槽液位是生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的槽面管理工作，投產(chǎn)初期，人員操作經(jīng)驗(yàn)少，電解槽液位調(diào)節(jié)效果較差，致使產(chǎn)出的殘極不是上部過厚，就是上部斷耳。為了提高電解槽液位調(diào)節(jié)質(zhì)量，電解廠采取兩項(xiàng)措施，即加強(qiáng)人員培訓(xùn)和增加槽面液位巡檢頻次，通過不斷培訓(xùn)，人員調(diào)節(jié)液位的技能水平不斷提高，液位調(diào)節(jié)效果基本達(dá)到生產(chǎn)要求。

2.8 調(diào)控添加劑加入量，提高陰極銅析出質(zhì)量

添加劑可以抑制粒子，保證陰極銅析出質(zhì)量，而添加劑調(diào)控不當(dāng)，影響的是系統(tǒng)內(nèi)所有的陰極銅。為了減少陰極銅粒子產(chǎn)生，降低殘極率，必須合理調(diào)控添加劑的加入量。依據(jù)添加劑的種類和作用（見表3），電解廠選用適合自身生產(chǎn)工藝的骨膠、硫脲、鹽酸和干酪素作為添加劑。工藝人員每日多次到槽面提銅觀察析出質(zhì)量，對(duì)比添加劑的加入情況，分析判斷并不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，逐步摸清了最適合本廠電銅的添加劑加入量（骨膠35 ～45 g/t 電銅；硫脲35 ～45 g/t 電銅；鹽酸50 ～60 g/L），確定適合本廠電銅析出的添加劑配比，使陰極銅結(jié)晶質(zhì)量得到改善，粒子得到抑制，電解槽內(nèi)短路整體明顯減少。

表3 添加劑的種類及作用

3 結(jié)語

經(jīng)過近兩年的生產(chǎn)實(shí)踐，黑龍江紫金銅業(yè)有限公司電解廠從自身生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，分析了影響殘極率的主要因素，提出了一些降低殘極率的有效措施。本廠短路率由2019年的2.8%下降至2021年的0.47%，降低了83%；殘極率由2019年的22.26%下降至2021年的14.07%，降低了36.79%（見圖2）。生產(chǎn)指標(biāo)得到大幅優(yōu)化，既滿足了企業(yè)生產(chǎn)管理要求，又為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。降低殘極率的技術(shù)措施還有很多，電解廠將不斷探索和改進(jìn)，不斷提高電流效率，降低殘極率，提升企業(yè)生產(chǎn)效益。

圖2 電解廠2019年、2021年平均和2020年1—12月殘極率和短路率