淺析永久不銹鋼電解和常規(guī)電解工藝

汪 涵

1 概述

目前國內(nèi)主要的銅電解精煉工藝可分為永久不銹鋼陰極法和傳統(tǒng)始極片大極板長周期常規(guī)電解法。永久不銹鋼陰極電解法簡稱PC電解（permanent cathode），是采用永久不銹鋼陰極取代始極片的現(xiàn)代電解工藝。傳統(tǒng)常規(guī)電解法也稱CT常規(guī)始極片（the conventional starting sheet process）電解，使用始極片（銅片）作為陰極的傳統(tǒng)常規(guī)電解工藝。PC電解技術(shù)與常規(guī)電解技術(shù)相比，具有工藝技術(shù)指標(biāo)先進、產(chǎn)品質(zhì)量高、勞動生產(chǎn)率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，并在現(xiàn)代銅精煉工廠得到廣泛應(yīng)用。在當(dāng)前行業(yè)大力倡導(dǎo)綠色循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展模式下，PC電解技術(shù)不僅僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，降低能耗，在技術(shù)上精益求精，也讓企業(yè)獲得了長足發(fā)展。并且企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模越大，在節(jié)水、節(jié)電以及減少二氧化碳排放的效應(yīng)上就越明顯。金隆公司電解車間就是采用PC電解、常規(guī)電解兩種工藝方法生產(chǎn)陰極銅，年產(chǎn)量共可達46萬噸。

2 工藝流程

PC電解系統(tǒng)的整個生產(chǎn)工藝基本實現(xiàn)機械自動化，陰極板是采用可循環(huán)使用的永久不銹鋼板。CT電解系統(tǒng)的生產(chǎn)工藝同樣實現(xiàn)了高度的機械化，通過種板系統(tǒng)生產(chǎn)出電解所需的始極片（陰極板）。兩種電解方法的工藝流程如下。

2.1 常規(guī)電解工藝流程

常規(guī)電解系統(tǒng)主要分為四部分，即始極片生產(chǎn)班組（種板生產(chǎn)班組）、機組加工班組、運轉(zhuǎn)班組以及出銅班組。

首先是將合格的陽極板送至常規(guī)陽極整形加工機組，加工后的陽極按105mm極距排列,由電解專用吊車吊入種板電解槽。同時種板生產(chǎn)班組將包邊好的鈦板按105mm極距排列，由電解專用吊車吊入種板電解槽。先在陽極周期十八天，陰極周期一天。經(jīng)過一個陰極周期，陰極由吊車吊出進行剝片，剝下的始極片經(jīng)檢驗、裝箱、計量后送陰極加工機組，鈦母板經(jīng)專用行車吊至相應(yīng)電解槽進行裝槽。到周期殘極再經(jīng)殘極洗滌堆垛機組洗滌、打包后由汽車送至精煉車間。

同時將合格的陽極板送至陽極整形加工機組，加工后的陽極按105mm極距排列,由電解專用吊車吊入電解槽。合格始極片經(jīng)陰極加工機組加工成陰極并按105mm極距排列,由電解專用吊車吊入電解槽。現(xiàn)電解陰極周期十天，陽極周期二十天。經(jīng)過一個陰極周期，陰極由吊車送至陰極洗滌機組，經(jīng)洗滌、打包、檢驗、計量后送成品庫，導(dǎo)電棒經(jīng)轉(zhuǎn)運機組送陰極加工機組重復(fù)利用。到周期殘極經(jīng)殘極洗滌堆垛機組洗滌、打包后由汽車送至精煉車間。

而運轉(zhuǎn)班組則控制電解液由循環(huán)泵從循環(huán)槽輸送至板式換熱器，在板式換熱器里加熱至65℃左右再進入高位槽，然后從高位槽自流進入各電解槽。在電解槽內(nèi)電解液的流動方式采用下進液上出液的循環(huán)方式。在此期間要對電解液的成分指標(biāo)進行適時的監(jiān)控，尤其是對其中的雜質(zhì)成分要掌握精確的數(shù)據(jù)。然后根據(jù)電解液成分每天抽取部分電解液送凈液工段處理，保證電解系統(tǒng)電解液中銅及雜質(zhì)濃度不超過規(guī)定限值。

出銅班組在出裝槽時，上清液排入循環(huán)槽。排出的陽極泥漿經(jīng)溜槽至陽極泥地坑，經(jīng)地坑泵泵入陽極泥儲槽后經(jīng)壓濾機壓濾，濾渣即為陽極泥。濾液經(jīng)過二次過濾后流入電解液儲槽。

2.2 PC電解工藝流程

PC電解系統(tǒng)主要分為三部分，即機組加工班組、運轉(zhuǎn)班組以及出銅班組。相對于常規(guī)電解少了始極片的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。其工藝流程是將合格的陽極板送至陽極整形加工機組，加工后的陽極板按極距100mm排列,由半自動專用吊車吊入電解槽，現(xiàn)電解陰極周期九天，陽極周期十八天。經(jīng)過一個陰極周期，陰極由吊車送至陰極洗滌剝片機組，剝下的陰極銅經(jīng)打包、檢驗、計量后送成品庫，不銹鋼陰極板重新排板后經(jīng)專用行車吊至相應(yīng)電解槽進行裝槽。殘極經(jīng)殘極洗滌堆垛機組洗滌、打包后由汽車送至精煉車間。

然后運轉(zhuǎn)班組則控制電解液由臥式循環(huán)泵從循環(huán)槽輸送至板式換熱器，在板式換熱器里加熱至65℃左右泵入高位槽，然后自高位槽自流進入各電解槽。電解槽內(nèi)電解液的流動方式同樣采用下進液上出液的循環(huán)方式。同CT電解一樣，對電解液的成分進行適時檢測監(jiān)控，在精確掌握銅離子、酸度及各雜質(zhì)成分的基礎(chǔ)上。再根據(jù)電解液成分，通過計算每天抽取一定量的電解液送凈液工段處理，保證電解系統(tǒng)電解液中的銅離子、酸度及其它雜質(zhì)成分不超過規(guī)定值。

出銅班組出裝槽時，上清液并入溢流液管。配置3臺電解液循環(huán)槽并互相連通。回液進1#電解液循環(huán)槽，此槽配置1臺泵用于過濾電解液，1臺泵用于向平衡槽打液。濾液進2#電解液循環(huán)槽，此槽配置1臺循環(huán)泵；3#電解液循環(huán)槽配置2臺循環(huán)泵。

陽極泥進地坑后經(jīng)泵打至濃密機，其溢流液進陽極泥儲槽，底液經(jīng)隔膜泵打至1#壓濾機，濾液再進濃密機或陽極泥槽。陽極泥儲槽液由泵打至2#過濾機，其濾液后再進低位槽。

從上面介紹的電解精煉主要生產(chǎn)工藝流程可知：常規(guī)電解跟PC電解工藝流程差別不是很大，相比于PC電解，常規(guī)電解多出一道始極片生產(chǎn)（種板生產(chǎn)）加工程序，其它生產(chǎn)工藝流程和PC電解流程基本相同。但正是因為多了這一環(huán)節(jié)，常規(guī)電解工藝中陰極銅因為極板有吊耳使得銅顆粒的清洗變得更困難，難以保證產(chǎn)品質(zhì)量。這同時又延長生產(chǎn)流程、增加操作人員和設(shè)備，卻難以獲得更好的效果。而PC電解法生產(chǎn)的陰極銅顆粒少，沒有吊耳所有更容易清洗，產(chǎn)品質(zhì)量容易控制。同時PC電解法的陰極平整，且現(xiàn)多使用平行流裝置，使電解液的流動更加均勻，電力線分布勻稱，不容易出現(xiàn)短路的現(xiàn)象，陽極電解溶解均勻，因此殘極率更低。多因素疊加的情況下導(dǎo)致PC電解法相對常規(guī)電解法有不可比擬的優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)指標(biāo)

3.1 系統(tǒng)極距、電解液循環(huán)量及電流密度

極距（極板間距離）通常表示為兩個同名電極板（陽極板與陽極板）之間的最近距離。由于不銹鋼板的線條設(shè)計、懸垂度好、表面平直、光滑，不容易引起短路，這種優(yōu)勢使PC電解能夠使用較小的極板間距離、較高的電解液循環(huán)流量、較高電流強度、電流密度進行電解。一般的傳統(tǒng)常規(guī)電解系統(tǒng)所使用的電流密度大多為240A/m2～300A/m2，板距為100mm～120mm；使用不銹鋼陰極法的工廠使用的電流密度一般在280A/m2～330A/m2，極距90mm～100mm。現(xiàn)階段某電解公司之前的傳統(tǒng)常規(guī)電解系統(tǒng)所使用的最高電流密度高達295A/m2，板間距離為105mm，電解液循環(huán)量27m3/h槽；PC電解系統(tǒng)所使用的最高電流密度高達320A/m2左右，板間距離為100mm，電解液循環(huán)量30m3/h槽。可以肯定的是，實際情況下的電解液流量快慢以及電流密度高低，是要根據(jù)精煉車間生產(chǎn)的陽極板中各種雜質(zhì)的含量、分布以及產(chǎn)品的初步生產(chǎn)計劃進行相應(yīng)的微調(diào)。然而，在原材料完全相同的基本條件下，PC電解系統(tǒng)所使用的電流密度高于傳統(tǒng)常規(guī)電解系統(tǒng)，流量更快，電解極板間距更小。

3.2 系統(tǒng)陰陽極周期

一般來說PC電解槽采用較短的陰極循環(huán)時間，循環(huán)一般為6天～8天，通常是陽極循環(huán)的三分之一。短時間也會減少負極銅板長顆粒的可能性。這可以較好地保證陰極產(chǎn)出銅的質(zhì)量水平。普通CT電解的規(guī)模較大時如果采用短循環(huán)時間，不但要制作始極片，而且勞動強度也將要得到加強，從而降低了整個生產(chǎn)線的工作效率。因此由于單臺機組處理工藝的局限性，大多數(shù)常規(guī)電解工藝的設(shè)計周期較長，通常是陽極長周期的一半。因此，某廠電解車間的PC系統(tǒng)采用的循環(huán)時間為陽極板為18天，陰極板為9天；常規(guī)CT模式系統(tǒng)陽極生產(chǎn)循環(huán)時間20天，陰極為10天。

3.3 電解殘極率

由于不銹鋼陰極板的平直特性和電力線的均勻分布，不容易產(chǎn)生線路短路，因此陽極溶液流動比較均勻，不會形成渦流，也就不會在電解后期形成大洞或殘片斷裂掉入槽內(nèi)。殘極量可大大降低至12%～15%。傳統(tǒng)CT電解槽中殘極量大多為14～15%。低殘留量的突出優(yōu)點體現(xiàn)在低殘留處理原材料和較少的燃料能源消耗，這在當(dāng)前環(huán)保要求及碳排放要求更高產(chǎn)業(yè)生態(tài)下，無疑具有更強的競爭力。而且殘極所占有的銅量基本上是在生產(chǎn)中循環(huán)周轉(zhuǎn)，所以，殘極率低占用的流動資金少，資金的使用效率增加。當(dāng)然，要使殘極率低，陽極板厚薄均勻程度也是重要條件，所以現(xiàn)在很多使用PC電解技術(shù)的工廠為了進一步降低殘極率，在陽極板加工整型機組上都有陽極單塊稱重的系統(tǒng)，太厚和太薄的陽極板可自動剔除。這樣在多個環(huán)節(jié)進行優(yōu)化、精細化。

3.4 槽電壓、電流效率及電能消耗

槽電壓包括陽極電位、陰極電位、電解液電阻所引起的電壓降、導(dǎo)體上的電壓降以及槽內(nèi)各接觸點的電壓降，有時還包括陽極表面的陽極泥電壓降。銅電解精煉的電流效率通常是指陰極電流效率，為電解銅的實際產(chǎn)量與按照法拉第定律計算的理論產(chǎn)量之比。銅電解精煉的直流電能消耗是指每生產(chǎn)1t的電解陰極銅所消耗的直流電，包括生產(chǎn)電解槽、種板電解槽、脫銅電解槽以及線路損失等全部直流電能消耗量，其能綜合地反映出一個電解車間生產(chǎn)的技術(shù)水平和經(jīng)濟效果。根據(jù)某廠電解車間生產(chǎn)數(shù)據(jù)如下：CT電解系統(tǒng)電流效率為98.5%，槽電壓為0.35V～0.4V，直流電耗為330kwh/t～350kwh/t銅；PC電解系統(tǒng)電流效率為99.5%，槽電壓為0.26V～0.35V，直流電耗為300kwh/t～320kwh/t銅。因電能消耗的計算與槽電壓成正比，與電流效率成反比，PC電解明顯具有低槽電壓、高電流效率、直流電耗低的優(yōu)點。

3.5 設(shè)備及構(gòu)筑物

根據(jù)某廠電解車間的數(shù)據(jù)，PC電解系統(tǒng)的生產(chǎn)規(guī)模（陰極銅）為25萬噸/年，電解槽尺寸（mm）為5840×1170×1400/1600，槽內(nèi)陰極數(shù)（塊）為55，槽內(nèi)陽極數(shù)（塊）為56，電解槽（個）為720，無種板槽（個），單槽產(chǎn)銅量（t/槽·a）為347.2；常規(guī)電解系統(tǒng)的生產(chǎn)規(guī)模（陰極銅）為21萬噸/年，電解槽尺寸（mm）為5940×1170×1400/1600，槽內(nèi)陰極數(shù)（塊）為50，槽內(nèi)陽極數(shù)（塊）為51，電解槽（個）為720，種板槽（個）為48，單槽產(chǎn)銅量（t/槽·a）為273.4。由上可知，由于常規(guī)電解需要種板系統(tǒng)，PC電解所需電解槽數(shù)為常規(guī)電解的93.8%；同時，相比于常規(guī)電解，PC電解槽槽內(nèi)兩種極板數(shù)量各多五塊，在幾乎相同規(guī)格的電解槽中陰陽極裝入片數(shù)增加了10%；在單槽產(chǎn)銅量上，PC電解系統(tǒng)更是高于常規(guī)電解系統(tǒng)，前者是后者的1.27倍，PC電解系統(tǒng)的年產(chǎn)量明顯高于常規(guī)電解系統(tǒng)的年產(chǎn)量。

3.6 陽極板尺寸

因PC電解系統(tǒng)比常規(guī)電解系統(tǒng)少了一道種板生產(chǎn)加工工序，兩種電解方法所用的陽極板外觀及尺寸也有相應(yīng)的不同。PC電解系統(tǒng)所用陽極板一般只有一種，而常規(guī)電解系統(tǒng)所用陽極板一般分為兩種，一種是種板系統(tǒng)所用的種板大陽極板，另一種是生產(chǎn)電解陰極銅所用的生產(chǎn)陽極板。根據(jù)某廠電解車間數(shù)據(jù)，其常規(guī)電解系統(tǒng)所用的種板陽極板塊重：390±5kg，生產(chǎn)陽極板塊重：372±5kg；其PC電解系統(tǒng)所用生產(chǎn)陽極板塊重：383±5kg。三種陽極板尺寸各不相同，種板系統(tǒng)所用陽極板比生產(chǎn)陽極板重的原因是生產(chǎn)合格優(yōu)質(zhì)的陰極銅對始極片的要求比較嚴格，為防止后期始極片邊緣變薄，影響陰極銅的產(chǎn)品質(zhì)量，種板系統(tǒng)使用的陽極板尺寸要相對變大。PC電解系統(tǒng)生產(chǎn)陽極板比常規(guī)生產(chǎn)陽極板重的原因是PC電解系統(tǒng)電流密度大，相同時間下陽極板的陽極溶解較大。

3.7 產(chǎn)品質(zhì)量

相比于始極片，不銹鋼陰極板更平直，電解時產(chǎn)生的電力線分布均勻，使陰極銅析出更致密均勻；同時由于不銹鋼陰極板不易變形，減少了短路的形成和板面結(jié)瘤，而且電解產(chǎn)品從陰極板上剝?nèi)?，避免了始極片在制作、存放過程中造成的表面氧化、污染，使電銅中心形成雜質(zhì)夾層；始板片陰極所產(chǎn)生的陰極銅，因有兩個吊耳，在陰極洗滌過程中往往不易將吊耳鉚接處清洗干凈，造成陰極銅表面含有硫酸銅和硫酸，存放一定時間后導(dǎo)致表面變黑，從而影響整體質(zhì)量，而通過不銹鋼陰極板產(chǎn)出的電銅無吊耳容易清洗，產(chǎn)品的整體物理規(guī)格良好。所以，PC電解產(chǎn)出的產(chǎn)品質(zhì)量相對較好。

4 投資及經(jīng)濟效益

為了進一步比較兩種工藝，現(xiàn)將當(dāng)初金隆公司PC電解系統(tǒng)籌建時，在機組聯(lián)動線均進口情況下，根據(jù)外商初步報價，對投資和經(jīng)濟效益作出分析。

PC電解法的引進費用比常規(guī)電解法（全部引進）多9621萬元，比常規(guī)電解法（部分引進）多11815萬元，下面對某廠電解車間的兩種電解方法在20萬噸電解規(guī)模時的經(jīng)濟指標(biāo)進行比較。

4.1 固定資產(chǎn)投資

PC電解系統(tǒng)的應(yīng)用，需要消耗大量的不銹鋼陰極板，啟動成本較高。但是，PC電解法由于工藝流程簡化，建筑面積比常規(guī)電解法少，所以建筑工程、配套設(shè)備、安裝費用都比常規(guī)電解法要省的多。總體來說，PC電解固定資產(chǎn)投資略高于常規(guī)電解系統(tǒng)。

4.2 流動資金

PC電解系統(tǒng)與常規(guī)電解系統(tǒng)相比，由于電流密度高、陰極周期短，相同產(chǎn)量下，所用電解槽數(shù)量少，而且不需要始極片生產(chǎn)制作工序，電解過程中銅積壓量相對減少，周轉(zhuǎn)快，故維持簡單再生產(chǎn)所需的流動資金占用量相對較少，大約是常規(guī)電解的80%～90%左右。在市場經(jīng)濟的形勢下，企業(yè)更加重視資金周轉(zhuǎn)，流動資金少無疑是PC電解的一大優(yōu)點。

4.3 生產(chǎn)加工成本

在生產(chǎn)加工成本上，兩種電解法各有優(yōu)劣。

相比于常規(guī)電解，PC電解在生產(chǎn)成本上有以下幾個優(yōu)勢。第一，回爐消耗費用。PC電解殘極率為12%～15%，常規(guī)電解殘極率為14%～15%，PC電解殘極率相對較低，回精煉車間的返熔費低。第二，人員工資消耗。根據(jù)某廠電解車間人員分配，常規(guī)電解系統(tǒng)工作人員為77人，而PC電解系統(tǒng)工作人員為55人，這是由于PC電解系統(tǒng)利用可反復(fù)使用的不銹鋼陰極取代了一次性的始極片，省去了繁瑣的種板系統(tǒng)始極片生產(chǎn)制造加工工序，簡化了生產(chǎn)流程，減少了設(shè)備、場地和操作工人，自動化程度高，勞動定員少，工資成本低。第三，維修消耗。雖然不銹鋼陰極板成本較高，但該項備件使用壽命較長，很少需要維修，故修理費用比常規(guī)電解法低。第四，電解蒸氣消耗成本。根據(jù)某廠電解車間數(shù)據(jù)，常規(guī)電解系統(tǒng)生產(chǎn)出每噸陰極銅的平均蒸氣消耗量在0.25t左右；PC電解系統(tǒng)生產(chǎn)出每噸陰極銅的平均蒸汽消耗量在0.15t左右，夏季基本上不消耗蒸汽，在高電流密度生產(chǎn)時甚至電解液需要降溫，這主要是：①PC電解電流密度高，電流通過電解液時產(chǎn)生的熱量大；②短路少，不用經(jīng)常掀起槽面覆蓋物檢查短路，槽面覆蓋好，散熱少；③相同電解銅產(chǎn)量下，電解槽數(shù)量少，槽面輻射熱、蒸發(fā)損失少。

常規(guī)電解液有幾個優(yōu)勢：第一，折舊成本。直接工程費低于PC電解系統(tǒng)，所以折舊費低；第二，攤銷成本。由于PC電解引進設(shè)備的海運、保險費比常規(guī)電解高，因此常規(guī)系統(tǒng)管理費中的攤銷費要低。

綜合以上因素，再根據(jù)某廠電解車間生產(chǎn)資金及投入成本數(shù)據(jù)：PC電解系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模（陰極銅）為25萬噸/年，年投入生產(chǎn)資金為10150萬元，實際年產(chǎn)量為25萬噸，生產(chǎn)加工成本約為406元/噸；常規(guī)電解系統(tǒng)生產(chǎn)規(guī)模（陰極銅）為21萬噸/年，年投入生產(chǎn)資金為9156萬元，實際年產(chǎn)量為21萬噸，生產(chǎn)加工成本約為436元/噸.可知相比于常規(guī)電解系統(tǒng)，PC電解系統(tǒng)生產(chǎn)每噸陰極銅的加工成本要低約30元，若在同為20萬噸電解銅生產(chǎn)規(guī)模下，各項成本費用合計PC電解系統(tǒng)比常規(guī)電解系統(tǒng)每年要節(jié)約600萬元左右?？傮w來說，PC電解系統(tǒng)在生產(chǎn)成本上更占優(yōu)勢。

5 結(jié)語

綜上所述，與常規(guī)CT電解相比，PC電解具有節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點，其工藝技術(shù)指標(biāo)先進、產(chǎn)品質(zhì)量好、勞動生產(chǎn)率高、綜合能耗低、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢，使其在世界上銅精煉廠得到廣泛應(yīng)用。并在此基礎(chǔ)上不斷進行改進，提高電流密度。目前不少企業(yè)的電流密度通過各種技術(shù)措施使電流密度達到375A/m2以上，在降耗提效的道路上更進一步，PC電解的市場潛力更加廣闊。因此，國內(nèi)新建電解廠基本采用不銹鋼電解工藝，更有利于產(chǎn)品質(zhì)量的保證，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭力。