提高銅電解電流效率的生產實踐

林 欣，陳崇善

(紫金銅業(yè)有限公司，福建 龍巖 364205)

1 引言

在銅電解精煉中，電流效率通常是指陰極電流效率，為陰極銅的實際產量與按照法拉第定律計算的理論產量之比［1］，是考核生產效率和能力的重要指標之一，它直接關系到電解過程中的能耗的多少，影響生產成本的高低，反映了銅電解精煉的技術管理水平［2］。

電流效率的計算公式:

式中:η為電流效率;M為當日出銅電解槽實際陰極析出量(噸);q為銅的電化當量(1.186克/安培小時);I為電流強度(安培);t為通電時間(小時);n為電解槽個數(當日出銅槽數)。

電流效率的提高將會直接提高電解廠的經濟效益。以紫金銅業(yè)電解廠年產20萬t陰極銅為例，若將槽電壓保持0.3V不變，按設計要求電流效率為96%計算出直流電耗約為2634度/噸銅，如果將電流效率提高1%，直流電耗將降為2607度/噸銅，每噸電解銅節(jié)約17度電，若以每度工業(yè)用電平均費用為0.534元計，則一年可節(jié)約電費約為28萬元。

本廠自2012年投產以來，經過近兩年來的生產實踐，為了提高電流效率，采取了一系列的改進措施，至2013年取得了初步成效，由之前平均電效不夠穩(wěn)定，到9月份將其提升穩(wěn)定在98%左右。以下是本廠提高電流效率所采取的具體措施。

2 影響電流效率的主要因素及應對措施

2.1 電解液中的雜質離子及循環(huán)量

陰極銅在電解液中的化學溶解速度決定于電解液的溫度、酸度、電解液中氧含量。因此，為減少陰極的反溶，電解液不宜維持過高的溫度，并盡可能減少氧的溶入，以減少溶液中的含氧量。通常陰極銅的化學復溶使電流效率降低0.25% ～0.75%［3］。

由于電解精煉所處理的陽極銅中含有多種可溶或不可溶的雜質，因而實際生產所用的電解液中總會有一定濃度的砷、銻、鉍、鎳等雜質離子，這些雜質離子會對陰極銅質量產生很大影響，容易使得陰極銅表面出現銅瘤，進而影響電流效率。所以為了滿足高純陰極銅的生產，減少其對電流效率的影響，通常對電解液的主要雜質成分都有一定的要求和控制。

表1 我廠電解液主要雜質成分控制標準。

為了提高電解液的流動均勻性和控制雜質離子在電解液中的不斷富集，要求員工在陰、陽極裝槽完成后，必須將進液管底孔調整到對準陰極板底部位置，防止在電解過程中陽極板上的陽極泥被電解液沖起污染陰極銅;每日根據化驗結果計算出陽極板進入電解液中雜質的數量，再對照規(guī)定的雜質允許含量，確定從電解生產系統(tǒng)抽取的電解液數量，通過管道輸送至凈液工段采用真空蒸發(fā)濃縮生產硫酸銅和誘導法脫砷及雜質［4］。由表2可知，我廠8月凈液工段對電解液中砷、銻、鉍、鎳含量脫除率分別是53.6%、75.0%、80.0%、29.9%。脫銅后液雜質含量達到我廠的控制標準，滿足了生產要求。

表2 2013年8月電解液與脫銅后液中砷、銻、鉍、鎳的含量

電解液的循環(huán)量高，使得陽極泥易附著于陰極表面，形成陽極泥粒子，導致極間短路;而循環(huán)量太低，又會導致電解液濃差極化和溫度下降，影響電銅質量和增加電耗［3］。所以我廠經生產實踐，將電解液循環(huán)量控制在30L/min/槽左右，既可以減少陽極泥翻騰，減小陰極短路幾率，又可以保持正常的生產運行。

2.2 溫度

適當提高電解液溫度，有利于消除陰極附近銅離子的貧化現象，降低濃差極化作用，有利于降低電解液的粘度，增加各種離子的擴散速度，減少電解液的電阻，從而提高電解液的導電率、降低電解槽的電壓降，防止了雜質在陰極上放電，減少銅電解生產的電能消耗，使銅在陰極上能均勻地析出。

但電解液的溫度過高，加快陽極銅和陰極銅的溶解和添加劑的分解速度，提高電解液中的銅離子濃度;同時增加電解液的蒸發(fā)損耗，惡化車間勞動環(huán)境。因此適當的電解液溫度，是提高電流效率的因素之一。據文獻［3］，電解液在55℃時的導電率幾乎為25℃時的2.5倍;在 50～60℃時，溫度每升高1℃，電解液電阻約減少0.7%。本廠將液溫控制在60～65℃，同時在電解槽面上覆蓋耐酸滌綸布及關閉槽面生產區(qū)域天窗，盡量使電解液保溫，以減少電解液蒸發(fā)消耗;減少熱能損失，提高電流效率。

2.3 極間距

極間距離通常以同名電極(同為陽極或陰極)之間的距離來表示，我廠采用的極間距為100mm。縮短極間距，可降低電能消耗，但極間距過小，極間的短路現象增多，這不僅對陰陽極的垂直度及陽極的其他物理狀態(tài)有更高的要求，且易引起電流的損失，降低電流效率［5－6］。若陰、陽極板沒有對正、極間距不均勻，使電流密度不一，靠近陽極板的一側，電流密度過大，易長粒子，增加能耗;距陽極板較遠的一側，因電流密度較小，銅板析出太薄。

由表3可以看出，2～4月份本廠短路率均較高(1月份生產槽數為360槽，2～8月份為滿負荷720槽生產)，通過員工認真調整陰、陽極板對正平行，對于垂直度不高的陽極板，在其耳部墊銅絲確保板間距均勻;并用手拖式高斯短路探測計探查極間短路且及時處理等措施，使每塊板電流分布均勻，5～8月份短路率都低于2.5‰，滿足生產要求，提高了電流效率。

表3 我廠2013年1－8月平均短路率

2.4 陽極板的化學成分和物理規(guī)格

陽極板的化學成分不均勻，容易造成溶解不均或陽極板表面凹凸不平及過早穿孔，電流密度也隨之分布不均勻;陽極物理規(guī)格不達標，出現鼓包、板身厚薄不均、耳朵過厚或飛邊毛刺，不銹鋼陰極出現卷曲、彎折等都可能造成陰極銅長出粗糙的粒子，形成短路，引起電流效率下降。

本廠對每批陽極板都跟蹤檢測，確保其化學成分和物理規(guī)格達標。因為陽極板的飛邊毛刺在陽極機組加工前不便檢查，我廠在陽極機組提板稱重位置安裝高清防抖攝像頭，操作人員可以清晰觀察到陽極板板身過厚或板底邊緣的飛邊毛刺，并且定期校準和維修電子稱、更換測量板身及耳厚的傳感器，通過人工判斷和計算機監(jiān)測相結合的措施，保證裝槽的陽極板質量，提高電流效率，使生產正常高效的運行。表4、5為我廠陽極板化學成分和物理規(guī)格控制標準。

表4 本廠陽極板化學成分控制標準

表5 本廠陽極板物理規(guī)格控制標準

2.5 電解槽漏電

電解槽的漏電是通過彼此鄰近的電解槽或通過電解槽的絕緣體到地面漏電［3］，避免電解槽內的溶液與地導通等都是減少電解槽對地漏電提高電效的必要措施［4］。

為了防止或減少漏電，應加強電解槽對地的絕緣。加強電解槽與梁、柱、地間的絕緣性能。生產初期，裝槽時發(fā)現接觸點有短路冒火現象，分析原因是電解槽的絕緣性能差，采取切斷兩組電解槽之間回液管道不銹鋼支架，用304不銹鋼作為立管支架固定在水泥梁柱上，再支撐絕緣膠墊，避免兩電解槽可能形成的通電回路產生漏電。此外，作業(yè)人員經常檢查設備的絕緣和漏電情況，維持車間內的清潔和干燥，減少設備對地漏電，提高生產電流效率。

2.6 電流密度

電流密度通常是指在陰極板單位有效面積上所通過的電流強度。在生產實踐中，實際陰極電流密度是指陰極的平均電流密度。在電流密度允許范圍內，電解槽數相同情況下，電流密度越高，產出的陰極銅越多。但是電流密度提高后，若添加劑配比或其他條件控制不當，會引起多種離子共同放電，容易造成陰極表面出現樹枝狀結晶或粒子，導致板間短路，電流效率下降。因此在平常電流的控制中，不能過分追加高電流、高產能。本廠自2012年投產以來，電流密度由2013年4月份之前的285A/m2，逐步提升至2013年8月份的309A/m2。圖1出示了電流密度和電流效率的變化趨勢。1～5月份，電流密度是285A/m2，采取適當提高溫度，調整極間距，合理處理短路，挑選合格的陽極板，減少電解槽對地漏電，控制合理的添加劑配比等合理措施，使得電流效率上升，至5月份電流效率達到97.6%，但前5個月平均值低于96%，而從6月份開始采用適當提高電流密度方式來提升電效，電流密度升高至309A/m2，電流效率提升明顯，6～9月份基本穩(wěn)定在98%左右。

圖1 2013年1－9月紫金銅業(yè)電解廠電流密度、電流效率

3 結語

紫金銅業(yè)電解廠經過近兩年的初期生產實踐，雖然在許多工藝指標較先進的銅電解廠還有差距，但是不斷地縮短與先進銅電解廠的指標差距已成為我們努力的方向［7］，在提高電解陰極銅電效上我們采取了一些整改措施，并取得了初步成效。

(1)電解液循環(huán)量一般控制在30L/min/槽左右，液溫在60～65℃范圍內，每日跟蹤控制電解液中雜質離子的含量，滿負荷生產時，電流密度為309A/m2。

(2)在陽極機組提板稱重位置安裝高清防抖攝像頭，操作人員可以清晰觀察到陽極板板身過厚或板底邊緣的飛邊毛刺，以后進一步將這一功能完善整合成陽極整形機組的一體功能，將進一步提高陽極板的加工質量。

(3)切斷原安裝的各組電解槽之間回液管道不銹鋼支架，提高電解槽的絕緣性能，從而提高電流效率。

(4)保證裝槽陽極板規(guī)格符合要求以及極間距的均勻，避免板間短路，減少電解槽對地漏電，不斷提高槽面管理水平，加強員工對槽面工作的監(jiān)管和巡查，不斷提高陰極銅電解的電流效率，減少電解過程中的電能損失，從而降低生產成本。

［1］ 朱祖澤，賀家齊.現代銅冶金學［M］.北京:科學出版社，2003.558－563.

［2］ 蘇中府.影響銅電解電流效率的因素和對策［J］.有色冶金節(jié)能，2000，4(8):27 －28.

［3］ 童文勝，蔡光奇.降低直流電單耗的生產實踐［J］.稀有金屬，2006，12(30):127 －129.

［4］ 李鵬，劉建萍，王艷.銅電解提高電流密度的生產實踐［J］.中國有色冶金，2011，8(4):22 －24.

［5］ 王春海.淺析銅冶煉過程中影響電流效率的因素［J］.新疆有色金屬，2008，2(4)，64 －67.

［6］ 張文林，李堅.淺談銅電解精煉中的極間短路［J］.有色冶金節(jié)能，2006，6(7):26 －29.

［7］ 胡淵明，馬春來，史建遠.降低銅電解直流電單耗的生產實踐［J］.有色礦冶，2009，22(4):61 －63.