銅電解傳統工藝技術升級改造設計實踐

〔摘 要〕以采用傳統電解技術、設計產能150 kt/a的某銅電解生產企業為例，介紹了該廠傳統電解技術存在的問題，并針對目前主要的新銅電解工藝技術進行比選，推薦較優升級改造方案。詳細分析了該項目利用現有電解廠房、生產設備、公輔配套設施，進行的工藝技術、裝備水平的同步升級改造，通過對改造前后經濟技術指標的對比分析，驗證了傳統電解生產系統升級、改造的必要性。

〔關鍵詞〕銅電解；傳統電解技術；永久陰極；平行流；智能出裝；工程設計

中圖分類號：TF811 " 文獻標志碼：Ｂ 文章編號：1004-4345（2023）0６-0009-05

Engineering Design and Practice of Upgrading and Renovation of Traditional Copper Electrolysis Technology

MA Zhiqing1， ZHANG Jinyong1， HUANG Dengke2

（1. Jinchuan Nickel Cobalt Research amp; Design Institute Co.， Ltd.， Jinchang， Gansu 737100， China; 2. Strategic Planning Department of Jinchuan Group Co.， Ltd.， Jinchang， Gansu 737100， China）

Abstract" Taking a copper electrolysis production enterprise that adopts traditional electrolysis technology and has a designed production capacity of 150 kt/a as an example， this paper introduces the problems existing in the traditional electrolysis technology of this enterprise， and determines an upgrading and renovation proposal based on the comparison and selection of the major new copper electrolysis" technologies at present. A detailed analysis was conducted on the synchronous upgrading and renovation of the process technology and equipment level of the project using the existing tankhouse， production equipment， and utilities. By comparing and analyzing the economic and technical indicators before and after the renovation， the necessity of upgrading and renovating the traditional electrolysis production system was verified in the paper.

Keywords" "copper electrolysis; traditional electrolysis technology; permanent cathode; parallel flow; intelligent hoisting; engineering design

目前，在運營10 a以上的銅電解生產企業中，80%以上采用的是傳統電解技術。傳統電解技術在這些企業建設之初，以其平穩的生產控制、優良的產品質量、日趨完善的機械化裝備等優勢，成為銅電解企業選擇的主流工藝。但隨著銅電解技術的日趨完善，更加先進、簡潔、智能的電解技術不斷涌現，如永久陰極電解技術、平行流電解技術、智能出裝電解技術等。這些技術以其更為簡潔的生產流程、超高的電流密度、較低的運行成本等特點，突顯其工藝的先進性。

在這種技術背景下，為了能夠達到更高的產能、實現更好的收益，采用傳統電解工藝的生產企業可以利用現有的電解廠房、生產設備、公輔配套設施，進行工藝技術、裝備水平的同步升級改造，從而獲得更高的產能，實現更好的收益，提升企業的核心競爭力。

本文以設計產能為150 kt/a的某銅電解生產企業為例，通過對該企業工藝技術方案的比選、改造方案的工藝特點及改造后的經濟技術指標等內容的分析，闡述傳統電解生產系統升級改造的必要性。

1" "企業生產現狀

某銅電解生產企業采用傳統電解技術，配套建設有始極片生產、加工系統，整個生產過程中勞動定員多、職工勞動強度大，需要占用的廠房面積較大，土建方面的投資較高。陰極采用銅始極片，懸垂度難以保證，電解過程中很容易出現短路現象。始極片質量受其生產、加工、裝槽等環節影響較大，生產過程控制的關鍵環節多，生產管理難度大，產品質量容易出現波動。為獲得更大的產能、更高質量的產品、實現更多的收益、具備更強的市場競爭力，該銅電解生產企業計劃對生產系統工藝、裝備進行升級改造。

2" "工藝技術比選

目前，銅電解行業在傳統電解技術的基礎上，發展出了永久陰極電解技術、平行流電解技術、智能出裝電解技術等多項先進技術，本文針對以上工藝的先進性、優劣勢、成熟度等方面進行對比分析，為本次改造選擇最佳的生產工藝。

2.1" 永久陰極電解技術

永久陰極電解技術是在傳統電解技術的基礎上，克服其缺點（需要生產并加工始極片）而研制開發的，并在銅電解行業得到了快速發展，目前采用該技術生產的陰極銅已達到世界總產量的50%以上。

永久陰極是選用316L不銹鋼材料制作的極板，代替傳統電解技術的陰極導電棒，起到吊掛陰極并導電的作用。不銹鋼表面有一層永久性的很薄的氧化層，可以很好地解決沉積銅的黏附性與剝離性之間的矛盾。既能使沉積的陰極銅不會從陰極上掉落于電解槽內，又能較容易地從陰極上剝離下來。不銹鋼板的兩個側邊用聚氯乙烯的擠壓件包邊絕緣，底部采用V形槽，可實現剝離的陰極銅為信封式或者分離。

與傳統電解技術相比，其具備以下特點：1）工藝流程簡化，影響生產控制的關鍵環節減少，生產過程變得簡單、順暢，生產管理難度降低，生產效率大幅提高。2）采用較高的電流密度和較小的同極距進行生產[1]，在配備相同數量電解槽的情況下陰極銅產能提高；陰極銅產能一定的情況下廠房占地面積減小。3）陽極板雜質含量較高時，極板邊部夾條上黏附導電性結垢后，會造成陰極板邊緣長粒子，對陰極銅的物理外觀質量影響較大。同樣的情況下，采用傳統電解技術生產的陰極銅板面粒子亦較多。4）與傳統電解技術相比，永久陰極電解技術綜合能耗低、設備維修費用低、勞動定員少，但該技術消耗的絕緣膠條量較大、備件費用較高，兩種工藝生產運行成本基本相當。

隨著銅電解技術的日趨成熟、配套機組的日益完善，銅電解的發展越來越趨向于規模化、機械化、自動化和低成本、高質量、高效率的生產模式，永久陰極電解技術以其簡短的生產流程、高效的自動控制、優良的經濟技術指標和穩定的產品質量，較好地適應了這一發展潮流。

2.2" 平行流電解技術

根據對常規電解液循環方式的仿真研究發現，采用下進上出供液方式的電解液，大部分從電解槽底部和側邊的空隙間流過，僅有20%左右進入陰極板、陽極板之間。因此，要消除陰極板、陽極板間Cu2+的濃差極化，必須直接將電解液輸送到陰極板周圍。

平行流電解技術就是在每塊陰、陽極板之間都設置電解液噴嘴，將電解液直接噴入陰、陽極之間，使電解液在極板間保持強制流動[2]，增加Cu2+與陰極的接觸機會，消除陰、陽極板間Cu2+的濃差極化，其應用示意圖如圖1所示。

平行流電解技術解決了陰、陽極板間的濃差極化問題，可大幅提高電流密度，其技術優勢表現在以下幾個方面：1）電流密度的提升可以減少電解槽的配置數量和廠房的占地面積，降低土建和設備方面的投資；2）電解液進入電解槽后的循環方向與陽極泥沉降方向一致，陰極銅中銀含量在同等條件下可降低2×10-6，即可提高銀的綜合收率。3）電流密度提升至350 A/m2時，噸銅電解電耗成本增加約20元；電流密度上升后產生的焦耳熱可實現電解系統熱能的自平衡，電解生產系統不再需要蒸汽加熱，噸銅可降低蒸汽成本約32元，有利于降低陰極銅加工成本。

平行流電解技術在生產實踐過程中也存在一些缺陷：1）為實現強制循環所選用的電解液噴嘴，在處理高雜的原料時，容易出現堵塞的現象；2）據市場方面反應，高尖端領域客戶不愿意采購過高電流密度下生產的陰極銅產品。

平行流電解技術雖不完全成熟，但其電流密度的提升、銀收率的提高、蒸汽消耗量的減少等優勢仍然較缺陷更為明顯，且電解液噴嘴堵塞的問題可以通過增大電解液過濾比例、增設精密過濾器、提高溶液純凈度等方式予以解決或延緩。因此，平行流電解技術也是一項值得大規模推廣的先進技術。

2.3" 智能出裝電解技術

智能出裝電解技術是一種高度智能化、高度自動化的電解技術，其在不斷電的條件下，進行單片陰、陽極的出裝作業，電解槽無須分組布置，取消了短路開關及相關的連接母線，降低了投資成本，提高了電解槽作業率和電解工序的整體作業效率，減少了運行費用。

智能出裝平臺可以代替或部分代替專用吊車、剝片機組、殘極機組的作業，完成陰極銅剝片洗滌、不銹鋼陰極板下槽、殘極出槽洗滌、新陽極下槽等功能，大型非標設備數量減少，設備維護工作量和費用降低。取消了陰極剝片機組、殘極機組后，可以節省機組區域的配置空間。與智能出裝平臺配套的陽極機組和成品打包機組配置位置只需要兩跨，相同生產規模廠房建筑面積減少，或同等規格的廠房陰極銅產能提高，陰極銅單位成本大大降低。

智能出裝平臺采用機器人單片出裝槽，陰、陽極板槽內定位精度高，減少短路降低電耗，提高電效，電流波動小，運行成本降低；電解槽面上的工作基本實現了無人化或少人化，人工成本大大降低。

智能出裝電解技術使銅電解生產系統向智能工廠更近了一步，生產流程更加簡化，出裝作業更加趨于連續化、智能化、無人化，是銅電解精煉技術未來的發展方向。

2.4" 比選結論

綜合以上分析：1）永久陰極電解技術以其簡短的生產流程、優良的經濟技術指標，較好地適應了銅電解技術的發展潮流，推薦使用；2）平行流電解技術優勢較缺陷更為明顯，是一項值得大規模推廣的先進技術，推薦使用；3）智能出裝電解技術將是銅電解精煉技術未來的發展方向，但就目前而言，該技術在銅電解行業并未有工業化的應用案例，不推薦使用。

綜上所述，本項目推薦使用永久陰極電解技術與平行流電解技術組合使用，這兩種電解技術在國內外多家銅電解生產企業均有應用案例，技術先進、成熟、可靠。

3" "改造方案分析

本次改造方案在充分利用現有電解廠房、生產設備、公輔配套設施的基礎上，同時采用借鑒了永久陰極電解技術和平行流電解技術的技術優勢，對工藝技術和裝備水平進行了同步升級改造。

3.1" 改造后電解工藝流程

銅陽極板經陽極整形排板機組處理后按同極距100 mm排列，然后由電解專用吊車吊裝放入電解槽。電解工序生產槽電流密度為350 A/m2，陰極周期9 d，陽極周期18 d。電銅的電解時間達到一個陰極周期后，由專用吊車轉運至電銅剝離機組，剝下的陰極銅送成品庫稱重、打包后外銷，不銹鋼陰極板經重新排板后返回電解槽。殘陽極經殘極洗滌機組處理后堆垛由叉車送至熔煉分廠再加工。

電解液由循環槽經循環液輸送泵送至板式換熱器加熱（僅在低電流密度生產時使用），溫度提高至65 ℃左右后經分液包自流至各電解槽。為保證電解液的潔凈度，電解工序配備了電解液過濾機，循環系統每天抽取電解液循環量的60%～90%經電解液過濾機過濾后，返回循環系統。根據電解液中雜質的情況，每天抽取部分電解液送凈液工序處理，保證電解液中銅、鎳、砷等雜質離子濃度不超過極限值。

電解系統出裝槽作業時，電解槽內上清液自流進入上清液貯槽，經上清液壓濾機過濾后返回電解液貯槽；陽極泥漿經陽極泥溜管排至陽極泥地坑，然后利用地坑泵輸送至陽極泥壓濾機過濾，濾液進入上清液貯槽，濾渣即為陽極泥，裝袋后送貴金屬分廠提取貴金屬。改造后電解工藝流程如圖2所示。

3.2" 廠房布置升級方案

本次改造使用原有電解廠房，機組區域位于廠房中間位置，將廠房分為南、北兩區。南區原有砼襯玻璃鋼電解槽400臺，本次改造全部拆除并更換為416臺乙烯基樹脂電解槽；北區原有砼襯玻璃鋼電解槽248臺，本次改造全部拆除并更換為260臺乙烯基樹脂電解槽，所有電解槽均配置平行流循環裝置與不銹鋼永久陰極。南區劃分出24臺電解槽作為5N銅生產系統；北區劃分出8臺電解槽作為一次脫銅槽，并分別為它們配置電解液循環系統。

機組區域布置在廠房中間，縮短了吊車的運行距離，有利于電解槽的出裝作業效率。陽極整形排板機組與殘極洗滌機組修復利舊，原有始極片加工機組、電銅洗滌機組拆除，將電銅剝離機組配置于該位置。

副跨廠房主要配置電解液循環系統，為南、北區電解系統提供電解液。本次改造循環液貯槽、上清液貯槽等仍配置于-3.000 m的地坑內，鹽酸槽、硫酸槽、硫酸銅溶解槽配置于±0.000 m平面，見圖3；電解液板換加熱器、分液包、電解液過濾系統、陽極泥壓濾系統、添加劑溶解槽、計量槽均配置于二層+5.000 m平面，見圖4。

3.3" 改造方案工藝特點分析

1）電解區域改造。

原砼襯玻璃鋼電解槽（648臺）整體更換為乙烯基樹脂槽（676臺）。與砼襯玻璃鋼電解槽相比，在同規格的廠房內，乙烯基樹脂槽可以多布置6%～8%。本次改造前電解槽數量為648臺，改造后由于電解槽槽壁變薄、槽間距縮窄，電解槽數量增加到676臺。乙烯基樹脂槽結構層加強筋采用非金屬材質，電解槽絕緣性能更加良好，杜絕了電解生產過程中產生的渦流電流，電流效率得到提升，節省電能消耗[3]。

采用永久陰極電解技術，配套增加不銹鋼陰極板。永久陰極電解技術可將始極片的生產、加工、組裝等工序全部簡化，減少了影響生產過程控制的關鍵環節，降低了生產管理難度，生產效率大幅提升；永久陰極機械強度較高、平直度較好，生產過程中可以將電流密度由傳統電解技術的240 A/m2提高到320 A/m2，同規模的生產系統，產能提升幅度可以達到30%以上；較高的電流密度，縮短了陰極周期，可減少金屬量的積壓，加快流動資金的周轉[4]。

采用平行流電解技術，配套設置平行流循環裝置。平行流循環方式解決了陰、陽極板間的濃差極化，電流密度可以提升至350 A/m2，在永久陰極電解技術的基礎上產能仍然可以提升10%左右。陰極銅中銀含量在同等條件下可降低2×10-6，銀綜合回收率的提高可以增加貴金屬提取環節的收益；電流密度上升后產生的焦耳熱可實現電解系統的熱能的自平衡，節約蒸汽用量，有利于降低陰極銅加工成本。

2）機組區域改造。

原有陽極整形排板機組、殘極洗滌機組修復利舊，新增電銅剝離機組。永久陰極電解技術可配套使用電銅剝離機組，以提高銅電解生產過程的機械化、自動化程度，減少操作人員的數量，提高勞動生產率，實現高效、連續、集約的生產過程。

原有2臺普通吊車修復利舊，新增2臺電解專用智能吊車。電解專用智能吊車可實現銅陽極板、陰極板出裝槽作業過程中的精準定位，大幅提升作業效率；同時，由于陰陽極板的精準定位，提升了出裝槽作業操作的精細化程度，進而提升產品質量。

3）循環區域改造。

電解低位槽修復利舊，配套設置對應的溶液輸送管道與輸送泵，配套設置對應處理能力的過濾設備（循環液壓濾機、陽極泥壓濾機）。根據生產實踐經驗，陰極銅物理外觀質量與電解循環液純凈度息息相關，故本次改造中，將電解循環液過濾系統能力大幅提升，將原8臺100 m2壓濾機改造為12臺200 m2壓濾機，電解液過濾量從原來的30%增加到60%～90%，提升電解液純凈度，保障電銅質量。

電解低位槽由原來的統一功能配置優化為區分功能配置。原電解低位槽均可收納電解槽溢流液、上清液、陽極泥漿液過濾后液等溶液，以上溶液純凈程度不同，混合進入后雖取一定比例溶液進行過濾，但溶液純凈度仍有較大波動。本次改造將其中7臺低位槽設置為電解循環液貯槽、3臺設置為上清液貯槽、2臺設置為陽極泥濾后液貯槽。電解循環液相對純凈，取一定電解液循環過濾后供電解槽正常生產使用，上清液與陽極泥濾后液均需全部過濾后方可進入電解液循環槽使用。電解低位槽區分功能配置后，電解循環液的純凈度大幅提高，為陰極銅板面質量的提升創造了條件。

4）5N銅區域改造。

南區劃分出24臺電解槽作為5N級高純陰極銅生產系統，配套設置直流供電系統（高頻開關）、溶液循環系統、過濾系統。5N銅生產系統創造性地以物理外觀有瑕疵（化學成分合格）的A級銅作為陽極板，經電解生產5N級高純陰極銅，如此以低端A級銅生產5N級高純陰極銅的方式，既提高了電解生產系統A級銅的合格率，又豐富了銅電解生產系統的產品結構，極大地提升了項目的經濟效益[5]。

5）脫銅區域改造。

北區劃分出8臺電解槽作為脫銅生產系統，配套設置直流供電系統（高頻開關）、溶液循環系統、過濾系統。本次改造將一次脫銅槽設置于電解生產區域，如此可降低凈液工序一次脫銅槽出裝作業的勞動強度、避免電積銅等物料在電解與凈液工序之間相互轉運。

4" "經濟技術指標

本次改造通過工藝技術、裝備水平的同步升級，使該系統各項經濟技術指標明顯提升，具體數據如表1所示。

本次改造配置5N級高純陰極銅生產系統，以物理外觀有瑕疵（化學成分合格）的A級銅作為陽極板，經電解生產5N級高純陰極銅，如此以低端A級銅生產5N級高純陰極銅的方法，既提高了電解生產系統A級銅的合格率（合格率可以達到100%），又豐富了銅電解生產系統的產品結構，極大地提升了項目的經濟效益。

永久陰極與平行流電解技術的電流密度可以提升至350 A/m2時，電流密度上升后產生的焦耳熱可基本實現電解系統熱能的自平衡，電解生產系統不再需要或僅需少量蒸汽，節約了電解液加溫所需的蒸汽消耗。

永久陰極電解技術所用永久陰極平直度好、表面光滑，可減少由于陰極銅彎板而造成的短路現象，提高電流效率；聚乙烯樹脂電解槽具備良好的絕緣性能，杜絕了強電流電解條件下在電解槽壁產生的渦流電流，電流效率得到了提升，節省了電能消耗。

通過經濟技術指標的對比分析可以看出，本次改造后系統的產品質量、單位能耗、綜合能耗均較先進指標更優，體現了本次改造所選技術的先進性，以及傳統電解技術升級、改造的必要性。

5" "結語

本次改造設計方案所選的工藝技術成熟可靠、設備先進耐用、配置合理適宜，達成了改造之初的預期目標[6]。改造后，該系統工藝技術達到國內最先進水平，電流密度提升至350 A/m2，陰極銅產能可由原設計的150 kt/a增加到200 kt/a。本次改造可以加快物料的變現速度、達到更高的產能、實現更好的收益，可以使之成為各項經濟技術指標優良、產品豐富、具備較強競爭力的優質企業。

銅電解生產系統利用現有電解廠房、生產設備、公輔配套設施，通過工藝技術、裝備水平整體升級、改造的做法，值得在國內大規模推廣。

參考文獻

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