低阻值永久阴极的开发

李卫民 摘译

（云南铜业股份有限公司，云南 昆明 650102）

低阻值永久阴极的开发

李卫民 摘译

（云南铜业股份有限公司，云南 昆明 650102）

阴极铜的电积精炼和电解精炼中，永久不锈钢阴极的使用已成为了一种普遍接受的技术。作为该技术的开发者，艾萨工艺技术公司（IPT）多年来不断改进这一技术，并维持领先地位。

迫于市场对提高阴极铜生产效率的压力增加，IPT认识到了开发更高效阴极板的必要性。

为适应市场的需求，IPT现在已开发出了一种低阻值阴极板（艾萨阴极BRTM）。艾萨阴极BRTM通过减少铜镀层末端和溶液线的距离，提供了更低的电阻。

汤斯维尔艾萨电解精炼厂和智利的一家主要的电积精炼厂所做的试验，证实了新型阴极BRTM的性能。最新结果表明，采用艾萨阴极BRTM，可以明显节约生产成本。

不锈钢永久阴极；铜电解；电阻

1 导言

1978年，MIM公司的汤斯维尔铜电解精炼厂引入了永久不锈钢阴极，从而改变了铜电解工业的面貌。

艾萨工艺技术可以减少人力需求，并且可以提供优越的机械处理系统，减少铜的库存水平，允许强度更高的操作，改进阴极质量，使电解生产更安全。此外，艾萨工艺技术也可用于规模小的电积精炼，而无需提供始极片。

平直不锈钢阴极的引入，使得具有优良触点配置的阳极浇铸系统和阳极整形机组的开发成为必要。与艾萨电解工艺相结合的这些系统的开发，可以使操作电流密度高达350 A/m2、电流效率超过98%。

这一技术保证了产出的阴极质量优于LME（伦敦金属交易所）“A级”铜质量。这一工艺是如此的成功，以至于LME“A级”铜标准现在已被最好的铜厂商认为是一种最低要求。

艾萨阴极BRTM是最新的艾萨阴极板，提供的阻值更低，且可以明显减少电力成本。萨尔迪瓦（Zaldivar）矿业公司的现场试验支持了澳大利亚汤斯维尔所进行的早期的试验工作。其使用的艾萨阴极BRTM见图1。

图1 萨尔迪瓦矿业公司使用的艾萨阴极BRTM“最低阻值的阴极”

2 永久阴极

艾萨电解工艺成功的关键是艾萨阴极的基本设计。这一设计，尽管在过去的二十多年中不断得到改进，但是依然符合I.J.Perry最初的设计概念。

艾萨阴极包括将304 L不锈钢吊杆点焊到316 L不锈钢板（厚3.25 mm）上。这种组合件已被证明非常坚固，在工业生产中不会由于腐蚀或机械搬运造成连接故障。

然后吊杆组合件镀上一层厚为2.5 mm的铜。这层2.5 mm厚的铜提供了足够好的导电性以及一定程度的抗腐蚀性。正确操作时，电积精炼中阴极板的工作寿命可以超过7 a，电解精炼中阴极板的工作寿命可以超过15 a（最长可达20 a），而无须对阴极板进行修复。

艾萨电解吊杆系统退化的得非常缓慢，而且是可以预期的。这就允许操作人员可以仔细拟定操作阴极的修复计划。工业生产中，这种组合件不会发生灾难性的故障。

图2和图3说明了电积精炼条件下艾萨阴极和实心吊杆系统随时间而发生的阴极性能对比的情况。A区为阴极性能未发生变化的区域。B区为阴极性能开始退化的区域。曝露在腐蚀性环境中的艾萨阴极性能上会略有下降。实心铜杆会在吊杆与阴极本体连接处遭受腐蚀。

图2 艾萨阴极性能

图3 实心铜吊杆性能

艾萨阴极组合件具有如下关键特点：

·机械强度大

·固有的初始平直度和长期平直度

·短路时吊杆具有抗退火（软化）性

·具有足够的阴极板本体厚度，可以抵抗剥片机组的应力，同时维持高电流效率时所需的垂直度。

·可以机械嵌入阴极板的边缘掩蔽系统

自工业化应用以来，已生产出了一百多万块艾萨阴极板。这些阴极板已被证明是机械上最坚固、最具防腐性的阴极板。这些特点对于维持长期的高电流效率非常必要。

3 永久艾萨阴极板的进展

艾萨阴极自1978年制造出之后，已得到不断发展和改进。图4为艾萨电解系统的进展情况。

图4 艾萨电解系统的进展情况

刚开始用于工业销售的艾萨阴极是图4（1）所示的工字形吊杆。铜镀层的平均厚度是1.3mm，多年后这一厚度才增至2.5mm。在此之前，图4（2）为底边为圆形的工字形吊杆。这一设计改进了接触压力，并有助于维持阴极在槽中的垂直度。铜镀层平均厚度的增加改进了吊杆的防腐性能。制造出配有实心吊杆的阴极板在汤斯维尔的电解精炼厂进行测试。

之后的发展是采用图4（3）所示的顶部平整的矩形中空（RHS）不锈钢棒。RHS吊杆使阴极板的刚性更强，且使电镀铜镀层的形状更简单。这一设计后来改进为图4（4）所示的圆形RHS杆。顶边的圆弧使铜镀层的分布更均匀，保证了电解液可以从吊杆顶端滴落，减少了吊杆腐蚀的可能性。

随后阴极板的主要发展是艾萨2000无蜡阴极板。这种阴极在沿阴极板的底边加工一个用于将阴极铜分成两片的V形槽。同时，也消除了底边涂蜡的需求。

根据客户的具体要求，制造艾萨阴极时可以采用更薄的RHS杆。图4（5）为最新的艾萨阴极BRTM的结构。铜镀层已延伸至刚好在提升线上方，其平均厚度为3.0mm。

4 “低阻值”阴极板的研发

4.1 早期的艾萨阴极

早期的艾萨阴极，虽然在许多方面具有优势，但是与实心铜吊杆系统相比，电阻值更高。尽管艾萨阴极初始电阻更高，但与其它类型的阴极比，所消耗的电能更少。低电阻虽然具有吸引力，但在MIM公司的汤斯维尔铜电解精炼厂进行了大规模的试验后，实心铜吊杆系统的长期性能较差，导致其应用受到抵制。

所进行的试验对比了实心铜吊杆与艾萨阴极的性能。大约制造出3000块配有实心铜吊杆的阴极板投入使用。对电解车间的重要数据进行统计分析,结果表明实心铜吊杆的电流效率比艾萨阴极的电流效率更低。电流效率的差值为2.4%，第一个出铜期的结果证明了实心铜吊杆的低效能。

这些差异是由实际的物理性能造成的，如阴极板的平直度。艾萨阴极具有固定的垂直度，并且可以长时间维持其平整性。即使在严重短路的情况下，吊杆依然保持平直。这是与易于弯曲的实心铜吊杆进行直接对比得到的结果。

此外，在艾萨电积精炼厂也进行了比较艾萨阴极和实心铜吊杆的许多试验。

在电流效率和导电性两方面，艾萨阴极被认为是最有效的阴极。

4.2 艾萨阴极BRTM的发展

标准的艾萨永久阴极板的铜镀层下延至阴极板下大约15mm。这保证了铜镀层更均匀，电流流向阴极板更均匀。理论上讲，如果铜镀层延长至阴极板，就会明显减少通过不锈钢的高电阻路径，从而降低阻值。

艾萨技术公司现已开发出低阻值阴极（艾萨阴极BRTM）。通过延长铜镀层降低阴极板电阻只是理论概念，之后进行的计算则集中于铜镀层延伸长度增加的影响。计算得出，铜镀层延长至提升线时，每块阴极的阻值可以减少11 μΩ。这些结果表明，铜镀层越往下延伸，节约的能量就越多。

BRTM阴极的设计与标准设计有两方面的不同：①铜镀层沿阴极板延长大约55 mm，而标准设计为15～17 mm。②铜镀层平均厚度为3.0mm，而标准设计为2.5mm。

这种新的“高导电性阴极”的优点为：①铜镀层的延长减小了电流流经不锈钢的长度，从而减少了铜镀层和溶液线间的电阻值。②铜镀层厚度的增加，提高了阴极的抗腐蚀性，特别在是电积精炼中，阴极处于腐蚀性的环境下时。

4.3 初始试验工作

IPT开发了一些艾萨阴极BRTM的原型。研究人员对这些阴极进行了广泛的测试，以确定阴极板结构的电气特性。北昆士兰詹姆士·库克大学的约翰·尼尔森（John Nielsen）做了与阴极结构相关的一系列试验。

各种类型阴极板的导电性都进行了测量。此外，也开发出了阴极板的电阻模型，从而表明每种阴极类型的电耗。

IPT认为，如果铜镀层不延长至提升线下，阴极操作以及配套的剥片机组则不会受影响。这种概念被证明是正确的。更进一步的有限元分析表明，与标准阴极相比，获益可高达38%。铜镀层沿阴极板电镀的越深，电阻值就减少的越多。

4.4 艾萨阴极BRTM的生产试验

汤斯维尔电解精炼厂的初始阴极试验已经开始且正在进行之中。这些阴极达到了降低电阻值的目标，同时可满足电解精炼工艺的生产要求。

同时决定将试验扩大至电积精炼的生产。智利的一家大型电积精炼厂对BRTM阴极进行了小型试验后，同意扩大试验范围。整槽装有艾萨阴极板BRTM的电解槽的测试始于2002年10月。

4.5 萨尔迪瓦矿业公司的试验数据

整槽装有艾萨阴极BRTM试验板的电解槽在萨尔迪瓦矿业公司投入使用，见图5。

由于这些阴极板已用于生产，它们的电气性能已被监测，最新的结果证实了早期所进行的试验工作。电流分布和阴极板的内阻都定期进行了记录。

为计算出阴极板的内阻，对吊杆和溶液线之间的电势差进行了测量。结果表明，与使用了约7 a的艾萨阴极相比，艾萨阴极BRTM是一种阻值更低的阴极。图6强调了新型艾萨阴极BRTM与旧艾萨阴极在性能上的差异。

为了对比多种阴极板结构的性能，萨尔迪瓦矿业公司进行了更多的测量。这些结果示于图7。

图5 装有艾萨BRTM阴极板的电解槽在萨尔迪瓦矿业公司进行试验

图6 不同类型阴极的阴极板性能差异图

图7 不同种类阴极板的内阻

用来对比的阴极类型如下：

·艾萨阴极BRTM

·实心铜吊杆

·更厚的实心铜杆

·包覆实心铜吊杆

2003年1月8日在萨尔迪瓦矿业公司进行的最新测量结果表明，艾萨阴极BRTM电气性能非常优越，电阻值最低。

4.6 成本节约

萨尔迪瓦矿业公司记录的测量数据表明，对于同等规模的工厂，艾萨阴极BRTM每年可以减少电力成本大约100 000美元。这是新型艾萨阴极BRTM提供的可以节约的数据，由于艾萨阴极BRTM增加铜镀层深度后极板电阻明显降低。这是与使用了7年的艾萨阴极和实心铜吊杆相比较得出的结果。测量是在2002年11月15～16日进行的。装有新型艾萨阴极BRTM的电解槽与分别装有使用了7年的艾萨阴极与实心铜吊杆阴极的其它两个标准电解槽一起进行了测量。

以下计算表明了节能的潜力：

触点至溶液线的电势差：平均差值：23 mV

每块阴极板的平均电流：660 Am/s

每槽功率：989 W/槽

工厂使用的电解槽总数：368

电力成本：0.032＄/kWh

每年节约的电力成本：102 036＄

根据汤斯维尔铜电解精炼厂早期的试验数据和计算也表明，通过采用铜镀层更深的吊杆，也可显著节约成本。

5 结论

永久艾萨阴极板自开发以来，已经历了重大的改进。阴极板的最新进展是开发出了艾萨阴极BRTM。过去的和目前的试验工作表明，这是最有效的阴极板，可以显著节约电力成本。铜镀层目前刚好延长至提升窗的底边上方，铜镀层的平均厚度也有增加。艾萨阴极BRTM是一种机械和化学性能稳定性的低阻值阴极板。

苏 平 校

Abstract:The ISA PROCESS Technology(IPT)has now developed a low resistance cathode plate(ISA Cathode BRTM)in response to market demand.The ISA Cathode BRTMprovides lower electrical resistance by decreasing the distance between the end of the copper plating and the solution line.Plant trials in the Townsville ISA PROCESS refinery and in a major Chilean electrowinning plant were undertaken to prove the performance of the new cathode type BRTM.Results to date indicate that significant operating cost savings are available with the use of the ISA Cathode BRTMelectrodes.

Key words:stainless permanent cathode;copper electrowinning;electrical resistance

The development of a“lower resistance”permanent cathode

Translated selectively by LI Wei-min

TF811

B

1672-6103（2011）02-0006-04

李卫民(1971—)，男，云南大理人，云南铜业股份有限公司冶炼加工总厂生产技术部高级工程师。

2010-08-07