提高铜电解电流效率的生产实践

2014-05-07陈崇善

铜业工程 2014年2期

关键词：阴极铜阳极板电流效率

林欣，陈崇善

(紫金铜业有限公司，福建龙岩 364205)

1 引言

在铜电解精炼中，电流效率通常是指阴极电流效率，为阴极铜的实际产量与按照法拉第定律计算的理论产量之比［1］，是考核生产效率和能力的重要指标之一，它直接关系到电解过程中的能耗的多少，影响生产成本的高低，反映了铜电解精炼的技术管理水平［2］。

电流效率的计算公式:

式中:η为电流效率;M为当日出铜电解槽实际阴极析出量(吨);q为铜的电化当量(1.186克/安培小时);I为电流强度(安培);t为通电时间(小时);n为电解槽个数(当日出铜槽数)。

电流效率的提高将会直接提高电解厂的经济效益。以紫金铜业电解厂年产20万t阴极铜为例，若将槽电压保持0.3V不变，按设计要求电流效率为96%计算出直流电耗约为2634度/吨铜，如果将电流效率提高1%，直流电耗将降为2607度/吨铜，每吨电解铜节约17度电，若以每度工业用电平均费用为0.534元计，则一年可节约电费约为28万元。

本厂自2012年投产以来，经过近两年来的生产实践，为了提高电流效率，采取了一系列的改进措施，至2013年取得了初步成效，由之前平均电效不够稳定，到9月份将其提升稳定在98%左右。以下是本厂提高电流效率所采取的具体措施。

2 影响电流效率的主要因素及应对措施

2.1 电解液中的杂质离子及循环量

阴极铜在电解液中的化学溶解速度决定于电解液的温度、酸度、电解液中氧含量。因此，为减少阴极的反溶，电解液不宜维持过高的温度，并尽可能减少氧的溶入，以减少溶液中的含氧量。通常阴极铜的化学复溶使电流效率降低0.25% ～0.75%［3］。

由于电解精炼所处理的阳极铜中含有多种可溶或不可溶的杂质，因而实际生产所用的电解液中总会有一定浓度的砷、锑、铋、镍等杂质离子，这些杂质离子会对阴极铜质量产生很大影响，容易使得阴极铜表面出现铜瘤，进而影响电流效率。所以为了满足高纯阴极铜的生产，减少其对电流效率的影响，通常对电解液的主要杂质成分都有一定的要求和控制。

表1 我厂电解液主要杂质成分控制标准。

为了提高电解液的流动均匀性和控制杂质离子在电解液中的不断富集，要求员工在阴、阳极装槽完成后，必须将进液管底孔调整到对准阴极板底部位置，防止在电解过程中阳极板上的阳极泥被电解液冲起污染阴极铜;每日根据化验结果计算出阳极板进入电解液中杂质的数量，再对照规定的杂质允许含量，确定从电解生产系统抽取的电解液数量，通过管道输送至净液工段采用真空蒸发浓缩生产硫酸铜和诱导法脱砷及杂质［4］。由表2可知，我厂8月净液工段对电解液中砷、锑、铋、镍含量脱除率分别是53.6%、75.0%、80.0%、29.9%。脱铜后液杂质含量达到我厂的控制标准，满足了生产要求。

表2 2013年8月电解液与脱铜后液中砷、锑、铋、镍的含量

电解液的循环量高，使得阳极泥易附着于阴极表面，形成阳极泥粒子，导致极间短路;而循环量太低，又会导致电解液浓差极化和温度下降，影响电铜质量和增加电耗［3］。所以我厂经生产实践，将电解液循环量控制在30L/min/槽左右，既可以减少阳极泥翻腾，减小阴极短路几率，又可以保持正常的生产运行。

2.2 温度

适当提高电解液温度，有利于消除阴极附近铜离子的贫化现象，降低浓差极化作用，有利于降低电解液的粘度，增加各种离子的扩散速度，减少电解液的电阻，从而提高电解液的导电率、降低电解槽的电压降，防止了杂质在阴极上放电，减少铜电解生产的电能消耗，使铜在阴极上能均匀地析出。

但电解液的温度过高，加快阳极铜和阴极铜的溶解和添加剂的分解速度，提高电解液中的铜离子浓度;同时增加电解液的蒸发损耗，恶化车间劳动环境。因此适当的电解液温度，是提高电流效率的因素之一。据文献［3］，电解液在55℃时的导电率几乎为25℃时的2.5倍;在 50～60℃时，温度每升高1℃，电解液电阻约减少0.7%。本厂将液温控制在60～65℃，同时在电解槽面上覆盖耐酸涤纶布及关闭槽面生产区域天窗，尽量使电解液保温，以减少电解液蒸发消耗;减少热能损失，提高电流效率。

2.3 极间距

极间距离通常以同名电极(同为阳极或阴极)之间的距离来表示，我厂采用的极间距为100mm。缩短极间距，可降低电能消耗，但极间距过小，极间的短路现象增多，这不仅对阴阳极的垂直度及阳极的其他物理状态有更高的要求，且易引起电流的损失，降低电流效率［5－6］。若阴、阳极板没有对正、极间距不均匀，使电流密度不一，靠近阳极板的一侧，电流密度过大，易长粒子，增加能耗;距阳极板较远的一侧，因电流密度较小，铜板析出太薄。

由表3可以看出，2～4月份本厂短路率均较高(1月份生产槽数为360槽，2～8月份为满负荷720槽生产)，通过员工认真调整阴、阳极板对正平行，对于垂直度不高的阳极板，在其耳部垫铜丝确保板间距均匀;并用手拖式高斯短路探测计探查极间短路且及时处理等措施，使每块板电流分布均匀，5～8月份短路率都低于2.5‰，满足生产要求，提高了电流效率。

表3 我厂2013年1－8月平均短路率

2.4 阳极板的化学成分和物理规格

阳极板的化学成分不均匀，容易造成溶解不均或阳极板表面凹凸不平及过早穿孔，电流密度也随之分布不均匀;阳极物理规格不达标，出现鼓包、板身厚薄不均、耳朵过厚或飞边毛刺，不锈钢阴极出现卷曲、弯折等都可能造成阴极铜长出粗糙的粒子，形成短路，引起电流效率下降。

本厂对每批阳极板都跟踪检测，确保其化学成分和物理规格达标。因为阳极板的飞边毛刺在阳极机组加工前不便检查，我厂在阳极机组提板称重位置安装高清防抖摄像头，操作人员可以清晰观察到阳极板板身过厚或板底边缘的飞边毛刺，并且定期校准和维修电子称、更换测量板身及耳厚的传感器，通过人工判断和计算机监测相结合的措施，保证装槽的阳极板质量，提高电流效率，使生产正常高效的运行。表4、5为我厂阳极板化学成分和物理规格控制标准。

表4 本厂阳极板化学成分控制标准

表5 本厂阳极板物理规格控制标准

2.5 电解槽漏电

电解槽的漏电是通过彼此邻近的电解槽或通过电解槽的绝缘体到地面漏电［3］，避免电解槽内的溶液与地导通等都是减少电解槽对地漏电提高电效的必要措施［4］。

为了防止或减少漏电，应加强电解槽对地的绝缘。加强电解槽与梁、柱、地间的绝缘性能。生产初期，装槽时发现接触点有短路冒火现象，分析原因是电解槽的绝缘性能差，采取切断两组电解槽之间回液管道不锈钢支架，用304不锈钢作为立管支架固定在水泥梁柱上，再支撑绝缘胶垫，避免两电解槽可能形成的通电回路产生漏电。此外，作业人员经常检查设备的绝缘和漏电情况，维持车间内的清洁和干燥，减少设备对地漏电，提高生产电流效率。

2.6 电流密度

电流密度通常是指在阴极板单位有效面积上所通过的电流强度。在生产实践中，实际阴极电流密度是指阴极的平均电流密度。在电流密度允许范围内，电解槽数相同情况下，电流密度越高，产出的阴极铜越多。但是电流密度提高后，若添加剂配比或其他条件控制不当，会引起多种离子共同放电，容易造成阴极表面出现树枝状结晶或粒子，导致板间短路，电流效率下降。因此在平常电流的控制中，不能过分追加高电流、高产能。本厂自2012年投产以来，电流密度由2013年4月份之前的285A/m2，逐步提升至2013年8月份的309A/m2。图1出示了电流密度和电流效率的变化趋势。1～5月份，电流密度是285A/m2，采取适当提高温度，调整极间距，合理处理短路，挑选合格的阳极板，减少电解槽对地漏电，控制合理的添加剂配比等合理措施，使得电流效率上升，至5月份电流效率达到97.6%，但前5个月平均值低于96%，而从6月份开始采用适当提高电流密度方式来提升电效，电流密度升高至309A/m2，电流效率提升明显，6～9月份基本稳定在98%左右。