铜电解系统开车与试生产实践

张海涛，徐求知，孙成明

（金冠铜业分公司，安徽 铜陵 244000）

目前国内新上铜冶炼项目电解工序基本采用永久阴极（Permannent cathode）电解，配套电解专用行车、阴极剥片机组、阳极整形机组、残极洗涤机组、DCS自动控制系统等，自动化程度相对较高，正常生产过程中以关键设备的维保及维持稳定运行为首要任务，但新系统开车则以快速调整稳定生产为目的，使槽内电铜结晶及时趋于正常化，为后续出铜、扩槽，乃至逐步提升电流密度做准备。

1 通电前的准备

铜冶炼项目电解工序从开始建设到竣工投产一般历经18个月至24个月左右，到具备试生产条件时现场安全和消防措施已准备就绪，所有机电仪设备、工艺管道等均已安装结束，设备单体调试无问题，水电气供应有保障，管道经过吹扫，所有槽罐及现场卫生清理干净，防腐措施施工完毕并验收合格，作业工器具准备齐全，添加剂等各类直耗材存量充足，作业人员经培训合格后上岗。

（1）机组试车。铜电解工序三种机组在试生产前必须经过严格的试车，并做好记录。试车内容主要包括液压站及油路管线调试，移载小车运行调试，链条运行调试，洗涤水箱调试，转运装置调试，剥片机组剥离站、铆接/压纹工位调试，阳极机组运输机、横送链、铣刀的调试等。阳极整形机组和残极洗涤机组需用阳极板和残极进行带负荷调试，剥片机组建议可利用清洗新不锈钢阴极板机会进行带负荷调试。

（2）循环系统水试。电解循环系统水试包括冷水水试和热水水试，主要目的是检验循环系统管路是否通畅，管道和阀门等是否存在漏点。根据目前国内铜电解系统工艺管道设计方式，基本采用按系列供液和回液，所以可根据产能规模的不同按系列逐一进行水试。水试过程要注意保持循环槽的液位在一定水平，防止工艺循环泵空转。冷水水试时，水从板换旁通流通即可，热水水试时开启板式换热器进行加热，注意开启板换要先开通循环，再缓慢打开蒸汽阀门，防止因蒸汽加热空气引起安全事故。

（3）溶铜配液。铜电解液的成分为硫酸和硫酸铜的水溶液，所以新系统开车一般以溶解固体硫酸铜方式进行，然后根据化验和计算向电解液中加入硫酸、盐酸，最终一般要求Cu2+：46g/L～50g/L，fH2SO4：180g/L～200g/L，Cl-：0.03g/L～0.05g/L。在溶铜配液过程中需注意适当增加取样化验电解液成分的频次，同时保证取样的代表性和准确性。溶铜配液的体积以初次通电组数的选择为依据，同时要考虑循环槽和高位槽的电解液体积占比不宜过大。

（4）电解槽装板。目前国内新增铜冶炼项目的电解槽尺寸大致相同，长5.84m左右，宽1.17m左右，一个电解槽装阳极板56块，阴极板55块。试生产前需确保已有足够数量的首次通电装槽用的合格阳极板，且火法工序工艺流程已经打通，可持续供应阳极板，同时需对新阴极板按极距100mm进行排板。阴极排板工作可由作业人员在画好标线的极板准备架或空电解槽内进行，排好后的整槽阴极板可放于空电解槽内，如阴极板数量较多，可用长条形方木垫在阴极板耳部上，然后板面穿插摞放两层或三层。通电前由电解专用行车将阳极和阴极装入电解槽内，然后即可根据计划合理安排时间扩液和通电生产。

2 首次通电参数选择

对于铜电解系统首次通电，电解液的成分控制按上述溶铜配液中的要求即可，同时合理选择通电组数，电流密度，添加剂用量，电解液流量等，对能否快速将系统调节稳定也将起到至关重要的作用。

2.1 通电组数

通电组数选择不宜过多或过少，过多要求初始电解液液量较大，溶铜配液时间长，且一旦出现电铜质量问题无法扭转，造成的经济损失较大，同时一次性通电组数过多时，因铜在电解液中的溶出，电解液中Cu2+浓度会上升较快，需要通过补水扩液或电积脱铜方式来维持Cu2+浓度稳定，对初期不稳定的系统可能会产生较大影响。如初期通电组数过少，则循环槽、高位槽、工艺管道内的总液量占比电解液总体积数值较大，即非通电体积占比大，添加剂平衡点不易找到，即使找到平衡点后也不易维持。

2.2 电流密度

通电电流密度的设定一方面要考虑试生产期的计划产量，按照以下所列公式进行计算，另一方面适当设置一个较为经济的电流密度，即能保证有相对较为充足的时间来调节系统的稳定，进一步改善电铜板面结晶状况。但初期电流密度选择也不宜过低，电流密度过低时添加剂用量小，消耗慢，不利于系统稳定性的形成。

根据计划产量计算电流密度：产量÷（1.1852×24×槽数×d×98%×96%×117.35×10-6）=电流密度（A/㎡）

电化当量：1.1852；当年通电天数：d；电流密度：98%；槽时利用率：96%；单槽阴极有效沉积面积：117.35㎡

2.3 添加剂用量

（1）添加剂应用策略。添加剂调整是应对电铜结晶异常较为有效的手段，开车初期的添加剂用量及调整是开车顺利与否的关键。由于明胶和硫脲在电解结晶时的相互影响，其作用效果主要取决于两方面，一是添加剂用量的绝对值，即单耗的高低，二是明胶与硫脲的比值。在添加剂的用法上基本有用两种方式，即高胶低硫脲（胶/硫脲＞1）和低胶高硫脲（即胶/硫脲＜1），其优劣对比如表1所示：

表1 添加剂用量优劣对比

（2）底胶和添加剂初始用量。因新系统开车时，电解液基本为新配制，要适量加入底胶来保证系统的稳定性，建议可提前三天开始配置底胶，建议用量为通电后正常用量的1.5倍至2倍左右。表2为该厂开车时添加剂的用量情况（仅供参考）。

表2 铜电解开车添加剂用量参考

另建议系统调整稳定前，明胶和硫脲分开加入，以便于后续单独进行调整。

（3）添加剂的快速调整。铜电解系统正式通电以后，通过观察板面结晶情况来快速及时的调节添加剂用量是重要手段之一，所以开车期间增加看铜频次是必要的。另也可通过其它辅助方法作为判断依据，即霍尔（Holl）试验和单槽试验。霍尔试验相关文献已有完整阐述，本文不再赘述。单槽试验方法是在电解槽循环进液管处开孔焊接一段φ60mm左右的UPVC竖管，可以向单个电解槽内滴定添加剂用来做对比试验，通过结晶变化趋势，判断添加剂的用量是否适合。两种试验方法只可作为一种辅助手段使用。

3 扩槽过程

铜电解系统通电且电铜结晶正常化以后既要启动扩槽计划，一方面可消耗不断增长的阳极板库存，另一方面是为维持电解液中Cu2+和杂质浓度水平。关于铜电解扩槽，根据各厂矿实际情况有多种方式，本文只阐述一种实际应用过的较为利于系统稳定的方式。

扩液补酸方式：电解槽通电以后，因铜的溶出并不断富集，电解液中Cu2+浓度会逐步上升，具体每天进入电解液的铜量通过如下计算可得：1.1852g/Ah×24×电流密度×98%×通电槽数×1.3%=每天溶出铜量（kg）。

电化当量：1.1852；电流效率：98%；铜的溶出率：1.3%

根据每天进入电解液中的铜量，计算需要扩大多少体积方能满足电解液中的Cu2+浓度平衡，之后通过向系统补水的方式进行扩液。可以利用空电解槽进行补水，即每个空电解槽的有效体积约9.6m³，往空槽中注满水，打开循环进液阀门，让系统电解液在该槽循环。待所扩总液量满足两组电解槽的用量后即可扩槽通电生产。该方法的优点一方面是扩液量准确、稳定，另一方面是通过补水可以稀释电解液中杂质浓度，扩槽期间不需要开启电积系统进行脱铜和脱杂。

4 维持电解系统稳定性

试生产期间，因为电解系统未完全达到稳定状态，加之火法系统初期产出的阳极板成分出现波动，物理规格欠佳的可能性较大，电铜质量出现小幅度的波动属于较为正常的情况。但如何规避出现大规模或较为严重的质量问题值得我们探究和思考。

（1）稳定控制工艺参数。控制工艺参数的长期稳定是对铜电解工序较为基本的要求，包括合理控制有效循环体积，槽温，流量，电解液比重，铜酸浓度，As、Sb、Bi、Ni、Pb等主要杂质浓度，槽电压等，以上参数均需定期测量，并持续统计分析，发现异常信息及时查明原因并解决处理。

（2）定期看铜。试生产期间，管理人员、技术人员要每天从电解槽内吊出1天至2天电铜观察板面结晶情况，到剥片机组查看已出槽电铜规格和质量情况等。主要观察点为板面是否生长粒子，粒子形态，结晶是否粗糙，板面是否有气孔，电铜上沿口高电流密度区、两层和底边低电流密度区的结晶情况等，并做好记录和分析。

（3）加强设备维护保养。要加强循环系统设备的点巡检和维保工作，包括主循环泵，其它各类卧式离心泵，压滤机，浓密机，工艺管道、阀门和流量计等。主循环泵作为关键设备，要着重增加巡检频次，测量运行温度，查看运行情况等。

5 结语

铜电解系统生产稳定需要较高的精细化管理和操作，通电前需进行充分的设备调试和循环系统水试，注重极板的装槽质量，通电后高度重视生产参数的稳定控制，试生产电流稳定，添加剂调控有条理，层级间管理明确，信息反馈及时。该厂电解系统经过6个月的试生产期，未出现电铜质量大幅度波动问题，电流密度稳步提升至300A/㎡。