铜电解电耗因素影响分析及研究

侯娟奇

（1.中南大学 化学化工学院，湖南 长沙 410012；2. 江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

铜电解生产日常运行成本主要是材料备件、电费及维修费，贵溪冶炼厂电解车间电费占电解日常运行成本的80%以上，降低电耗对降低生产成本、提高经营效益及竞争力，有着重要的意义。

影响铜电解电耗的主要因素有极板同极中心距、电流密度、电流效率、槽电压等。极板同极中心距在设计时确定，生产过程中一般难以变更。电流密度根据产量任务、阴极铜质量控制进行调整。电流效率是体现电解生产技术和管理水平的综合性指标。槽电压影响因素有原料、供电系统、电解液电导率，贵溪冶炼厂电解车间生产实践研究表明电解液压降占总压降的60%～70%［1］，电导率是衡量电解液压降的重要参数。电解液的温度、硫酸浓度、镍离子浓度等与电解液电导率关系密切，也是电解过程容易调整的工艺参数。本文着重研究电解液条件对电耗的影响。

2 理论研究分析

电解液的电导率是对电解液导电性能的具体表示。电导率越好说明电解液导电性能越好，直流电耗越低。研究指出，在温度40 ～70℃范围内，电解液主要成分为Cu2+30 ～60g/L、Ni2+0 ～30g/L、H2SO4100 ～200g/L 的条件下，电解液的比电导与其成分及温度的关系为［2］：

式中：Cu、Ni、K 分别表示Cu2+、Ni2+和H2SO4的浓度(g/L)；t 为电解液温度(℃)；γ 为电导率(S/cm)。

影响比电导显著性的顺序为：硫酸浓度＞电解液温度＞Ni2+浓度＞Cu2+浓度。

提高电解液的温度，能够增加各种离子的扩散速度，降低电解液的电阻，从而提高电解液的导电率、降低电解槽的电压，减少电解过程电能的消耗［3］。经实验测定，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℃，电解液的电阻约减少0.7%。电解液温度也不宜过高，过高会增加蒸汽消耗，作业环境温度高，夏季容易发生人员中暑等。

硫酸是铜电解液主要成分之一，含量范围一般在150 ～200g/l，酸度越高，电解液的导电性越好，因此有采用高酸电解生产的趋势。电解液中的硫酸含量也不宜过高。硫酸浓度增大，硫酸雾挥发增加，恶化现场作业环境，造成酸雾超标。过高的硫酸浓度，硫酸铜的溶解度下降，严重时有结晶析出的可能，同时电解槽中各区域离子浓度存在一定差异，部分区域硫酸浓度过高，造成导电不均匀，对阴极铜质量造成严重影响，此外过高的硫酸浓度会增加设备的腐蚀。因此电解液中的硫酸浓度控制也不能过高。

镍作为有价元素，在电解液中富集回收。电解液电导率随着镍离子浓度上升而降低［4］，电解液中镍离子浓度上升，也会增加电解液的比重和粘度，增加阴极铜质量控制难度，因此，应尽量降低电解液镍离子浓度，同时回收有价镍元素。贵溪冶炼厂电解车间镍的回收，在电解液净化工序完成。电解液经过蒸发结晶除去大部分铜离子，再进行电积除去剩余的铜和杂质，最后进行冷冻结晶得到副产品硫酸镍。电解液中镍离子浓度越高，除镍效率就越高，除镍电耗就越低。因此，当镍离子浓度处于一个合理浓度时，电解直流电耗和除镍电耗之和最低。

电解液中铜离子浓度是保证阴极铜质量的重要参数之一，生产过程中，根据阴极铜质量调整铜离子浓度，尽可控制稳定，减少波动。虽然降低铜离子浓度有利于提高电解液电导率，一般情况下，为了确保阴极铜质量稳定，铜离子浓度不宜过低。

3 电耗影响因素试验分析

3.1 电解液电导率测试及分析

3.1.1 电解液温度

开展电解液温度与电导率关系的试验，试验方法：取电解生产系统中的电解液120ml，检测仪器采用电导率仪，型号是梅特勒-托利多S7-Field Kit，电极InLab738 ISM，初始电解液温度45.8℃，自然冷却，每分钟测量一次电导率，温度降低至35.1℃，继续自然冷却至室温，再测量一次电导率，根据温度和电导率变化趋势计算温度线性补偿系数［5］，确定温度补偿系数。

其中 S 为电导率，mS/cm；T 为电解液温度，℃。

根据试验数据绘制曲线图，如图1。

图 1 电解液电导率与温度趋势图

从图1 中可以看出电解液的电导率与温度呈正比，在25～70℃可近似按线性关系处理，根据公式1 计算，得出线性温度补偿系数平均值0.981%，作为其它检测时的温度补偿系数。

3.1.2 电解液硫酸浓度

用电导率仪测试电解液硫酸浓度与电导率关系。试验方法：取生产系统电解液1000ml，检测电导率数据，加入浓硫酸，每次使电解液硫酸浓度提高3g/l 左右，每次化验硫酸浓度，检测电导率，使用温度补偿，补偿至25℃下的电导率，消除温度对电导率的影响，根据试验数据绘制曲线图，如图2。

图 2 电解液电导率与硫酸浓度趋势图

根据图2 可以看出电解液电导率随着硫酸浓度的增加而上升。硫酸浓度在170～230g/L，近似按线性关系处理。

3.1.3 电解液镍离子浓度

用电导率仪测试电解液镍离子浓度与电导率关系。试验方法：取镍离子浓度低的种板系统电解液1000ml，初始镍离子浓度3g/L 左右，加入硫酸镍结晶，每次使电解液镍离子浓度提高3g/L 左右，加热电解液，使硫酸镍充分溶解，并保持温度在60～65℃，检测电导率，根据实验一温度补偿系数，计算出63℃的电导率，化验每个样镍离子浓度，数据如下

图 3 电解液电导率与镍离子浓度趋势图

根据图3 以看出电解液电导率随着镍离子浓度的增加而下降，镍离子浓度在2～25g/L 之间，近似按线性关系处理。

3.2 电导率与直流电单耗的定量关系

电解液的电导率与电阻率呈反比，根据电导率可以计算出电解液电阻率，进而推算出电流发热的变化，确定电导率与电单耗的定量关系。以电解二系列为例进行计算，计算参数如下：电流强度为33600A；阴阳极间平均距离为2.99cm；单槽有效通电面积为1112616cm2；每平方厘米通电电流为0.0302A/cm2；每小时单槽产量为0.039t；电阻公式为1/电导率×1000×2.99；电流发热公式=I2R。

通过计算，可得出阴极铜直流电耗与电解液主要条件定量关系如下。

（1）温度每上升1℃，电耗下降1.050kW·h/t 铜；

（2）硫酸浓度每上升1g/L，电耗下降0.456kW·h/t 铜；

（3）镍离子浓度每下降1g/L，电耗下降1.000kW·h/t 铜。

3.3 工业试验平台试验分析

通过电导率试验，检测电解液电导率变化，推算出电解液温度、酸度、镍离子浓度与电耗的定量关系，利用贵溪冶炼厂电解车间铜电解工业实验平台，对试验理论计算数据进行验证。由于电解液温度、硫酸浓度根据阴极铜质量调整，且在较小范围调整，镍作为有价元素应尽可除去，测试周期长，因此本次工业试验重点测试镍离子浓度对电耗的影响。

3.3.1 试验方法

保持电解液其它成分及工艺条件稳定，调整电解液镍含量变化，计算对应吨铜直流电耗，研究电单耗与镍浓度之间的关系。电解液其它主要工艺条件见表1。

表 1 电解液其它主要工艺条件

试验过程中，尽可能保持这些工艺参数及添加剂稳定。试验平台共有20 个电解槽，电解液总体积175m3。吨铜净液量按现有二系列经验数据，取0.24m3/t 铜，每天需倒出电解液4.5m3，浓硫酸加入量约1t/d。试验过程根据实际数据，调整净液量和加酸量。

调整镍离子浓度，按镍浓度每增加2g/L 开展电耗试验。每批次试验完成后，快速将电解液浓度提高2g/L，每次需要补入镍量约0.35t，粗硫酸镍约1.94t，或者倒出一部电解液体积，补充硫酸、硫酸铜及水，保持其他成分稳定，降低电解液镍离子浓度2g/L。

3.3.2 工业试验数据分析

统计每批电度量和阴极铜产量，计算电耗，制作趋势图，如图4。根据工业试验数据分析，电解液镍离子浓度每降低1g/L，阴极铜直流电单耗平均下降1.55kW·h/t。

图 4 电解直流电耗与镍离子浓度趋势

4 除镍电耗及综合电耗分析

4.1 除镍电耗分析

目前贵冶电解车间采用冷冻结晶法除镍工艺，其主要能耗为电。根据溶解度原理，电解液镍离子浓度越高，冷冻结晶效率就越高，能耗就越低，反之，能耗就越高［6］。根据近几年生产实际除镍数据，电解液平均含镍12g/L，计算了不同镍浓度下除镍工序效率和除镍电耗，除镍电耗按每生产1t 阴极铜，除镍所需电度量。

图5 除镍电耗与镍离子浓度趋势

4.2 电解直流电耗分析

近几年阴极铜电解直流电耗340kW·h/t，电解液镍离子浓度每降低1g/L，根据电解液电导率计算，直流电耗下降1.0kW·h/t。根据通过电解工业试验平台数据计算，直流电耗下降1.55kW·h/t。电导率只能反映电解液变化对电耗的影响，不能反映电解液镍浓度变化对铜在阳极上的溶解及阴极的析出影响，同时结合历史生产数据，工业试验平台更能反映镍离子浓度对电耗的影响，因此，以工业试验平台数据，计算不同镍浓度下电解直流电耗，如图6。

图6 直流电耗与镍离子浓度趋势

4.3 综合电耗分析

根据电解液镍离子浓度对除镍电耗和电解直流电耗的影响，得出电解综合电耗，如图7。从趋势图可以看出，以目前除镍工艺，电解液镍离子浓度控制在9g/L 附近，综合电耗最低。

图 7 综合电耗与镍离子浓度趋势

5 结语

通过理论分析和试验研究，得出电解液温度、主要成分与直流电单耗的定量关系，确定了目前贵冶除镍工艺条件下，电解液最佳镍离子浓度为9g/L，综合电耗最低（直流电单耗和除镍电耗之和），为降低铜电解电力生产成本提供依据。