高强化铜电解精炼新工艺与生产实践.pdf

2 0 1 3 年2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／] y s y l ．b g r i m m ．c n d o l 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．0 2 ．0 0 1 高强化铜电解精炼新工艺与生产实践 周松林 祥光铜业有限公司，山东阳谷2 5 2 3 2 7 摘要介绍了高电流密度铜电解精炼新工艺技术及生产实践。该技术首次在祥光铜业大规模工业生产 中成功应用，使铜电解电流密度提高到4 2 0A ／m 2 ，大幅提高了铜电解产能。 关键词铜电解；平行流技术；高电流密度；生产实践 中图分类号T F 8 1 1 文献标志码B 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 0 2 0 0 0 1 0 4 E l e c t r o l y t i cR e f i n i n gT e c h n o l o g yo fH i g hS t r e n g t h e nC o p p e r a n dP r o d u c t i o nP r a c t i c e Z H O US o n g l i n X i a n g g u a n gC o p p e rC o ．，L t d ，Y a n g g u2 5 2 3 2 7 ，S h a n d o n g ，C h i n a A b s t r a c t T h ec o p p e re l e c t r o l y t i cr e f i n i n gt e c h n o l o g yw i t hh i g hc u r r e n td e n s i t ya n dp l a n tp r a c t i c ew e r ei n t r o d u c e d ．T h i sn e wt e c h n o l o g yw a ss u c c e s s f u l l yc o m m e r c i a l i z e di nl a r g e s c a l ep r o d u c t i o ni nX i a n g g u a n g C o p p e rf o rt h ef i r s tt i m e ．T h ec u r r e n td e n s i t yf o rc o p p e re l e c t r o l y s i si si n c r e a s e dt o4 2 0A ／m 2 ，a n dc o p p e r e l e c t r o l y t i cc a p a c i t yi sg r e a t l yi m p r o v e d ． K e yw o r d s c o p p e re l e c t r o l y s i s ；p a r a l l e lf l o wt e c h n o l o g y ；h i g hc u r r e n td e n s i t y ；p l a n tp r a c t i c e 自1 8 6 9 年世界首次使用铜电解精炼工艺技术 至今n ] ，虽然电解工艺基本原理未发生改变，但生产 工艺技术、流程及装备等都取得了突飞猛进的进展， 使得铜电解精炼不断向强化、高效、优质、节能的方 向迈进。目前，铜电解生产工艺主要有两种一是传 统始极片电解工艺，电流密度为2 2 0 ～2 8 0A ／m 2 ；二 是不锈钢永久阴极电解工艺，电流密度为2 8 0 ～3 3 0 A ／m 2 。 祥光铜业一期2 0 万t 铜冶炼工程在中国首次 引进了当时世界最先进的“双闪”工艺技术[ 2 ] ，与其 配套的一期电解设计电流密度为2 8 0A ／m 2 ，共7 2 0 个电解槽，2 0 0 7 年建成投产。2 0 0 9 年祥光铜业通过 自主创新，开发出具有自主知识产权、居国际领先水 平的“旋浮”铜冶炼新工艺，使二期工程的铜冶炼产 能提高到4 5 万t 以上。为此，二期电解为了进一步 收稿日期2 0 1 2 1 0 - 2 4 作者简介周松林 1 9 6 1 一 ，男，安徽祁门人，教授级高工，副总裁 提高产能，决定与奥地利公司共同合作研究开发强 化电解的平行流技术，使二期电解在同样7 2 0 个槽 的情况下，产能提高到3 0 万t 。2 0 1 1 年6 月二期平 行流电解新工艺建成投产，7 月电流密度达到设计 值3 8 5A ／m 2 ，1 0 月电流密度提高到4 2 0A ／m 2 ，并 一直连续稳定生产至今。 1 强化电解的平行流技术 1 ．1 平行流技术的基本原理 众所周知，提高铜电解产能的最有效的途径就 是提高电流密度口] ，但电流密度的提高会导致阳极 区电解液扩散层的加厚、阴极区电解液铜离子的贫 化，极易造成浓差极化、阳极钝化、阴极铜长粒子等 问题‘。 平行流技术的基本原理就是通过改变电解液在 万方数据 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年2 期 电解槽中的运动方式，解决高电流密度电解时浓差 极化等问题。具体来说，就是通过特殊装置使电解 液在阴极板的两面以一定的速度进入电解槽，使电 解液平行于阴极板板面向上流动 图1 ，且在阴阳 极之间产生自然对流，阴极附近区域电解液向上运 动，阳极附近区域电解液向下运动，使电解液呈近似 环形运动 图2 。阴极附近电解液的向上运动，减 小了阴极附近浓差极化，阳极附近电解液向下流动， 加速边界扩散，且有利于从阳极板上脱落的阳极泥 向下加速沉降。电解液通过的特殊装置我们称之为 平行流装置，简称P F D P a r a l l e lF l o wD e v i c e 。电 解液的高速平行流动使电解槽内的温度、浓度分布 更加均匀，避免了高电流密度电解时浓差极化及阳 极钝化等问题，确保了阴极铜的质量和电解生产的 正常进行。 图l电解液平行向上运动示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po f u p w a r dp a r a l l e l l y m o v e m e n to fe l e c t r o l y t e 图2 电解液环形运动示意图 F i g ．2 S k e t c hm a po fc i r c u l a rm o v e m e n t o fe l e c t r o l y t e 1 ．2 平行流技术的工艺流程 1 ．2 ．1 工艺流程概述 循环槽内的电解液通过电解液循环泵经过换热 器加热或冷却至6 5 ℃输送至电解槽，电解液通过溢 流又回至电解液循环槽形成整个循环系统。配置有 独立的净化过滤系统，该系统由2 台压滤泵、1 台净 化过滤机及相应的管道、阀门、流量计组成。在出、 装双极作业中，上清液通过压滤泵输送至净化过滤 机过滤，再返回电解液循环槽中参与电解液的循环。 阳极泥放入阳极泥地坑，然后输送至浓密机沉降分 离，分离出的电解液通过手动压滤机进入上清液储 槽，分离出的阳极泥通过自动压滤机压滤后送往下 一道贵金属回收工序。工艺流程见图3 。 上清液槽 循环槽阳极泥中间槽 图3 电解工艺流程图 F i g ．3 F l o w s h e e to fe l e c t r o l y s i sp r o c e s s 1 ．2 ．2 平行流技术工艺特点 1 采用大容量循环槽。3 6 0 个电解槽共用1 个 循环槽供给电解液，循环槽尺寸2 0m 1 2m 3m ， 容量达到7 2 0m 3 。大容量循环槽更有利于电解液 成分及添加剂等的充分混匀。 2 采用变频泵直接向电解槽供液。取消传统的 高位槽，通过变频泵供液的方式可以满足P F D 喷嘴 出口所需的压力。 3 采用7 2 0 套P F D 装置。与传统的进液底管 布局在槽底中央不同，P F D 悬挂于电解槽侧壁。以 其独特的结构满足于高电流密度生产的要求。 4 阳极周期短。同等阳极单重的情况下，采用 平行流技术的阳极周期比采用常规技术的阳极周期 短2 5 ％～3 0 ％，意味着阳极板消耗更快、阴极铜产 量更高。 5 蒸汽消耗量低。应用平行流技术电解所消耗 的蒸汽量比常规技术减少约8 7 ％。 6 高电解液循环量。常规铜电解电解液循环量 一般在单槽2 5 ～3 5L ／r a i n ，而使用平行流技术，电 解液循环量可以达到7 5 ～1 0 0L ／r a i n ，且不会影响 阳极泥的沉降。 万方数据 2 0 1 3 年2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ] ／y s y l ．b g r i m m ．o n 3 2 生产实践 2 ．1 工艺控制情况 平行流技术在祥光二期电解首次大规模应用， 2 0 1 1 年6 月8 日投产，7 月2 1 日电流密度达到设计 值3 8 5A ／m 2 ，1 0 月1 3 日提升至4 2 0A ／m 2 ，并一直 连续稳定地生产至今，产出的阴极铜表面平整、光 滑、致密，并全部符合G B ／T 4 6 7 2 0 1 0 高纯阴极铜 标准。表1 和表2 分别为一期与二期电解液温度与 含铜浓度对比结果。 表1 电解液温度对比 T a b l e1 C o m p a r i s o no ft e m p e r a t u r eo fe l e c t r o l y t e 纵向深度／r a m 一期底管出液温度／℃二期P F D 出液温度／℃ △。。差值 2 ．62 ．82 ．51 ．21 ．30 ．9 表2 电解液含铜对比 T a b l e2 C o m p a r i s o no fc o p p e rc o n c e n t r a t i o n i ne l e c t r o l y t e 从表1 和表2 可以看出，二期P F D 供液方式与一 期底管供液方式相比，槽内纵向电解液温度、电解液含 铜分布更加均匀。一、二期工艺控制参数情况见表3 。 表3 电解工艺控制参数 T a b l e3P a r a m e t e r so fe l e c t r o l y s i sp r o c e s s 参数名称一期常规电解二期平行流电解 工艺控制参数说明 1 电解液温度控制。二期平行流电解电解液温 度控制与一期常规电解一样，但由于通电电流大，电 流转化的热能高，电解液热收入增大。当电流密度 达到3 5 0A ／m 2 时，电解液的热收入与支出基本持 平，即电解液不需蒸汽加热。在北方5 ～l o 月份，电 流密度4 2 0A ／m 2 时，热量过剩，不仅不需蒸汽加热， 而且需要冷却电解液。 2 电解液流量控制。高电流密度生产必须要有 较高的电解液流量作支撑，采用平行流技术，电解液 流量必须与电流密度相匹配，流量偏低，阴极铜底部 稀疏、松软，反之，阴极铜产生阳极泥粒子。实际运 行情况是当电流密度分别为3 3 7 、3 8 5 、4 2 0A ／m 2 时，单槽电解液流量分别为6 0 ～9 0 、7 5 ～9 0 、8 5 ～9 0 L ／m i n 。 3 电解液含铜、酸控制。对于二期平行流高电 流密度生产，为防止阴极区域电解液铜离子贫化，降 低杂质在阴极上析出的可能，电解液含铜需要偏高 一些。但含铜过高，能耗增加，且易发生阳极钝化， 含铜过低阴极铜析出结晶不致密，杂质有可能析出。 硫酸浓度不易过高，否则会加速阳极钝化。 4 添加剂控制。采用平行流技术，虽然在高电 流密度生产的情况下，添加剂的加入量并不会增加 许多。电铜析出质量对添加剂的敏感程度要低于常 规电解，也就是说添加剂的施加范围可以更广。另 外，应用平行流技术运行高电流密度时，系统初次装 槽，电铜质量更容易控制些，电铜质量的波动更小。 2 ．2 技术经济指标情况 平行流技术应用一年多来，各项经济技术指标 十分稳定。一、二期电解的技术经济指标对比结果 9 己表4 。 表4 一、二期电解技术经济指标年平均值 T a b l e4A n n u a la v e r a g et e c h n o l o g i c a la n d e c o n o m i ci n d i c a t o r so fe l e c t r o l y s i sp r o c e s s 3 3 5 9 0 0 O O 2 ● ● ■ ● ● ● ● ● ● 5 5 5 5 6 6 6 ，9 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 2 5 5 8 0 O 0 4 5 ● ● ● ● ● ● ● ● ● 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 ，9 6 3 5 6 8 0 0 0 2 5 ● 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 2 5 9 2 6 1 4 7 7 ● ● ● ● ● ● 3 3 3 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 7 0 4 7 2 6 8 2 5 ● 3 4 4 4 5 5 5 6 6 6 6 r 0 6 6 6 6 r D 6 5 9 3 8 1 4 4 8 l ● 3 3 4 4 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 0 0 O O 0 0 O O 0 O l 2 3 4 5 6 7 8 l 1 1；1 1 ▲l 万方数据 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／j y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年2 期 表4 数据表明在相同电解槽和工作日的情况 下，二期平行流电解与一期常规电解相比年产量增 加5 0 ％、电流效率略好、直流电单耗高出4 9 ％、但蒸 汽单耗降低8 7 ％。所以，两种电解工艺的综合能耗 基本相当。从产品质量看，二期平行流电解与一期 常规电解所产阴极铜的铜品位、杂质总量相差无几， 且都达到甚至优于高纯阴极铜国家标准。 3 存在的问题及对策 1 槽电压及直流电耗高 4 2 0A ／m 2 的电流密度平均槽电压达到0 ．4 4V ， 是常规电解的近1 ．5 倍，每吨阴极铜所消耗的直流 电耗达到4 0 3 ．6k W h ，也是常规电解的近1 ．5 倍，意 味着更多电能转化为热能。主要对策如下一是通 过不断优化工艺参数及配比，保持较低的电解液含 铜及含酸、较低添加剂加入量，加强电解液净化和控 制，降低电解液电阻和黏度，由此可以降低槽电压和 电耗；通过合理配料和加强火法精炼，降低阳极板中 杂质含量，减少电解阳极钝化，可以降低槽电压和电 耗；另外，通过加强电解工艺操作，降低极板触点间 的电压，也是降低电耗的方法之一。 2 电铜容易长气孔 由于循环系统没有高位槽，由变频循环泵直接 向电解槽供液，当发生循环泵跳电重新启动或泵蜗 壳腐蚀等故障时，电解液循环系统将进入空气，细碎 的气泡均匀分布在电解液中，在阴极铜表面形成气 孔。通过在密闭的供液管道的最高点添加自动排气 装置和将备用泵与运行泵设置故障连锁启动功能， 可大大降低气孔发生的可能性，如果发生气孔也可 有效降低其数量及严重程度。另外，采用高强度和 密封性更好的复合管道以及加大管道内压也可防止 空气从管道接口等漏点处进入循环系统。 3 电解液温度高 由于电流大电解液发热严重，电解液温度居高 不下，夏季即使槽面不采取任何覆盖，也可以达到 7 0 ℃以上，超出控制范围，越是负荷大，电解液温度 越高，这是设计未曾考虑到的。主要对策采用冷却 循环水对电解液进行降温。新增一套6 0 0m 3 ／h 的 冷却循环水系统，在夏季高温天气时对电解液进行 换热冷却。 4 不锈钢永久阴极板易弯曲及绝缘板易烧坏 4 2 0A ／m 2 高电流密度生产出现阴阳极短路时， 极板短时间发热严重，阴极板高温会发生形变、绝缘 板烧坏。主要对策加大短路处理力度，加强巡检， 及时发现及时处理。加大阴极板的修复力度，并采 用最新的槽温槽压检测装置，可以及时发现短路的 槽组，具有针对性的处理，减少短路造成的损失。 5 容易发生阳极钝化 钝化产生的电铜，阳极泥粒子大量存在，杂质在 其表面析出，表面发黑。根据生产实践经验判断，在 4 2 0A ／m 2 高电流密度下，阳极板中含铅为0 ．3 0 ％以 上时，就会出现钝化严重现象。主要对策加强火法 精炼控制，确保阳极板含铅小于0 ．3 0 ％，只有这样 才能从根本上防止钝化的产生。电解过程中采取加 强指标控制和间断性停电及阳极振打对轻微钝化有 所帮助，对钝化严重的阳极板则起不到有效作用。 4 结论与展望 平行流技术是一种先进、高效、强化的铜电解精 炼工艺技术，该技术在祥光铜业二期电解应用非常 成功，标志着中国和世界的铜电解精炼工艺技术迈 上了一个新台阶。高电流密度生产对人员、设备、原 料、工艺控制、操作水平及管理水平都有很高的要 求，只要综合能力满足要求，就能保证高电流密度稳 定运行并产出优质高纯阴极铜。 今后，祥光铜业将进一步完善高电流密度生产 技术，努力在处理低品质阳极板、三阴极周期改为两 阴极周期、新型电解槽等方面有所突破，向着更高 效、更强化、更节能、更环保的方向发展。 参考文献 [ 1 ] 朱祖泽，贺家齐．现代铜冶金学[ M ] ．北京科学出版 社，2 0 0 3 ． E 2 ] 周松林．祥光“双闪”铜冶炼工艺及生产实践[ J ] ．有色 金属 冶炼部分 ，2 0 0 9 2 1 1 - 1 5 ． E 3 ] 宣善伦．高电流密度下生产阴极铜的实践[ J ] ．中国有 色冶金，2 0 0 7 ，3 6 6 2 7 2 9 ． 万方数据