永久不锈钢阴极铜电解槽系统的设计与实践

永久不锈钢阴极铜电解槽系统的设计与实践
收稿⽇期：２０１１－０６－３０
作者简介：代红坤（１９６９—）
，男，⾼级⼯程师，主要从事铜冶⾦⼯程设计研究、管理⼯作。

0前⾔
为提⾼技术、装备⽔平，云铜引进了不锈钢阴极
铜电解⽣产技术和极板、
机组等设备建设新增电解产能项⽬。

该项⽬设计年产180kt ⾼纯阴极铜，已于
2010年底投⼊试⽣产，
系统运⾏正常，⽣产出了⾼品质的产品。

电解槽及其内、外部部件所构成的电解槽系统是电解⽣产中的关键部分，最终产品在其中产⽣，其
设计的好坏对于产品质量、
劳动强度、消耗等等都⾄关重要，本⽂重点介绍该系统的设计、施⼯和试⽣产⽅⾯的情况，对设计中存在的问题进⾏了分析。

1主要设计内容
１．１主要设计参数
云铜永久不锈钢阴极铜电解槽系统主要设计参数见表1。

１．２车间配置
经计算，所需电解槽数为766个，考虑⼯艺配置
和⽣产管理⽅便，取电解槽总数为784个，
双跨配置，分24组，每跨12组，每跨有4组为每组32槽，8组为每组33槽，每组设⼀个⼤电流短路开关。

１．３电解槽
电解槽为钢筋混凝⼟为槽体，内衬玻璃钢防腐层。

槽内尺⼨为：5750×1070×1250/1450mm 。

电解槽侧壁厚90mm ，端⾯及底⾯壁厚为150mm ，每两
个电解槽之间的缝隙为30mm ，
槽底单⾯纵向坡度4%，内衬玻璃钢防腐层厚度6mm （9层）。

１．４极板1.4.1阳极板
结合云铜的现实情况，新的电解⼯场仍采⽤⼩
永久不锈钢阴极铜电解槽系统的设计与实践
代红坤
（云南铜业股份有限公司，云南昆明650102）
〔摘
要〕介绍了云铜永久不锈钢阴极铜电解槽系统的设计主要内容及特点，对施⼯中出现的问题、试⽣
产过程、取得效果进⾏了描述，对设计存在的问题进⾏了分析并提出了改进措施。

〔关键词〕永久不锈钢阴极；电解槽；极板；实践
中图分类号：TF111.52
⽂献标识码：B
⽂章编号：1004-4345（2011）06-0029-04
Design and Practice of Copper Electrolytic Tank System with Permanent Stainless Steel Cathodes
DAI Hong-kun
(Yunnan Copper Co.,Ltd.,Kunming,Yunnan 650102,China)
Abstract The paper introduces the design and design feature of copper electrolytic tank system with permanent stainless steel cathodes,describes the process of test run,problems in construction and the outcome obtained,analyzes the problems existing in design and puts forward some improvement measures.
Keywords permanent stainless steel cathode;electrolytic tank;pole plate;practice
表１主要设计参数
项⽬参数项⽬参数电铜规模,kt/a 180阳极重量,kg 270年⼯作⽇,d 350阴极有效尺⼨,mm 908×900电解回收率,%99.6阳极周期,d 18
电流密度,A/m 2
280阴极周期,d 9残极率,%18每槽阳极数,⽚57同极距,mm 95每槽阴极数,⽚56电流效率,%96槽电压,V 0.35槽作业率,%96电解液循环速度,L/min ·槽30阳极有效尺⼨,mm 878×840
有⾊冶⾦设计与研究
第32卷2011年第6期
12⽉
图１电解车间配置
极板，但与传统法所使⽤的⼤⼩⽿铜阳极板有明显
的区别。

本设计所采⽤的是对称⽿铜阳极板，此种设计使阳极板较以前的放置更平稳，质量分布更均匀，有效地降低了断⽿的可能性。

传统法铜阳极⼤⼩⽿底部有⼀定斜度，与导电板及绝缘材料成线性
接触。

将铜阳极的两⽿下部铣削成平⾯，使其能更稳地放置于槽间，保持良好的垂直度及极间距，⽅便⼯⼈操作。

1.4.2永久不锈钢阴极
不锈钢阴极板（图2）包括母板、导电棒和包边条等部分。

1)母板。

材质为316L 不锈钢，
含钼2%～3%，以避免产⽣坑点；碳含量低(0.03%)可以减少碳化铬沉淀，并且减少焊接区的敏感性以降低晶间腐蚀。

板⾝
厚度为3.25mm ，
这是根据经验考虑其使⽤性能、制造容易程度和投资效果后选择的最优厚度。

不锈钢板表⾯光洁度2B ，表⾯粗糙度R a 0.25～0.6m 。

板⾝表⾯涂有⼀层⾮常薄且具有顽强的⾃我修复功能的氧化铬层，使极板具有了⾼的防腐性能。

板⽚上有窗⼝，⽅便吊车起吊，在槽⼦和剥⽚机之间运输。

本极板采⽤了⽆蜡⼯艺，其技术核⼼是阴极板底边采⽤V 型槽结构，使得在阴极板底部的沉积铜形成电积弱区，便于阴极板两侧的铜分开，形成单块
的⾼纯阴极铜。

此技术省去了原有底边涂蜡的⼯序，使⼚房更为卫⽣，同时可以采⽤⽐较低的洗⽔温度。

2)导电棒。

导电棒是⼀个两端封闭的矩形空⼼棒，材料为304L 不锈钢。

导电棒由⾼强度不锈钢焊
料与不锈钢板缝焊在⼀起。

为提供所需的导电性能，
吊棒表⾯镀有⼀层2.5mm 厚的铜。

整个导电棒和镀
在不锈钢板上的镀铜层截⾯积为369mm 2，
⽐传统法的两个吊⽿截⾯积⼤得多，导电性能要好。

3)绝缘包边条。

铰接式包边条⽤改良的聚丙烯
(PP)塑料经过机械加⼯⽽成，
然后加⼯成符合不锈钢阴极板厚度所需的形状。

包边条没有直接钉在极板上，⽽是⽤带张紧棒装置的夹⼦夹住包边条，防⽌铜
进⼊。

为了最⼤限度地减少包边条上的应⼒，在剥⽚过程中，包边条会向外移动，剥⽚完以后，剥⽚机上的机械装置将包边条推回到极板上。

因极板边缘区域的⾼电流会导致产品边缘出现缺陷，故阴极板尺⼨略⽐阳极板尺⼨⼤。

1.4.3极距
极距对电解过程的技术经济指标和电铜质量都有很⼤的影响，在满⾜⼯艺条件的情况下，缩短极距可以降低电能消耗。

不锈钢阴极强度⾼，不易变形，经常保持平直状态，使缩短电解槽内同极距成为可
能。

根据⼯艺要求、
设备性能，结合云铜实际⽣产经验，确定同名极间距为95mm 。

１．５电解液循环
每个电解槽采⽤下进上出的电解液循环⽅式。

１．６供电
每跨12组，各设⼀台160V/30000A 硅整流供电设备和12台⼤电流短路开关，形成两个独⽴的供电系
统，每个系统采⽤槽间串联、
槽内并联的供电⽅式。

1.6.1导电板
设计的槽间导电板两边为半圆突起，放置阴、阳极
图２永久不锈钢阴极板
有⾊冶⾦设计与研究第32卷
30··
图４槽间绝缘板
图５修改后的汇流板实物
图６修改后的槽间导电板及绝缘板
图７进液管
图３槽间导电板
板的导电棒和吊⽿，见图3。

这种设计的主要⽬的是改善接触，避免出现短路等影响最终成品质量的现象。

1.6.2绝缘板
绝缘板材质为聚丙烯（PP
），具有⽆毒、⽆味，密度⼩(0.90g/cm 3)，
耐热性好（熔点167℃），耐腐蚀，强度、刚性好（抗张强度30MPa ），有良好的电性能和
⾼频绝缘性，不受湿度影响，常见的酸、
碱有机溶剂对它⼏乎不起作⽤等优点。

与槽间导电板配合使⽤可以起到绝缘作⽤。

尺⼨及形状如图4所⽰。

考虑到加⼯及⽅便安装等问题，分为4段。

2施⼯过程出现的问题
２．１导电板和绝缘板
由于市场采购和费⽤的原因，原设计的轧制后进⾏机加⼯的导电板修改为如图5、6所⽰形式，这是⼀种⽤铜板压制的产品，绝缘板材质改为FRP ，形状也进⾏了相应改变。

槽边导电板在通电后发⽣了⼀定的位移（10~
20mm
），与电解槽边的操作平台相碰，通过采取绝缘措施解决了这⼀问题。

２．２进液管
设计采⽤的电解槽进液管材质为U-PVC ，采⽤
胶⽔粘结，过⽔试验没有出现漏点，但在投⼊⽣产使
⽤⼀周后就陆续开始在粘结处出现泄漏，最多时泄漏
点已达总数的85%。

经采⽤环氧玻璃丝布处理后能正常使⽤，见图7。

分析原因：⼀⽅⾯是因为施⼯时未采⽤U-PVC 专⽤胶⽔；另⼀⽅⾯，U-PVC 在铜电解液的介质环境下使⽤安全余量不⼤，容易出现泄漏，如改为C-PVC 效果会好得多。

２．３定位锥
定位锥的安装精度对电解专⽤吊车的安全顺利运⾏和阴、阳极在电解槽内的定位⾄关重要，在安装过程中云铜采取了很多措施来保证：⾸先是电解槽的制作和安装精度（包括定位锥安装预埋件的精度），
在此基础上，在安装每⼀个定位锥时都采取打磨、
垫平等措施，当吊车安装到位后，再配合吊车逐个进⾏
定位和处理。

这个过程繁杂耗时，但保证了⽣产的正常进⾏。

２．４电解槽制作
由于吊车定位锥的安装精度要求，电解槽的制作⾸先要保证精度，为此，云铜永久不锈钢阴极铜电解槽使⽤了专门制作的钢模板，保证了电解槽的精度，但也增加了不少成本。

3送电前的准备
当⼯程全⾯完成，单体和联动试车、过⽔试验合
格，阳极板准备到位后，按计划进⾏送电前的准备，主要⼯作包括以下⼏个⽅⾯。

３．１电解液准备
从⽼电解系统将适量的电解液打到新系统，在⼀定温度下对所有电解液进⾏循环过滤，通过稀释/蒸发控制电解液的成分，以达到Cu 2+42～52g/L ，
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第6期31··
H 2SO 4160～175g/L ，Cl -40～45mg/L 的⽬标。

在每个电解槽的出液管上安装导管，以便控制电解液的液位以及⾁眼检查流量，把每个槽⼦的流量调整为30±2L/min 。

３．２极板准备
⽤专⽤吊具从包装箱内取出极板，⽤热的、加⼊酸(2~3g/L)的⽔通过阴极洗涤机组对所有阴极板进⾏清洗，放⼊备⽤槽内晾⼲。

通电前再把阴极板放⼊⽣产槽中，越晚越好（<12h ）。

对阳极板进⾏⾁眼检查和挑选，以挑出不适合进⼊阳极机组的板⼦。

３．３系统清洁
彻底清洁所有槽⼦的接触⾯，使⽤酸对所有的槽间导电板进⾏清洗，并⽤⽔彻底冲洗。

３．４精确定位槽间导电板
对每个槽⼦的槽间导电板以定位锥为参照物进⾏精确定位（⽬标位置±5mm ）。

阳极/阴极要放在它们各⾃接触⾯的中间。

4试⽣产情况
４．１试⽣产过程简述
在整流器电压输出允许的情况下，对最少的电解槽通电（6组）。

开始送电负荷18kA ，电压52V 。

投⼊6组试⽣产送电正常后，按电流密度245A/m 2，
负荷22.5kA 负荷组织⽣产，
平均每天产出产品⾼纯阴极铜120t ，阴极铜单块重52kg 。

每天需要合格对称
铜阳极板148t ，
残极率18.9%，残极单块重51kg 。

⾸次⽣产的铜质量达到了⾼标准，优于伦敦⾦属交易
所(LME)A 级铜标准，
阴极铜的剥离性和分离度很好。

４．２试⽣产主要技术参数
试⽣产主要技术参数见表2、表3。

注：表中单位除铜为质量百分数外，其它元素含量为ｐｐｍ。

5存在问题
５．１流量控制
本设计采⽤灌液和循环液进液管道合⼆为⼀的电解槽进液⽅式，希望通过采⽤带刻度和定位的⼿动调节蝶阀来实现⼤流量灌液和⼩流量循环的精确控制，但在实际使⽤中发现很难控制循环量，对阀门的稍稍调节就会导致流量的⼤幅度变化，要达到理想的流量，蝶阀的开度很⼩。

⽽流量的差异过⼤造成各电解槽液位波动较⼤，流量波动范围在10～
60L/min ，
⾼出上升管（8～28mm ）。

在阴极板⽔线处产⽣薄铜带，影响产品质量，造成铜的损失，同时还对剥⽚产⽣⼲扰。

在不能找到能同时适应灌液和循环液进液要求的阀门前，分别设置这两种进液管是⼀个好的选择。

５．２残极率
试⽣产期间，同⼀个电解槽的残极重量差异达到了20kg ，在严格的阳极重量公差范围、良好的液位控制和改善的触点清理条件下，残极率有所降低，但还是超过了19%。

⽬前，云铜正在通过提⾼阳极质量、改善电解操作和控制、优化阳极板形状等措施降低残极率。

５．３阳极泥和电解液全部放出
⼀般电解槽的设计都会考虑先将电解槽中上层较⼲净的电解液放出到循环槽中，再将下部约300~400mm 厚的⼀层含阳极泥较多的电解液放出到阳极泥地坑中进⾏过滤，但本设计未考虑电解液的分层放出，⽽是将整槽的电解液全部放到阳极泥系统进⾏过滤，这就使得阳极泥处理系统的能⼒扩⼤了
3倍，
这虽然对减少漂浮阳极泥有⼀定作⽤，但增加了投资和运⾏费⽤。

可考虑在电解槽放液管上增加⼀个⾼位放液⼝来实现电解液的分层放出。

6结语
通过精⼼设计、精⼼施⼯和试⽣产的精⼼准备，
云铜的永久不锈钢阴极电解系统达到了预期⽬标，取得了较好的效果。

表２产品质量表３主要试⽣产数据
序号元素指标序号元素指标1Bi 0.511Pb 12Te 0.512As 13Cd 0.513Sb 14Cr 0.514Fe 15Co 0.515Se 16Si 116Sn 17P
0.517Zn 18S 8.518Ag 5.4
9Mn 1
杂质总计26.410Ni 0.5Cu 99.99736
项⽬指标项⽬指标优质品率,%100蒸汽单耗,t/t-Cu 0.5电解回收率,%99.7阳极周期,d 20电流密度,A/m 2200～260阴极周期,d 10残极率,%19.44电解液温度,℃62±2电流效率,%98.02槽电压,V 0.20～0.22交流电单耗,kW ·h/t-Cu 250.31电解液循环速度,min ·槽30±5
⽔单耗,t/t-Cu 0.129单块阴极重,kg 52
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