铜电解系统一体化设计及高电流密度生产实践

doi：10.3969/j.issn.1007-7545.2017.11.006铜电解系统一体化设计及高电流密度生产实践俞道明，刘红为（吉林紫金铜业有限公司，吉林珲春133300）摘要：描述了基于一体化设计的铜电解生产系统的成功案例，重点阐述了传统不锈钢阴极电解技术在高电流密度下的生产实践。

实践表明，采用传统永久不锈钢阴极电解技术及一体化的集成设计，具有投资、运行成本、能源消耗低的优势，且产品质量稳定。

关键词：一体化集成设计；铜电解；高电流密度；生产实践中图分类号：TF811 文献标志码：A 文章编号：1007-7545（2017）11-0000-00Plant Practice of Integration Design and High Current Density Production for CopperElectrolysisYU Dao-ming, LIU Hong-wei(Jilin Zijin Copper Co., Hunchun 133300, Jilin, China)Abstract：Successful cases of copper electrolysis production based on integrated design were described. Plant practice of traditional stainless steel cathode electrolytic technology under high current density was elaborated. The practice shows that traditional permanent stainless steel cathode electrolytic technology and integration design have the advantages of low investment, low operation cost, low energy consumption, and stable product quality.Key words：integration design; copper electrolysis; high current density; plant practice自2000年以来，中国铜冶炼行业步入高速增长通道，随着行业的兴盛，涌现出各种冶炼技术，其中，在铜电解领域相继开发出ISA、KIDD、OK（统称为传统不锈钢阴极电解技术），METTOP-BRX等强化电解技术，新建的大工业生产中，始极片工艺彻底出局。

随着METTOP-BRX技术于2011年7月在国内的正式投产，行业内一度将此技术推崇备至，大有将传统不锈钢阴极电解技术淘汰的趋势[1]。

近5年，国内传统不锈钢永久阴极电解工艺设计及生产控制有了长足的进步，实现了铜电解系统的一体化集成设计，阴极电流密度也已迈过350 A/m2的门槛，可以稳定在360 A/m2以上运行，实为铜电解领域的一大突破。

1 铜电解系统一体化设计1.1行业通行做法铜电解生产系统应具备三个基本功能，即电解铜生产功能、电解液净化功能、循环水冷却功能。

之前行业内通行做法是将以上功能分为三栋建筑设计，即电解铜生产厂房、电解液净化厂房、循环水冷却厂房。

由此造成整个铜电解生产系统占地面积较大，工艺布置复杂，生产人员配置较多[2]。

1.2 一体化集成设计将以上三个功能合成在一栋建筑中，使占地面积减少，工艺布置更加优化，生产配置人员更加精简。

运用闭式冷却塔技术取消循环水池及泵房的建设；压缩生产溶液循环及过滤布置区占地面积，将电解液净化系统布置在附跨内；将电解循环水冷却及酸雾净化塔布置于附跨屋面；将电铜成品库、机组加工区、电解槽生产区依次布置于主跨厂房内；将备件库房、综合办公区及控制中心布置于机组加工区附跨。

1.3 优势1）与传统设计方案相比减少占地面积近2 000 m2（以10万t/a铜电解规模为例，且仅为建筑物占地面积，不包括绿化及道路）。

2）厂房建筑更加简单，全部为2层结构，各层地面、楼面、屋面标高统一、美观，利于通行、操作、保温、通风。

3）各工序衔接更加紧密，无室外大型管架及管沟敷设。

收稿日期：2017-06-27基金项目：国家自然科学基金资助项目（51364016）作者简介：俞道明（1983-），男，吉林珲春人，助理工程师.4）厂房只一处酸性废水排放点，可以实现废液的集中、定时排放，日污水排放量5 m3以内。

5）各生产工序整合在一栋厂房后，各功能区之间得到合理的衔接，工艺路线更加流畅、便于管理。

6）设计过程中优化了岗位设置，不仅利于各生产岗位的精简与合并，且减员不增劳，从而实现了电解生产系统真正意义上的集中控制，只需1人即可监控整个生产系统，利于标准化生产和精细化管理。

2 铜高电流密度电解2.1 电流密度电流密度是指在阴极或阳极单位有效面积上所通过的电流强度，在生产实践中，通常所说的是阴极电流密度，在通电面积不变的情况下，要想在单位时间内提高阴极铜产量只有提高电流密度[3-4]，但随着电流密度的增大，面临以下问题：1)槽电压上升，阴极电极电位上升，导致比铜更正的杂质元素更易析出，影响阴极铜质量。

2)线损增加，短路率上升，控制难度加大。

3)阴极附近的铜离子析出速度较快，更易出现阳极钝化现象。

4)易形成疏松金属沉积物，稀贵金属容易机械夹杂于沉积物上，贵金属回收率降低。

2.2 高电流密度下传统不锈钢永久阴极电解工艺重点因素控制2.2.1 工艺参数的控制实践生产表明，电流密度为250~300 A/m2时，电解液含铜45~50 g/L；电流密度高于300 A/m2时，电解液含铜则提高至45~60 g/L。

高电流密度电解液成分中铜离子浓度一般控制在45~55 g/L，酸度一般控制在185~195 g/L，实现高酸电解。

主要指标控制范围：电解液温度45~55 ℃、单槽流量30~38 L/min、极间距100 mm、电流强度40 kA、吨铜骨胶添加量50~60 g、吨铜硫脲添加量40~50 g。

电解液成分控制范围（g/L）：Cu 45~55、H+ 185~190、Cl 45~50、Ni＜18、As＜8、Sb＜0.5、Bi＜0.5、Fe＜3。

2.2.2 电解液循环过程控制在电解过程中，电解液必须不断地循环流通，以保持电解槽内电解液温度均匀、成分均匀、浓度均匀。

当电流密度较高时，应采用较大的循环速度，以减少浓差极化。

但是循环速度过快，又会使阳极泥不易沉降，且造成贵金属的损失增加，有时还会导致阴极质量恶化和板面大量长粒子。

高电流密度下，电解液浓差极化现象更加严重，因此需要选取合适的循环方式。

2.2.2.1 传统电解液循环方式电解液循环方式主要分为上进下出式和下进上出式(如图1)。

本案例前期采用下进上出循环方式，电解液从电解槽一端的进液管导入电解槽的下部，在槽内由下向上流动，从电解槽另一端上部溢流管溢出[5]。

但下进上出式电解槽存在如下问题：1)电解液流动方向基本和极板垂直，溶液不均，循环死区较多，容易造成阴极极化失衡，出现阳极钝化。

2)电流密度提升后，局部板面极化作用增强，但由于循环方式限制，板面极化失衡更加严重，控制难度加大。

3)在高电流密度下，电解槽内部电流分布更为复杂，电解槽内浓差极化现象更为严重，阳极板在生产过程容易出现钝化现象，本案例已对进液底管进行改造（图1c），改造后的新型循环方式较有效地改善了浓差极化现象，阳极板钝化现象基本消除。

图1 几种传统的电解液循环方式Fig.1 several traditional methods of electrolyte circulation2.2.2.2 新式电解液循环方式近些年，随着电解工艺的发展，新式电解液循环方式也层出不穷，主要以平行流为主的新式循环方式应用于生产实践。

但国内大多生产厂家主要采用传统循环方式，若进行大面积技改，成本费用较高。

因此考虑在现有传统工艺基础上进行技术改造，以满足高电流生产工艺需求[6]。

本案例对循环方式进行了较为成功的改进，在传统一端进液一端出液基础上实现了升级，并成功应用于高电流下的电解铜生产作业。

相比METTOP-BRX技术优缺点如下：1）循环系统改造投资较低，可有效改善传统方案的循环死区，满足360~375 A/m2高电流密度对溶液循环均匀性的高要求，且输送泵及管道无需改造，可在短期内达效。

2）整套循环系统部件较少，故障率较低，有利于提高出槽作业效率。

3）添加剂控制范围较狭窄，要求更高控制精确，平行流工艺对于此项有优势，控制范围较宽，但只要控制得当也没问题，A级铜良品率可达99.5%以上。

2.2.3 添加剂控制本案例采用的添加剂有骨胶、硫脲、盐酸，添加剂的配比对于高电流密度比较重要，根据电解液成分、阳极板成分、出槽周期等条件，应较为灵活地调整各类添加剂的用量，以达到对阴极铜质量的稳定控制。

经实践经验可得，电流密度较低时，阴极表面极化作用较为均匀，铜析出过程相对缓慢，容易调整，添加剂用量相对较少，一般骨胶控制吨铜50~55 g、硫脲吨铜40~50 g即可；电流密度较高时，阴极表面局部极化作用强弱偏差较大，铜析出过程相对较快，不容易调整，添加剂用量相对较多，一般骨胶控制吨铜50~65 g、硫脲吨铜45~55 g[7]。

该项目虽已总结出高低电流密度下添加剂配比的调整方案，但仍处于根据电铜析出情况来调整添加剂的配比阶段，与国外铜电解生产系统仍存在一定差距。

2.3 高电密度下传统PC工艺与METTOP-BRX强化电解技术指标对比本案例对各项生产数据与国内某厂采用METTOP-BRX强化电解工艺的生产数据指标进行对比（详见表3），相比于METTOP-BRX技术，传统工艺在采用更高生产电流情况下，直流电耗能够节约25%~30%，A级铜良品率高出近1个百分点以上。

实践证明[8-9]，传统工艺能够实现在较高As、Ni杂质的电解液系统中完成合格阴极铜生产作业。

表3 PC工艺与METTOP-BRX强化电解工艺参数对比Table 3 Parameters comparison between PC process and METTOP-BRX intensified electrolytic process项目传统PC工艺METTOP-BRX强化电解工艺电流槽数360个720个电流强度40 000 A 39 500 A槽时利用率95% 95%在线阴极板片数19 440 38 880阴极有效面积 1.010 m×1.029 m 1.010 m×1.029 m阳极数/阴极数块数55/54 55/54电解液循环方式下进上出平行流吨铜电单耗380~410 kWh 480~550 kWhA级铜良品率99.5%以上98.5%左右残极率15%左右15.5%左右电流效率97.5%以上98%以上短路率1‰~3‰1‰~2‰电解液中杂质含量As 7~8 g/L，Ni 18~20 g/L As 8~10 g/L，Ni 8~10 g/L3 高电密度下传统工艺的优势1）本案例产能由10万t/a，提升至13万t/a，相当于额外增设108个电解槽及配套设备的产能，节约了大量的投资成本。