永久不锈钢阴极板使用实践

吴万华

（紫金铜业有限公司，福建 龙岩 364200）

300 kt/a铜冶炼项目由中国瑞林设计院设计，第一期200 kt/a于2012年年初建成投产，2015年挖潜增效至300 kt/a。其中配备960槽电解槽、两台进口电解专用吊车、一台进口阳极整形机组、两台国产阴极铜剥片机组、一台国产残极洗涤机组、进口不锈钢阴极板38 880块、国产阴极板14 310块。阴极板的性能直接影响阴极铜的质量，其中阴极板的导电率直接关系着电解的槽电压，进而影响铜电解的交流电耗等关键技术经济指标。该项目不锈钢阴极板使用年限近6年，其间主要存在阴极板悬垂度变差，表面平整度、光洁度及导电性能变差等问题。

1 阴极板结构及性能介绍

为了避免传统始极片不平整给产品质量带来的不利影响，1978年澳大利亚艾萨公司的汤韦尔铜冶炼厂通过不断创新和实践，探索利用刚度和韧性较好的不锈钢板替代传统始极片作为阴极，极板的平整度大大提高。电解时，铜直流电在作用下在不锈钢阴极上不断析出，沉积到一定厚度后在剥片机组将阴极铜剥离作为产品，不锈钢阴极板则重新返回电解槽中继续重复使用，开创了永久不锈钢阴极铜电解技术。该技术省去了始极片的生产工序，缩短了工艺流程，大大提高了生产效率，有效降低生产成本。不锈钢作为铜电解精炼的阴极板，已经成为一种趋势，也逐步推广。不锈钢阴极板根据导电棒类型可分为钢包铜不锈钢阴极板和铜包钢不锈钢阴极板。本项目采用的阴极板为钢包铜不锈钢阴极板，其结构如图1所示，其制作过程主要有以下步骤[1]。

图1 不锈钢阴极板结构

（1）将阴极铜熔炼浇铸成铜方坯，并将方坯挤压成实心铜棒；将不锈钢无缝圆管辊压形成与铜吊棒合适的形状；通过冷挤压复合的方式使无缝不锈钢管与紫铜棒复合成型至设计尺寸大小，并紧密结合，然后切割成阴极板所需的最终长度，制作成钢包铜复合导电梁；不锈钢包铜复合导电梁上局部铣出榫槽，两端底部铣出紫铜，并成一定圆弧。

（2）将不锈钢板裁剪至设计尺寸，不锈钢顶部剪两个吊装用窗口，底部铣削90°倒V型槽；将平整过的不锈钢板榫头压入槽中，使不锈钢板直接与导电梁紧密接触；用氩弧焊接的方式将不锈钢板与复合导电棒不锈钢套袖包裹焊接在一起以避免电化腐蚀；安装夹边条，使其与阴极板紧密贴合；挂吊检验装配后的悬垂度，并在导电棒上打上产品钢印。

2 阴极板使用过程出现的问题及原因分析

极板的悬垂度和平整度对保持极板电流的均匀分布及电流效率作用极为重要[2]。阴极板的平直不容易引起极间短路，可以提高电流效率和电流密度，进而提高产量和阴极铜质量。悬垂度差的阴极板则会导致电流分布不均，严重时会产生极间短路和阴极铜长粒子的质量缺陷。目前，阴极板在使用过程中主要存在导电棒变形、板面变形与划痕等问题，主要是由以原因造成的[3]。

使用剥片机组剥离时，不锈钢阴极板在挠曲工位受到松板机构的反复挤压和弯曲，特别是板两侧挠曲行程不一致时对板面损伤更大；切刀、砍刀、分离刀定位位置出现偏差将板面划伤，或操作不当使不锈钢阴极板产生应力集中而出现弯曲和波浪状变形等；电解专用行车吊运阴极板下槽时与阳极板飞边发生碰撞，导致板面弯曲；夹边条老化松动或缺失，电解液液位偏高没过窗口，导致阴极铜两面连在一起，导致铜板难剥离或无法剥离时，采用电镐或凿刀强行将其剥开导致板面损伤；夹边条夹紧装置压边行程过大或压力过高，阴极板晃动定位不准出现斜挤压，导致板面变形。不锈钢阴极板使用时间越久，不锈钢阴极变形越严重，数量就越多，当阴极板板面平整度和悬垂度＞5 mm时，为了避免极间短路和长粒子，必须将不合格阴极板挑出修复。

阴极铜的剥离难易程度主要取决于阴极铜与阴极板的结合强度。结合强度高，阴极铜不剥离或难剥离，损坏阴极板且影响剥片效率；结合强度小，阴极铜在行车起吊或机组洗涤时易开裂脱落甚至掉在槽内，容易造成物体击打安全事故和增加工作强度。阴极铜和阴极板的结合强度主要取决于不锈钢阴极板表面光洁度。因此，表面光洁度要求在2B水平，既保证阴极铜不易脱落，又保证在剥片时易剥离。使用过程中由于板面长期浸泡在电解液中，板面容易结垢，主要附着不导电物质，如有机胶、砷锑铋化合物、硫酸钡、硫酸钙等，使得板面导电性能下降。此外，随着使用年限的加长，大多数导电棒密封铜套松动或缺失，不锈钢套与铜棒出现分层现象，导电棒内部渗入电解液，极板底部与阴极导电端之间电阻增大，导电率不理想，导电棒往阴极板传递电流的性能下降。在电解第二周期时，阳极板逐步溶解，板身变小，阴阳极平行面积变小，根据库仑定律E=KQ/r2，其中Q为场源电量，r为距场源中心距离，因此，阴极板底部附近电场强度很小甚至没有，导致阴极板底部不发生电化学反应吸附铜，阴极铜长的不饱满，出现花板，影响阴极铜外观质量。

3 应对措施及取得的效果

目前，阴极板容易出现悬垂度变差、表面不平整、光洁度变差等问题。首先要从源头抓起，通过对机组不断调试和改进，确保机组处于良好运行状态，有计划进行预防性维护保养，杜绝设备带病运行。其次，加强运行人员培训，提高员工操作技能，规范标准化作业，避免违规和野蛮操作导致损伤阴极板。还有加强阳极板质量控制，及时发现剔除阳极板飞边，通电前调整好电解槽液位，及时更换老化松动夹边条等，避免阴极板损伤。阴极板必须悬挂放置，不得立在地板或叠在一起使得阴极板弯曲，此外应避免阴极板长时间浸泡在电解液中。

对于阴极板变形，悬垂度变差的阴极板一般修复即可。不锈钢阴极板的修复方法一般分为校平机修复和人工修复。修复完毕悬挂在专用工具上，测量阴极板的垂悬度并记录，要求导电棒直线度≤2 mm，板面平整度≤±3 mm，对角线≤±3 mm，不锈钢阴极板板面与导电端头导电平面垂直度（悬垂度）≤±3 mm。

表面光洁度不理想问题可以通过人工打磨抛光或刷光机得到恢复。首先将夹边条取下，用专用铲子去除阴极板板面未剥净的铜，去除表面毛刺与铜粉，用角磨机将板面附着的不导电结垢去除，使用角磨机时应用力均匀。为了避免损坏阴极板，打磨必须使用特种纤维轮，不得用硬质的砂轮。要求修复后的板面光滑、无划伤等缺陷，板面光洁度恢复至2B。针对导电棒密封性能下降、电解液渗入导电棒内部问题，可在导电棒两端空隙注入导电胶或氩弧焊，一是起密封作用，阻碍电解液进一步渗入导电棒，引起电化学腐蚀；二是增加导电性，提高导电棒与阴极板之间的电流传递性能。而针对第二周期阳极板板身变短、阴极板底部电场强度减弱、阴极铜吸附不饱满问题，可适当加长阳极板板身长度，使得阳极板平行面积加大，提高电解电流强度，以提高阴极板底部电场强度和阴极铜质量。

夹边条夹持力不足，对极板夹持密封不严导致阴极铜两边缘长花瓣，可定期更换夹边条和在剥片机组受板链工位增加夹边条夹紧装置。此外，应避免阴极板长期高温浸泡，降低洗涤水温度以提高夹边使用寿命，降低夹边条更换率。

通过有计划的精细化管理和员工标准化作业，阴极板性能得到很好的改善，悬垂度和板面光洁度完全满足工艺要求，生产的阴极铜完全符合A级铜标准，成功在上海金属交易所和伦敦金属交易所注册，并畅销海内外市场。

1 郭忠诚，薛方勤，朱晓云，等.铜电解精炼耐用型不锈钢阴极板的制备方法：中国，CN02113351.4[P].2003-02-26.

2 孙小亮，李华武.永久不锈钢阴极板修复及悬垂度检验方法[J].有色冶金设计与研究，2017，38（1）：20-23.

3 潘新权，赵荣升，吴文明.KIDD工艺阴极板变形原因探究与治理[J].铜业工程，2011，（2）：30-32.