铜电解降低残极率的应用研究

曹洪有

（黑龙江紫金铜业有限公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

在铜电解精炼过程中，产出的残极一般返回火法冶炼工序，重新熔铸成阳极。残极率是指产出的残极质量占装槽阳极质量的百分比，它是影响阴极铜加工成本的重要技术经济指标，大多数企业把残极率作为铜电解工序的主要经济技术指标加以考核。残极作为中间物料，在底吹炉、阳极炉、电解三道工序循环，所以残极率越高，返回熔炼的中间物料越多，循环处理量越大，增加了重复冶炼的成本。因此，在保证电解厂正常生产和阴极铜质量的前提下，应尽量降低残极率，降低返回熔炼的中间物料量，降低返炼加工费及金属损失，最终降低生产成本与能耗。

1 降低残极率的效益测算

以黑龙江紫金铜业有限公司电解厂年产15 万t阴极铜项目为例，每年约需消耗阳极板18 万t，残极率每上升1%，就会增加约2 200 t 返熔炼阳极炉的阳极板量（见表1），这些返熔炼的残极需要经过阳极炉精炼和电解精炼后才能变成阴极铜产品。按阳极炉精炼和电解精炼每吨铜加工费700 元计算，残极率每上升1%，就会增加铜加工费用154 万元，这些费用还不包括运输成本及其他财务支出，可见残极率对冶炼成本的影响是巨大的，适当控制较低的残极率能为企业创造更多价值，带来更多效益。如考虑回收率及金、银的加工成本等因素，则节约的费用更加可观。

表1 残极率与返熔炼残极量的关系

2019年10月投产时，电解厂残极率离国内先进指标有较大差距，不利于企业生产成本的降低。2020年1月以来，经过近两年的生产实践，电解厂采取了许多降低残极率的改进措施，至今已取得较大成效，残极率基本控制在14%左右，偏高不稳定的局面得到改善。

2 残极率过高的主要原因和应对措施

引起残极率过高的主要原因有生产计划周期不稳定、电解槽短路率高、入槽阳极板物理规格差、槽时利用率低、装槽质量差、电解槽液位调节不当、设备运行率低、添加剂控制不当等。针对以上主要影响因素，电解厂采取多项应对措施。

2.1 制定详细的生产计划，合理控制通断电时间

电化学反应中，阳极溶解的铜量可以用式（1）计算，从式（1）不难看出，单个电解槽内阳极铜溶解量主要与通电时间和电流效率有关。通电时间越长，阳极铜溶解越多，残极率越低；反之，通电时间越短，阳极铜溶解量越少，残极率越高。可见，影响残极率高低的最直接因素是通电时间，只有合理控制通电时间，才能有效降低残极率。

式中：为阳极溶解的铜量，g；为电化当量，1.1852 g/A·h；为电流强度，A；为电解槽数，台；为通电时间，h；为阳极电流效率，%。

为了合理控制通断电时间，使每个开关的通断电时间一致，差别尽量控制在1 h 之内，保证出槽时残极质量合适，电解厂制定详细的出装计划，使生产作业有序进行，解决了之前生产周期混乱、通电时间长短不一造成的残极率过高问题。

2.2 加强短路处理，提高电流效率

由式（1）可知，电流效率高低反映了电化学反应的效率，如果电流效率为100%，那么残极率的大小只与通电时间的长短有关，而目前阳极电流效率较低，使残极率难以控制。短路是电流效率降低的最主要原因，短路造成电流在电解槽内分布不均匀，电解槽内的大部分电流从短路处流过，而在短路发生部位，阴阳极相连造成阳极不溶解，短路使电流效率下降，造成阴极铜产量下降、阳极溶解变慢，导致残极率偏高。为了提高电流效率，降低残极率，电解厂加强了短路处理。投产初期，员工使用铲子捞粒子，这种方法在液下处理，操作人员无法看清粒子所在部位，极易遗漏粒子，而且其造成阳极泥翻腾，增加了阴极板长粒子的风险。电解厂研发了一种升降阴极板的短路处理设备（见图1），这种设备不依靠单梁吊，也不会与行车作业发生冲突，可根据人员作业情况在槽面上随时使用，设备占用空间小，移动灵活，能耗较低，该方法处理短路更彻底，遗漏更少。

图1 半自动升降阴极板机

2.3 有效改善阳极板物理外形质量，保证装槽阳极规格一致、质量均一

阳极板作为电解生产的唯一原料，阳极板质量的好坏决定了电解生产各项指标的好坏，阳极板的外形质量与残极率有着密切关系，它影响电解槽内一系列化学反应的进行，影响电流密度在阴阳极板上的均匀分布。电解厂根据阳极板的规格标准分析此类参数对电解生产的影响，制定相应措施。

一是安排专业技术人员跟踪每批次阳极板的化学成分变化，阳极板入槽与炉次相对应，跟踪入槽后的生产状况；二是阳极板物理规格定期抽检，并与黑龙江紫金铜业有限公司阳极板规格标准（见表2）做比较，每班对阳极板浇铸质量进行跟踪，发现问题时及时汇报并记录；三是每班检查铣耳质量，对整形后的阳极板进行外形尺寸测量，测量结果记入抽查记录表，并且对入槽阳极垫铜丝数量逐槽记录，查找垫铜丝过多原因，对于阳极板出现的浇铸质量问题，如超重、厚度不均、耳部过厚、板面裂纹、背筋过大、鼓包、夹渣等，及时反馈给精炼工序。通过全员共同努力，阳极板外形质量逐步提高，超重现象明显减少，各种浇铸缺陷明显减轻。阴阳极装槽时及剥片机组出铜时，及时挑出不合格的阴极板，吊至阴极板维修区域；定期对不锈钢阴极板进行抽检，及时修复不合格阴极板，保证满足生产要求。

表2 阳极板物理规格要求

2.4 提升设备运转率，提高槽时利用率

设备运转率低，直接造成生产作业流程停滞，生产任务不能及时完成，槽时利用率降低，作业计划被动地被打乱，导致阳极板通电时间不足，出槽残极率上升。为了提高设备运转率，加快生产作业，提高人员与设备的协作能力，电解厂制定了两项措施。一是加强人员设备操作培训，提高人员设备操作熟练度。二是加强设备的检修和维护力度，减少设备的故障率。通过一定时间的运行，设备的运转率明显提高，同时电解槽时利用率逐月提高，电流效率逐步提高，2021年电流效率首次突破98%。

2.5 加强出装槽管理，保证阴阳极装槽质量

阴阳极入槽的要求是垂直、平行、等距和置中。垂直指的是阴阳极板面与导电铜排保持垂直，平行指的是阴阳极的板面之间保持平行，等距指的是阴阳极板的间距相等，置中指的是阴阳极板对中，中心在一条直线上。阴阳极的位置关系影响电流在极板上的均匀分布和阳极泥的顺利沉降。好的装槽质量能从源头上减少粒子的产生，减少短路数量，提高电流效率，进一步降低残极率。

2.6 合理规划单双极通电时间，控制好总通电时间

第一周期短路情况严重，将通电时间控制得短一些，而第二周期短路情况比较轻，将通电时间控制得长一些。阳极周期总通电时间应控制精确，防止通电过长，残极过残，或者通电时间过短，残极过重，残极率偏高。通过对比短路发生状况，依据目前生产状况，电解厂将第一周期的通电时间控制在205 h 左右，第二周期通电时间控制在230 h 左右，出槽残极率基本可以控制在14%左右。

2.7 加强电解槽液位调节

调节电解槽液位的目的是最大限度地利用阳极板，同时保证阳极周期末期残极板的完整性，尽可能避免残极板断耳现象。所以，电解槽内第一阴极周期和第二阴极周期液位高度是不同的。为了最大限度地利用阳极板，第一阴极周期电解槽内电解液的液位尽量提高一些，一般调节至阳极大面上沿下部2 mm，而为了防止阳极周期末期断耳现象的发生，第二阴极周期电解槽液位调节至阳极板小面上沿上部2 mm。这种第二阴极周期液位下调的方式在电解生产中被称为“留桥”。

电解槽液位调节过低有可能造成出铜时残极上沿较厚，残极率升高；如果液位调节过高，可能导致阳极耳部溶解，残极掉入电解槽内，需要人工捞取，增加了不必要的劳动量。因此，调节电解槽液位是生产中一项重要的槽面管理工作，投产初期，人员操作经验少，电解槽液位调节效果较差，致使产出的残极不是上部过厚，就是上部断耳。为了提高电解槽液位调节质量，电解厂采取两项措施，即加强人员培训和增加槽面液位巡检频次，通过不断培训，人员调节液位的技能水平不断提高，液位调节效果基本达到生产要求。

2.8 调控添加剂加入量，提高阴极铜析出质量

添加剂可以抑制粒子，保证阴极铜析出质量，而添加剂调控不当，影响的是系统内所有的阴极铜。为了减少阴极铜粒子产生，降低残极率，必须合理调控添加剂的加入量。依据添加剂的种类和作用（见表3），电解厂选用适合自身生产工艺的骨胶、硫脲、盐酸和干酪素作为添加剂。工艺人员每日多次到槽面提铜观察析出质量，对比添加剂的加入情况，分析判断并不断总结经验，逐步摸清了最适合本厂电铜的添加剂加入量（骨胶35 ～45 g/t 电铜；硫脲35 ～45 g/t 电铜；盐酸50 ～60 g/L），确定适合本厂电铜析出的添加剂配比，使阴极铜结晶质量得到改善，粒子得到抑制，电解槽内短路整体明显减少。

表3 添加剂的种类及作用

3 结语

经过近两年的生产实践，黑龙江紫金铜业有限公司电解厂从自身生产实际出发，分析了影响残极率的主要因素，提出了一些降低残极率的有效措施。本厂短路率由2019年的2.8%下降至2021年的0.47%，降低了83%；残极率由2019年的22.26%下降至2021年的14.07%，降低了36.79%（见图2）。生产指标得到大幅优化，既满足了企业生产管理要求，又为企业带来良好的经济效益。降低残极率的技术措施还有很多，电解厂将不断探索和改进，不断提高电流效率，降低残极率，提升企业生产效益。

图2 电解厂2019年、2021年平均和2020年1—12月残极率和短路率