吴彬，赵荣升，李敬忠

(金隆铜业有限公司，安徽铜陵 244021)

金隆永久不锈钢工艺电解生产实践

吴彬，赵荣升，李敬忠

(金隆铜业有限公司，安徽铜陵 244021)

介绍了金隆永久不锈钢工艺(KIDD法)电解设计概况，阐述了投产至今的生产情况，着重讨论了阴极铜质量的控制与提高，摸索并总结出了一套稳定金隆永久不锈钢工艺电解指标的运行方式。5年生产实践表明:金隆永久不锈钢工艺电解是一种工艺先进、成本低廉的铜电解技术。

永久不锈钢;铜电解;KIDD法;生产实践;阴极铜

1 引言

金隆铜业公司自1997年投产之初，就以打造国际一流的铜冶炼企业为目标。面对日趋激烈的国际竞争，2005年7月，公司决定通过提升关键技术，最大限度挖掘现有设备潜力，通过适当资金投入，对生产环节和设施进行必要的技术改造，以进一步提升公司核心竞争力。2006年3月金隆35万t熔炼改造以及20万t电解扩建工程正式开工，该项目被列入安徽省“861”行动计划，为安徽省政府直接调度的20个重大项目之一。

永久不锈钢阴极(PC)电解铜技术最早是由澳大利亚Mount Isa公司汤斯维尔冶炼厂于1978年研制成功，称为艾萨(ISA)电解法;1986年加拿大鹰桥公司Kidd Creek冶炼厂开发出了另一种不锈钢阴极生产工艺，即KIDD法;2004年芬兰Outokumpu公司开发的OT不锈钢阴极法也投入了工业化。公司通过考察和论证，认为KIDD法在阴极成套剥片技术的开发与利用上优势明显，决定扩建的20万t阴极铜项目按KIDD法电解设计施工。项目投资建设分两期进行:2007年6月1日前完成一期(PCI系统)，2008年6月1日前完成二期(PCII系统)，同期对净液系统进行必要的改造，以匹配扩建后的电解生产［1－2］。

2 设计概况

2.1 厂房配置

厂房采用一主跨二附跨设计，主跨为电解生产主厂房，长360.4m，宽33m;附跨为循环与控制系统，长132m，宽15m。主厂房中部为机组作业区，自西向东分别为机器人剥片机组、残极洗涤机组、阳极加工机组和全沉积剥片机组。机组作业区将主厂房分成同等配置的两个系统(PCI和PCII)，每系统按5系列×4组×18槽设计，高位槽设置在附跨+6.6m平面，低位槽设置在附跨－3.0m平面，加热器、压滤机及添加剂系统置于附跨+5.0m平面。

2.2 设计参数

PC电解设计参数见表1。

2.3 设备选型

PC电解设备选型立足于国内，关键设备选型从芬兰、加拿大等国引进。主要设备选型见表2。

表2 PC电解系统主要设备

3 生产概况

金隆不锈钢工艺电解一系统于2006年3月正式动工兴建，2007年5月底完工，同年6月1日投入试生产;二系统于2007年6月正式动工兴建，2008年5月底完工，同年6月6日投入试生产。

图1 金隆PC电解生产情况

金隆不锈钢工艺电解设计总能力为20万t/年，投产情况如图1所示，2007年6月，一步10万t/年的PCI系统投产，在电流密度270A/m2的条件下，首月产出3.2kt合格阴极铜。三个月后，将电流密度控制在300～310A/m2条件下生产，第四季度满负荷360槽通电，同时克服了机组、行车等设备调试对生产影响的困难，实现半年5.5万tPC阴极铜生产。2008年，金隆根据生产情况，采用经济电流密度278A/m2条件生产，实现日均397槽通电，完成PC阴极铜近12万t。2010年10月，第二台阴极剥片机组投产，这标志着20万t电解扩建工程项目全部完成。2011年，PC电解开展高电流密度生产及经济技术指标优化工作，一方面将电流密度从278A/m2稳步提高至302A/m2，另一方面优化各项经济技术指标，不断推动KIDD法电解技术进步，目前PC阴极铜优质品率已达99%以上，合格品率100%［3］。

4 PC铜质量控制与提高

金隆电解秉承多年"多元均值控制"理念，严格控制电解各道工序运行过程，建立各项指标参数跟踪监控机制，在投产前做足充分的开车准备，因此，产出的阴极铜均优于GB/T 467－1997的高纯阴极铜标准［4］。但在板面物理外观上，先后出现了气孔、结晶粗糙、长粒子情况，针对出现的问题，金隆电解集中全公司资源开展攻关工作，通过基础数据分析，逐步排查可疑操控部位，从而在PC阴极铜质量控制方面取得了显著的成效。

4.1 气孔治理

阴极铜表面气孔的形成通常是电解液在循环过程中带入了大量空气，空气未能充分逸出而以过饱和状态流入电解槽，过饱和气体除部分被比表面较大的阳极泥吸附外，另一部分在阴极表面围绕气相核心逐渐长大，长大后的气泡排开周围的电解液形成绝缘点，造成该处断路形成气孔点。

自2007年6月1日投产后，PC铜表面气孔时有时无，时重时轻，到2008年2月初，阴极铜表面气孔呈现严重的趋势，表现为:阴极铜表面的中上部分布着密密麻麻的气孔，部分老的气孔愈合，另一部分又生成新的气孔，甚至老气孔愈合后的表面上又生成新的气孔;气孔愈合后凸出阴极铜的表面，形似粒子;气孔的直径大小不一，大的达到3mm左右，小的像针尖一样。

针对PC铜表面气孔严重影响优质品率的状况，一方面通过排查消除系统进气部位，另一方面增设曝气装置加速系统排气。截止2008年12月，PC铜气孔问题得到了有效的解决。具体解决办法见表3。

表3 气孔治理方案汇总表

4.2 细化表面结晶

阴极铜表面结晶粗糙是由于阴极沉积物的晶面取向发生改变［5］，导致沉积不致密、疏松，引起阴极铜的表面坑坑洼洼，结晶成多面棱形体，棱形面发亮。铜的结晶粗糙不仅与流量、温度、电流密度有关，还与电解液组成和添加剂配比、吨铜耗量有关。金隆PC电解生产实践表明以下几个方面容易导致阴极铜结晶粗糙:

(1)节流孔板堵塞:阀门的节流孔板堵塞或半堵塞导致循环流量无或偏小，若电解槽继续通电，则导致阴极附近铜离子贫化，阴极浓差极化增大，阴极铜结晶粗糙。

(2)电解液温度过低:电解液温度严重低于控制标准(61～64℃)，一方面导致电解液粘度增大，引起槽压上升;另一方面削弱了铜离子的扩散速度，导致两极浓差极化增大，从而导致阴极铜沉积疏松引起结晶粗糙。

(3)电流密度分布不均:阴阳极板悬垂或极距排列不均，引起局部或单面电流密度偏大，电铜易形成结晶发亮状况，由于铜酸自分层现象存在，结晶粗糙多见于阴极上部和液位线。

(4)添加剂配比不当:当生产条件发生变化，添加剂要及时跟进作对应调整，若延误或错误判断调整方向，则会恶化电铜表面结晶。

采取的措施有:

(1)加强各班组生产管理和操作，重新修订了工艺参数标准和相关SOP操作，实行生产工艺参数检查汇报制度，确保流量、温度、极距等工艺参数在内控标准范围内。

(2)定期校验及增加检测监控设备，保证采集数据的准确可靠，如在高位槽区域增加温度检测装置，对各区域流量计定期检查，各高低位槽实际液位比对校验等。

(3)加强设备的管理及维护，在原有的基础上，细化设备类别，分级分区点检设备，发现问题及时维修，建立健全各类设备台帐。

(4)通过霍尔槽试验和相关性分析方法获取添加剂配方、参照东予工场添加剂调整原则分步分期观察并修正配比，充分发挥添加剂拓宽铜电解生产的电化学窗口作用。

4.3 消除电铜粒子

阴极铜板面粒子从形成原因方面可分为三类:固体颗粒附着、添加剂配比不当、局部电流密度过大［6］。固体颗粒附着的粒子铜根据形成的条件分为氧化铜粉粒子、悬浮物粒子、阳极泥粒子及硫酸铜过饱和引起的粒子等。添加剂配比不当引起的粒子与胶量加入关系密切，实践表明:胶量偏多铜板面会出现稀散粒子，严重会出现局部密集性粒子，粒子为圆形或拖尾圆形，部分圆形粒子上又长成尖头棱形，看上去闪闪发亮，胶量偏少，粒子与铜的基面接触不大，短路处理时容易击落，顶端开花，另外氯离子含量若偏多，阴极板面容易生长针状粒子。局部电流密度过大容易形成局部密集性粒子，若阴极有卷边或卷角还容易引起阳极泥粒子。

金隆PC投产之后，先后出现过氧化铜粉粒子、悬浮物粒子、局部密集性粒子。其表现和解决措施如下:

(1)氧化铜粉粒子

2009年1 0月，PC铜在通电的前两天出现密集圆头小粒子。分析发现:该特性粒子铜主要集中出现在极距较小的前半周期铜上，后半周期铜上却很少出现;同时监控数据发现对应的阳极板含氧量均在2000～3000ppm。说明这种粒子容易在小极距阴极上产生，同时对应的阳极板含氧量偏高，因此基本可以判定为氧化铜粉粒子。采取的措施有:将阳极板含氧量控制在内控标准范围内(2000±200 ppm);延长新装槽阳极板在电解液中的循环时间1～1.5h。

(2)悬浮物粒子

悬浮物粒子主要是由漂浮阳极泥造成，漂浮阳极泥一般认为是由砷锑水解的三价离子及其氧化的五价离子形成酸根，铋离子与砷(锑)酸根离子结合形成SbAsO4、BiAsO4、BiSbO4等絮状物质。当锑铋浓度大于0.5g/l，漂浮阳极泥就极易发生，机械粘附于阴极铜表面。采取的措施是过滤电解液，控制锑铋浓度在0.5g/l以内，同时适当提高电解液温度，对已出现的悬浮粒子进行人工清除。

(3)局部密集性粒子

金隆PC电解局部密集性粒子主要为添加剂配比和局部电流密度过高引起。采取的措施主要是保证装槽后阴阳极悬垂均匀，从而保证电流密度分布均匀;添加剂配比是否合适主要看局部密集性粒子形状，一般来说胶量过多粒子与板面附着面积较大，粒子形状呈宝塔叠加，新装槽阴极上沿结晶发亮。另外需注意电解液氯离子浓度，防止沉降不佳引起边角阳极泥密集粒子。

5 主要指标

金隆PC电解自2007年投产以来，经历了短路率高、电流效率低、电铜表面气孔多、设备故障率高，槽时利用率低等系列影响电铜质量和产量的问题，针对上述问题，公司一方面强化各项日常数据的跟踪与分析，另一方面成立专项课题攻关小组开展研究。截止2011年底，金隆PC电解电流密度提至302A/m2，年产阴极铜超22万t，优质品率为99.7%，电流效率高达99.5%，吨铜电力单耗310kwh/t以内(不含净化)。

由图2可知，金隆PC电解生产主要指标较为平稳，但也发生过两次明显的指标波动，一次发生在2007年投产初期，一次发生在2010年一季度，经过分析总结，我们认为稳定PC电解指标需要做好以下几个方面的管控工作:

(1)加强和提高添加剂配比与操作管理水平

添加剂系统是电解铜质量控制中的一个关键点，我们有针对性的建立和完善了一套添加剂操作管理制度，并对添加剂系统进行了升级改造和技术优化。管理制度方面包括建立添加剂调整范围、调整频率和调整权限，完善操作要点和增加突发情况应对;升级改造包括添加剂系统保温处理和管线改造;技术方面开展霍尔槽试验，引入电铜质量与添加剂配比计算方法。

(2)加强阳极板和电解液杂质成分监控

金隆PC电解生产实践表明，阳极板杂质需要重点监控As、Sb、Bi、Ni、Pb、O，这些杂质超过一定标准将显著改变电解液的性状，一种情况是引发阴极表面产生多种类型粒子铜，另一种情况则容易引起槽压上升，阳极钝化问题。除上述杂质外，电解液杂质还需特别关注Fe、Ca成分变化，事实上，由于它们在火法精炼中较容易脱除，只要控制得当，阳极板并不是造成Fe、Ca成分波动的主要因素，反而是槽下含Fe、Ca的检修材料值得注意防范。

图2 金隆PC电解生产主要指标

(3)推行细化操作与管理

PC电解投产后，虽然我们的工作计划性较强，也制定了完善的技术与管理标准，但检查督促不够，往往出现计划与落实脱节，标准执行没有完全到位。2010年，我们率先在出铜班推行工序操作细化考核试点工作，将工序操作质量落实到每位员工，纳入当月绩效考核。此外，实行工艺参数标准检查制度，由课工程师定期对关键控制点进行检查考核。同时进一步完善生产报表体系，强化电铜各项数据的跟踪与分析，对生产数据的准确性和时效性做出新的要求，便于第一时间提示生产做出调整。

6 结语

经过近5年生产实践，金隆永久不锈钢工艺(KIDD法)电解被证明是一种工艺先进、成本低廉的铜电解技术。在逐步攻克影响电铜质量和产量问题的过程中，金隆人较好的吸收和掌握了KIDD法电解技术特点，实现了产量质量双达标，部分关键指标远远超过设计值，具备明显的国际竞争优势。展望未来，永久阴极法技术电解将是未来电解精炼发展的趋势之一，通过吸收消化技术与管理条件，克服制约产能提高过程中的瓶颈，并不断进行自主技术创新应用，可以相信，金隆电解一定可以为中国铜电解技术发展做出积极的贡献。

［1］南昌有色冶金设计研究院.金隆铜业有限公司35万吨熔炼挖潜改造及20万吨电解工程初步设计(第一卷)［R］.安徽铜陵:金隆铜业有限公司，2006:195－196.

［2］黄辉荣.金隆公司20万吨电解工艺方案论证与选择［J］.有色金属(冶炼部分)，2007(1):2－8.

［3］吴彬.金隆PC电解生产实践［R］.安徽铜陵:金隆铜业有限公司，2010:6.

［4］吴文明.探讨提高阴极铜品质的途径［J］.矿冶，2007，16(2): 52－54.

［5］鲁道荣，李学良，林建新.砷锑铋对阴极铜沉积过程的影响［J］.应用化学，1998，15(2):56－59.

［6］彭容秋.铜冶金［M］.长沙:中南大学出版社，2004:245－249.

Plant practice of Jinlong Permanent Stainless Steel Cathode Technology

WU Bin，ZHAO Rong－sheng，LI Jing－zhong
(Jinlong Copper Co.Ltd.，Tongling，Anhui 244021，China)

This paper gives the introduction of design overview of Jinlong permanent stainless steel electrolysis process，and describes of production situation since it started，emphasizing on the quality control and improvement of copper cathode.It explores and summarizes the operation mode of stabilizing the index of Jinlong Permanent Stainless Steel Cathode Technology.Five years of production practice shows that the process of Jinlong permanent stainless steel electrolysis is an advanced technology and low－cost copper electrolysis technology.

permanent stainless steel;copper electrolysis;KIDD method;plant practice;copper cathode

TF831

:B

:1009－3842(2012)04－0005－05

2012－05－13

吴彬(1981－)，男，安徽铜陵人，工学硕士，主要从事铜电解生产技术工作。E－mail:wubin@jinlongcopper.com