范传勇

（紫金矿业集团股份有限公司，福建 龙岩 364200）

1 引言

目前紫金矿业集团已有三家铜冶炼全资子公司，分别为紫金铜业有限公司、吉林紫金铜业有限公司、黑龙江紫金铜业有限公司，其产能分别为年产30 万t、13 万t、15 万t，三家铜冶炼分公司均采用ISA 法电解精炼，即：电解阳极采用可溶粗铜浇铸成的阳极板（铜含量约98.5%～99.7%）［1］、阴极采用不溶的不锈钢阴极板，电解液成分主要为硫酸和硫酸铜的混合液、温度保持在65℃左右，在直流电的作用下，粗铜在阳极电解、失去电子形成Cu2+进入溶液，Cu2+在电流的作用下移向阴极，Cu2+在阴极表面得到电子形成金属铜，并在不锈钢阴极板上沉积，具体反应如下：

阳极：Cu - 2e-= Cu2+

阴极：Cu2++ 2e = Cu

残极率作为ISA 法铜电解中的一项重要技术指标，是各铜冶炼分公司考核电解厂的主要考核指标，直接与员工的绩效薪酬挂钩，因此，针对如何降残极率，电解厂各级管理人员须进行分析讨论、总结有效措施，并落到实处，最终实现降低残极率、提高电流效率。

2 影响铜电解残极率的主要因素

铜电解属于铜冶炼大系统中的精炼部分，是产出阴极铜的最后一道工序，主要岗位有阳极整形岗位、出装槽岗位、槽面管理岗位、残极洗涤岗位、剥片岗位等，影响残极率的因素较多，主要影响因素有单块阳极板的重量、阳极板的物理规格、阳极整形效果、装槽质量、槽面管理质量、电解通电时长、电流效率、电解液杂质等。

残极率（国内外基本控制在10%～20%之间）的计算公式：残极率=残阳极重量/阳极板重量

阳极板重量——指的是作为电解阳极的阳极板重量；

残阳极重量——指的是阳极板经过一定时间电解后所残留的重量。

由于残阳极洗涤干净后需送熔炼厂转炉岗位重熔，然后送阳极炉浇铸成阳极板，阳极板再次送电解厂电解精炼，因此，降低铜电解残极率，相当于减少了返转炉重熔的残阳极，可降低铜金属返转炉、阳极炉重熔浇铸所产生的成本［2］，同时可减少铜金属在返转炉、阳极炉重熔浇铸的回收率损失，最终达到降低公司吨铜加工成本的目的。

2.1 单块阳极板重量

阳极板是由电解厂上游工序、熔炼厂阳极炉岗位生产浇铸的，设计院为公司设计的阳极板单块重量［3］为380±10kg，其中阳极板的两个阳极耳朵合重约16kg（8kg/个）。然而，阳极板的两个耳朵是暴露在空气中、未浸泡在电解液中，悬挂在电解槽两边的铜导电排（或绝缘板）上，起通电作用、不参与电解溶解，因此阳极板的两个耳朵重量是全部计入残阳极重量当中，鉴于此，在保证阳极板悬挂在电解槽中重心不偏移、垂直度不变的前提下，同时确保阳极板耳朵可承受板身重量、不断耳，降低阳极板两个耳朵的重量，是降低残极率最为直接有效的方法，熔炼厂阳极炉岗位通过减薄阳极耳朵厚度、改变耳朵弯曲弧度等措施，可降低阳极耳朵重量，从而实现降低残极率，降低阳极耳朵重量与残极率的关系如表1 所示。

表1 降低阳极板耳朵重量与残极率的关系

在保证阳极板垂直度不变、单块阳极板重量380kg、变薄后的阳极耳朵可承受板身重量的前提下，阳极炉岗位通过多次实验，将阳极板耳朵重量由8kg/个降至6.7kg/个，两个阳极耳朵合计降低了2.6kg，相对应的残极率下降了0.684%。

降低阳极耳朵重量的同时，须确保每块阳极板的重量都在380±10kg 以内，在电解时间一样的条件下，出槽时才能保证每块残阳极都厚薄均匀，根据以往的生产实践，阳极炉岗位圆盘浇铸机不稳定时，阳极板出现厚薄不均，单块重量最高达477kg，最低323kg，重量轻的阳极板会提前电解完，为了避免出现炸槽现象，只能提前出槽、出铜，因此偏重的阳极板未完全电解，导致该批次残极率高达20%以上，熔炼厂通过技术攻关，优化改造圆盘浇铸机称重系统，使阳极板单块重量控制在380±10kg 以内，达到降低残极率的目的。

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2.2 阳极板的物理规格

阳极板的物理规格主要指阳极板板厚、是否存在飞边毛刺、垂直度、是否鼓包等。

根据阳极整形机组的控制要求，阳极板厚控制在38～54mm，根据吊车吊具的可吊范围，阳极耳厚应控制在28～44mm。阳极炉岗位结合电解厂阳极板厚、耳厚控制要求，在保证单块阳极板重量380±10kg 的前提下，应改造、调整阳极板模具［4］，尽量减薄耳厚、加大板厚，提高浇铸水平，做到每块阳极板厚薄均匀，使残极率得以降低。

圆盘浇铸机作业时受铜模温度不均衡、圆盘运转速度控制不到位、铜水含挥发性气体影响，阳极板极易产生飞边毛刺及鼓包现象。阳极板存在飞边毛刺及鼓包现象，一是在装槽的时候容易顶弯不锈钢阴极板，导致阴阳极距离较近电解产生粒子形成短路、或阴阳极接触形成短路（同名电极间距设计为100 mm），致使电流效率降低、残极率升高；二是阴极板不被顶弯的情况下，靠近飞边毛刺、鼓包的阴极板面，由于飞边、鼓包距离阴极板较近，导致局部电流密度过大而长粒子，粒子长大后再接触阳极形成短路，致使电流效率降低、残极率升高。

在阳极板浇铸过程中，若铜模的耳厚与板厚比例不协调，将导致浇铸后的阳极板垂直度不行、悬挂在电解槽中未能与槽面垂直，从而致使阳极板底部与阴极板距离太近形成短路。

因此，控制阳极板的板厚、飞边毛刺、鼓包及垂直度等物理规格，对电解残极率的降低具有较大影响。

2.3 阳极整形效果

由于浇铸出来的阳极板耳朵底部受铜模影响并不是平整的、存在一定的斜坡度，如果不经过任何处理直接装入电解槽，一会导致阳极板悬挂在电解槽里面发生倾斜、不垂直，致使阳极底部与阴极板距离太近形成短路，使残极率升高；二会导致阳极耳朵底部与电解槽导电排发生线接触、影响导电效果、增加电耗，致使电流效率降低、残极率升高。因此，阳极板须经过电解厂的第一道工序——阳极整形，方可装入电解槽电解，阳极整形机组最重要的功能之一就是对阳极耳朵底部进行铣削［5］，将耳朵底部铣削成镜面，一是使阳极耳朵与电解槽导电排产生面接触，增强导电效果、降低电耗，从而降低残极率；二是使阳极板悬挂在电解槽里面不倾斜、与槽面垂直，阴阳极之间不产生短路，从而提高电流效率、降低残极率。

2.4 装槽质量

经过阳极整形的阳极板，通过泡洗槽浸泡去除阳极板表面的铜粉、脱模剂（或直接在电解槽利用电解液循环带走铜粉，前提是未通电的情况下），再安排员工装槽，装槽作业主要有清洗铜导电排、照缸、垫铜丝等工作。阳极板装槽之前，装槽工须用电解液冲洗一遍铜导电排，然后用不锈钢钢丝刷刷一遍，最后用冷凝水将导电排冲洗干净、确保电解液无残留，避免硫酸铜结晶影响导电性。

经过阳极整形机组整形后的阳极板，悬挂在电解槽里面不一定百分百垂直，因此需要安排装槽工对每一槽的新入槽阳极板进行照缸，一旦发现阳极板悬挂不垂直，可利用φ3mm 的铜丝来垫垂直，阳极板垫垂直之后再吊入阴极板，同时装槽工对阴极板进行照缸，确保阴极板在两块阳极板的正中间，减少因阴阳极距离较近引起长粒子而产生的短路，进而提高电流效率、降低残极率。因此，加强装槽管理、确保装槽质量尤为重要，通过将电流效率、残极率指标挂钩装槽工的绩效工资，可提高装槽质量。

2.5 槽面管理质量

阴阳极装入电解槽后，移交给槽面管理岗位，由其负责将电解液循环升温至62～65℃，然后通电开始电解，槽面管理质量的好坏，主要体现在液位控制、添加剂控制、短路处理等三方面，加强槽面管理工作，对残极率的降低起重要作用。

2.5.1 液位控制

按每槽55 块阳极板、54 块阴极板（有效电解面积1010×1029mm）、阳极板380kg/块、残极率14%、阳极板含铜99.4%、电流效率96.5%、电流34700A（对应电流密度309 A/m2）、电化当量1.186g/A·h 测算，计算出新装槽的阳极板完全电解所需要的天数为：

从上述公式可知，阳极板完全电解大概需要18.4 天，一般分两个周期出槽（出铜），第一周期电解9 天，第二周期电解9.4 天。为了降低残极率，在第一周期可以适当提高电解液液位，尽可能地让阳极板板身更多的部位、面积没入电解液当中参与电解，尤其是阳极板板身顶部，在第一周期可让液位与阳极板顶部的模面平齐（浇铸面比模面高2～3mm）；为了残阳极不断耳，第二周期须将电解液的液位下降5mm。通过控制电解第一周期、第二周期的电解液液位，可适当降低残极率。

2.5.2 添加剂控制

铜电解精炼时为获得平整而致密的高纯阴极铜，经常在电解液当中加入适量的添加剂，主要有骨胶、硫脲、盐酸等。合理控制添加剂配比，可有效抑制铜粒子的产生，减少短路，从而提高电流效率、降低残极率，同时可生产出表面光滑、致密的阴极铜。通常骨胶加入量为40～60g/t 铜，硫脲加入量为20～50g/t 铜，盐酸加入量控制在105 g/t 铜左右，阳极板杂质含量较低时，Cl-浓度一般控制在20～50mg/L。

2.5.3 短路处理

短路处理是每个槽面管理班的重要工作，每天分三个班、每班8h，每个班需要用冷凝水冲洗阴阳极导电棒与铜导电排的接触点，每班槽面冲水必须两次（短路处理前后各一次），清除接触点上的硫酸铜结晶，提高导电性、降低电耗。同时，每个班需进行一次短路处理，利用拖表（也叫极板电流检测仪，原理是感应磁场的强弱来辨别是否短路，长粒子短路造成电流密度变大、磁场也变强）查出短路的阴极板，然后用粒子铲清除铜粒子，减少短路率，从而提高电效、降低残极率。为了提高槽面管理工的积极性、杜绝吃大锅饭的现象，可采取分田到户的形式，为每个槽面管理班划分责任区，然后对各班组所挂钩责任区的电流效率、残极率进行月度考核，考核结果与月奖挂钩。

2.6 电解通电时长

根据单块阳极板重量、残极率预估值、阳极板含铜量、电效预估值、电流等数据计算出阳极板完全电解所需要的天数，同时根据新装槽通电日期、扣除第一周期出单极（出阴极铜）的停电时长，预测第二周期出双极（残阳极、阴极铜均出槽）的时间，电解厂应合理安排出槽计划，尽量不提前出双极，提前出双极会导致阳极板电解不完全、残阳极重量偏重，从而使得残极率偏高。同时，槽面管理班对次日需出双极的电解槽，应实时关注残阳极的断耳情况，为了避免发生炸槽现象，残阳极断耳数控制在单槽不超过9 块，一旦单槽断耳超过9 块，须立即停电；为了减少出双极的出槽压力、加快出槽速度、提高槽时利用率［6］，建议出双极的同批次电解槽（一般30 槽）总断耳数不超过35 块。此外，若单槽断耳数不超过9 块、同批次电解槽总断耳数不超过35 块，为了降低残极率，可适当延长电解通电时间。

2.7 电流效率

残极率与电流效率［7］成反比，电流效率越高、残极率越低，反之亦然。考核电解厂残极率，必然同步考核电流效率，电流效率跟阳极板的物理规格、阳极整形效果、装槽质量、添加剂配比、槽面管理质量、电解液杂质等因素息息相关，2019 年其中一家电解厂的电流效率与残极率的关系如表2 所示。

表2 2019 年电解厂电流效率与残极率的关系

从表2 可看出，只要不提前出双极、让阳极板完全电解，那么电流效率越高、残极率就越低，因此电解厂抓残极率指标的同时必须抓电流效率。

2.8 电解液杂质

电解液杂质含量越高，电解液的电阻就越大，使导电率降低，增加电耗、降低电流效率，导致残极率升高。同时杂质含量过高时，将影响阴极铜质量，导致阴极铜化学成分超标、不合格。电解液的杂质主要有砷（As）、锑（Sb）、铋（Bi）、镍（Ni）等，电解液主要成分控制标准如表3 所示。

表3 电解液主要成分控制标准

杂质含量超过上表标准时，电解液需送净液工序脱杂，脱除As、Sb、Bi、Ni 等杂质后，再将净化后的电解液返回电解系统，因此，提高净液工序的脱杂效率，及时脱除电解液中的杂质，避免因电解液杂质超标而长粒子形成短路，对电流效率、残极率的控制至关重要。

3 结语

综上所述，通过控制单块阳极板的重量、确保阳极板的物理规格符合设计要求、保证阳极整形铣削效果、严把装槽质量关、加强槽面管理、适当延长电解通电时间、提高电流效率、有效脱除电解液杂质等措施，可有效降低残极率，减少返回熔炼厂转炉重熔的残阳极，进而降低公司的吨铜加工成本，同时能减少熔炼厂重复粗炼带来的铜回收率损失，最终实现公司效益最大化。