1987—2013年銅電解精煉操作數據回顧

申美玲 摘譯

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國外工程技術

1987—2013年銅電解精煉操作數據回顧

申美玲 摘譯

1987年，John Schloen發表了銅電解廠操作數據調查與分析一文。繼這篇文章之后，在過去的20多年里，每一屆(1991，1995，1999，2003，2007，2010和2013)科布雷(Cobre)銅電解會議都提交了一系列的銅電解調查。調查中的數據收集和分析主要由William Davenport推動，因此為了向Davenport教授在銅加工領域的貢獻表達敬意，本文對其數據進行了整理和回顧，并且探討了歷史走勢和未來可能的技術發展。

銅電解精煉； 操作數據； 陽極； 陰極； 電流密度; 電流效率； 成分

此文是William Davenport專題報告的一部分。Davenport教授在提取冶金領域的貢獻之一是在許多著作和文章中收集和公布了大量的、重要的銅電解精煉廠的操作數據。這些調查最早由John Schloen在接受Davenport教授的幫助及指導下于1987年發起，從1991年至2013年在每屆銅電解會議中提交并延續。這次回顧檢驗了1987，1991，1999，2003，2007，2010和2013年調查報告中收集的數據，呈現出現代銅電解精煉的演變過程。由于1995年的數據缺少電子版本及時間的限制，本文沒有包括此項數據。

這次回顧的計算中，僅使用離散值。數據以一個范圍的形式呈現，分析時排除了可能的模糊數據。盡管如此，所有的平均值都來自至少10個數據點，多數情況下，如精煉數據，會統計20個以上的數據點。少部分參數，較早期的(1987和1991)調查報告中沒有包含這些數據，因此沒有呈現在數據圖中。

1 陽極

在銅熔煉中，大多數有害雜質如鉛、銻、鉍用氧化法僅能部分去除。2004年王在報道中指出，當白合金和粗銅達到平衡時，這些雜質主要進入銅物相，而雜質在銅物相中很難被去除。王、Kim和Moats在2013年的調查中指出，鑄造的時候，雜質或是與銅顆粒一起留在液相中，或是以氧化物或硒化物顆粒的形式分布在銅顆粒的邊緣。由于原料的來源不同，商品銅陽極的雜質含量波動較大。因此，相比產品中硒、碲、銻、砷含量較高的處理原生銅的冶煉廠，處理再生銅的冶煉廠產品中焊料元素含量較高，如鉛、錫。

過去的25年里，銅精煉用陽極的平均組成示于圖1。值得注意的是，鉍的平均含量增長了約4倍，同時陽極含砷、碲和銀也有所增長。碲和銀能夠從陽極泥中提取，因此它們含量的增長能夠為精煉廠創造更大的效益。銻的平均含量在250～350 ppm范圍內波動。2013年的調查中陽極的平均組成列于表1，表1中其它元素對時間的趨勢沒有做考察。

自1987年以來，陽極重量有了顯著的增長。由于陽極重量的增加可以減少單耗，陽極重量的平均值從1987年的310 kg增長到2013年的380 kg，如圖2所示。

鑒于相同的原因，如果有充足的陽極供應，所有銅精煉廠都期望提高產出率。因此，在過去的26年里電流密度一直在提高(數據稍后提供)。電流密度的增長抵消了陽極重量的增加，導致陽極壽命(或循環時間)縮短的趨勢，詳見圖2。

圖1 1987年至2013年陽極組成的走勢圖

表1 2013年的精煉綜述中陽極組成的平均值 ×10-6

圖2 1987年至2013年陽極壽命、重量及殘極率的走勢圖

從圖2也能看出殘極率下降的趨勢，從>17%降至<14%。應用提高陽極外形的裝置和陽極鑄造重量自動控制裝置，可達到較低的殘極率(<14%)。

2 電解液

在過去的26年里，銅精煉廠電解液的組成一直在變化。圖3闡明了精煉用電解液中銅、砷、銻和鉍的平均濃度。在調查期間，銅的平均濃度大致從45 g/L升高至49 g/L，砷的平均濃度從早期的3.5～4.0 g/L升高至1999～2013年的5.2～6.9 g/L，銻的平均濃度保持在0.3～0.36 g/L的較小范圍內，鉍在電解液中的濃度從0.084 g/L到0.256 g/L，升高較為顯著。電解液含硫酸、鎳、氯的平均濃度基本保持不變，分別為170 g/L，12 g/L和0.044 g/L。

圖3 1987年至2013年銅精煉電解液組成的走勢圖

電解液的溫度也有小幅升高。入口溫度保持在63.1～64.5 ℃，出口溫度從平均的60.3 ℃逐步升高至63.3 ℃。隨著時間的增加精煉廠會保存更多的熱能，所以電解液溫度升幅越大，說明越多的電解槽面被覆蓋。

每個精煉廠都會在電解精煉過程中添加膠和硫脲，添加HCl和NaCl以維持氯含量約～45 mg/L。在調查期間，有30%～50%的工廠會添加阿維同-A。硫脲的平均添加量在逐年增加，從1987～1991年的55 g/t陰極提高至1999～2007年的63～67 g/t陰極，最終提高到2010～2013年的76 g/t陰極。膠的添加量在79～97 g/t陰極之間波動，大體呈下降趨勢。使用阿維同-A的精煉廠，膠的添加量維持在12～29 g/t陰極，大多數調查的平均值為16～19 g/t陰極。

在過去的1/4世紀里，這一調查見證了電解液過濾、離子交換和分子識別技術在除銻、鉍方面的應用，也見證了應用酸凈化單元從精煉廠溶液回收硫酸。

3 陰極

從上世紀80年代后期開始，永久陰極技術逐步取代了始極片技術，這種變化在歐洲和北美尤為明顯。從80年代奧地利的布里克斯萊格(Brixlegg)和德國漢堡的阿魯比斯(Aurubis)，到90年代西班牙的大西洋銅業(Atlantic Copper)、比利時的奧倫阿魯比斯(Aurubis Olen)、德國魯能的阿魯比斯(Aurubis Lunen)、瑞典的布利登謝萊夫特奧(Boliden Skeleftea)。在北美，美國懷特派恩(White Pine)、加拿大基德溪(Kidd Creek)、美國肯尼科特(Kennecott)、加拿大蒙特利爾(Montreal)、美國塞浦路斯邁阿密(Cyprus Miami)使用的均為永久陰極技術。自2000年后最近的替換包括智利的丘基卡馬塔(Chuquicamata)、巴西的巴拉那帕內馬(Paranapanema)、芬蘭的波里布利登(Boliden Pori)和獨聯體的Uralelektromed(CIS)。

圖4 1987年至2013年電積時間與生產率的數據

永久陰極技術在今天已經成為新建銅精煉廠的工業標準和典型工藝。永久陰極技術能縮短陰極周期(見圖4)、提高電流密度(見圖5)、提高電流效率(見圖5)、改善陰極質量(見圖6)，最終提高了精煉廠的生產率。從始極片技術到永久陰極技術，精煉廠的平均電流密度從1987年的235 A/m2提高到2013年的313 A/m2。較高的電流密度和永久陰極技術使得平均電積時間從1987年的10.7天減少到2013年的8.4天。過去的26年里，隨著操作工對永久陰極垂度和硬度的經常性檢查，平均電流效率從94.1%升高到96.3%。單位產品能耗基本保持不變，因為電流效率的升高大致抵消了由于電流密度較高而導致的槽電壓的升高。從1987年到2013年，單位產品的能耗保持在305～358 kWh范圍內。陰極質量是眾多因素作用的結果，如陽極組成、添加劑、電解液組成和陰極技術。在過去的20多年里，盡管陽極雜質率升高、陽極重量增長、殘極率下降，精煉廠還是有能力維持或者提高陰極的質量，尤其是陰極中Sb、As和Fe的平均含量在下降。

圖5 1987年至2013年電流密度、電流效率(C.E.)、槽電壓和電能耗的數據

圖6 1987年至2013年陰極成分的走勢

4 未來的趨勢

銅精煉技術未來的發展趨勢集中在自動化、高電流密度和連續檢測方面。從塑料襯里的混凝土槽發展到聚合物混凝土一體槽用了30多年時間，這一變化使得電解槽能夠整合更多技術，如電極處理自動化、高電流密度技術和連續檢測技術。

能夠完成大批量陽極制備、陰極碼垛和剝片任務的高速機器人推動了電極處理自動化的發展進程。無人自動行車吊運電極起落，已經完全整合進入精煉廠的自動管理系統。

電解液平流技術(METTOP-BRX)使見諸報端的最大電流密度值持續提高。Moats等人在2013年提交的綜述中，報道了布里克斯萊格Montanwerke的400 A/m2電流密度即采用了此項技術。作者也提到祥光銅業使用的420 A/m2電流密度同樣也采用了電解液平流技術。銅精煉廠用降低資金成本和提高生產率來抵消高電流密度帶來的高耗能。電流密度提高的極限值與陽極組成和鈍化有關。

連續檢測為精煉廠提供了實時數據，如奧圖泰(Autotec)稱作高效生物傳感器(Cellsense)的無線槽電壓、溫度監視技術能夠及時檢測到電極短路或鈍化。這項技術將繼續推動精煉廠自動化水平和高電流密度技術。

最后，銅精煉廠最初的電解槽使用的是鑄造或軋制鉛合金陽極，現在使用的是鈦陽極，例如奧圖泰的鈦涂層陽極技術。利用這項技術，可以杜絕銅陰極被鉛污染，取消處理電解槽鉛泥的工作，從而去除電解車間鉛的影響。鈦陽極技術還可以通過降低槽電壓和提高電流密度達到節能的效果。

略)

蘇平校對
摘自 Conference of Metallurgists Proceedings 2014

中國恩菲又一科技成果達到國際領先水平

中國有色金屬工業協會組織專家組成員在緬甸達貢山鎳礦項目現場，對中國恩菲與中國有色集團共同完成的“紅土鎳礦生產高品位鎳鐵關鍵技術與裝備大型化研究”項目進行了成果鑒定。鑒定結論是：整體技術達到國際領先水平。

達貢山鎳礦工程是中國恩菲承擔的在國內外有重要影響的大規模紅土礦開發和鎳鐵冶煉綜合工程。工程自2004年初啟動，2008年底中國恩菲完成了實施版基本設計，2012年10月1#電爐投產，2013年7月底2#電爐投產，2013年12月通過緬甸政府組織的功能性驗收，2014年轉入工業化運行。

達貢山鎳礦的開發，通過自主創新與集成創新相結合,突破了我國紅土鎳礦生產高品位鎳鐵領域一系列關鍵技術，完成了鎳鐵冶煉主體裝備大型化開發，實現了節能、安全和環保的綜合生產效果。這一研發成果引領了國內鎳鐵冶煉技術發展方向，改變了中國鎳鐵冶煉格局。

該研發項目首創了管狀帶式運輸紅土礦技術，解決了達貢山礦區高落差、遠距離、復雜地形的原料輸送難題，大大降低了運輸成本；開發了Ф5.5 m×115 m大型紅土礦預還原回轉窯，實現了紅土礦在窯內高效選擇性預還原，提高了電爐生產效率；開發了高溫焙砂輸送的機電一體化技術，實現了高溫焙砂輸送過程中的保溫、環保與自動化，提高了生產效率；開發了機電一體化的72兆伏安紅土礦礦熱電爐，并首次采用銅水套立體冷卻技術，實現了大型紅土礦礦熱電爐全封閉、高電壓操作、全自動化控制；首創了鎳鐵精煉噴吹與化學升溫技術，形成了鎳鐵精煉新工藝，實現了有選擇地進行脫硫、脫硅、脫炭、脫磷等工序，生產出高品質鎳鐵。

(中國恩菲工程技術有限公司， 北京 100038)

A review of copper electrorefining operating data——1987 to 2013

Translated selectively by SHEN Mei-ling

In 1987, Jonn Schloen published a survey and analysis of copper electrorifining tank room data. Following this paper, a series of copper electrorefining suvery have been conducted and presented at each of the Copper-Cobre meetings over the past 20+ years (1991, 1995, 1999, 2003, 2007, 2101 and 2013). For each of these surveys, William Davenport has been key driving force in the collection and analysis of data. To honour Professor Davcenport’s contribution to copper processing, a review of the data was conducted. Historic trends and possible future technologies are discussed.

copper electrorefining; operating data; anode; cathode; current density; current efficiency; composition

申美玲(1982—)，女，山西太原人，碩士，從事有色冶金設計工作。

2015- 09- 15

TF811

B

1672- 6103(2015)06- 0001- 04