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清潔高效銅電解新技術及其攻關

時間:2020-02-17 來源:有色金屬(冶煉部分) 作者:魏棟,劉士祥,董廣剛 本文字數:4647字

  摘    要: 敘述了祥光清潔高效銅電解新技術的應用狀況。就該技術實現的理論基礎、工藝設計參數、車間配置、工藝技術攻關及指標比較等情況進行了詳細的闡述,與常規銅電解技術的技術經濟指標相比,該技術在清潔高效方面體現出了明顯的優勢。

  關鍵詞: 清潔高效; 銅電解; 高電流密度; 參數; 指標;

  Abstract: Application status of Xiangguang clean and high efficient copper electrolysis technology was described.Theoretical basis,process design parameters,workshop configuration,process technology research and index comparison were described in detail.Compared with conventional copper electrolysis technology,this technology shows obvious advantages in cleaning efficiency.

  Keyword: clean and efficient; copper electrolysis; high current density; parameter; index;

  銅電解過程生產中,電流密度決定銅電解槽的生產能力。目前國內銅冶煉企業的電解生產中,永久不銹鋼銅電解工藝可使電流密度達到280~320A/m2,也是國內大型銅冶煉企業普遍采用的常規電解工藝。但要進一步提高銅電解槽的生產能力,則需提高更高的電流效率和電流密度。陽谷祥光銅業有限公司(以下簡稱祥光銅業)電解二期采用清潔高效的銅電解新技術,生產至今運行一直比較穩定。與常規電解相比,在同樣720個電解槽的情況下,該工藝電流密度能夠達到385~420A/m2,陰極銅產能可提高50%。

  1 、清潔高效銅電解新技術

  金屬電解過程中,金屬析出的量遵循法拉第定律,在已有設備參數條件下(即一定的電積面積條件下),要想提高電析出的銅量,只有提高電流密度[1]。當其他條件一定時,降低擴散層厚度是提高電流密度的唯一途徑,而減小擴散層厚度最有效的方法就是提高電解槽內電解液的流動速度。

  祥光銅業在追求高產能、高品質的基礎上,更加注重清潔、高效、環保、節能的生產新技術。祥光銅業研發出了一種清潔高效的銅電解新技術———平行流電解技術[2],它可實現420A/m2高電流密度下的銅電解生產,大幅提高產量與效率、降低產品的能耗。該技術電解液的循環通過一種特殊的供液裝置———平行流裝置(PFD)來實現。整套PFD由進液裝置、分流裝置、定距裝置三部分組成,進液裝置的箱體呈扁平狀,箱體上部的掛耳可將PFD固定在電解槽側壁上;分流裝置上分布有一定數量的噴嘴,能夠很好地起到穩壓分流的作用;出液噴嘴的位置和尺寸進行了特殊設計,能夠保證新電解液均勻穩定在極板的兩側平行、自然向上流動。在陰極銅析出的地方,新電解液直接作用于陰極板面,骨膠、硫脲、鹽酸等添加劑也直接隨電解液導入陰極。電解液的平行流動不僅可以減少旁通流量,也使得電解槽內電解液的成分和溫度分布更加均勻。同時,利用變頻式循環泵直接給電解槽供液,可實現電解液的快速流動。電解液的流動速度加快,可有效地減小擴散層的厚度,進而實現電流密度的大幅提升和產能的提高。

  然而,電解液的高速流動可能會導致陽極附近陽極泥的沉降出現問題,進而導致陰極上出現結瘤、樹枝狀結晶等。因此,電解液入口位置的選取和陰陽極板的定位選擇十分關鍵。平行流裝置上特殊設計的三角模塊和出液噴嘴對極板的排距起到很好的定位作用。出液噴嘴位于三角模塊下部,陰極固定在每兩個噴嘴之間,以保證陰極板和出液噴嘴之間相對位置的準確。出液噴嘴的獨特設計與陰陽極板的精準定位,使得采用平行流電解給液很好地解決了陽極泥沉降的問題,而且還能夠保證陰極銅的產品質量。
 

清潔高效銅電解新技術及其攻關
 

  2 、工藝參數設計與配置

  2.1、 工藝參數

  祥光電解二期采用清潔高效的電解新技術組織生產,該系統具體的工藝設計參數見表1。

  2.2 、車間配置

  電解二期有兩個系統,兩個系統的配置、部署完全對稱,機組位于兩個系統之間。電解槽總數量720個,每4組為一個系列,共分八個系列32組。每個系統各四個系列16組,每組22槽或23槽,每兩組由1臺短路開關控制。車間配置兩套剝片機組,一套陽極加工機組,一套殘極加工機組,兩臺電解行車。其中,每套剝片機組配備5個機械臂替代了傳統的鏈條運輸。

  另外,針對電解液的脫銅脫雜,凈液系統還配套設計了一次脫銅和二次脫銅工序;一次脫銅工序10個電解槽,二次脫銅工序90個電解槽。利用凈液系統來保持電解液中銅、酸與雜質濃度的平衡,確保了電解主系統的穩定與生產工藝的順利運行。

  表1 電解系統工藝設計參數
表1 電解系統工藝設計參數

  3、 電解新技術攻關

  由于電解二期引進新的銅電解技術,投產初期,從工藝管控、現場操作到設備運行都存在一定問題,后續生產技術人員進行不斷摸索與技術攻關,新工藝生產運行逐步順利,產品質量保持穩定。

  3.1、 裝槽技術攻關

  平行流電解新技術下,電解槽內的供液裝置———PFD裝置替代了常規電解的進液底管,出裝槽作業時不能再沿用常規電解原有的裝槽操作,需對電解裝槽作業進行相應的調整和優化。

  生產初期,工藝人員經過不斷摸索與實踐,總結出了一種新的銅電解裝槽作業技術。裝槽作業時,首先對PFD的狀況進行檢查,主要是查看噴嘴、三角模塊與箱體的完好情況。然后對絕緣板、PFD裝置與電解槽的相對位置進行校正與調整。最后是陽極板與陰極板的裝槽定位,先利用PFD的定距裝置輔助進行定位,再人工進行精細調整。上述作業可確保裝槽后每塊陰極和陽極兩側都有一個噴嘴與之對應,進而保證陰陽極之間的電解液能夠快速循環更新。

  3.2 、電流密度攻關

  前文已經提到,電流密度的提高主要通過降低擴散層的厚度來實現,而降低擴散層厚度的有效措施則是提高陰陽極板之間電解液的流量。為此,針對電解液流量、電解液成分等關鍵工藝參數進行了試驗。

  1)摸索最佳的電解液流量與給液方式。分別對不同區間的單槽流量進行了試驗摸索,最終確定了電解槽的電解液流量在75~100L/(min·cell)。同時,去掉高位槽,配備了變頻式循環泵。生產過程中,變頻泵和電解槽給液之間設定了壓力聯鎖,使電解液流量得到精準控制。平行流下部側面出液、上部兩端回液的方式可使電解槽內電解液迅速更新。上述調整與改變,既能夠滿足高電密銅電解過程對電解液流量的需求,又能夠使陰極銅產品質量得到保證。

  2)設計了新型液位調節器。隨著電解液循環量的加大,電解槽兩端電解液溢流時會出現回液不暢、向外噴濺的問題,對周圍的備件造成腐蝕,也給現場安全環保帶來問題。針對該問題,設計了一種新型液位調節器。該液位器分A、B兩部分,兩者配套使用,即可解決電解液回液不暢、向四周噴濺的問題,還可對電解槽液位進行有效調節,避免陰極銅液位線處容易出現的上口粒子問題。

  3)工藝控制摸索。

  a.電解液成分的控制。隨著電流密度升高,電解液中銅、酸濃度也需要實時調整。實際生產中,采取了高銅、低酸的工藝技術控制,含銅48~56g/L、含酸160~185g/L,氯離子40~60mg/L。另外,盡可能將電解液中的雜質含量穩定在低限,電解液密度控制在1.23g/cm3左右。

  b.添加劑的加入。及時關注陰極銅的析出情況,根據銅質量情況對骨膠、硫脲等添加劑進行及時調整。另外,配有一套專門設計的自動控制系統,添加劑可進行24小時連續、自動添加。同時,通過隔板將循環槽內部空間隔為12部分。每部分上下聯通,有利于電解液的流動,進一步確保骨膠、硫脲的穩定添加。

  3.3 、電流效率攻關

  為保證高電流密度銅電解時的陰極銅產品質量與電流效率,從以下幾方面著手進行改進與提高。

  1)提高陽極板的質量。從源頭抓起,提高了氧化還原終點判斷的準確性;及時關注風管壓力和流量的調控;加強了對銅模、溜槽、電子秤等設備的維護;嚴格控制澆鑄前的銅液溫度和澆鑄速度。上述措施有效解決了陽極板薄厚不均、超重超輕、毛刺、背筋、蜂窩、上部裂紋等問題,為電解工序提供保障。

  2)提高出裝槽操作精度。加大操作人員的工藝培訓力度,確保每位員工都掌握電解裝槽技術。每天作業時給員工劃分具體任務,每一槽責任到人,進而約束作業人員的工藝操作,提高員工的責任心。同時,加大檢查力度,制定車間、工段、班組三級檢查方案,每一級都有專人負責進行檢查。以上措施,確保了裝槽操作精度,進而穩定陰極銅的質量,提高陰極銅電流效率。

  3)嚴控電解液的澄清度。出槽時,電解槽下部漿液進行兩次壓濾過濾,然后再通過凈化過濾機進行處理。凈化過濾機獨特的過濾系統和處理能力能夠有效保證溶液的澄清度,符合高電流密度電解條件。

  4)加強日常工藝管控。嚴控電解工藝參數;及時排除板面粒子;加強對槽電壓的檢測;及時清洗極間觸點;定期檢查電解槽、絕緣板的絕緣性能;導電不良、板面彎曲、變形的陰極板及時維修更換;及時調整凈液系統的脫銅與脫雜,穩定銅、酸及砷銻鉍等雜質成分。

  上述各項措施的實施,穩定了電解生產的順利進行,確保了陰極銅產品質量及各項指標的達成。

  3.4、 環保技術攻關

  祥光銅業在研發新的電解技術時,就考慮到高效節能與清潔生產問題。圍繞著該問題,主要從以下幾方面進行了攻關。

  1)酸霧凈化處理。循環槽、上清液槽、濃密機、陽極泥儲槽等各電解液儲槽產生的酸霧采用密閉抽風凈化處理、利用堿液對酸霧進行噴淋的措施,噴淋堿液的pH進行24小時連續檢測,堿液的自動添加與pH檢測設定聯鎖。酸霧處理后達標排放,處理后的酸霧排放檢測值遠低于環保要求標準值(20mg/m3)。上述措施的實施,有效地改善了現場作業環境,避免了車間周圍區域環境的污染。

  2)廢水無外排處理。相對來講,電解液系統為一個閉路系統。為使電解液成分均勻、穩定,則需保持電解液系統的平衡與穩定。因此,酸霧凈化產生的廢水、暖通冷凝水等生產廢水需要進行開路處理。經過近幾年生產的不斷優化,電解產生的所有廢水可全部在系統內消化,不再進行開路處理,做到了電解廢水零排放和廢水的回收利用。

  4、 工藝指標比較

  表2匯總了祥光銅業電解系統近期的主要工藝指標情況,同時也跟目前國內大型冶煉廠通常采用的電解工藝情況做了比較。由表2可知,由于電解槽電壓偏高,祥光銅業電解新技術下陰極銅的交流電耗比常規電解的電耗高,但其蒸汽消耗幾乎為零,所以電解綜合能耗還是下降了30%以上,特別是在產能、效率等方面的優勢很明顯。在同等建設規模的基礎上,平行流電解新技術較常規工藝產能提高50%以上,電流效率穩定在99.5%以上,實現電流密度和電解產能的大幅提高[3]。另外,由于出槽周期明顯縮短,產品周轉快,大幅提高了資金周轉率。

  表2 主要工藝指標對比
表2 主要工藝指標對比

  5、 結論

  祥光銅業電解二期采用先進、清潔、高效、強化的銅電解新技術———平行流技術標準設計,其工藝與設備在世界同行業內均處于領先水平。經過生產不斷探索與攻關,設備運行穩定,各項工藝指標均達到或優于設計水平,充分體現了該技術的清潔與高效,標志著中國和世界的銅電解精煉工藝技術邁上了一個新臺階,它為有色金屬產業的轉型升級起到重要的推進作用。

  參考文獻

  [1]吳繼烈,ANDREAS F.高電流密度銅電解技術的理論及實踐[J].有色金屬(冶煉部分),2014(2):13-17.WU J L,ANDREAS F.Theory and plant practice of high electric current density for copper electrolysis[J].Nonferrous Metals(Extractive Metallurgy),2014(2):13-17.
  [2]周松林.高強化銅電解精煉新工藝與生產實踐[J].有色金屬(冶煉部分),2013(2):1-4.ZHOU S L.Electrolytic refining technology of high strengthen copper and production practice[J].Nonferrous Metals(Extractive Metallurgy),2013(2):1-4.
  [3]周松林,寧萬濤,梁源,等.平行流電解新技術理論研究及應用[J].有色金屬(冶煉部分),2018(2):1-3.ZHOU S L,NING W T,LIANG Y,et al.Theory research and application of new technology of parallel flow electrolysis[J].Nonferrous Metals(Extractive Metallurgy),2018(2):1-3.

    魏棟,劉士祥,董廣剛.祥光清潔高效銅電解新技術的應用[J].有色金屬(冶煉部分),2020(02):72-75.
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