銅電解常規PC工藝與高電流密度PC工藝的經濟性對比

羅勁松， 沐亞玲， 李 堅

(1.云南銅業股份有限公司, 云南 昆明 650102； 2.昆明理工大學冶金與能源工程學院, 云南 昆明 650093)

?

銅電解常規PC工藝與高電流密度PC工藝的經濟性對比

羅勁松1， 沐亞玲1， 李 堅2

(1.云南銅業股份有限公司, 云南 昆明 650102； 2.昆明理工大學冶金與能源工程學院, 云南 昆明 650093)

以云銅銅電解的常規PC工藝為例，在電解槽個數及廠房面積相同的情況下，對比分析了采用300 A/m2(年產18萬t)和400 A/m2(年產24萬t)兩種電流密度時銅電解生產的完全成本。結果表明，高電流密度PC工藝的完全成本比常規PC工藝低17.21元/tCu，約低3.5%。從經濟效益來看，高電流密度PC工藝的經濟效益將高于常規PC工藝。此外，高電流密度PC工藝可以在基本不增加設備的條件下提高產量及勞動生產率，是一項高產能、低成本的強化電解生產技術。

銅電解； PC工藝； 電流密度； 經濟性對比

銅電解生產中，電流密度是衡量銅電解生產技術水平的一項重要指標，合理提高電流密度可挖掘設備產能、降低生產流程占用的物料及產品、減少流動資金占用，可以在基本上不增加設備的條件下，提高產量及勞動生產率。高電流密度生產是提高產能最直接有效的方式，也是銅冶煉企業追求的目標。電解過程中銅在陰極的電析質量遵守法拉第定律：

mCu=1.185 2·I·A·t

(1)

式中：mCu為析出的金屬質量，g；I為電流密度，A/m2；A為電極面積，m2；t為時間，h。

式(1)說明，在已有的設備參數條件下(電沉積面積A固定)，同等時間內析出的陰極銅的質量與電流密度成正比關系，即提高銅電解產能最有效的途徑就是提高電流密度[1]。然而在20世紀80年代以前，銅電解采用傳統的始極片工藝，電流密度始終在250 A/m2以下徘徊。此后，永久不銹鋼陰極的廣泛使用，才使電流密度得以提高到280～330 A/m2。無論是傳統的始極片工藝還是永久不銹鋼陰極電解工藝(Permanent Cathode，簡稱PC工藝)，由于電解液循環方式的原因，已很難再進一步提高電流密度[2]。傳統的上進下出或者下進上出的循環方式，在采用高電流密度電解時會使陽極區的電解液擴散層加厚，導致陽極鈍化，而陰極區電解液中銅離子貧化，極易造成濃差極化、陰極銅長粒子等問題。為了解決以上問題，高電流密度PC電解工藝的電解液循環方式趨向于平行流方式，即利用平行流裝置來改變電解液在電解槽中的運動方式，以避免高電流密度電解時產生陽極鈍化和陰極濃差極化等問題。近年來，隨著平行流裝置在銅電解行業的成功運用，采用高電流密度生產陰極銅已工業化，但是，對于常規PC工藝和高電流密度PC工藝的經濟性對比研究甚少。本文以云南銅業股份有限公司電解分廠(簡稱云銅)常規PC工藝為例，在電解槽個數(784個)及廠房面積相同的情況下，分別采用常規電流密度(300 A/m2)與高電流密度(400 A/m2)進行銅電解生產時對固定成本、變動成本、財務費用等方面的影響，并進行經濟性對比分析，為本公司及同行業提供借鑒。

1 高電流密度下平行流裝置的運用

高電流密度PC工藝的電解液循環方式趨向于采用平行流方式，即通過特殊裝置使電解液在陰極板的兩面以一定的速度進入電解槽，使電解液平行于陰極板板面向上運動(見圖1所示)，并在陰陽極之間產生自然對流，陰極附近區域的電解液向上運動，陽極附近區域的電解液向下運動，部分電解液在陰陽極之間的區域內近似環形運動，使陰極附近銅離子的濃差極化明顯減弱。而陽極附近電解液向下流動，既加速了陽極板邊界層中銅離子的擴散，又有利于陽極板上脫落的陽極泥向下沉降[3]。

圖1 電解槽中電解液平行向上流動示意圖

電解液的平行流動是通過平行流裝置(Parallel Flow Device，簡稱PFD)或平行流板(Parallel Flow Plate，簡稱PFP)來實現的。采用PFD或PFP后，電解液由泵通過管道對PFD或PFP供液，電解液由噴嘴向陰極表面平行方向噴出，以確保電解液的流量、壓力、溫度、組成等符合高電流密度生產的要求。

PFD是一種薄腹型不銹鋼箱體結構，它懸掛在電解槽內的一側，PFD裝置既可以用于新廠的建設，也可用于老廠的增容改建。PFP是一種整合了樹脂混凝土整體電解槽與PFD的裝置，即在澆注電解槽時，就考慮為電解液分布系統留出空間，用這個空間代替PFD的不銹鋼箱體，裝有PFP的整體樹脂電解槽更適合于新工廠的建設。本文旨在討論在云銅現有廠房面積的條件下提高產能，因此，本文的高電流密度PC工藝采用PFD平行流裝置。

2 固定成本對比分析

云銅常規PC電解基本建設投資費用為69 303萬元，在電解槽個數及廠房面積相同的情況下，相對于常規PC電解，高電流密度PC電解需要投入平行流裝置?，F階段云銅常規PC電解共有784個電解槽，若每個電解槽安裝一套PFD平行流裝置，共計需安裝784套。每套約為16 543元，Metto(平行流)許可證費用為1 900萬元，兩相合計需投入3 197萬元。

高電流密度PC電解直接采用變頻泵向電解槽供液，以滿足PFD噴嘴出口所需的壓力。為了減少電解過程中的濃差極化等不利因素，電解槽中電解液的流量將隨著電流密度的增大而增加。云銅常規PC電解中采用懸臂式液下泵配用變頻電機定量向電解槽供液。電解液流量增大，懸臂式液下泵的配用功率將隨之增大，兩種電流密度下電解液供液參數如表1所示。

表1常規PC工藝與高電流密度PC工藝供液參數對比

項目單位常規PC工藝高電流密度PC工藝電解液流量L/(min·槽)3580電解液總流量m3/h16463763供液泵流量m3/h360640電機配用功率kW55160供液泵數量臺78供液泵總投資萬元105160

電流密度提高以后，總電流隨之增加，云銅常規PC電解現在所使用的整流設備和直流橋式大電流隔離開關最高負載電流為30 kA，784個電解槽采用兩套整流設備，總價格為375萬元。在400 A/m2電流密度下，總電流將提高到36.6 kA，整流設備和直流橋式大電流隔離開關負載電流將隨之增加。負載電流為40 kA的整流設備及直流橋式大電流隔離開關每套價格約為220萬元，784個電解槽需采用兩套，共計440萬元。常規PC工藝及高電流密度PC工藝投資成本對比如表2所示。

表2 常規PC工藝與高電流密度PC工藝投資費用對比 萬元

從表2可見，高電流密度PC電解工藝系統的投資費用比常規PC電解高3 317萬元，主要是由于高電流密度PC電解需要投入平行流裝置。

云銅電解分廠所有折舊費均按照直線法進行計算，取殘值為5%，使用年限為35年。常規電流密度PC電解系統投資費用為69 783萬元，于2010年建成投產；高電流密度PC電解投資費用為73 100萬元。為了更好地比較兩種電解方式在同一時期內的折舊費用，本文假設兩種電解方式均于2010年投產。因此，常規電流密度PC電解系統和高電流密度PC電解系統的總折舊費用分別為1 894萬元和1 984萬元，折算到噸銅為：

常規電流密度PC電解的噸銅折舊費用=18 940 000/180 000=105.20元/tCu

高電流密度PC電解的噸銅折舊費用=19 840 000/240 000=82.70元/tCu

本文中的固定成本僅包含折舊費用，即常規電流密度PC工藝和高電流密度PC工藝的固定成本分別為105.20元/tCu和82.70元/tCu。后者的固定成本低于前者22.50元/tCu，這主要是由于高電流密度PC電解工藝的產能較高，折算到噸銅的固定成本較少。

3 變動成本對比分析

3.1 人工成本對比分析

高電流密度PC 工藝同等時間內陰極銅產能更高，但操作人員將相應增加。云銅常規PC工藝現有操作人員(含槽面、機組、吊車、叉車等崗位的操作人員)共計56人。依據云銅多年的生產實踐經驗，若將電流密度提高，使產量增加以后，操作人員應增加至69人。員工人工成本按照11.00萬元/(人·年)計算，常規PC工藝的年產量為18萬t。通過計算，在電解槽個數不變的情況下，400 A/m2電流密度下的陰極銅年產量為24萬t。則人工成本計算如下：

常規PC工藝的總人工成本=

常規PC工藝的員工人數×11.00=

56×11=616.00萬元

常規PC工藝的噸銅人工成本=

6 160 000 /180 000=34.22元/tCu

高電流密度PC工藝的總人工成本=高電流密度PC工藝的員工人數×11.00=

69×11=759.00萬元

高電流密度PC工藝的噸銅人工成本=

7 590 000 /240 000=31.63元/tCu

3.2 動力費用對比分析

依據多年生產實踐經驗，云銅銅電解生產中，99%的動力費用集中于電費和蒸汽費用，因此，后續對動力費用的對比分析僅就電費和蒸汽費用兩部分進行。

3.2.1 電費對比分析

銅電解過程中，電流密度增加，陰陽極極化增大，槽電壓隨之增大，電能消耗也隨之增加。電流密度在300～400 A/m2范圍內每增加1 A/m2，槽電壓大約增加1 mV。常規PC電解的電流密度為300 A/m2，高電流密度PC電解的電流密度為400 A/m2，電流密度增加100 A/m2，則槽電壓將增加約100 mV，直流電能的單位消耗按下式計算[1]：

W=(Ece×1 000) /(η×a)

(2)

式中，W為直流電能的單位消耗，kW·h/tCu；Ece為電解槽的槽電壓，V；η為電流效率，%；a為金屬的電化當量，對于二價銅為1.186。

根據云銅的統計報表[4]，云銅常規PC工藝的平均電流效率為98.5%，300 A/m2電流密度下PC工藝的電能單耗為311.48 kW·h/tCu，電單價為0.50元/kW·h。由于電流密度的差異，高電流密度PC工藝與常規PC工藝相比多消耗的電能為：

W=(400-300)/(98.5%×1.186)=

85.6 kW·h/tCu

通過式(2)計算得出，400 A/m2高電流密度PC工藝的電單耗為397.08 kW·h/tCu。

高電流密度PC工藝的電解液流量加大，泵的輸送功率變大，耗電量隨之增加。通過計算，在年運行時間為350天的情況下，常規PC工藝循環泵的耗電量為11.48 kW·h/tCu，高電流密度PC工藝循環泵的耗電量為33.60 kW·h/tCu。將上述計算所得的直流電成本和循環泵電耗成本加和得到總電費成本，列于表3。

從表3可見，與常規PC工藝相比，高電流密度PC工藝的電費成本較高。

3.2.2 蒸汽費用對比分析

電解銅生產過程中，根據電解工藝要求，電解液溫度應該保持在58～65 ℃之間，當低于此溫度范圍時，需對電解液進行加熱，若高于此溫度，則需對電解液進行冷卻降溫。PC電解過程中，不銹鋼陰極板在通電過程中會有部分電能轉換為熱能，這部分熱能可補充部分電解液的熱量。隨著通過不銹鋼陰極板截面的電流增加，不銹鋼陰極板發熱量也隨之增加。采用316L不銹鋼陰極板時，材料的電阻率為0.71 Ω·m，云銅所用不銹鋼陰極板有效沉積尺寸為908 mm×900 mm，根據歐姆定律：

表3常規PC工藝與高電流密度PC工藝的用電對比

項目單位常規PC工藝高電流密度PC工藝兩者差額電解的電單耗kW·h/tCu311.48397.08-85.60循環泵的電單耗kW·h/tCu11.4833.60-22.12總的電單耗kW·h/tCu322.96430.68-107.72總的電費成本元/tCu161.48215.34-53.86

R=ρL/S

(3)

式中，ρ為物質的電阻率，Ω·m；L為長度，m；S為導體截面積，m2。

計算得到不銹鋼陰極板的電阻為0.000 22 Ω。在300 A/m2的電流密度下，運用焦耳定律：

Q=I2Rt

(4)

式中，Q為發熱量，J；I為通過導體的電流，A；R為導體電阻，Ω；t為通電時間，s。

通過計算，由于不銹鋼陰極通電發熱，高電流密度PC工藝每生產1 t陰極銅將比常規PC工藝節約蒸汽0.12 GJ。根據云銅生產報表統計[4]，電流密度為300 A/m2的PC工藝的蒸汽單耗為0.64 GJ/tCu，則400 A/m2高電流密度PC工藝的蒸汽單耗應為0.52 GJ/tCu。蒸汽單價按照80.70元/GJ 計算，則300 A/m2電流密度PC工藝的蒸汽費用為51.65元/tCu，而400 A/m2高電流密度PC工藝的蒸汽費用為41.96元/tCu。

將電費和蒸汽費用進行加和，即可得到兩種電解方式的動力費用，見表4。

表4 常規PC工藝與高電流密度PC工藝的動力費用對比 元/tCu

3.3 變動成本對比分析

變動成本主要包含銅電解生產的人工成本和所需的動力費用。常規電流密度PC工藝和高電流密度PC工藝的變動成本對比列于表5。

表5 常規PC工藝與高電流密度PC工藝的變動成本對比 元/tCu

4 財務費用對比分析

財務費用主要是指銅電解生產過程中，陰極和陽極等原材料在生產流程中滯留所引起的費用(如利息支出、匯兌損失等)。在高電流密度下，銅物料的周轉速度更快，流程占用的材料和費用將顯著降低。由于銅冶煉屬于資金密集型企業，因此銅物料的周轉速度加快可大幅降低財務費用。相對于300 A/m2電流密度的銅電解生產，在400 A/m2電流密度條件下，銅、金、銀的周轉速度將提高約33%，而財務費用將降低約25%。以2015年3月12日上海有色網提供的金屬平均價格為參考，銅(含稅)、金(免稅)和銀(含稅)單價分別為41 960元/t、232.65元/g和3 400元/kg，銀行年利率按照5.35%計算，云銅常規PC工藝的噸銅財務費用為145.17元/tCu，則高電流密度PC工藝的噸銅財務費用為108.88元/tCu。

5 完全成本對比分析

通過以上分析，將各項費用匯總于表6，以便更直觀地對比兩種電流密度下銅電解生產工藝的成本差異。

從表6的數據可知：

(1)高電流密度PC工藝的基本建設投資費用較高，但由于高電流密度PC工藝的產能較高，使得高電流密度PC工藝的折舊費用比常規PC工藝低22.50元/tCu。

(2)兩種不同電流密度條件下所產生的變動成本差異較大，主要是由于高電流密度的電耗較高所致，而兩者所產生的人工成本和蒸汽成本差距則較小。

表6 常規PC工藝和高電流密度PC工藝的完全成本對比 元/tCu

(3)高電流密度PC工藝的財務費用比常規PC工藝低36.29元/tCu，主要是由于電流密度提高以后，金屬物料的運轉速度加快，從而較大幅度地降低了財務費用。

(4)高電流密度PC工藝的完全成本比常規PC工藝低17.21元/tCu，即在電解槽個數及廠房面積相同的情況下，每生產1 t陰極銅，前者比后者能減少約3.5%的完成成本。

6 結論

以云銅常規PC工藝為例，在電解槽個數(784個)及廠房面積相同的情況下，對分別采用常規電流密度(300 A/m2)和高電流密度(400 A/m2)進行銅電解生產時的經濟性進行對比分析，結果表明高電流密度PC工藝的完全成本比常規PC工藝低17.21元/tCu，這為本公司及同行在選定銅電解生產經濟合理的電流密度提供相應的參考數據。此外，高電流密度電解生產可以在基本上不增加設備的條件下提高產量及勞動生產率。據現有的高電流密度銅電解生產廠家的生產經驗，兩種電流密度條件下生產出的陰極銅在質量方面并無明顯差異，均能滿足市場需求。因此，高電流密度PC工藝是一項高產能、低成本的強化電解技術，在銅冶煉企業具有很好的應用前景。

[1] 朱祖澤，賀家齊.現代銅冶金學[M]. 北京：科學出版社，2003.

[2] 吳繼烈. 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.

[3] 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.

[4] 云南銅業股份有限公司冶煉加工總廠相關財務和生產報表[Z]，2015.02.

Contrast of economy between conventional PC technology and high current density PC technology in copper electrolysis

LUO Jin-song， MU Ya-ling， LI Jian

Based on the conventional PC technology of copper electrolysis in Yunnan Copper Industry Co., Ltd. the complete cost of copper electrolysis is contrasted and analyzed which used two electric current density of 300 A/m2(180 000 tCu /a) and 400 A/m2(240 000 tCu /a)respectively with the same electrolytic cell number and workshop area. The results show that the complete cost of high current density PC technology is 17.21 yuan/tCu lower than the conventional PC technology, about 3.5% lower. The economic benefits of high current density PC technology is better than those of conventional PC technology. In addition, high current density PC technology can improve the output and labor productivity without increasing equipment basically, and it is an enhanced electrolytic production technology with high capacity and low cost.

copper electrolysis; PC technology; current density; contrast of economy

羅勁松(1976-)，男，山西長治人，高級工程師。

2015-08-11

TF811

B

1672-6103(2016)03-0025-05