嚴(yán)遠(yuǎn)忠

(株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司,湖南株洲 412004)

長(zhǎng)周期鋅電積生產(chǎn)實(shí)踐

嚴(yán)遠(yuǎn)忠

(株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司,湖南株洲 412004)

文章主要闡述了在長(zhǎng)周期鋅電積過程中的有機(jī)物開路、開槽方式、陽極的選擇、溶液循環(huán)方式、真空掏槽等技術(shù)的應(yīng)用,并在實(shí)際生產(chǎn)過程中得到了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),達(dá)到了良好的工藝效果。

鋅電積;長(zhǎng)周期;開路

濕法冶煉是目前我國(guó)最主要的鋅生產(chǎn)方法,其中全國(guó)75%的鋅產(chǎn)量是通過濕法冶煉得到。近年來,雖然我國(guó)在冶煉技術(shù)和裝備水平上不斷得到提高,但與世界先進(jìn)水平仍有差距,在設(shè)備大型化、自動(dòng)化、生產(chǎn)連續(xù)化、作業(yè)機(jī)械化上相對(duì)很落后。在鋅電積方面由于溶液深度凈化不夠,雜質(zhì)含量高,在電積過程中隨著時(shí)間的延長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)變差,不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)周期電解,鋅片厚度不夠,是不能實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的主要原因。株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱株冶)是我國(guó)最大的濕法煉鋅企業(yè),近年來經(jīng)過不斷的技術(shù)改造及產(chǎn)能擴(kuò)充,目前已經(jīng)達(dá)到了年產(chǎn)45萬t析出鋅的規(guī)模。其中10萬t為2009年投產(chǎn)的大極板長(zhǎng)周期生產(chǎn)的系統(tǒng),采用了2.6 m2陰陽極板與全套日本進(jìn)口的自動(dòng)剝鋅機(jī)與陽極平整機(jī)設(shè)備,進(jìn)行48 h析出周期生產(chǎn)模式,提高了企業(yè)裝備水平與技術(shù)水平。

機(jī)械化、大型化、長(zhǎng)周期化生產(chǎn)已經(jīng)是世界的潮流,國(guó)外許多電鋅廠已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了出裝槽和剝鋅的機(jī)械化和自動(dòng)化,大大節(jié)約了勞動(dòng)力。株冶是國(guó)內(nèi)第二家采用長(zhǎng)周期生產(chǎn)模式的企業(yè),而大極板長(zhǎng)周期更是第一家,國(guó)內(nèi)基本無借鑒經(jīng)驗(yàn),而國(guó)外企業(yè)的生產(chǎn)情況與國(guó)內(nèi)情況差異較大,基本無法進(jìn)行比對(duì)借鑒,只有靠自己進(jìn)行摸索總結(jié),下面將詳細(xì)介紹各電積生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

1 硫酸鋅水溶液的質(zhì)量控制

隨著株冶濕法煉鋅綜合回收不斷深入及常壓浸出技術(shù)的使用,大量的雜質(zhì)及有機(jī)物進(jìn)入了濕法煉鋅系統(tǒng)。其中由于株冶廢水零排放的政策實(shí)施,導(dǎo)致廢水中大量因設(shè)備檢修時(shí)產(chǎn)生的廢油進(jìn)入系統(tǒng),而常壓浸出技術(shù)的使用,使得鋅精礦中的有機(jī)物沒有經(jīng)過焙燒系統(tǒng)開路,直接進(jìn)入生產(chǎn)系統(tǒng)。而且在常壓浸出過程中,為了強(qiáng)化固液分離的效果而添加了大量的有機(jī)絮凝劑,從而使得系統(tǒng)有機(jī)物富集嚴(yán)重。有機(jī)物對(duì)鋅電積過程有著非常大的影響,其使得陰極電位向負(fù)的方向偏移,使鋅離子放電受到阻礙,使鋅難以析出,而氫相對(duì)容易析出,從而產(chǎn)生返溶,并造成電積電流效率顯著下降,電耗上升。為了保證長(zhǎng)周期電積的穩(wěn)定,凈化工序?qū)α蛩徜\水溶液進(jìn)行了多次凈化,同時(shí)次采用活性碳吸附有機(jī)物、硫酸鋅溶液長(zhǎng)時(shí)間澄清與超聲波除油相結(jié)合的方式對(duì)溶液中的有機(jī)物進(jìn)行開路,取得了較好的效果,詳情列于表1。

表1 系統(tǒng)有機(jī)物開路前后對(duì)比mg/L

從表1中可以看出,經(jīng)過有機(jī)物開路后的溶液有機(jī)碳含量與油含量得到了明顯的下降。

2 生產(chǎn)準(zhǔn)備及開槽

由于株冶在長(zhǎng)周期生產(chǎn)上所選擇的搭接方式是線接觸式,所以對(duì)電解槽與槽間導(dǎo)電銅排的安裝就顯得尤其重要。理論上,在同樣的電流密度下,陰陽極與導(dǎo)電銅排之間的搭接越完全,則導(dǎo)電效率越好,陰陽極發(fā)熱或燒壞的可能性就越小。為了保證陰陽極板能夠與槽間導(dǎo)電銅排完全線搭接,而杜絕點(diǎn)接觸,電解槽、陰陽極與導(dǎo)電銅排的每一個(gè)搭接齒都要成一條無偏差的直線。而在生產(chǎn)實(shí)際中,由于陰陽極板制作時(shí)候的誤差,極板平整時(shí)的誤差,電解槽及槽間導(dǎo)電板安裝時(shí)的誤差等,導(dǎo)致了無偏差安裝無法完全達(dá)到,但是經(jīng)過工人的精細(xì)化操作,可以保證絕大部分的陰陽極與導(dǎo)電銅排聯(lián)成一條直線,從而使得大部分陰陽極板的導(dǎo)電頭溫度可以控制在45℃左右。

在通電的方式上有兩種選擇,一種是按照小板短周期生產(chǎn)模式,只安裝少量陰陽極板進(jìn)行通電,然后再陸續(xù)進(jìn)行加板作業(yè),另外一種是按照滿負(fù)荷生產(chǎn)進(jìn)行通電生產(chǎn),但兩種選擇都各有優(yōu)缺點(diǎn)。少量的陰陽極板進(jìn)行通電作業(yè),優(yōu)點(diǎn)是可以使得在通電后如果出現(xiàn)大面積燒板情況仍然能夠保證生產(chǎn)的連續(xù)性,勞動(dòng)強(qiáng)度較低,能夠較好地掌握將來的生產(chǎn)形式。而缺點(diǎn)是,通電時(shí)只有少量的陽極進(jìn)行了低電流鍍膜,造成了大量的陽極板在后續(xù)的加板過程中起殼嚴(yán)重,使得每次加板都需要進(jìn)行大量的人工平陽極作業(yè),才能保證有較好的導(dǎo)電性,不僅加大了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,且嚴(yán)重影響了電效及電耗指標(biāo),而滿負(fù)荷通電,則可直接快速地進(jìn)入陽極通平周期,杜絕陽極加板起殼情況,不起殼陽極與正常加板陽極情況對(duì)比見表2。

表2 不起殼陽極與正常加板陽極情況對(duì)比

從表2中可以看出,經(jīng)過低電流密度鍍膜的陽極在后續(xù)的生產(chǎn)過程中能保證較高的電流效率,而未經(jīng)過低電流鍍膜的陽極在電流效率上較鍍膜陽極低將近10%。

在生產(chǎn)過程中,陽極的壽命是有限的,而為了保證生產(chǎn)過程中所更換的新陽極能夠得到較高的電流效率,生產(chǎn)技術(shù)人員將新陽極放置在電解槽中,利用感應(yīng)電流進(jìn)行鍍膜,較好地解決了新陽極鍍膜的問題,得到了較高的電流效率。

3 陽極的選擇

在目前的生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用中,鋅電積陽極的種類主要分為Pb-Ag鑄造陽極與壓延陽極兩種,其中壓延陽極又根據(jù)壓延所需要的元素種類來細(xì)分。Pb-Ag鑄造陽極與壓延陽極在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用各有優(yōu)缺點(diǎn)。Pb-Ag鑄造陽極的優(yōu)點(diǎn)是易于鑄造,可回收利用,導(dǎo)電性好,表面保護(hù)膜易于生成等。但缺點(diǎn)也相當(dāng)明顯,一是含Ag量高,且回收率較低,導(dǎo)致成本較高;二是陽極析氧電位較高,造成能耗高;三是硬度低,在生產(chǎn)過程中容易彎曲,造成陰陽極接觸,影響電流效率。壓延陽極含Ag量得到了降低,減少了成本投入,且硬度好,不易變形彎曲,減少了陰陽極接觸,提高了電流效率,但壓延陽極最大的缺點(diǎn)是不易制作,且回收難度大。在同樣的生產(chǎn)條件下,做了Pb-Ag鑄造陽極與壓延陽極的生產(chǎn)對(duì)比,詳見表3。

表3 鑄造陽極與壓延陽極生產(chǎn)對(duì)比

從表3中可以看出,壓延陽極電流效率上與鑄造陽極相比有著較為明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 電解液循環(huán)方式的選擇

電積液中保持一定的鋅離子濃度是正常進(jìn)行電積的基本條件之一,若電積液含鋅過低,則硫酸濃度相對(duì)增大,使陰極附近的鋅離子濃度發(fā)生濃差極化現(xiàn)象造成陰極上析出鋅的反溶解。此外,氫的析出電壓也隨溶液中鋅離子濃度的降低而降低,使氫更易析出,這樣就影響了電流效率。

在生產(chǎn)過程中,為了保證電解槽內(nèi)鋅離子的濃度與酸度的比值,防止鋅離子貧化或過度酸化,槽內(nèi)需及時(shí)補(bǔ)充電解液。在傳統(tǒng)的鋅電積過程中,溶液在電積槽內(nèi)循環(huán)方式為上進(jìn)上出,即溶液從溜槽內(nèi)通過下液管流向電積槽,溶液在電積槽表面循環(huán)后直接從電積槽上部出口流走。這種循環(huán)方法只能適用于尺寸較小,裝板數(shù)較少的電積槽,因?yàn)槿芤涸谘h(huán)過程中無法均勻地循環(huán)到電積槽子底部,尺寸較小的電積槽可以通過加大循環(huán)量,加快更換槽內(nèi)溶液的速率來彌補(bǔ)電積槽底部溶液鋅離子貧化的問題。而長(zhǎng)周期生產(chǎn)所適用的體積較大的電積槽只能通過改變?nèi)芤旱难h(huán)路線來解決槽子底部鋅離子貧化及底部析出鋅骨膠吸附的問題。

在大極板長(zhǎng)周期生產(chǎn)過程中可以發(fā)現(xiàn),陰極鋅上部與下部的重量相差較大,且析出鋅上部與下部的致密度有很大的區(qū)別,上部鋅致密度非常好,底部鋅粒子較多,且生長(zhǎng)較為雜亂、粗大。為了找出導(dǎo)致該問題的原因及解決該問題,做了改變循環(huán)方式的實(shí)驗(yàn)。根據(jù)U型管原理,通過在電積槽兩端加裝擋液板,使得溶液由上進(jìn)上出的方式改為下進(jìn)上出的方式,并同時(shí)加大溶液的循環(huán)量,加快槽內(nèi)溶液更換速率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,析出鋅底部致密度有了明顯的改變,鋅片上下部重量差得到了明顯的減少,電流效率提高了1%～2%左右。

5 骨膠加入方式

在正常情況下,陰極析出的鋅按固有的結(jié)晶方向進(jìn)行,在顯微鏡下觀察,可明顯地看出陰極鋅由不同方位成的六方晶體所組成,表面致密平整,具有灰白色的金屬光澤。如果加膠量不當(dāng),陰極鋅的結(jié)晶就粗糙,甚至表面被腐蝕或穿孔,此時(shí)質(zhì)量和電流效率均大大降低。

鋅電積的陰極反應(yīng)為:

由于膠質(zhì)吸附于陰極表面,Zn2+要放電沉積,必須通過這層膠質(zhì)才行。依據(jù)定律:NZn=aexp(-b/η2) (其中NZn表示晶核生成速度,a,b為常數(shù),η為極化超電壓。)可知,陰極表面的膠質(zhì)使極化超電壓增大,晶核生成速度增大,超過晶體的成長(zhǎng)速度,這樣形成的結(jié)晶將會(huì)變得細(xì)密。膠的最明顯影響是使鋅晶體沉積具有一定的方向,因?yàn)殡姺e結(jié)晶過程受電流密度及超電壓的影響甚為明顯。鋅本身的超電壓是低的,但膠的加入,使被膠優(yōu)先吸附的平面增加了超電壓,使其傾向于外向成長(zhǎng),此外,膠還明顯增加成核速率,使晶粒尺寸降低。因此,在鋅電積時(shí)加人適量骨膠,可使陰極鋅結(jié)構(gòu)平整致密。同時(shí),這層膠質(zhì)還會(huì)阻止H+向陰極的擴(kuò)散,減弱2H++2e=H2↑的反應(yīng),這樣氫氣析出少了,電能利用率將會(huì)增高,電流效率隨之增大。骨膠存在時(shí),可阻止電解液中少量比鋅更易析出(正電性金屬)的離子不會(huì)與陰極鋅形成微電池而放電,抑制生產(chǎn)中常見的返溶現(xiàn)象。

骨膠是種有機(jī)物,在鋅電積溶液中會(huì)被分解,同時(shí)會(huì)被廢液的排出帶走一部分,需要及時(shí)補(bǔ)充,保證槽內(nèi)膠的含量。但骨膠過多,會(huì)增加溶液電阻,導(dǎo)致槽電壓升高;也會(huì)導(dǎo)致析出鋅脆、硬,不易剝離,加大材料消耗和勞動(dòng)強(qiáng)度。

在大極板長(zhǎng)周期實(shí)際生產(chǎn)過程中,發(fā)現(xiàn)電流效率隨著析出時(shí)間的延長(zhǎng)而下降,特別是最后8～12 h下降最為明顯。而骨膠的加入可以適當(dāng)?shù)靥岣唠娏餍?保證鋅片的正常析出。在生產(chǎn)過程中,為了保證溶液中骨膠含量,采用了分時(shí)加入的方式,并根據(jù)析出鋅晶體成長(zhǎng)速率及形狀對(duì)比分析,調(diào)整每段時(shí)間的骨膠加入量?；厩闆r為出裝槽后2 h開始加入,并為保證吸附速度,加入的膠膠狀較小,易于溶解,同時(shí)為了保證鋅片易于剝離,加入量也較少。在析出10～12 h后開始補(bǔ)充骨膠,并根據(jù)析出的最后12 h電流效率明顯下降的情況,在析出的最后12 h內(nèi)加大骨膠使用量,提高鋅晶體成核速率,保證鋅片致密生長(zhǎng)。大量的生產(chǎn)實(shí)踐證明,在長(zhǎng)周期生產(chǎn)中骨膠的加入總量為0.1～0.2 kg/t析出鋅是比較理想的。

6 掏槽方式的選擇

株冶原有的掏槽方式是首先吊出槽內(nèi)三分之一的陰陽極后,然后將波紋管插入電解槽底部進(jìn)行陽極泥抽吸,同時(shí)采用虹吸大量補(bǔ)充電解液。估計(jì)陽極泥抽吸得差不多且極板露出約三分之一時(shí),抽出波紋管,將陰陽極復(fù)位,進(jìn)行下一輪次的作業(yè)。

由于波紋管材質(zhì)較重,且無法完全深入電解槽內(nèi)部,導(dǎo)致了掏槽時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度大,且掏槽不干凈,嚴(yán)重影響了析出鋅質(zhì)量及生產(chǎn)指標(biāo)。為了解決這一難題,技術(shù)人員充分利用了搭接式生產(chǎn)及寬極距的優(yōu)勢(shì),重新對(duì)掏槽系統(tǒng)進(jìn)行了改造,并全新設(shè)計(jì)了一套符合搭接式生產(chǎn)的“T”型掏槽裝置,如圖1所示。

圖1 “T”型掏槽裝置

掏槽前,用透明膠管將真空管道的吸液口與掏槽器的出液口相連接。掏槽時(shí),根據(jù)槽內(nèi)裝板數(shù)量在每個(gè)槽里找出數(shù)個(gè)間隔相等的地方,每個(gè)地方吊出或抬出一片陰極板,把“T”型不銹鋼管探到槽底扭轉(zhuǎn)90°后,即可抽泥。針對(duì)槽內(nèi)陽極泥形狀,還可在掏槽器底部焊接耙齒。利用掏槽器將成塊的陽極泥碾碎后吸出。根據(jù)生產(chǎn)強(qiáng)度,每6～10 min就能掏完一槽,既省力又快捷。

7 總 結(jié)

通過凈化、電積等各種技術(shù)條件控制,實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期電積的穩(wěn)定運(yùn)行,得到了較高的電流效率及較低的直流電單耗,達(dá)到了提高生產(chǎn)效率的目的。

[1] 梅光貴,王德潤(rùn),周敬元,等.濕法煉鋅學(xué)[M].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)出版社,2001.

[2] 何旭漓.有機(jī)物及油類對(duì)鋅電解沉積的影響分析[J].湖南有色金屬,2010,8:26-4

Abstract:This article mostly expounds the technological application in organics open circuit,the way of notching, the choice of the anode,recycle design of the solution,vacuumly take or pull out the anode mut and so on.All of these achieve the better economic indexes and process effect.

Key words:zinc electrodepostion;long period;open circuit

The Production Practice about Long Period Zinc Electro-deposit Process

YAN Yuan-zhong
(Zhuzhou S melter Group Co.Ltd,Zhuzhou412004,China)

TF803.2+7

A

1003-5540(2011)03-0023-03

2011-03-16

嚴(yán)遠(yuǎn)忠(1983-),男,助理工程師,主要從事鋅電積技術(shù)管理工作。