王正民 趙秋萍 李春雷 楊雪花 趙彥龍 郭軍紅(蘭州理工大學(xué)，甘肅 蘭州 730050)

濕法煉鋅中電解鋅用的陰極板以純鋁板制造，陽(yáng)極板是以鉛—銀合金，鉛—銀多元合金制造。在生產(chǎn)過(guò)程中，陰極板與陽(yáng)極板的板面絕大部分浸沒(méi)在電解槽中的硫酸鋅溶液里不受腐蝕，基本完好。但陰極板與陽(yáng)極板的板面與板梁相接的頸部以上的部分，裸露在電解槽中硫酸鋅溶液以外，長(zhǎng)期工作在生產(chǎn)車間酸度較嚴(yán)重的環(huán)境中腐蝕嚴(yán)重，縮短了陰極板與陽(yáng)極板的使用壽命，增加了生產(chǎn)成本[1]。

由于腐蝕的發(fā)生，每生產(chǎn)1 噸鋅就要消耗0.2~0.3 塊極板，按我國(guó)2010 年濕法煉鋅400 萬(wàn)噸計(jì)算，年消耗極板80~120 萬(wàn)塊極板[2]。研究開(kāi)發(fā)制鋅電解極板防腐技術(shù)意義非常重大。但相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道卻很少。

由于極板主要是氯離子腐蝕，故本實(shí)驗(yàn)以鹽酸作為腐蝕標(biāo)準(zhǔn)物，極板腐蝕速率的大小作為評(píng)價(jià)涂料性能的標(biāo)準(zhǔn)，研究環(huán)氧涂料配方中固化劑加入量、溶劑加入量、電解液溫度，氯離子濃度四因素對(duì)涂料性能的影響，對(duì)環(huán)氧涂料配方進(jìn)行工藝優(yōu)化，以達(dá)到延長(zhǎng)極板使用壽命的目的。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及儀器

HH_WO 型恒溫油水浴鍋（鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司）；DHG-9053A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（鴻都電子有限公司）；電子天平（型號(hào)AL204，梅特勒托比多儀器上海有限公司）；濃鹽酸(分析純，白銀良友化學(xué)試劑有限公司)；環(huán)氧樹(shù)脂（分析純，藍(lán)星新材料無(wú)錫樹(shù)脂廠）；乙二胺（分析純，天津市凱通化學(xué)試劑有限公司）環(huán)己酮（分析純上海中秦化學(xué)試劑有限公司）

1.2 操作步驟

1.2.1 防腐涂料的制備

將一定量環(huán)己酮加入一定量E-44 型環(huán)氧樹(shù)脂燒杯中，攪拌至環(huán)氧樹(shù)脂完全溶解，稱取一定量乙二胺后緩慢滴加到環(huán)氧樹(shù)脂中攪拌，并將配置好的涂料放置30℃～35℃水浴中熟化1 小時(shí)，待涂料變?yōu)樯铧S色，并呈輕微粘稠狀時(shí)，將涂料均勻涂于鋁板上，再將鋁板放置背光干燥環(huán)境下風(fēng)干[3-5]。

1.2.2 涂板腐蝕速率的計(jì)算

將鋁板涂防腐涂料前后用電子天平稱重，并用卡尺測(cè)其涂板厚度，將風(fēng)干后的涂板標(biāo)號(hào)掛片處理后浸入配置好的鹽酸溶液中水浴加熱，溫度保持恒定不變，定期取出稱量涂板質(zhì)量，觀察涂板涂層表面變化，保持涂板浸入酸液中位置不變，用PH 試紙測(cè)定其酸度變化，保持酸液濃度不變，并按下式計(jì)算得出涂板的腐蝕速率[6,7]。

腐蝕速率計(jì)算過(guò)程：

式中：k——腐蝕速率，mm/d

X—純鋁板質(zhì)量，g

Y—涂防腐涂料后板質(zhì)量，g

Z—酸煮后涂板質(zhì)量，g

M—涂板前板厚度，cm

N—涂板后板厚度，cm

H—浸入酸液高度，cm

L—涂板高度，cm

d—腐蝕厚度，cm

t—酸煮時(shí)間，h

m—浸入酸液中涂料質(zhì)量，g

2 結(jié)果與討論

通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)查詢，對(duì)環(huán)氧涂料性能有影響的主要工藝參數(shù)分別是：車間生產(chǎn)溫度，電解液中Clˉ濃度，固化劑乙二胺加入量，溶劑環(huán)己酮加入量[3-5]。

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 不同濃度鹽酸對(duì)極板的腐蝕

由于生產(chǎn)車間Clˉ濃度最高可接近2g/l，在50℃水浴中，將純鋁板浸入到2g/l 鹽酸溶液中浸泡，計(jì)算鋁板質(zhì)量變化量。

圖1 表明純鋁板在2g/l 鹽酸溶液中腐蝕先快后慢，2h 后腐蝕速率變化不大。在50℃水浴中，再將純鋁板浸入到不同濃度鹽酸溶液（100mg/l

圖1 浸泡時(shí)間對(duì)鋁板質(zhì)量的影響

圖2 鹽酸濃度對(duì)腐蝕速率的影響

由圖2 可知，隨著鹽酸濃度（0g/l ～20g/l）的增加涂板的腐蝕速率增加，隨著酸濃度的繼續(xù)增加，涂板的腐蝕速率急劇增加。

2.1.2 不同溫度對(duì)極板腐蝕的影響

工業(yè)濕法煉鋅生產(chǎn)車間在50℃左右，此時(shí)鋅的產(chǎn)率最大，但由于季節(jié)、氣候、環(huán)境的變化，使得車間溫度上下浮動(dòng)不穩(wěn)，所以溫度也成為影響極板腐蝕所考慮的工藝參數(shù)之一。

將純鋁板浸入濃度為100mg/l 的鹽酸溶液中，分別在45℃、50℃、60℃水浴下酸浸，計(jì)算腐蝕速率。

圖3 鹽酸濃度0.1g/l 時(shí)溫度對(duì)鋁板腐蝕速率的影響

表1 L9（34）正交實(shí)驗(yàn)因素與水平表

表2 L9(34)正交實(shí)驗(yàn)

由圖3 可知，隨著溫度升高涂板的腐蝕速率明顯增加，因?yàn)闇囟壬?，鋁板腐蝕的反應(yīng)速率加快了。

2.2 正交實(shí)驗(yàn)

選取固化劑用量、溫度、鹽酸濃度、環(huán)己酮加入量為因素，采用L9（34）的正交實(shí)驗(yàn)。

經(jīng)極差分析，各因素對(duì)涂料性能影響大小順序?yàn)椋涵h(huán)己酮加入量>水浴溫度>乙二胺加入量>Clˉ濃度。篩選出最佳工藝條件是：C2B2A3D1，即環(huán)己酮加入量80%，水浴溫度55℃，乙二胺加入量7.5%，Clˉ濃度0.1g/l。主要是由于在防腐涂料的配方中，環(huán)己酮所占比例較大，對(duì)涂料防腐性能影響較大。

2.3 單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)研究

由于生產(chǎn)車間溫度和Clˉ濃度屬于不可調(diào)控的客觀因素，便捷的操作方法是調(diào)節(jié)涂料配方來(lái)達(dá)到減緩極板腐蝕的目的。由正交實(shí)驗(yàn)可知環(huán)己酮和乙二胺加入量不同對(duì)鋁板腐蝕速率的影響較大，還需對(duì)其用量進(jìn)行優(yōu)化。

2.3.1 乙二胺加入量的優(yōu)化

正交實(shí)驗(yàn)篩選出的乙二胺最優(yōu)加入量為7.5%，但未出現(xiàn)拐點(diǎn)，增加乙二胺的加入量，確定乙二胺最適宜的加入量。

由圖4 可以看出，涂板的腐蝕速率隨乙二胺的加入量先增加后減小，當(dāng)乙二胺加入量在7.5%左右，涂板腐蝕速率最小，為0.0026mm/d，即乙二胺的最優(yōu)加入量在7.5%左右。

圖4 乙二胺加入量的優(yōu)化

2.3.2 環(huán)己酮加入量的優(yōu)化

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果，環(huán)己酮加入量是影響涂板腐蝕速率的主要因素，需進(jìn)一步確定環(huán)己酮加入量的最佳值。在鹽酸濃度為在1g/l，水浴溫度為55℃的實(shí)驗(yàn)條件下，腐蝕速率隨環(huán)己酮加入量的變化情況如圖5。

由圖5 可以看出，隨著環(huán)己酮加入量的增加，涂板的腐蝕速率先減小后增加，當(dāng)環(huán)己酮加入量為90%時(shí)，涂板腐蝕速率最小為0.014mm/d，在此涂料配方下，制得涂料涂板，涂板的使用壽命約為12 個(gè)月。

經(jīng)單因素優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，乙二胺的最優(yōu)加入量為7.5%，環(huán)己酮的最優(yōu)加入量為90%。

3 結(jié)果與討論

為了提高電解用鋁板的腐蝕性能進(jìn)行了以環(huán)氧樹(shù)脂為原料的防腐涂層的研制，通過(guò)改變涂料中固化劑與溶劑的添加量設(shè)計(jì)不同的防腐涂料配方，篩選出對(duì)鋁板具有較好防腐效果的涂料配方。得出了以下結(jié)論：

1）在制鋅生產(chǎn)車間，采用環(huán)氧涂料進(jìn)行電解極板防腐能有效的延長(zhǎng)極板的使用壽命。在鹽酸濃度0.1g/l 條件下，純鋁板的腐蝕速率比涂有環(huán)氧涂料的涂板的腐蝕速率大了4 倍左右，在鹽酸濃度2g/l 條件下，純鋁板的腐蝕速率比涂有環(huán)氧涂料的涂板的腐蝕速率大了15 倍左右。

圖5 環(huán)己酮加入量對(duì)腐蝕速率的影響

2）篩選出制鋅電解極板防腐涂層最佳配方及工藝條件為：即環(huán)己酮加入量90%，水浴溫度55℃，乙二胺加入量7.5%，Clˉ濃度0.1g/l。在此條件下，涂板的腐蝕速率0.014mm/d，極板的可用壽命約為12 個(gè)月。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中可通過(guò)一定的物理或化學(xué)方法控制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的溫度并減少原料中氯離子含量，降低極板的腐蝕速率，提高極板的使用壽命。

[1]朱平文.鋅電極過(guò)程陽(yáng)極板腐蝕快的原因及對(duì)策[J].中國(guó)鉬業(yè).2008,32(4):32-33.

[2]王文錄.濕法煉鋅中氯的危害及控制[J].湖南有色金屬.2007,23(1):22-24.

[3]姚燕，孟祥玲.環(huán)氧樹(shù)脂用固化劑的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代涂料與涂裝，2007，10（4）：37-39

[4]Dhannalakshimi M.Evaluation of poly(epoxychlorinated rubber-silicone)polymer-polymer composite coating system[J].Anti-Corrosion Methods and Materials,1997,44(6):361.

[5]李桂林.環(huán)氧樹(shù)脂涂料配方設(shè)計(jì)[J]. 涂料工業(yè),1999,(12):1-7

[6]中南大學(xué).一種提高鋅電解用陰極鋁板耐腐蝕性能的方法[P].中國(guó)專利：201010139792，2010-07-21.

[7]中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBT4334.6_2000.不銹鋼5%硫酸腐蝕試驗(yàn)方法[S].