李合周，杜建民，陳建豐

（浙江天能動力能源有限公司，浙江 長興 313100）

1 島津式鉛粉機改進背景

1.1 鉛粉

鉛粉是生產(chǎn)鉛酸蓄電池電池極板活性物質的基本原料。有關電池的許多性能的“遺傳密碼”，大部分隱藏在鉛粉基料中。鉛粉本質上是鉛微粒外表包覆著鉛氧化物成分的微粒，是由純鉛經(jīng)過特定的熱氧化過程而形成的。鉛粉的化學式為 Pb·2PbO。PbO 有 2 種變體：紅色正方晶 PbO 和黃色斜方晶PbO。鉛粉顆粒的直徑一般在 50 μm 左右。鉛粉中氧化鉛所占的質量分數(shù)一般為 70 %～80 %，純鉛所占的質量分數(shù)為 20 %～30 %。鉛粉的顏色根據(jù)氧化鉛的含量、顆粒結構、顆粒的大小有所不同，呈藍色、灰綠到土黃色。當鉛粉呈土黃色時，氧化鉛的含量較高。

鉛粉在鉛酸蓄電池中，一方面是作為組成極板活性物質的主要材料，另一方面是作為極板實現(xiàn)電化學反應的母體。鉛粉的性質包括鉛粉的結構、粒度分布、表觀密度，以及鉛粉的氧化度、吸水量和吸酸值等。其中，鉛粉的氧化度和表觀密度尤其重要，是生產(chǎn)廠家首要控制的指標。鉛粉性質的優(yōu)劣直接影響到鉛酸蓄電池的電氣性能。

1.2 鉛粉的制造工藝

鉛粉的制造有 2 種方法：球磨法和氣相氧化法。其工藝流程分別如圖 1 和圖 2 所示。所謂球磨法制鉛粉是在滾筒式鉛粉機（又稱島津式鉛粉機）中完成的。由于鉛粉機的筒體內無任何研磨體，鉛粉是靠鉛球或鉛塊隨鉛粉機圓筒轉動過程中相互撞擊和摩擦及空氣氧化而形成的。所謂氣相氧化法制鉛粉（又稱巴頓制粉法）是指熔融的鉛液在氣相氧化室內被攪拌成霧滴狀后與空氣中的氧化合制取鉛粉的過程。

圖1 球磨法制鉛粉工藝流程

圖2 氣相氧化法制鉛粉工藝流程

1.3 鉛粉機改進背景

截至 2015 年底，我公司鉛粉制造部共有 10 臺江蘇三環(huán)公司制造的 24 t 島津式鉛粉機。自 2011 年調試投產(chǎn)以來，實際日產(chǎn)量平均在 16～18 t 左右，只能達到標稱產(chǎn)量的 70 %～75 %。隨著公司產(chǎn)能的不斷擴大，鉛粉產(chǎn)量難以滿足后道工序生產(chǎn)的需求。鉛粉生產(chǎn)成為制約極板生產(chǎn)的主要瓶頸工序之一。

2 島津式鉛粉機的改進措施與實施方案

2.1 鉛粉機滾筒內部結構

2.1.1 揚粉機構

揚粉機構是鉛粉機的核心機構，其設計是否合理，對鉛粉的產(chǎn)能和理化指標來說至關重要。

24 t 鉛粉機原有的揚粉機構為沿滾筒內壁圓周徑向分布焊接的 8 個高 50 mm，規(guī)格為 30×30 的角鋼。由于角鋼與滾筒內鉛粉接觸面積較小，揚粉效果屬于局部揚粉，不理想。要想提高鉛粉產(chǎn)量，就必須對揚粉機構進行改進。

通過對鉛粉機運行時內部鉛粒的運動軌跡和粒度分布情況進行分析，我們在原有的 8 根角鋼處，沿軸線方向平行焊接了 8 根長 400 mm，直徑 18 mm的普通圓鋼。這樣改進，一方面將原有的點接觸改為線接觸，增大了揚粉機構與鉛粉的接觸面積，大幅度提升了揚粉能力；另一方面便于鉛粒層底部細顆粒的鉛粉揚起，從而保證表觀密度、氧化度等理化指標滿足工藝要求。圖 3 是鉛粉機內筒從圓周方向內部平面展開示意圖。

圖3 滾筒內部平面展開示意圖

2.1.2 滾筒出粉端勻粉裝置

在鉛粉機的出粉口處，大顆粒的鉛粉會被螺旋狀地反推回至滾筒內部。被反推回的鉛粉容易堆積在滾筒出粉端封頭處，既影響該位置鉛粒的研磨效果，使該處鉛粉氧化過度，又不利于鉛粉機的穩(wěn)定運行。我們在封頭處沿內壁等分加裝了垂直焊接的3 塊厚 20 mm，長 300 mm，寬 35 mm 的矩形鋼板。由于鋼板的傾斜角度大約 20°，在滾筒旋轉時這 3塊矩形鋼板將堆積在封頭處的大顆粒鉛粉推向滾筒中部，從而促進封頭段鉛粒粒徑分布合理，提高研磨效果，同時進一步提高了鉛粉機安全運行的可靠性。

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2.2 鉛粉機滾筒冷卻系統(tǒng)

2.2.1 滾筒冷卻管路

鉛粉的氧化過程本身是個放熱反應，而放出的熱量又使得鉛粉機筒體內溫度升高。鉛粉機滾筒內溫度的高低直接影響鉛粉氧化的速度和程度，所以控制好鉛粉機的溫度，對于鉛粉的生產(chǎn)是一個關鍵的問題，即要保證鉛粉機筒體內保持一個比較穩(wěn)定的熱平衡，以使生產(chǎn)的鉛粉性能均衡穩(wěn)定。

為了提高生產(chǎn)率，一般使鉛粉機滾筒內溫度保持在 180～200 ℃，滾筒夾層中空氣的溫度保持在50～90 ℃，滾筒出口處溫度保持在 160～180 ℃。要想在一定溫度下均衡地生產(chǎn)鉛粉，就必須保持生產(chǎn)過程中的熱量平衡和物料平衡。鉛粉產(chǎn)量加大，氧化速度加快，都勢必造成鉛粉機內筒溫度大幅度上升，因此必須對內筒溫度的噴水方式進行控制和改進。

24 t 鉛粉機內筒原來采用內噴水方式冷卻，而且只在冷卻水管路的主管（DN20）的管壁上均勻分布著直徑 6 mm 的小孔，因此冷卻能力不足?，F(xiàn)在，將原有的冷卻管路拆除，改用外噴水冷卻方式。在鉛粉機罩殼外頂部偏側位置，重新設計安裝了 2 段冷卻管路（每段鋼管長約 1.25 m，管道材料為 Φ32 無縫鋼管）作為主噴水管，用于給鉛粉機內筒冷卻降溫。在主噴水管上，按照 35 mm 等距離、均勻地安裝長 65 mm、外徑 6 mm 的無縫鋼管作為支噴水管。支噴水管穿過罩殼進入罩殼與滾筒夾層。2 段主噴水管通過一個三通接頭與主供水網(wǎng)連接。對冷卻管路的改進，提高了冷卻能力，避免了因冷卻能力不足造成的溫度高現(xiàn)象。同時，這套噴水機構（見圖 4）更換方便，可以在鉛粉機不停機的情況下快速地完成。

圖4 外部噴水管路示意圖

2.2.2 恒壓供水系統(tǒng)

在鉛粉車間外，另外加裝一套鉛粉機總供水管路。采用恒壓供水系統(tǒng)，自動調節(jié)供水壓力，避免供水壓力不足或壓力波動而引起的鉛粉機冷卻效果不良、溫度波動較大的隱患，從而保證所有鉛粉機安全穩(wěn)定運行。

2.3 負風壓控制系統(tǒng)

負壓風的作用主要是輸送鉛粉，既要使鉛粉機筒體內浮起的鉛粉按質量規(guī)定順利及時地排出，又要使排出鉛粉機的鉛粉在分離中及時沉降，以便于收集，而且不能使鉛粉隨氣流排入空氣而污染環(huán)境。負壓風在完成排料任務的同時還能帶出大量的熱量。

由于實際的鉛粉機沒有安裝正壓風機，負壓風風量就更顯得重要，是鉛粉機運行的核心參數(shù)。原先是通過執(zhí)行機構帶動負壓風管上的風門控制負壓風量的大小。該方式控制精度較低，波動大，故障率高，且風機能耗大。針對上述情況，我們將風門拆除，將原來的 30 kW 負壓風機的星型–三角型控制改為交流變頻調速控制，加裝了一臺變頻器（型號為正泰 NVF-30/PS4）。通過變頻調節(jié)負風壓電機的頻率，達到控制負風壓風量的目的。變頻器的控制頻率一般在 30～35 Hz。該設計控制精度高，無風壓波動，故障率低，既保證了鉛粉理化指標的穩(wěn)定，又大幅度降低了風機能耗，實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

2.4 鉛粉機到鉛粉收集器輸送管路

在提升鉛粉機產(chǎn)量的過程中，為保證鉛粉理化指標滿足工藝要求，滾筒運行溫度也會逐步提高。氣流經(jīng)過滾筒升溫后，高溫氣流進入集粉器，集粉器內部溫度隨之升高。當鉛粉機的產(chǎn)量增加到 25 t時，集粉器內最高溫度可達到 145 ℃。集粉器內溫度過高會降低布袋的使用壽命，在一定條件下甚至會引起鉛粉收集袋自燃，因此存在極大的安全隱患。針對上述情況，我們在負壓風管路系統(tǒng)中增加了冷風管路系統(tǒng)，也就是在鉛粉機到集粉器之間的輸粉管道上加裝了一個蝶閥作為旁通（見圖 5）。蝶閥管道的直徑 160 mm。蝶閥的一端連接輸粉管，另一端與車間相通。在輸送鉛粉時，將蝶閥打到適當?shù)拈_度，通過鉛粉系統(tǒng)的負壓作用將室內低溫空氣吸入負壓風管內。低溫空氣與負壓風管內高溫氣流混合降溫后，再進入集粉器內，從而使集粉器內溫度降低。集粉器內溫度高低可通過調節(jié)蝶閥的開度進行控制：溫度過高，加大蝶閥開度；溫度過低，減小蝶閥開度或者關閉。通過穩(wěn)定集粉器內的溫度，既延長了鉛粉收集布袋的使用壽命，又減少了安全隱患，保證設備的安全運行。

圖5 輸粉管道加裝蝶閥示意圖

3 改進后鉛粉性能檢測情況

3.1 鉛粉的一般指標

出于對鉛酸蓄電池經(jīng)濟與技術方面的考慮，當今世界上鉛酸蓄電池工業(yè)幾乎全部用氧化鉛粉來生產(chǎn)涂膏式極板與管式極板。一般情況下，用鉛粉的氧化度、堆積密度（表觀密度）、吸水率和篩析度來衡量鉛粉的優(yōu)劣。通常，這 4 項鉛粉生產(chǎn)的質量指標的范圍如下：

（1）鉛粉的氧化度為（75±5）%；

（2）鉛粉的堆積密度（表觀密度）為 1.40～1.70 g/cm3；

（3）鉛粉的吸水率為 11 %～14 %；

（4）對于鉛粉的篩析度（分散度），要求過100目篩后，篩余物占鉛粉的質量分數(shù) ≤ 7 %。

3.2 改進后的鉛粉檢測數(shù)據(jù)

3.2.1 公司技術要求

根據(jù)我公司生產(chǎn)實際情況，主要對氧化度、視密度、吸酸值、篩析度（80 目篩）這幾項做抽樣檢驗。由表 1 可見，對設備進行改造后，產(chǎn)品抽樣檢驗結果滿足技術要求。

表1 鉛粉氧化度、表觀密度、吸酸值、篩析度

3.2.2 鉛粉顆粒直徑分析

采用粒徑較小的鉛粉時，極板的孔率大，孔徑小，比表面積大，化成時生極板的組分容易轉化為活性物質，生產(chǎn)的電池充電接受能力好，大電流放電性能好，初期容量相對較高，但太細的鉛粉可能造成極板軟化，活性物質脫落，隨著電池循環(huán)容量逐漸下降；反之，當采用粒徑較大的鉛粉時，電池初始循環(huán)時容量較低，充電接受能力較差，因為用粗粉生產(chǎn)的正極板，化成時并不能完全生成PbO2，有一部分須進行一定次數(shù)的充、放電循環(huán)后，才能轉化為 PbO2，這樣容量逐漸上升至最大值，然后開始逐漸下降。而且，由粒徑過大的鉛粉生產(chǎn)極板時，活性物質之間及活性物質與板柵的結合強度較弱，電池循環(huán)壽命也比較低。所以，想獲得較好的容量和壽命，要選用粒度和結構比較合適的鉛粉。

對于目前的球磨機，一般在正常情況的生產(chǎn)中只將鉛粉的氧化度、表觀密度和篩析剩余物納入工藝參數(shù)，對其它參數(shù)則在設備剛投入使用時，或定期測量時，為了掌握情定為指標[4,6]。由于對設備進行了結構改造，我們，采用 Winner 2000ZD 激光粒度分析儀對每臺設備生產(chǎn)的鉛粉樣品的進行了粒徑分析（一般定期送樣）。表 2 中數(shù)據(jù)表明，鉛粉的粒徑分布完全符合公司對鉛粉的要求。

4 改造效果·產(chǎn)能和能耗對比

新增加一臺套鉛粉機及附屬系統(tǒng)，不僅占用巨大的生產(chǎn)面積，而且直接投資至少需要 80 萬元；如果委托專業(yè)公司對鉛粉機進行改造，每臺改造費用至少需要 5 萬元。然而通過自主改進，每臺改造費用只需約 8 000 元，同時也相應地節(jié)約了生產(chǎn)場地面積。當生產(chǎn)需求減少時，可以減少鉛粉機開啟臺次，不僅可以降低能耗，而且為設備維護保養(yǎng)提供了充分的時間。集粉器集粉布袋溫度降低后，不僅可以避免布袋自燃，減少了火災隱患，而且使集粉袋的使用壽命大大延長。

表2 鉛粉理化數(shù)據(jù)

改進前，每臺鉛粉機實際日產(chǎn)量平均為 16～18 t，只有標稱產(chǎn)量的 70 %～75 %；改造后，每臺鉛粉機的實際產(chǎn)量可達到 26 t 以上，單臺鉛粉機日產(chǎn)能提高了 45 %。而且，每噸鉛粉的耗電量從2015 年的平均 127 kW·h/t 降低到 2016 年的平均97 kW·h /t，生產(chǎn)每噸鉛粉的電耗量節(jié)約了 23 %，年節(jié)約電費約 18 萬元。表 3 是以 2015 年/2016 年 6個月鉛粉制造工段 7 臺鉛粉機的鉛粉產(chǎn)量和電耗數(shù)據(jù)。

表3 2015 年/2016 年鉛粉機改造前后能耗對照表

5 結論

鉛粉的制造過程是一種機械物理和化學氧化相結合過程[8]。在這個過程中，電解鉛原料的純度、鉛粉機的負荷量、鉛粉機內的溫度變化，正風壓和負風壓的大小及匹配、環(huán)境溫度、溫度的變化，以及鉛粉的貯存條件等都對鉛粉的質量和產(chǎn)量影響很大。因此，在鉛粉的制造過程中，應該對影響鉛粉質量的諸因素進行科學有效地控制，特別是要控制好這些因素之間的關系。這樣才能制造出優(yōu)質、均衡、穩(wěn)定、高產(chǎn)的鉛粉。

通過對島津式鉛粉機的優(yōu)化改進設計，單臺鉛粉機的產(chǎn)能從原來的 16～18 t/臺左右提升到 24～26 t/臺，產(chǎn)能提高了 45 %，能耗降低 23 %，而且鉛粉關鍵理化指標完全滿足技術要求。通過設備改造，既節(jié)約生產(chǎn)面積，又節(jié)約了設備投資，同時減少了安全隱患，避免安全事故的發(fā)生，保證了設備的安全運行，取得了明顯的經(jīng)濟效益。