陳先友,姚應雄,朱北平,陶家榮,張國華,李茂發(fā)

(云錫文山鋅銦冶煉有限公司,云南文山 663701)

鋅電積工序是濕法煉鋅過程中的關鍵環(huán)節(jié),直接關系到鋅錠產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本。隨著濕法煉鋅技術(shù)的發(fā)展,為了節(jié)約投資、擴大產(chǎn)能、提高生產(chǎn)效率和自動化程度,鋅電積極板逐漸大型化,從1.6 m2逐漸發(fā)展至3.2 m2,但大極板鋅電積的生產(chǎn)控制要求也隨之提高[1]。若生產(chǎn)過程中的關鍵點控制不當,將影響鋅片質(zhì)量和電積成本。其中鋅片化學質(zhì)量主要體現(xiàn)為鉛或銅超標,產(chǎn)出1#或2#鋅片;物理質(zhì)量主要體現(xiàn)為表面粒子多,致密度差,降低鋅熔鑄直收率;電積成本主要體現(xiàn)為直流電單耗和陰陽極板成本升高。以上因素都將嚴重影響企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟效益。

云錫文山鋅銦冶煉有限公司(以下簡稱“公司”),是國內(nèi)第五家采用3.2 m2大極板生產(chǎn)的濕法煉鋅企業(yè),采用鋅精礦沸騰焙燒-中性浸出-銻鹽法三段凈化-3.2 m2大極板電積精煉-熔鑄主工藝流程,年產(chǎn)10 萬t 鋅,項目于2018年12月投產(chǎn)。本文結(jié)合公司生產(chǎn)控制實際需要,對3.2 m2大極板鋅電積過程中影響鋅片質(zhì)量和電積成本的關鍵因素作簡要分析探討。

1 影響因素分析

1.1 新液質(zhì)量

新液作為鋅電積原料,其成分是鋅電積質(zhì)量最重要的影響因素。各企業(yè)因工礦條件不一,故對新液質(zhì)量控制標準各不相同,大極板電積新液質(zhì)量要求相對較高,公司新液質(zhì)量控制標準見表1。

表1 新液質(zhì)量控制標準 g/L

公司生產(chǎn)中主要控制Co、Ge、Ni、As、Sb 等雜質(zhì)元素,其中Co 是重點控制元素,也是溶液凈化過程中最難除去的雜質(zhì)。根據(jù)雜質(zhì)金屬活動順序,若將新液Co 含量控制在低限值,其他雜質(zhì)元素含量也往往處于較低水平[2-4]。新液雜質(zhì)含量越低,越有利于電積進行,鋅片質(zhì)量越好,生產(chǎn)成本越低。生產(chǎn)中容易出現(xiàn)雜質(zhì)疊加燒板的情況,即單個雜質(zhì)含量合格,但多種雜質(zhì)疊加后引起燒板,因此,生產(chǎn)中要在合理的凈化成本范圍內(nèi)將新液雜質(zhì)盡可能控低。

影響鋅電積的還有可能是有機物或Mg2+。有機物含量高會導致鋅片表面發(fā)黑、粒子多、致密層薄、鋅片軟、背面有小孔等問題[5],嚴重影響鋅熔鑄直收率。目前,有機物對鋅片質(zhì)量的具體影響機理尚不明確,個人分析可能原因為:當電積液中有機物量過高時,溶液黏度和阻力增加,Zn2+擴散規(guī)律受影響,致使Zn2+在陰極表面吸附點不均勻,形成尖端放電,同時攜帶富集雜質(zhì)元素,導致輕微返溶。Mg2+濃度高,不僅管道和設備結(jié)垢嚴重,而且溶液電阻增大,直流電單耗升高?？傊?生產(chǎn)中要嚴格控制進入系統(tǒng)的有機物量(絮凝劑、除鈷劑、萃取劑、潤滑油等)和原輔料鎂含量(鋅精礦、石灰等),而且還要對鎂進行有效開路。

1.2 陰陽極板

陰陽極板作為直流電導體和鋅片載體,是鋅電積的重要工具,經(jīng)過廣大技術(shù)專家的不斷研究和實踐,極板材質(zhì)已達成共識,通常陰極板為壓延鋁板,陽極板多為Pb-Ag 合金板(含Ag 0.5%～1.0%),也有部分企業(yè)使用多元合金板(Pb-Ca-Ag-Sr 合金、Pb-Ca-Ag-Sr-Re 合金等)以及昆明理工恒達科技股份有限公司研發(fā)的柵欄型鋁基鉛合金復合陽極板[6]。經(jīng)過生產(chǎn)實踐總結(jié),形成如表2所示的陰陽極板質(zhì)量控制要點。

表2 陰陽極板質(zhì)量控制要點

陰陽極板導電性關系到槽電壓高低,即直流電單耗高低,陰、陽極板電阻電壓降占槽電壓的1.0%～1.3%(約0.03～0.05 V)[7],增加直流電單耗30～40 kW/t·Zn;國內(nèi)3.2 m2大極板噸鋅單耗0.05～0.08 片陰極板,0.02～0.05 片陽極板,10 萬t 產(chǎn)能的鋅冶煉廠通常有1 000～1 500 片的陰極板庫存和500～1 000 片的陽極板庫存,以滿足生產(chǎn)需求。陰陽極板的消耗主要與陽極絕緣措施、掏槽、陽極拍平、剝鋅操作有關。以2020年陰陽極板市場價計,陰陽極板消耗成本約占鋅電積成本的8%左右(不含殘值),因此,陰陽極板質(zhì)量也是影響鋅電積成本的重要因素之一。

1.3 電積液循環(huán)量

電積液循環(huán)量(m3/h) =鋅降(g/L) ×鋅片產(chǎn)能(kg/h),鋅電積鋅降通?？刂圃?～4 g/L,因此,循環(huán)量由產(chǎn)能決定。對于大極板生產(chǎn)來說,電積槽體積較大,電積液在電積槽內(nèi)均勻性相對較差,尤其電積槽底部溶液,鋅濃度貧化,易造成濃差極化[8],影響底部鋅片的析出質(zhì)量,嚴重時造成返溶,同時也增加槽電壓。因此,大極板生產(chǎn)循環(huán)量要比理論循環(huán)量偏大10%～20%,尤其鋅片析出異常時,可適當加大循環(huán)量,加快雜質(zhì)開路。為提高溶液均勻性,還可在陽極板面上適當開孔或者電積槽底部增加虹吸管,以增加溶液流動性。

1.4 槽溫

槽溫即電積液溫度,適宜的槽溫有利于加快溶液中Zn2+擴散速率,從而加快析出反應,提高電效[9];槽溫是影響槽電壓因素之一,槽溫升高,溶液黏度和電阻會降低,有利于降低槽電壓,降低直流電耗;槽溫過高,雜質(zhì)元素活性也相應增加,原電池生成可能性增大,從而增加燒板風險;增加槽溫會使氫的超電壓降低,有利于氫氣的析出,降低電效[10-13];但槽溫增加也導致廠房內(nèi)酸霧量增加,惡化操作環(huán)境。綜上考慮,生產(chǎn)中通常將槽溫控制在35～40 ℃。

鋅電積是放熱反應,電積后液溫度較電積前液升高3～5 ℃,電流密度和室外氣溫是影響槽溫的主要因素,為了保證生產(chǎn)正常穩(wěn)定,需要實時對槽溫進行監(jiān)控。為了控制適宜槽溫,公司配置了4 臺抽風式冷卻塔和3 臺鼓風式冷卻塔對電積后液進行冷卻,其中抽風式冷卻塔還具有抽出廠房內(nèi)酸霧的作用。

為了更靈活地調(diào)控槽溫,公司對冷卻系統(tǒng)作了優(yōu)化:在兩臺低揚程廢電積液循環(huán)泵配置基礎上,將其中兩臺廢電積液循環(huán)泵管道短接至混合溜槽,實現(xiàn)廢液能選擇性上塔冷卻或直接進入混合溜槽,以滿足槽溫控制需求,即:冬季槽溫低時,廢液直接進入混合溜槽(即進入電解槽),不經(jīng)過冷卻塔;夏季槽溫高時,廢液先經(jīng)過冷卻塔冷卻后再進入混合溜槽。實踐證明,控溫效果良好,完全滿足生產(chǎn)需求。

1.5 酸鋅比

酸鋅比是鋅電積的重要工藝參數(shù),正常生產(chǎn)控制在3.0～3.5,一般通過調(diào)整新液加入量進行控制。合理的酸鋅比是獲得高電效和低直流電單耗的重要保證,表3 內(nèi)容為酸鋅比對生產(chǎn)的影響。

表3 酸鋅比對生產(chǎn)的影響

因此,酸鋅比影響因素較多,生產(chǎn)中調(diào)控酸鋅比需遵循先保質(zhì)量再保指標的原則,即在保證鋅片質(zhì)量的前提下追求高產(chǎn)量和低成本才是獲得理想經(jīng)濟效益的正確選擇。

1.6 析出周期

大極板鋅電積周期比小極板長,公司3.2 m2大極板設計電積周期為48 h,但實際生產(chǎn)中采取連續(xù)出槽的方式,析出周期通常低于48 h。這樣,不僅可獲得較高的電效,且對降低直流電單耗也有重要作用。

在420 A/m2電流密度下,隨機抽取4 槽研究槽電壓和鋅片重量隨析出時間的變化規(guī)律,如圖1、圖2所示。結(jié)果表明,陰極板裝槽后,隨著析出的進行,槽電壓逐步下降,電積至35 h 左右時,槽電壓達到最低值,35 h 以后槽電壓呈升高趨勢。結(jié)合圖2分析認為,裝槽后陰極板表面無鋅晶核,析出電壓高,當鋅晶核生成后,析出電壓低,Zn2+快速向陰極擴散析出,析出速率較快,當析出至35 h 以后,鋅片厚度的增加導致陰極電阻增加,析出速率降低,加之局部短路現(xiàn)象的出現(xiàn)和陽極板陽極泥厚度的增加,槽壓升高。因此,生產(chǎn)中結(jié)合剝鋅能力實際情況,控制析出周期在35～40 h。

圖1 槽電壓隨析出時間變化規(guī)律

圖2 鋅片重量隨析出時間變化規(guī)律

1.7 槽面管理

槽面管理是鋅片質(zhì)量和生產(chǎn)成本的重要控制過程,是基礎工作,也是精細化工作,結(jié)合公司生產(chǎn)情況,總結(jié)槽面管理要點如表4所示。

表4 槽面管理要點

2 改進效果

公司鋅電積系統(tǒng)投產(chǎn)初期,因?qū)σ恍╆P鍵因素理解不夠深入,控制不到位,導致生產(chǎn)異常,后經(jīng)不斷優(yōu)化調(diào)整,鋅片質(zhì)量逐步好轉(zhuǎn),電積成本逐漸降低,生產(chǎn)日益向好,經(jīng)濟效益明顯。表5 為公司投產(chǎn)至2020年2 季度鋅電積關鍵經(jīng)濟技術(shù)指標及鋅片質(zhì)量變化情況。

表5 關鍵經(jīng)濟技術(shù)指標及鋅片質(zhì)量變化情況

3 結(jié)語

鋅電積技術(shù)經(jīng)過反復實踐優(yōu)化,已是一項成熟的工藝,但工藝控制和管理過程亦沒有唯一標準,各企業(yè)也不盡相同,均有自己的特色和短板,但無論如何,都在緊緊圍繞低成本、高質(zhì)量、高效益等目標開展工作。鋅電積過程雖較為復雜,影響因素繁多,但只要將各項影響因素控制在較好水平,均可以取得理想的生產(chǎn)效果和良好的經(jīng)濟效益。

大極板鋅電積雖然具有許多優(yōu)勢,但生產(chǎn)控制要求比小極板要高得多,這應該也是大部分煉鋅企業(yè)更愿意采用小極板生產(chǎn)的原因。目前,對于大極板鋅電積的研究僅停留在表面,對生產(chǎn)中一些異常現(xiàn)象的本質(zhì)機理仍沒有準確的定論,仍是仁者見仁智者見智。全面深入開展大極板鋅電積技術(shù)研究,包括不同電流密度條件下不同濃度雜質(zhì)元素的行為和影響機理、高純新液制備技術(shù)、除鎂除氟技術(shù)、高導電性高壽命陰陽極板技術(shù)、自動掏槽技術(shù)、短路極板自動識別技術(shù)等,是獲取更低生產(chǎn)成本、更高品質(zhì)鋅片、更高經(jīng)濟效益的必然之路,也是未來濕法煉鋅企業(yè)發(fā)展的方向。