鄭子恩，何銀暉

（長沙有色冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410019）

電解二氧化錳（EMD）是電池工業(yè)的一種非常重要的原料，作為優(yōu)良的電池去極化劑，EMD是錳系堿錳電池、三元鎳鈷錳酸鋰材料、磷酸鐵錳鋰、錳酸鋰電池的關(guān)鍵材料［1］，產(chǎn)品中對各項(xiàng)雜質(zhì)含量控制要求較高，尤其鐵雜質(zhì)要求，高性能堿錳產(chǎn)品要求鐵在40μg/g，鋰錳鐵雜質(zhì)含量要求不高于30μg/g，磁性物質(zhì)要求低于80μg/g。產(chǎn)品中鐵含量高于60 μg/g時，產(chǎn)品只能作為低端P型產(chǎn)品銷售。因此，如何快速高效的降低產(chǎn)品中雜質(zhì)鐵含量，成為了項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵。本文分析工藝生產(chǎn)流程，理清產(chǎn)品中增鐵原因，通過管理學(xué)排列圖因素分析法，找出后處理階段，雜質(zhì)鐵增量主要因素，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)雷蒙磨機(jī)降鐵工藝方法，通過有限元分析方法結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，著重設(shè)計(jì)優(yōu)化了剝離機(jī)錘頭，從而實(shí)現(xiàn)二氧化錳降鐵的目的。

1 二氧化錳生產(chǎn)原理及工藝條件

電解二氧化錳工藝流程主要包含：浸出化合—凈化除雜—電解剝離—后處理工序［2，3］。

1.1 浸出化合工序

在溶浸過程中，礦粉中所含的鐵、重金屬等雜質(zhì)也與錳一起溶解進(jìn)入溶液，因此，要除鐵和重金屬。浸出化合過程包括一氧化錳粉（焙砂）的酸性浸出、氧化、黃鉀鐵礬法除鉀、及中和除鐵過程。

浸出化合反應(yīng)原理：

浸出化合液固比20～27∶1。浸出控制反應(yīng)溫度90～95℃，浸出反應(yīng)時間2 h，控制浸出終點(diǎn)酸度pH值為2。

氧化過程：MnO中有少量的沒有還原的二氧化錳，及補(bǔ)加少量的二氧化錳進(jìn)行氧化反應(yīng)，將溶液中Fe2+氧化為Fe3+。

除鉀過程：進(jìn)行黃鉀鐵礬法除鉀，控制反應(yīng)溫度90～95℃，使鉀離子與溶液中的Fe3+形成黃鉀鐵礬沉淀，加入少量MnO調(diào)整反應(yīng)時溶液pH值，使用溶液中大部分K+隨黃鉀鐵礬渣除去，控制終點(diǎn)溶液中K+含量在工藝范圍內(nèi)，待終點(diǎn)K+濃度檢測合格則沉礬完成。

中和除鐵過程：待抽樣化驗(yàn)達(dá)標(biāo)后進(jìn)行浸出礦漿的中和。

1.2 凈化除雜工序

凈化除雜主要工序包括：一段凈化加硫化鋇除重金屬、二段凈化加高錳酸鈉除Mo等，凈化后靜置除Ca、Mg，間斷凈化可保證每段凈化液的雜質(zhì)脫除到電解所需的要求.工藝生產(chǎn)要條件溫度：60～80℃，pH值4.5～6.5

凈化除雜工作原理：

1.3 電解、剝離工序

電解操作是生產(chǎn)電解二氧化錳的核心工序。錳元素在此工段被分離出電解液并以二氧化錳的形式電沉積在鈦極板上。而后，經(jīng)過機(jī)械剝離，固體電解二氧化錳變成尺寸各異的碎片狀半成品。

電解過程生產(chǎn)原理總反應(yīng)方程式：

電解過程主要工藝生產(chǎn)條件：

電解液溫度：98±1℃。

電解液酸度值（根據(jù)需要會有調(diào)整）：50±2 g/L。

直流電流（根據(jù)需要會有調(diào)整）：26 000～27 000 A。

槽電壓：2.7～4.2 V。

1.4 后處理工序

電解二氧化錳的后處理工序主要包括：破碎、洗滌、中和、干燥、摻混與包裝等工藝過程在后處理階段也是設(shè)備增鐵主要階段。

2 電解二氧化錳主要增鐵工藝流程

通過對工藝流程的分析了解，以電解為界限可以將二氧化錳生產(chǎn)工序分成三個階段，第一步為溶液制備階段，第二步為電解工序，第三步為固態(tài)成品處理階段。因?yàn)樵谌芤褐苽溥^程中，存在專門凈化除雜工序，相對工藝指標(biāo)控制較好情況下，雜質(zhì)增量較小，本文著重研究電解后工序過程中，因設(shè)備原因造成雜質(zhì)增加情況。

2.1 電解過程中鐵雜質(zhì)來源分析

電解過程中主要鐵雜質(zhì)來源于，電解槽及陰陽極板、以及電解過程中含鐵異物進(jìn)入電解槽；電解槽一般使用襯耐酸磚，根據(jù)廣西某電解二氧化錳生產(chǎn)企業(yè)，曾發(fā)生過電解槽防腐的環(huán)氧膠泥帶入了含鐵雜質(zhì)。

電解二氧化錳主要使用鈦板作為陽極板，銅板作為陰極板，所有在極板選擇過程中一定要嚴(yán)格把關(guān)防止含鐵雜質(zhì)進(jìn)入；電解過程中含鐵異物帶入鐵雜質(zhì)是鐵含量升高的主要原因，一般企業(yè)生產(chǎn)過程中在電解溶液中含鐵量需要控制在40μg/g以內(nèi)，電解出槽后粗產(chǎn)品保持鐵含量在40μg/g。

2.2 電解后處理鐵雜質(zhì)來源分析

電解生產(chǎn)二氧化錳半成品后需要經(jīng)過剝離工序、雷蒙磨機(jī)磨粉工序、漂洗桶堿液漂洗工序、帶式過濾機(jī)過濾工序、干燥塔干燥工序、摻混塔摻混工序、最后進(jìn)入包裝工序。在這些生產(chǎn)過程中通過貴州某電解二氧化錳生產(chǎn)企業(yè)數(shù)據(jù)分析，主要鐵雜質(zhì)增加工序有以下幾種，見表1。

表1 工序增鐵統(tǒng)計(jì)表

二氧化錳產(chǎn)品質(zhì)量要求鐵含量：半成品鐵含量能控制在10～15μg/g以下，剩下的工作就應(yīng)歸于后處理工序，后處理階段鐵增加量不超過20μg/g。

3 通過設(shè)備優(yōu)化降低產(chǎn)品中鐵含量

1.自動剝離裝置主要工作原理是通過剝離錘頭敲擊陽極板表面，兩塊陽極板發(fā)生撞擊，致使結(jié)合在陽極板上塊狀二氧化錳脫落，脫落過程中經(jīng)過飛輪裝置時，小塊裝二氧化錳掉入料倉，大塊狀二氧化錳通過剝離錘進(jìn)行二次錘擊打碎在進(jìn)入料倉。料倉下端安裝有振動給料器，待料位達(dá)到一定高度是進(jìn)行放料。

通過剝離機(jī)工作原理可知，剝離過程中主要是由破碎錘頭敲擊，主要帶入雜質(zhì)鐵由于錘頭磨損帶入。在使用工程中還出現(xiàn)錘頭脫落，進(jìn)入后續(xù)雷蒙磨機(jī)工序，造成整個鐵雜質(zhì)含量升高。

2.優(yōu)化設(shè)計(jì)剝離機(jī)。首先通過SolidWorks軟件建立剝離機(jī)模型，采用有限元仿真，計(jì)算剝離機(jī)錘頭的靜態(tài)應(yīng)力及疲勞損傷情況［4］，如圖1所示，并與實(shí)際使用情況進(jìn)行對比，通過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，如圖2、圖3所示。最終設(shè)計(jì)出合格的剝離機(jī)錘頭。

圖1 原破碎錘靜態(tài)應(yīng)力分析和疲勞壽命

圖2 一次優(yōu)化后破碎錘靜態(tài)應(yīng)力分析和疲勞壽命

圖3 二次優(yōu)化后破碎錘靜態(tài)應(yīng)力分析和疲勞壽命

根據(jù)有限分析計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 優(yōu)化前后疲勞壽命統(tǒng)計(jì)表

3.關(guān)于材料優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及其他技術(shù)經(jīng)驗(yàn)借鑒后，剝離機(jī)催柄材料采用3Cr24NiSi2MnMo，錘頭堆焊D322銷軸采用35CrMo，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

圖4 剝離機(jī)錘頭剖視圖

通過設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化后，剝離機(jī)錘頭壽命得到大幅提升，根據(jù)有限元分析結(jié)果也為定期檢查更換剝離錘頭提供了理論依據(jù)，為工廠定期備料、采購、檢查維護(hù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理提供了支持。

4 結(jié) 語

電解二氧化錳生產(chǎn)工藝過程中，鐵含量是制約產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素，如何控制鐵雜質(zhì)也是行業(yè)中的困難，雜質(zhì)鐵的帶入原因有很多，酸性的腐蝕、設(shè)備的磨損、工藝反應(yīng)的不充分等等都可能導(dǎo)致雜質(zhì)鐵含量升高最終導(dǎo)致產(chǎn)品的不合格。通過分析不難發(fā)現(xiàn)，工藝流程實(shí)現(xiàn)很多都在于設(shè)備能力、控制精度、設(shè)備質(zhì)量以及設(shè)備是否與工藝匹配的問題上。如何基于設(shè)備的角度解決工藝的難題，也是未來技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。