長周期鋅電積生產實踐

嚴遠忠

(株洲冶煉集團股份有限公司,湖南株洲 412004)

長周期鋅電積生產實踐

嚴遠忠

(株洲冶煉集團股份有限公司,湖南株洲 412004)

文章主要闡述了在長周期鋅電積過程中的有機物開路、開槽方式、陽極的選擇、溶液循環方式、真空掏槽等技術的應用,并在實際生產過程中得到了較好的技術經濟指標,達到了良好的工藝效果。

鋅電積;長周期;開路

濕法冶煉是目前我國最主要的鋅生產方法,其中全國75%的鋅產量是通過濕法冶煉得到。近年來,雖然我國在冶煉技術和裝備水平上不斷得到提高,但與世界先進水平仍有差距,在設備大型化、自動化、生產連續化、作業機械化上相對很落后。在鋅電積方面由于溶液深度凈化不夠,雜質含量高,在電積過程中隨著時間的延長,經濟技術指標變差,不能實現長周期電解,鋅片厚度不夠,是不能實現機械化的主要原因。株洲冶煉集團股份有限公司(以下簡稱株冶)是我國最大的濕法煉鋅企業,近年來經過不斷的技術改造及產能擴充,目前已經達到了年產45萬t析出鋅的規模。其中10萬t為2009年投產的大極板長周期生產的系統,采用了2.6 m2陰陽極板與全套日本進口的自動剝鋅機與陽極平整機設備,進行48 h析出周期生產模式,提高了企業裝備水平與技術水平。

機械化、大型化、長周期化生產已經是世界的潮流,國外許多電鋅廠已經實現了出裝槽和剝鋅的機械化和自動化,大大節約了勞動力。株冶是國內第二家采用長周期生產模式的企業,而大極板長周期更是第一家,國內基本無借鑒經驗,而國外企業的生產情況與國內情況差異較大,基本無法進行比對借鑒,只有靠自己進行摸索總結,下面將詳細介紹各電積生產環節。

1 硫酸鋅水溶液的質量控制

隨著株冶濕法煉鋅綜合回收不斷深入及常壓浸出技術的使用,大量的雜質及有機物進入了濕法煉鋅系統。其中由于株冶廢水零排放的政策實施,導致廢水中大量因設備檢修時產生的廢油進入系統,而常壓浸出技術的使用,使得鋅精礦中的有機物沒有經過焙燒系統開路,直接進入生產系統。而且在常壓浸出過程中,為了強化固液分離的效果而添加了大量的有機絮凝劑,從而使得系統有機物富集嚴重。有機物對鋅電積過程有著非常大的影響,其使得陰極電位向負的方向偏移,使鋅離子放電受到阻礙,使鋅難以析出,而氫相對容易析出,從而產生返溶,并造成電積電流效率顯著下降,電耗上升。為了保證長周期電積的穩定,凈化工序對硫酸鋅水溶液進行了多次凈化,同時次采用活性碳吸附有機物、硫酸鋅溶液長時間澄清與超聲波除油相結合的方式對溶液中的有機物進行開路,取得了較好的效果,詳情列于表1。

表1 系統有機物開路前后對比mg/L

從表1中可以看出,經過有機物開路后的溶液有機碳含量與油含量得到了明顯的下降。

2 生產準備及開槽

由于株冶在長周期生產上所選擇的搭接方式是線接觸式,所以對電解槽與槽間導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,陰陽極與導電銅排之間的搭接越完全,則導電效率越好,陰陽極發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電銅排完全線搭接,而杜絕點接觸,電解槽、陰陽極與導電銅排的每一個搭接齒都要成一條無偏差的直線。而在生產實際中,由于陰陽極板制作時候的誤差,極板平整時的誤差,電解槽及槽間導電板安裝時的誤差等,導致了無偏差安裝無法完全達到,但是經過工人的精細化操作,可以保證絕大部分的陰陽極與導電銅排聯成一條直線,從而使得大部分陰陽極板的導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模式,只安裝少量陰陽極板進行通電,然后再陸續進行加板作業,另外一種是按照滿負荷生產進行通電生產,但兩種選擇都各有優缺點。少量的陰陽極板進行通電作業,優點是可以使得在通電后如果出現大面積燒板情況仍然能夠保證生產的連續性,勞動強度較低,能夠較好地掌握將來的生產形式。而缺點是,通電時只有少量的陽極進行了低電流鍍膜,造成了大量的陽極板在后續的加板過程中起殼嚴重,使得每次加板都需要進行大量的人工平陽極作業,才能保證有較好的導電性,不僅加大了工人的勞動強度,且嚴重影響了電效及電耗指標,而滿負荷通電,則可直接快速地進入陽極通平周期,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比見表2。

表2 不起殼陽極與正常加板陽極情況對比

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

在生產過程中,陽極的壽命是有限的,而為了保證生產過程中所更換的新陽極能夠得到較高的電流效率,生產技術人員將新陽極放置在電解槽中,利用感應電流進行鍍膜,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

在目前的生產實際應用中,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壓延所需要的元素種類來細分。Pb-Ag鑄造陽極與壓延陽極在生產過程中的應用各有優缺點。Pb-Ag鑄造陽極的優點是易于鑄造,可回收利用,導電性好,表面保護膜易于生成等。但缺點也相當明顯,一是含Ag量高,且回收率較低,導致成本較高;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是不易制作,且回收難度大。在同樣的生產條件下,做了Pb-Ag鑄造陽極與壓延陽極的生產對比,詳見表3。

表3 鑄造陽極與壓延陽極生產對比

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勢。

4 電解液循環方式的選擇

電積液中保持一定的鋅離子濃度是正常進行電積的基本條件之一,若電積液含鋅過低,則硫酸濃度相對增大,使陰極附近的鋅離子濃度發生濃差極化現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。

在生產過程中,為了保證電解槽內鋅離子的濃度與酸度的比值,防止鋅離子貧化或過度酸化,槽內需及時補充電解液。在傳統的鋅電積過程中,溶液在電積槽內循環方式為上進上出,即溶液從溜槽內通過下液管流向電積槽,溶液在電積槽表面循環后直接從電積槽上部出口流走。這種循環方法只能適用于尺寸較小,裝板數較少的電積槽,因為溶液在循環過程中無法均勻地循環到電積槽子底部,尺寸較小的電積槽可以通過加大循環量,加快更換槽內溶液的速率來彌補電積槽底部溶液鋅離子貧化的問題。而長周期生產所適用的體積較大的電積槽只能通過改變溶液的循環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。

在大極板長周期生產過程中可以發現,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別,上部鋅致密度非常好,底部鋅粒子較多,且生長較為雜亂、粗大。為了找出導致該問題的原因及解決該問題,做了改變循環方式的實驗。根據U型管原理,通過在電積槽兩端加裝擋液板,使得溶液由上進上出的方式改為下進上出的方式,并同時加大溶液的循環量,加快槽內溶液更換速率。實驗結果表明,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晶方向進行,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,陰極鋅的結晶就粗糙,甚至表面被腐蝕或穿孔,此時質量和電流效率均大大降低。

鋅電積的陰極反應為:

由于膠質吸附于陰極表面,Zn2+要放電沉積,必須通過這層膠質才行。依據定律:NZn=aexp(-b/η2) (其中NZn表示晶核生成速度,a,b為常數,η為極化超電壓。)可知,陰極表面的膠質使極化超電壓增大,晶核生成速度增大,超過晶體的成長速度,這樣形成的結晶將會變得細密。膠的最明顯影響是使鋅晶體沉積具有一定的方向,因為電積結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,使被膠優先吸附的平面增加了超電壓,使其傾向于外向成長,此外,膠還明顯增加成核速率,使晶粒尺寸降低。因此,在鋅電積時加人適量骨膠,可使陰極鋅結構平整致密。同時,這層膠質還會阻止H+向陰極的擴散,減弱2H++2e=H2↑的反應,這樣氫氣析出少了,電能利用率將會增高,電流效率隨之增大。骨膠存在時,可阻止電解液中少量比鋅更易析出(正電性金屬)的離子不會與陰極鋅形成微電池而放電,抑制生產中常見的返溶現象。

骨膠是種有機物,在鋅電積溶液中會被分解,同時會被廢液的排出帶走一部分,需要及時補充,保證槽內膠的含量。但骨膠過多,會增加溶液電阻,導致槽電壓升高;也會導致析出鋅脆、硬,不易剝離,加大材料消耗和勞動強度。

在大極板長周期實際生產過程中,發現電流效率隨著析出時間的延長而下降,特別是最后8～12 h下降最為明顯。而骨膠的加入可以適當地提高電流效率,保證鋅片的正常析出。在生產過程中,為了保證溶液中骨膠含量,采用了分時加入的方式,并根據析出鋅晶體成長速率及形狀對比分析,調整每段時間的骨膠加入量。基本情況為出裝槽后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后開始補充骨膠,并根據析出的最后12 h電流效率明顯下降的情況,在析出的最后12 h內加大骨膠使用量,提高鋅晶體成核速率,保證鋅片致密生長。大量的生產實踐證明,在長周期生產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三分之一的陰陽極后,然后將波紋管插入電解槽底部進行陽極泥抽吸,同時采用虹吸大量補充電解液。估計陽極泥抽吸得差不多且極板露出約三分之一時,抽出波紋管,將陰陽極復位,進行下一輪次的作業。

由于波紋管材質較重,且無法完全深入電解槽內部,導致了掏槽時勞動強度大,且掏槽不干凈,嚴重影響了析出鋅質量及生產指標。為了解決這一難題,技術人員充分利用了搭接式生產及寬極距的優勢,重新對掏槽系統進行了改造,并全新設計了一套符合搭接式生產的“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,根據槽內裝板數量在每個槽里找出數個間隔相等的地方,每個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90°后,即可抽泥。針對槽內陽極泥形狀,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。根據生產強度,每6～10 min就能掏完一槽,既省力又快捷。

7 總 結

通過凈化、電積等各種技術條件控制,實現了長周期電積的穩定運行,得到了較高的電流效率及較低的直流電單耗,達到了提高生產效率的目的。

[1] 梅光貴,王德潤,周敬元,等.濕法煉鋅學[M].長沙:中南大學出版社,2001.

[2] 何旭漓.有機物及油類對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

嚴遠忠(1983-),男,助理工程師,主要從事鋅電積技術管理工作。