鉛電解設備相關技術改進與應用

〔摘 要〕針對鉛電解機組在電解精煉生產中存在鉛陰極導電棒壽命較短、焊接質量差、懸垂度差等相關問題，基于彎曲整形、神經網絡控制等理論，研發了析出鉛板與導電棒的高效能棒—板分離技術、動態多特征值融合的BP神經網絡電阻焊控制技術、剛度強化的板面壓紋技術，并應用于國內某大型鉛冶煉企業的新建項目上。實踐證明，技術優化后，導電棒的使用壽命可延長12.8%以上，短路率降低至0.43%。

〔關鍵詞〕鉛電解；電解短路；棒—板分離；導電棒壽命

中圖分類號：TF821;TF351" " " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）04-0024-04

Technical Improvement and Application of Lead Electrolysis Equipment

PENG Hongdao1，2， LIU Wenbin1，2， YANG Guang1，2， WEI Dongdong1，2， CHENG Daoshun1，2

（1. China Nerin Engineering Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China;

2. Jiangxi Nerin Equipment Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330032， China）

Abstract" In response to the problems of the lead electrolysis machine in the electrolytic refining production， such as short service life， poor welding quality， and undesirable sagging of lead cathode conducting rod， based on the principles of bending amp; shaping， neural network control， etc.， the technologies such as the high-efficiency rod-plate separation technology for separating lead plate and conducting rod， BP neural network resistance welding control technology with dynamic multi-eigenvalue fusion， stiffness-enhanced plate surface corrugating press technology have been developed and applied to the new large-scale project of a large domestic lead smelting enterprise. Practice has proven that the application of technically-optimized lead electrolysis equipment can extend the service life of conducting rod by 12.8%， and reduce the short-circuit rate caused by cathode sagging to 0.43%.

Keywords" lead electrolysis; electrolytic short circuit; rod-plate separation; service life of conducting rod

目前，鉛電解有小極板、大極板兩種生產工藝。由于大極板電解精煉的綜合能耗較低（約70 kgce/t），比小極板電解精煉的綜合能耗要低50 kgce/t[1]，具有顯著的工藝和節能優勢，因此近十年來新建的國內鉛電解精煉項目基本采用大極板工藝及配套裝備。自2005年云南馳宏鋅鍺公司第一次引進日本的大極板生產成套設備以來[2]，國內廠家結合生產經驗不斷消化吸收和改進創新。目前，國內部分企業研制出的配套設備，能夠滿足電解工藝對設備的生產要求，并已有成功的應用案例。然而，近年來鉛電解單體車間產能不斷擴大，國內某些鉛電解企業的單體車間產能已逐漸從100 kt/a擴能至200 kt/a。車間產能的提升，促使企業對單套鉛電解裝備的處理能力、穩定性、使用便捷性提出了更苛刻的要求；同時，在降低能耗和使用成本、減少設備維護費用等方面，冶煉企業對設備性能的要求也呈現出多樣性和復雜性的特點。本文擬通過對傳統設備中鉛始極片導電棒壽命短、焊接質量差、懸垂度差等關鍵性問題進行研究，提出相應的解決方案，并將其應用于實際項目中。

1" "鉛電解設備技術現狀

1.1" 導電棒的壽命短

導電棒在陰極制造機組中需供棒制造始極片，然后入槽在電解過程中起到導電和承載析出鉛板重量的作用，最后在析出鉛洗滌機組中從鉛板中抽離出來，再供給陰極制造機組循環使用。導電棒一般采用銅包鋼結構，銅層厚度為2～3 mm，更換成本高。目前，導電棒的壽命一般為5～10 a。實踐表明，影響其壽命主要工序為抽棒、清洗。

1）抽棒。目前抽棒方式分為傳統人工和自動兩種方式。抽棒過程是由人工或機械手將導電棒從析出鉛皮的一側抽出來。在此過程中，由于鉛皮與導電棒之間存在干摩擦，使銅棒表面的銅層受到損傷，同時刮下的銅也會對析出鉛產品造成二次污染。某車間導電棒破損狀態見圖1。

" " （a）端面受損狀態" " " " " " " " "（b）側面磨損及夾損狀態

圖1" 導電棒破損狀態

2）清洗。目前導電棒的清洗按采用清洗設備類型主要分兩種：一種是在引進的設備中，采用鋼刷打磨的方式去除導電棒上的雜質和氧化層。該方案對導電棒的磨損較大，且清洗時粉塵多、環境差。另一種是采用配有超聲波發生器的酸洗槽，通過超聲波高頻振動將氧化物清除。該方案效率低，振子壽命較短，且酸洗過程中產生的酸霧對車間環境也會造成不利影響。

1.2" 陰極的電阻焊接質量差

陰極加工過程中，將鉛皮包裹導電棒進行裝配，并在其折頭側連接固定。原引進技術為：先在車間1樓將導電棒外的鉛皮沿長度方向均勻地壓出3個圓孔并壓鉚連接，然后通過斜提升機構將陰極提升至2樓，在橫移輸送鏈上依次完成壓紋、電阻焊、壓平、移載排距等動作。其中，在點焊工位上，沿鉛皮寬度方向等間距點焊14～16個點，以增強陰極的導電性能及棒板之間的懸掛強度[3]。陰板壓孔及點焊的位置見圖2。

陰極耳部的連接質量與沖孔及點焊質量緊密相關。點焊時，如果存在虛焊連接，則在陰陽極排距后的吊運或電解過程中，有可能導致鉛皮從導電棒上脫離滑落，從而降低設備生產速度或作業率。

1.3" 陰極的懸垂度差

鉛陰極的懸垂度是產品質量控制的一個重要指標，也是后期電解是否會產生連電短路問題的重要因素。正常情況下，鉛陰極入槽前的懸垂度須控制在10～15 mm。懸垂度不合格的陰陽極排距狀態，見圖3。

圖3" 懸垂度不合格的陰陽極排距狀態

在制造過程中，影響鉛陰極懸垂度的主要因素有：1）陰極壓紋紋路設計不合理，壓紋深度不夠，板面剛性差；2）陰極壓紋并整平后，在進入電解槽之前產生了二次變形。生產實踐表明，在保證壓紋模具紋路設計合理、壓紋機架焊縫不脫落的情況下，壓紋深度都能保持穩定。由此可見，影響懸垂度的主要原因在于因素2。

鉛陰極制作完成后，需要和陽極進行交替排列，方便吊具將陰極、陽極一起吊入電解槽中，提高生產效率。目前，陰陽極排距技術方案都是將陰極從頂部向下插入至陽極之間。由于陰極板面高度方向尺寸大，且厚度薄（本身厚度僅0.9 mm），在下降插入過程中，陰極板會發生擺動，并在下降過程中受到風阻或導向擋板的影響，導致板面的變形量被放大。嚴重時，陰極底部還會與陽極板發生碰撞使其彎曲破壞，導致設備被迫停機進行故障處理。陰極板向下垂直插入的排距方案見圖4。

2" "設備優化技術方案

2.1" 高效能棒—板分離技術

為了降低傳統抽棒方式對導電棒的磨損和表面銅層破損，研究團隊采用了高效能的棒—板分離技術：分離前，先將導電棒和鉛板進行固定，采用割刀從析出鉛板一側的V形口處開始割向另一側，分離后鉛板從下方滑進撕碎機。棒—板分離機構示意，見圖5。

圖5" 棒—板分離機構

如圖5所示，該棒—板分離機構的優化思路體現如下：1）分離機構的設計優化。分離機構包括割刀架、定位裝置和輔助力控制裝置等，本次設計特別針對割刀的形狀、尺寸和材料進行了優化。割刀設計了雙刃、內八字、外八字、鐮刀形等不同形式，并且選擇具有足夠硬度和耐磨性的刀具材料，實現了鉛皮的高效分割。2）檢測與反饋控制。優化設計通過使用傳感器和反饋控制系統，實現了對分離過程中力度、位置和效果的實時監測，并能根據反饋信息進行調整和優化，確保了高效的分離操作。3）切割速度控制。過高的切割速度可能會導致割刀的磨損和損傷，而過低的速度則會降低分離效率，影響正常切割的進行。因此，優化設計時對割刀的切割速度進行控制，正常情況下，將切割速度控制在1.０～1.2 m/s。

2.2" 高壓水清洗技術

在導電棒的清洗階段，可采用高壓水清洗技術，通過高壓無磨粒的清洗液，從特定的角度以一定的壓力和流速碰撞至導電棒的表面，使表層附著的氧化物及雜質得到清除，避免了其他物理清洗對銅層基體造成的損傷，進一步延長了導電棒的壽命。經過試驗驗證，與常規鋼刷的清洗方式相比，采用高壓水清洗技術，銅層的厚度變化緩慢，且銅層表面的氧化層得到了有效清理，導電棒的壽命可延長12.8%以上。

2.3" 神經網絡控制的電阻焊技術

電阻焊技術應用廣泛，特別適應于熔點較低、導熱性差的金屬連接，已經在鉛陰極制作中得到了推廣。由于鉛皮厚度薄，為了保證承載力，需要進行多點焊接，行業中一般采用14～16點。為了使焊接設備簡單，每7～8個焊頭共用1套焊接設備，共2套。在電阻焊接過程中，存在多個影響焊接質量的特征值，例如焊接電流、焊接時間、電極間距、正壓力等。為了提高多個焊接點連接質量的統一性，電阻焊的控制技術非常關鍵。

本項目中采用了動態多特征值融合的BP神經網絡電阻焊控制技術，利用多個特征值并結合反向傳播（BP）神經網絡的方法來實現電阻焊接過程的控制。該技術的拓撲結構[5]，如圖6。

圖6" BP神經網絡拓撲結構

BP神經網絡通過學習歷史數據和反向傳播算法來建立特征值與焊接質量之間的關系模型，輸入層至隱含層的變換是非線性的，從隱含層至輸出層的變換是線性的。網絡結構與參數的獲取，本項目中在已獲取的試驗數據中，抽取部分數據進行網絡訓練，其余為樣本進行網絡預測[6]，其中輸入層為4個節點，隱含層為16個節點，輸出層為1個節點，迭代次數設置為120個，學習率為0.1，傳遞函數使用Sigmoid函數，評價神經網絡的性能指標為焊點抗剪力均方誤差[7]，即：

f（x）=■。

式中：e=lim（1+■）n ，其中n為自然數。

2.4" 剛度強化的板面壓紋技術

為了提高陰極板面的平面度及剛度，需要對壓紋技術進行優化處理。本項目主要在壓紋模具設計、控制壓紋參數、選擇適當的模具材料等進行優化。

1）壓紋模具設計。根據鉛陰極后續轉移的軌跡方向，對壓紋模具紋路進行合理優化，在鉛陰極表面形成規則的壓紋圖案，且確保在壓紋過程中均勻施加壓力。這樣不僅能有效地增加鉛陰極的剛度，還能防止過大的應力集中，從而使鉛陰極適應機器人快速、水平、側向轉移陰極時對板面造成的變形影響。本項目中采用的紋路圖案見圖7。

圖7" 優化后的陰極紋路圖案（單位：mm）

2）壓紋參數有效控制。控制壓紋過程中的參數，如壓力、速度和時間等，以實現最佳的剛度強化效果。本項目采用的油缸壓力為160～185 kN，壓紋速度為25～32 mm/s，壓紋時間為3.0～3.5 s。

3）模具材料正常選擇。選擇良好剛性和耐磨性的材料作為模具材料，采取適當的熱處理或表面處理方法提高其力學性能，同時模具壓紋面的平面度控制在2～3 mm以內，使紋路肋條的均勻一致性好，降低了壓紋后陰極的彎曲和變形風險。

3" "應用效果

根據前文提出的解決方案，研制相關的優化裝備。該設備目前已在國內河南某大型冶煉企業投入運行，取得了良好的應用效果。

3.1" 導電棒壽命的延長

優化后的析出鉛洗滌抽棒機組中采用了高效能的棒—板分離技術，提高了棒—板分離時的效率、準確性和穩定性，使導電棒免受抽棒過程中鉛皮的干式磨損，使陰極表層的銅層得到有效保護，延長了使用的壽命。投產6個月后現場導電棒的狀態，如圖8所示。

該企業因項目投資金額受限的原因，導電棒的清洗暫未采用本文推薦的高壓水清洗技術。這對導電棒壽命的延長有一定影響。若后期結合金屬銅及其表面氧化層的理化特性，嘗試應用高壓水清洗或激光清洗等技術，可進一步延長導電棒壽命。

3.2" 電解能耗的降低

通過應用剛度強化的板面壓紋技術，使陰極的板面成型平面形狀公差得到有效控制，同時陰極轉移操作平穩、順滑，陰極后期變形量也控制在有效范圍內，排距后的陰極懸垂度情況如圖9所示，陰極的懸垂度小于±8 mm。

基于BP神經網絡控制的電阻焊技術具有較強的非線性擬合能力，更全面地考慮多個特征值之間的相互影響，提高了焊接過程的控制精度和穩定性，使焊接的多個點之間強度和電阻值更為均勻，降低了陰極本體的接觸電阻。

該精煉廠采取以上措施的優化組合后，有效地提高了板面的剛度，提高了陰極的懸垂度，降低了電解時的陰陽極板之間的短路率和陰極本身的接觸電阻值，在多方面改善了鉛電解車間的能效水平。該企業直煉廠電解車間（未采用此套優化設備）與精煉廠電解車間（采用此套優化設備）生產3個月的相關數據對比見表1。

表1" 電解車間短路率統計數據

由表1可以看到，精煉廠的平均短路率僅為0.43%，和直煉廠電解車間的平均短路率1.12%相比，降幅明顯。

4" "結語

本文針對現有傳統鉛電解設備在生產中存在多種關鍵難題，研究了析出鉛板與導電棒的高效能棒—板分離、剛度強化的板面壓紋技術、動態多特征值融合的BP神經網絡電阻焊控制等技術，并將其應用于相關的實際生產裝備中。實踐表明，應用了這些技術的鉛電解裝備可靠性高，電解短路率與未使用該套優化設備的電解車間相比降低了約60%，導電棒的使用壽命延長了12.8%以上，給企業帶來了良好的經濟效益，對推動鉛電解行業裝備的升級起到了積極作用。

參考文獻

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[2] 李濤，張杰磊.大極板鉛電解工藝技術與應用[J].世界有色金屬，2015（2）：31-32.

[3] 陳智和，張國山.日本契島鉛冶煉工藝及裝備[J].工程設計與研究， 2007，122：7-8.

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[5] LIN W Y， REN X Y， ZHOU T T， et al.A novel robust algorithm for position and orientation detection based on cascaded deep neural network[J].Neurocomputing，2018，308：138-146.

[6] 羅留祥，邢彥鋒.基于BP神經網絡遺傳算法的薄板CMT點焊變形[J].焊接學報，2019，40（4）：80-81.

收稿日期：2023-12-01

基金項目：國家重點研發計劃項目“協同熔煉過程智能控制技術及大型化集成裝備”（項目編號：2022YFC3901504）

作者簡介：彭宏道（1984—），男，高級工程師，主要從事有色金屬行業裝備的研發與設計工作。