寬鉛帶連沖板柵的制造過程及特點(diǎn)

劉小鋒，徐建剛，孟剛，陳順宏（湖北駱駝蓄電池研究院有限公司，湖北 襄陽 441000）

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寬鉛帶連沖板柵的制造過程及特點(diǎn)

劉小鋒，徐建剛，孟剛，陳順宏
（湖北駱駝蓄電池研究院有限公司，湖北 襄陽 441000）

摘要：本文介紹了鉛酸蓄電池寬鉛帶連沖板柵的應(yīng)用現(xiàn)狀，對寬鉛帶連沖正極板柵的微觀結(jié)構(gòu)、金相組織及耐腐蝕性能等特點(diǎn)進(jìn)行了評述，并簡要概括了寬鉛帶連沖板柵的優(yōu)勢和缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：鉛酸蓄電池；寬鉛帶；連沖板柵；耐腐蝕性；毛化處理；重力澆鑄；拉網(wǎng)板柵；連鑄連軋

0 引言

國內(nèi)鉛酸蓄電池行業(yè)目前正處于淘汰落后生產(chǎn)能力，加快推行清潔生產(chǎn)和技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵時(shí)期。傳統(tǒng)重力澆鑄板柵生產(chǎn)的過程中，產(chǎn)生大量的鉛煙和鉛渣嚴(yán)重影響工人的身體健康，勞動環(huán)境較差，且生產(chǎn)效率較低，工人勞動強(qiáng)度大，所以這種生產(chǎn)方式已不能滿足清潔、高效生產(chǎn)的要求。目前重力澆鑄板柵正逐漸被其它板柵所替代，代表板柵先進(jìn)制造方向的連鑄連軋板柵、鑄帶拉網(wǎng)板柵和寬鉛帶連沖板柵（也稱鑄帶連沖板柵）應(yīng)用得越來越多，既實(shí)現(xiàn)了清潔生產(chǎn)，也大幅提高了生產(chǎn)效率[1]。尤其是寬鉛帶連沖板柵，綜合性能表現(xiàn)優(yōu)異，是目前起停蓄電池正極板柵的首選。本文重點(diǎn)對寬鉛帶連沖板柵的微觀結(jié)構(gòu)、金相組織及耐腐蝕性能等方面進(jìn)行了介紹，并與連鑄連軋板柵、窄鉛帶拉網(wǎng)板柵進(jìn)行了對比。

1 寬鉛帶連沖板柵的制造過程

寬鉛帶連沖板柵的制造過程主要分為合金配制、鑄坯、鉛帶軋制、板柵沖制等步驟。首先，將配制合格的熔融鉛合金液連續(xù)注入成型機(jī)內(nèi)（成型機(jī)由兩個(gè)通水冷卻的鑄輪及左右擋板構(gòu)成），經(jīng)成型鑄輪冷卻后，鑄造成一定厚度和寬度的鉛坯；接著，把鉛坯放入軋機(jī)，在室溫條件下進(jìn)行連續(xù)軋制，制備成厚度符合要求的寬鉛帶；然后，寬鉛帶再經(jīng)過連續(xù)沖孔，制備成有完整邊框且筋條和中空規(guī)則的板柵。沖下的鉛帶余料經(jīng)收集后，通過傳送帶返回合金鍋，再次融化后循環(huán)使用。

寬鉛帶能夠連續(xù)不間斷生產(chǎn)，但板柵沖制過程在換卷時(shí)會有所間斷。寬鉛帶可用于制備連沖板柵，也可經(jīng)分切后用于制備拉網(wǎng)板柵（目前國內(nèi)絕大部分拉網(wǎng)板柵使用的是窄鉛帶）。寬鉛帶生產(chǎn)速度可達(dá) 40～50 m/min，板柵沖孔速度與寬鉛帶生產(chǎn)速度大致相當(dāng)，連沖板柵的涂填速度可達(dá) 35 m/min。

寬鉛帶的寬度可以根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行控制（設(shè)計(jì)鑄輪寬度或?qū)掋U帶進(jìn)行切邊），一般在250～350 mm。寬鉛帶軋制分為粗軋和精軋，通過精軋來實(shí)現(xiàn)對寬鉛帶厚度的準(zhǔn)確控制，使厚度偏差控制在 ±0.01 mm 以內(nèi)。寬鉛帶連沖板柵的厚度可低至 0.4～0.6 mm，滿足不同形狀、型號極板的需求。沖制后，可通過特殊措施對板柵表面進(jìn)行清洗，盡量清除板柵表面殘留的皂化液或其他油污。為了增加連沖板柵的表面粗糙度，一般在沖孔時(shí)對板柵表面進(jìn)行毛化處理，以增強(qiáng)板柵與鉛膏的結(jié)合強(qiáng)度。

2 寬鉛帶連沖板柵的特點(diǎn)

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

寬鉛帶連沖板柵的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較致密，顯微觀察時(shí)很少發(fā)現(xiàn)明顯的結(jié)構(gòu)缺陷，但在未經(jīng)毛化處理的寬鉛帶連沖板柵的表面層可觀察到軋制碾壓痕跡（見圖 1 及圖 2a），即表面層被碾壓破碎，出現(xiàn)微裂紋。因?yàn)楸砻鎸优c軋輥直接接觸，所以受碾壓變形及機(jī)械力的破壞最為嚴(yán)重；而板柵內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)則相對完好，無裂紋出現(xiàn)。部分情況下，未經(jīng)毛化處理的寬鉛帶連沖板柵表面會出現(xiàn)少量微小氣泡（表層與基體分離現(xiàn)象，見圖 1），該現(xiàn)象可以通過合理的生產(chǎn)控制進(jìn)行消除。表面層的軋制碾壓痕跡及少量的微小氣泡在板柵毛化處理（或稱為壓花處理）后，已基本觀察不到。毛化處理增加了板柵表面的粗糙度（見圖 2b），有助于增強(qiáng)板柵與鉛膏的結(jié)合強(qiáng)度。

相比之下，重力澆鑄板柵及連鑄連軋板柵的微觀缺陷較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不如連沖板柵的致密。圖 3 為連鑄連軋正極板柵的微觀缺陷圖片。顯微觀察時(shí)可發(fā)現(xiàn)明顯的氣泡、縮孔、疏松、鑄造裂紋等微觀缺陷。這些微觀缺陷在腐蝕時(shí)容易形成腐蝕源，導(dǎo)致板柵腐蝕加速。

圖 1　寬鉛帶連沖板柵截面微區(qū)探針圖

圖 2　寬鉛帶連沖板柵筋條顯微圖

圖 3　連鑄連軋正極板柵微觀缺陷圖

2.2 金相組織

寬鉛帶連沖板柵的金相組織比較細(xì)碎，晶粒界限較難分辨，產(chǎn)生了大量的亞晶結(jié)構(gòu)和被軋制拉長的纖維狀組織，晶粒尺寸長度約 20～500 μm，寬度一般不超過 100 μm，如圖 4 所示。

圖 4　寬鉛帶連沖正極板柵金相結(jié)構(gòu)

窄鉛帶拉網(wǎng)板柵的晶粒界限還勉強(qiáng)可以區(qū)分，晶粒被拉長后的長度約為 200～4000 μm，寬度約20～200 μm，如圖 5 所示。窄鉛帶拉網(wǎng)板柵與寬鉛帶連沖板柵金相組織的區(qū)別主要是由于鉛坯成型方式及軋制比的差異所導(dǎo)致的。

圖 5　窄鉛帶拉網(wǎng)正極板柵金相結(jié)構(gòu)

對于連鑄連軋正極板柵，通常板柵表面層的晶粒尺寸較?。ㄒ妶D 6a），約 20～200 μm；而板柵內(nèi)部晶粒尺寸較大（見圖 6b），約 50～500 μm，且晶間間隙較大。大的晶粒結(jié)構(gòu)及大的晶間間隙容易導(dǎo)致沿晶界快速腐蝕[2]。當(dāng)形成晶間腐蝕穿透時(shí)，晶粒之間的結(jié)合較差，晶粒相互脫離。

圖 6　連鑄連軋正極板柵金相結(jié)構(gòu)

由正極板柵的金相組織比較可發(fā)現(xiàn)：連鑄連軋正極板柵的晶粒尺寸比較粗大，而拉網(wǎng)正極板柵和寬鉛帶連沖正極板柵的晶粒結(jié)構(gòu)更加細(xì)化，尤其是寬鉛帶連沖正極板柵，可觀察到大量細(xì)碎的金相組織。因?yàn)殂U坯經(jīng)軋制后，原有的鉛坯晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)生較大程度改變，得到大量細(xì)碎的亞晶結(jié)構(gòu)和被軋制拉長的纖維狀結(jié)構(gòu)。晶粒細(xì)化有助于減緩板柵的晶間穿透腐蝕，有利于增強(qiáng)板柵與鉛膏的結(jié)合強(qiáng)度。連鑄連軋正極板柵的晶粒尺寸不夠均勻，板柵內(nèi)部的晶粒尺寸較大，且板柵內(nèi)部結(jié)構(gòu)也不如寬鉛帶連沖板柵致密，在電化學(xué)腐蝕過程中，更容易導(dǎo)致晶間穿透。重力澆鑄板柵直接澆鑄成型，未經(jīng)過軋制變形，其金相組織與連鑄連軋板柵較為接近，或者晶粒更加粗大[3]。

2.3 耐腐性能

在正極合金成分及板柵厚度相同的情況下，連沖板柵的耐腐性能要優(yōu)于重力澆鑄板柵和連鑄連軋板柵[4]。這與板柵的微觀晶粒結(jié)構(gòu)、致密度、微觀缺陷（如氣泡、縮孔、疏松、鑄造裂紋等）有關(guān)。

拉網(wǎng)正極板柵及連沖正極板柵在實(shí)際應(yīng)用中均有較好的耐腐蝕性能。圖 7 中 A、B、C、D 為 4 種不同工藝條件下制得寬鉛帶連沖正極板柵的腐蝕速率，E 為較佳工藝條件下拉網(wǎng)正極板柵的腐蝕速率。腐蝕條件：75 ℃ 水浴，硫酸密度為 1.30 g/mL（33 ℃），2.6 V 恒壓腐蝕 4 周。由圖 7 數(shù)據(jù)可見，寬鉛帶連沖正極板柵的耐腐蝕性能與寬鉛帶生產(chǎn)工藝條件關(guān)聯(lián)較大。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，選擇合適的寬鉛帶生產(chǎn)工藝條件，可大幅優(yōu)化連沖正極板柵的耐腐蝕性能，獲得比拉網(wǎng)正極板柵更佳的耐腐蝕效果。

圖 7　連沖正極板柵與拉網(wǎng)正極板柵的耐腐數(shù)據(jù)

3 寬鉛帶連沖板柵的優(yōu)勢及缺點(diǎn)

寬鉛帶連沖板柵的優(yōu)勢主要體現(xiàn)為：

（1）生產(chǎn)過程中減少了鉛煙和鉛渣的產(chǎn)生，減少環(huán)境污染，改善勞動環(huán)境，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。

（2）能夠快速連續(xù)生產(chǎn)，降低勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

（3）更容易制備薄板柵，可在不影響板柵性能的基礎(chǔ)上（如保證鑄焊時(shí)板耳不熔化，保證板柵的導(dǎo)電性能在可接受范圍內(nèi)）降低成本。

（4）板柵的微觀結(jié)構(gòu)得到一定的改善：板柵表面及內(nèi)部的氣泡、縮孔、疏松、鑄造裂紋等缺陷減少；板柵內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密；且晶粒更加細(xì)化、均勻，板柵更耐腐蝕穿透。

（5）板柵的抗拉強(qiáng)度和硬度提高。在合金成分相同的情況下，寬鉛帶連沖板柵的抗拉強(qiáng)度及硬度比重力澆鑄板柵、連鑄連軋板柵要高。寬鉛帶連沖板柵因經(jīng)大變形量軋制（變形量一般在 80 % 以上），產(chǎn)生較大幅度的形變強(qiáng)化，所以軋制后的寬鉛帶或連沖板柵本身具有較高的抗拉強(qiáng)度和硬度，經(jīng)過短暫的時(shí)效或者不經(jīng)過時(shí)效，其強(qiáng)度和硬度均能達(dá)到生產(chǎn)的需要，縮短了板柵時(shí)效周期。而重力澆鑄板柵、連鑄連軋板柵必須經(jīng)過一定的時(shí)效時(shí)間或特殊時(shí)效手段（如特定溫度或濕度條件下加速時(shí)效），其強(qiáng)度和硬度才能達(dá)到要求。連沖板柵與拉網(wǎng)擴(kuò)展板柵相比，具有完整的邊框，且筋條未經(jīng)過拉網(wǎng)擴(kuò)展，機(jī)械強(qiáng)度更佳。

寬鉛帶連沖板柵的缺點(diǎn)主要體現(xiàn)為：連沖板柵的余料占比較大（70 %～80 %），合金一次利用率較低；目前寬鉛帶連沖設(shè)備一般從國外進(jìn)口，初期投入成本較高。

4 結(jié)束語

寬鉛帶連沖板柵因?yàn)槲⒂^結(jié)構(gòu)缺陷少，晶粒更加細(xì)化、均勻，所以在耐電化學(xué)腐蝕及機(jī)械性能方面有明顯的優(yōu)勢，同時(shí)適于清潔、高效生產(chǎn)。寬鉛帶連沖板柵優(yōu)異的性能使其成為目前起停蓄電池正極板柵的首選。近年來，隨著起停蓄電池的需求提升，國內(nèi)部分企業(yè)從國外引進(jìn)了寬鉛帶連沖生產(chǎn)線，但基本處于調(diào)試、試用和吸收消化階段，對寬鉛帶連沖技術(shù)的深入研究還比較有限。而寬鉛帶連沖板柵的性能與生產(chǎn)工藝密切相關(guān)，生產(chǎn)工藝條件有所不同則板柵性能可能出現(xiàn)較大差異。

參考文獻(xiàn)：

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The usage and specifi cs of continuously punched grids for lead-acid batteries

LIU Xiaofeng, XU Jiangang, MENG Gang, CHEN Shunhong
(Hubei Camel Stroage Battery Research Institute Co., Ltd., Xiangyang Hubei 441000, China)

Abstract:The status quo in use of continuously punched grids with wide lead alloy strips for lead-acid batteries is presented in this paper. The microstructure, metallography and anti-corrosion performances of this kind of positive grids are estimated. Moreover, the merits and demerits of this type of grids are also summarized in this paper.

Key words:lead-acid battery; wide lead alloy strip; continuous punching grid; anti-corrosion; texturing treatment; gravity casting; expanded grid; continuous casting and rolling

收稿日期：2015-11-16

中圖分類號：TM 912.9

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1006-0847(2016)02-92-04