濕法冶金鋅電積用陰陽極板生產(chǎn)工藝改進(jìn)研究

馬志玫，金占富

（白銀有色集團(tuán)股份有限公司，甘肅白銀 730900）

濕法煉鋅采用含銀0.8%～1%左右的鉛銀合金板作陽極，工業(yè)純鋁板作陰極，在硫酸鋅電解液中進(jìn)行電沉積的方法來提取鋅，在電解過程中鋅離子在陰極處得到電子被還原成鋅沉淀下來，在陰極板面聚集到一定厚度后，取出剝削即得到鋅片。鋅電積用陰陽極板的性能對鋅電積工藝有著顯著的影響，極板要求具有較好的導(dǎo)電性能、機(jī)械性能、防腐性能。作為電解鋅生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備之一，陰陽極板的導(dǎo)電能力及機(jī)械性能對高效的電解生產(chǎn)有著重要影響，本文針對目前電解鋅用陰陽極板的生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀，對傳統(tǒng)極板生產(chǎn)工藝進(jìn)行了改進(jìn)，為開發(fā)出具有生產(chǎn)成本低、高生產(chǎn)效率、使用壽命長、機(jī)械性能優(yōu)越的陰陽極板提供技術(shù)參考。

1 陰陽極板結(jié)構(gòu)

1.1 陰極板主要由極板、導(dǎo)電梁、導(dǎo)電頭、吊耳、絕緣條組成，如圖1所示。

圖1 陰極板結(jié)構(gòu)示意圖

陰 極 板 長 ≥900mm， 寬400mm～1200mm， 厚3mm～10mm，極板為1070/1060鋁板材，板面狀態(tài)H18，導(dǎo)電梁由純鋁澆鑄或純鋁板材加工焊接而成，導(dǎo)電頭采用鋁、銅板材相結(jié)合制作；為防止陰陽極短路及沉積鋅包住陰極周邊，造成剝鋅困難，極板兩側(cè)邊緣裝有絕緣條 。

1.2 陽極板主要由極板、導(dǎo)電梁、銅排組成，如圖2所示。

圖2 陽極板結(jié)構(gòu)示意圖

陽 極 板 長 ≥900mm， 寬620mm～1200mm， 厚6mm～15mm，極板以鉛為基本原料，添加銀、鈣、鍶及稀土等元素，按照特定配方和工藝生產(chǎn)的適用用濕法電解鋅陽極板。

2 陰極板生產(chǎn)工藝改進(jìn)

陰極板的生產(chǎn)工藝主要有絕緣條注塑、導(dǎo)電頭選用、極板防腐層、焊接方式等關(guān)鍵工藝[1]。由于在電解鋅生產(chǎn)過程中，電解槽內(nèi)設(shè)置有若干串聯(lián)、并聯(lián)電極，若電極各部件間存在接觸不良的情況，陰極板將消耗掉為數(shù)可觀的電能，引起極板發(fā)熱、接頭老化，電解電效降低。因此，提高鋁陰極板各部件連接的可靠性，改善其導(dǎo)電能力也就成為生產(chǎn)工藝改進(jìn)的關(guān)鍵問題。

2.1 絕緣條注塑工藝

原工藝中，通過人工敲擊的方法將成型的絕緣條鑲嵌進(jìn)去，再用電鉆在絕緣條和板面上鉆孔，之后鑲?cè)胨芰箱N，最后利用烙鐵燙平卯住。該工藝方式存在耗時(shí)耗力，工序繁多，產(chǎn)量低下一系列的缺點(diǎn)，尤為突出的是鑲嵌的絕緣條與板面結(jié)合縫隙較大，在電解液中極板易遭到酸化腐蝕，使得絕緣條脫落，直接影響陰陽極板的正常使用，另外在后續(xù)剝鋅皮工序中，剝離、敲打陰極板時(shí)絕緣條也容易掉落，影響了鋅產(chǎn)能[3]。

為提高絕緣條與陰極板面連接的可靠性，新工藝采取了注塑機(jī)一體注塑技術(shù)，利用注塑機(jī)一體注塑成型絕緣條，事先在鋁板兩側(cè)鉆孔，用注塑機(jī)直接將高壓聚乙烯整體注塑在陰極板兩側(cè)上，使得絕緣條與板面連接銷子成為一個整體，牢固結(jié)實(shí)。此工藝成型的絕緣條牢固性強(qiáng)，方便快捷，省時(shí)省力，效率快，產(chǎn)能高，安全保障性高。

2.2 導(dǎo)電頭類型選用

目前國內(nèi)陰極板所采用的導(dǎo)電頭為銅鋁連接形式，一種為包覆式結(jié)構(gòu)，采用壓鑄工藝制備，見圖3（a）。一種為爆炸焊導(dǎo)電頭，其利用銅塊與鋁塊通過爆炸產(chǎn)生的沖擊力使之相互結(jié)合連接，見圖3（b）。另通過改造將包覆式導(dǎo)電頭銅塊接觸面加寬，見圖3（c）。

圖3 三種形式導(dǎo)電頭對比

在電解鋅生產(chǎn)過程中，導(dǎo)電頭的鋁、銅契合接觸面普遍存在相互剝離甚至脫落的現(xiàn)象，造成導(dǎo)電頭發(fā)熱，電解槽電壓升高，電效降低，鋅片的產(chǎn)量下降[4]。通過實(shí)驗(yàn)測量三種不同類型陰極板導(dǎo)電頭導(dǎo)電率和電耗的實(shí)驗(yàn)，具體測量數(shù)據(jù)見表1、表2。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，包覆式導(dǎo)電頭比爆炸焊導(dǎo)電頭導(dǎo)電率平均值高5 s/m左右，而平均電耗值低于3.5υΩ左右，加寬型的包覆式導(dǎo)電頭相比傳統(tǒng)包覆式導(dǎo)電頭，其導(dǎo)電率高1.1s/m，電耗低0.1υΩ，綜合上述分析，在不改變材質(zhì)的前提下，提高導(dǎo)電頭鋁、銅部分連接的可靠性，改善其導(dǎo)電效率就顯得十分必要。加寬包覆式導(dǎo)電頭具有明顯的導(dǎo)電性能，導(dǎo)電效率好，電耗低。同時(shí)包覆式導(dǎo)電頭的銅排中間制作了一個Φ10的孔，這樣可以在鋁澆鑄包覆時(shí)形成銷子將銅鋁固定，使得銅鋁連接更加穩(wěn)固，銅鋁接觸面積增大，可以防止銅與鋁因?yàn)槊搶佣a(chǎn)生的接觸率降低的現(xiàn)象，延長了使用壽命，保障了電解鋅的高效生產(chǎn)。

表1 不同類型的陰極板導(dǎo)電頭導(dǎo)電率（s/m）

表2 不同類型的陰極板導(dǎo)電頭電耗（υΩ）

2.3 焊接工藝方式的改進(jìn)

極板導(dǎo)電橫梁與吊耳和板面焊接，陰極板焊縫位置見圖4。

傳統(tǒng)陰極板上所有焊縫都依靠人工焊接[5]，不但工人勞動強(qiáng)度很大，勞動條件惡劣，生產(chǎn)效率和產(chǎn)能極其低下，為提高陰極板生產(chǎn)制作的自動化程度，提高焊接工藝水平和產(chǎn)能，改善作業(yè)勞動條件，采用以焊接機(jī)械手為核心的鋁陰極自動化焊接系統(tǒng)，其系統(tǒng)配置包括一套機(jī)器人系統(tǒng)及脈沖MIG焊接系統(tǒng)、二套單軸翻轉(zhuǎn)變位機(jī)的夾具、相關(guān)控制設(shè)施和安全防護(hù)裝置。

陰極板焊縫金屬的成分和組織決定著焊縫的強(qiáng)度、塑性、抗裂性、耐蝕性等，因此合理選擇焊接材料是至關(guān)重要的。通過試驗(yàn)分析，鋅電積鋁陰極板研制過程中選用了雜質(zhì)含量少，鎂含量適中的鋁鎂合金焊絲作為焊接填充材料。選用高純度氬氣雙脈沖MAG熔化極焊接方式，填充焊絲直徑為1.6mm的鋁鎂合金焊絲，確保焊接成型美觀度及焊接的熔深度。

通過先進(jìn)的現(xiàn)代化工藝技術(shù)應(yīng)用，找到了針對性的焊接工藝措施，克服了焊接過程中的形變和焊縫質(zhì)量缺陷，保證了焊接質(zhì)量，研制生產(chǎn)的鋅電積鋁陰極板的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

2.4 防腐涂層采用等離子噴涂技術(shù)

極板放置于電解液中，因濕法冶金電解鋅系統(tǒng)的工藝特性，電解液含有鋅、鈷、鎘、鎳、鍺、銻、氟、氯等離子含量，在電解液上方30mm左右出會產(chǎn)生氣象腐蝕，對極板產(chǎn)生一定的腐蝕侵蝕，其中若氟、氯離子控制偏高，將會更加加劇極板腐蝕，故需在氣象腐蝕位置對其進(jìn)行防腐保護(hù)，常規(guī)做法在離極板液面30mm上方制作一層40mm的防腐涂層。傳統(tǒng)做法將環(huán)氧樹脂或聚氨酯等材料刷涂在極板表面形成一層保護(hù)層，但防腐效果不太理想，而且涂層材質(zhì)脫落污染電解液。通過研究實(shí)驗(yàn)利用等離子噴涂技術(shù)來解決此難題。

圖4 陰極板焊縫位置

圖5 極板涂層位置和噴涂工藝示意圖

等離子噴涂是一種材料表面強(qiáng)化和表面改性的技術(shù)，可以使基體表面具有耐磨、耐蝕、耐高溫氧化、電絕緣、隔熱、防輻射、減磨和密封等性能[6]。等離子噴涂技術(shù)是采用由直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將陶瓷、合金、金屬等材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的工件表面而形成附著牢固的表面層的方法。

通過采用等離子噴涂將陶瓷或合金等材質(zhì)噴涂至極板表面形成一層防腐層，涂層致密，粘結(jié)強(qiáng)度高，使用惰性氣體作為工作氣體，所以噴涂材料不易氧化；有機(jī)地把金屬材料的強(qiáng)韌性、易加工性等和陶瓷材料的耐高溫、耐磨和耐腐蝕等特性結(jié)合起來，效果明顯，經(jīng)在濕法鋅冶煉系統(tǒng)中多次臺架試驗(yàn)，使得陰極板的使用壽命至少延長6個月以上。涂層位置及示意圖見圖5。

3 陽極板生產(chǎn)工藝改進(jìn)

3.1 榫卯結(jié)構(gòu)的巧妙應(yīng)用

目前國內(nèi)陽極板板面與導(dǎo)電棒連接處普遍為直縫焊接，直縫結(jié)構(gòu)的陽極板受腐蝕、外力等原因易出現(xiàn)斷板、脫落現(xiàn)象，這樣會使煉鋅電解槽砸漏，造成斷路，而且掉入到電解液里的陽極板不易撈出，嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)。

為解決此技術(shù)問題，我們從古建筑木構(gòu)架連接方式尋找靈感，將榫卯結(jié)構(gòu)巧妙應(yīng)用到陽極板中，我們在陽極板的板面通過沖模模具沖孔加工成型的卯眼，陽極導(dǎo)電棒通過模腔澆鑄成型與卯眼匹配的榫頭，榫頭和卯眼能夠相互咬合形成榫卯結(jié)構(gòu)（見圖6），起到連接作用，之后沿縫隙鉛焊連接而成。

圖6 直線結(jié)構(gòu)和榫卯結(jié)構(gòu)比較

通過此技術(shù)改造，使陽極板的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極板焊縫處結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固，焊縫更加結(jié)實(shí)，經(jīng)鋅冶煉系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證，其使用壽命提高了近6個月以上，使鋅電解系統(tǒng)降低了材料成本，提高了生產(chǎn)效率。

3.2 極板一次加工成型創(chuàng)新技術(shù)

為提高電解液平衡流動性，極板表面需加工多個φ25孔，其作用是增加了電解液的流動性，有利于溶液的流動，并起到平衡電壓的作用，有利于防止由于電壓波動對鉛板造成的影響，更利于電解槽中電流的流通和散熱，減少陽極泥的沉積，相比傳統(tǒng)極板少了30%的陽極泥。同時(shí)要對極板倒角以及榫卯結(jié)構(gòu)加工，原傳統(tǒng)加工工藝采用搖臂鉆床按照模具上的孔逐個鉆孔，倒角采用切割機(jī)或剪板機(jī)加工，工序繁多，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下，產(chǎn)生廢料多。車間進(jìn)行了一次加工成型技術(shù)的改造應(yīng)用，利用一臺四柱液壓式壓力機(jī)，將榫卯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到陽極板板面沖模中，由自制的送料機(jī)將極板自動送到模具中，利用壓力機(jī)壓制成型。通過此項(xiàng)技術(shù)改造可大幅度提高陽極板的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命、產(chǎn)能、加工效率，降低人工勞動強(qiáng)度大，減少廢料，提高廢料的金屬回收率，提高現(xiàn)場安全系數(shù)。

表3 氫氧混合氣和乙炔的燃燒特性

3.3 極板與導(dǎo)電橫梁焊接方式改進(jìn)

傳統(tǒng)的陽極極板與導(dǎo)電橫梁的焊接方式為氧氣-乙炔焊接。現(xiàn)采用先進(jìn)清潔的氫氧焊來實(shí)現(xiàn)此焊接工藝。兩種焊接方式主要由燃?xì)夥N類的不同，其效果也不盡相同。兩種氣體的燃燒特性見表三。

純鉛的熔點(diǎn)為327℃，氫氧焊機(jī)產(chǎn)生的火焰溫度可達(dá)2800℃～3000℃，完全可以達(dá)到熔化焊接特性，另外氫氧火焰溫度低，易于控制，燃燒熱值低，燃燒速度快，爆炸門檻值高，使用安全，其使用原料為水，用電省，使用方便。另外為了解決大氣中氧氣對氫氧焰的氧化性，在氫氧混合氣中加入少量添加劑（一般為酒精或汽油）脫掉火焰的氧化性，以此達(dá)到減少表面氧化層的效果。

通過實(shí)踐證明，氫氧焊機(jī)的使用成本約為氧乙炔的30%，節(jié)能效果明顯，據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，每熔煉1kg電石耗電4.96度，通常4.4kg電石產(chǎn)乙炔1m3，故1m3乙炔總耗電21.8kwh，而產(chǎn)等量氫氧混合氣體耗電為9度，直接使用氫氧混合耗電為氧乙炔的5%。同時(shí)氫氧焊安全環(huán)保，燃燒產(chǎn)物僅為水，不污染環(huán)境，自動再生，節(jié)能環(huán)保，減少了運(yùn)輸、儲存等各環(huán)節(jié)，節(jié)省了大量的人力，改善了勞動條件和環(huán)境，有利于焊工的身體健康，加之其高溫高能，熱能集中，穿透力強(qiáng)，熱損失小，利用效率高。

4 結(jié)論

通過絕緣條注塑工藝、加寬包覆式導(dǎo)電頭、自動化焊接系統(tǒng)、等離子噴涂、氫氧焊、榫卯結(jié)構(gòu)和一次成型等技術(shù)的運(yùn)用，新工藝生產(chǎn)的陰陽極板具備了生產(chǎn)成本低、高生產(chǎn)效率、使用壽命長、電解電效穩(wěn)定、機(jī)械性能優(yōu)越等特點(diǎn)，經(jīng)實(shí)踐證明，極板的使用壽命提升了6個月以上，給電解鋅生產(chǎn)企業(yè)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。隨著濕法冶金新技術(shù)和新設(shè)備的不斷開發(fā)與應(yīng)用，陰陽極板技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，通過優(yōu)化改進(jìn)的極板生產(chǎn)技術(shù)成果應(yīng)用于鋅冶煉工業(yè)生產(chǎn)，對有效提高我國鋅冶煉行業(yè)水平具有十分深遠(yuǎn)的意義。