大極板電積鋅技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展

羅濤

（保爾沃特冶金技術(shù)（北京）有限公司，北京 100102）

大極板鋅電積技術(shù)首先使用于比利時(shí)老山公司（Vieille-Montagne）下屬的巴倫冶煉廠（Balen），現(xiàn)歸屬于新星公司（Nyrstar）。二十世紀(jì)六十年代投入使用的是2.6m2（浸沒(méi)面積，下同）大陰極板，稱之為Jumbo[1]；而后在七十年代末建設(shè)了使用3.2m2的Superjumbo（超大）陰極板的冶煉廠。自此，大極板電解技術(shù)逐步推廣至世界范圍內(nèi)，并于2008年引入中國(guó)，首用于中金嶺南丹霞冶煉廠，此后在國(guó)內(nèi)逐步推廣開(kāi)來(lái)，大極板電積技術(shù)普遍為國(guó)內(nèi)用戶所接受。

1 工藝布置

1.1 國(guó)外布置方案

大極板電解的布置方案隨著極板大小、陰極剝鋅等設(shè)備和電解槽的發(fā)展，在不斷地演變。下列的布置方案均有投入使用的實(shí)例。

1.1.1 Balen冶煉廠

巴倫冶煉廠[2]在1969年建成投產(chǎn)了采用2.6m2極板的電積車(chē)間，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為7.5萬(wàn)噸/年。電積車(chē)間采用了168個(gè)電解槽分置成6列的布置，每列有28個(gè)電解槽，每槽44塊陰極板，采用48小時(shí)的剝鋅周期。配置了兩條獨(dú)立的剝鋅和刷洗線；以及兩臺(tái)行車(chē)，分別用于電解槽與轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)之間的陰極板吊運(yùn)，以及剝鋅和刷洗線中極板架與極板轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)之間的陰極板吊運(yùn)。

圖1 Balen冶煉廠2.6m2電積車(chē)間

圖2 Balen冶煉廠3.2m2電積車(chē)間

圖3 Budel冶煉廠2.6m2電積車(chē)間

而巴倫冶煉廠在1979年建成投產(chǎn)的電積車(chē)間采用了3.2m2極板，設(shè)計(jì)產(chǎn)能15萬(wàn)噸/年。電積車(chē)間采用了140個(gè)電解槽分置成4列的布置，每系列有35個(gè)電解槽，每槽86塊陰極板，采用48小時(shí)的剝鋅周期。每?jī)闪信渲靡慌_(tái)剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)，組成剝鋅和刷洗線，用于處理導(dǎo)電頭同向的陰極板；每列配置一臺(tái)行車(chē)。在此布置中，由剝鋅機(jī)（一臺(tái)或多臺(tái)）和刷洗機(jī)（一臺(tái)或多臺(tái)，單片或雙片）組成的剝鋅和刷洗線可同時(shí)服務(wù)于兩列電解槽，這種布置形式也成為后續(xù)兩列布置的3.2m2電積車(chē)間的典型布置。

1.1.2 Budel冶煉廠

新星公司（Nyrstar）位于荷蘭的Budel冶煉廠采用的也是聯(lián)合礦業(yè)公司（Union Minière）的技術(shù)，采用2.6m2的陰極板，共16列電解槽，每槽54片陰極。剝鋅機(jī)（4臺(tái)）和刷洗機(jī)（4臺(tái)）布置于中間，組成2條獨(dú)立的剝鋅和刷洗線；剝鋅和刷洗線與陰極板轉(zhuǎn)運(yùn)輸送帶之間的極板轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)掛鉤式轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)置實(shí)現(xiàn)，陰極板轉(zhuǎn)運(yùn)輸送帶與陰極板轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)之間的極板轉(zhuǎn)運(yùn)通過(guò)行車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)；剝鋅和刷洗線兩側(cè)各有8列電解槽，每列1臺(tái)行車(chē)。布置形式與Balen冶煉廠類(lèi)似。

1.1.3 大極板電積技術(shù)的使用情況

隨著大極板電積技術(shù)在Balen冶煉廠的成功運(yùn)用，此項(xiàng)技術(shù)在世界各地推廣開(kāi)來(lái)。表1給出的冶煉廠，大部分是在2000年前引入此項(xiàng)技術(shù)的。雖然其中部分冶煉廠現(xiàn)在已經(jīng)關(guān)停，但推廣使用大極板電積技術(shù)的趨勢(shì)是明顯的。

表1 部分大極板電積（3.2m2）企業(yè)名單

圖4 方案一

圖5 方案二

1.2 國(guó)內(nèi)布置方案

電積車(chē)間的布置，受著工藝要求和設(shè)備形式的相互影響，隨著生產(chǎn)工藝條件的變化和優(yōu)化，電解車(chē)間的布置也逐漸固化下來(lái)。以下為較典型的電解車(chē)間布置方案，在國(guó)內(nèi)的鋅冶煉廠中均有運(yùn)用。

國(guó)內(nèi)電積車(chē)間的布置普遍接受了兩列電解槽的總體形式，分別將剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)布置于廠房一端，而另一端為陽(yáng)極清洗和拍平設(shè)備。方案一中，將剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)布置于兩列電解槽中間。而方案二將剝鋅和刷洗設(shè)備布置于廠房邊跨之中，并且方案二中，也有將陽(yáng)極清洗拍平機(jī)組放置在陰極剝鋅和刷洗線同側(cè)的案例。在方案二的衍生布置中，有將一組剝鋅和刷洗線布置于對(duì)側(cè)邊跨的方案，這樣每列電解槽與一條剝鋅和刷洗線為一一對(duì)應(yīng)。

剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)布置方案的區(qū)別，核心為剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)之間的陰極板轉(zhuǎn)運(yùn)如何實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。方案一中，鋅片剝離后的陰極板，由非剝鋅列行車(chē)吊運(yùn)至刷洗機(jī)，刷洗后的陰極板則由剝鋅列的行車(chē)吊運(yùn)回槽。剝離后的陰極板整批次（半槽陰極板）送至刷洗機(jī)；方案二之中，剝鋅后陰極板由附加的剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)之間的陰極板轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備完成（空中或地面），剝離后陰極板逐片送至刷洗機(jī)。

方案一充分利用了兩臺(tái)行車(chē)，設(shè)備投入少，后續(xù)維護(hù)成本低；方案二則通過(guò)增加轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備，“解放”了一臺(tái)行車(chē)，使得陽(yáng)極清洗時(shí)間更加靈活；乃至在方案二的衍生方案中剝鋅作業(yè)順序也具有了更多調(diào)整的可能性。但剝鋅、轉(zhuǎn)運(yùn)、刷洗的單片順序作業(yè)的方式，也提高了因故障而降低整線作業(yè)效率的風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，陽(yáng)極清洗和拍平機(jī)區(qū)的布置較為固化，對(duì)于此種布置的優(yōu)缺點(diǎn)認(rèn)識(shí)較為統(tǒng)一。1臺(tái)陽(yáng)極清洗拍平機(jī)組對(duì)應(yīng)兩列電解槽的陽(yáng)極板處理；在此種布置下，陽(yáng)極板的物流走向，即在電解槽與陽(yáng)極小車(chē)之間轉(zhuǎn)運(yùn)，與陰極板的物流走向相反，互不干擾。

1.3 設(shè)備組成

電積車(chē)間的主要設(shè)備由專用自動(dòng)行車(chē)、陰極剝鋅和刷洗機(jī)組、陽(yáng)極清洗和拍平機(jī)組組成，但依據(jù)產(chǎn)能需求，布置了不同數(shù)量的設(shè)備。目前國(guó)內(nèi)10～15萬(wàn)噸鋅/年的項(xiàng)目，均為兩列電解槽布置，依據(jù)各自生產(chǎn)工藝需要，每列布置了1～2臺(tái)行車(chē)，用于陰極板吊運(yùn)和陽(yáng)極板吊運(yùn)；其中一臺(tái)為主，一臺(tái)為輔。

剝鋅和刷洗機(jī)組的數(shù)量則依據(jù)極板數(shù)量、剝鋅周期、生產(chǎn)節(jié)奏等因素，選擇了2～3臺(tái)套剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)。剝鋅作業(yè)中，依據(jù)剝鋅機(jī)的工作負(fù)荷，控制系統(tǒng)可在多臺(tái)剝鋅機(jī)中自主選擇。方案二較為特殊，其每列唯一對(duì)應(yīng)1臺(tái)套剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)，某列陰極板只能在本列對(duì)應(yīng)的剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)中進(jìn)行剝鋅、刷洗作業(yè)。

陽(yáng)極清洗拍平機(jī)組在10～15萬(wàn)噸鋅/年的項(xiàng)目中，均只配置了一臺(tái)套設(shè)備，該機(jī)組由陽(yáng)極轉(zhuǎn)運(yùn)小車(chē)、陽(yáng)極拍平機(jī)，和陽(yáng)極清洗高壓水系統(tǒng)組成。

2 關(guān)鍵設(shè)備發(fā)展

鋅電積工藝的發(fā)展，一方面是極板的面積的增大，而帶來(lái)的工藝需求的變化和槽面管理增強(qiáng)；另一方面則體現(xiàn)在與之相關(guān)的設(shè)備的變化，如電解槽、槽間導(dǎo)電棒等。最具象的變化則是體現(xiàn)在極板處理設(shè)備的變化，即專用自動(dòng)行車(chē)、陰極剝鋅和刷洗機(jī)組，以及陽(yáng)極清洗和拍平機(jī)組。

2.1 陰極剝鋅和刷洗機(jī)組

剝鋅機(jī)在鋅片剝離時(shí)，有的是采用極板固定，剝刀上下動(dòng)作的方式；有的是采用剝刀固定，極板上下動(dòng)作的方式。這兩種方式都有實(shí)際運(yùn)用，各有優(yōu)缺點(diǎn)，并在時(shí)間線上出現(xiàn)過(guò)反復(fù)，在某個(gè)時(shí)間段都曾盛行過(guò)。

圖3 剝鋅機(jī)和刷洗機(jī) （左圖：早期；右圖：近期）

關(guān)于鋅片預(yù)剝離設(shè)計(jì)上，有采用預(yù)剝離和鋅片主剝離分體配置的，也有預(yù)剝離與主剝離一體設(shè)計(jì)的。采用何種方案，一是受限于廠房整體布置，二是與設(shè)備制造商經(jīng)驗(yàn)和習(xí)慣有關(guān)。但有一點(diǎn)是肯定，隨著獨(dú)立機(jī)械設(shè)備的增加，設(shè)備投入和后續(xù)維護(hù)成本必然提高。

圖4 專用自動(dòng)行車(chē)（左圖：早期；右圖：近期）

在預(yù)剝離小刀和主剝離剝大刀的驅(qū)動(dòng)方式，存在著氣動(dòng)和液壓的區(qū)別。從動(dòng)作的頻率考慮，氣動(dòng)的動(dòng)作速率明顯高于液壓，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的設(shè)備具有更高的處理能力。但受鋅片沉積效果和陰極板質(zhì)量（預(yù)剝離片、絕緣邊條和極板幾何尺寸）的影響，液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)備具有大作用力的特點(diǎn)也受到較大關(guān)注。

在剝離下來(lái)的鋅片收集，碼垛和轉(zhuǎn)運(yùn)上，并未出現(xiàn)根本性的變化，采用的都是皮帶、鏈條或輥式輸送。只是有些設(shè)計(jì)能夠較好減少噪音，創(chuàng)造更好的工作環(huán)境，比如鋅片采用膠輪接收的設(shè)計(jì)明顯優(yōu)于滑道形式，具有低噪音的特點(diǎn)。

刷洗機(jī)方面，由于設(shè)備自身較為簡(jiǎn)單，并無(wú)太多的變化。只是有著單片陰極板刷洗機(jī)和雙片陰極板刷洗機(jī)的差異，這都取決于整體設(shè)備布置和初期投入。

除此之外，剝鋅機(jī)和刷洗機(jī)隨著電氣元件的革新，出現(xiàn)較多的自動(dòng)感應(yīng)和檢測(cè)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并為設(shè)備故障的排除，提供了更多的判斷依據(jù)。

2.2 專用自動(dòng)行車(chē)

專用自動(dòng)行車(chē)是以橋式起重設(shè)備為基礎(chǔ)，配以特殊設(shè)計(jì)的吊架，并考慮了運(yùn)行環(huán)境的特殊性（如絕緣、磁場(chǎng)和防腐）而設(shè)計(jì)出來(lái)。由于目前專用自動(dòng)行車(chē)，大都以比利時(shí)聯(lián)合礦業(yè)公司（Union Minière）早期設(shè)備為原型，因此形式上并無(wú)根本性變化。但隨著經(jīng)驗(yàn)累積和新電氣部件的引入，專用自動(dòng)行車(chē)的穩(wěn)定性、可靠性以及自動(dòng)化程度都有了顯著提升。

圖5 電解槽（左圖：T型槽；右圖：U型槽）

自動(dòng)行車(chē)主要差異表現(xiàn)在供電方式，以及由于供電方式變化而帶來(lái)的通訊方式差異。有的行車(chē)采用滑觸線供電，相應(yīng)的行車(chē)與其中央控制系統(tǒng)之間采用無(wú)線通訊；其它行車(chē)則采用拖纜或高速拖鏈形式的供電，其與中央控制系統(tǒng)采用有線通信（電纜或光纜）?？紤]到電積車(chē)間磁環(huán)境差、酸霧多的情況，滑觸線供電以及無(wú)線通訊的方式并未被廣泛接受。

表2 大極板電積（3.2m2）企業(yè)名單

在行車(chē)的自動(dòng)定位上，均采用以電氣元件控制的初步定位，配以定位錐形式的機(jī)械最終定位。在初步定位的方式上，隨著電氣元件的發(fā)展，出現(xiàn)過(guò)編碼器形式，光電位置編碼系統(tǒng)，以及激光測(cè)距等形式。相比之下激光測(cè)距的安裝方式便捷，維護(hù)方便；但一定程度上，如工藝對(duì)酸霧的控制不佳，則在酸霧較重的環(huán)境中，其穩(wěn)定性受影響。其它兩種方式受酸霧腐蝕及結(jié)晶的影響較為明顯。

2.2 陽(yáng)極清洗拍平機(jī)組

圖5 拍平機(jī)和陽(yáng)極小車(chē)（左圖：早期；右圖：近期）

陽(yáng)極小車(chē)為框架結(jié)構(gòu)，由減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)形式很簡(jiǎn)單。拍平機(jī)的提升和拍平兩個(gè)動(dòng)作均由氣缸驅(qū)動(dòng)，為純氣動(dòng)的設(shè)備。這個(gè)結(jié)構(gòu)形式已經(jīng)固化。曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)的液壓驅(qū)動(dòng)的拍平機(jī)，由于其拍平速率慢、液壓維護(hù)等問(wèn)題，已不再推廣使用。

陽(yáng)極清洗高壓水系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立于拍平機(jī)，由專業(yè)廠家配套設(shè)計(jì)和供貨。有的采用高壓清洗水由多臺(tái)泵組持續(xù)提供，有的則采用單臺(tái)泵組配合蓄能器維持清洗水的壓力。采用蓄能器的設(shè)計(jì)方案能夠有效地降低能耗。

2.3 電解槽

最初在大極板電積工藝中使用的是有由兩個(gè)T型混凝土預(yù)制件拼接而成，內(nèi)襯了防腐材料，如Balen冶煉廠和Budel冶煉廠。此種方案在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目亦有運(yùn)用，如丹霞冶煉廠。在此后，電解槽制造工藝的改進(jìn)，以及新材料的引入，在國(guó)外開(kāi)始使用乙烯基樹(shù)脂整體澆注電解槽，該技術(shù)亦引入國(guó)內(nèi)，并在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目中廣泛推廣應(yīng)用。整體澆注的電解槽在同等條件下壁厚薄、外形尺寸精度高，為相關(guān)設(shè)備的安裝提供便利，并使用壽命較混凝土電解槽有顯著提高。

3 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

2007年丹霞冶煉廠率先引進(jìn)了大極板電積工藝以及核心設(shè)備，由此揭開(kāi)了國(guó)內(nèi)鋅電積工藝和設(shè)備升級(jí)換代的大幕。截至2018年，采用3.2m2大極板電積工藝的產(chǎn)能已逾70萬(wàn)噸。采用大極板電積工藝的優(yōu)點(diǎn)，在文獻(xiàn)[3]中多有闡述，目前采用自動(dòng)化程度高的大極板電積技術(shù)，已成為鋅冶煉工作者的共識(shí)。

鋅電積的關(guān)鍵設(shè)備經(jīng)歷的了全套進(jìn)口，部分國(guó)產(chǎn)化，以及全部國(guó)產(chǎn)化的歷程。陽(yáng)極清洗和拍平機(jī)組是最早實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化的設(shè)備，采用的是國(guó)外已成熟的設(shè)計(jì)方案。國(guó)內(nèi)設(shè)備制造企業(yè)通過(guò)仿制進(jìn)口剝鋅機(jī)，自主改進(jìn)，以及自主開(kāi)發(fā)等多條途徑，已在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有一定市場(chǎng)份額，并有逐步替代進(jìn)口剝鋅機(jī)的趨勢(shì)。不論是進(jìn)口設(shè)備，還是國(guó)產(chǎn)設(shè)備，為使其能更好地為生產(chǎn)服務(wù)，都應(yīng)加強(qiáng)設(shè)備的維護(hù)。文獻(xiàn)[4]中用“冰山”形容設(shè)備維護(hù)與生產(chǎn)之間的關(guān)系頗為形象及透徹。