鉛電解車間成套裝備關(guān)鍵技術(shù)探討與實踐

中圖分類號：TF812 文獻標志碼：B 文章編號：1004-4345（2025）02-0025-04

Exploration andPracticeof Key Technologies fora Complete Setof Equipment in Lead Tankhouse

XIONG Jiazhi12， PENG Hongdao12， CHEN Hao12， YANG Guang1，2 （1.China Nerin Engineering Co.，Ltd.，Nanchang，Jiangxi 33Oo38，China; 2.Jiangxi Nerin Equipment Co.，Ltd.， Nanchang，Jiangxi 330o32， China）

AbstractInresponsetolong-termdependenceonimportedlead electrolysisunitsandinsuficientstabilityofkeyprocesses，a complete set of lead electrolysis equipment with independent intelectual propertyrights has been developed basedon a new 480kt/a （2 projectofalargedomesticleadsmeltingenterprise.Thethreemajortechnicalbotlenecksexistigintetraditioalequpmenthave beensystematicallysolvedbytheinnovativedesignofaverticalinsertionsystemofleadstartingshets，asegmentedhigpresure cleaningsystemforconductiverods，andnon-destructiveseparationtechnologyforleadrodinterfaces：1）Thedeviationinthe pendencycontrolofthestartingsheetsleadstoahighshortcircuitrateintheelectrolysis;2）Teloweficiencyofremovingsedient onthesurfaceofconductiverodsleads toanincrease inenergyconsumption;3）Themechanicalwearduring theseparationof plate androdleadstoshortservicelifeoftheconductiverodIndustrialapplicationshaveshowthatthenewtechnologyhasrducedthe short-circuit rate in the electrolysis from 1.12% to 0.43% ，improved the operating efficiency of the unit to 11.5 s/pair， extended the service life of the conductive rod by 12.8% ，and significantly optimized the economic and technical indicators of the electrolysis.

Keywords lead electrolysis; cathode plate spacing; rod-plate separation; high-pressure cleaning

鉛電解機組作為鋁電解車間的核心裝備，其運行效能與工藝穩(wěn)定性直接決定著鉛電解車間的產(chǎn)能規(guī)模及產(chǎn)品質(zhì)量。目前，該成套裝備的技術(shù)長期被國外壟斷，雖有國內(nèi)企業(yè)開展了技術(shù)消化與吸收工作，但未取得較大的技術(shù)突破，設(shè)備運行中的關(guān)鍵工藝問題仍未得到解決。行業(yè)調(diào)查表明，現(xiàn)有鉛電解成套裝備常見的問題集中于：1）陰陽極自動排距機組排布的始極片懸垂度不足，導(dǎo)致電解過程中易出現(xiàn)短路問題2；2）導(dǎo)電棒表面清潔度不達標導(dǎo)致導(dǎo)電性能下降、能耗上升[3；3）鉛棒板分離效率低下與導(dǎo)電棒異常磨損造成的設(shè)備故障率攀升及關(guān)鍵部件壽命縮減[4]

為突破上述技術(shù)壁壘，提高國產(chǎn)裝備技術(shù)競爭力，江西瑞林裝備有限公司依托國內(nèi)某大型鉛冶煉企業(yè)新建 480kt/a 項目，通過集成創(chuàng)新成功研制出成套鉛電解機組。該裝備通過多項創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，顯著改善了設(shè)備對復(fù)雜工況的適應(yīng)性，在生產(chǎn)效率提升、產(chǎn)品品質(zhì)控制、導(dǎo)電棒使用壽命延長等方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。本文擬重點解析該設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)特征與結(jié)構(gòu)設(shè)計要點。

1問題分析

1.1鉛始極片懸垂度較差

在鉛電解工藝中，鉛始極片和鉛陽極板需在電解槽內(nèi)保持精確等距排列。過大的極距會導(dǎo)致電解的沉積電流效率下降，過小的極距則易引發(fā)極板接觸短路。因此，鉛始極片的懸垂度偏差會直接影響間距的穩(wěn)定性。受限于材質(zhì)特性與幾何尺寸，鉛始極片的機械性能剛性較差，在轉(zhuǎn)運和插裝過程中極易發(fā)生變形，因此懸垂度控制成為陰陽極自動排距機組的核心工藝指標。生產(chǎn)工藝通常要求入槽前鉛始極片懸垂度偏差應(yīng)嚴格控制在 ±15mm 范圍內(nèi)，但傳統(tǒng)機組實測懸垂度分布存在顯著偏差，如圖1所示。

圖2展示了傳統(tǒng)鉛電解陰陽極板自動排距的插入形式。其工作原理為：鉛始極片通過掛鉤支撐定位，由電機驅(qū)動絲桿傳動機構(gòu)帶動始極片從上往下垂直插入前后陽極板之間，完成前后陽極板間的極距設(shè)置。然而，該方法僅支持垂直向下的單向插裝模式，無法實現(xiàn)水平側(cè)向插裝功能。從使用效果來看，鉛始極片具有薄壁、大長寬比的結(jié)構(gòu)特征，材料剛度較差，在水平移載階段易引發(fā)板面擺動現(xiàn)象。特別是在垂直插裝過程中，鉛始極片狀態(tài)不穩(wěn)定會導(dǎo)致鉛始極片變形，嚴重時與陽極板發(fā)生碰撞還會造成塑性壓彎，導(dǎo)致陰陽極板間距分布不勻，影響電解過程的正常進行。

1.2導(dǎo)電棒清洗不足

在鉛電解生產(chǎn)過程中，陰極組件由導(dǎo)電棒與始極片組成，其中具有銅包鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電棒需經(jīng)歷多周期循環(huán)使用。實際工況下，導(dǎo)電棒需將一端搭接于電解槽導(dǎo)電母排上取電，在較高的電流密度下易發(fā)熱并氧化發(fā)黑，疊加電解液面上方高溫強酸腐蝕性環(huán)境的作用，導(dǎo)電棒表面極易附著其他雜質(zhì)。該現(xiàn)象直接導(dǎo)致導(dǎo)電界面電阻持續(xù)增大，導(dǎo)電棒導(dǎo)電性能持續(xù)下降，引發(fā)電解槽電壓升高、電解能耗增加及陰極銅質(zhì)量降低等系列問題。

當(dāng)前行業(yè)主流的導(dǎo)電棒清洗工藝主要包括鋼刷打磨、光棒機碰撞清洗和超聲波振動清洗三類。研究表明：使用鋼刷打磨的方式雖可有效剝離導(dǎo)電棒表面的附著物及氧化層，但對導(dǎo)電棒磨損較大，會縮短導(dǎo)電棒的使用壽命，且磨削產(chǎn)生的粉塵會對生產(chǎn)環(huán)境造成二次污染。光棒機清洗雖能維持較高的表面潔凈度，但存在勞動強度大、噪聲污染嚴重及操作環(huán)境惡劣等問題。超聲波振動清洗通過在酸洗槽中加入清洗劑，使導(dǎo)電棒在超聲波的高頻振動下取得較好的清洗效果，但需配置專用清洗劑及酸洗槽，且存在藥劑成本高、處理周期長等制約。

1.3析出鉛棒板分離效果不佳

析出鉛在完成電解后需要將導(dǎo)電棒與板身進行分離，鉛板經(jīng)破碎處理后送至熔煉車間回用，導(dǎo)電棒則收集后進人清潔循環(huán)系統(tǒng)。棒板分離通常采用人工抽棒和機械自動抽棒兩種模式。這兩種方式雖均可實現(xiàn)基礎(chǔ)分離功能，但也都存在顯著技術(shù)短板。具體表現(xiàn)為：人工抽棒勞動強度大，生產(chǎn)效率低，不適用于規(guī)?；a(chǎn)；機械抽棒方式雖可實現(xiàn)單根或多根導(dǎo)電棒同步自動抽離，但是對導(dǎo)電棒直線度需求較高。若棒體直線度偏差超標，易引發(fā)卡棒故障。此外，由于鉛始極片制備時鉛皮需經(jīng)翻折工藝包裹導(dǎo)電棒，在抽棒過程中容易對導(dǎo)電棒表面造成較為嚴重的磨損，從而大幅縮短導(dǎo)電棒的使用壽命。人工抽棒、機械自動抽棒及被夾變形的導(dǎo)電棒如圖3所示

2解決方案

2.1鉛始極片立式插裝系統(tǒng)

該創(chuàng)新裝置主要由翻板裝置、工業(yè)機器人、多模態(tài)夾持機構(gòu)及排板鏈運機構(gòu)成，見圖4。創(chuàng)新點具體體現(xiàn)在：1）翻板裝置摒棄了傳統(tǒng)的斜提升拖平的方案，將制作完成的鉛始極片由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為豎直狀態(tài)，確保始極片在豎立過程中不會產(chǎn)生變形。2）工業(yè)機器人集成多自由度夾持系統(tǒng)，不僅可以完成夾持鉛始極片在壓紋矯平與排板鏈運工序之前的轉(zhuǎn)運，還能實現(xiàn)陰陽極板交替排序功能。3）靈活的插裝路徑設(shè)計，使鉛始極片可以在轉(zhuǎn)運過程中選擇從排板鏈運機的側(cè)面水平插入或者從上方垂直插入，可以有效減少鉛始極片的變形。4）移載機器人重復(fù)定位精度高，提高了轉(zhuǎn)運過程中抓放鉛始極片的準確性，大幅減少了人槽后人工調(diào)整陰陽極板的工作量。機器人移載裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

面附著的清洗液，同時根據(jù)導(dǎo)電棒表面質(zhì)量判別清洗效果，以便適時調(diào)整噴嘴的流量和壓力。

2.2導(dǎo)電棒分段高壓清洗系統(tǒng)

如圖5所示，電棒表面附著物的清洗系統(tǒng)由設(shè)備本體、高壓噴嘴和高壓水發(fā)生器構(gòu)成。設(shè)備本體采用緩沖區(qū)、清洗區(qū)和瀝水區(qū)3段工藝布局，其中導(dǎo)電棒的清洗通道依次貫穿緩沖區(qū)、清洗區(qū)和瀝水區(qū)。高壓噴嘴設(shè)置在清洗區(qū)，當(dāng)導(dǎo)電棒輸送至清洗區(qū)時，高壓噴嘴能夠噴出壓力高達 30～100MPa 的清洗液對導(dǎo)電棒表面的氧化層和附著物進行清洗。這個過程是利用表面附著物和銅層結(jié)合強度與基體本身內(nèi)部結(jié)合強度的區(qū)別，實現(xiàn)對導(dǎo)電棒表面附著物的快速分離。導(dǎo)電棒清洗后進入瀝水區(qū)，在瀝水區(qū)去除表。

在該方案中，在1個設(shè)備內(nèi)即可完成導(dǎo)電棒的高效清洗和瀝干整個流程。相較于傳統(tǒng)的人工清洗、機械打磨、光棒機清洗和超聲波清洗等方式，該系統(tǒng)不僅提高了清洗效率和清洗質(zhì)量，而且對導(dǎo)電棒表面銅層的損傷也相對較小，能延長導(dǎo)電棒的使用壽命。

2.3析出鉛板與導(dǎo)電棒的分離技術(shù)

如圖6所示，析出鉛板與導(dǎo)電棒的分離系統(tǒng)由壓棒裝置、割刀、無桿氣缸和托架等組件構(gòu)成。壓棒裝置將析出鉛板露出的導(dǎo)電棒部分進行固定，板身部分則由托架進行承托，防止其在分割過程中導(dǎo)電棒與板身發(fā)生位移引發(fā)故障。隨后，無桿氣缸帶動割刀從鉛皮與導(dǎo)電棒底部形成的V形張口內(nèi)進刀（見圖7）。由于鉛皮的硬度較低，隨著高強度合金鋼的割刀快速移動，張口單側(cè)的鉛皮被分割，板身得以與導(dǎo)電棒進行分離。

在該方案中，析出鉛板與導(dǎo)電棒的分離通過切割機構(gòu)實現(xiàn)：割刀精準切入吊耳部，使導(dǎo)電棒與鉛皮快速分離。刀割過程中，由于鉛皮所受機械應(yīng)力極小，可有效避免鉛皮和析出鉛斷裂。同時，此種分離方式消除了導(dǎo)電棒與鉛皮間的摩擦作用，確保導(dǎo)電棒表面無物理磨損，可延長其使用壽命。此外，由于導(dǎo)電棒無需在吊耳部中滑動，對導(dǎo)電棒本身在長度方向的直線度和表面缺陷要求較低，不會出現(xiàn)傳統(tǒng)抽棒方式所產(chǎn)生的卡阻現(xiàn)象。

3技術(shù)效果分析

使用創(chuàng)新技術(shù)后的鉛電解機組展現(xiàn)出以下優(yōu)勢：1）機組布置方式更為靈活。使用機器人進行鉛始極片的轉(zhuǎn)運對于陰極制造機組和陰陽極自動排距機組的相對位置要求不高，只需保證取放板的位置在機器人的活動范圍內(nèi)即可，鉛電解機組的配置更加靈活。2）機組智能化程度高，故障率低。機器人轉(zhuǎn)運和高效棒板分離技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了陰陽極板的排距質(zhì)量，而且提高了電解機組的運行速度，保證了物料轉(zhuǎn)移和分離的效率。因此，電解車間的整體運行速度可提高到 11.5s3^? 電解過程能耗降低。鉛始極片懸垂度的提高降低了電解過程中的短路率，新技術(shù)項目投產(chǎn)后電解平均短路率從 1.12% 下降到0.43% 。導(dǎo)電棒清洗效果提高也降低了導(dǎo)電棒與導(dǎo)電母排之間的接觸電阻，電解能耗進一步降低。4）導(dǎo)電棒使用周期延長。高效棒板分離技術(shù)的應(yīng)用提高了棒板分離的效率、準確性和穩(wěn)定性，導(dǎo)電棒銅層在提取過程中不會被磨損。此外，高壓水清洗技術(shù)也能避免對導(dǎo)電棒銅層的直接物理磨損。經(jīng)試驗驗證，與傳統(tǒng)的鋼刷清洗相比，采用高壓水清洗技術(shù)，導(dǎo)電棒銅層的使用壽命延長了 12.8% 。

4結(jié)論

目前，該鉛電解機組相關(guān)新技術(shù)已在國內(nèi)某大型鉛冶煉公司新建 480kt/a 項目中得到應(yīng)用并成功投產(chǎn)。這項集成裝備技術(shù)不僅打破了國外相關(guān)領(lǐng)域的壟斷，而且在此基礎(chǔ)上結(jié)合業(yè)主的生產(chǎn)難點進行了針對性地解決：1）提出的鉛始極片立式插裝系統(tǒng)通過多自由度機器人協(xié)同作業(yè)與雙模式插裝路徑設(shè)計，將極板懸垂度控制精度提升至 ±15mm ，極間距均勻性改善率達 63% ，解決了電解短路問題。2）開發(fā)的導(dǎo)電棒梯度式高壓清洗系統(tǒng)采用 30～100MPa 可調(diào)射流與在線質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)，使表面潔凈度合格率得到提升，接觸電阻得以降低，單位清洗能耗較傳統(tǒng)工藝下降。3）創(chuàng)新的鉛棒界面無損分離技術(shù)通過V形間隙楔形切割機制，實現(xiàn)導(dǎo)電棒零磨損分離，導(dǎo)電棒使用壽命較采用傳統(tǒng)抽棒工藝的大幅提升。4）整套裝備經(jīng)過該項目的工業(yè)化驗證，技術(shù)經(jīng)濟效益顯著，可為該設(shè)備推廣應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)

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