何丹，秦宗慧,*，孫悅慶，唐薇，王清（.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 0037；.寶山鋼鐵股份有限公司冷軋薄板廠，上海 0900）

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不溶性陽(yáng)極鍍錫中工藝參數(shù)對(duì)錫溶解效率的影響

何丹1，秦宗慧1,*，孫悅慶2，唐薇1，王清1
（1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.寶山鋼鐵股份有限公司冷軋薄板廠，上海 201900）

摘要：根據(jù)某鋼廠電鍍錫生產(chǎn)線的錫溶解系統(tǒng)設(shè)計(jì)了錫溶解的實(shí)驗(yàn)裝置，并用此裝置進(jìn)行溶錫試驗(yàn)，以研究通氧量、溫度、壓力、鍍液循環(huán)量等工藝參數(shù)對(duì)溶錫量和錫粒利用率的影響。結(jié)果表明：溶錫速率主要由通氧量決定，較適宜的通氧量為24 L/h；在1.6 ~ 3.5 m3/h范圍內(nèi)，提高鍍液循環(huán)量可提高溶錫量和錫粒利用率。隨溫度和壓力增大，溶錫量逐漸增大，錫粒利用率先升后降，較適宜的溶錫溫度和壓力分別為40 ~ 45 °C和0.6 MPa。

關(guān)鍵詞：電鍍錫；溶錫；二價(jià)錫；利用率；工藝條件

First-author's address: School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China

電鍍錫有不溶性陽(yáng)極鍍錫和可溶性陽(yáng)極鍍錫之分。采用可溶性陽(yáng)極電鍍錫工藝時(shí)，容易造成帶鋼鍍層分布不均勻，陽(yáng)極頻繁更換，錫離子濃度不斷上升等問題[1]。使用不溶性陽(yáng)極系統(tǒng)則避免了更換陽(yáng)極的人工操作，并且在不溶性陽(yáng)極處安裝的邊緣罩消除了電流集中現(xiàn)象，使帶鋼鍍層均勻。與可溶性陽(yáng)極相比，不溶性陽(yáng)極系統(tǒng)既提高了鍍層質(zhì)量，又降低了生產(chǎn)成本，具有產(chǎn)能高、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定及操作維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[2]。

不溶性陽(yáng)極鍍錫工藝有獨(dú)立的錫溶解系統(tǒng)，通過錫溶解系統(tǒng)補(bǔ)充鍍液中的Sn2+。目前的錫溶解系統(tǒng)是將一定流量的鍍液打入到錫溶解罐，通過溶解罐內(nèi)鍍液的內(nèi)循環(huán)使鍍液和錫粒充分接觸，實(shí)現(xiàn)鍍液中Sn2+濃度的升高。為加速錫粒的溶解，需往鍍液中充入一定量的氧氣，氧氣作為一種氧化劑，在增大錫粒溶解速率的同時(shí)，會(huì)使鍍液中的Sn2+氧化成Sn4+而產(chǎn)生錫泥[3]，造成錫資源浪費(fèi)，降低鍍液品質(zhì)。

在錫溶解系統(tǒng)中，溶錫的工藝參數(shù)有通氧量、循環(huán)量以及溶解罐內(nèi)的壓力、溫度等。本文根據(jù)某鋼廠錫溶解系統(tǒng)設(shè)計(jì)了錫溶解系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，重點(diǎn)研究了上述參數(shù)對(duì)錫粒利用率(指每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)鍍液中Sn2+的質(zhì)量與錫粒投加量之比)的影響，研究結(jié)果用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)的溶錫系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 錫溶解系統(tǒng)裝置和流程

溶錫裝置和流程的設(shè)計(jì)參考生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的溶錫系統(tǒng)和流程，主要包括錫溶解罐、供氧系統(tǒng)、流量、壓力控制系統(tǒng)以及溫度控制系統(tǒng)[4-5]，具體如圖1所示。實(shí)驗(yàn)過程中，錫粒從錫粒進(jìn)口加入，計(jì)量泵將鍍液循環(huán)罐中的鍍液輸送到錫反應(yīng)罐內(nèi)，在通入氧氣的情況下，錫粒和氧氣在錫反應(yīng)罐中的透明段內(nèi)反應(yīng)，反應(yīng)后的鍍液從反應(yīng)罐上方回到鍍液循環(huán)罐中；循環(huán)泵加速了鍍液在反應(yīng)罐內(nèi)的流動(dòng)。反應(yīng)罐中的透明段由有機(jī)玻璃制成，內(nèi)徑為80 mm，高為200 mm，可以清楚地觀察錫粒在鍍液中的狀態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)可通過控制溫度、壓力、循環(huán)流量和氧氣流量，實(shí)現(xiàn)不同鍍錫參數(shù)的組合，從而分析不同參數(shù)對(duì)錫粒利用率的影響。

圖1 錫溶解系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置流程圖Figure 1 Schematic diagram showing the device and process flow of tin dissolution system

1. 2 操作步驟

在實(shí)際生產(chǎn)機(jī)組中，鍍液進(jìn)入溶錫系統(tǒng)之前的Sn2+質(zhì)量濃度約為20 g/L，但實(shí)際生產(chǎn)中鍍液含有鐵離子、錫泥等雜質(zhì)，為排除這些離子和雜質(zhì)對(duì)錫溶解效率和錫粒利用率的影響，本文采用新配鍍液，其配方[6]為：苯酚磺酸(PSA)16 g/L，α?萘酚磺酸聚氧乙烯醚(ENSA)4.5 g/L，α?萘酚聚氧乙烯醚(EN)3 g/L。

首先將2 kg錫粒加入錫溶解罐中，然后將鍍液加熱到要求溫度，調(diào)節(jié)開關(guān)閥，使錫溶解罐穩(wěn)定到要求壓力，打開循環(huán)泵調(diào)節(jié)鍍液的循環(huán)量，待錫溶解系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，調(diào)節(jié)氧氣控制閥通入適量的氧氣，開始錫溶解反應(yīng)。每次實(shí)驗(yàn)持續(xù)6 h，實(shí)驗(yàn)過程中每隔1 h關(guān)掉氧氣停止反應(yīng)，打開鍍液出口閥，將反應(yīng)罐內(nèi)和管道內(nèi)的鍍液全部移至鍍液循環(huán)罐內(nèi)，取出剩余錫粒并稱重，取10 mL鍍液檢測(cè)Sn2+含量。

1. 3 Sn2+質(zhì)量濃度的測(cè)定

采用碘量法測(cè)定，原理如下：

分析時(shí)用移液管吸取10 mL鍍液至錐形瓶中，先依次加100 mL水、70 mL鹽酸(1+1)、5 mL 1%淀粉溶液，再用經(jīng)硫代硫酸鈉反滴定過的0.1 mol/L標(biāo)準(zhǔn)碘溶液滴定至溶液呈藍(lán)色并保持1 min不消失為終點(diǎn)[7-8]。按式(2)計(jì)算鍍液Sn2+含量。

式中，ρt(Sn2+)──反應(yīng)t時(shí)刻鍍液中Sn2+的質(zhì)量濃度，g/L；c──標(biāo)準(zhǔn)碘溶液的濃度，mol/L；V──耗用標(biāo)準(zhǔn)碘溶液的體積，mL；V0──試樣的體積，mL。

1. 4 錫粒利用率的計(jì)算

式中，w為錫粒轉(zhuǎn)化率(Sn轉(zhuǎn)化為Sn2+的轉(zhuǎn)化率)，%；ρ(Sn2+)為反應(yīng)結(jié)束時(shí)Sn2+的質(zhì)量濃度，g/L；m為反應(yīng)結(jié)束時(shí)剩余錫粒的質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2. 1 通氧對(duì)溶錫的影響

在鍍液45 °C、錫溶解罐內(nèi)壓力0.6 MPa、鍍液循環(huán)量2.4 m3/h的條件下，通氧量分別為12、24和36 L/h時(shí)的溶錫效率如圖2所示。由圖2a可知，隨通氧量增大，溶錫量逐漸升高，當(dāng)通氧量為36 L/h時(shí)，溶錫量隨通氧量改變的變化不大。由圖2b可知，當(dāng)通氧量增大時(shí)，鍍液中Sn2+質(zhì)量濃度升高，但是當(dāng)通氧量為36 L/h時(shí)，鍍液中Sn2+質(zhì)量濃度的上升速率減慢，這主要是由于過量氧氣將鍍液中的部分Sn2+氧化；反應(yīng)結(jié)束(6 h)時(shí)，通氧量為12、24和36 L/h時(shí)對(duì)應(yīng)的錫粒利用率分別為70.1%、67.3%和39.8%。因此，通氧的多少?zèng)Q定了溶錫的快慢，通氧量為24 L/h時(shí)，既能保證較高的溶錫速率，也能保證較高的錫粒利用率。

圖2 通氧量對(duì)溶錫的影響Figure 2 Effect of oxygen flow rate on tin dissolution

2. 2 溫度對(duì)溶錫的影響

在錫溶解罐內(nèi)壓力為0.6 MPa，鍍液循環(huán)量為2.4 m3/h，通氧量為24 L/h的條件下，鍍液溫度為35、40、45 和50 °C時(shí)的溶錫效率如圖3所示。由圖3a可知，當(dāng)溫度從35 °C上升到50 °C時(shí)，溶錫效率略微升高。由圖3b可知，當(dāng)鍍液溫度從35 °C升高到45 °C時(shí)，鍍液中Sn2+質(zhì)量濃度的上升速率逐漸增大，當(dāng)鍍液溫度升至50 °C時(shí)，鍍液中的Sn2+質(zhì)量濃度反而降低。在35、40、45和50 °C溫度下溶錫6 h，錫粒利用率分別為60.1%、64.5%、67.3%和58.2%。鍍液溫度為40 ~ 45 °C時(shí)，錫粒利用率較高，繼續(xù)升溫至50 °C時(shí)，錫粒利用率反而降低。這是因?yàn)镾n2+在高溫下較容易發(fā)生氧化和水解反應(yīng)。因此，綜合考慮溶錫速率和Sn2+質(zhì)量濃度的上升速率，在溶錫過程中將溫度控制在40 ~ 45 °C之間比較有利于溶錫和減少錫泥的生成。

圖3 溫度對(duì)溶錫的影響Figure 3 Effect of temperature on tin dissolution

2. 3 溶錫罐內(nèi)壓力對(duì)溶錫的影響

溫度為45 °C，鍍液循環(huán)量為2.4 m3/h，通氧量為24 L/h時(shí)，不同壓力下的溶錫量和錫粒利用率隨溶錫時(shí)間的變化見圖4。由圖4a可知，隨著壓力增大，溶錫效率略有提高。由圖4b可知，在溶錫的前2 h以內(nèi)，Sn2+質(zhì)量濃度的上升速率也越來越快，但是當(dāng)反應(yīng)到2 h以后，0.7 MPa、0.8 MPa所對(duì)應(yīng)的Sn2+質(zhì)量濃度上升速率減慢；在壓力為0.5、0.6、0.7和0.8 MPa的情況下，錫粒利用率分別為59.9%、60.7%、52.3%、47.4%，即壓力從0.5 MPa升至0.6 MPa時(shí)，溶錫量和錫粒利用率略有提高，當(dāng)壓力升至0.7 MPa后，溶錫量雖有提高，但是錫粒利用率大幅降低。這是因?yàn)殡S著壓力的增加，氧氣在鍍液中的溶解度逐漸增大，這不僅提高了溶錫量，還加速了Sn2+的氧化。因此，溶錫壓力應(yīng)穩(wěn)定在0.6 MPa左右。

圖4 壓力對(duì)溶錫的影響Figure 4 Effect of pressure on tin dissolution

2. 4 鍍液循環(huán)量對(duì)溶錫的影響

其余條件同上，在鍍液循環(huán)量分別為1.5、2.4和3.5 m3/h下，溶錫量和錫粒利用率隨溶錫時(shí)間的變化見圖5。由圖5a可知，隨著鍍液循環(huán)量的增加，溶錫量不斷提高。由圖5b可知，隨著鍍液循環(huán)量的增加，Sn2+質(zhì)量濃度的上升速率不斷提高；在反應(yīng)結(jié)束時(shí)，鍍液循環(huán)量為1.5、2.4和3.5 m3/h時(shí)對(duì)應(yīng)的錫粒利用率分別為48.9%、67.3% 和71.3%。這說明適當(dāng)提高循環(huán)量不但提高了溶錫量，而且提高了錫粒利用率，減少了錫泥的生成，提高了鍍液的質(zhì)量。由于鍍液的內(nèi)循環(huán)使錫粒與鍍液在反應(yīng)罐內(nèi)形成了流化床，當(dāng)鍍液循環(huán)量不斷增加時(shí)，流化床越來越活躍，使錫粒在反應(yīng)罐內(nèi)的擾動(dòng)增大，錫粒與鍍液和氧氣的接觸增多，從而加速了溶錫。因此，提高鍍液的循環(huán)量也可以提高溶錫量。

圖5 鍍液循環(huán)量對(duì)溶錫的影響Figure 5 Effect of circulation volume of bath per hour on tin dissolution

3 結(jié)論

(1) 溶錫速率主要由通氧量決定。通氧量較小時(shí)溶錫量較低；通氧量過高時(shí)溶錫量較高，但錫粒利用率較低。較佳的通氧量為24 L/h。

(2) 隨著溫度或壓力升高，溶錫量不斷增加，錫粒利用率先升高后降低。較適宜的溫度和壓力分別為40 ~ 45 °C和0.6 MPa。

(3) 隨著鍍液循環(huán)量的增加，溶錫量和錫粒利用率不斷升高，因此適當(dāng)增大鍍液循環(huán)量有利于溶錫。

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[ 編輯：周新莉 ]

Effects of process parameters on efficiency of tin dissolution in tin plating system using insoluble anode

HE Dan, QIN Zong-hui*, SUN Yue-qing, TANG Wei, WANG Qing

Abstract:A set of experimental facility was designed according to the tin dissolution system of a production line for tin plating in a steel plant. The effects of process parameters including oxygen flow rate, temperature, pressure and circulation volume of bath on the tin dissolution amount and tin particle utilization were studied through tin dissolution tests using the given facility. The results showed that the rate of tin dissolution is mainly decided by oxygen flow rate, and the suitable oxygen flow rate is 24 L/h. The tin dissolution amount and tin particle utilization can be raised by increasing the circulation volume of bath in the range of 1.6-3.5 m3/h. With the increasing of temperature and pressure, the tin dissolution amount is increased gradually, while the particle utilization is increased firstly and then decreased. The suitable temperature and pressure for tin dissolution are 40-45 °C and 0.6 MPa, respectively.

Keywords:tin plating; tin dissolution; stannous ion; utilization; process parameter

中圖分類號(hào)：TG174.36

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004 – 227X (2016) 01 – 0019 – 04

通信作者：秦宗慧，副教授，(E-mail) zhqin@ecust.edu.cn。

作者簡(jiǎn)介：何丹（1991–），女，四川廣安人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)與表面工程。

收稿日期：2015–09–17 修回日期：2015–11–16