艾 濤

（株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司，湖南株洲 412004）

在濕法煉鋅的工藝中，電解過(guò)程作為整個(gè)濕法煉鋅工藝的最后一道工藝，是將鋅離子從硫酸鋅溶液中沉積到陰極板的過(guò)程，采用鉛銀多元合金為陽(yáng)極，壓延鋁板作為陰極，順次按固定極距放置于電解槽內(nèi)作為電解過(guò)程的陰陽(yáng)極電極，其中同一車間單列間及電解槽之間以串聯(lián)方式并入電路，槽內(nèi)陽(yáng)極以并聯(lián)方式通過(guò)槽間銅排導(dǎo)電并入主電路；電解主體為凈化后的硫酸鋅溶液及電解廢液按既定比例的混合溶液，按一定周期（24/48 h）將陰極板取出進(jìn)行鋅片剝離，陰極剝離后經(jīng)過(guò)刷洗操作后重新裝回電解槽并入主電路，依次循環(huán)。在鋅電解過(guò)程中需要消耗大量電能，株洲冶煉集團(tuán)股份有限公司是當(dāng)前國(guó)內(nèi)最大的鋅濕法冶煉單位之一，其年產(chǎn)量可達(dá)到31萬(wàn)t/a左右，其中電解工藝電能消耗占濕法煉鋅全流程電能消耗的75%以上，其中電解析出鋅交流電單耗占電解工藝電耗的97%以上。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)濕法煉鋅企業(yè)產(chǎn)能不斷增加，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)日益強(qiáng)烈，因此降低電解過(guò)程電能消耗是提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力及行業(yè)地位的重要手段之一，本文主要針對(duì)導(dǎo)電系統(tǒng)維護(hù)及降低導(dǎo)電系統(tǒng)電能損失進(jìn)行分析及論證。

1 導(dǎo)電系統(tǒng)發(fā)熱的原因分析

濕法煉鋅電解工藝中，一般陰陽(yáng)極連接方式有2種，分別是夾接式和搭接式兩種，從導(dǎo)電方式上來(lái)區(qū)分，夾接式是陰極板上2片分開的銅導(dǎo)電片與陽(yáng)極銅棒搭接，搭接式是靠陰陽(yáng)極自身重量與槽上導(dǎo)電銅排搭接的一種方式，對(duì)于大板電解來(lái)說(shuō)，為便于機(jī)械化推廣，一般都采用的是搭接式導(dǎo)電?，F(xiàn)針對(duì)大板電解搭接式導(dǎo)電系統(tǒng)發(fā)熱情況，結(jié)合某廠生產(chǎn)實(shí)際及相關(guān)理論分析，導(dǎo)電系統(tǒng)尤其是槽上導(dǎo)電銅排發(fā)熱主要的原因有以下5個(gè)方面：

1.出裝槽過(guò)程中尤其是裝槽過(guò)程中，陰極板受吊具下落時(shí)的沖擊力，導(dǎo)致裝槽瞬間槽間銅排出現(xiàn)彈性變形，導(dǎo)致槽內(nèi)剩余陰陽(yáng)極板導(dǎo)電頭與槽間銅排之間電路出現(xiàn)受電不穩(wěn)、瞬時(shí)點(diǎn)接觸，從而引起“打火”情況，即為瞬時(shí)的拉弧放電現(xiàn)象，導(dǎo)致銅排表面出現(xiàn)高溫熔融情況，銅排表面出現(xiàn)“銅粒子”，導(dǎo)致后續(xù)搭接過(guò)程中出現(xiàn)點(diǎn)接觸情況。

2.陰陽(yáng)極導(dǎo)電頭及槽間銅排受酸液、酸霧腐蝕氧化形成氧化亞銅膜，從表面現(xiàn)場(chǎng)看，為銅導(dǎo)電頭或槽間銅排表面發(fā)黑。

3.搭接面潔凈度低，在鋅電解過(guò)程中，受出裝槽操作、現(xiàn)場(chǎng)酸霧等影響，槽間銅排及陰陽(yáng)極導(dǎo)電頭容易形成硫酸鋅結(jié)晶，增加了搭接面電阻，導(dǎo)致發(fā)熱情況出現(xiàn)。

4.槽內(nèi)陰陽(yáng)極短路導(dǎo)致發(fā)熱，結(jié)合電解工藝生產(chǎn)實(shí)際，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)電解槽裝板負(fù)荷發(fā)生變化的情況，因陽(yáng)極自重較大，加減板過(guò)程中陽(yáng)極一般均放置在槽內(nèi)，受溶液沖刷等影響，陽(yáng)極表面易形成結(jié)晶，在重新提升裝板負(fù)荷過(guò)程中，陰陽(yáng)極槽內(nèi)短路現(xiàn)象會(huì)明顯增加且區(qū)域在槽內(nèi)較為集中（前端或后端），此類情況同樣也會(huì)導(dǎo)致槽間銅排及導(dǎo)電頭發(fā)熱。

5.陰陽(yáng)極導(dǎo)電頭本體損壞，此類情況會(huì)增加導(dǎo)電電阻，如陽(yáng)極導(dǎo)電棒銅鉛分離及陰極導(dǎo)電頭銅鋁焊接處脫焊等情況。

以上5種情況，基本都是因各種原因?qū)е麓罱用骐娮枳兇螅瑥亩痍庩?yáng)極導(dǎo)電頭、槽間銅排發(fā)熱的情況，導(dǎo)致電能的無(wú)謂損失，影響電解過(guò)程析出鋅單耗指標(biāo)。

2 導(dǎo)電系統(tǒng)發(fā)熱對(duì)電耗及生產(chǎn)的影響分析

在長(zhǎng)周期鋅電解過(guò)程中，對(duì)交流電單耗造成影響的因素有很多，但主要關(guān)系可以用公式（1）表示：

式中：W為直流電耗/kWh·t-1；U為槽電壓/V；I為電流/A；T為電解周期/h；N為電解槽數(shù)目/個(gè)；η為電流效率/%；q為鋅的電化當(dāng)量，取1.219 3 g/A。

由公式（1）可見，析出鋅單耗與槽壓成正比，與電流效率成反比，因此任何降低槽電壓及提升電流效率的措施均能降低電解過(guò)程電能消耗。

結(jié)合本文分析內(nèi)容，主要針對(duì)導(dǎo)電系統(tǒng)現(xiàn)狀及理論進(jìn)行分析，主要方面在于導(dǎo)電系統(tǒng)搭接面接觸點(diǎn)電壓降及銅排本體發(fā)熱電阻變化影響。

2.1 槽電壓組成情況

眾所周知，槽電壓是由ZnSO4分解電壓、電解液電阻電壓降、陰陽(yáng)極接觸點(diǎn)電壓降、陽(yáng)極泥電阻電壓降、陰陽(yáng)極電阻電壓降等幾部分組成，相關(guān)構(gòu)成情況見表1［1］。

表1 槽電壓主要組成表

從表1中可知，可通過(guò)操作優(yōu)化的槽電壓部分不多，主要集中在陰、陽(yáng)極接觸點(diǎn)電壓降、陽(yáng)極泥電阻電壓降，其中陰陽(yáng)極接觸點(diǎn)電壓降占槽電壓總比例為4%～5%左右，根據(jù)U＝I×R可知，在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中，影響接觸點(diǎn)電壓降的因素為接觸點(diǎn)電阻情況，接觸點(diǎn)電阻變大，不僅會(huì)導(dǎo)致槽電壓上升，同樣也會(huì)加劇電能的無(wú)謂損失。

2.2 導(dǎo)電銅排電阻變化情況

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，金屬本體電阻與溫度有關(guān)，在0～100℃范圍內(nèi)基本呈線性關(guān)系；同時(shí)針對(duì)同樣尺寸銅排，在其它條件不變的情況下，溫度越高，過(guò)載電流量將逐步降低；根據(jù)電阻計(jì)算公式（2）：

式中：ρ為電阻率/Ω·mm2·m-1；l為導(dǎo)電材料的長(zhǎng)度/m；S為導(dǎo)體橫截面面積/mm2。

在實(shí)際電解生產(chǎn)過(guò)程中，導(dǎo)電銅排的長(zhǎng)度及橫截面積均固定（以株冶現(xiàn)階段使用銅排尺寸為例，橫截面積為1 000 mm2），故比例為0.004 4 m/mm2，加設(shè)0℃時(shí)電阻為R0，相關(guān)電阻變化見表2［2］。

表2 不同溫度下銅的電阻率及電阻變化

由表2可知，銅排電阻隨著溫度上升，基本呈線性關(guān)系，溫度越高，本體電阻越大；在實(shí)際鋅電解過(guò)程中，均采用的是維持電流不變，確保電流密度，即在生產(chǎn)實(shí)際過(guò)程中，受各種因素導(dǎo)致銅排溫度上升，會(huì)導(dǎo)致接觸點(diǎn)電阻變大，導(dǎo)致槽電壓上升，同時(shí)無(wú)謂消耗的電能變大。

以株冶集團(tuán)生產(chǎn)實(shí)際為例進(jìn)行粗略計(jì)算，如溫度從30℃上升至70℃，電阻增加11.88×10-6Ω，按電流密度500 A/m2計(jì)算，單槽槽電壓上升50 mV，電效下降0.15%，綜合影響交流電單耗56.2 kWh/t；且這個(gè)計(jì)算未涵蓋陰陽(yáng)極板發(fā)熱導(dǎo)致的電能損失情況，實(shí)際電能損失將會(huì)更大，對(duì)電耗的影響將會(huì)更明顯。

2.3 銅排發(fā)熱的電流載流量變化

根據(jù)文獻(xiàn)［3］可知，銅排載流量與溫度、銅排橫截面積、銅排純度等主要因素相關(guān)，從生產(chǎn)實(shí)際來(lái)說(shuō)，橫截面積及銅排純度可以視作為固定量，溫度越高會(huì)導(dǎo)致銅排載流量降低，結(jié)合前述分析，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中時(shí)段電流基本穩(wěn)定，銅排溫度越高會(huì)導(dǎo)致電阻變大，載流量下降，結(jié)合實(shí)際電解生產(chǎn)可推斷相關(guān)結(jié)論如下：

1.少量銅排發(fā)熱，會(huì)影響單槽導(dǎo)電銅排過(guò)電流量，會(huì)大大降低該槽電流密度，在銅排相鄰兩槽形成返溶板，嚴(yán)重時(shí)形成“白板”。

2.出現(xiàn)大面積銅排發(fā)熱情況時(shí)，電流提升，會(huì)導(dǎo)致持續(xù)性的發(fā)熱，不僅會(huì)導(dǎo)致大面積返溶存在起火隱患，而且影響生產(chǎn)組織的平穩(wěn)性。

3 導(dǎo)電系統(tǒng)溫度控制現(xiàn)狀分析

以株洲冶煉集團(tuán)為例，該公司年產(chǎn)30萬(wàn)t，合計(jì)有4個(gè)電解系列，每個(gè)系列216槽，每槽放置陰極60片，陽(yáng)極61片，全系統(tǒng)合計(jì)導(dǎo)電接觸點(diǎn)104 544個(gè)，同時(shí)結(jié)合發(fā)熱量與電流、電阻關(guān)系，見公式（3）：

Q＝I2Rt（3）式中：Q為能量/J；I為電流/A；R為電阻/Ω；t為時(shí)間/s。

由公式（3）可知，在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中如果由于操作維護(hù)不當(dāng)導(dǎo)致接觸點(diǎn)電阻變大，額外消耗的電能將十分可觀，為找出相關(guān)因素之間的關(guān)聯(lián)，統(tǒng)計(jì)銅排溫度與交流電單耗相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。平均溫度為最高電流時(shí)段全系統(tǒng)平均槽間銅排溫度；槽壓為系統(tǒng)平均槽壓；在2020年槽間銅排溫度逐漸上升后，整體槽壓一直穩(wěn)定在3.3 V左右，相比投產(chǎn)之處，槽壓上升0.15～0.2 V左右，這部分增量主要為接觸點(diǎn)電壓降及陽(yáng)極泥電阻電壓降部分，搭接情況同時(shí)影響電流效率及接觸點(diǎn)電壓降，對(duì)電耗造成了較大的綜合影響。

表3 銅排溫度與交流電單耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

4 控制電解過(guò)程銅排溫度的生產(chǎn)實(shí)踐

針對(duì)槽間銅排溫度持續(xù)上升的情況，應(yīng)從根本原因出發(fā)，找準(zhǔn)發(fā)熱關(guān)鍵點(diǎn)，從槽間銅排日常沖洗維護(hù)及陰陽(yáng)極管理入手，加大管理力度，再?gòu)娜藛T操作精細(xì)化方面進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到槽間銅排溫度穩(wěn)定控制的目的。

4.1 機(jī)械改造，陰極導(dǎo)電頭強(qiáng)制蒸汽沖洗

自動(dòng)剝鋅機(jī)加裝陰極導(dǎo)電頭沖洗裝置，在陰極刷洗裝置后部加裝沖洗裝置，確保刷洗后陰極板導(dǎo)電頭上不含鋁灰污水、硫酸鋅結(jié)晶。

4.2 槽上銅排沖洗標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化

槽間銅排沖洗進(jìn)行規(guī)范化操作和要求，要求出槽前一輪集中蒸汽沖洗，沖洗角度為70°～75°左右，蒸汽出口與槽間銅排距離不超過(guò)5 cm，出裝槽過(guò)程中確保每個(gè)搭接點(diǎn)沖洗到位，出裝槽后再進(jìn)行一輪集中沖洗。

4.3 操作精細(xì)化

為降低吊車裝槽過(guò)程中造成槽間銅排形變程度，要求陰極導(dǎo)電頭離銅排15 cm左右，吊車強(qiáng)制停頓，由槽上作業(yè)人員緩慢入槽，降低打火頻次，減緩銅粒子的形成；針對(duì)已經(jīng)形成的銅粒子采用周期清理，確保線接觸、點(diǎn)接觸情況受控。

4.4 生產(chǎn)組織優(yōu)化

針對(duì)電解加減板過(guò)程中出現(xiàn)集中槽內(nèi)短路情況，制定優(yōu)化后的控制措施，如減板超過(guò)3 d對(duì)槽內(nèi)陽(yáng)極進(jìn)行導(dǎo)電頭絕緣斷電操作，防止陽(yáng)極導(dǎo)電頭受酸霧、酸液腐蝕；加板前對(duì)空槽陽(yáng)極進(jìn)行集中平整，確保短路情況受控。

5 措施實(shí)施后的效果

經(jīng)過(guò)上述措施的采取和固化后，槽間銅排溫度得到了顯著下降，槽電壓也得到了明顯下降，交流電單耗也持續(xù)在下降，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)穩(wěn)定鋅電解生產(chǎn)有著重要意義。對(duì)比結(jié)果見表4。

表4 措施采取后銅排溫度與槽壓的對(duì)比

6 結(jié) 論

1.6 m2搭接式電解過(guò)程，會(huì)受到陰陽(yáng)極自重等條件的天然限制，相比于小板夾接式及3.2 m2大板搭接式，對(duì)于導(dǎo)電系統(tǒng)的維護(hù)和監(jiān)控有著更高和更精細(xì)化的要求，對(duì)指標(biāo)及生產(chǎn)穩(wěn)定的影響意義重大，因此穩(wěn)定控制電解過(guò)程槽間銅排溫度非常重要，綜合生產(chǎn)實(shí)際，導(dǎo)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)應(yīng)建立在穩(wěn)定在40℃以下的目標(biāo)進(jìn)行，通過(guò)采取多項(xiàng)維護(hù)措施或者對(duì)搭接面進(jìn)行改型均能起到較大的實(shí)踐意義。