鋅電解過程中銅導(dǎo)電系統(tǒng)發(fā)熱分析及相應(yīng)管控措施的生產(chǎn)實(shí)踐

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程，采用鉛銀多元合金為陽極，壓延鋁板作為陰極，順次按固定極距放置于電解槽內(nèi)作為電解過程的陰陽極電極，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)陽極以并聯(lián)方式通過槽間銅排導(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，國內(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)電方式上來區(qū)分，夾接式是陰極板上2片分開的銅導(dǎo)電片與陽極銅棒搭接，搭接式是靠陰陽極自身重量與槽上導(dǎo)電銅排搭接的一種方式，對(duì)于大板電解來說，為便于機(jī)械化推廣，一般都采用的是搭接式導(dǎo)電。現(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.出裝槽過程中尤其是裝槽過程中，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)搭接過程中出現(xiàn)點(diǎn)接觸情況。

2.陰陽極導(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，在鋅電解過程中，受出裝槽操作、現(xiàn)場(chǎng)酸霧等影響，槽間銅排及陰陽極導(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，因陽極自重較大，加減板過程中陽極一般均放置在槽內(nèi)，受溶液沖刷等影響，陽極表面易形成結(jié)晶，在重新提升裝板負(fù)荷過程中，陰陽極槽內(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.陰陽極導(dǎo)電頭本體損壞，此類情況會(huì)增加導(dǎo)電電阻，如陽極導(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?，從而引起陰陽極導(dǎo)電頭、槽間銅排發(fā)熱的情況，導(dǎo)致電能的無謂損失，影響電解過程析出鋅單耗指標(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、陰陽極接觸點(diǎn)電壓降、陽極泥電阻電壓降、陰陽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，可通過操作優(yōu)化的槽電壓部分不多，主要集中在陰、陽極接觸點(diǎn)電壓降、陽極泥電阻電壓降，其中陰陽極接觸點(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)際來說，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)及陰陽極管理入手，加大管理力度，再從人員操作精細(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5 cm，出裝槽過程中確保每個(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3 d對(duì)槽內(nèi)陽極進(jìn)行導(dǎo)電頭絕緣斷電操作，防止陽極導(dǎo)電頭受酸霧、酸液腐蝕；加板前對(duì)空槽陽極進(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搭接式電解過程，會(huì)受到陰陽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。