锌电解沉积word版

1 / 1 锌电解沉积工艺现状及发展方向 中南大学——株洲冶炼集团工程硕士班 王海波 一、锌电积过程的理论基础 锌电解液的主要成分是硫酸锌、硫酸和水，当通以直流电时带正电荷的离子移向阴极，带负电荷的离子移向阳极，并分别在阴、阳极上放电。 阴极主要反应： Zn2＋＋2e=Zn 阳极主要反应： 2OH－－2e=0.5O2＋H2O（或H2O－2e=0.5O2＋2Ｈ＋） 电极过程总反应： ZnSO4＋H2O=Zn＋H2SO4＋0.5O2 二、锌电解液成分及锌电积生产过程 （一）锌电解液 锌电解液除主要成分硫酸锌、硫酸和水外，还存在少量杂质金属的硫酸盐及部分阴离子（主要为氯离子和氟离子）。目前锌电解液中锌的浓度一般波动在40～60g／L范围内，而硫酸浓度则趋于逐步提高，已从110～140g／L提高到170～200g／L。对于杂质的含量各厂也有不同要求。加拿大一家锌厂在进行改造时曾做过调查，为了适应电流密度大幅度提高，对电解液中杂质含量（mg／L）要求更严格： Cd＜0.3，CO＜0.3，Sb＜0.03，Ge＜0.03，Fe＜10，CL＜50～100，F＜10，Mn＜1.8g／L （二）锌电积生产过程 硫酸锌溶液的电积过程是将已经净化好的硫酸锌溶液（新液）以一定比例同废电解液混合后连续不断地从电解槽的进液端送入电解槽内。 铅银合金板（含银量约1%）阳极和压延铝板阴极，并联交错悬挂于槽内，通以直流电，在阴极析出金属锌（称阴极锌或析出锌），在阳极则放出氧气。随着电积过程的不断进行电解液含锌量逐渐减少，而硫酸含量则逐渐增多，为保证电积条件的稳定，必须不断地补充新液以维持电解液成分稳定不变。电积一定时间后，提出阴极板，剥下压延铝板上的析出锌片送往熔铸工序。 三、锌电解生产的操作过程 （一）装出槽及槽上操作 1、停工（停车）及开工（开车） 这里所指的停工和开工作业是指计划停产检修前和检修后的工作。因此，在停工前就要为开工做好必要的准备工作，以确保开工的顺利进行。 （1）停工（停车） 停工包括准备、出槽压减电流、阴阳极板处理和电解槽的清理。 ①停工前准备工作 首先要压缩系统溶液体积，保证一个系列的电解槽能够倒空。准备好充足的新阳极以便更换不能继续使用的阳极板。准备好充足的导向架、绝缘条，以便在掏槽过程中对已损坏的导向架进行更换。 ②出槽 在停工前先取出槽内部分阴极板，并相应压减电流。一般先取出一吊阴极（18～24片），槽内留有18～24片阴极，并将锌片剥下，减少的阴极板排放整齐备用。减板收电流工作完成后方可停止循环并断开电源，然后尽快取出所有阴极板。 ③阴阳极板处理 在阴极板全部取出后，将阴极锌片全部剥下，阴极板排放整齐备用。将所有的阳极板逐片吊出，清除板面上粘附的阳极泥，平整、擦干净导电头，更换不良极板，待电解槽清理工作完成后再装回电解槽。 ④电解槽的清理 拔出电解槽的底塞，将槽内阳极泥放出，并彻底将电解槽内壁及导向架上粘附的阳极泥及结晶物清理干净，用水冲洗备用。最后将槽间导电极擦洗干净，并将清理干净的阳极装入清理干净的电解槽中。 （2）开工（开车） 开工包括准备、灌液检漏、装阴极板和通电镀膜。 ①准备工作 首先对全部阴极板进行平整，清洗研磨，并把导电头刷洗干净，然后进行槽面备板工作，每槽备足18～24片阴极并整齐放置在槽面上。 ②灌液检漏 一个系列检修和掏槽结束后，对另一系列的电解废液及该系列储存的新液进行质量检查，证明合格后再均匀补入电解槽内，并进行检漏，对漏液的溜槽、管线、电解槽及分配槽进行处理。 ③装阴极板 待补液及检漏工作结束后，将放置在槽面的阴极板迅速装入电解槽内。 ④通电镀膜 阴极板装好后便可送电，电流逐渐增大，使阴极电流密度达400～500Ａ／m2，经2～4ｈ，待阴极板上镀有一层锌后，便可进行阳极镀膜，降低电流密度到40～60Ａ／m2。阳极镀膜是在低温、低电流密度的电解条件下，使阳极产出的氧气与铅阳极表面反应，生成一层二氧化铅膜，从而保护阳极不被硫酸溶液腐蚀。镀膜的技术条件：电解液含酸（H2SO4）25～30g／L，温度20～30℃，时间24ｈ。镀膜期间可间断循环电解液，以后陆续升高电流，使之达到正常生产规定的电流密度，并加大循环量，待析出锌达到一定厚度后便出槽剥锌。 2、槽上操作 保证较大的电解液循环流量，且各槽流量均一，是获得好的技术经济指标的条件之一。大循环流量对于消除锌离子贫化具有重要意义，而且对槽温控制带来便利。 电积锌生产中要维持电解液中一定的锌、酸含量，在实际过程中，通过化验分析电解废液中的锌、酸含量，计算酸锌比作为控制依据，酸锌比一般控制在3.0～4.0之间。含酸偏高而含锌偏低时应加大新液添加量，反之应减小新液量。目前，某厂正在试用电解液锌、酸含量计算机自动检测仪来取代人工化验，以便实现酸锌比的平稳控制。 电解槽温是主要的技术控制条件之一。一般用酒精温度计在槽内直接测定。槽温一般控制在36～42℃之间。当个别槽温高时，应检查该槽流量是否偏小，或者极板是否接触短路及有否烧板现象。若普遍温度高，应检查冷却塔是否正常，混合液比例是否适当，并检查电解液的质量等。 3、出装槽操作及极板的处理 锌电积出装槽操作是指在作业期间内（一般出装槽周期为24ｈ），将阴极提出剥离析出锌，再把阴极铝板装入槽的过程。因为是不停电作业，故阴极提出是分批进行的。某厂电解车间装槽是每槽分两次。每次出一半阴极板，即车间行车吊一次，并且是间隔一块提出。当第一吊装槽后，仔细检查导电，确保导电良好后方可提出第二吊，以防断电。 出装槽要做到迅速准确，不错牙，极板不倾斜，不接触阳极，导电头要烫洗（或擦洗）干净，使导电良好。极板要认真处理，使其正直不带锌。对板上带有的污垢物要用刷板机清刷干净。导电头及导电板保持光亮，对发黑的必须及时清理或更换。对阳极板也要定期清刷表面上的阳极泥，以减少阴、阳极接触短路并防止局部电流密度增大，阳极溶解，导致污染电解液。某厂处理阳极周期一般为30～40天，操作方式有两种，一是停产掏槽时全部拔出阳极进行清理，二是在生产过程中逐槽逐片进行清理。清理时力求不破坏阳极表面的氧化膜。 （二）剥 锌 剥锌的主要任务是将析出锌从阴极铝板上剥离下来，送往熔铸工序铸成锌锭。出槽时须认真观察析出锌表面状况，对包边板或接触点作好标记，出槽后及时处理。对包边板的绝缘条要及时更换。剥锌困难时，在出槽前1～5mIn可分槽加入酒石酸锑钾，其量以维持槽内电解液含锑达到0.12mg／L为宜。剥锌后应将铝板平整清刷，达到重装电解槽的要求。目前国内均为人工剥锌，劳动强度较大。 （三）电解液的循环和冷却 现代锌电积生产车间供液多采用大循环制，即从电解槽溢流出的废电解液先汇集于废液溜槽，再流入循环槽及废液槽，一部分废液（循环槽内的废电解液）与新液混合，其体积比为5～251，混合后送至冷却系统冷却，然后通过供液溜槽分配给电解槽，一小部分废液（废液槽内的废电解液）返回浸出车间作溶剂。 电积锌过程中，在直流电作用下会产生电热效应，使电解液温度逐渐升高，甚至超过电解过程所规定的允许温度（35～45℃），为保证电解过程所需的正常温度条件必须对电解液进行冷却。电解液经冷却系统冷却，温度下降，且由于水分蒸发，溶液浓缩，使溶液中的硫酸钙、硫酸镁以白色透明的针状结晶析出，牢固地聚集在管道、溜槽、冷却系统等设备内壁，形成结构致密的结晶物，影响电解液的正常循环及冷却效果。由于在酸性溶液中硫酸钙的溶解度在29℃时为最低，因此，电解液冷却后的温度一般控制为33～35℃。 （四）酸雾的产生与电解车间的通风 电解过程中释出大量的氧气和少量的氢气，它们逸出时会带出电解液而形成酸雾，刺激人的呼吸道与皮肤，腐蚀人的牙齿，对人体健康带来危害，对厂房及设备也均有腐蚀作用，尤其是采用高电流密度生产更为严重。因此，要求电解厂房内空气含酸雾微粒最高不能超过0.02mg／L，硫酸锌（ZnSO4）最高不超过0.04mg／L。为了减轻其危害，一般工厂都采取措施加强厂房通风，降低槽上操作人员所在点的酸雾含量。此外，在出槽期间往槽内加入皂根粉，使之形成泡沫层，抑制酸雾的逸出，这一措施也是十分有效的，但容易产生“放炮”现象，给工人操作带来不便。对厂房和设备也应采取防腐措施，以延长其使用寿命。 （五）锌电积过程的故障及处理 1、锌烧板的原因及处理 在电解过程中，阴极析出的金属锌因生产故障或生产技术条件控制不当而重新溶解的现象称之为烧板。在锌电积时，由于操作不细，造成铜导电接头的污染物掉入槽内，或添加酒石酸锑钾过量，使个别槽内的电解液含铜、锑升高造成烧板；另外，由于循环液进入量过小，槽温升高，使槽内电解液含锌过低，硫酸含量过高，均会产生阴极返溶。处理办法是加大循环量，将含杂质高的溶液更换出来，这样可降低槽温，提高槽内锌含量、减少返液。特别严重时还需要立即更换槽内的全部极板。 2、普遍烧板 普遍烧板多是由于供应的新液含杂质超过允许含量，应立即加强净化液的分析和操作，以提高净化液质量，严重时还需检查原料，强化浸出操作，加强净化水解除杂质，适当增加 浸出液加铁量等。同时应适当调整电解条件，如加大循环量、降低槽温和溶液酸度（即提高含锌量）也可起到一定的缓解作用。 3、电解槽突然停电 突然停电一般多属事故停电。若短时间内能够恢复，且设备（泵）还可以运转时，应向槽内加大新液量，以降低酸度减少阴极锌溶解。若短时间内不能恢复，应组织力量尽快将电解槽内的阴极全部取出，使其处于停产状态。特别要注意的是，停电后，电解厂房内严禁明火，防止电解槽面析出的氢气爆炸与着火。另一种情况是低压停电（即运转设备停电），首先应降低电解槽电流，电解液可用备用电源进行循环；若长时间不能恢复生产时，还需从槽内取出部分阴极板，以防因其他岗位缺电，供不上新液而停产。 4、电解液停止循环 电解液停止循环即对电解槽停止供液，这必然会造成电解温度和酸度升高，杂质危害加剧，恶化现场条件，电流效率降低并影响析出锌质量。停止循环的可能原因：一是由于供液系统设备出故障或需临时检修泵和供、排液溜槽；二是低压电停电；三是新液供不应求或废电解液排不出去。这些多属计划内的原因，事前应加大循环量，提高电解液含锌量，降低电解槽供电电流，适当降低电流密度，以适应停止循环的需要，但持续时间不能过长。 5、电解槽严重漏液 正常生产过程中，当个别电解槽发生严重漏液时，应对漏液电解槽所在的一组电解槽进行横电（短路），以便对漏液电解槽进行适当的处理。首先用钢丝刷子擦亮窄路导电板和宽型导电板的接触面，将短路导电板预先排列好，用吊具吊到该槽组的两端，短路导电板与槽间导电板之间须垫绝缘磁砖。通知整流所停电，确认停电后，取出漏液电解槽全部阴极板，分别将两段短路导电板以及短路导电板与宽型槽间导电板卡紧，使该槽组短路，完成以上工作后通知整流所提升电流。拔出放液铅塞，对漏点进行处理，处理完毕后塞好铅塞，加满电解液后通知整流所停电，确认停电后，拆除横电板，补齐槽内阴极板，确认导电后，通知整流所逐步将电流升到额定值。 四、锌电解沉积工艺的发展方向 近年来，优质铅锌矿资源了日益匮乏，消化高杂矿及低等级矿已经成了铅锌冶炼企业不得不接受的现实。传统锌电解沉积工艺与现有原材料的矛盾日益突出，主要表现在析出锌质量不稳定，电流效率偏低，生产直流电单耗过高等方面。逐渐摸索新的工艺条件解决现有工艺与原料之间的矛盾已经成了关系到企业直接利益的重要问题。