鉛電解高酸條件下提升直流電效的生產(chǎn)實(shí)踐

李大千，王光忠，彭 濤

（河南豫光金鉛股份有限公司，河南 濟(jì)源 459000）

河南豫光金鉛股份有限公司目前有四條高濃度酸鉛電解車間和三條粗鉛生產(chǎn)線以及一條側(cè)吹爐生產(chǎn)線，粗鉛成分不一，電耗較高，且波動(dòng)較大，為降低生產(chǎn)成本，公司技術(shù)人員研究了高酸條件下鉛直流電效的影響因素，在某一電解車間進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)一年多的探索實(shí)踐，通過(guò)改變鉛酸比、溫度、極間距等條件，該車間的直流電效明顯提升。

1 影響高酸條件下鉛電解直流電耗的因素

鉛電解是將火法熔煉的粗鉛除銅后鑄成陽(yáng)極板，用電解鉛作為陰極，在硅氟酸和硅氟酸鉛體系下，接通直流電進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)在陰極獲得純鉛的過(guò)程。電解直流電耗可按公式（1）計(jì)算［1］：

式中：W為直流電效；V為平均槽電壓／V；η為電流效率／%；3.865為鉛電化當(dāng)量／g·（A·h）-1

從式（1）可以看出直流電耗與槽電壓成正比，槽電壓越大，直流電耗越大；直流電耗與電流效率成反比，電流效率越高，直流電耗越小。所以提升直流電效應(yīng)從降低槽電壓入手。

1.1 影響槽電壓的因素

鉛電解過(guò)程中的電壓降主要包括導(dǎo)體電壓降、濃差極化電壓降、電解液電壓降等，河南豫光金鉛鉛電解槽電壓的組成見(jiàn)表1。

表1 豫光金鉛鉛電解槽電壓分布情況

槽電壓電壓降可由關(guān)系式（2）表述［2］：

式中：V為電壓降／V；｜n-｜為陰極極化電極電位／V；｜n+｜為陽(yáng)極極化電極電位／V；∑IR為導(dǎo)體電阻、電解液電阻等引起的電壓降／V。

由式（2）可以看出，電解液電壓降、導(dǎo)體電壓降、濃化極差是影響槽電壓的主要因素，因此降低電解液電阻、接觸點(diǎn)電阻和濃差極化是降低鉛電解槽電壓的有效途徑。

1.1.1 溫度對(duì)槽電壓的影響

電解液中離子是以電泳的方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，在直流電的作用下，溫度越高，離子運(yùn)動(dòng)越快，反之越慢。因此，溫度越高，電解液電導(dǎo)率越高，溫度越低，電導(dǎo)率也隨之降低。電解液的電導(dǎo)率、槽電壓和溫度的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 電解液的電導(dǎo)率、槽電壓和溫度的關(guān)系（I＝7 500 A）

由表2可知：當(dāng)其它條件一定時(shí)，電解液溫度升高，電導(dǎo)率也降低，槽電壓也逐漸降低。

1.1.2 電解液成分對(duì)電解液比電阻的影響

電解液中總酸（SiF6）2-濃度越高，比電阻越低；鉛離子濃度越高，比電阻越高。但是，溶液中鉛離子濃度過(guò)低，會(huì)影響陰極析出鉛的質(zhì)量，因此需要控制合適的鉛離子和總酸。

1.1.3 極間距對(duì)電解液電阻的影響

電解液電阻與極間距關(guān)系如公式（3）：

式中：R為電解液電阻／Ω；r為電解液比電阻／Ω·m；I為極間距／m；S為極板浸入電解液面積／m2。

從式（3）中可以看出，極間距越大，電解液電阻越高；反之極間距越小，電解液電阻越小。

1.1.4 濃差極化對(duì)槽電壓的影響

在高電流密度鉛電解過(guò)程中，電解液極化方式以濃差極化為主。形成濃差極化的主要原因是：隨著電解的進(jìn)行，陰極附近的鉛離子濃度相應(yīng)減少，陽(yáng)極附近的鉛離子相應(yīng)增加，形成濃差極化。

對(duì)于可溶性陽(yáng)極，陰極濃差超電位可用以公式（4）來(lái)表達(dá)：

式中：R為理想氣體常數(shù)，取8.314J／K·mol；T為絕對(duì)溫度／K；F為法拉第常數(shù)／C·mol-1；N為電池反應(yīng)中轉(zhuǎn)移電子數(shù)；i為電解電流密度／A·m-2；id為極限電流密度／A·m-2。

可以看出，電流密度越大，陰極濃差超電位越負(fù)，槽電壓越高，電解消耗電能越多。

1.2 其它影響因素

影響電流效率的其它因素有：電極短路、析出氫與金屬雜質(zhì)在陰極反復(fù)進(jìn)行還原氧化而消耗電能、陰極鉛在解液中的溶解、漏電損失、電極短路等。其中，電極短路，漏電損失是最主要的因素，該廠鉛電解生產(chǎn)中，電流效率一般在90%～97%之間波動(dòng)。

2 高酸條件下鉛電解的改進(jìn)措施

通過(guò)以上分析，在該公司近兩年的生產(chǎn)實(shí)踐中，根據(jù)實(shí)際情況，重點(diǎn)采取以下改進(jìn)措施。

2.1 合理提高電解液溫度

通過(guò)將導(dǎo)熱性能好的銅管浸入電解液進(jìn)行加熱的辦法，合理提高電解液溫度，有效降低了電解液電壓降。但是當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，電解液揮發(fā)加劇，酸耗增加，車間環(huán)境也惡化。通過(guò)實(shí)踐，電解液溫度控制在45～50℃的范圍內(nèi)可有效降低電解液比電阻，同時(shí)車間空氣質(zhì)量不會(huì)惡化。

2.2 控制合理的鉛酸比例

電解液中的鉛離子一般隨電解的進(jìn)行而逐漸升高，當(dāng)鉛離子濃度過(guò)高時(shí)，公司常采用加硫酸沉淀法，生成硫酸鉛沉淀，同時(shí)使硅氟酸再生；電解液中的游離酸則會(huì)經(jīng)過(guò)電解而逐漸消耗，因此需要時(shí)常補(bǔ)充新酸。

2.3 控制合理的極間距

調(diào)整陰陽(yáng)極距離，控制極間距在95 mm，降低槽電壓，同時(shí)電極短路現(xiàn)象也在控制范圍內(nèi)。

2.4 降低陽(yáng)極泥泥層厚度與濃化極差

通過(guò)合理搭配不同成分的粗鉛，并嚴(yán)格執(zhí)行熔析除銅和藥劑除銅工藝，提高陽(yáng)極板的主品位≥98.5%，以降低陽(yáng)極泥層對(duì)槽電壓的影響。控制陽(yáng)極板外觀質(zhì)量，上下部厚度差小于2 mm；單片重量差小于3 kg。

通過(guò)控制較高的循液速度，提高陰陽(yáng)極離子遷移速度，提高極限電流密度，消除濃差極化現(xiàn)象。

2.5 其它改進(jìn)措施

使用骨膠和乙萘酚的組合添加劑，避免陰極產(chǎn)生突刺引起局部短路。增加查槽頻率，及時(shí)處置短路。擦拭干凈接觸點(diǎn)，恢復(fù)其導(dǎo)電性。組建了一套銅棒清洗系統(tǒng)，使導(dǎo)電銅棒與母線銅排接觸良好，通電正常。執(zhí)行包片制度，各職工負(fù)責(zé)清理自己分屬的母線銅排，清洗導(dǎo)電銅排的支撐絕緣。

定期清理各管道上結(jié)晶，發(fā)現(xiàn)漏液及時(shí)修補(bǔ)。對(duì)于多次修補(bǔ)的電解槽，及時(shí)更換槽體內(nèi)襯。

3 結(jié) 語(yǔ)

河南豫光金鉛股份有限公司經(jīng)過(guò)一年多的生產(chǎn)實(shí)踐，通過(guò)采取降低槽電壓和提高電流效率的一些具體措施，切實(shí)降低了直流電耗，效果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)前后直流電耗對(duì)比表 %

由表3可知，改進(jìn)后效果比較顯著，該工段每年電鉛產(chǎn)量為6.8×104t，每年可節(jié)約用電6.8×104×（122.26-110.15）＝82.348×104（kW·h）。