鉛電解高酸條件下提升直流電效的生產實踐

李大千，王光忠，彭 濤

（河南豫光金鉛股份有限公司，河南 濟源 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線以及一條側吹爐生產線，粗鉛成分不一，電耗較高，且波動較大，為降低生產成本，公司技術人員研究了高酸條件下鉛直流電效的影響因素，在某一電解車間進行試驗，經過一年多的探索實踐，通過改變鉛酸比、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，接通直流電進行電化學反應在陰極獲得純鉛的過程。電解直流電耗可按公式（1）計算［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從降低槽電壓入手。

1.1 影響槽電壓的因素

鉛電解過程中的電壓降主要包括導體電壓降、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+｜為陽極極化電極電位／V；∑IR為導體電阻、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 溫度對槽電壓的影響

電解液中離子是以電泳的方式進行運動，在直流電的作用下，溫度越高，離子運動越快，反之越慢。因此，溫度越高，電解液電導率越高，溫度越低，電導率也隨之降低。電解液的電導率、槽電壓和溫度的關系見表2。

表2 電解液的電導率、槽電壓和溫度的關系（I＝7 500 A）

由表2可知：當其它條件一定時，電解液溫度升高，電導率也降低，槽電壓也逐漸降低。

1.1.2 電解液成分對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低，會影響陰極析出鉛的質量，因此需要控制合適的鉛離子和總酸。

1.1.3 極間距對電解液電阻的影響

電解液電阻與極間距關系如公式（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 濃差極化對槽電壓的影響

在高電流密度鉛電解過程中，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：隨著電解的進行，陰極附近的鉛離子濃度相應減少，陽極附近的鉛離子相應增加，形成濃差極化。

對于可溶性陽極，陰極濃差超電位可用以公式（4）來表達：

式中：R為理想氣體常數，取8.314J／K·mol；T為絕對溫度／K；F為法拉第常數／C·mol-1；N為電池反應中轉移電子數；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，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、析出氫與金屬雜質在陰極反復進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，該廠鉛電解生產中，電流效率一般在90%～97%之間波動。

2 高酸條件下鉛電解的改進措施

通過以上分析，在該公司近兩年的生產實踐中，根據實際情況，重點采取以下改進措施。

2.1 合理提高電解液溫度

通過將導熱性能好的銅管浸入電解液進行加熱的辦法，合理提高電解液溫度，有效降低了電解液電壓降。但是當溫度過高時，電解液揮發加劇，酸耗增加，車間環境也惡化。通過實踐，電解液溫度控制在45～50℃的范圍內可有效降低電解液比電阻，同時車間空氣質量不會惡化。

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行而逐漸升高，當鉛離子濃度過高時，公司常采用加硫酸沉淀法，生成硫酸鉛沉淀，同時使硅氟酸再生；電解液中的游離酸則會經過電解而逐漸消耗，因此需要時常補充新酸。

2.3 控制合理的極間距

調整陰陽極距離，控制極間距在95 mm，降低槽電壓，同時電極短路現象也在控制范圍內。

2.4 降低陽極泥泥層厚度與濃化極差

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

通過控制較高的循液速度，提高陰陽極離子遷移速度，提高極限電流密度，消除濃差極化現象。

2.5 其它改進措施

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

定期清理各管道上結晶，發現漏液及時修補。對于多次修補的電解槽，及時更換槽體內襯。

3 結 語

河南豫光金鉛股份有限公司經過一年多的生產實踐，通過采取降低槽電壓和提高電流效率的一些具體措施，切實降低了直流電耗，效果對比見表3。

表3 改進前后直流電耗對比表 %

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