《电解车间工艺培训》PPT课件.ppt

电解车间,工艺培训,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,目 录,锌电解沉积的基本概念 电流效率，槽电压及电能消耗 杂质对电解沉积过程的影响 电解沉积的操作实践 电解沉积过程的主要技术经济指标 电解沉积的质量控制,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,第一节 锌电解沉积的基本概念,一、锌电解沉积的一般概念 电解沉积锌的过程是：将已经净化的硫酸锌溶液（即新液），连续不断地从电解槽的进端送入电解槽中，以铅银合金板做阳极，压延铝板做阴极，当通过直流电时，阴极上析出金属锌，阳极上放出氧气，随着过程的不断进行，电解液中的含锌量不断减少，硫酸含量不断增加。这种经过电解沉积后的电解液，叫做废电解液，它连续不断的从电解槽的出液端溢出，一部分送往浸出工序，其余部分在电解系统循环，阴极上析出的锌每隔一定周期（我车间为48小时）取出来，将锌片剥下送去熔化铸锭，成为锌成品。阴极铝板经过平整清刷后，再装入电解槽中继续进行电解沉积。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,1、按采用的技术条件不同，锌电解过程一般可分为三种方法： （1）、低酸低电流密度法，采用300400A/m2的电流密度和含硫酸100130g/l的电积液； （2）、中酸中电流密度法，采用400600A/m2的电流密度和含硫酸130200g/l的电积液； （3）、高酸高电流密度法，采用6001000A/m2的电流密度和含硫酸200300g/l的电积液； 三种方法原理是一样的，只不过是所用的电流密度和电积液酸度有较大差别而已。增加电流密度，可提高电积槽的锌产量，但电积液必须除去更多的热量，纯度要求也更严格。过去采用低酸低电流密度法的电锌厂较普遍，但它限制了生产过程的强化。因此，现在的电锌厂多使用中酸中电流密度法，在操作良好的条件下，可以获得高于90%的电流效率。采用高酸高电流密度法的电锌厂必须在高锌含量下作业，以保证溶液中的酸锌比高于足以避免析出锌反溶的程度，返回的废液由于含酸高，更容易溶解焙砂中的铁酸锌。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,二、电离的概念 除金属及熔融的盐和碱是电流的良导体外，酸、碱和盐的水溶液也能导电。根据电离理论：当酸、碱和盐（统称电解质）溶于水中时，它们的分子或多或少地离解成带电荷的离子，这种离解过程叫电离。每一种电解质都能电离出带正电荷的正离子和带负电荷的负离子，所有正离子所带正电荷的总和与所有负离子所带负电荷的总和相等。因此，整个溶液仍然保持电中性。但电流通过溶液时，溶液中的正离子和负离子各自开始向彼此相反的方向移动：正离子移向阴极，负离子移向阳极。它们在电极上失去电荷（放电），实现了离子导电，放电后的离子变成中性原子或原子团。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,三、锌电解沉积过程的阴阳极反应 假设电解液中无其它杂质，我们的电解液是纯净的硫酸锌水溶液，则在电解液中就仅仅存在硫酸锌（ZnSO4 ）、硫酸（H2SO4 ）和水（H2O ）。根据电离理论，它们发生如下电离反应： ZnSO4 Zn2+SO42- H2SO4 2H+SO42- H2 O H+OH- 当通过直流电时，带正电荷的锌离子（ Zn2+），接受2个电子（放电）变成中性锌原子，在阴极上以结晶状态析出： Zn2+ + 2e = Zn,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,同样，带负电荷的氢氧根离子（OH-）移向阳极，在阳极上失去2个电子（放电）放出氧气。 2OH- - 2e = H2O + 1/2O2 这样便可把电解沉积的过程列成如下反应方程式： 在阴极： Zn2+ SO42- +2e = Zn+ SO42- 在阳极： 2H+ 2OH- - 2e = 2H+ H2O + 1/2O2 总的反应式为： ZnSO4 + H2O= Zn+ H2SO4 + 1/2O2,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,阴极 4e- 2Zn,2Zn2+,I,2ZnSO4,4H+,直流电源,2SO42-,电解质ZnSO4+ H2SO4+ H2O,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,1、阴极反应 在电解液中，带正电荷的正离子，除锌离子外，还有氢离子，它也有可能与锌离子一样，在阴极上得到两个电子（放电）析出氢气，因而有如下两个反应： Zn2+ + 2e = Zn 2H+ + 2e = H2 在两个放电反应中，究竟哪一种离子优先放电，由以下几个因素决定： （1）它们在电位序中的相对位置，具有较大正电性的离子较易在阴极放电析出。 （2）它们在溶液中的离子浓度。 （3）电解沉积时组成的阴极材料。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,由电位序表可看出： 氢的标准电极电位H2/2H+为 +0.000 (V） 锌的标准电极电位Zn/Zn2+为 -0.763（V） 因此，在阴极上应该是氢优先放电析出，但实际上，由于氢离子在各种不同金属材料的阴极上析出时的析出电位，要比它的电极电位大，需要外加一定的电压，这种需要外加的使氢离子在阴极上析出的电压就叫氢的超电压。氢离子在阴极锌上析出时的超电压很大，结果使得氢离子在阴极上的析出电位值比锌更负，因此，使锌离子有限在阴极上放电析出。这就是锌能在硫酸锌水溶液中电解析出的原因。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,氢离子在阴极析出的超电压影响因素有（1）阴极材料；（2）电流密度；（3）电解液的温度；（4）加入电解液中的添加剂；（5）溶液中的杂质含量。 在生产中，为了使氢不在阴极析出，保证电解沉积有较高的电流效率，总是采取一些增大氢的超电压的措施，如：降低电解液温度、添加牛胶、降低电解液中的杂质含量等。 在锌电解过程中，氢超电压与电解电流密度的关系可用塔菲尔公式表示： 影响氢在阴极析出的超电压的主要因素有： a、阴极材料的影响 不同的阴极材料有不同的,b值，在不同的阴极上，氢析出超电压的值相差较大，一般可按值的大小分为： 高超电压金属（1.21.5伏），有Pb、Cd、Hg、Tl、Zn、Sn、Al。 中超电压金属（0.50.7伏），有Fe、Co、Ni、Cu、Au。 低超电压金属（0.10.3伏），有Pt、Pd。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,b、阴极电流密度的影响 氢的超电压与阴极电流密度DK之间存在着直线关系，即氢的超电压随阴极电流密度的提高而增大。 c、温度的影响 温度升高，氢在阴极析出的超电压下降，容易在阴极上放电析出。虽然温度升高使b值增大，但值是减小的，总的影响是使氢的超电压降低。 d、阴极表面状态的影响 阴极表面越不平整，则阴极的实际表面积就越大，真实的电流密度就越小，从而使得氢的超电压也就越小。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,e、电解液组成的影响 电解液中的杂质在阴极析出后，局部改变子阴极材料的性质，从而使得局部阴极上氢的超电压有所改变。当溶液中的铜、砷、锑、钴等杂质的含量超过充许含量后，它们在阴极上析出，它们属于中、低超电压的电极，从而降低了氢气析出的超电压。 f、添加剂的影响 电积液中加胶，可以改善阴极的表面状态，从而增大氢的超电压，但胶只能达到一定限度，过分增加胶量时氢的超电压又开始下降。 2、阳极反应 在阳极上主要有三个反应： （1） 2OH- - 2e = H2O + 1/2O2 （2） SO42- - 2e = SO3+1/2O2 （3）Pb - 2e= Pb2+,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,在阳极，由于硫酸根在阳极上放电析出电位比氢氧根高很多，故，在阳极是氢氧根离子放电析出氧气，而硫酸根离子与电解液中的氢离子结合成硫酸(即第二个反应一般不发生）。故在阳极仅发生第一和第三个反应。在此先说第一个反应： 阳极上放出的氧气消耗在三个部分： （1）与电解液中的硫酸锰（MnSO4)起化学反应： 2MnSO4 +3 H2O +5/2O2= 2MnO4 +2 H2SO4 反应生成的MnO4在电解液中与H+离子生成 HMnO4，它使电解液呈紫红色， HMnO4又继续与硫酸锰作用：,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,2HMnO4 +3MnSO4 +2H2O =5MnO2 +3 H2SO4 反应生成的MnO2，一部分附着在阳极上，一部分沉入槽底，称为阳极泥。 （2）少部分氧与阳极表面的铅作用： Pb+O2=PbO2 PbO2保护阳极不受腐蚀。 （3）大部分氧气从阳极析出后逸出电解液表面，并带出少量电解液的微小颗粒，形成酸雾。 阳极上的第三个反应是阳极上的铅溶解： Pb - 2e= Pb2+,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,生成的铅离子在电位序中具有比锌高的正电性： 锌的标准电极电位Zn/Zn2+为 -0.763（V） 铅的标准电极电位Pb / Pb 2+为 -0.126（V） 故可在阴极上析出，是锌片含铅升高，降低锌片质量。但在生产实践中，由于阳极表面生成了一层氧化膜（PbO2）而钝化，同时又有MnO2覆盖，故防止了铅阳极的溶解。这也就是锌电解称为不溶阳极电解的原因。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,第二节 电流效率，槽电压及电能消耗,一、电流效率及其影响因素 电流效率在电解沉积中是一项重要的技术经济指标。根据法拉第定律，通过1A/h的电量，在阴极上应产出1.22克锌，但在实际的电解沉积过程中得到的锌量总是少于这一理论值，这是因为在阴极上除了锌析出外，由于各种原因，氢的超电压降低时，氢离子也在阴极上析出。此外，比锌更正电性的金属杂质离子也在阴极放电析出，因而消耗了部分电流。当绝缘设备条件损坏，操作上引起阴阳极接触等，都将导致电流的漏损。工业生产中，常用下式计算电流效率：,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,=m100%/(qItN) 式中：电流效率，% m析出锌实际产量，g; q电化当量，1.2202g/(Ah) I电流，A； t电解时间，h； N电解槽数目 影响电流效率的因素有： （1）电解液中的锌酸含量； （2）电解液的温度； （3）电流密度； （4）电解液的纯度；,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,（5）漏电和短路影响； （6）析出周期； （7）添加剂使用情况； （8）锌片剥离的难易程度； （9）下槽阴极的表面状态。 二、槽电压 槽电压 是指电解槽内相邻阴阳极之间的电压降，可直接用直流电压表测出。在生产上，通常用电源总电压除以串联总槽数所得的商来表示。 V=U/N,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,槽电压变化在3.23.6V之间。槽电压是由硫酸锌的分解电压、克服电解液电阻的电压降、阳极电压降、阴极电压降、阳极泥电阻的电压降等五项组成。硫酸锌的分解电压占槽电压的78.30%，电解液的电压降占12.13%。电极极化主要由电极表面上离子浓度改变所致，因此在设备条件一定的情况下对槽电压大小有决定性影响的因素就是极间距离、电流密度、电解液的酸度和温度、导体接头情况以及其他因素，缩短极距能够大大降低槽电压，从而减少电能消耗，但极距过小对操作不利，还易发生短路。我厂电解槽内的极间距离为75mm。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,三、电能消耗 电能消耗 是指每生产1t析出锌所消耗的电能，单位为KWh/t。其计算公式如下： W=实际消耗电能（KWh）/析出锌产量（t）=UItN/IqtN =U/q 式中：W电能单耗，KWh/tZn; 电流效率，% U槽电压，V； q电化当量，1.2202g/(Ah) I电流，A； t电解时间，h； N电解槽数目,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,四、计算运用 1、某列电解共有200个电解槽，电流强度为31KA，电解析出周期为48h，所产锌片产量为327.023t,试计算该析出周期内的电流效率，若槽电压为3.4V,试计算其电耗。 解：电流效率=m/(q*I*N*t)=90.11% 电耗=v/(*q)=820*3.4/0.9011=3094kwh/t 2、某列电解槽装48块阴极板，电流强度为32KA，电解析出周期为48h，电压660V，产出锌片320t,加入锌液含锌160g/l,废液含锌60 g/l，试计算出电流密度及每小时新液加入量。 解：曲靖锌厂电解车间现用阴极板有效面积为1.6m2 电流密度(A/M2)=I/A =32000/(48*1.6)=416.7 A/M2 电效= m/(q*I*N*t)=85.4% 新液加入量=32000*1.2195*0.854*200/(160-60)*1000=65.3m3/h,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,第三节 杂质对电解沉积过程的影响,在生产实践中，常常由于电解液含有某些杂质而严重影响析出锌的结晶状态、电积过程的电流效率和电锌的质量，杂质金属离子在阴极放电析出是影响锌电积过程的主要因素。 杂质金属离子能否在阴极上析出，取决于其平衡电位的大小，锌离子浓度和杂质离子浓度，因此，在生产中必须控制电解液中杂质含量在一定范围内。 1 比锌正电性的杂质的影响 电解液中常见的电位比锌更正的杂质有铁、镍、钴、铜、铅、镉、砷、锑等。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,（1 ）铁 存在于硫酸锌溶液中的亚铁离子在阳极被氧化：Fe2+-e=Fe3+使锌返溶，即 Zn+ Fe3+= Zn2+ Fe2+ ，三价铁离子在阴极发生还原反应：Fe3+e=Fe2+，这样还原、氧化反复进行，使阴极析出锌产量下降，无效消耗电能，致使电能消耗增加。当含铁量达100mg/L以上时，析出锌的质量将有所降低。生产中要求电解液含铁小于20mg/L。 （2 ）钴 电解液中钴离子对电积过程危害很大，能使析出的锌强烈的返溶解（工厂称之为烧板）。钴引起烧板的特征是靠阴极铝板的锌片面（背面）腐蚀成独立小圆孔，严重时可烧穿成洞。由背面往表面烧，表面灰暗，背面有光泽，末烧穿处有黑边。在生产实践中，要求电解液含钴小于2mg/L。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,（3 ） 镍 镍在电积过程中的行为与钴相似，只是镍腐蚀锌板是葫芦瓢形孔洞，烧板是由表面往背面烧，当有锑、钴时危害更大。一般要求电解液含镍小于1mg/L。 （4 ） 铜 电解液中的铜在电积过程中与锌一道在阴极析出，影响锌的化学成分。严重时也会造成烧板，使锌返溶。与镍引起的烧板相同，也是由表面往背面烧。只是铜烧板是圆形透孔，孔的周边不规则。因此，电解液中铜的存在既影响锌的化学成分，有显著降低电流效率，特别是钴、锑存在时危害更大。在电解操作中要高度注意，防止铜导电头上的硫酸铜结晶物掉入槽内。一般眼球电解液含铜小于0.5mg/L。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,（5 ）镉 电解液中镉离子的危害主要是它会在阴极析出，影响锌的化学成分。它不像铜、钴、镍等引起烧板，所以对电流效率影响不大。生产中一般要求电解液含镉小于0.5mg/L。 （6 ） 铅 铅在硫酸溶液中溶解度很小。所以铅在电解液中含量甚微。它与镉的行为相似。 （7）砷、锑 它们的行为很相似，都能在阴极上放电析出，并产生烧板现象。砷的危害性较锑小。它们都对电流效率有很大影响。锑引起烧板的特征是表面呈条沟状。砷烧板的特征是阴极表面呈粒状。严格控制新液中砷、锑含量不得超过0.1mg/L。降低电解液温度，适当加入胶量，可以减轻砷、锑的危害，改善锌的析出状况。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,（8 ） 锗 锗是有害杂质，它使电流效率急剧下降。原因是锗在阴极析出，并造成阴极锌剧烈返溶（烧板）。由于锗离子在阴极析出后与氢原子生成氢化锗，氢化锗又与氢离子作用生成锗离子，因而造成电能无益的消耗与锗的氧化还原反应。其反应过程可用下列反应式表示：Ge4+4e=Ge Ge+4H=GeH4 GeH4+4H+= Ge4+4 H2 锗烧板的特征是由背面往表面烧，并形成黑色圆环。严重时形成大面积针状小孔。因此，电解液中锗含量不宜超过0.05mg/L。 2 比锌负电性的杂质的影响 这些杂质有钾、钠、钙、镁、铝锰等。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,由于这些杂质比锌更负电性，在电积时不在阴极析出。因此，对析出锌化学成分影响不大。但这类杂质富积后会逐渐增大电解液的粘度，使电解液的电阻增大，特别是镁。电解液中钙含量高时易形成硫酸钙和硫酸锌的共同结晶，造成输送管道堵塞。锰离子的存在，除上述不良反应外，Mn7+会使砷、锑危害更加严重。但锰还起着有益作用。如二氧化锰对铅阳极起保护作用，可吸附砷、锑、钴，减少它们的危害性。故现代电锌生产要求电解液含一定量的锰离子。一般是35g/L。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,3 阴离子的影响 锌电解液中常遇到的阴离子杂质有氟离子（F-）和氯离子（Cl-）。 （1 ）氟离子 电解液中的氟离子能腐蚀阴极铝板表面的氧化膜，使剥锌操作困难，造成阴极铝板的消耗增加。生产要求电解液含氟不超过50mg/L。 （2） 氯离子 电解液中的氯离子主要对铅阳极有腐蚀破坏作用，从而缩短阳极寿命，造成析出锌含铅升高，降低析出锌的化学纯度。因此，生产要求电解液含氯不超过200mg/L。 4 有机还原物对锌电解沉积的影响 有机还原物对锌电解沉积的有害作作用类似于二价铁离子，消耗电而做无用功，直接影响电流效率。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,第四节 电解沉积的操作实践,一 通电开槽及阳极镀膜 1、通电开槽 （1）所有电解槽、溜槽、管道、混合槽，必须事先检漏，对所有运转设备进行带负荷试车，如酸泵、吊车、刷板机、冷却塔风机等。运转正常方可开槽。 （2）作为整流设备的供电工作。 （3）阳极准备：在阳极平台上用木锤将板、梁平直、上好阳极绝缘套，再将阳极导电头先用砂纸擦净表面污物。使其物现本色，然后再用湿毛巾擦净。按计划装入量，将阳极装入槽内，调整其垂直中心距为75mm。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,（4）阴极准备：按照与阳极相应的计划需要量准备好阴极板，要求梁直板平，板面无油脂污物，上紧导电片和绝缘橡胶皮以备开槽。 （5）灌槽：由于有中性开槽与酸性开槽之分，当采用中性开槽时，只要往电解槽灌满中性硫酸锌溶液；当采用酸性开槽时，则需将硫酸锌溶液与硫酸或废电解液配成含酸8090g/L，含锌6575g/L的电解液，灌入电解槽内。酸性开槽比中性开槽顺利。 （6）通电：灌槽完毕后，迅速将阴极插入电解槽，联通电路，同时通知供电所合闸送电。通电后，电流强度的大小由装入每个电解槽的阴阳极数和要求电流密度而定。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,（7）通电后，通知运转岗位，开始进行电解液的循环。到此，通电开槽完毕。 2、阳极镀膜 新开的电解车间，一般要对阳极进行镀膜。镀膜的目的在于利用低温、低电流密度，使在阳极上析出的氧气与铅反应，生成一层二氧化铅薄膜，从而保护阳极不被硫酸溶液腐蚀。 3、生产中如何进行阳极镀膜？镀膜的原理是什么？ （1）在开槽通电以后，按照电流密度27-31A/M2要求所确定的电流强度送电，并要求整个镀膜期间电流稳定。槽温控制在25左右，要求电解液含锌40g/l,酸70-80 g/l，一直维持24小时，观察阳极表面，可看到一层棕褐色的氧化膜方可。 （2）利用低温，低电流密度，使在阳极上析出的氧气与铅反应，生成一层二氧化铅薄膜，从而保护阳极不被硫酸溶液腐蚀。 4、“四九五”锌锭的化学质量要求为Pb0.0030%、Fe 0.0010% 、Cu 0.0010%、Cd 0.0020% 、Sn 0.0010%,杂质总和 0.0050% 。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,二 电解液的循环 由泵送至冷却塔冷却的电解液，从供液明槽流至分配槽，再从分配槽底部的流出孔经接液盘供给每个电解槽。溶液流量的大小，以电解沉积前后电解液的成分而定，靠装置在流出孔上的胶塞调节，流量按下列公式计算： P1 新液含锌（g/L) P2 废液含锌（g/L) 从电解槽出来的废电解液，含有160170 g/L左右的酸，5055 g/L左右的锌，它从电解槽端设置的溢流口流出，先在汇流槽汇集，流入中间槽。进入中间槽的废电解液一部分用泵送去浸出工序，作浸出前液用。大部分废电解液流入混合池与新液混合后用泵送到冷却塔上冷却供电解槽电解。这种循环方式即为大循环。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,三、槽面管理操作 槽面管理与电解液的循环紧密相关，它的主要任务是对新液进行取样分析，选用合格新液和决定新液加入量，按技术条件控制电解液的酸、锌浓度，控制电解液的温度和根据具体情况正确使用添加剂。 前已述及新液质量和电解液的锌酸浓度是影响析出质量和电流效率的重要因素。电解所使用的新液必须按质量标准严加控制。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,电调岗位操作细则 1 将酸锌比稳定控制在要求范围。正常情况下要求3.13.3。 2 将槽温控制在要求范围。3439 。每列槽子温差4。 3 按要求连续、均匀加入牛胶和碳酸锶。 3.1骨胶：将骨胶加入溶胶槽用蒸汽加热溶化，均匀加入混合槽内，一般控制在0.30.5kg/t析出锌。 3.2碳酸锶：将碳酸锶加入搅拌槽内，加水搅拌均匀后加入混合槽内，一般控制在0.43.6kg/t析出锌。 4 勤巡查槽面，对不导电板、发热导电头进行处理。 5 槽面巡检次数不得低于1次小时，在不取槽的时候每班提板2次剥锌片观察。 6 分析人员必须按要求勤送新液查样，新液使用标准见上表。 7 定时清除分配管、溢流管结晶，保证各电解槽供液均匀。,曲 靖 锌 厂 电 解 车 间 工 艺 培 训 教 案,四 出装槽操作 1 保证装入电解槽的阴、阳极板板平梁直。 2 取装槽时保证导电头、导电板清洁干净、接