铅电解高酸条件下提升直流电效的生产实践

李大千，王光忠，彭 涛

（河南豫光金铅股份有限公司，河南 济源 459000）

河南豫光金铅股份有限公司目前有四条高浓度酸铅电解车间和三条粗铅生产线以及一条侧吹炉生产线，粗铅成分不一，电耗较高，且波动较大，为降低生产成本，公司技术人员研究了高酸条件下铅直流电效的影响因素，在某一电解车间进行试验，经过一年多的探索实践，通过改变铅酸比、温度、极间距等条件，该车间的直流电效明显提升。

1 影响高酸条件下铅电解直流电耗的因素

铅电解是将火法熔炼的粗铅除铜后铸成阳极板，用电解铅作为阴极，在硅氟酸和硅氟酸铅体系下，接通直流电进行电化学反应在阴极获得纯铅的过程。电解直流电耗可按公式（1）计算［1］：

式中：W为直流电效；V为平均槽电压／V；η为电流效率／%；3.865为铅电化当量／g·（A·h）-1

从式（1）可以看出直流电耗与槽电压成正比，槽电压越大，直流电耗越大；直流电耗与电流效率成反比，电流效率越高，直流电耗越小。所以提升直流电效应从降低槽电压入手。

1.1 影响槽电压的因素

铅电解过程中的电压降主要包括导体电压降、浓差极化电压降、电解液电压降等，河南豫光金铅铅电解槽电压的组成见表1。

表1 豫光金铅铅电解槽电压分布情况

槽电压电压降可由关系式（2）表述［2］：

式中：V为电压降／V；｜n-｜为阴极极化电极电位／V；｜n+｜为阳极极化电极电位／V；∑IR为导体电阻、电解液电阻等引起的电压降／V。

由式（2）可以看出，电解液电压降、导体电压降、浓化极差是影响槽电压的主要因素，因此降低电解液电阻、接触点电阻和浓差极化是降低铅电解槽电压的有效途径。

1.1.1 温度对槽电压的影响

电解液中离子是以电泳的方式进行运动，在直流电的作用下，温度越高，离子运动越快，反之越慢。因此，温度越高，电解液电导率越高，温度越低，电导率也随之降低。电解液的电导率、槽电压和温度的关系见表2。

表2 电解液的电导率、槽电压和温度的关系（I＝7 500 A）

由表2可知：当其它条件一定时，电解液温度升高，电导率也降低，槽电压也逐渐降低。

1.1.2 电解液成分对电解液比电阻的影响

电解液中总酸（SiF6）2-浓度越高，比电阻越低；铅离子浓度越高，比电阻越高。但是，溶液中铅离子浓度过低，会影响阴极析出铅的质量，因此需要控制合适的铅离子和总酸。

1.1.3 极间距对电解液电阻的影响

电解液电阻与极间距关系如公式（3）：

式中：R为电解液电阻／Ω；r为电解液比电阻／Ω·m；I为极间距／m；S为极板浸入电解液面积／m2。

从式（3）中可以看出，极间距越大，电解液电阻越高；反之极间距越小，电解液电阻越小。

1.1.4 浓差极化对槽电压的影响

在高电流密度铅电解过程中，电解液极化方式以浓差极化为主。形成浓差极化的主要原因是：随着电解的进行，阴极附近的铅离子浓度相应减少，阳极附近的铅离子相应增加，形成浓差极化。

对于可溶性阳极，阴极浓差超电位可用以公式（4）来表达：

式中：R为理想气体常数，取8.314J／K·mol；T为绝对温度／K；F为法拉第常数／C·mol-1；N为电池反应中转移电子数；i为电解电流密度／A·m-2；id为极限电流密度／A·m-2。

可以看出，电流密度越大，阴极浓差超电位越负，槽电压越高，电解消耗电能越多。

1.2 其它影响因素

影响电流效率的其它因素有：电极短路、析出氢与金属杂质在阴极反复进行还原氧化而消耗电能、阴极铅在解液中的溶解、漏电损失、电极短路等。其中，电极短路，漏电损失是最主要的因素，该厂铅电解生产中，电流效率一般在90%～97%之间波动。

2 高酸条件下铅电解的改进措施

通过以上分析，在该公司近两年的生产实践中，根据实际情况，重点采取以下改进措施。

2.1 合理提高电解液温度

通过将导热性能好的铜管浸入电解液进行加热的办法，合理提高电解液温度，有效降低了电解液电压降。但是当温度过高时，电解液挥发加剧，酸耗增加，车间环境也恶化。通过实践，电解液温度控制在45～50℃的范围内可有效降低电解液比电阻，同时车间空气质量不会恶化。

2.2 控制合理的铅酸比例

电解液中的铅离子一般随电解的进行而逐渐升高，当铅离子浓度过高时，公司常采用加硫酸沉淀法，生成硫酸铅沉淀，同时使硅氟酸再生；电解液中的游离酸则会经过电解而逐渐消耗，因此需要时常补充新酸。

2.3 控制合理的极间距

调整阴阳极距离，控制极间距在95 mm，降低槽电压，同时电极短路现象也在控制范围内。

2.4 降低阳极泥泥层厚度与浓化极差

通过合理搭配不同成分的粗铅，并严格执行熔析除铜和药剂除铜工艺，提高阳极板的主品位≥98.5%，以降低阳极泥层对槽电压的影响。控制阳极板外观质量，上下部厚度差小于2 mm；单片重量差小于3 kg。

通过控制较高的循液速度，提高阴阳极离子迁移速度，提高极限电流密度，消除浓差极化现象。

2.5 其它改进措施

使用骨胶和乙萘酚的组合添加剂，避免阴极产生突刺引起局部短路。增加查槽频率，及时处置短路。擦拭干净接触点，恢复其导电性。组建了一套铜棒清洗系统，使导电铜棒与母线铜排接触良好，通电正常。执行包片制度，各职工负责清理自己分属的母线铜排，清洗导电铜排的支撑绝缘。

定期清理各管道上结晶，发现漏液及时修补。对于多次修补的电解槽，及时更换槽体内衬。

3 结 语

河南豫光金铅股份有限公司经过一年多的生产实践，通过采取降低槽电压和提高电流效率的一些具体措施，切实降低了直流电耗，效果对比见表3。

表3 改进前后直流电耗对比表 %

由表3可知，改进后效果比较显著，该工段每年电铅产量为6.8×104t，每年可节约用电6.8×104×（122.26-110.15）＝82.348×104（kW·h）。