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李曉明，張紅田，黃治國，賀磊，王衛(wèi)東，王勇
(新疆八鋼金屬制品有限公司)
摘要:電鍍鋅在電鍍過程中的能耗主要發(fā)生在電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過程，在轉(zhuǎn)化過程中有多項因素對耗能的多少起著關(guān)鍵因素，如陽極狀態(tài)、鍍液狀態(tài)、鋼絲狀態(tài)等。
關(guān)鍵詞:陽極;陰極;電流效率
中圖分類號：TG356.27文獻標識碼：B文章編號：1672—4224(2011)03—0042—03
鋼絲電鍍鋅是金屬制品行業(yè)應(yīng)用最廣泛的鍍層工藝之一。電鍍是由電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的一種過程，自始至終都和電能有著不可分割的關(guān)系，電鍍鋅所采用的工藝流程、工藝配方、工藝裝備以及所控制的工藝參數(shù)等都和節(jié)能降耗有著極其密切的關(guān)系。以往人們在鋼絲生產(chǎn)過程中對退火、拔絲等方面的節(jié)能降耗研究較多，而對電鍍鋅方面的節(jié)能降耗則較少。文章僅對電鍍鋅陽極的使用在節(jié)能降耗的一些具體措施進行分析。
1·鋼絲電鍍鋅機理
1.1電鍍裝置與電極反應(yīng)
鋼絲電鍍鋅是由直流電源、電鍍槽、匯流排、導(dǎo)電輥、陽極板、陰極、電鍍液等部份組成。當電流通過電極和鍍液界面時，必然伴隨著兩種不同的電極反應(yīng)：陽極反應(yīng)與陰極反應(yīng)。鋼絲電鍍鋅中陽極就是鋅錠，陰極就是鋼絲。鍍液中的鋅離子在陰極鋼絲得到電子被還原成金屬鋅并沉積在鋼絲表面，在陽極上，鋅原子失去電子成為鋅離子進入溶液，如此單質(zhì)鋅從鋅錠上轉(zhuǎn)移到鋼絲表面，從而完成了電鍍鋅過程。
1.2電流效率
電鍍時，在陰極上通過96500C的電量就應(yīng)該獲得1(Ar/n)的金屬鍍層。但是由于存在副反應(yīng)(2H++2e=H2↑)，電鍍出來的金屬就少于 1(Ar/n)，因此存在著一個電流利用效率的問題，所以就提出了電流效率的概念，電流效率的概念可以定義為用于主反應(yīng)的電量在總電量中的百分數(shù)。用符號 η來表示，通常陰極電流效率用ηk表示，陽極電流效率用ηa表示[1]。
η=m(/I×t×k)×100%(1)
式中，η———電流效率;
m———電極上實際析出或溶解的金屬量，g;
I———通過的電流，A;
t———通過電流的時間，h;
k———電化當量，g/(A·h)。
一般生產(chǎn)中在保證鍍層質(zhì)量的前提下，一是希望電流效率越高越好，電流效率越高，則意味著消耗電能越少;二是希望陰陽極的電極效率相等或相近，這樣溶解下來的鋅與鋼絲陰極上析出的鋅相等或相近，才能保證溶液中的鋅離子的穩(wěn)定。如果兩極電流效率相差很大，鍍液中鋅離子濃度變化也很大，最終會使鍍液失去平衡而無法進行正常的電鍍生產(chǎn)。
2·合理選用陽極材料及配置陽極
2.1不溶陽極材料的選擇
由于金屬鉛具有良好的導(dǎo)電性能，而且在電鍍鋅的生產(chǎn)條件下，又具有良好的耐腐蝕性能，所以電鍍鋅技術(shù)應(yīng)用初期多選用金屬鉛作為電鍍鋅用不溶性陽極材質(zhì)。在電鍍鋅的生產(chǎn)條件下，鉛陽極表面生成一層PbO2薄膜[2、3]。這層PbO2膜就是陽極的工作表面，其實質(zhì)是一層簡并半導(dǎo)體膜[4～9]，在這層 PbO2膜上進行著主要的陽極反應(yīng)，即析氧反應(yīng)。但是這層PbO2薄膜往往是以粒狀分布在鉛陽極表面上，疏松多孔，結(jié)合力不好。在電鍍鋅的過程中，鍍液中的水分子或陰離子容易通過PbO2膜層中的微孔與陽極基體發(fā)生作用，導(dǎo)致鉛基體的逐漸溶解以及PbO2膜層的脫落。鉛陽極的溶解與PbO2膜層的脫落，給電鍍鋅帶來了嚴重的質(zhì)量問題和能耗損失。
有文獻報道[10]，當陽極電流密度為50A/dm2時，鉛的失重為50 g/m2h，并且電鍍鋅絲出現(xiàn)了黑變現(xiàn)象。另外一種應(yīng)用比較廣泛的鉛的二元合金陽極是鉛錫合金陽極。鉛錫合金陽極中錫的含量一般是5%。傳統(tǒng)的制造方法是鑄造法和軋制法，先進的制造方法是采用真空擴散焊的方法。實驗證明其同純鉛陽極相比具有氧析出過電位低、陽極失重少、PbO2膜層致密、耗能低等特點。
2.2陽極面積的影響
在電鍍生產(chǎn)過程中，希望陽極電流效率與陰極電流效率大致相等，因為這樣才能保證鍍液中的主鹽成分的穩(wěn)定，避免頻繁的校正鍍液。在鋼絲電鍍鋅過程，經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象往往是陽極面積太小。這是因為有一些電鍍操作人員認為：在鍍槽中放置的鋅陽極越少，則耗鋅量越低，其實這是一種錯覺。另外，在電鍍生產(chǎn)過程中，陽極在不斷的消耗而沒有及時補充，因而導(dǎo)致陽極面積太小，陽極面積太小陽極電流密度(電流強度和陽極面積之比)必然偏大，這極易引起陽極鈍化想象(即陽極溶解不良或停止溶解)，陽極發(fā)生鈍化之后，不僅電阻增大，耗電量增加，而且陽極電流效率急劇下降。
為了維持正常的電鍍生產(chǎn)過程，需要往鍍液中補充主鹽。往鍍液中補充化工原料，不僅增加了生產(chǎn)成本，增加了勞動強度，而且還極易將化工原料中的雜質(zhì)帶入到鍍液中去。當雜質(zhì)富集到一定程度后，就會影響到鍍層質(zhì)量。因此在鋼絲電鍍鋅過程中，必須保持足夠的陽極面積。一般陽陰極面積之比要保持約在15，鍍液中鋅離子的來源主要應(yīng)該是陽極發(fā)生氧化反應(yīng)后溶解下來的鋅離子，而不應(yīng)該從補充主鹽的成分而來，生產(chǎn)中應(yīng)避免頻繁的添加補充化工原料，鍍液中主鹽成分含量的高低應(yīng)由陽極面積的大小來調(diào)整和控制，即當發(fā)現(xiàn)鋅離子濃度在不斷下降時，應(yīng)適當增加鋅陽極，當發(fā)現(xiàn)鋅離子濃度不斷增加時，則應(yīng)適當減少鋅陽極。另外，鍍液在停止工作時，鋅陽極還會發(fā)生溶解想象，因此當鍍液中主鹽成分不低，鍍液長期停止工作時，應(yīng)將鋅陽極從鍍槽中取出。
2.3陽極表面潔凈度的影響
鋼絲電鍍鋅時，陽極往往是平放在槽內(nèi)陽極架上的，因此鍍液中的一些物理雜質(zhì)很容易聚集在上面，所以陽極有時很臟，但肉眼又不太容易觀察清楚。如果陽極表面雜質(zhì)聚集太多太厚則影響導(dǎo)電和溶解，這和前面提到的陽極鈍化現(xiàn)象相似，必然引起電能消耗增加和化工原料的浪費。
因此在鋼絲電鍍鋅生產(chǎn)過程中，除應(yīng)重視陰極鋼絲的表面的清潔之外，還應(yīng)重視維護好鍍液，并定期對陽極表面進行清理，以保持鋅陽極上的正常導(dǎo)電和溶解。
2.4陰陽極距
陰陽極之間的距離也十分重要。根據(jù)電鍍原理，在一般情況下，增大陰陽極之間的距離，可以促使電流在陰極上均勻分布，提高鍍液的分散能力，達到鍍層厚度均勻的目的。但是，陰陽極之間的距離增大，在采用相同的電流密度操作時，電鍍所需要的外電壓也要增大，這樣就要多消耗電能。因此，陰陽極之間的距離究竟控制多大，就要視電鍍產(chǎn)品的具體情況而定，一般鋼絲電鍍其幾何狀態(tài)比較簡單，對鍍層的分散能力要求不高。
因此，為了節(jié)省電能的消耗，根據(jù)鋼絲規(guī)格、線速以及鍍槽長度等情況，陰陽極之間的距離保持在2~5cm。
2.5陽極純度
電鍍鋅陽極要采用0號或1號鋅錠，這對于維護好鍍液，保證鍍層質(zhì)量是十分重要的。2號以上鋅錠雖然價格略微便宜一點，但由于有害雜質(zhì)含量較高，在電鍍生產(chǎn)中陽極的逐漸溶解過程中，雜質(zhì)也在不斷地積累，當有害雜質(zhì)富集到一定程度后，為了保證電鍍鋅層的質(zhì)量，就要對鍍液進行全面的凈化處理，這不僅增加了勞動強度，占用了生產(chǎn)時間，而且消耗了化工原料，增加了生產(chǎn)成本。
2.6陽極接觸
陽極接觸包括陽極及陽極架之間、陽極架和匯流排之間的接觸。在鋼絲電鍍鋅的生產(chǎn)過程中，陽極鋅板是平放在陽極架上的，接觸一般不好。陽極在不斷溶解過程中會逐漸變小，當小到一定程度后，則有可能從陽極架上掉落下來，落到槽底，不能再發(fā)揮其作用。因此，應(yīng)經(jīng)常檢查，并適時補充陽極。
此外，陽極架一般和匯流排是用螺栓固定的，在新固定后導(dǎo)電狀況可能是比較良好的，但由于陽極架的外漏部分和匯流排的連接部分處于鍍槽邊的惡劣環(huán)境之中，時間一久，螺絲就會遭到腐蝕，出現(xiàn)接觸不良，電阻增大，影響導(dǎo)電。根據(jù)焦耳楞次定律，電阻加大熱效應(yīng)增強，導(dǎo)致導(dǎo)電性能進一步下降，腐蝕進一步加劇，如此惡劣循環(huán)，其接觸部分的導(dǎo)電性能必然受到嚴重影響，因而大大增加了電能的消耗。因此，在鋼絲電鍍鋅的生產(chǎn)過程中，應(yīng)經(jīng)常注意檢查陽極和陽極架之間、陽極架和匯流排之間應(yīng)有良好的接觸。
2.7電耗變化的直接判斷方法
在電鍍過程中為保證鋅層厚度的穩(wěn)定性，電鍍電源采用恒流設(shè)置，通過讀取控制柜電壓指數(shù)即可直接判斷耗能及陽極導(dǎo)電狀況，在理想陽極狀態(tài)下電壓指數(shù)在 6~8V，當電壓值超過8V表示電耗增加，需要調(diào)整，當電壓指數(shù)超出12V表示電耗嚴重增加超出正常電耗的1倍，需要立即檢查以上所述的各點。
3·結(jié)束語
電鍍鋅是金屬制品行業(yè)應(yīng)用最廣泛的鍍層工藝之一，它涉及到電鍍工藝、工裝設(shè)備、整流電源等一系列因素。在這諸多因素中，電鍍鋅陽極是鋼絲電鍍鋅生產(chǎn)過程中影響節(jié)能降耗的重要組成部分。因此，正確的選用和配置陽極以及加強對鋅陽極的管理和維護，對于鋼絲電鍍鋅生產(chǎn)中的節(jié)能降耗具有十分重要的意義。
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