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| 【节能】钢丝电镀锌过程的节能降耗措施 |
| （时间:2012-1-9 10:53:10） |
摘要:电镀锌在电镀过程中的能耗主要发生在电能转换为化学能的过程，在转化过程中有多项因素对耗能的多少起着关键因素，如阳极状态、镀液状态、钢丝状态等。
关键词:阳极；阴极；电流效率
中图分类号：TG356.27文献标识码：B文章编号：1672—4224（2011）03—0042—03
钢丝电镀锌是金属制品行业应用最广泛的镀层工艺之一。电镀是由电能转化为化学能的一种过程，自始至终都和电能有着不可分割的关系，电镀锌所采用的工艺流程、工艺配方、工艺装备以及所控制的工艺参数等都和节能降耗有着极其密切的关系。以往人们在钢丝生产过程中对退火、拔丝等方面的节能降耗研究较多，而对电镀锌方面的节能降耗则较少。文章仅对电镀锌阳极的使用在节能降耗的一些具体措施进行分析。
1·钢丝电镀锌机理
1.1电镀装置与电极反应
钢丝电镀锌是由直流电源、电镀槽、汇流排、导电辊、阳极板、阴极、电镀液等部份组成。当电流通过电极和镀液界面时，必然伴随着两种不同的电极反应：阳极反应与阴极反应。钢丝电镀锌中阳极就是锌锭，阴极就是钢丝。镀液中的锌离子在阴极钢丝得到电子被还原成金属锌并沉积在钢丝表面，在阳极上，锌原子失去电子成为锌离子进入溶液，如此单质锌从锌锭上转移到钢丝表面，从而完成了电镀锌过程。
1.2电流效率
电镀时，在阴极上通过96500C的电量就应该获得1（Ar/n）的金属镀层。但是由于存在副反应（2H++2e=H2↑），电镀出来的金属就少于1（Ar/n），因此存在着一个电流利用效率的问题，所以就提出了电流效率的概念，电流效率的概念可以定义为用于主反应的电量在总电量中的百分数。用符号η来表示，通常阴极电流效率用ηk表示，阳极电流效率用ηa表示[1]。
η=m（/I×t×k）×100%（1）
式中，η———电流效率；
m———电极上实际析出或溶解的金属量，g；
I———通过的电流，A；
t———通过电流的时间，h；
k———电化当量，g/(A·h)。
一般生产中在保证镀层质量的前提下，一是希望电流效率越高越好，电流效率越高，则意味着消耗电能越少；二是希望阴阳极的电极效率相等或相近，这样溶解下来的锌与钢丝阴极上析出的锌相等或相近，才能保证溶液中的锌离子的稳定。如果两极电流效率相差很大，镀液中锌离子浓度变化也很大，最终会使镀液失去平衡而无法进行正常的电镀生产。
2·合理选用阳极材料及配置阳极
2.1不溶阳极材料的选择
由于金属铅具有良好的导电性能，而且在电镀锌的生产条件下，又具有良好的耐腐蚀性能，所以电镀锌技术应用初期多选用金属铅作为电镀锌用不溶性阳极材质。在电镀锌的生产条件下，铅阳极表面生成一层PbO2薄膜[2、3]。这层PbO2膜就是阳极的工作表面，其实质是一层简并半导体膜［4～9］，在这层PbO2膜上进行着主要的阳极反应，即析氧反应。但是这层PbO2薄膜往往是以粒状分布在铅阳极表面上，疏松多孔，结合力不好。在电镀锌的过程中，镀液中的水分子或阴离子容易通过PbO2膜层中的微孔与阳极基体发生作用，导致铅基体的逐渐溶解以及PbO2膜层的脱落。铅阳极的溶解与PbO2膜层的脱落，给电镀锌带来了严重的质量问题和能耗损失。
有文献报道［10］，当阳极电流密度为50A/dm2时，铅的失重为50 g/m2h，并且电镀锌丝出现了黑变现象。另外一种应用比较广泛的铅的二元合金阳极是铅锡合金阳极。铅锡合金阳极中锡的含量一般是5%。传统的制造方法是铸造法和轧制法，先进的制造方法是采用真空扩散焊的方法。实验证明其同纯铅阳极相比具有氧析出过电位低、阳极失重少、PbO2膜层致密、耗能低等特点。
2.2阳极面积的影响
在电镀生产过程中，希望阳极电流效率与阴极电流效率大致相等，因为这样才能保证镀液中的主盐成分的稳定，避免频繁的校正镀液。在钢丝电镀锌过程，经常发生的现象往往是阳极面积太小。这是因为有一些电镀操作人员认为：在镀槽中放置的锌阳极越少，则耗锌量越低，其实这是一种错觉。另外，在电镀生产过程中，阳极在不断的消耗而没有及时补充，因而导致阳极面积太小，阳极面积太小阳极电流密度（电流强度和阳极面积之比）必然偏大，这极易引起阳极钝化想象(即阳极溶解不良或停止溶解)，阳极发生钝化之后，不仅电阻增大，耗电量增加，而且阳极电流效率急剧下降。
为了维持正常的电镀生产过程，需要往镀液中补充主盐。往镀液中补充化工原料，不仅增加了生产成本，增加了劳动强度，而且还极易将化工原料中的杂质带入到镀液中去。当杂质富集到一定程度后，就会影响到镀层质量。因此在钢丝电镀锌过程中，必须保持足够的阳极面积。一般阳阴极面积之比要保持约在15，镀液中锌离子的来源主要应该是阳极发生氧化反应后溶解下来的锌离子，而不应该从补充主盐的成分而来，生产中应避免频繁的添加补充化工原料，镀液中主盐成分含量的高低应由阳极面积的大小来调整和控制，即当发现锌离子浓度在不断下降时，应适当增加锌阳极，当发现锌离子浓度不断增加时，则应适当减少锌阳极。另外，镀液在停止工作时，锌阳极还会发生溶解想象，因此当镀液中主盐成分不低，镀液长期停止工作时，应将锌阳极从镀槽中取出。
2.3阳极表面洁净度的影响
钢丝电镀锌时，阳极往往是平放在槽内阳极架上的，因此镀液中的一些物理杂质很容易聚集在上面，所以阳极有时很脏，但肉眼又不太容易观察清楚。如果阳极表面杂质聚集太多太厚则影响导电和溶解，这和前面提到的阳极钝化现象相似，必然引起电能消耗增加和化工原料的浪费。
因此在钢丝电镀锌生产过程中，除应重视阴极钢丝的表面的清洁之外，还应重视维护好镀液，并定期对阳极表面进行清理，以保持锌阳极上的正常导电和溶解。
2.4阴阳极距
阴阳极之间的距离也十分重要。根据电镀原理，在一般情况下，增大阴阳极之间的距离，可以促使电流在阴极上均匀分布，提高镀液的分散能力，达到镀层厚度均匀的目的。但是，阴阳极之间的距离增大，在采用相同的电流密度操作时，电镀所需要的外电压也要增大，这样就要多消耗电能。因此，阴阳极之间的距离究竟控制多大，就要视电镀产品的具体情况而定，一般钢丝电镀其几何状态比较简单，对镀层的分散能力要求不高。
因此，为了节省电能的消耗，根据钢丝规格、线速以及镀槽长度等情况，阴阳极之间的距离保持在2~5cm。
2.5阳极纯度
电镀锌阳极要采用0号或1号锌锭，这对于维护好镀液，保证镀层质量是十分重要的。2号以上锌锭虽然价格略微便宜一点，但由于有害杂质含量较高，在电镀生产中阳极的逐渐溶解过程中，杂质也在不断地积累，当有害杂质富集到一定程度后，为了保证电镀锌层的质量，就要对镀液进行全面的净化处理，这不仅增加了劳动强度，占用了生产时间，而且消耗了化工原料，增加了生产成本。
2.6阳极接触
阳极接触包括阳极及阳极架之间、阳极架和汇流排之间的接触。在钢丝电镀锌的生产过程中，阳极锌板是平放在阳极架上的，接触一般不好。阳极在不断溶解过程中会逐渐变小，当小到一定程度后，则有可能从阳极架上掉落下来，落到槽底，不能再发挥其作用。因此，应经常检查，并适时补充阳极。
此外，阳极架一般和汇流排是用螺栓固定的，在新固定后导电状况可能是比较良好的，但由于阳极架的外漏部分和汇流排的连接部分处于镀槽边的恶劣环境之中，时间一久，螺丝就会遭到腐蚀，出现接触不良，电阻增大，影响导电。根据焦耳楞次定律，电阻加大热效应增强，导致导电性能进一步下降，腐蚀进一步加剧，如此恶劣循环，其接触部分的导电性能必然受到严重影响，因而大大增加了电能的消耗。因此，在钢丝电镀锌的生产过程中，应经常注意检查阳极和阳极架之间、阳极架和汇流排之间应有良好的接触。
2.7电耗变化的直接判断方法
在电镀过程中为保证锌层厚度的稳定性，电镀电源采用恒流设置，通过读取控制柜电压指数即可直接判断耗能及阳极导电状况，在理想阳极状态下电压指数在6~8V，当电压值超过8V表示电耗增加，需要调整，当电压指数超出12V表示电耗严重增加超出正常电耗的1倍，需要立即检查以上所述的各点。
3·结束语
电镀锌是金属制品行业应用最广泛的镀层工艺之一，它涉及到电镀工艺、工装设备、整流电源等一系列因素。在这诸多因素中，电镀锌阳极是钢丝电镀锌生产过程中影响节能降耗的重要组成部分。因此，正确的选用和配置阳极以及加强对锌阳极的管理和维护，对于钢丝电镀锌生产中的节能降耗具有十分重要的意义。
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