摘要：电解镍作为CH公司的主要有色金属产品，如何降低电解镍生产加工成本，提高电解镍产品质量对实现公司可持续发展、提高公司产品市场竞争力至关重要，尤其是如何实现阳极泥自动化喷除，成为当前迫切需要解决的问题。本文结合工作实际，介绍了生产现场阳极泥刮除作业中存在的问题，分析了造成问题的原因，并突破传统作业模式的思维局限，提出高压水气混合喷除阳极泥的改进优化方案，同时基于层次分析法和加权因素法进行了可行性论证，生产装备优化后取得了良好的经济效益和社会效益。
关键词：电解镍,阳极泥,高压水气混合,喷除
CH公司目前是全球最大的镍钴有色金属生产基地之一，电解镍产能达到15万吨/年。随着全球矿石储量的减少和科学技术的迅速发展，以及客户对电镍产品质量要求的不断提高，有色金属行业正处于一个产量竞争到技术质量竞争的转折点，行业内部竞争更加激烈。其中，清除阳极泥作业是电解镍生产工艺中最重要的环节之一，其核心问题是如何实现阳极泥机械化清除，提高阳极泥清除效率。然而，公司电镍生产工序中阳极出装作业仍沿用人工刮除的传统作业方法，该作业方法存在职工劳动强度大、电镍质量不稳定、生产加工成本高等弊端。因此，实现阳极泥清除作业机械化，提高清除效率，对于提升电镍产品质量并降低电镍加工成本非常重要。鉴于此，基于对国内外先进电镍生产工艺的调研，并结合作者团队成员参与阳极泥清除装备研发项目的实践，本文重点分析了电解镍生产工艺过程中阳极泥喷除工艺存在的问题和原因，并提供了适合自身情况的可实施的改进方向与方案。
1生产工艺简介
CH公司目前采用硫化镍可溶阳极隔膜电解工艺，以高硫阳极板为原料，以“硫酸盐+氯化物”溶液为电解质，生产出电解镍产品。生产工艺流程简介如下。
电解工序用高锍阳极板作阳极，镍始极片作阴极，净化系统产出的阴极液经换热器加热后泵至阴极液高位槽，控制一定的流量自流进入电解槽的阴极室，阴阳极液液位保持一定的液位差。在直流电的作用下，阴极液中的镍离子在阴极析出，得到电解镍。电解产生的阳极液经过碳酸钡除铅、加热后送净化系统除杂。净化系统用中和水解法除铁，以压缩空气作为除铁过程的氧化剂，同时起搅拌作用，在除铁过程同时除去部分铜、铅、砷，除铁后溶液经管式过滤器过滤、加酸调整pH值后，控制一定流量泵至沸腾除铜槽，再加入镍精矿、阳极泥除铜，除铜后液以碳酸镍作中和剂，在中间槽调整pH值，然后泵至除钴反应管道，通氯气氧化除钴，溶液从反应管道末端流入空气搅拌槽，在空气搅拌槽反应一定时间后进行过滤，过滤的钴渣经洗涤、压滤后作为中间产品外付。
2存在问题
2.1阳极泥刮除作业自动化水平低
CH公司某生产工序电解镍出装岗位一直沿用传统人工作业模式，执行两班倒循环作业。每天残极的出槽数量和需要倒周期的残极数量由当日的生产计划确定，根据前期数据统计分析，6人合作共同清除阳极泥耗时约为7min/槽，每班连续作业6h，与工序其他岗位配人平均每岗3人相比，该岗位投入人员多，体力劳动强度大。另一方面，由于刮除阳极泥作业完全依赖于吊车能否正常作业，如果作业过程中吊车发生故障或安排其他作业，只能等待，待吊车恢复正常后方可作业，所以实现阳极泥机械化清除的过程中必须降低对吊车的依赖性。
2.2作业成本高
人工刮除阳极泥作业后，需要用高压水把残极板上附着的阳极泥冲洗干净，避免带入电解槽内影响电镍质量。根据计量测算，冲洗残极板需要消耗新水约3m3/槽，每天冲洗残极板和阳极泥作业总耗水量约300m3。考虑手工作业存在随意性和不稳定性，手工刮除阳极泥存在清除不干净等问题，残留的阳极泥进入阳极液后提升了净化工序的除杂难度，造成液碱和纯碱消耗量上升。
3成因分析
3.1清除阳极泥设备落后
电解镍生产工艺流程中，很多生产设备在已实现自动化的基础上正在逐步实现智能化，包括AGV小车物料转运、槽面温度自动监测、溶液成分自动分析等。而清除阳极泥作业仍然停留在人工作业的水平，限制了车间整体作业效率的提升和加工成本的降低。
3.2阳极泥洗水没有实现循环利用
冲洗残极板产生的污水随阳极泥一同进入阳极池内，然后收集进入废水地坑。根据前期实验，将地坑内收集的冲洗水通过输送泵再次用于残极板冲洗，由于冲洗水阳极泥浊度大于70mg/l，且pH值＜5，一方面，容易造成输送泵和管道堵塞，喷头压力不够，冲洗效果不佳；另一方面，阳极泥对冲洗管道和输送泵有很强的腐蚀性，设备故障率高，作业连续性差。
4改进和优化解决路径
针对电镍生产过程中阳极泥冲洗作业方式存在的问题，通过对前期实验的总结，同时结合笔者在设备管理和研发方面的经验，本文提出了“走出去，引进来”和“尊重科学，利用科学”相结合的改进方案。
4.1“走出去，引进来”打破传统技术观念、引入先进技术
CH公司多次尝试解决阳极泥冲洗不彻底，自动化水平低的问题，但是由于受技术和环境的制约，问题一直未得到充分解决。本次在深刻吸取前期试验的经验教训基础之上，对前期的试验过程进行总结分析，发现症结，并提出针对性的解决方案。具体问题和解决措施如下。
设备振动大。对高压泵电机加装变频器，设定合适运转功率和频率，解决了设备振动大的问题，其接头部件磨损也相应降低，腐蚀问题得到了根本解决。
水消耗量大。之前实验方案只考虑到用高压水冲洗，每天大约需要消耗300m3新水。由于湿法车间生产体积平衡和镍平衡是保证电镍质量的关键因素。综合考虑所有因素后，创新提出高压水气混合喷除新技术，在保证实现清除阳极泥目标的同时，能有效降低新水消耗，尽量减少阳极泥洗水对生产体系的影响，确保电镍产品质量。
喷嘴、管道容易堵塞和腐蚀。前期设计只用水冲洗残极板，在冲洗过程中阳极泥残渣进入水循环系统，容易造成喷嘴堵塞，同时也容易对管路和喷嘴造成腐蚀。为了解决该问题，引入新的喷射技术可以有效解决喷嘴堵塞和管路腐蚀的问题。
4.2“尊重科学，利用科学”，应用科学的数据分析模型、选定最佳方案
在认真分析总结前期试验经验的基础上，通过现场调研，与一线岗位人员充分交流，挖掘问题的根本原因，掌握生产现场的实际需求；同时与国内设备研发能力强的科研院所和高等院校开展技术交流。综合考虑现场实际情况，提出了三种技术方案，分别是高压水冲洗方案、水气混合喷除方案和机械刮除方案。为了确定最佳方案，作者应用了层次分析法和加权因素分析法，具体分析步骤如下。
4.2.1层次分析法
层次分析法由美国著名运筹学家萨蒂（T.L.Saaty）于1982年提出，是一种简明实用的定性分析与定量分析相结合的系统分析与评价方法。该方法是将决策问题按总目标、各层子目标、评价准则直至具体的备投方案的顺序分解为不同的层次结构，然后用求解判断矩阵特征向量的办法，求得每一层次的各元素对上一层次某元素的优先权重，最后再加权求和的方法递阶归并各备选择方案对总目标的最终权重，此最终权重最大者即为最优方案。
（1）建立递阶层次。方案1，高压水冲洗去除阳极泥；方案2，水气混合喷除阳极泥；方案3，机械刮除阳极泥。
（2）建立判断矩阵。因为我们一次性比较3个指标很困难，所以采用两两指标分别进行比较的方法，根据比较的结果确定权重，为了便于将比较结果定量化，引入1～9标度方法，具体含义如下：标度1，表示两个因素相比，具有同等重要性；标度3，表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要；标度5，表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要；标度7，表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要；标度9，表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要；标度2、4、6、8，上述两相邻判断的中值；倒数：A和B相比如果标度为3，那么B和A相比就是1/3。
（3）计算三个指标的判断矩阵。第六步：分别计算三个方案对某一指标的权重，得到3个方案对冲洗效果、耗水量和投资费用3个指标的重要度值后，按照冲洗效果、耗水量和投资费用对总目标的重要度，分别为：方案1，重要度W1=0.289；方案2，重要度2W=0.569；方案3，重要度W3=0.142.。
根据综合重要度的比较：W2＞W1＞W3，所以，该阳极泥冲洗项目选择方案2水气混合喷除更为理想。
4.2.2加权因素分析法
加权因素分析法是指把设计方案的各种影响因素（定性、定量）划分成不同等级，并赋予每一等级一个数值，以此表示该因素对布置方案的满意程度，同时，根据不同因素对设计方案的影响重要程度设立加权值，计算出设计方案的评分值，根据评分值的高低评价方案的优劣。通过项目组内部商讨并结合现场问卷调查，确定了该阳极泥冲洗项目涉及的因素赋予的权重值，权重大小为1～10。对各因素就每个方案的重要程度进行评级，共分为5组，用5个字母A、E、I、O、U表示，其中A=4分、E=3分、I=2分、O=1分、U=0分。
通过计算可知，方案2的得分为最高分，因此选择方案二水气混合喷除为最佳方案。
通过上述层次分析法和加权因素分析法两种科学方法的分析，最终得到了一致的结论，即理论上水气混合喷除法为最优方案。
5项目研发与应用
5.1设定项目考核指标和研发进度计划
在保证项目质量和项目成本最优的前提下明确高压水气混合喷除阳极泥设备最终要实现的目的，制定了合理的考核指标和进度计划，计划如下：①确定高压水气混合喷除阳极泥设备关键参数，包括不同周期残极分别对应的水压、气压、冲洗时长；②设计出全自动高压水气混合喷除阳极泥生产线全套图纸；③设计出阳极泥洗水循环使用系统图纸；④设计出完整的安全防护装置图纸；⑤每槽阳极板（76块）的冲洗时间≤5min；⑥设备连续工作的工况下水消耗量≤1.5t/h；⑦残极板清洗合格率≥95%；⑧研究制定出有效可行的设备防腐措施。
5.2项目准备
深入现场进行项目调研和数据收集，通过调研了解岗位人员对阳极泥冲洗设备的具体功能需求和预期作业效率，只有了解清楚岗位人员的实际需求才能设计出符合现场的实用设备。由于高压水气混喷设备的最高设计压力达30MPa，同行业没有相同的设备可供参考，于是项目组对高压气瓶、高压水泵、耐高压管道等进行了详细考察，选择了同行业的优质生产厂家，确保高压设备的安全性和可靠性。
阳极板台架的设计是项目的关键环节，设计阳极板台架要充分考虑水源管道、气源管道和气源喷嘴的布局，台架材质选用耐腐蚀和高强度的304不锈钢材质，表层涂刷耐酸碱防腐漆。由于阳极板2块为一组，为了保证同时实现冲洗效果和冲洗效率，喷嘴按照6组布置，这样既方便吊车操作，也可保证冲洗效果和效率。
为了减少压缩空气的管道压降，高压气瓶必须布置在生产现场距离阳极板台架合适的位置。高压气瓶的安全可靠性是项目关注的焦点，因此提前将高压气瓶运输至生产现场进行打压测试，测试气瓶组的严密性和安全性。
5.3设备测试与数据采集
调试设备对设备的整体性能进行空载和负载性能测试，空载试验确保各项参数均达标后进行负载试验。调试过程中采用PDCA循环法进行调试（P：计划、D：执行、C：检查、A：处理），做好测试计划→执行计划→检查计划→处理问题。
做好测试计划后，严格按照计划内容进行测试。在执行计划的过程中做好测试效果和相关数据的详细记录，对测试过程中发现的问题及时进行处理，处理完成后再重新按照测试计划进行测试，严格按照PDCA循环法进行闭环测试。为了满足不同周期和不同工艺条件下残极板的冲洗，本项目组对各种工况下的残极板均做了冲洗试验，通过试验可知，喷嘴角度调整为110°时冲洗效果最佳。同时还对不同材质的喷嘴寿命进行了试验，最终确定陶瓷材质的喷嘴使用寿命周期最长。
6项目效益
6.1经济效益
首先，实现了机械化换人的本质目标，即改造后减少了劳动用工人数，可有效降低人工成本；其次，实现阳极泥机械化喷涂，有助于电解镍生产过程中关键工艺参数的自动控制和工艺指标的进一步优化，提高了电镍产品质量的一致性和可靠性；再次，机械化换人消除了人工操作的安全隐患，杜绝了设备的不安全状态和人的不安全行为在同一时间和空间发生的可能性，实现了岗位生产本质化安全。
6.2社会效益
成功应用高压水气混合喷除阳极泥装备，除了产生可观的经济效益外，同时还会带来有效的社会效益和生态效益。具体有以下几个方面。
（1）项目实施后可有效减轻出装岗位人员劳动强度，改善职工作业环境，也有利于职工身体健康，提升了职工对工作的满意度和幸福指数。
（2）水资源、纯碱、电耗等资源用量有效降低，间接地减少了碳排放和对环境的污染，助力企业实现经济效益、社会效益和生态效益之间的精细平衡。
7结语
阳极泥冲洗工序在整个电镍生产工艺流程中至关重要，阳极泥冲洗效果既影响电镍质量，也影响下游火法车间的加工成本。为了提高阳极泥冲洗效果，本项目组突破传统作业模式，创新性地提出高压水气混合喷除阳极泥的技术方案，实现了机械化高效清除阳极泥的目的，为企业优化电解镍生产工艺和节能减排提供了有效途径。
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