鋅電解搭接式陰極板接觸的有限元分析

世家偉， 孫成余， 羅永光， 曲洪濤

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司， 云南 曲靖 655011)

鋅電解搭接式陰極板接觸的有限元分析

世家偉， 孫成余， 羅永光， 曲洪濤

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司， 云南 曲靖 655011)

基于有限元法對(duì)鋅電解過(guò)程中搭接式陰極板與銅排作用面的接觸進(jìn)行分析，計(jì)算理想狀態(tài)下陰極板與銅排的接觸變形、接觸間隙及接觸應(yīng)力，為評(píng)估接觸電阻大小提供一種方法，同時(shí)為改善及優(yōu)化接觸面積提供依據(jù)。

鋅電解； 搭接式陰極板； 接觸面積； 接觸應(yīng)力

0 前言

鋅電解過(guò)程中槽與槽之間導(dǎo)電連接方式有夾接式和搭接式，夾接式早期采用，國(guó)內(nèi)一些采用手工剝鋅的電鋅廠仍沿用此方式。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)電鋅廠均采用搭接式，以保障出裝槽時(shí)吊板的安全, 實(shí)現(xiàn)機(jī)械化出裝槽, 尤其是每槽裝有52 塊以上陰陽(yáng)極板的大型槽[1]。鋅電解使用含銀1%左右的鉛鈣合金板作陽(yáng)極，工業(yè)純鋁板作陰極，陰極板由壓延鋁板、鋁梁、純銅導(dǎo)電頭構(gòu)成。濕法煉鋅中，鋅的電解能耗占很大比重，采用搭接式極板，其導(dǎo)電頭與銅排接觸電阻直接關(guān)系著鋅電解能耗。接觸電阻大小與接觸導(dǎo)體的材料特性、接觸形式(點(diǎn)、線、面接觸)、

接觸應(yīng)力、接觸面積和溫度等因素有關(guān)[2]。在其它參數(shù)一致的情況下，接觸應(yīng)力越大及接觸面積越大，接觸電阻越小。本文使用有限元軟件對(duì)陰極板與銅排的接觸面積和接觸應(yīng)力進(jìn)行分析，以3.2 m2陰極板作為研究對(duì)象，首先建立陰極板三維模型并對(duì)各部分賦予材料特性，然后按實(shí)際情況設(shè)定接觸類型并劃分有限元網(wǎng)格，施加加速度載荷(重力載荷)和約束，最后進(jìn)行有限元求解，為陰極板與銅排接觸電阻分析提供一種方法。

1 陰極板形變

鋅電解過(guò)程，陰極不斷析出金屬鋅，陰極板重量逐漸增大。圖1為陰極板受力變形云圖。

圖1 受力變形云圖

圖1(a)為電解初始時(shí)陰極板在自身重力作用下發(fā)生的變形，最大變形量為0.027 mm；圖1(b)為電解完成后陰極板變形量增大，最大變形量為0.049 mm?？梢钥闯?，在重力作用下，壓延鋁板整體下移、鋁梁發(fā)生彎曲變形，致使陰極板導(dǎo)電頭左側(cè)與銅排表面產(chǎn)生間隙，并且隨著鋅片重量的增大，此間隙逐漸增大。

2 接觸面積

上一節(jié)分析得出陰極板在重力作用下的變形量，并得知陰極板導(dǎo)電頭左側(cè)與銅排存在間隙及隨鋅片重量增大的變化情況。但導(dǎo)電頭與銅排接觸面積大小未知，下面對(duì)導(dǎo)電頭與銅排的接觸情況進(jìn)行分析。圖2為導(dǎo)電頭底面與銅排表面的接觸間隙云圖。

圖2中最右端區(qū)域接觸間隙為0，即為導(dǎo)電頭與銅排的理想狀態(tài)下(導(dǎo)電頭底面與銅排上表面接觸前平行、接觸表面光滑)的接觸面積。從圖2(a)可以看出，接觸面積約為W(寬)×(3/14)×L(長(zhǎng))(長(zhǎng)度方向單元數(shù)為14，接觸間隙為0的約占3個(gè)單元)，隨著鋅片重量的增大，此接觸面積并未發(fā)生顯著變化。

圖2 接觸間隙云圖

3 接觸應(yīng)力

圖3為導(dǎo)電頭與銅排接觸應(yīng)力云圖。從圖3可以看出，導(dǎo)電頭右側(cè)邊緣處接觸應(yīng)力最大，由于受陰極板鋁梁變形的影響，接觸應(yīng)力由右向左逐漸減小至0。電解初始時(shí)，導(dǎo)電頭右側(cè)邊緣處接觸應(yīng)力為3.32 MPa，向左約1.5個(gè)單元處接觸應(yīng)力減小為0；電解完成后，導(dǎo)電頭右側(cè)邊緣處接觸應(yīng)力為6.64 MPa，向左約1.5個(gè)單元處接觸應(yīng)力減小為0。導(dǎo)電頭實(shí)際承受應(yīng)力的面積W×(1.5/14)×L，比接觸間隙為0的面積W×(3/14)×L要小些。

圖3 接觸應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

通過(guò)以上分析，得出以下結(jié)論：

(1)在鋅電解過(guò)程中，搭接式陰極板導(dǎo)電頭接觸表面即使非常光滑且與銅排表面保證平行(鋁梁未變形時(shí))，但受重力作用，鋁梁發(fā)生變形，致使導(dǎo)電頭與銅排的接觸面積遠(yuǎn)小于導(dǎo)電頭底面面積；導(dǎo)電頭與銅排接觸間隙為0的面積約為W×(3/14)×L，且隨著鋅片重量的增大，此接觸面積大小基本保持不變。

(2)陰極板導(dǎo)電頭與銅排實(shí)際存在接觸應(yīng)力的面積約為W×(1.5/14)×L，大約是接觸間隙為0的面積W×(3/14)×L的一半。導(dǎo)電頭靠電解槽一側(cè)的邊緣處接觸應(yīng)力最大，并向另一側(cè)逐漸減小至0，隨著鋅片重量的增大，上述邊緣處的最大應(yīng)力也隨之增大，但存在接觸應(yīng)力的區(qū)域，大小基本保持不變。

(3)繼續(xù)增大導(dǎo)電頭銅塊的長(zhǎng)度尺寸并不能增大導(dǎo)電頭與銅排的接觸面積。

(4)為增大導(dǎo)電頭與銅排的接觸面積，可考慮采用導(dǎo)電頭底面與側(cè)面同時(shí)與銅排接觸的形式。

[1] 譚見(jiàn)賢.鋅電解搭接法電積能耗高的原因探討及陰極導(dǎo)電頭的改進(jìn)研制[J].有色冶煉,1998(2)：33-36.

[2] 許軍,李坤.電接觸的接觸電阻研究[J].電工材料,2011(1)：10-13.

Finiteelementanalysisonoverlappingcathodeplateofzincelectrolysis

SHI Jia-wei, SUN Cheng-yu, LUO Yong-guang, QU Hong-tao

Based on finite element method, this paper analyzes the contact of overlapping cathode plate and copper bar acting surface during zinc electrolysis. The paper calculates the contact deformation, contact gap and contact stress for cathode plate and copper bar under ideal condition, providing a method for evaluating contact resistance, as well as providing basis for improving contact area.

zinc electrolysis; overlapping cathode plate; contact area; contact stress

TF813

B

1672-6103(2017)05-0034-03

世家偉(1979—)，男，云南曲靖人，碩士研究生，機(jī)械工程師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及設(shè)備管理工作。

2016-10-12