金 晶， 王石剛， 曹家勇， 王春雷

（上海交通大學 機械與動力工程學院，上海200240）

0 前言

電鍍技術和電鑄技術被廣泛應用于現(xiàn)代工業(yè)中。隨著我國汽車行業(yè)的發(fā)展，鍍鋅鋼板的需求量與日俱增，給整個電鍍行業(yè)帶來了新的發(fā)展機遇。但隨著生產(chǎn)的深入，一系列質(zhì)量問題暴露了出來，如鍍鋅鋼板邊緣鋅層變厚等。

前人對電鍍均勻性的研究大多集中于微機電領域［1-6］，而對大型立式電鍍環(huán)境中鍍層均勻性的研究較少。本文以電化學鍍鋅為研究對象，根據(jù)某鋼鐵廠連續(xù)電鍍鋅的實際環(huán)境，按1∶1的尺寸建模，模擬連續(xù)電鍍環(huán)境中電流密度的分布情況。引入絕緣擋板，通過調(diào)整絕緣擋板的相關尺寸及位置參數(shù)，分別在Ansys Workbench CFX模塊中進行多物理場耦合求解，得到對電沉積層厚度影響最大的電流密度分布的情況，在一系列參數(shù)中找到最優(yōu)解，并在實際生產(chǎn)中得到有效驗證。

1 基本原理

在實際生產(chǎn)中，由于電場線在邊緣分布較致密及電鍍過程中產(chǎn)生的焦耳熱導致電阻率變化，電流密度在陰極表面分布較為復雜，造成鍍層分布的不均勻。因此，建立與實際情況相似的幾何模型，并通過數(shù)值模擬的方法來研究此種變化顯得尤為重要。對于相同的電鍍時間及鍍層金屬，鍍層厚度與電流密度成正比。因此，本文中將電流密度作為表征鍍層厚度的模擬量。

鍍層的不均勻性主要發(fā)生在陰極鋼板邊緣，由邊緣電場線的致密分布造成。改善電鍍均勻性的措施主要包括優(yōu)化陽極板結構［1］、添加輔助陰極［2］、引入絕緣擋板［3-5］等。本項目中，由于陽極板固定于立式鍍槽上，優(yōu)化結構不易實現(xiàn)；而添加輔助陰極會造成電力的浪費。因此，結合實際情況，擬采用絕緣擋板。對絕緣擋板的厚度、位置等參數(shù)設置一系列數(shù)值進行模擬，分析各參數(shù)對鍍層均勻性的改善效果。

2 參數(shù)設置及模型建立

2.1 絕緣擋板參數(shù)設置

模擬中絕緣擋板位于陰陽極板之間，但不同的位置參數(shù)對鍍層均勻性的改善效果不同。絕緣擋板的相關參數(shù)設置，如圖1所示。

圖1 絕緣擋板參數(shù)示意圖

圖1中：a為絕緣擋板邊緣與陽極板邊緣的距離；h為陽極板鍍液面與絕緣擋板中心面的距離；d為絕緣擋板的厚度。本文將分三組，分別對這三個參數(shù)設置不同的數(shù)值，在相同邊界條件下進行流體仿真［7］，得到鍍層均勻性隨各參數(shù)的變化情況，進而得到最優(yōu)解。

2.2 幾何模型的建立及網(wǎng)格劃分

本文采用1∶1的幾何模型模擬實際的電鍍參數(shù)。陽極板寬1 700mm，高1 000mm，厚5mm，材料為銅；陰極板寬1 700mm，厚5mm，為連續(xù)滾動的帶鋼，簡化模型設置高為1 000mm；陰陽極板間距為20mm，鍍液寬度2 000mm，高1 200mm；絕緣擋板在流體模型中設置為空白區(qū)域即可。在UG中建立3D分析模型，如圖2所示。

圖2 3D模型圖

將模型導入Ansys中進行網(wǎng)格劃分。由于各部分結構較規(guī)則，采用sweep網(wǎng)格，流體域（鍍液）插入邊界層；又由于電流密度在邊緣變化較劇烈，因此，邊緣部分網(wǎng)格劃分較密。網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 Ansys網(wǎng)格劃分示意圖

2.3 邊界條件及相關參數(shù)設置

本文中數(shù)值模擬的各參數(shù)與實際生產(chǎn)中的相同。其中陽極板電壓為24V，陰極板電壓為0V。鍍液采用速度入口，入口流速為5m／s；采用壓力出口，出口壓強為標準大氣壓。鍍液溫度為50℃。陽極板材料為銅，陰極板材料為鋼。各部分的電導率，如表1所示。

2.4 誤差分析

為量化均勻性改善效果，定義鍍層厚度的相對誤差E［4］為：

表1 相關材料的電導率

式中：Emax，Emin，Eave依次為最大、最小及平均電流密度。

3 仿真結果分析

實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)：鍍層邊緣在20mm范圍內(nèi)，鍍層厚度明顯增大。下文中將依次對參數(shù)a，h及d設置不同的數(shù)值，分析其對電流密度分布的改善效果，并找出最優(yōu)解。

3.1 參數(shù)a對鍍層均勻性的影響

首先對未加絕緣擋板的原始模型在Ansys中進行流體仿真，于陰極板寬度方向上取一水平線，得到電流密度在該水平線上的分布情況。均勻選取500個點，導出數(shù)據(jù)。再引入絕緣擋板，保持d＝2 mm及h＝10mm不變，依次設置a為0，3，5，8，10 mm。模擬后，于陰極板中部相同位置的水平線上得到電流密度分布數(shù)據(jù)，并在Matlab中作圖。結果表明：電流密度分布在陰極板寬度方向基本對稱，設置絕緣擋板后，電流密度分布有明顯改變。絕緣擋板邊緣與陽極板邊緣的距離a為0mm，3mm及5 mm時，最大電流密度明顯呈下降趨勢，同時最小電流密度也逐步降到60 000A／m2以下，但差距不大；當a為8mm及10mm時，絕緣擋板的影響過于顯著，邊緣電流密度開始低于平均值，并隨著a的增大呈遞減趨勢。具體電流密度及計算所得誤差，見表2。由表2可知：當a為3mm及5mm時，鍍層均勻性改善較好，誤差分別減至18.3%和20.0%。

3.2 參數(shù)h對鍍層均勻性的影響

根據(jù)以上分析結果，保持均勻性改善較好的參數(shù)d＝2mm及a＝3mm不變，同時依次設置h為4，8，10，12，16mm，進行仿真處理。結果表明：此時電流密度分布除關于鍍層寬度方向?qū)ΨQ外，還近似關于陰陽極板的中心面對稱。此外，絕緣擋板越靠近極板，均勻性改善效果越差；絕緣擋板位于陰陽極板中心面（即h＝10mm）時，相對均勻性較好。具體電流密度及誤差，見表3。

表2 d＝2mm，h＝10mm時的誤差分析結果

表3 d＝2mm，a＝3mm時的誤差分析結果

3.3 參數(shù)d對鍍層均勻性的影響

結合上面兩組仿真結果，取h＝10mm，a＝3 mm和5mm，同時依次設置d為2，4，6mm，進行仿真處理。分析可知：絕緣擋板厚度為4mm時的鍍層均勻性較厚度為2mm時的有了進一步的提高；但當絕緣擋板厚度繼續(xù)增加至6mm時，邊緣電流密度開始低于平均值，不利于均勻性的改善。具體電流密度及誤差，見表4。

表4 h＝10mm時的誤差分析結果

由上述三組模擬結果可知：當絕緣擋板厚度d為4mm，絕緣擋板邊緣與陽極板邊緣的距離a為3mm，陽極板鍍液面與絕緣擋板中心面的距離h為10mm時，電鍍均勻性改善較好，理論誤差為13.3%，比原來無絕緣擋板的有了很大改進，并且這一結果與實際電鍍結果相符合。

4 結論

（1）絕緣擋板邊緣與陽極板邊緣的距離和絕緣擋板厚度的數(shù)值選取要合適：取值較小時，改善效果不明顯；取值較大時，又會使鍍層邊緣電流密度低于平均值，起到反作用。

（2）絕緣擋板位于陽極板和陰極板中心面時，電流密度分布較均勻；反之，絕緣擋板越靠近陽極板或陰極板，改善效果越差。

（3）對本項目來說，d＝4mm，a＝3mm，h＝10 mm是理想的改進參數(shù)。

（4）用Ansys仿真能有效預測鍍層厚度的變化趨勢，可為實際生產(chǎn)和工藝優(yōu)化提供參考。

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