世家偉,段正華,楊大錦,馬雁鴻,李衍林

(云南馳宏鋅鍺股份有限公司,云南 曲靖 655011)

在鋅濕法冶煉廠鋅電解沉積中會(huì)出現(xiàn)陰陽(yáng)極板導(dǎo)電頭接觸點(diǎn)溫度過(guò)高的情況,通過(guò)手工調(diào)整極板位置或者清潔導(dǎo)電頭,溫度有所降低;部分鋅廠為了降低接觸溫度在導(dǎo)電銅排中通入循環(huán)冷卻水,但沒(méi)從根源解決問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]指出,接觸電阻產(chǎn)生的根本原因是觸頭的實(shí)際表面不是理想平面,且總存在或多或少的各種污染,導(dǎo)致接觸時(shí)真正能夠傳導(dǎo)電流的區(qū)域只是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于導(dǎo)體宏觀重疊接觸面積的一個(gè)或多個(gè)微小的小面。電流通過(guò)這些導(dǎo)電斑點(diǎn)產(chǎn)生的收縮電阻和污染帶來(lái)的表面膜電阻組成了接觸電阻。雖然接觸電阻與陰陽(yáng)極板回路總電阻相比非常小,但接觸電阻引起的觸頭局部區(qū)域溫度升高,電能部分轉(zhuǎn)化為熱能,損失了能量;另外,接觸區(qū)域金屬材料溫度升高,使其電阻率增大,因此這些都增加了直流電耗。鋅電解直流電單耗與電解工藝技術(shù)條件的控制有著密切且復(fù)雜的關(guān)系,但主要因素是電流效率與槽電壓,其關(guān)系見(jiàn)公式(1)[2]:

式中W—電能單耗,kWht-1;

U—槽電壓,V;

q—電化當(dāng)量,1.219 5 g/(A·h);

η—電流效率,%。

由公式(1)可知,降低槽電壓可以降低鋅電解電能單耗,而槽電壓由硫酸鋅分解電壓、電解液電阻電壓降、陽(yáng)極泥電阻電壓降、陰陽(yáng)極板電阻電壓降和陰陽(yáng)極板接觸電壓降組成,因此,降低陰陽(yáng)極板接觸電壓降能有效降低直流電耗。

目前,鋅電解極板搭接方式有:矩形導(dǎo)電頭與矩形導(dǎo)電銅排、凹梯形導(dǎo)電頭與凸梯形導(dǎo)電銅排、凸梯形導(dǎo)電頭與凹梯形導(dǎo)電銅排等搭接方式。第一種方式國(guó)內(nèi)鋅冶煉廠比較普遍;第二種為美國(guó)某鋅廠所用搭接方式;第三種為比利時(shí)巴倫電鋅廠所用搭接方式。文獻(xiàn)[3]對(duì)上述幾種導(dǎo)電頭的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述,并指出在實(shí)際運(yùn)用中第三種搭接方式接觸電壓降最小,第二種搭接方式次之。文獻(xiàn)[4]對(duì)矩形導(dǎo)電頭與矩形導(dǎo)電銅排搭接方式進(jìn)行靜力學(xué)分析,得出了實(shí)際接觸應(yīng)力和接觸面積,但沒(méi)有直接分析出接觸電壓降的大小,不能有效為優(yōu)化接觸結(jié)構(gòu)降低接觸電阻提供定量依據(jù)。對(duì)于低壓或高壓強(qiáng)電流領(lǐng)域,觸頭的接觸壓力或膜間形成的強(qiáng)電場(chǎng)通常足以將表面膜壓碎或擊穿,故鋅電解陰、陽(yáng)極板搭接接觸電阻主要考慮收縮電阻。本文所用的數(shù)值模擬方法基于文獻(xiàn)[5]則提出的一種基于有限元法的估計(jì)兩種金屬粗糙表面電接觸收縮電阻的模型,利用該模型研究了鋅電解各種搭接方式和結(jié)構(gòu)對(duì)接觸電壓的影響。

1 陰極板搭接方式接觸變形分析

本文以3.2 m2陰極板為研究對(duì)象,陰極板和沉積的鋅片重量按112 kg,電流密度按450 A/m2計(jì)算。為了減少仿真計(jì)算時(shí)間,僅建立陽(yáng)極梁模型,考慮到極板及鋅片重量在陰極梁下端面施加一向下1 097.6 N 的力,并設(shè)置接觸邊界及約束條件,劃分網(wǎng)格。首先進(jìn)行接觸結(jié)構(gòu)力學(xué)分析得出陰極梁的變形、接觸壓力和實(shí)際接觸面積等數(shù)值,仿真計(jì)算結(jié)果如圖1 所示,兩種搭接方式,陰極梁在重力作用下變形基本一樣,但接觸面積和接觸壓力相差較大。

圖1 陰極梁變形量和接觸壓力

2 陰極板搭接方式接觸電壓分析

上一步結(jié)構(gòu)力學(xué)分析得出了接觸面積和接觸壓力等數(shù)據(jù),在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行熱電耦合分析,將導(dǎo)電銅排一端施加電流載荷1 440 A,陰極梁下端面假設(shè)為零電位,同時(shí)設(shè)置該下端面溫度為35℃(電解液溫度),并在接觸部位設(shè)置電接觸和熱接觸邊界條件,其余部位設(shè)置熱對(duì)流傳熱條件,上述三種搭接方式的電勢(shì)和溫度仿真計(jì)算結(jié)果如圖2a、圖2b、圖2c 所示,計(jì)算得出的電壓值包括兩部分:陰極梁和導(dǎo)電銅排本身電阻電壓降;陰極梁和導(dǎo)電銅排的接觸電壓降。其中,前者數(shù)值可近似認(rèn)為是相等的,總的電勢(shì)不同是接觸電壓降不同所導(dǎo)致,圖2b、圖2c 兩種搭接方式中,梯形底角不同,計(jì)算出的電壓值也有差別。

以上幾種搭接方式中,矩形導(dǎo)電頭與矩形導(dǎo)電銅排搭接方式為導(dǎo)電頭底面接觸;凹梯形導(dǎo)電頭與凸梯形導(dǎo)電銅排及凸梯形導(dǎo)電頭與凹梯形導(dǎo)電銅排搭接方式為導(dǎo)電頭側(cè)面接觸,總體來(lái)說(shuō),在導(dǎo)電頭寬度尺寸相同的條件下側(cè)面接觸的接觸電壓要小于底面接觸的接觸電壓。本文設(shè)計(jì)了一種底面和側(cè)面同時(shí)接觸的接觸結(jié)構(gòu),并對(duì)其接觸電壓進(jìn)行分析如圖2(d)所示,另外,變化導(dǎo)電觸頭長(zhǎng)度及導(dǎo)電觸頭內(nèi)側(cè)距離,得到電勢(shì)也有差別。若鋅電解陰、陽(yáng)極板搭接方式由圖2 中(a)變?yōu)?d),則槽電壓差值為:

圖2 不同搭接方式的電壓和溫度分布

ΔU=(14.2-12.7)×2=3 mV

公式(1)對(duì)槽電壓U微分得:

假設(shè)直流效率η=90.11%,同時(shí)把ΔU代入(2)得:

ΔW=3×10-3×(0.901 1×1.219 5)-1×1 000=2.7(kW·h/t)

即鋅電解搭接方式圖2 中(a)變?yōu)?d),則每電解沉積1 t 鋅可降低直流電耗2.7 kW·h。

3 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬方法對(duì)鋅電解陰極板不同搭接方式接觸電壓進(jìn)行仿真分析,得出以下結(jié)論:

(1)目前鋅冶煉行業(yè)中用到的三種主要搭接方式,其接觸電壓降由小到大依次是:凸梯形導(dǎo)電頭與凹梯形導(dǎo)電銅排搭接方式(比利時(shí)巴倫電鋅廠)、凹梯形導(dǎo)電頭與凸梯形導(dǎo)電銅排搭接方式(美國(guó)某鋅廠)、矩形導(dǎo)電頭與矩形導(dǎo)電銅排搭接方式,這一結(jié)論與文獻(xiàn)[2]所述一致;

(2)矩形導(dǎo)電頭與矩形導(dǎo)電銅排搭接方式其接觸區(qū)域?yàn)閷?dǎo)電頭底面一很小部分;凸梯形導(dǎo)電頭與凹梯形導(dǎo)電銅排搭接方式及凹梯形導(dǎo)電頭與凸梯形導(dǎo)電銅排搭接方式為導(dǎo)電頭側(cè)面接觸;導(dǎo)電觸頭接觸方式其接觸區(qū)域?yàn)榈酌嬉缓苄〔糠旨觽?cè)面部分區(qū)域。通過(guò)上述分析,矩形導(dǎo)電頭與矩形導(dǎo)電銅排搭接方式對(duì)降低接觸電壓降有很大局限性,為降低接觸電壓降宜優(yōu)先采用側(cè)面接觸或底面、側(cè)面同時(shí)接觸的接觸方式;

(3)同種接觸方式接觸電壓降與接觸壓力、接觸面積、接觸表面粗糙度等因素有關(guān),接觸電壓隨接觸壓力、接觸面積的增大而減小;

(4)使用本文所述的數(shù)值模擬方法可以有效計(jì)算陰陽(yáng)極板電阻電壓降和接觸電壓降,為進(jìn)一步優(yōu)化陰陽(yáng)極板電壓值和搭接結(jié)構(gòu),從而降低直流電耗提供可靠依據(jù)。