锌电解搭接式阴极板接触的有限元分析

世家伟， 孙成余， 罗永光， 曲洪涛

(云南驰宏锌锗股份有限公司， 云南 曲靖 655011)

锌电解搭接式阴极板接触的有限元分析

世家伟， 孙成余， 罗永光， 曲洪涛

(云南驰宏锌锗股份有限公司， 云南 曲靖 655011)

基于有限元法对锌电解过程中搭接式阴极板与铜排作用面的接触进行分析，计算理想状态下阴极板与铜排的接触变形、接触间隙及接触应力，为评估接触电阻大小提供一种方法，同时为改善及优化接触面积提供依据。

锌电解； 搭接式阴极板； 接触面积； 接触应力

0 前言

锌电解过程中槽与槽之间导电连接方式有夹接式和搭接式，夹接式早期采用，国内一些采用手工剥锌的电锌厂仍沿用此方式。目前国内外大多数电锌厂均采用搭接式，以保障出装槽时吊板的安全, 实现机械化出装槽, 尤其是每槽装有52 块以上阴阳极板的大型槽[1]。锌电解使用含银1%左右的铅钙合金板作阳极，工业纯铝板作阴极，阴极板由压延铝板、铝梁、纯铜导电头构成。湿法炼锌中，锌的电解能耗占很大比重，采用搭接式极板，其导电头与铜排接触电阻直接关系着锌电解能耗。接触电阻大小与接触导体的材料特性、接触形式(点、线、面接触)、

接触应力、接触面积和温度等因素有关[2]。在其它参数一致的情况下，接触应力越大及接触面积越大，接触电阻越小。本文使用有限元软件对阴极板与铜排的接触面积和接触应力进行分析，以3.2 m2阴极板作为研究对象，首先建立阴极板三维模型并对各部分赋予材料特性，然后按实际情况设定接触类型并划分有限元网格，施加加速度载荷(重力载荷)和约束，最后进行有限元求解，为阴极板与铜排接触电阻分析提供一种方法。

1 阴极板形变

锌电解过程，阴极不断析出金属锌，阴极板重量逐渐增大。图1为阴极板受力变形云图。

图1 受力变形云图

图1(a)为电解初始时阴极板在自身重力作用下发生的变形，最大变形量为0.027 mm；图1(b)为电解完成后阴极板变形量增大，最大变形量为0.049 mm。可以看出，在重力作用下，压延铝板整体下移、铝梁发生弯曲变形，致使阴极板导电头左侧与铜排表面产生间隙，并且随着锌片重量的增大，此间隙逐渐增大。

2 接触面积

上一节分析得出阴极板在重力作用下的变形量，并得知阴极板导电头左侧与铜排存在间隙及随锌片重量增大的变化情况。但导电头与铜排接触面积大小未知，下面对导电头与铜排的接触情况进行分析。图2为导电头底面与铜排表面的接触间隙云图。

图2中最右端区域接触间隙为0，即为导电头与铜排的理想状态下(导电头底面与铜排上表面接触前平行、接触表面光滑)的接触面积。从图2(a)可以看出，接触面积约为W(宽)×(3/14)×L(长)(长度方向单元数为14，接触间隙为0的约占3个单元)，随着锌片重量的增大，此接触面积并未发生显著变化。

图2 接触间隙云图

3 接触应力

图3为导电头与铜排接触应力云图。从图3可以看出，导电头右侧边缘处接触应力最大，由于受阴极板铝梁变形的影响，接触应力由右向左逐渐减小至0。电解初始时，导电头右侧边缘处接触应力为3.32 MPa，向左约1.5个单元处接触应力减小为0；电解完成后，导电头右侧边缘处接触应力为6.64 MPa，向左约1.5个单元处接触应力减小为0。导电头实际承受应力的面积W×(1.5/14)×L，比接触间隙为0的面积W×(3/14)×L要小些。

图3 接触应力云图

4 结论

通过以上分析，得出以下结论：

(1)在锌电解过程中，搭接式阴极板导电头接触表面即使非常光滑且与铜排表面保证平行(铝梁未变形时)，但受重力作用，铝梁发生变形，致使导电头与铜排的接触面积远小于导电头底面面积；导电头与铜排接触间隙为0的面积约为W×(3/14)×L，且随着锌片重量的增大，此接触面积大小基本保持不变。

(2)阴极板导电头与铜排实际存在接触应力的面积约为W×(1.5/14)×L，大约是接触间隙为0的面积W×(3/14)×L的一半。导电头靠电解槽一侧的边缘处接触应力最大，并向另一侧逐渐减小至0，随着锌片重量的增大，上述边缘处的最大应力也随之增大，但存在接触应力的区域，大小基本保持不变。

(3)继续增大导电头铜块的长度尺寸并不能增大导电头与铜排的接触面积。

(4)为增大导电头与铜排的接触面积，可考虑采用导电头底面与侧面同时与铜排接触的形式。

[1] 谭见贤.锌电解搭接法电积能耗高的原因探讨及阴极导电头的改进研制[J].有色冶炼,1998(2)：33-36.

[2] 许军,李坤.电接触的接触电阻研究[J].电工材料,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

世家伟(1979—)，男，云南曲靖人，硕士研究生，机械工程师，主要从事机械设计及设备管理工作。

2016-10-12