立式連續電鍍槽中絕緣擋板對鍍層均勻性的改善作用分析

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代工業中。隨著我國汽車行業的發展，鍍鋅鋼板的需求量與日俱增，給整個電鍍行業帶來了新的發展機遇。但隨著生產的深入，一系列質量問題暴露了出來，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，根據某鋼鐵廠連續電鍍鋅的實際環境，按1∶1的尺寸建模，模擬連續電鍍環境中電流密度的分布情況。引入絕緣擋板，通過調整絕緣擋板的相關尺寸及位置參數，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，在一系列參數中找到最優解，并在實際生產中得到有效驗證。

1 基本原理

在實際生產中，由于電場線在邊緣分布較致密及電鍍過程中產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，優化結構不易實現；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、位置等參數設置一系列數值進行模擬，分析各參數對鍍層均勻性的改善效果。

2 參數設置及模型建立

2.1 絕緣擋板參數設置

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

圖1 絕緣擋板參數示意圖

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，分別對這三個參數設置不同的數值，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的變化情況，進而得到最優解。

2.2 幾何模型的建立及網格劃分

本文采用1∶1的幾何模型模擬實際的電鍍參數。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中進行網格劃分。由于各部分結構較規則，采用sweep網格，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，邊緣部分網格劃分較密。網格劃分，如圖3所示。

圖3 Ansys網格劃分示意圖

2.3 邊界條件及相關參數設置

本文中數值模擬的各參數與實際生產中的相同。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

實際生產中發現：鍍層邊緣在20mm范圍內，鍍層厚度明顯增大。下文中將依次對參數a，h及d設置不同的數值，分析其對電流密度分布的改善效果，并找出最優解。

3.1 參數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，導出數據。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據，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h對鍍層均勻性的影響

根據以上分析結果，保持均勻性改善較好的參數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對稱外，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。

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

［1］楊建明.電沉積分布均勻性改善技術的研究進展［J］.材料保護，2010，43（4）：38-42.

［2］OKUBO T，KODERA T，KONDO K.Patterned copper plating layer thickness made uniform by placement of auxiliary grid electrode about ball grid arrays［J］.Chemical Engineering Communications，2006，193（12）：1 503-1 513.

［3］LEE J M，JOHN T，WEST A C，etal.Improvement of current distribution uniformity on substrates for microelectromechanical systems［J］.Journal of Micro／Nanolithography，MEMS，and MOEMS，2004，3（1）：146-151.

［4］董久超，王磊，湯俊，等.電鍍層均勻性的Ansys模擬與優化［J］.新技術新工藝，2008（11）：114-117.

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［7］李兵，何正嘉，陳雪峰.Ansys Workbench設計、仿真與優化［M］.北京：清華大學出版社，2011.