鋅電解搭接法接觸電壓降數值模擬

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出現陰陽極板導電頭接觸點溫度過高的情況,通過手工調整極板位置或者清潔導電頭,溫度有所降低;部分鋅廠為了降低接觸溫度在導電銅排中通入循環冷卻水,但沒從根源解決問題。文獻[1]指出,接觸電阻產生的根本原因是觸頭的實際表面不是理想平面,且總存在或多或少的各種污染,導致接觸時真正能夠傳導電流的區域只是遠遠小于導體宏觀重疊接觸面積的一個或多個微小的小面。電流通過這些導電斑點產生的收縮電阻和污染帶來的表面膜電阻組成了接觸電阻。雖然接觸電阻與陰陽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域溫度升高,電能部分轉化為熱能,損失了能量;另外,接觸區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條件的控制有著密切且復雜的關系,但主要因素是電流效率與槽電壓,其關系見公式(1)[2]:

式中W—電能單耗,kWht-1;

U—槽電壓,V;

q—電化當量,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、陽極泥電阻電壓降、陰陽極板電阻電壓降和陰陽極板接觸電壓降組成,因此,降低陰陽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:矩形導電頭與矩形導電銅排、凹梯形導電頭與凸梯形導電銅排、凸梯形導電頭與凹梯形導電銅排等搭接方式。第一種方式國內鋅冶煉廠比較普遍;第二種為美國某鋅廠所用搭接方式;第三種為比利時巴倫電鋅廠所用搭接方式。文獻[3]對上述幾種導電頭的優缺點進行了闡述,并指出在實際運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[4]對矩形導電頭與矩形導電銅排搭接方式進行靜力學分析,得出了實際接觸應力和接觸面積,但沒有直接分析出接觸電壓降的大小,不能有效為優化接觸結構降低接觸電阻提供定量依據。對于低壓或高壓強電流領域,觸頭的接觸壓力或膜間形成的強電場通常足以將表面膜壓碎或擊穿,故鋅電解陰、陽極板搭接接觸電阻主要考慮收縮電阻。本文所用的數值模擬方法基于文獻[5]則提出的一種基于有限元法的估計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構對接觸電壓的影響。

1 陰極板搭接方式接觸變形分析

本文以3.2 m2陰極板為研究對象,陰極板和沉積的鋅片重量按112 kg,電流密度按450 A/m2計算。為了減少仿真計算時間,僅建立陽極梁模型,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,并設置接觸邊界及約束條件,劃分網格。首先進行接觸結構力學分析得出陰極梁的變形、接觸壓力和實際接觸面積等數值,仿真計算結果如圖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

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

以上幾種搭接方式中,矩形導電頭與矩形導電銅排搭接方式為導電頭底面接觸;凹梯形導電頭與凸梯形導電銅排及凸梯形導電頭與凹梯形導電銅排搭接方式為導電頭側面接觸,總體來說,在導電頭寬度尺寸相同的條件下側面接觸的接觸電壓要小于底面接觸的接觸電壓。本文設計了一種底面和側面同時接觸的接觸結構,并對其接觸電壓進行分析如圖2(d)所示,另外,變化導電觸頭長度及導電觸頭內側距離,得到電勢也有差別。若鋅電解陰、陽極板搭接方式由圖2 中(a)變為(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)對槽電壓U微分得:

假設直流效率η=90.11%,同時把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)變為(d),則每電解沉積1 t 鋅可降低直流電耗2.7 kW·h。

3 結論

本文利用數值模擬方法對鋅電解陰極板不同搭接方式接觸電壓進行仿真分析,得出以下結論:

(1)目前鋅冶煉行業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:凸梯形導電頭與凹梯形導電銅排搭接方式(比利時巴倫電鋅廠)、凹梯形導電頭與凸梯形導電銅排搭接方式(美國某鋅廠)、矩形導電頭與矩形導電銅排搭接方式,這一結論與文獻[2]所述一致;

(2)矩形導電頭與矩形導電銅排搭接方式其接觸區域為導電頭底面一很小部分;凸梯形導電頭與凹梯形導電銅排搭接方式及凹梯形導電頭與凸梯形導電銅排搭接方式為導電頭側面接觸;導電觸頭接觸方式其接觸區域為底面一很小部分加側面部分區域。通過上述分析,矩形導電頭與矩形導電銅排搭接方式對降低接觸電壓降有很大局限性,為降低接觸電壓降宜優先采用側面接觸或底面、側面同時接觸的接觸方式;

(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,接觸電壓隨接觸壓力、接觸面積的增大而減小;

(4)使用本文所述的數值模擬方法可以有效計算陰陽極板電阻電壓降和接觸電壓降,為進一步優化陰陽極板電壓值和搭接結構,從而降低直流電耗提供可靠依據。