鎳電解始極片壓紋失敗的分析及工藝改進

張　彬，孫東明，涂　皓，童　切

(昆明理工大學 機電裝備集成開發(fā)研究所，云南 昆明 650504)

鎳電解始極片壓紋失敗的分析及工藝改進

張彬，孫東明，涂皓，童切

(昆明理工大學 機電裝備集成開發(fā)研究所，云南 昆明 650504)

摘要：鎳電解始極片的壓紋是濕法電解精煉鎳過程中一個十分重要的環(huán)節(jié)，壓紋效果的好壞直接決定整體生產(chǎn)效率的高低。根據(jù)長時間生產(chǎn)實踐的總結(jié)，介紹了鎳電解始極片在壓紋后平整度達不到要求的主要因素，并對該因素進行了分析，得到了參數(shù)化結(jié)論；依據(jù)該結(jié)論對鎳電解始極片壓紋工藝提出了改進建議，從而更好地提高了生產(chǎn)效率。

關鍵詞：鎳始極片；壓紋；失??；工藝改進

當今社會對鎳的需求量十分巨大，由于采用電解精煉鎳板方法生產(chǎn)率和產(chǎn)品純度高，被廣泛使用。鎳的電解精煉應先制作始極片，始極片平整度的好壞對保證最終電解產(chǎn)品的質(zhì)量起著至關重要的作用。目前，國內(nèi)大多數(shù)的鎳冶煉企業(yè)一般都采用在一塊體積大小相當?shù)拟伔N板上，先通過電解沉積的方式“涂”上1～2 mm厚的鎳層，再將它們剝離脫落；作為進一步電解的鎳種板，經(jīng)過粗矯和精矯裝置矯正后，應經(jīng)過輥壓壓紋工序，即利用壓紋輥壓出縱向的條紋，這一步可以在提高始極片種板表面平直度，消除內(nèi)應力的同時，增強其剛度；再釘上鎳片作為掛耳，便可以放到電解池中做進一步的電解生產(chǎn)了。而在工廠生產(chǎn)中，壓紋工序往往會使鎳始極片種板出現(xiàn)重新扭曲，甚至導致電解池內(nèi)出現(xiàn)短路等狀況，本文對出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因進行了分析，并加以改進[1-3]。

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* 2014年中國石油大學(華東)研究生自主創(chuàng)新基金項目(14CX06067A)

責任編輯鄭練

1壓紋后鎳始極片出現(xiàn)不平的原因分析

由于初步的電解過程非常復雜且難以控制，所以企業(yè)在生產(chǎn)過程中，所使用的始極片普遍存在缺陷，原因有如下幾點：1)由于輥子的結(jié)構(gòu)設計、制造和安裝存在誤差，導致下輥平行度達不到要求，微小的不平行就會導致整張鎳始極片種板產(chǎn)生較大的扭曲；2)任何一張種板的厚度分布在壓紋前都是不均勻的(見圖1，陰影區(qū)域的不同圖色代表不同的厚度)，且這種厚度分布一般無規(guī)律可言，這種現(xiàn)象對平整度影響最大；3)每兩張板的厚度也存在差異，故而單一尺寸的輥壓裝置并不適用。

圖1　鎳始極片不均勻的抽象模型

雖然所用輥壓裝置的滾輪尺寸和間距的設計，在理論上是可以使始極片種板的輥壓達到最優(yōu)效果的，但也只針對完全平整的始極片種板。由于新剝離出的始極片存在上述3種缺陷，在利用輥壓裝置進行壓紋處理時，整張始極片上的應力分布是不均勻的，且厚度大的區(qū)域還會把輥子墊高，使厚度較薄的地方在輥壓過程中變形不充分(見圖2)，一些厚度偏大的區(qū)域和厚度較小的區(qū)域并沒有被輥壓整形到，這必然導致輥壓過后的始極片依然存在厚薄不均，個別地方甚至產(chǎn)生新的彈性變形或彈性和塑性變形同時存在的不可控變化，使始極片產(chǎn)生卷曲等直接影響后期電解效果的隱患；同時，由于始極片種板的厚薄不均勻也極其容易導致輥壓機構(gòu)的上輥子傾斜(見圖3)，不僅影響本次輥壓的效果，而且改變了輥壓裝置的安裝公差，加大了加工誤差，影響后續(xù)每一次的輥壓。

圖2　厚薄分布無規(guī)律的始極片種板的輥壓狀況

圖3　厚薄不均勻的始極片種板在輥壓時使上輥子傾斜

由于在生產(chǎn)中存在上述問題，在壓筋工序結(jié)束后經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，很多鎳始極片種板的平整度和剛度依然達不到要求。在實際生產(chǎn)中往往需要采用人工多次拍打的方式進行矯平，既浪費人力、工時，增加成本，也極不適應自動化大生產(chǎn)的需求[4-5]。

2主要原因的參數(shù)化分析

本文采用數(shù)值形式描述厚薄不均勻的鎳始極片種板在輥壓時的影響效果，影響效果的因素如圖4所示。圖4中陰影部分表示輥子，中間空白區(qū)域表示始極片種板。

圖4　影響輥壓效果的因素

預設的壓紋深度為h，鎳始極片種板在壓紋后的實際厚度變化是t，故實際的壓紋深度可以表示為：A=h-t。當A值為正時，代表受壓部位的厚度小于平均值；當A值為負時，代表受壓部位的厚度大于平均值；當A為0時，代表受壓部位的厚薄與平均值相等。

同時，應引入?yún)?shù)值X作為影響系數(shù)，來評論始極片種板上的厚薄分布對壓紋效果的影響：X=t/h。當t值越大，而h值越小(即始極片種板的實際厚度變化越大，而預設的壓紋的深度越小)時，對壓紋效果的影響也就越明顯，所導致始極片種板的變化的不確定性也就越大，將對輥壓效果產(chǎn)生不利影響。

為了減輕這種不利影響，應將X值盡可能地減小，但是t和h值都受到具體生產(chǎn)條件的限制。t值無法控制；h值的大小除了受到輥子的生產(chǎn)、制造和安裝等一系列條件限制外，還與壓紋的工藝息息相關。

3工藝改進和裝置改進

根據(jù)生產(chǎn)試驗和其他相關研究結(jié)果[6-7]，改進工藝如下。

1)工藝1。依然采用單一方向的輥壓方式，但是將預設的壓紋深度增大一些(見圖5)，這樣h值就變大了，相對的，始極片種板上的厚薄不均的狀況對輥壓效果的影響將降低。圖5中H為輪廓厚度，S為板厚。實踐可知，壓紋的深度一般≤3 mm，最佳約為1 mm，且板筋壓的過深同樣會導致整塊板的扭曲變形，所以采用這種工藝有一定的限制。

圖5將預設壓筋深度加大

2)工藝2。保持和工藝1相同的輪廓厚度(H值不變)，且預設的壓紋深度同樣加大。向板面的上、下2個方向同時壓紋(見圖6)。b為壓紋寬度，F(xiàn)為間隔寬度，即未加工的區(qū)域。H=2t-S，始極片深度變化為t=(H+S)/2。

圖6　向始極片種板正反面同時壓筋

工藝2的壓紋方式適用于始極片種板雖有厚薄分布不均但整體平面度較好的現(xiàn)象，相當于將工藝1的壓紋深度分給了正、反2個筋，增大了強度的同時，由于板上有60%以上仍保持未加工的原始狀態(tài)，雖然加大了壓紋的深度，壓紋過后板的平整度依然可以得到很好保留。

3)工藝3。采用筋上壓筋的輥壓方式(見圖7)，通過多次相反方向輥壓，消除板上的應力集中現(xiàn)象，使90%以上的板面改變原始位置，使板的形狀不決定于原始狀態(tài)，最大限度地增加板的剛度與平整度。

圖7　筋上壓筋的輥壓方式

考慮改進矯平裝置的層面，可以從如下幾個方面改裝。

1)采用輥壓時，可以將輥子上不參與壓筋的部分的尺寸減小，使始極片種板可以和輥子的施壓部分充分接觸，最大限度減少始極片種板板厚的不均勻?qū)航畹挠绊憽?/p>

2)放棄輥壓，采取整體平壓的方式，上、下模板都是整張平板，但考慮到材料的特殊性，且后期電解時需要始極片種板的形狀不能發(fā)生太大變化，故而矯平時施加的壓力不宜太大；同時，板面較厚的部分會頂起壓模，致使薄的部分變形不充分，可以在下模板上加上橡膠板。

3)保持下模板是整塊模板不變，將上模板由整塊模板改為N塊小模板，這樣可以極大改善始極片厚薄不均勻?qū)航畹挠绊?。一般?guī)律是，N值越大，效果越好，但是無法將上模板的數(shù)目無限增加。

4結(jié)語

始極片上的厚薄分布不均勻是影響其壓紋效果的主要原因，壓紋失敗帶來的后果嚴重影響后期電解生產(chǎn)的效率。將壓紋工藝進行改進，適當加大壓深，以及向相反方向反復壓筋等，在提高板面平整度的同時，也提高了始極片的剛度，在提高生產(chǎn)效率的同時，也提高了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。

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責任編輯鄭練

Analysis and Process Improvement about the Failure of Emboss of the Starting Sheet of Nickel Electrolysis

ZHANG Bin, SUN Dongming, TU Hao, TONG Qie

(Institute of Mechanical and Electrical Equipment Integration and Development,

Kunming University of Science and Technology, Kunming 650504, China)

Abstract：The embossing of starting sheet of nickel is a very important procedure for the wet electrolytic refining of nickel, and the embossing effect determine the production efficiency directly. The main reason that the flat starting sheet of nickel electrolysis can’t meet the requirement after emboss is introduced according to the long time production practice summary. Analyze the main reason to get the parameterized conclusion. At last, put forward some suggestions about the process improvement of the emboss starting sheet of nickel electrolysis based on the conclusion, and improve the efficiency of production better.

Key words:the starting sheet of nickel, emboss, failure, process improvement

收稿日期：2015-04-07 2015-04-27

作者簡介：顏慶智(1962-)，男，教授，博士，主要從事工程可靠度、結(jié)構(gòu)工程等方面的研究。 張彬(1990-)，男，碩士研究生，主要從事機械制造及其自動化等方面的研究。

中圖分類號：TF 803

文獻標志碼:B