基于有限元分析的电解铅阳极板板形优化

基于有限元分析的电解铅阳极板板形优化
杨光灿１ꎬ 周 雄２ꎬ 聂 磊２ꎬ 徐 坤２
(１������ 云南驰宏资源利用有限公司ꎬ 云南 曲靖 ６５５０１１ꎻ ２������ 重庆科技学院机械与动力工程学院ꎬ 重庆 沙坪坝 ４０１３３１)
[摘 要] 针对铅电解残阳极率高的问题ꎬ基于有限元分析进行优化设计ꎮ 以云南某公司引进的阳极 板为优化对象ꎬ通过有限元静力学分析ꎬ找出可减材的低应力区ꎬ在此基础上进行优化设计ꎬ削减非电解 区低应力处的材料ꎬ使残极质量减少 １������ ６８ ｋｇꎮ 通过仿真论证ꎬ优化后的阳极板强度和刚度与引进阳极 板一致ꎬ该阳极板在广西某公司使用ꎬ优化效果显著ꎮ [关键词] 铅电解ꎻ 阳极板ꎻ 有限元分析ꎻ 优化设计 [ 中图分类号] ＴＦ８１２ [ 文献标志码] Ｂ [ 文章编号] １６７２￣￣６１０３(２０１８)０４￣￣００５５￣￣０２
本文对云南某公司引进的阳极板进行受力分 析ꎬ并依据其受力云图对阳极板的形状和尺寸进行 优化ꎮ
１ 引进阳极板的静力学分析
对云南某公司引进的阳极板进行静力学分析ꎬ 找出可减材的应力富余区ꎮ 根据仿真要求ꎬ对其进 行受力仿真ꎮ 将极板的几何模型导入有限元软件 中ꎬ分配材料及网格划分ꎬ然后分别赋予铅材料属性 杨氏模量和泊松比ꎬ设置好结构静力边界条件ꎬ最后 求解并分析其受力云图ꎮ
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中 国 有 色 冶 金 Ａ 生产实践篇������设备及自动化
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云图分析结果:引进阳极板的应力分布ꎬ除吊耳 下侧形变处应力集中外ꎬ其余均为可削减材料的应 力富余区ꎮ
２ 阳极板优化分析
保持电解工艺不变ꎬ通过削减非电解区应力富 余处的材料ꎬ减少阳极板的原始质量ꎮ
在静力学分析中ꎬ通过云图找到了阳极板的应力 富余区ꎮ 在阳极板的非电解区域ꎬ除吊耳下侧形变区 域为应力集中区外ꎬ中部凹槽和吊耳上侧均为应力富 余区ꎬ基本不受力ꎮ 为进一步减轻铅板的残极质量ꎬ
表 １ 优化前后阳极板重量对比
３ 阳极板优化前后对比
依据优化分析ꎬ通过修改设计变量ꎬ得到体积减 小的模型ꎬ并在有限元中对比验证ꎮ 接下来对引进 阳极板和优化阳极板的形状尺寸、重量、静力学参数 进行比较ꎬ证明通过有限元分析设计的优化阳极板ꎬ 在完成形状和尺寸优化设计后ꎬ能有效减少阳极板 的残极质量ꎬ同时满足受力要求ꎮ ３������ １ 形状尺寸和重量对比
０ 前言
铅电解残极率高ꎬ资源浪费大ꎬ降低铅电解过程 中的残极率ꎬ 能 有 效 减 少 返 炉 重 熔 的 铅 量ꎬ 节 省 燃 料ꎬ达到绿色减排的效果ꎮ
随着计算机技术的发展ꎬ基于有限元分析优化 已在冶金行业设备制造和工艺设计中广泛运用ꎬ其 不仅 缩 短 了 产 品 研 发 周 期ꎬ 同 时 降 低 了 生 产 成 本[１ － ３] ꎮ
２０１８ 年 ８ 月第 ４ 期 杨光灿等: 基于有限元分析的电解铅阳极板板形优化
���பைடு நூலகம்��５５������
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不改变铅电解工艺ꎬ保持铅板的厚度、支撑位置不变ꎬ 电解液面到吊耳的距离不变ꎬ电铅的质量不变ꎬ以引 进阳极板的最大拉应力为状态变量ꎬ阳极板非电解区 应力富余的中部凹槽到电解液面的高度和吊耳上侧 形状尺寸为设计变量ꎬ进行优化设计ꎬ使阳极板体积 最小化ꎬ达到降低阳极板残极质量的目标ꎮ
为 ３８������ ２１７％ ꎬ 残 极 重 量 为 １２６������ ５８ ｋｇꎬ 电 铅 质 量 为 ２０４������ ６３ ｋｇꎮ 优化阳极板原始质量为 ３２９������ ５３ ｋｇꎬ在与 引进阳极板电铅相同的重量下ꎬ优化极板的残极重 量为 １２４������ ９０ ｋｇꎬ残极质量减少 １������ ６８ ｋｇꎬ残极率降低 ０������ ３１５％ ꎮ
铅为脆性材料ꎬ采用第一强度理论分析[４] ꎮ 图 １ 为引进阳极板经过有限元求解后的第一主应力 云图ꎮ
[ 作者简介] 杨光灿(１９７３—) ꎬ男ꎬ四川自贡人ꎬ硕士研究生ꎬ冶金高 级工程师ꎬ主要从事有色冶炼装备、生产技术、材料研究ꎮ [ 收稿日期] ２０１８￣￣０５￣￣１３
图 １ 引进阳极板第一主应力云图
从图层颜色分布可以看出ꎬ应力集中在吊耳下 侧形状变化区域ꎬ左侧吊耳下侧形状变化应力集中 区的危险点拉应力为 ９������ ９８ ＭＰａꎬ右侧吊耳下侧形状 变化应力集中区的危险点拉应力为 １１������ ５３ ＭＰａꎬ危 险点的拉应力均小于 铅 的 极 限 拉 伸 强 度 １８ ＭＰａꎮ 并且从图层分布可知ꎬ吊耳下侧形状变化区以外的 区域拉应力均小于 ２������ ３１ ＭＰａꎬ基本不受力ꎬ为应力 富余区ꎮ