蒋俊坤 董为民 张少鹤 罗劲松 相元杰 涂皓
（1．昆明理工大学机电工程学院机电装备集成开发研究所；2．云南铜业股份有限公司）
摘要 通过分析Cu电解过程中影响始极片悬垂度的主要因素，设计了一种在始极片正反两面压制连续的宽纹来提高其悬垂度的方法。利用Deform-3D软件建立了变厚度(0. 8～1.5 mm)始极片压纹整形的有限元模型，分析新设计的宽纹纹路是否有效，当悬垂度达到±5 mm，符合企业要求。在此基础上设计试验样机，随机选取26组始极片进行压纹整形试验，结果约70%的始极片悬垂度达到±5 mm的标准，与模拟结果相符合，能够满足生产需要。
关键词 Cu电解传统法；始极片悬垂度；Deform-3D
传统电解法精炼Cu生产工艺成熟可靠，在其生产过程中粗Cu板（阳极）和始极片（阴极）的悬垂度对阴极Cu质量的影响很大。较差的悬垂度会引起短路、阴极Cu表面长粒子和析出厚度不均匀等一系列问题。由于Cu始极片厚度较薄（1 mm左右），且厚薄不均匀，软硬程度不易控制，使悬垂度的控制有一定的难度，而有效提高Cu始极片悬垂度的方法还有待探索。
目前大多数Cu电解精炼使用反弯矫直理论指导始极片整形，但整形后的始极片悬垂度波动较大，质量不稳定。反弯矫直理论对于始极片厚度范围要求较高，一旦始极片的厚度参数有变化时其整形效果就会显著下降，需要重新调整设备参数，从而降低生产效率。因此，研究如何高效地提高始极片的悬垂度是提高阴极Cu质量的关键因素之一。
1 影响Cu始极片悬垂度的主要因素
Cu始极片加工工艺流程包括：电解，出槽剥离，输送储存，整形，挂耳上导电棒。始极片总体要求为：结晶致密、表面平滑无粒子，各处厚薄均匀，具有较高的悬垂度。
1.1弹性
电解槽内温度、电解液流速、Cu离子浓度和添加剂（骨胶、硫脲、盐酸等）的加入量都会影响始极片弹性。这些因素中，添加剂对其弹性影响最大。
1.2厚度
生产实践表明，厚的始极片比薄的始极片其整形效果更好，更易得到较好的悬垂度，所以始极片厚度由原来的0. 4～0.5 mm逐渐增加到0.8～1.O mm。始极片的最佳厚度为0.9 mm。
加工性能好的始极片应该是单张厚薄均匀和同一批始极片厚度差异小。单张始极片厚薄不均，通过反弯矫直机时，辊子对各部分压力不同，易产生碾压变形，导致瓢曲。同一批始极片厚度差异大，整形机组设定的参数难以适应始极片厚度的变化，从而不能保证整形效果。
1.3加工工艺
目前，大多数企业采用以反弯矫直机和轧纹机为主的反弯式整形装置。先矫平再压纹，一方面使已矫平的板再次出现应力分布不均，另一方面会使弯曲或卷曲变形得不到消除，使始极片容易发生变形。经过反弯辊式整形后其悬垂度效果不稳定，达不到±5 mm的要求。反弯辊式整形中轧纹是压制窄纹，其压纹越深悬垂度越好，但压纹过深，在其电解中易在纹路上长粒子，发生尖端放电现象，情况严重时会造成短路。
由于原反弯整形、轧制窄纹和整体整形的工艺存在不足，根据宽纹整形思路设计了一种宽纹纹路，在始极片正反两面逐渐地压制15条连续的宽纹，以提高其悬垂度、增加其刚度及减少纹路上长粒子的可能性。
图1为Cu始极片压纹整形示意图。压纹整形装置包括对辊1～3。通过对辊1在始极片正反两面压制出五条连续的宽纹，对辊2、对辊3分别在这5条宽纹中间各压制一条纹，共计15条纹路，压纹宽度为54mm，深度为1.4 mm。压纹过程中通过两次大变形（加工硬化）来提高其硬度，压制出多条连续的宽纹来提高其悬垂度。
2 Cu始极片压纹整形工艺的仿真研究
2.1 有限元模型的建立
采用四面体单元的网络划分方式，对Cu始极片划分网格数约为30万个。由于Deform-3D软件材料库中无Cu始极片材料数据，需先测试Cu始极片材料性能导入到软件中。根据对Cu始极片厚度、原始挠度测量结果的分析，建立Cu始极片仿真模型，从左至右厚度变化值为0. 8～1.5 mm，弯曲挠度为60 mm。Cu始极片几何尺寸和材料性能见表1，压纹整形机基本参数见表2。
2.2数值模拟结果与分析
计算完成后，利用Deform-3D post进行模拟后处理与数据分析，主要提取等效应力、等效应变和点坐标追踪数据来研究如何提高Cu始极片悬垂度。
2. 2.1 应力应变分析
图2为Cu始极片应力与应变分布云图。由图2a可看出整体应力分布均匀对称。横向上的应力分布比中间区域的应力分布更为紧密，说明了中间未压纹的部分也受到了两边压纹的拉伸作用。特别在中间原始弯曲弧顶位置应力分布已经串联在一起，说明此处的横向应力分布更加均匀。左侧整体应力分布较右侧小，这是由于从左至右始极片厚度不断增加，可见厚度分布对应力分布影响极大，厚度薄的地方由于塑性变形量较小，会造成较大的弹性回复从而会影响整形效果。由图2b可以看出，应变云图分布情况和应力云图分布大体相同，均匀对称，右侧较厚处等效应变分布较集中、紧密。
2.2.2悬垂度分析
图3为始极片压纹前后的悬垂度。可以看出，压纹后整形效果良好，悬垂度较压纹前大幅度提高。现沿着Cu始极片纵向方向选取5个测量点，测量其y轴坐标。图4为测量点坐标追踪图，左侧数据即为测量点的原始y轴坐标，最大值和最小值分别为159 mm和101 mm，与悬垂面161 mm的差值（悬垂度）为60 mm。图4右侧数据即为测量点压纹后y轴坐标，最大值和最小值分别为166 mm和156 mm，与悬垂面161 mm的差值（悬垂度）为5 mm，悬垂度质量较高，达到性能要求。
3 始极片压纹整形试验研究
对Cu始极片进行压纹整形试验，随机选取26个始极片进行试验，Cu始极片压纹前后悬垂度见图5。可以看出，试样原始悬垂度集中在45 mm左右，且都是正的，说明始极片原始悬垂度都是弯向一边，压纹过后悬垂度大幅度提升，大多集中在±5 mm之间，约占70%。未达标的几组数据其原始悬垂度大多集中在41～46 mm之间，约占20%，这部分始极片还需挑出进一步整形才可下槽电解；始极片原始悬垂度超过50mm的有6组，其中5组压纹后悬垂度都在±5 mm之间，说明原始悬垂度越大整形效果越好。
在宽纹纹路整形方式下，Cu始极片的悬垂度基本能达到企业要求±5 mm的标准，效果优于反弯辊式整形和整体压纹整形，满足实际生产需求。
4 结论
设计了一种宽纹纹路，在Cu始极片正反两面逐渐地压制出15条连续的宽纹来提高其悬垂度，利用De-form-3D塑性成形软件对Cu始极片整形过程进行数值分析，并且设计制造出试验样机进行试验研究，模拟结果和试验结果符合良好。宽纹纹路整形可以使Cu始极片的悬垂度基本达到±5 mm。
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