電鍍工藝的最優(yōu)化設(shè)計

1、電鍍工藝的最優(yōu)化設(shè)計 從當今金屬價格動態(tài)上可以看出,金屬都可以用珍貴來形容。因此，像PEM這樣的電鍍公司都在尋求減少 電鍍過程中金屬用量的辦法。通過COMSOL Multiphysics的學習和使用，PEM工程師取得了重要的進展， 成功地把電解過程中金屬用量降低了 10%30%。卷軸組件PEM公司主要涉及表面的處理和修整，特長是卷對卷電鍍，2007年的銷售額將近有2千萬歐元?？梢詾榭?戶提供從幾百到幾千米長的卷軸，卷帶上通過電鍍上一系列連續(xù)的金屬鍍層。在工廠加工過程中，首先展 開卷軸上的卷帶或者傳送帶，然后卷帶經(jīng)過一些列精密的加工過程，包括清洗、電鍍、沖洗三個階段。加 工過程的速度一般在120

2、m/min （圖1）。圖1工廠中卷到卷的電鍍裝置。實心卷軸或者異形金屬板通過電解池，根據(jù)電流的分布以及防護罩的安置位置來控制金屬在卷帶的表面沉積。在金屬電鍍過程中，卷帶要通過一個反應(yīng)池，反應(yīng)池中有源源不斷的電解液補充進來。卷帶連接在電源一 端充當陰極，與電鍍池中電解液一起構(gòu)成完整的電路回路。要獲得均勻的電鍍層相對來說是很困難的。因為卷帶（陰極）是豎立著陽極位于它的兩側(cè)，電勢場的分布 沿卷帶一側(cè)上升，卷帶頂部形成環(huán)路，從卷帶另一側(cè)下降。電流密度沿著法向梯度方向集中分布在切向梯 度方向（圖2）。這就常說的邊緣效應(yīng)。200,02 0.04 0.06 0.08 0A 0.12 0,14 046 0.1

3、S 0.2Arc-length (m)圖2卷帶兩側(cè)電鍍層厚度的對比。藍色曲線是沒有防護罩時卷帶表面金屬鍍層的厚度。使用了防護罩消除了邊緣效應(yīng)后，如圖中紅色曲線所金屬鍍層厚度和均勻性都有了提高。為了防止邊緣效應(yīng)，PEM公司設(shè)計了絕緣的防護罩，卷帶通過電鍍池的同時穿過防護罩。由于防護罩是絕 緣材料，所以不會對電鍍池產(chǎn)生影響，防護罩的設(shè)計使得電勢線必須沿著平行卷帶寬的方向，以及卷帶表 面的梯度方向。圖2中紅色曲線展示了增加了防護罩之后的鍍層改變。沒有藍本的防護罩設(shè)計防護罩的形狀與卷軸上的組件形狀、電鍍材料以及鍍層厚度、電解液濃度、卷帶傳輸速度密切有關(guān)。實驗 上開發(fā)防護罩需要制作許多樣式的樣本，并且要

4、耗費大量的時間進行測試甄別。所以PEM利用COMSOL Multiphysics軟件幫助他們更好的理解現(xiàn)象內(nèi)潛在的機理，從而為不同的電鍍過程設(shè)計合適的防護罩。多物理場模型考慮了多種效應(yīng)：電流的傳導(dǎo)介質(zhì)、電解液斯托克斯流動、電動流模擬質(zhì)量輸運過程。PEM 公司的研究人員利用COMSOL Multiphysics中的化工模塊來處理這些問題。節(jié)省大量的材料PEM公司成功的設(shè)計了防護罩，解決了大部分產(chǎn)品電鍍過程中的問題。他們下一步的目標是利用COMSOL Multiphysics研究極限電流效應(yīng)并設(shè)計在陰極表面具有很高流速的電鍍池，進而提高電鍍過程的生產(chǎn)效率。 如果能夠更好的實現(xiàn)金屬離子的補充，就可以

5、提高電流密度和生產(chǎn)效率(圖3)。k fipton,PhjpM，Mth W* gortprccoyn Mj/tphysiCJ *lp電 甘；4 莊 44 = 9RQE/女、J 必知 3QaG?5 ?Geonf 3KOTKM Gow：SC53 GCod .補 vi8 (BP 收瑚 切， G 5HSv4JB HP (i DecvriSs 5 i- rn* ft Coid Gec2Mt；f ：C.R 4-3. 4 2T3-.3 -4 53*3：Nm ：5J，| s)圖3為了理解幾何效應(yīng)、流體流動以及防護罩位置對電鍍過程的影響，PEM公司工程師創(chuàng)建了這個仿真模型。上圖展示了防護罩接觸范圍內(nèi)金沉積的情況。

6、在接觸最高點金的沉積量最多，在防護罩彎曲的圓形區(qū)域地方金的沉積量最少。下圖是上圖彎曲區(qū)域的局部放大圖，二維圖像揭示了在金沉積最少區(qū)域電解液流動情況，以及沉積金離子的濃度。這個區(qū)域內(nèi)是不良反應(yīng)可能出現(xiàn)的區(qū)域。此外，電勢必須處處相等，這樣就不會出現(xiàn)諸如電解液電解產(chǎn)生氫氣等局部不良反應(yīng)，從而避免金屬沉積 空白區(qū)域或者卷帶燒傷”的出現(xiàn)。因此在盡可能提高電鍍過程的同時也要避免整個鍍層表面極限電流的出 現(xiàn)。電鍍池的尺寸、以及電解液注入中斷引起的卷帶擺動，是模型建立時面臨的主要問題。精確的模擬結(jié) 果將會成為影響未來反應(yīng)裝置設(shè)計的主要因素之一。對于PEM公司的工程師來說，模擬仿真只是工作的一部分。對于沒有真正

7、的數(shù)學模擬經(jīng)歷的人來說，初始 的問題不在于COMSOL Multiphsics的學習，因為軟非常容易學習，技術(shù)支持也非常有效率。而真正的問題 在于潛在物理原理的把握。然而COMSOL Multiphsics能夠幫助快速直觀的理解物理原理。不必是模擬仿真 的專家，只要擁有足夠的求知欲和積極性，在COMSOL Multiphysics的幫助下就能取得成功。COMSOL在中國，中仿科技公司(CnTechCo.,Ltd)憑借個性化的解決方案、成熟的CAE產(chǎn)品線、專業(yè)的市場 推廣能力以及強有力的技術(shù)支持服務(wù)贏得了國內(nèi)眾多科研院所以及企業(yè)的一致認可，目前國內(nèi)幾乎所有知 名大學以及中國科學院下屬各研究所都已

8、選擇使用COMSOL Multiphysics作為其科研分析的CAE主要工具。 隨著中仿科技公司(CnTechCo.,Ltd)在全國各地的分公司、CAE技術(shù)聯(lián)合中心、CAE培訓中心的成立，為廣 大客戶提供更專業(yè)、更周到的本地化技術(shù)服務(wù)，眾多企業(yè)也紛紛選用COMSOL Multiphysics作為企業(yè)的分 析工具，應(yīng)用全球最先進制造技術(shù)，最終增強企業(yè)的核心競爭力，保證了企業(yè)持續(xù)發(fā)展。關(guān)于COMSOL Multiphysics和開發(fā)團隊COMSOL Multiphysics是一款業(yè)界領(lǐng)先的科學仿真軟件，主要是利用偏微分方程來對系統(tǒng)建模和仿真。它 的特別之處在于它的多物理場耦合處理問題的能力。從事專業(yè)科學研究的科研人員也可以開發(fā)具有專業(yè)用 戶界面和方程設(shè)置的附加模塊；現(xiàn)在已經(jīng)有的模塊有化工、地球科學、電磁場、熱傳導(dǎo)、微機電系統(tǒng)、結(jié) 構(gòu)力學等模塊。軟件可以在多種操作系統(tǒng)上使用，包括Windows、Linux、Solaris、HP-UX等系統(tǒng)。其他可 選軟件包有CAD輸入模塊、以及COMSOL化