复合能场铸轧铅合金阳极板的流场数值模拟及电化学性能研究

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铅合金阳极板带连续铸轧方法不同于传统的铸锭-轧制工艺方法,它将连续铸造和轧制工艺连为一体直接制备出成品阳极板,具有流程短、成本低、成材率高等优点,同时在铸轧过程中施加电磁/超声复合能场旨在降低铅合金阳极板生产成本的前提下进一步提高阳极板的析氧活性及使用寿命。该技术对提高我国铅阳极板生产水平具有很大的促进作用。铸轧过程中铸嘴内铅合金熔体的流场分布情况是影响铸轧顺利进行及铅合金板性能的重要因素。本文使用大型有限元软件ANSYS建立了铅合金铸轧的铸嘴型腔模型,分析了铸嘴几何因素及复合能场对铅熔体流场的影响。在此基础上开展了铅合金铸轧实验,并对铅合金铸轧阳极板的电化学性能进行了分析。主要创新性研究工作有:系统分析了不同分流块形状、位置及铸嘴结构对铅熔体流动规律的影响,研究了不同能场对铸嘴内铅熔体流场分布的影响,定量阐明了不同能场强度对铅熔体流动状态,速度及铸嘴出口熔体流速分布及温度分布的影响。结果表明:铅合金铸轧适合使用流线形分流块,分流块距出口距离应在70mm左右。当电流强度每增加5A,超声波功率每增大100W时,铸嘴出口平均速度增加0.3-0.43mm/s,平均温度升高1-2℃。随着复合能场强度的增大,铸嘴出口速度不均匀度先减小后增大,当复合能场的电流强度控制在10-15A,超声波功率在200-300W时,最有利于改善铸嘴出口流场及温度场分布均匀性。系统研究了不同能场强度对铅阳极板电化学性能的影响,揭示了复合能场铸轧铅阳极板的电化学行为和特征。结果表明:施加复合能场后,铅阳极板的析氧电位可比未施加能场铸轧的铅阳极板降低35mV,腐蚀速率减小14.3%。随着能场强度的提高,析氧电位和腐蚀速率呈下降趋势。能谱及循环伏安特性分析证明,复合能场改善了阳极板中Ag元素的分布均匀性,增加了电催化活性点,这是复合能场提高铅阳极板电化学性能的主要原因。首次将复合能场铸轧铅合金阳极板应用于锌电积实验,分析其各项性能指标,结果表明:复合能场铸轧铅阳极板拥有更低的析氧电位和槽电压,电流效率更高,可降低锌电积能耗8%左右。同时阳极板的腐蚀速率更低,提高阳极板寿命9.8%。阴极锌含铅量更少,纯度更高。
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