劉 肅,伍 偉

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠,江西貴溪 335424)

乙烯基酯樹脂混凝土銅電解槽的研制及應(yīng)用

劉 肅,伍 偉

(江西銅業(yè)集團(tuán)公司貴溪冶煉廠,江西貴溪 335424)

本文介紹了乙烯基酯樹脂混凝土銅電解槽研制過程中的樹脂選型、樹脂混凝土配方試驗(yàn)、電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作,通過這些工作研制出的乙烯基酯樹脂混凝土銅電解槽,具有耐腐蝕性能優(yōu)異、壁薄質(zhì)量輕、保溫絕緣、使用壽命長等特點(diǎn),并成功應(yīng)用于生產(chǎn)。

乙烯基酯樹脂;樹脂混凝土;玻璃鋼筋;銅電解槽

1 前言

電解槽是銅等金屬精煉工藝中的關(guān)鍵設(shè)備,玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土銅電解槽由美國國際防腐蝕技術(shù)公司(CTI)于20世紀(jì)90年代初開發(fā)成功,并開始應(yīng)用于電解銅生產(chǎn)工藝中,由于其耐腐蝕性能優(yōu)異,壁薄質(zhì)量輕,節(jié)省安裝空間,維修維護(hù)費(fèi)用低,使用壽命長,目前在全球得到普遍的應(yīng)用,并推廣到鋅、鎳等電解工藝中[1]。我國的乙烯基酯樹脂混凝土電解槽技術(shù)起步較晚,現(xiàn)有的各類銅、鋅、鎳電解槽、電積槽95%以上采用水泥混凝土內(nèi)襯玻璃鋼,由于玻璃鋼經(jīng)常被極板等撞壞,導(dǎo)致內(nèi)襯空鼓脫層滲漏,腐蝕水泥混凝土基體,每年維修量占總量的15%～20%左右(根據(jù)江銅貴溪冶煉廠的情況推算),給無泄漏治理及生產(chǎn)作業(yè)造成很大影響。特別是玻璃鋼內(nèi)襯維修中溫度高,粉塵大,給維修人員的身心健康帶來很大危害。目前,全國銅、鋅、鎳等的產(chǎn)能已超過380萬t、400萬t和25萬t,且近年產(chǎn)量呈不斷擴(kuò)張的態(tài)勢,各類電解槽、電積槽、電鍍槽的數(shù)量將超過60000臺,玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土電解槽的應(yīng)用有著非常好的前景。

2 樹脂的選型

樹脂是加工樹脂混凝土電解槽的關(guān)鍵原材料之一,乙烯基酯不飽和聚酯樹脂作為一種優(yōu)異的耐腐蝕樹脂,兼有環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯樹脂的特性,有著優(yōu)良的施工工藝性能,常用的乙烯基酯樹脂由于固化速度較快,固化后容易造成收縮,不能滿足加工樹脂混凝土電解槽的需要。但乙烯基酯不飽和聚酯樹脂可以通過改進(jìn)合成工藝等來改善分子結(jié)構(gòu)來滿足加工樹脂混凝土電解槽的需要。改性的乙烯基酯樹脂在保持其原有的耐腐蝕性能、耐熱性能、高機(jī)械強(qiáng)度等優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上可達(dá)到固化時(shí)間延長、固化放熱峰值降低,從而降低固化收縮率[2]。表1是改性乙烯基酯樹脂的性能。

表1 乙烯基酯樹脂性能表

3 樹脂混凝土配方試驗(yàn)

采用耐酸度大于95%的石英砂石粉作為樹脂混凝土骨料,骨料含水率必須小于0.5%,骨料取6～10mm石英石、0.5～4mm石英砂、500目石英粉[3],用常用的篩選配方的正交試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)了一組L9(34)三水平四因素水平表(見表1),取試塊抗壓強(qiáng)度作為評價(jià)指標(biāo),各組樹脂混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度見表2。

表2 正交試驗(yàn)L9(34)三水平四因素水平表

表3 正交試驗(yàn)各組樹脂混凝土試塊測試結(jié)果表

通過正交試驗(yàn)分析可得,乙烯基酯樹脂混凝土的最佳配合比為A1B2C2D3,,即樹脂與助劑的含量為11.5%,粉料含量為15%,砂率為45%,常溫養(yǎng)護(hù)16h后再進(jìn)行60℃處理8h,方案最佳。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對粉料和砂率進(jìn)行了適當(dāng)調(diào)整,粉料含量調(diào)為17%,砂率調(diào)為48%,制作試塊常溫養(yǎng)護(hù)16h后再進(jìn)行60℃處理8h,分別測試了抗壓強(qiáng)度,和浸泡于電解車間電解槽中30d后的抗壓強(qiáng)度測試。結(jié)果如表4所示。

表4 調(diào)整配合比后的抗壓強(qiáng)度和浸泡于電解車間電解槽中的抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量變化

由試驗(yàn)可以看出,調(diào)整后的樹脂混凝土抗壓強(qiáng)度更高,在現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)的電解液中浸泡30d后,表面狀況與浸泡前無異,質(zhì)量有細(xì)微增加,應(yīng)該是電解液沒法徹底擦干凈,烘箱內(nèi)干燥后產(chǎn)生結(jié)晶增重所致。如此高的抗壓強(qiáng)度和耐電解液腐蝕性能完全能滿足制作電解槽的需要。

4 電解槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

以江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠電解車間用傳統(tǒng)法電解槽為例,由于樹脂混凝土造價(jià)加高,為了盡可能地節(jié)約成本,電解槽采取了槽底等厚度的設(shè)計(jì)(見下圖),槽體底部及槽壁的拐角均設(shè)計(jì)成圓角,槽體壁厚80mm,槽底厚100mm,筋材為玻璃鋼筋,電解槽附件為粘接連接。槽體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為三層,接觸介質(zhì)層和外層為均設(shè)計(jì)成富樹脂玻璃鋼層,中間為樹脂混凝土層,富樹脂層的設(shè)計(jì)借鑒了耐蝕玻璃鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,這種結(jié)構(gòu)形式完全區(qū)別于美國CTI公司的全樹脂混凝土槽結(jié)構(gòu)。為了增強(qiáng)玻璃鋼層與樹脂混凝土的錨固強(qiáng)度,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還借鑒了“錨固型混凝土塑料襯里板(CPL)”的結(jié)構(gòu)形式,在玻璃鋼層上還設(shè)置了一定密度的玻璃鋼板作為錨固件。

圖1 樹脂混凝土槽示意圖

5 電解槽制作工藝流程

根據(jù)銅等金屬電解工藝的要求,電解槽槽面應(yīng)該具有很高的的平整度,以保證陰陽極板的垂直度,獲得高的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。為此樹脂混凝土電解槽制作加工采用槽體倒置的方法進(jìn)行加工,制作工藝流程為:裝配模具裝配平臺→裝配內(nèi)?！谱鞑蹆?nèi)玻璃鋼保護(hù)層→裝配預(yù)埋件等→扎鋼筋→制作槽外玻璃鋼保護(hù)層→裝配外模→澆筑樹脂混凝土→養(yǎng)護(hù)→脫?！鷻z驗(yàn)修整→堆存。

6 玻璃鋼筋配筋

以江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠電解車間用傳統(tǒng)法電解槽為例,設(shè)備內(nèi)所盛介質(zhì)溫度為65～70℃,為含硫酸180g/L左右及銅、砷、銻、鉍等離子的硫酸銅溶液,設(shè)備是外尺寸為5900× 1720×1330,內(nèi)尺寸為5760×1600/1400×1170的敞口槽式設(shè)備,設(shè)備自重約7t,設(shè)備所盛介質(zhì)約9t,設(shè)備上架設(shè)的銅陽極板、陰極板、導(dǎo)電板等約21.2t,電解槽支撐梁間距3900mm。玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土電解槽的配筋參考鋼筋混凝土電解槽的配筋進(jìn)行玻璃鋼筋的配筋設(shè)計(jì),并通過有限元分析建立計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行分析并較核強(qiáng)度。選用的玻璃鋼筋性能見表5。

表5 玻璃鋼筋性能表

7 電解槽的試制

根據(jù)樹脂選型、樹脂混凝土配方試驗(yàn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及玻璃鋼筋配筋設(shè)計(jì)的結(jié)果,先進(jìn)行單臺電解槽的生產(chǎn)試驗(yàn),以確定工業(yè)生產(chǎn)的生產(chǎn)工藝。單臺電解槽的生產(chǎn)試驗(yàn)中,設(shè)計(jì)加工了裝配內(nèi)外模的裝配平臺,平臺由于是通過機(jī)床加工而成的,尺寸精度及平整度都得到了保證。內(nèi)模模具設(shè)計(jì)成分片拼裝式的玻璃鋼模具,以方便拆裝。外模設(shè)計(jì)成整體式玻璃鋼模具,以減輕重量為了保證模具的強(qiáng)度,模具均設(shè)計(jì)了加強(qiáng)筋。內(nèi)外模具通過螺桿連接在裝配平臺上,如圖2所示。

圖2 模具裝配示意圖

澆注電解槽的樹脂混凝土配合比采用了樹脂混凝土配方試驗(yàn)中調(diào)整的配合比,即樹脂與助劑的含量為11.5%,粉料含量為17%,砂率為48%,樹脂凝膠時(shí)間控制為5～6h,由于常溫養(yǎng)護(hù)的樹脂混凝土試塊抗壓強(qiáng)度已接近甚至超過100MPa,因此試制過程中不考慮加熱養(yǎng)護(hù)處理。混凝土澆注過程中控制以下幾點(diǎn):

(1)樹脂混凝土必須密實(shí),電解槽的強(qiáng)度與其密實(shí)度密切相關(guān),而樹脂混凝土的密實(shí)度取決于振搗的效果。

(2)樹脂混凝土料澆注時(shí)要圍繞電解槽槽壁進(jìn)行,澆料要盡量均勻,由于樹脂混凝土流動性差,需要先用木條搗實(shí),再用附著式振動器振搗。

(3)振動器布置要均勻,樹脂混凝土澆注一定高度后才能開啟振動器。

(4)振動過程中要密切注意樹脂混凝土料的返漿情況。

樹脂混凝土澆搗完成后約4h固化,養(yǎng)護(hù)兩天后脫模。脫模后的電解槽見圖3,尺寸穩(wěn)定,內(nèi)外表面光滑。

圖3 玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土電解槽

8 產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)

產(chǎn)品脫模后先進(jìn)行外觀及尺寸檢驗(yàn),均符合設(shè)計(jì)要求,檢驗(yàn)結(jié)果見表6。

表6 樹脂混凝土電解槽外觀及尺寸檢驗(yàn)表

表7 樹脂混凝土電解槽盛水試漏及形變檢測表

常溫下養(yǎng)護(hù)48h后,進(jìn)行盛水試漏和槽體形變檢驗(yàn),檢驗(yàn)情況見表7。

最后在生產(chǎn)現(xiàn)場進(jìn)行了靜荷載強(qiáng)度及形變檢測,試驗(yàn)過程為:電解槽放置平穩(wěn)后,分別通過一側(cè)的標(biāo)桿在形變最大的兩個(gè)位置量取數(shù)據(jù),然后盛滿水并通過加入陽極銅(398kg/塊)逐漸增加荷載,陽極銅最終加載數(shù)量為128塊約50.9t,5d后在相同位置量取數(shù)據(jù),檢測情況見圖4及表8。

圖4 乙烯基酯樹脂混凝土電解槽靜荷載強(qiáng)度及形變檢測示意圖

表8 樹脂混凝土電解槽靜荷載強(qiáng)度及形變檢測表

通過以上檢驗(yàn)可以看出,試制的玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土電解槽各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,完全能滿足生產(chǎn)的需要。

根據(jù)單臺電解槽試制獲得的工藝參數(shù),對試制過程中存在的不足進(jìn)行了改進(jìn)。最后進(jìn)行了樹脂混凝土電解槽的小批量生產(chǎn),小批量生產(chǎn)的11臺乙烯基酯樹脂混凝土電解槽2008年9月安裝于江銅貴冶電解東擴(kuò)工程項(xiàng)目中,投入生產(chǎn)使用近2年,使用過程中尺寸穩(wěn)定,且電解槽內(nèi)壁光滑,槽底及槽壁拐角均為圓角,更便于陽極泥的沖洗。由于玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土電解槽密實(shí)抗?jié)B、防腐蝕結(jié)構(gòu)合理、且整體耐蝕,生產(chǎn)過程中不會因腐蝕原因造成停槽檢修。玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土電解槽槽壁薄,可以節(jié)省安裝空間,降低槽面導(dǎo)電板寬度,減少銅母線和進(jìn)液回液管長度,節(jié)省這方面的投資。玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土絕熱性好可以省去槽體外壁的保溫層。玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土絕緣為非導(dǎo)體材料,在銅電解生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生感應(yīng)電流而影響槽電流的穩(wěn)定,從而可以提高電解銅的質(zhì)量和電效。

9 小結(jié)

(1)需要合適的乙烯基酯樹脂加工樹脂混凝土電解槽,在加工樹脂混凝土電解槽過程中通過控制加入樹脂混凝土中的固化劑、促進(jìn)劑等助劑的量控制樹脂混凝土的固化時(shí)間,保證分批次澆搗的樹脂混凝土在4～6h內(nèi)能同時(shí)固化,避免了不同批次澆搗的樹脂混凝土分層,保證了電解槽的整體質(zhì)量。

(2)研制的乙烯基酯樹脂混凝土抗壓強(qiáng)度高,振搗工藝先進(jìn),保證了玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土電解槽的密實(shí)度和強(qiáng)度。

(3)研制的玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土電解槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎,由于采用了耐蝕玻璃鋼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,有效地提高了電解槽的防腐防滲性能,提高了電解槽的使用壽命。

(4)玻璃鋼筋增強(qiáng)乙烯基酯樹脂混凝土電解槽槽壁薄、絕熱、絕緣,可以節(jié)省廠房及附屬設(shè)備材料的投資,提高電解電效。

(5)玻璃鋼模具拆模過程易受到損傷,需采用整體鋼模來加工樹脂混凝土電解槽。

[1] 黃其興.解車間用聚合物混凝土作耐酸設(shè)備.有色冶煉,1999, 12.

[2] 沈偉,等.超低收縮乙烯基樹脂的應(yīng)用.玻璃鋼/復(fù)合材料, 2003-04.

[3] 朱宏軍,等.特種混凝土和新型混凝土.化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.

Manufacture and Application of Copper Electrolytic CellMade by Low Shirinkage Vinylester Resin Concrete

L IU Su,WU Wei

(JCC Guixi Smelter,Guixi,Jiangxi,China 335424)

This paper introducesmanyworks such as resin sampling,resin concrete formula testing,configuration designing of electrolytic cell etc.in the manufacture progress of vinylester resin copper electrolytic cell.The vinylester resin copper electrolytic cell was made through these works,it has a lot of characters including high anti-corrosion,thin wall,light,heat preservation,insulation、long service life etc.Iswas put into production successfully.

vinylester resin;resin concrete;FRP bar;copper electrolytic cell

TQ15

B

1009-3842(2010)04-0054-05

2010-10-26

劉肅(1968-),男,湖南汨羅人,高級工程師,現(xiàn)從事防腐材料及設(shè)備的開發(fā)研究工作,E-mail:llliusu@126.com