乙烯基酯樹脂混凝土銅電解槽的研制及應用

劉 肅,伍 偉

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠,江西貴溪 335424)

乙烯基酯樹脂混凝土銅電解槽的研制及應用

劉 肅,伍 偉

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠,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、電解槽結構設計等工作,通過這些工作研制出的乙烯基酯樹脂混凝土銅電解槽,具有耐腐蝕性能優異、壁薄質量輕、保溫絕緣、使用壽命長等特點,并成功應用于生產。

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鍵設備,玻璃鋼筋增強乙烯基酯樹脂混凝土銅電解槽由美國國際防腐蝕技術公司(CTI)于20世紀90年代初開發成功,并開始應用于電解銅生產工藝中,由于其耐腐蝕性能優異,壁薄質量輕,節省安裝空間,維修維護費用低,使用壽命長,目前在全球得到普遍的應用,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起步較晚,現有的各類銅、鋅、鎳電解槽、電積槽95%以上采用水泥混凝土內襯玻璃鋼,由于玻璃鋼經常被極板等撞壞,導致內襯空鼓脫層滲漏,腐蝕水泥混凝土基體,每年維修量占總量的15%～20%左右(根據江銅貴溪冶煉廠的情況推算),給無泄漏治理及生產作業造成很大影響。特別是玻璃鋼內襯維修中溫度高,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、鎳等的產能已超過380萬t、400萬t和25萬t,且近年產量呈不斷擴張的態勢,各類電解槽、電積槽、電鍍槽的數量將超過60000臺,玻璃鋼筋增強乙烯基酯樹脂混凝土電解槽的應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鍵原材料之一,乙烯基酯不飽和聚酯樹脂作為一種優異的耐腐蝕樹脂,兼有環氧樹脂和不飽和聚酯樹脂的特性,有著優良的施工工藝性能,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合成工藝等來改善分子結構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、高機械強度等優異性能的基礎上可達到固化時間延長、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

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方法設計了一組L9(34)三水平四因素水平表(見表1),取試塊抗壓強度作為評價指標,各組樹脂混凝土試塊的抗壓強度見表2。

表2 正交試驗L9(34)三水平四因素水平表

表3 正交試驗各組樹脂混凝土試塊測試結果表

通過正交試驗分析可得,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%,常溫養護16h后再進行60℃處理8h,方案最佳。

根據經驗,對粉料和砂率進行了適當調整,粉料含量調為17%,砂率調為48%,制作試塊常溫養護16h后再進行60℃處理8h,分別測試了抗壓強度,和浸泡于電解車間電解槽中30d后的抗壓強度測試。結果如表4所示。

表4 調整配合比后的抗壓強度和浸泡于電解車間電解槽中的抗壓強度和質量變化

由試驗可以看出,調整后的樹脂混凝土抗壓強度更高,在現場生產作業的電解液中浸泡30d后,表面狀況與浸泡前無異,質量有細微增加,應該是電解液沒法徹底擦干凈,烘箱內干燥后產生結晶增重所致。如此高的抗壓強度和耐電解液腐蝕性能完全能滿足制作電解槽的需要。

4 電解槽結構的設計

以江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠電解車間用傳統法電解槽為例,由于樹脂混凝土造價加高,為了盡可能地節約成本,電解槽采取了槽底等厚度的設計(見下圖),槽體底部及槽壁的拐角均設計成圓角,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。槽體結構設計為三層,接觸介質層和外層為均設計成富樹脂玻璃鋼層,中間為樹脂混凝土層,富樹脂層的設計借鑒了耐蝕玻璃鋼的結構設計方案,這種結構形式完全區別于美國CTI公司的全樹脂混凝土槽結構。為了增強玻璃鋼層與樹脂混凝土的錨固強度,結構設計中還借鑒了“錨固型混凝土塑料襯里板(CPL)”的結構形式,在玻璃鋼層上還設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

根據銅等金屬電解工藝的要求,電解槽槽面應該具有很高的的平整度,以保證陰陽極板的垂直度,獲得高的生產效率和產品質量。為此樹脂混凝土電解槽制作加工采用槽體倒置的方法進行加工,制作工藝流程為:裝配模具裝配平臺→裝配內模→制作槽內玻璃鋼保護層→裝配預埋件等→扎鋼筋→制作槽外玻璃鋼保護層→裝配外模→澆筑樹脂混凝土→養護→脫模→檢驗修整→堆存。

6 玻璃鋼筋配筋

以江西銅業股份有限公司貴溪冶煉廠電解車間用傳統法電解槽為例,設備內所盛介質溫度為65～70℃,為含硫酸180g/L左右及銅、砷、銻、鉍等離子的硫酸銅溶液,設備是外尺寸為5900× 1720×1330,內尺寸為5760×1600/1400×1170的敞口槽式設備,設備自重約7t,設備所盛介質約9t,設備上架設的銅陽極板、陰極板、導電板等約21.2t,電解槽支撐梁間距3900mm。玻璃鋼筋增強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行玻璃鋼筋的配筋設計,并通過有限元分析建立計算機模型進行分析并較核強度。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

根據樹脂選型、樹脂混凝土配方試驗、產品設計及玻璃鋼筋配筋設計的結果,先進行單臺電解槽的生產試驗,以確定工業生產的生產工藝。單臺電解槽的生產試驗中,設計加工了裝配內外模的裝配平臺,平臺由于是通過機床加工而成的,尺寸精度及平整度都得到了保證。內模模具設計成分片拼裝式的玻璃鋼模具,以方便拆裝。外模設計成整體式玻璃鋼模具,以減輕重量為了保證模具的強度,模具均設計了加強筋。內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中調整的配合比,即樹脂與助劑的含量為11.5%,粉料含量為17%,砂率為48%,樹脂凝膠時間控制為5～6h,由于常溫養護的樹脂混凝土試塊抗壓強度已接近甚至超過100MPa,因此試制過程中不考慮加熱養護處理。混凝土澆注過程中控制以下幾點:

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

(2)樹脂混凝土料澆注時要圍繞電解槽槽壁進行,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,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,養護兩天后脫模。脫模后的電解槽見圖3,尺寸穩定,內外表面光滑。

圖3 玻璃鋼筋增強乙烯基酯樹脂混凝土電解槽

8 產品質量檢驗

產品脫模后先進行外觀及尺寸檢驗,均符合設計要求,檢驗結果見表6。

表6 樹脂混凝土電解槽外觀及尺寸檢驗表

表7 樹脂混凝土電解槽盛水試漏及形變檢測表

常溫下養護48h后,進行盛水試漏和槽體形變檢驗,檢驗情況見表7。

最后在生產現場進行了靜荷載強度及形變檢測,試驗過程為:電解槽放置平穩后,分別通過一側的標桿在形變最大的兩個位置量取數據,然后盛滿水并通過加入陽極銅(398kg/塊)逐漸增加荷載,陽極銅最終加載數量為128塊約50.9t,5d后在相同位置量取數據,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度及形變檢測示意圖

表8 樹脂混凝土電解槽靜荷載強度及形變檢測表

通過以上檢驗可以看出,試制的玻璃鋼筋增強乙烯基酯樹脂混凝土電解槽各項指標均達到設計要求,完全能滿足生產的需要。

根據單臺電解槽試制獲得的工藝參數,對試制過程中存在的不足進行了改進。最后進行了樹脂混凝土電解槽的小批量生產,小批量生產的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工程項目中,投入生產使用近2年,使用過程中尺寸穩定,且電解槽內壁光滑,槽底及槽壁拐角均為圓角,更便于陽極泥的沖洗。由于玻璃鋼筋增強乙烯基酯樹脂混凝土電解槽密實抗滲、防腐蝕結構合理、且整體耐蝕,生產過程中不會因腐蝕原因造成停槽檢修。玻璃鋼筋增強乙烯基酯樹脂混凝土電解槽槽壁薄,可以節省安裝空間,降低槽面導電板寬度,減少銅母線和進液回液管長度,節省這方面的投資。玻璃鋼筋增強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。玻璃鋼筋增強乙烯基酯樹脂混凝土絕緣為非導體材料,在銅電解生產過程中不會產生感應電流而影響槽電流的穩定,從而可以提高電解銅的質量和電效。

9 小結

(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、促進劑等助劑的量控制樹脂混凝土的固化時間,保證分批次澆搗的樹脂混凝土在4～6h內能同時固化,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量。

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

(3)研制的玻璃鋼筋增強乙烯基酯樹脂混凝土電解槽結構設計新穎,由于采用了耐蝕玻璃鋼的結構設計方法,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)玻璃鋼筋增強乙烯基酯樹脂混凝土電解槽槽壁薄、絕熱、絕緣,可以節省廠房及附屬設備材料的投資,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備.有色冶煉,1999, 12.

[2] 沈偉,等.超低收縮乙烯基樹脂的應用.玻璃鋼/復合材料, 2003-04.

[3] 朱宏軍,等.特種混凝土和新型混凝土.化學工業出版社, 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,現從事防腐材料及設備的開發研究工作,E-mail:llliusu@126.com