乙烯基酯树脂混凝土铜电解槽的研制及应用

刘 肃,伍 伟

(江西铜业集团公司贵溪冶炼厂,江西贵溪 335424)

乙烯基酯树脂混凝土铜电解槽的研制及应用

刘 肃,伍 伟

(江西铜业集团公司贵溪冶炼厂,江西贵溪 335424)

本文介绍了乙烯基酯树脂混凝土铜电解槽研制过程中的树脂选型、树脂混凝土配方试验、电解槽结构设计等工作,通过这些工作研制出的乙烯基酯树脂混凝土铜电解槽,具有耐腐蚀性能优异、壁薄质量轻、保温绝缘、使用寿命长等特点,并成功应用于生产。

乙烯基酯树脂;树脂混凝土;玻璃钢筋;铜电解槽

1 前言

电解槽是铜等金属精炼工艺中的关键设备,玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土铜电解槽由美国国际防腐蚀技术公司(CTI)于20世纪90年代初开发成功,并开始应用于电解铜生产工艺中,由于其耐腐蚀性能优异,壁薄质量轻,节省安装空间,维修维护费用低,使用寿命长,目前在全球得到普遍的应用,并推广到锌、镍等电解工艺中[1]。我国的乙烯基酯树脂混凝土电解槽技术起步较晚,现有的各类铜、锌、镍电解槽、电积槽95%以上采用水泥混凝土内衬玻璃钢,由于玻璃钢经常被极板等撞坏,导致内衬空鼓脱层渗漏,腐蚀水泥混凝土基体,每年维修量占总量的15%～20%左右(根据江铜贵溪冶炼厂的情况推算),给无泄漏治理及生产作业造成很大影响。特别是玻璃钢内衬维修中温度高,粉尘大,给维修人员的身心健康带来很大危害。目前,全国铜、锌、镍等的产能已超过380万t、400万t和25万t,且近年产量呈不断扩张的态势,各类电解槽、电积槽、电镀槽的数量将超过60000台,玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土电解槽的应用有着非常好的前景。

2 树脂的选型

树脂是加工树脂混凝土电解槽的关键原材料之一,乙烯基酯不饱和聚酯树脂作为一种优异的耐腐蚀树脂,兼有环氧树脂和不饱和聚酯树脂的特性,有着优良的施工工艺性能,常用的乙烯基酯树脂由于固化速度较快,固化后容易造成收缩,不能满足加工树脂混凝土电解槽的需要。但乙烯基酯不饱和聚酯树脂可以通过改进合成工艺等来改善分子结构来满足加工树脂混凝土电解槽的需要。改性的乙烯基酯树脂在保持其原有的耐腐蚀性能、耐热性能、高机械强度等优异性能的基础上可达到固化时间延长、固化放热峰值降低,从而降低固化收缩率[2]。表1是改性乙烯基酯树脂的性能。

表1 乙烯基酯树脂性能表

3 树脂混凝土配方试验

采用耐酸度大于95%的石英砂石粉作为树脂混凝土骨料,骨料含水率必须小于0.5%,骨料取6～10mm石英石、0.5～4mm石英砂、500目石英粉[3],用常用的筛选配方的正交试验方法设计了一组L9(34)三水平四因素水平表(见表1),取试块抗压强度作为评价指标,各组树脂混凝土试块的抗压强度见表2。

表2 正交试验L9(34)三水平四因素水平表

表3 正交试验各组树脂混凝土试块测试结果表

通过正交试验分析可得,乙烯基酯树脂混凝土的最佳配合比为A1B2C2D3,,即树脂与助剂的含量为11.5%,粉料含量为15%,砂率为45%,常温养护16h后再进行60℃处理8h,方案最佳。

根据经验,对粉料和砂率进行了适当调整,粉料含量调为17%,砂率调为48%,制作试块常温养护16h后再进行60℃处理8h,分别测试了抗压强度,和浸泡于电解车间电解槽中30d后的抗压强度测试。结果如表4所示。

表4 调整配合比后的抗压强度和浸泡于电解车间电解槽中的抗压强度和质量变化

由试验可以看出,调整后的树脂混凝土抗压强度更高,在现场生产作业的电解液中浸泡30d后,表面状况与浸泡前无异,质量有细微增加,应该是电解液没法彻底擦干净,烘箱内干燥后产生结晶增重所致。如此高的抗压强度和耐电解液腐蚀性能完全能满足制作电解槽的需要。

4 电解槽结构的设计

以江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂电解车间用传统法电解槽为例,由于树脂混凝土造价加高,为了尽可能地节约成本,电解槽采取了槽底等厚度的设计(见下图),槽体底部及槽壁的拐角均设计成圆角,槽体壁厚80mm,槽底厚100mm,筋材为玻璃钢筋,电解槽附件为粘接连接。槽体结构设计为三层,接触介质层和外层为均设计成富树脂玻璃钢层,中间为树脂混凝土层,富树脂层的设计借鉴了耐蚀玻璃钢的结构设计方案,这种结构形式完全区别于美国CTI公司的全树脂混凝土槽结构。为了增强玻璃钢层与树脂混凝土的锚固强度,结构设计中还借鉴了“锚固型混凝土塑料衬里板(CPL)”的结构形式,在玻璃钢层上还设置了一定密度的玻璃钢板作为锚固件。

图1 树脂混凝土槽示意图

5 电解槽制作工艺流程

根据铜等金属电解工艺的要求,电解槽槽面应该具有很高的的平整度,以保证阴阳极板的垂直度,获得高的生产效率和产品质量。为此树脂混凝土电解槽制作加工采用槽体倒置的方法进行加工,制作工艺流程为:装配模具装配平台→装配内模→制作槽内玻璃钢保护层→装配预埋件等→扎钢筋→制作槽外玻璃钢保护层→装配外模→浇筑树脂混凝土→养护→脱模→检验修整→堆存。

6 玻璃钢筋配筋

以江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂电解车间用传统法电解槽为例,设备内所盛介质温度为65～70℃,为含硫酸180g/L左右及铜、砷、锑、铋等离子的硫酸铜溶液,设备是外尺寸为5900× 1720×1330,内尺寸为5760×1600/1400×1170的敞口槽式设备,设备自重约7t,设备所盛介质约9t,设备上架设的铜阳极板、阴极板、导电板等约21.2t,电解槽支撑梁间距3900mm。玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土电解槽的配筋参考钢筋混凝土电解槽的配筋进行玻璃钢筋的配筋设计,并通过有限元分析建立计算机模型进行分析并较核强度。选用的玻璃钢筋性能见表5。

表5 玻璃钢筋性能表

7 电解槽的试制

根据树脂选型、树脂混凝土配方试验、产品设计及玻璃钢筋配筋设计的结果,先进行单台电解槽的生产试验,以确定工业生产的生产工艺。单台电解槽的生产试验中,设计加工了装配内外模的装配平台,平台由于是通过机床加工而成的,尺寸精度及平整度都得到了保证。内模模具设计成分片拼装式的玻璃钢模具,以方便拆装。外模设计成整体式玻璃钢模具,以减轻重量为了保证模具的强度,模具均设计了加强筋。内外模具通过螺杆连接在装配平台上,如图2所示。

图2 模具装配示意图

浇注电解槽的树脂混凝土配合比采用了树脂混凝土配方试验中调整的配合比,即树脂与助剂的含量为11.5%,粉料含量为17%,砂率为48%,树脂凝胶时间控制为5～6h,由于常温养护的树脂混凝土试块抗压强度已接近甚至超过100MPa,因此试制过程中不考虑加热养护处理。混凝土浇注过程中控制以下几点:

(1)树脂混凝土必须密实,电解槽的强度与其密实度密切相关,而树脂混凝土的密实度取决于振捣的效果。

(2)树脂混凝土料浇注时要围绕电解槽槽壁进行,浇料要尽量均匀,由于树脂混凝土流动性差,需要先用木条捣实,再用附着式振动器振捣。

(3)振动器布置要均匀,树脂混凝土浇注一定高度后才能开启振动器。

(4)振动过程中要密切注意树脂混凝土料的返浆情况。

树脂混凝土浇捣完成后约4h固化,养护两天后脱模。脱模后的电解槽见图3,尺寸稳定,内外表面光滑。

图3 玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土电解槽

8 产品质量检验

产品脱模后先进行外观及尺寸检验,均符合设计要求,检验结果见表6。

表6 树脂混凝土电解槽外观及尺寸检验表

表7 树脂混凝土电解槽盛水试漏及形变检测表

常温下养护48h后,进行盛水试漏和槽体形变检验,检验情况见表7。

最后在生产现场进行了静荷载强度及形变检测,试验过程为:电解槽放置平稳后,分别通过一侧的标杆在形变最大的两个位置量取数据,然后盛满水并通过加入阳极铜(398kg/块)逐渐增加荷载,阳极铜最终加载数量为128块约50.9t,5d后在相同位置量取数据,检测情况见图4及表8。

图4 乙烯基酯树脂混凝土电解槽静荷载强度及形变检测示意图

表8 树脂混凝土电解槽静荷载强度及形变检测表

通过以上检验可以看出,试制的玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土电解槽各项指标均达到设计要求,完全能满足生产的需要。

根据单台电解槽试制获得的工艺参数,对试制过程中存在的不足进行了改进。最后进行了树脂混凝土电解槽的小批量生产,小批量生产的11台乙烯基酯树脂混凝土电解槽2008年9月安装于江铜贵冶电解东扩工程项目中,投入生产使用近2年,使用过程中尺寸稳定,且电解槽内壁光滑,槽底及槽壁拐角均为圆角,更便于阳极泥的冲洗。由于玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土电解槽密实抗渗、防腐蚀结构合理、且整体耐蚀,生产过程中不会因腐蚀原因造成停槽检修。玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土电解槽槽壁薄,可以节省安装空间,降低槽面导电板宽度,减少铜母线和进液回液管长度,节省这方面的投资。玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土绝热性好可以省去槽体外壁的保温层。玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土绝缘为非导体材料,在铜电解生产过程中不会产生感应电流而影响槽电流的稳定,从而可以提高电解铜的质量和电效。

9 小结

(1)需要合适的乙烯基酯树脂加工树脂混凝土电解槽,在加工树脂混凝土电解槽过程中通过控制加入树脂混凝土中的固化剂、促进剂等助剂的量控制树脂混凝土的固化时间,保证分批次浇捣的树脂混凝土在4～6h内能同时固化,避免了不同批次浇捣的树脂混凝土分层,保证了电解槽的整体质量。

(2)研制的乙烯基酯树脂混凝土抗压强度高,振捣工艺先进,保证了玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土电解槽的密实度和强度。

(3)研制的玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土电解槽结构设计新颖,由于采用了耐蚀玻璃钢的结构设计方法,有效地提高了电解槽的防腐防渗性能,提高了电解槽的使用寿命。

(4)玻璃钢筋增强乙烯基酯树脂混凝土电解槽槽壁薄、绝热、绝缘,可以节省厂房及附属设备材料的投资,提高电解电效。

(5)玻璃钢模具拆模过程易受到损伤,需采用整体钢模来加工树脂混凝土电解槽。

[1] 黄其兴.解车间用聚合物混凝土作耐酸设备.有色冶炼,1999, 12.

[2] 沈伟,等.超低收缩乙烯基树脂的应用.玻璃钢/复合材料, 2003-04.

[3] 朱宏军,等.特种混凝土和新型混凝土.化学工业出版社, 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

刘肃(1968-),男,湖南汨罗人,高级工程师,现从事防腐材料及设备的开发研究工作,E-mail:llliusu@126.com