摘要：本文介紹了本廠開發(fā)使用各種電解槽的過程，介紹了全耐腐結(jié)構(gòu)的整體呋喃樹脂混凝土電解槽的性能、特點(diǎn)。
主題詞：全耐腐結(jié)構(gòu) 呋喃樹脂混凝土 整體電解槽
1 電解槽的發(fā)展
我廠從 年建廠至今，已形成電解銅年生產(chǎn)能力20萬噸，有各種規(guī)格電解槽1千多只，從最早使用的復(fù)合型槽體：混凝土襯鉛槽、混凝土襯玻璃鋼槽發(fā)展到了現(xiàn)在的整體型槽體：呋喃樹脂混凝土電解槽。
復(fù)合型電解槽由防腐層和結(jié)構(gòu)層構(gòu)成，外層是承受荷載的結(jié)構(gòu)層，里層是防止電解液腐蝕的防腐層，現(xiàn)主要是襯玻璃鋼的電解槽。這種復(fù)合型電解槽在使用時(shí)，由于經(jīng)常發(fā)生陽極板吊裝時(shí)碰傷防腐層，電解過程中殘極砸傷防腐層，陰極板吊耳斷裂割傷防腐層，以及玻璃鋼自身的老化，致使防腐層破壞。防腐層破壞后，電解液會(huì)沿破損處滲入，腐蝕和溶解水泥混凝土槽體，造成電解液泄漏，電解槽經(jīng)常需要維修更換，每年還需停產(chǎn)檢修。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，襯玻璃鋼電解槽平均3年就需維修，平均壽命在5年左右?；炷敛垠w腐蝕后大量的硅、鈣質(zhì)和黃砂進(jìn)入電解液和陽極泥中，干擾了正常的生產(chǎn)工藝，降低了單位陽極泥中稀貴金屬的含量，增加了提煉成本。這些都給生產(chǎn)管理帶來了很大的困難，增加了生產(chǎn)成本，降低了冶煉過程中整體經(jīng)濟(jì)效益。
八十年代后期，我們開始考慮開發(fā)全防腐結(jié)構(gòu)的整體電解槽，以克服復(fù)合型電解槽的缺陷。通過調(diào)研，我們了解到國內(nèi)同行曾試用了整體花崗巖電解槽、整體玻璃鋼電解槽、但效果都不理想，未推廣應(yīng)用。我們委托廠家試制了幾批整體鉀水玻璃（KP1）混凝土電解槽，由于材料本身抗?jié)B性原因也未能成功。95年我們開始引進(jìn)使用整體預(yù)應(yīng)力鋼筋呋喃混凝土電解槽，現(xiàn)已使用8年，能滿足生產(chǎn)技術(shù)要求，價(jià)格也適中。但由于槽體中鋼筋不耐腐蝕，電解槽制作過程中未處理好的，也會(huì)在使用中產(chǎn)生一些問題。
2000年我們委托黃石市匯波防腐技術(shù)有限公司開發(fā)真正意義上的全耐腐結(jié)構(gòu)電解槽，獲得成功。
2 預(yù)應(yīng)力玻璃鋼筋呋喃混凝土整體電解槽
2.1 整體預(yù)應(yīng)力玻璃鋼筋呋喃混凝土整體電解槽的設(shè)計(jì)
我們根據(jù)客戶提供的要求，采用美國MSC公司MARC2001軟件進(jìn)行有限元分析、建模和設(shè)計(jì)：
（一）、結(jié)構(gòu)形式與尺寸
電解槽結(jié)構(gòu)形式為長(zhǎng)方體，內(nèi)腔尺寸：長(zhǎng)×寬×高=3500×800×1500。
（二）、載荷
1、槽內(nèi)壁的液體靜壓力
電解液密度：ρ1=1300kg/m3 靜壓力：p=ρ1g h (N/m3)，式中g(shù)為重力加速度；h為液面高度，約為1500mm。
槽內(nèi)壁靜壓力分布見圖1。
2、側(cè)板的承重荷載
陽極板、陰極板重量：3800kg，分別作用在兩側(cè)板的上沿上，見圖1和圖2。
3、槽體自重荷載
槽體材料密度：ρ2=2400kg/m3
（三）、工作溫度
電解槽的工作溫度：≤50℃
（四）、支撐形式
電解槽的支撐形式如下圖所示。
（五）、分析方法、計(jì)算模型與邊界條件
先經(jīng)初步設(shè)計(jì)，確定初始壁厚，然后采用有限元數(shù)值方法對(duì)電解槽進(jìn)行整體計(jì)算與校核，如不能滿足強(qiáng)度或剛度要求，則修改初步設(shè)計(jì)結(jié)果，直至有限元分析結(jié)果滿足強(qiáng)度與剛度要求為止。有限元建模時(shí)采用六面體三維實(shí)體單元，在槽壁厚度方向劃分了四層單元，網(wǎng)格剖分如圖2所示。計(jì)算軟件采用武漢理工大學(xué)從美國MSC公司購置的國際上先進(jìn)的有限元商用軟件MARC 2001版。由于電解槽結(jié)構(gòu)以及荷載是對(duì)稱的，根據(jù)對(duì)稱性原理，有限元計(jì)算時(shí)只取電解槽的四分之一進(jìn)行計(jì)算，但在兩個(gè)對(duì)稱面上的所有結(jié)點(diǎn)，應(yīng)加上限制垂直于對(duì)稱面位移的邊界條件。
（六）、材料與設(shè)計(jì)參數(shù)
電解槽采用玻璃鋼筋加強(qiáng)呋喃混凝土制作，材料的力學(xué)性能為：
混凝土開裂抗拉強(qiáng)度：6.0MPa 混凝土抗壓強(qiáng)度：50MPa 混凝土剪切強(qiáng)度：3.0MPa 加強(qiáng)混凝土彈性模量：10GPa
（七）、計(jì)算結(jié)果與分析
根據(jù)電解槽的長(zhǎng)度、深度以及荷載大小，初步確定槽體的壁厚為90mm，有限元分析結(jié)果如圖3—圖8。
1． 強(qiáng)度效核
槽體所受的最大拉伸主應(yīng)力（見圖6）為2.5MPa，抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)為：Kf = 6.0/2.5=2.4
槽體所受的最大壓縮主應(yīng)力（見圖7）為5.4MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其壓縮強(qiáng)度50MPa。安全系數(shù)9左右。
側(cè)板所受的剪應(yīng)力（見圖9）為1.325MPa, 發(fā)生在支撐點(diǎn)內(nèi)側(cè)附近，剪切強(qiáng)度安全系數(shù)為：K’f = 3.0/1.325=2.3
2． 剛度效核
側(cè)板的變形值（見圖3）為2.4mm，與側(cè)板長(zhǎng)之比為0.07%。底版垂直位移只有0.19mm。
3． 結(jié)論
根據(jù)以上分析，槽體壁厚為90mm時(shí)已經(jīng)基本滿足使用要求，但安全系數(shù)只有2.3，建議壁厚最好采用100mm，這樣抗拉強(qiáng)度安全系數(shù)可以達(dá)到3。另外邊角處建議采用100mm圓弧過度，這樣可以降低邊角處的應(yīng)力集中; 在支撐處要有橡膠墊片，這樣可以降低該處的應(yīng)力集中。
（八）附圖
厚度為90㎜的時(shí)候，圖1～9如下：
圖1 模型圖
圖2 模型圖
圖3 y方向位移
圖4 z方向位移
圖5 絕對(duì)位移
圖6 最大主應(yīng)力圖
圖7最小主應(yīng)力圖
圖8 x方向正應(yīng)力圖
圖9 s13應(yīng)力圖
2.2 整體預(yù)應(yīng)力玻璃鋼筋呋喃混凝土電解槽整體電解槽的制作
整體預(yù)應(yīng)力玻璃鋼筋呋喃混凝土整體電解槽是由XLZ型呋喃樹脂 + XLZ型混凝土粉 + 石英石配制成呋喃混凝土，再采用先進(jìn)的預(yù)應(yīng)力玻璃纖維筋增強(qiáng)和預(yù)制現(xiàn)澆相結(jié)合的制作技術(shù)制作而成。適用于鋅電解、銅電解、鎳電解、鈷電解濕法冶煉。其示意圖如下
2.3 整體預(yù)應(yīng)力玻璃鋼筋呋喃混凝土電解槽整體電解槽的性能特點(diǎn)
●采用玻璃纖維筋和纖維呋喃樹脂混凝土100%耐腐蝕材料制造，無腐蝕問題。
●采用預(yù)制和現(xiàn)澆相結(jié)合的制作工藝，消除了槽體因呋喃樹脂混凝土固化而產(chǎn)生的應(yīng)力。
●壁板密實(shí)性好，槽體強(qiáng)度高，抗機(jī)械沖擊性能強(qiáng)，無開裂和滲漏。
●采用預(yù)應(yīng)力玻璃纖維筋增強(qiáng)，提高了電解槽結(jié)構(gòu)的抗裂強(qiáng)度，彌補(bǔ)了玻璃鋼筋由于剛度不足造成的缺陷。
●使用壽命長(zhǎng)，合理使用期限＞10年，年攤費(fèi)用低。
●無需專門停產(chǎn)維修、減少停工期、增加利潤(rùn)。
●電解液絕緣性好、不傳遞雜散電流，不漏電，電效高。
●槽體對(duì)電解液、陽極泥不產(chǎn)生污染，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。
2.4 呋喃混凝土整體電解槽的技術(shù)指標(biāo)
槽體主要物理力學(xué)指標(biāo)：
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項(xiàng) 目 |
性能指標(biāo) |
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容 重（kg/m3） |
≈2450 |
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槽體每m3承受載荷（t） |
2.6--2.8 |
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抗 滲 性（Mpa） |
不小于2 |
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最高使用溫度（℃） |
大于100 |
槽體主要耐腐蝕性能：
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介 質(zhì) |
耐腐蝕程度 |
介 質(zhì) |
耐腐蝕程度 |
|
銅電解液 |
耐 |
硫酸5-60% |
耐 |
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鋅電解液 |
耐 |
鹽酸5-31% |
耐 |
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鎳電解液 |
耐 |
氫氟酸10% |
耐 |
2.4 呋喃混凝土整體電解槽的規(guī)格尺寸
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項(xiàng) 目 |
尺寸要求（mm） |
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槽體長(zhǎng)（L） |
不大于6000 |
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槽體寬（B） |
不大于1500 |
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槽體高（H） |
不大于1500 |
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槽體板厚（b） |
80—120 |
3 呋喃混凝土整體電解槽的應(yīng)用
①1995年，內(nèi)蒙古赤峰冶煉廠試用了本公司制作的鋅電解槽（如下圖），至今近7年，效果良好。
②1995年至今，已為大冶有色冶煉廠、株洲冶煉廠、中條山冶煉廠制作銅電解槽近170只，無開裂滲漏，基本不用檢修，反應(yīng)良好。
③1999年，為云南蘭坪冶煉廠制作鋅電解槽26只，使用至今，效果良好。
截止到目前，我公司已為國內(nèi)各大中型冶煉廠制作呋喃混凝土整體電解槽近200只，使用效果都不錯(cuò)。
4 結(jié)論
中國加入世界貿(mào)易組織后，有色冶煉行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)愈迄激烈，壓力越來越大，如何降低成本、提高效率顯得尤為重要，呋喃混凝土整體電解槽性能優(yōu)良，價(jià)格適中，不需停產(chǎn)維護(hù)，能最大限度地提高效益和產(chǎn)量，值得大力推廣。
