電解槽專題
電解槽專題
銅、鎳、鉛、鋅和貴金屬的最后一道冶煉工序都是采用電解精煉或電積回收。在這個過程中除了控制電化學條件外,還存在一個電解液對設備的腐蝕問題, 采用先進的耐酸材料已進入電解車間的高技術領域。比如乙烯樹脂可以和耐酸骨料(石英砂)結合形成聚合物混凝土, 也可用它作為各種裝酸容器的表層襯里。在這方面南北美洲的電解槽最近已廣泛采用聚合物混凝土, 而電解液貯槽用乙烯樹脂代替環氧樹脂、聚丙烯及其他材料。亞洲、非洲、歐洲的許多精煉廠相對比較落后,中國的電解車間在采用這種新型材料方面也應該迅速趕上去。不少工廠領導人在國外看到了這種槽子,稱贊不已,但進口這種槽子,價格太高,不敢問津。筆者正在研究如何利用國產材料在中國設廠制造, 以降低成本,相信這種先進的材料設備不久會在中國廣泛采用。
乙烯樹脂不但耐腐蝕性能好, 而且機械性能特別好。電解槽的結構目前已從組合式拼裝過渡到一個整體用模子澆鑄。這種整體式聚合物混凝土電解槽在國際防腐蝕技術公司(簡稱CTI )擁有專利,該公司為環球工業技術公司的子公司, 總廠設在美國達那斯。澳大利亞、比利時、智利、墨西哥、韓國設有制造分廠。這種整體電解槽連同溢流槽、電解液下降管、進液管、快裝和電解液分離系統形成一個整體。
舊式的電解槽和貯液槽用木材、鋼材或混凝土作槽體內襯鉛皮、瀝青、橡膠或塑料在全世界歷史上成功地用于抗化學腐蝕、抗機械沖擊起過很好的作用,但是到今天已經過時了,代之而起的是聚合物混凝土, 它的抗腐蝕性能、 抗機械沖擊性能更好,能大大地減少車間維修工作量, 提高電解效率和生產率。
另外, 舊式帶內襯的電解槽腐蝕后更換下來處理也是一個令人頭痛的問題。筆者看到國內一些電解廠,廠區內堆了不少這種廢舊電解槽,而新的聚合物混凝土電解槽壽命長, 即使報廢也比較容易處理,減少處理的費用。
現在大家都認識到, 電解車間的現代化, 應該采用新的陽極定量澆鑄機組、 陽極準備機組、酸霧抑制系統、自動吊車和不銹鋼永久陰極,但新型電解槽和上述設備一樣,對提高產品產量、提高產品質量、降低成本起著同樣重要的作用。對今后提高工廠的競爭力也將起著重要的作用。
1 序言
有色金屬電解精煉過程中,電解液作為一個媒體將金屬離子傳遞到陰極上去,在電解槽里, 電解液形成一個低壓電路并不斷循環,電解液循環的路線是經過電解槽、 貯液槽、 高位槽和其他溶液處理設備。 在正常生產過程中,電解液必須嚴格控制成分和循環速度以獲得最大的生產率和產品質量、最小的維護費用和環保費用。必須避免設備受到化學腐蝕和機械破損?；瘜W腐蝕和機械破損將引起溶液泄漏從而造成環境保護問題和經濟損失。
傳統的電解槽及電解液容器由兩部分組成, 一是由木材或鋼材、混凝土構成的槽體骨架,一是由鉛皮、瀝青、塑料或橡膠構成的內襯。這種電解槽結構通常容易產生電解液的泄漏, 需要花費相當高的資金來維護修理, 這種泄漏不僅引起成本增加, 而且造成環境惡劣。
聚合物混凝土電解槽是將各種材料混合澆鑄成一個整體,因此沒有組合件的連接和密封問題, CTI的整體聚合物混凝土電解槽——簡稱U nicell ,它是一種完全耐腐蝕的單一整體材料,而且強度比傳統電解槽高。由于有這些優點,聚合物混凝土電解槽在全世界電解廠受到重視。
2 聚合物混凝土的強度
聚合物混凝土是用由乙烯樹脂和耐腐蝕的骨料配成。CTI 的聚合物混凝土產品是應用該公司獲得專利的改進型乙烯樹脂,這種材料不僅耐腐蝕性能特別好,還能改進產品的強度和耐熱沖擊, 其性能和普通混凝土比較如下:
聚合物混凝土不僅對有色金屬電解生產中的化合物是惰性的,而且能夠使電解車間在很大程度上抗機械破損、按CTI 的實踐,由于這種電解槽優越的物理性能, 加上采用玻璃鋼的加強筋可以保護電解槽因陽極板掉落槽底或陰極板劃破槽壁而造成的事故,對聚合物混凝土電解槽來說,即使陽極板掉到電解槽底上, 基本上也不會造成破壞。
3 聚合物混凝土電解槽在世界上的發展過程
聚合物混凝土電解槽在 1974 年由贊比亞的赫曼•瓦茲沃茲開發后首次面世; 1984 年在美國猶他州鹽湖城的肯尼柯特銅廠首次在北美問世, 當時這種電解槽還不是整體結構, 由5 片拼裝而成, 1片槽底, 4片槽壁。當時這種聚合物混凝土電解槽的材料是成功的。但是這種由5片拼裝的電解槽的接縫處還是有問題。
由于電解車間多年來采用乙烯樹脂鋪地板或作設備內襯對抗腐蝕、抗機械破損是成功的, 證明這種材料有能力抗電解液的腐蝕, 因此決定了下一步的發展,是應用這種材料制造整體電解槽。
CTI 1988 年 9 月在亞利桑那州圣曼努埃爾的馬格馬銅公司開發了這種整體電解槽, 取名Uni-cell。這種電解槽包括溢流槽、電解液下降管和管道系統作為電解槽的一部分整體澆鑄,它沒有連接縫的密封問題, 不需要另外設電解液的進出管附件,這種電解槽還設有不銹鋼預埋件的快速安裝人行走道和支撐托架。這種電解槽的成功導致南方線材公司和其他工廠成批應用。
現在聚合物混凝土電解槽已推廣到全北美洲許多銅、鋅、銦、鎳和其他金屬的電解廠開始對其原有的老電解槽進行更換,或者在擴建工程中采用這種新電解槽。
由于整體聚合物電解槽的成功, 導致全世界 70家以上的電解廠包括美國、加拿大、墨西哥、智利、秘魯、比利時、西班牙、法國、英國、瑞典、俄羅斯、澳大利亞、日本、非洲、印度和韓國應用了這種電解槽, 每個整體電解槽都成功地滿足了各精煉廠的要求, 現在全世界有 20 000 個以上的聚合物混凝土電解槽在使用。
聚合物混凝土耐酸技術不僅成功地應用于電解槽, 還成功地應用于制作電解液貯液槽、高位槽、溶解槽、集液槽等。如果這種槽子體積太大不便于運輸時,它可以在每個精煉廠的現場澆鑄。
聚合物混凝土裝酸設備幫助解決了傳統裝酸容器由于介質腐蝕造成的高維護費用問題。過去5年,這種聚合物混凝土作為一種先進的防腐材料因降低有色金屬工業的生產成本而被廣泛使用。
4 聚合物混凝土電解槽的設計
國際防腐技術公司的聚合物混凝土由改進型的乙烯樹脂和干燥的耐酸石英砂作骨料, 盡管這種材料強度很大,但還需對偶發事故進行保護。國際防腐技術公司獲得專利的整體電解槽用該公司擁有專利的玻璃鋼作混凝土的加強筋, 這種加強筋不導電, 這種電解槽的結構由ST AAD Ⅲ或ALCOR 有限元分析軟件完成結構計算,使每個電解槽能抗最大的計算壓力和沖擊。
整體澆鑄的聚合物混凝土電解槽比如 Unicell,內壁光滑、四角為圓形、槽底帶坡度, 對電解槽清槽時陽極泥的排出和清洗作業比較容易?，F代的電解槽制造過程可以使電解槽的尺寸做得很準確, 安裝簡單,有利于電解作業的自動化。圖 1、 圖2 是正在安裝電解槽的車間內部照片。
5 聚合物混凝土電解槽給企業帶來的利潤
每個使用聚合物混凝土電解槽的用戶都能從減少維修費用中獲得較大的利潤。較高的利潤率能使企業保持較長時間的競爭力, 較好的產品質量還能減少廠房占用面積, 改進生產的安全度,增加電解槽內極板數量,提高生產率,容易安裝和廢電解槽易于處理。有一個電解廠從改為Unicell 后, 5 年來維修費用等于零。由于這種電解槽比較薄, 強度比較大,槽的內部尺寸保持原樣, 外部尺寸比原來的小,因此他們的電解車間現在比較寬松, 使用方便。
每一個電解廠可以根據自己的情況提出要求,專門為該廠設計不同的電解槽規格尺寸, 這樣便于工廠的操作者和工程師去優化各自車間的配置以便用最小的費用獲得最大的利潤。
Unicell 附帶的溢流槽、電解液下降管、加液管和排液系統都嵌在聚合物混凝土槽壁或槽底內,加上設備制造的公差為±3 mm,極大地簡化了電解槽的安裝、排列和外部設備的連接, 減少維修費用、減少廠房面積,提高車間生產率。
由于Unicell 是一個整體, 沒有接合處密封問題, 沒有電解液泄漏問題, 不會造成環境污染, 這一點很重要,因為各國政府目前極為重視這個問題, 制訂了嚴格的環保法。
聚合物混凝土電解槽表面還有一層乙烯樹脂的涂料,它還能滲透到聚合物混凝土內一定的深度, 這樣可以使槽的表面光滑無縫, 清槽快而簡易, 減少陽極泥積壓,加速資金周轉。
聚合物混凝土表面用乙烯樹脂處理后,不但完全不被電解液腐蝕, 而且不吸收任何溶液,不像老電解槽那樣被電解液浸透污染, 這種老電解槽報廢后換下來處理很費事, 增加了生產成本。 而廢舊的聚合物混凝土電解槽處理容易、 費用少。
Unicell 強度大,槽壁薄,槽子外形尺寸減小, 在現有電解車間安裝這種電解槽,可以增加電解槽數量,對每個電解槽來說可以增加極板數量,在不提高電流密度下就可提高生產率。
傳統電解槽普遍存在一個問題, 混凝土槽壁上的鈣因腐蝕而進入電解液形成CaSO4 ,而聚合物混凝土沒有鈣進入電解液的問題。
傳統電解槽在服務期限內,槽子的形狀尺寸是變化的, 而聚合物混凝土電解槽在它的服務期限內能保持槽子尺寸穩定不變, 這樣能保持電解液在槽內的循環速度均勻從而保證產品的質量。
按ST AAD Ⅲ或ALGOR 有限元分析所做的聚合物混凝土電解槽設計, 比如CT I 的U nicell 在安裝時只在每個電解槽底部的四個角用圓形矮柱支撐不像傳統電解槽是沿每個槽底邊設支撐梁, 結構簡單投資省。
聚合物混凝土對電解液分離系統、地震設防、槽子頂部設施、保溫絕緣和各種槽子油漆設計都比較靈活,所有這些特點產 生了高級耐酸容器從而增加了用戶的利潤。
6 其他用途
聚合物混凝土已成功地應用于電解液貯槽、集液槽、高位槽、溶解槽、酸回收槽和特大型槽子。 對于體積龐大的耐酸容器, CTI 采用多段合成法制造, 即在CT I 的工廠里澆鑄設備的大部件,將這些大部件運到用戶的現場,在現場澆鑄相關的部件,完成全部制造過程。
由于乙烯樹脂的強度大、靈活性大、耐腐蝕、易于安裝,它也是高腐蝕環境下的電解車間鋪地板的最好材料。
乙烯樹脂對于有酸腐蝕的廠房墻壁和柱子作涂料也是很成功的。
許多耐酸容器內襯一層乙烯樹脂以改善其防腐蝕性能。
乙烯樹脂還成功地應用于電解槽頂部設施,如電解槽蓋板、 保溫板等,它比木板更好。
7 將來的發展
CTI 與貝克特設計公司和夸得拉國際公司合作正在研究開發在聚合物混凝土電解槽和耐酸容器上配備酸霧抑制裝置, 使這種新型電解槽增值。CTI 還在為一個大銅廠設計制造這種新研究開發的特種電解槽。
8 結論
現代化聚合物混凝土電解槽的設計和對電解車間其他現代化所作的努力是一致的, 目的在于減少出裝槽、清槽所需的勞動力、減少電解槽的維修費用、降低生產成本、減少停槽時間、提高生產率和產品質量, 使電解操作更有競爭力以面臨全球經濟的挑戰。
1 lb/ in2= 6 894. 7 Pa
