摘　要：通常冶金化工行業使用的玻璃鋼矩形槽都被設計成拼裝式結構，但存在制作過程工序復雜、工期長且制作成本高等缺點。本文從結構設計、成型工藝到現場應用等方面詳細地介紹了銅電解工序中高位槽的設計及制作，證實了現場手糊成型工藝制作整體式玻璃鋼矩形槽是值得推廣的好方法。
關鍵詞：整體成型；玻璃鋼矩形槽；銅電解高位槽；結構設計；成型工藝

1　前言

　　江銅貴溪冶煉廠30萬t銅冶煉工程是江銅集團發展戰略中“鞏固冶煉”的重點工程，其中的電解工序采用的是先進的ISA法電解精煉工藝，高位槽是電解液循環工藝設備中的關鍵設備。在電解液循環工藝中，電解液由循環槽立式泵送至板式換熱器，電解液被加熱后至高位槽，后經過分配包分別送至各電解槽。在貴冶30萬t銅冶煉工程電解工序中，由兩臺高位槽同時分別向所有電解槽供液，一臺出現故障將影響一半電解槽的連續生產。

2　高位槽的設計

2.1　槽體總體設計
　　高位槽為矩形槽，其尺寸為：長(L)6000mm，寬(W)4000mm，高(H)3000mm，設備本體材質為玻璃鋼。由于高位槽在電解液循環工序中的重要性，必須保證該設備在電解生產過程不能出現故障。以往高位槽由于安裝位置的局限都被設計成分片拼裝的矩形槽，即將高位槽分槽底、四片槽壁、頂蓋、支撐管等部分在車間加工好之后運到現場，吊裝到高位槽基礎附近的樓面，然后通過人力抬至基礎上，用螺栓連接拼裝好，再對拼縫處進行打磨積層。該方法由于存在吊裝、拼接、打磨、拼縫處理等多道工序，所需周期長、成本高，且由于槽體存在拼縫導致易產生漏點，給生產的連續性帶來隱患。
　　為了克服上述不足，特將該設備本體設計成整體一次成型的玻璃鋼設備，如圖1所示。即在設備基礎防腐面層完工之后，將基礎進行平整處理，然后直接在基礎上支模，以基礎作為槽底成型面。這樣設計的好處：一是加工后的槽底可以緊貼基礎，消除了空鼓現象；二是節省了槽底成型模板，降低了模具成本。其中為了減少應力集中，槽底及槽壁拐角處均設計成圓角，且R不小于100mm；槽內設置支撐管及支撐板以防止槽體受意外負壓或其它原因出現變形；同時為了降低槽壁的壁厚，設計多道加強筋，以增強槽體的剛度。由于槽體整體成型，不存在拼接法蘭邊及連接螺栓，因此降低了制造成本。

2.2　高位槽結構設計
2.2.1　高位槽底板設計
　　以底板結構設計為例，由于高位槽的形狀為矩形，且底部坐落在平整的呋喃樹脂混凝土基礎上，可將其底部視作均勻荷載Q作用下的四邊嵌固矩形板，其撓度ω限定為W×0.5％=400×0.5％=2cm，底部所受壓力為Q=p?H=1.25 g／cm³×300cm=0.37kg／cm²=0.037MPa。電解液密度為p=1.25g／cm³。
　　均布荷載下四周嵌固矩形板的撓度計算公式：

　　而根據各向同性板的內力與撓度的關系，底板的抗彎剛度D的計算公式為：

　　將(b)代入(a)中換算后得：

　　式中E為玻璃鋼彎曲彈性系數，其取值見表1：

　　注：①溫度20~C，相對濕度65％ 。②上述強度包括耐腐蝕層的層合板強度。
　　V為玻璃鋼材料的泊松比，一般取值為0.3；α為撓度系數，其取值見表2：

　　根據高位槽尺寸，L／w =6000／4000=1.5；=0.00220，代入式(c)得：

=11.8mm，實際取底板厚度為14mm，滿足長壽命使用要求。
2.2.2　高位槽槽壁及頂蓋設計
　　取6000mm×3000mm槽壁面進行說明，其長寬比為L／H=2，采用與底板相同的原材料，類似與底板可簡化為板條計算。側板所受壓力隨深度變化，Q_側=d×H，側板底部所受壓力大為Q_max=d×H=0.37kg／cm²，亦即底板所受壓力。同時槽壁側板還受到槽體頂蓋及上橫梁(既貯槽上部沿口)彈性支撐力，同理通過計算取槽壁厚度為16mm。通過抗彎及撓度計算取80mm×100mm×4.5mm矩形鋼管作為槽體加強筋，如圖2所示，加強筋間距為450mm～650mm

    同理，高位槽頂蓋通過強度計算，設計厚度為14mm，80mm×100mm×4.5mm矩形鋼管作為加強筋以增強剛度，間距為600mm×600mm。

3　高位槽的制作

3.1　原材料選用
3.1.1　樹脂
　　玻璃鋼主要是以玻璃纖維及其制品(玻璃布、帶、氈、紗等)作為增強材料，以合成樹脂作基體材料的一種復合材料，其耐蝕、耐溫等性能主要由粘接材料即合成樹脂和增強材料所決定。高位槽的應用環境見表3。

　　針對以上工作環境，選用耐溫、耐蝕性能良好的標準雙酚A型乙烯基酯樹脂R802(上海昭和高分子生產)作為粘接材料，增強材料主要為無堿玻纖短切氈、方格布和表面氈。耐蝕樹脂的基本性能見表4。

　　注：本測試用玻璃鋼采用400 g／m²中堿無捻方格布作為增強材料，樹脂含量50％，手糊成型。
3.1.2　樹脂固化體系
　　樹脂固化體系為過氧化甲乙酮加鈷鹽體系，其中引發劑為過氧化甲乙酮，活性氧含量9～10％，促進劑采用T8-A(江蘇江陰前進化工廠生產)。引發劑及促進劑用量根據作業環境溫度通過小試確定，用量均在2％左右。
3.2　鋪層設計
　　按照《玻璃鋼化工設備設計規定》要求，結合設計厚度和實際使用環境進行鋪層設計。鋪層厚度通過以下公式計算：

　　式中：t為玻璃鋼的計算厚度(mm)；G₁、G₂為各種規格的布或氈的單位面積質量(kg／m²)；n₁、n₂為各種規格的布或氈的層數；0.394為玻纖基材的厚度常數；0.909為聚酯樹脂的厚度常數；0.400為填料的厚度常數；k₁為樹脂含量對玻纖含量的比數；k₂為填料含量對樹脂含量的比數。
      其中防腐防滲層厚度大于4mm，由樹脂含量較高的表面氈層和短切氈層構成；結構層由短切氈和方格布交替積層而成；外表面由一層短切氈和一層表面氈構成。具體如下：
    確定底板及頂蓋鋪層為14mm=1EMF50+(1EMC450+3CWR400)×4+4EMC450+1EMF50(介質側)；槽壁積層16mm=1EMF50+(1EMC450+3CWR400)×4+1EMC450+2CWR400+4EMC450+1EMF50(介質側)(EMF50為50g／m²無堿表面氈，EMC450為450g／m²無堿短切氈，CWR400為400g／m²中堿無捻方格布)。
　　防腐防滲層是設備耐腐蝕的關鍵，按設備長周期使用要求設計成厚度為4mm的富樹脂層。采用50g／m²表面氈一層和450g／m²無堿短切氈四層依次積層而成，其中表面氈層樹脂含量大于90％，短切氈層樹脂含量大于70％。
3.3　手糊成型過程
3.3.1　模具制作及處理
　　在玻璃鋼手糊成型工藝中，模具是產品質量好壞的重要一環，尤其是模具成型面的質量更為重要，直接影響到產品的外觀質量。考慮到施工要求周期短及高位槽整體成型的需要和拆裝方便，選擇木模作為成型模具。模具成型板采用2cm厚清水木模板，模具外采用60mm×60mm方木進行加強，以保證模具強度。設備基礎防腐面層施工完成，即可在設備基礎上直接支模，先進行基礎處理，將基礎凸起處鏟平、凹陷處用膠泥刮平，然后清理干凈。
　　制好模具后，即進行模具成型面的處理：先在接縫處刮膩子，待膩子干燥后，再用400 水砂紙將刮膩子處打磨光滑，然后涂刷2道聚氨酯清漆，清漆干燥后用600 水砂紙打磨至模具成型面平整光滑，后再涂刷3遍水性脫模劑備用。
3.3.2　手糊積層
　　按照先槽底再槽壁的順序進行積層，由于產品厚度超過10mm，積層分兩次進行。積層中，布、氈一層一層按照先涂敷樹脂再鋪貼布、氈，再浸透樹脂的程序進行作業，并使用氣泡切斷輥趕出氣泡確保樹脂完全浸透布氈等增強材料。布氈的搭接量不小于50mm，第二次積層時如表面受到污染或有凸起物，要進行打磨處理以保證粘接強度，避免氣泡的產生。
　　積層完成，制品固化后，使用巴氏硬度計檢查固化強度，巴氏硬度超過28即可脫模，然后進行切邊、修整。
3.4　加強筋的安裝
3.4.1　加強筋的表面處理
　　加強筋按圖下好料，在焊接裝配前進行表面處理，可通過噴砂或手工除銹至鋼材露出金屬光澤并有均勻的粗糙度即可。表面處理8h內，必須刷樹脂底漆一遍以防止返銹。
3.4.2　加強筋的焊接
　　按照圖紙要求，將加強筋進行焊接裝配。焊接完成后，清除焊渣，并對焊縫進行表面處理，使其露出金屬光澤并有均勻粗糙度。焊接過程中要注意監控玻璃鋼槽體表面溫度，即時用濕布降溫，并做好防火措施。
3.4.3　玻璃鋼的包覆

　　加強筋焊接裝配完畢，按圖3要求包覆玻璃鋼，包覆厚度6mm，單邊寬度100mm。
3.5頂蓋、支撐管及支撐板等安裝
　　按照圖紙要求，將加工好的支撐管、支撐板依次在槽體內進行安裝。支撐管及支撐板安裝完成后，再進行頂蓋與設備本體的裝配。裝配中取消頂蓋與設備本體連接的不銹鋼螺栓，將頂蓋與槽體進行積層即可，這既確保了整個設備的密封性，避免了電解液的泄漏，又降低了制造成本，玻璃鋼粘接強度也不比螺栓的緊固強度差。
3.6　設備盛水試漏
　　設備尺寸及外觀檢查并修整后，進行盛水試漏，盛水試漏質量要求為：盛水48h，無泄漏、無冒汗、無明顯變形等現象。

4　總　結

　　(1)設計的高位槽采用現場整體加工的方式制作，設備整體性好，結構合理，施工周期短。由于減少了拼裝聯接法蘭邊和大量不銹鋼螺栓，降低了制造成本。采用上述方法制作的兩臺銅電解高位槽于2007年5月1日投入使用，至今使用效果很好，沒有出現任何故障，得到了用戶的一致好評。
　　(2)在冶金或化工等行業的玻璃鋼矩形槽均可參考上述方法進行設計、制作。