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铜电解槽发展概况

张 鹏， 刘 秀， 邓 攀， 陈 涛

（江西理工大学， 江西 赣州341000）

摘 要：介绍了各类铜电解槽的发展过程，对它们的优缺点进行了比较，提出了今后铜电解槽发展趋势及方向。

关键词：铜电解槽 内衬 防腐蚀

电解槽是电解精炼工艺中的关键设备［1］。铜电解精炼反应都在电解槽内进行，电解精炼铜的目的是为了提高铜的纯度，并且回收阳极泥中的贵金属。铜电解槽内是较高温度的腐蚀介质，并且是在电解电流作用的环境中工作。电解槽不仅要承载阴极板、阳极板、电解液、导电棒等物质，而且又要承受阴阳极板从槽内移出时的刮碰及冲击，因此受损比较严重，使用的年限也不长，需频繁维修和更换。随着国内外铜冶炼生产规模的迅速发展，铜电解槽的数量和品种在不断的扩大和增加。

1电解槽分类

电解槽发展的具体原因是：提高劳动生产力；减少对电解槽的维修与护理；减少因槽体更换而停产的次数；降低生产成本这四个方面。因电解槽发展而产生的槽体种类繁多，根据槽体结构的不同,基本可分为内衬电解槽和无内衬电解槽两大类［2- 6］。

1）内衬电解槽（又可称为复合构造型电解槽）由结构层和防腐层构成。结构层一般由混凝土构成,目的是为了承受荷载；防腐层是由耐腐蚀的金属或非金属构成,目的是为了防止电解液腐蚀。在其发展过程中出现的大致有铅板衬里、塑料衬里、玻璃钢衬里。

2）无内衬电解槽（又可称为整体结构型电解槽）由同一种耐腐蚀材料构成，既是结构层又是防腐层。在其发展过程中出现的有整体花岗石电解槽、整体水玻璃混凝土电解槽、整体塑料电解槽、整体玻璃钢电解槽、整体树脂混凝土电解槽。

2铜电解槽发展过程

2.1内衬电解槽

电解槽的发展经历了好几个阶段, 国内早期使用的是复合型电解槽,传统式的内衬种类繁多,最早采用的是衬铅板,其后是衬 PVC 塑料、橡胶等材料,后来随着人工合成树脂的发展, 内衬玻璃钢在我国推广普遍。

1）内衬铅板槽。衬铅板电解槽是较早使用的内衬电解槽，它的制作简单并且维修方便，耐腐蚀性能较好，价格便宜。

当外壳突起时，铅板衬里可以回收,可循环利用。但铅板的不足之处是：物理机械性能差,强度低，容易碰坏，导致电解槽使用寿命缩短，而且维修频繁；铅板是电导体，绝缘性差，容易漏电，可能会引起电路故障，从而影响电流效率和电铜生产；铅是重金属，所以在施工维修过程中会存在铅中毒的隐患。

总之使用铅板作铜电解槽内衬弊多利少，冶金行业基本淘汰了这种槽体。

2）内衬塑料槽。内衬电解槽后来发展为内衬塑料电解槽，典型的是采用聚氯乙烯塑料［7］作铜电解槽衬里。这类电解槽不仅耐腐蚀性能优良，绝热和绝缘性优良，还可以大大降低电解过程的热损失和提高电流效率，而且施工简单，维修方便，价格也比较便宜。

但是，它也有着明显的缺点：机械性能差，耐热性能较差，长时间使用的温度最好不得超过 60~70℃，并且容易老化，易变性。因而限制了内衬塑料电解槽在铜电解中的应用。

3）内衬玻璃钢槽。用于玻璃钢衬里的树脂有环氧树脂、呋喃树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂［8］等。

国内玻璃钢应用于电解槽防护衬里始于 20 世纪 80年代，90 年代趋向成熟和普遍推广。目前已有多种玻璃钢衬里，随着玻璃钢材料的发展多样性，玻璃钢衬里的优点越来越明显。玻璃钢衬里已经替代了较早使用的铅板、聚氯乙烯板衬里，国内现有的铜电解槽绝大部分采用的是水泥混凝土内衬玻璃钢。玻璃钢衬里电解槽具有以下优点：机械性能优良，抗冲击，不易被刮伤损坏，维修时间长，使用寿命长，可达8 a以上；绝缘性能好，耐腐蚀，从而提高电流效率；电解液不会对外壳基体造成大面积腐蚀；自重较轻，对槽有利。

但是这类电解槽的制作和维修工序繁多、时间消耗较长，需要专业队伍施工；槽体报废后，衬里不能循环利用，玻璃钢在自然界中长期不能分解，损害环境；而且有些树脂的气味比较重、毒性大，对施工人员身体健康有影响。

2.2无内衬电解槽

内衬电解槽当内衬遭到损坏后, 槽体直接与电解液接触，导致槽体腐蚀,需要定期维护或更换，所以20 世纪 80 年代中期后, 国内开始探究无内衬的电解槽方案，这类电解槽是由同一种耐腐蚀材料构成,结构层与防腐层为一体,是整体结构型电解槽。

1）整体花岗石电解槽。整体花岗石电解槽是由花岗岩石凿制而成,它强度非常高,抗冲击能力强。但是这种槽体机械性能差，当温度骤变时容易损坏，并且成本较高，加工制造的难度也比较大；自然生长中的花岗岩含有不耐腐蚀的杂质。当进行开采加工时，花岗岩经过爆破后易产生微裂纹，于是在使用过程中会由于电解液的腐蚀而产生结晶膨胀的结果,从而使槽体进一步损坏。所以这种槽体质量不稳定且不好维护，实际使用的不多，已退出市场。

2）整体水玻璃混凝土电解槽。整体水玻璃混凝土电解槽是由钠水玻璃或钾水玻璃和混凝土整体浇筑、捣实而成,在整体电解槽中它是价格最便宜的。这类槽体的收缩应力比较大,容易产生裂纹,并且最重要的是抗渗性差。尽管后来在水玻璃混凝土的基础上添加了改性剂，产生了改性水玻璃混凝土电解槽，这种电解槽具有耐酸性强、机械性能好、价格低廉和施工方便等优点，但是由于材质的性质使得电解槽抗渗性问题无法得到解决，所以未得到推广应用。

3）整体塑料电解槽。整体塑料电解槽所用的材料有聚乙烯［10］和聚丙烯。这两种电解槽的耐腐蚀性能和耐热性能都比较优良。整体聚乙烯电解槽是由聚乙烯内胆经过旋转加热成型后外套混凝土层构成，这类电解槽的混凝土层会被腐蚀而导致槽体损坏,减短使用寿命，未能进一步推广使用。整体聚丙烯电解槽是由聚丙烯板焊接构成，并且外面用钢结构骨架加强。由于这类槽体加工焊缝多，易老化等原因，使用一至二年后就开始出现渗漏现象，也未能推广应用。后来 1998 年上海冶炼厂与上海哈佛耐腐蚀设备有限公司联合研制开发了新型全塑整体电解槽［11］。

这种槽体是由新型聚乙烯工程塑料构成，经过改性、复合，经过旋塑整体成型工艺制成，这种电解槽具有较强的耐冲击性能、较强的耐腐蚀能力、无渗漏、环境污染少、成本低、寿命长等特点，值得推广应用。

4）整体玻璃钢电解槽。整体玻璃钢电解槽所用的材料是耐腐蚀性玻璃钢板，并且采用钢框和松木框架为增强材料，包裹在玻璃钢基体中，玻璃钢常用的树脂是不饱和聚酯树脂。这种电解槽优点是抗冲击性能优良，耐腐蚀性好，电绝缘性也比较好，使用寿命也长，且多年不用维修。但是这类槽体由两种以上不同材料组成，不同的材料热膨胀系数也不尽相同,这样导致槽体失去其整体性,不能使电解槽长期并且稳定地工作；由于玻璃钢的热塑性能差,导致自身变形,电解槽经常出现鼓壁现象；这类槽体不仅仅维修困难，还破坏整个铜冶炼生产的稳定,造成经济损失。总而言之，整体玻璃钢电解槽的不足已被人们所了解，难以推广。

5）整体树脂混凝土电解槽。构成整体树脂混凝土电解槽的关键原材料种类繁多，随着合成树脂产业的快速发展，相继出现了许多性能优良的树脂,应用在电解槽中比较典型的有呋喃树脂和乙烯基树脂。采用这两种树脂制作的槽体,机械性能优良，耐腐蚀性能好，并且固定高强度的玻璃钢筋作为槽体骨架，这样的电解槽适合电解生产。

整体呋喃树脂混凝土电解槽耐腐蚀、耐温性能优良,具有良好的抗渗性,抗冲击能力强,并且槽内的电解液和阳极泥不会受污染，绝缘性好，槽体基本不需要维修，即使维修也很简便。这类电解槽发展到现在已30余年，经过两代的发展，第一代用钢筋作增强材料,在钢筋剪断的地方虽然经过专业处理，但仍是薄弱环节,因为一旦被电解液腐蚀到,整个钢筋内部就会被逐渐腐蚀,导致槽体使用寿命降低。于是产生第二代整体呋喃树脂电解槽，这类槽体采用加强钢筋替代钢筋，加强钢筋是由纤维束和玻璃钢筋等复合材料制作。

从某种意义上来说，这是一种比较全面耐腐蚀的电解槽, 而且槽体平均寿命比第一代提高许多，是值得推广的一种铜电解槽。

整体乙烯基树脂混凝土电解槽是利用模板，浇注乙烯基树脂在钢筋结构上。这类电解槽在各方面都具有明显的优势：力学性能好，强度高，施工制作简单且速度快；耐腐蚀性能优良，绝缘性及保温绝热性能优良；尺寸稳定性好，多年不需维修，使用寿命长；无环境污染，自重小。

这类槽体是目前性能相对较好、使用寿命最长的电解槽。不过该类槽体造价较高，初次投入大，而且需要较高水平的队伍制作。这种新型电解槽至今已在全世界各国的电解厂得到了普遍应用，是目前国外冶金行业普遍认为更环保的整体电解槽，并且推广到锌、镍等电解工艺设备中。

我国的整体乙烯基酯树脂混凝土电解槽技术起步较晚, 但是国内有色冶金行业早已认识到它的优势,并且将其作为重点改革攻关的方向。不过由于国外对其技术进行垄断并且运输成本比较高昂，所以整体乙烯基树脂混凝土电解槽在我国难以推广应用。

国内冶金行业用其替换混凝土内衬玻璃钢电解槽的意愿越来越强烈，国内企业看到了这种电解槽的市场前景，也致力于研发拥有自主知识产权的整体乙烯基树脂混凝土电解槽。

3结语

电解槽的发展经历了好几个阶段，国内外冶金行业的专家学者进行了多年的研究和试验，如今已走向成熟。

在我国铜电解精炼工艺中,目前使用最广泛的是混凝土内衬玻璃钢电解槽, 整体电解槽还未普及。但是从发展的角度看，整体电解槽的综合性能更加优越。整体呋喃树脂混凝土电解槽与整体乙烯基树脂混凝土电解槽性能都比较优越, 而且使用寿命都比较长,是国内铜电解槽的发展方向,在我国冶金行业中应用的契机已经成熟。

长远来看，将会推动我国冶金设备的技术提升,使电解作业面临全球经济和能源的挑战更加有竞争力，促进整个冶金行业向更加绿色环保的方向发展。

参考文献

［1］ 朱祖泽,马克毅.铜冶金学［M］.昆明:云南科技出版社,1995.

［2］ 倪永泉.实用防腐蚀技术［M］.北京:化学工业出版社,1994.

［3］ 买淑芳.混凝土聚合物复合材料及其应用［M］.北京:科学出版社，1996.

［4］ 陈正钧，杜玲仪.耐蚀非金属材料及应用［M］.北京:化学工业出版社，1985.

［5］ 黄其兴.电解车间用聚合物混凝土作耐酸设备［J］.有色冶炼，1999，28（6）:42- 45.

［6］ 张友余.世界铜电解槽精炼生产实践调查［J］.有色冶炼，1998，27（8）:1- 30.

［7］ 吴实，李建秀.FRP 在铜电解槽防腐蚀中的应用［J］.全面腐蚀控制，2005，19（4）:45- 48.

［8］ 施惠生，蔡勇.聚合物混凝土用于铜电解槽的研究［J］.建筑材料学报，2006，9（1）:111- 14.

［9］ 刘鹏飞.铜电解槽防腐缺陷分析及对策［J］.设备及自动化,2011，2（1）:37- 38.

［10］ 陈自江.乙烯基树脂混凝土电解槽的性能及在湿法冶金中的应用［J］.设备及自动化，2011（10）:29- 33.

［11］ 戈和清,孙群.全塑整体电解槽在上海冶炼厂的应用［J］.上海有色属，2001，22（2）:89- 91.