摘　要：通常冶金化工行业使用的玻璃钢矩形槽都被设计成拼装式结构，但存在制作过程工序复杂、工期长且制作成本高等缺点。本文从结构设计、成型工艺到现场应用等方面详细地介绍了铜电解工序中高位槽的设计及制作，证实了现场手糊成型工艺制作整体式玻璃钢矩形槽是值得推广的好方法。
关键词：整体成型；玻璃钢矩形槽；铜电解高位槽；结构设计；成型工艺

1　前言

　　江铜贵溪冶炼厂30万t铜冶炼工程是江铜集团发展战略中“巩固冶炼”的重点工程，其中的电解工序采用的是先进的ISA法电解精炼工艺，高位槽是电解液循环工艺设备中的关键设备。在电解液循环工艺中，电解液由循环槽立式泵送至板式换热器，电解液被加热后至高位槽，后经过分配包分别送至各电解槽。在贵冶30万t铜冶炼工程电解工序中，由两台高位槽同时分别向所有电解槽供液，一台出现故障将影响一半电解槽的连续生产。

2　高位槽的设计

2.1　槽体总体设计
　　高位槽为矩形槽，其尺寸为：长(L)6000mm，宽(W)4000mm，高(H)3000mm，设备本体材质为玻璃钢。由于高位槽在电解液循环工序中的重要性，必须保证该设备在电解生产过程不能出现故障。以往高位槽由于安装位置的局限都被设计成分片拼装的矩形槽，即将高位槽分槽底、四片槽壁、顶盖、支撑管等部分在车间加工好之后运到现场，吊装到高位槽基础附近的楼面，然后通过人力抬至基础上，用螺栓连接拼装好，再对拼缝处进行打磨积层。该方法由于存在吊装、拼接、打磨、拼缝处理等多道工序，所需周期长、成本高，且由于槽体存在拼缝导致易产生漏点，给生产的连续性带来隐患。
　　为了克服上述不足，特将该设备本体设计成整体一次成型的玻璃钢设备，如图1所示。即在设备基础防腐面层完工之后，将基础进行平整处理，然后直接在基础上支模，以基础作为槽底成型面。这样设计的好处：一是加工后的槽底可以紧贴基础，消除了空鼓现象；二是节省了槽底成型模板，降低了模具成本。其中为了减少应力集中，槽底及槽壁拐角处均设计成圆角，且R不小于100mm；槽内设置支撑管及支撑板以防止槽体受意外负压或其它原因出现变形；同时为了降低槽壁的壁厚，设计多道加强筋，以增强槽体的刚度。由于槽体整体成型，不存在拼接法兰边及连接螺栓，因此降低了制造成本。

2.2　高位槽结构设计
2.2.1　高位槽底板设计
　　以底板结构设计为例，由于高位槽的形状为矩形，且底部坐落在平整的呋喃树脂混凝土基础上，可将其底部视作均匀荷载Q作用下的四边嵌固矩形板，其挠度ω限定为W×0.5％=400×0.5％=2cm，底部所受压力为Q=p・H=1.25 g／cm³×300cm=0.37kg／cm²=0.037MPa。电解液密度为p=1.25g／cm³。
　　均布荷载下四周嵌固矩形板的挠度计算公式：

　　而根据各向同性板的内力与挠度的关系，底板的抗弯刚度D的计算公式为：

　　将(b)代入(a)中换算后得：

　　式中E为玻璃钢弯曲弹性系数，其取值见表1：

　　注：①温度20~C，相对湿度65％ 。②上述强度包括耐腐蚀层的层合板强度。
　　V为玻璃钢材料的泊松比，一般取值为0.3；α为挠度系数，其取值见表2：

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

=11.8mm，实际取底板厚度为14mm，满足长寿命使用要求。
2.2.2　高位槽槽壁及顶盖设计
　　取6000mm×3000mm槽壁面进行说明，其长宽比为L／H=2，采用与底板相同的原材料，类似与底板可简化为板条计算。侧板所受压力随深度变化，Q_侧=d×H，侧板底部所受压力大为Q_max=d×H=0.37kg／cm²，亦即底板所受压力。同时槽壁侧板还受到槽体顶盖及上横梁(既贮槽上部沿口)弹性支撑力，同理通过计算取槽壁厚度为16mm。通过抗弯及挠度计算取80mm×100mm×4.5mm矩形钢管作为槽体加强筋，如图2所示，加强筋间距为450mm～650mm

    同理，高位槽顶盖通过强度计算，设计厚度为14mm，80mm×100mm×4.5mm矩形钢管作为加强筋以增强刚度，间距为600mm×600mm。

3　高位槽的制作

3.1　原材料选用
3.1.1　树脂
　　玻璃钢主要是以玻璃纤维及其制品(玻璃布、带、毡、纱等)作为增强材料，以合成树脂作基体材料的一种复合材料，其耐蚀、耐温等性能主要由粘接材料即合成树脂和增强材料所决定。高位槽的应用环境见表3。

　　针对以上工作环境，选用耐温、耐蚀性能良好的标准双酚A型乙烯基酯树脂R802(上海昭和高分子生产)作为粘接材料，增强材料主要为无碱玻纤短切毡、方格布和表面毡。耐蚀树脂的基本性能见表4。

　　注：本测试用玻璃钢采用400 g／m²中碱无捻方格布作为增强材料，树脂含量50％，手糊成型。
3.1.2　树脂固化体系
　　树脂固化体系为过氧化甲乙酮加钴盐体系，其中引发剂为过氧化甲乙酮，活性氧含量9～10％，促进剂采用T8-A(江苏江阴前进化工厂生产)。引发剂及促进剂用量根据作业环境温度通过小试确定，用量均在2％左右。
3.2　铺层设计
　　按照《玻璃钢化工设备设计规定》要求，结合设计厚度和实际使用环境进行铺层设计。铺层厚度通过以下公式计算：

　　式中：t为玻璃钢的计算厚度(mm)；G₁、G₂为各种规格的布或毡的单位面积质量(kg／m²)；n₁、n₂为各种规格的布或毡的层数；0.394为玻纤基材的厚度常数；0.909为聚酯树脂的厚度常数；0.400为填料的厚度常数；k₁为树脂含量对玻纤含量的比数；k₂为填料含量对树脂含量的比数。
      其中防腐防渗层厚度大于4mm，由树脂含量较高的表面毡层和短切毡层构成；结构层由短切毡和方格布交替积层而成；外表面由一层短切毡和一层表面毡构成。具体如下：
    确定底板及顶盖铺层为14mm=1EMF50+(1EMC450+3CWR400)×4+4EMC450+1EMF50(介质侧)；槽壁积层16mm=1EMF50+(1EMC450+3CWR400)×4+1EMC450+2CWR400+4EMC450+1EMF50(介质侧)(EMF50为50g／m²无碱表面毡，EMC450为450g／m²无碱短切毡，CWR400为400g／m²中碱无捻方格布)。
　　防腐防渗层是设备耐腐蚀的关键，按设备长周期使用要求设计成厚度为4mm的富树脂层。采用50g／m²表面毡一层和450g／m²无碱短切毡四层依次积层而成，其中表面毡层树脂含量大于90％，短切毡层树脂含量大于70％。
3.3　手糊成型过程
3.3.1　模具制作及处理
　　在玻璃钢手糊成型工艺中，模具是产品质量好坏的重要一环，尤其是模具成型面的质量更为重要，直接影响到产品的外观质量。考虑到施工要求周期短及高位槽整体成型的需要和拆装方便，选择木模作为成型模具。模具成型板采用2cm厚清水木模板，模具外采用60mm×60mm方木进行加强，以保证模具强度。设备基础防腐面层施工完成，即可在设备基础上直接支模，先进行基础处理，将基础凸起处铲平、凹陷处用胶泥刮平，然后清理干净。
　　制好模具后，即进行模具成型面的处理：先在接缝处刮腻子，待腻子干燥后，再用400 水砂纸将刮腻子处打磨光滑，然后涂刷2道聚氨酯清漆，清漆干燥后用600 水砂纸打磨至模具成型面平整光滑，后再涂刷3遍水性脱模剂备用。
3.3.2　手糊积层
　　按照先槽底再槽壁的顺序进行积层，由于产品厚度超过10mm，积层分两次进行。积层中，布、毡一层一层按照先涂敷树脂再铺贴布、毡，再浸透树脂的程序进行作业，并使用气泡切断辊赶出气泡确保树脂完全浸透布毡等增强材料。布毡的搭接量不小于50mm，第二次积层时如表面受到污染或有凸起物，要进行打磨处理以保证粘接强度，避免气泡的产生。
　　积层完成，制品固化后，使用巴氏硬度计检查固化强度，巴氏硬度超过28即可脱模，然后进行切边、修整。
3.4　加强筋的安装
3.4.1　加强筋的表面处理
　　加强筋按图下好料，在焊接装配前进行表面处理，可通过喷砂或手工除锈至钢材露出金属光泽并有均匀的粗糙度即可。表面处理8h内，必须刷树脂底漆一遍以防止返锈。
3.4.2　加强筋的焊接
　　按照图纸要求，将加强筋进行焊接装配。焊接完成后，清除焊渣，并对焊缝进行表面处理，使其露出金属光泽并有均匀粗糙度。焊接过程中要注意监控玻璃钢槽体表面温度，即时用湿布降温，并做好防火措施。
3.4.3　玻璃钢的包覆

　　加强筋焊接装配完毕，按图3要求包覆玻璃钢，包覆厚度6mm，单边宽度100mm。
3.5顶盖、支撑管及支撑板等安装
　　按照图纸要求，将加工好的支撑管、支撑板依次在槽体内进行安装。支撑管及支撑板安装完成后，再进行顶盖与设备本体的装配。装配中取消顶盖与设备本体连接的不锈钢螺栓，将顶盖与槽体进行积层即可，这既确保了整个设备的密封性，避免了电解液的泄漏，又降低了制造成本，玻璃钢粘接强度也不比螺栓的紧固强度差。
3.6　设备盛水试漏
　　设备尺寸及外观检查并修整后，进行盛水试漏，盛水试漏质量要求为：盛水48h，无泄漏、无冒汗、无明显变形等现象。

4　总　结

　　(1)设计的高位槽采用现场整体加工的方式制作，设备整体性好，结构合理，施工周期短。由于减少了拼装联接法兰边和大量不锈钢螺栓，降低了制造成本。采用上述方法制作的两台铜电解高位槽于2007年5月1日投入使用，至今使用效果很好，没有出现任何故障，得到了用户的一致好评。
　　(2)在冶金或化工等行业的玻璃钢矩形槽均可参考上述方法进行设计、制作。