年產(chǎn)6萬噸銅電解槽設計

1、年產(chǎn)6萬噸銅電解槽設計摘要本文主要設計了一座年產(chǎn)6萬噸銅的銅電解精煉電解槽及電解工藝。根據(jù)已知條件，選定操作技術條件、經(jīng)濟技術指標、主體設備設計及冶金計算等內(nèi)容。根據(jù)已知條件及結合銅電解槽工藝的實際條件，通過計算得出本設計共需要660個電解槽，38個陽極板，尺寸為1000960mm2，37個陰極板，尺寸為10201000mm2，電解槽尺寸為400011201320mm2等主體電解槽數(shù)據(jù)。然后根據(jù)冶金計算得出銅電解槽的陽極泥成分、陰極銅的成分、物料平衡、有害雜質(zhì)在電解液中的允許含量以及凈化過程中雜質(zhì)的脫除效率及熱平衡等重要數(shù)據(jù)。繪制出銅電解精煉電解槽安裝圖。最后以“銅電解液凈化方法的研究進展”專

2、題展開論述。關鍵詞：銅電解精煉；工藝設計；物料平衡；熱平衡AbstractMy thesis projects the copper electrolytic cell of sixty ton volume of production and is electrolysis process. I am according to the given conditions, Select operation technology conditions, technical and economic indexes, the main equipment design and metallurgi

3、cal calculation, etc. I was according to the known condition and combined with the actual conditions of the copper cell technology. Through the calculation the design needs 660 cell、38 anode plates、37 cathode boards. The size of anode plates is 1000960mm2.The size of cathode board is 10201000mm2. Th

4、e size of cell is 400011201320mm3.And then calculated based on metallurgical electrolytic cell copper anode slime composition, cathode copper the composition, the material balance, harmful impurities in electrolyte purification process and allows content of impurities in the removal efficiency and t

5、hermal equilibrium, and other important data. And it draws Installation drawing of the copper electrolytic cell. On the copper electrolyte purification method research progress of special discussed.Key words: Electrolytic refining of copper,；technological process design,；material balance； heat balan

6、ce年產(chǎn)6萬噸銅電解槽設計IAbstractII1緒論11.1銅的性質(zhì)11.2 銅的用途11.2.1銅的導電性11.2.2銅的導熱性11.2.3銅的耐蝕性21.3 銅工業(yè)的現(xiàn)狀21.4銅市場分析及展望21.5銅的冶煉方法31.6銅的電解精煉31.6.1銅電解精煉概述31.6.2銅電解精煉的目的31.6.3銅電解精煉的化學反應31.7電解銅的工藝流程41.8本設計的內(nèi)容及意義51.8.1本設計的內(nèi)容51.8.2本設計的意義52技術條件及經(jīng)濟技術指標的選擇62.1操作技術條件62.1.1電流密度62.1.2電解液成分62.1.3電解液溫度72.1.4電解液循環(huán)72.1.5添加劑82.1.6極距82

7、.1.7陽極壽命和陰極周期92.2銅電解精煉經(jīng)濟技術指標92.2.1電流效率92.2.2殘極率92.2.3銅電解回收率92.2.4槽電壓102.2.5直流單耗102.2.6蒸汽單位消耗102.2.7硫酸單耗102.2.8水單耗103.設備的主體設計113.1電解槽材質(zhì)113.2 電解槽總數(shù)113.3 陽極、陰極和種板和始極板與計算113.3.1陽極、陰極和種板的尺寸113.3.2電解槽中陰極、陽極的片數(shù)123.3.3 電解槽尺寸的確定123.3.4種板槽數(shù)的確定133.3.5脫銅槽數(shù)的確定133.3.6槽邊導電排、槽間導電板、陰極導棒134 冶金計算154.1物料平衡計算154.2 凈量液的計

8、算184.3 槽電壓組成計算194.4電解槽熱平衡計算194.4.1 熱支出204.4.2熱收入214.4.3 全車間需補充的熱量225專題 銅冶煉工藝研究進展225.1 概述225.2 閃速爐熔煉的特點235.2.1 生產(chǎn)能力大235.2.2 環(huán)境保護好235.2.3 自熱熔煉235.2.4生產(chǎn)穩(wěn)爐齡長245.2.5閃速吹煉245.2.6一步煉銅245.3 Comop工藝255.3.1工藝特點255.3.2 優(yōu)點255.4 用碳酸鈉作助熔劑的粗銅精煉新方法255.4.1 工業(yè)應用潛力265.4.2 與傳統(tǒng)火法精煉比較265.4.3還需研究的問題275.5 不銹鋼陰極電解技術275.6 因泰克

9、煉銅工藝285.6.1 工藝過程描述285.6.2經(jīng)濟分析28致謝30參考文獻311緒論1.1銅的性質(zhì)銅在元素周期表中，原子序數(shù)為29，屬第一副族，元素符號Cu，原子量63.54，比重8.92g/cm3，熔點1083。純銅呈淺玫瑰色或淡紅色。銅是人類最早發(fā)現(xiàn)的古老金屬之一，早在三千多年前人類就開始使用銅。銅熱導率高，抗張強度大，易熔接，且抗蝕性強，可塑性、延展性好。純銅可拉成很細的銅絲，制成很薄的銅箔。銅在干燥的空氣中不起變化，但在含有二氧化碳的潮濕空氣中則能氧化形成堿式碳酸銅（銅綠）的有毒薄膜。加熱至150，銅在空氣中開始氧化，高于350氧化生成Cu2O和CuO。因銅為正電性元素，故不能置換

10、酸（鹽酸和硫酸）中的氫，而僅能溶于有氧化作用的酸如硝酸和有氧化劑存在時的硫酸中。銅能溶于氨水及與氧、硫、鹵素等化合6。1.2 銅的用途銅是與人類關系非常密切的有色金屬，被廣泛地應用于電氣、輕工、機械制造、建筑工業(yè)、國防工業(yè)等領域，在我國有色金屬材料的消費中僅次于鋁。根據(jù)銅不同的物化性質(zhì)，用途不同。1.2.1銅的導電性銅最重要的特性之一便是其具有極佳的導電性，其電導率為58m/(mm2)。這一特性使得銅大量應用于電子、電氣、電信和電子行業(yè)。銅的這種高導電性與其原子結構有關；當多個單獨存在的銅原子結合成銅塊時，其價電子將不再局限于銅原子之中，因而可以在全部的固態(tài)銅中自由移動，其導電性僅次于銀8。1

11、.2.2銅的導熱性固體銅中含有自由電子所產(chǎn)生的另一重要效應就是其擁有極高的導熱性，其熱導性為386W/(mk)，導熱性僅次于銀。加之銅比金、銀儲量更豐富，價格更便宜，因此被制成電線電纜、接插件端子、匯流排、引線框架等各種產(chǎn)品，廣泛用于電子電氣、電訊和電子行業(yè)。銅還有各種換熱設備如熱交換器、冷凝器、散熱器的關鍵材料，被廣泛應用于電站輔機、空調(diào)、制冷、汽車水箱、太陽能集熱器柵板、海水淡化以及醫(yī)藥、化工、冶金等各種換熱場合8。1.2.3銅的耐蝕性銅具有良好的耐蝕性能，優(yōu)于普通鋼材，在堿性氣氛中優(yōu)于鋁。銅的電位序中是+0.34V，比氫高，是電位較正的金屬。銅在淡水中的腐蝕速度也很低（約0.05mm/a

12、）。并且銅管用于運送自來水時，管壁不沉積礦物質(zhì)，這點是鐵制水管所遠不能及的。正因為這一特性，高級衛(wèi)浴給水裝置中大量使用銅制水管、龍頭及有關設備。銅極耐大氣腐蝕，其在表面可形成一層主要有堿式硫酸銅組成的保護薄膜，即銅綠，其化學成分為CuSO4Cu(OH)2及CuSO43Cu(OH)2。因此銅材被用于建筑屋屋面板、雨水管、上下管道、管件；化工和醫(yī)藥容器、反應釜、紙漿濾網(wǎng);艦船設備、螺旋槳、生活和消防管網(wǎng)；沖制種類硬幣(耐腐蝕性)、裝飾、獎牌、獎杯、雕塑和工藝品(耐蝕性色澤典雅)等8。1.3 銅工業(yè)的現(xiàn)狀銅是國民經(jīng)濟發(fā)展的重要原材料，特別是在電氣工業(yè)方面應用更是廣泛。2005年，在中國消費快速增長的

13、帶動下，世界銅礦和精銅的產(chǎn)量均出現(xiàn)了一定的增長，產(chǎn)量分別為1 498萬t和1 634萬t，增幅均為31。中國銅產(chǎn)量和消費量均出現(xiàn)了快速的增長，2005年中國銅產(chǎn)量為253萬t，同比增長23。2006年，中國銅產(chǎn)量為290萬t左右，由此可見，中國銅工業(yè)在飛速發(fā)展?！?1】2000年底中國精煉銅產(chǎn)量為137.11萬噸，2005年達260.04萬噸，5年間增長100余萬噸以上，居世界第二位；陰極銅消費量也呈快速增長態(tài)勢，2000年陰極銅消費量為190萬噸，2005年達到368萬噸，居世界第一位。在中國國內(nèi)銅產(chǎn)品需求增長和產(chǎn)量增加的帶動下，中國銅產(chǎn)品進口快速增長10。1.4銅市場分析及展望2011年中

14、國銅冶煉行業(yè)新開工項目投資額比上年同期小幅回落，主要因新開工高峰期主要發(fā)生在前兩年；而同期已完成固定資產(chǎn)投資額同比大幅增長，主要因前兩年的新建產(chǎn)能已經(jīng)開始逐步投產(chǎn)和達產(chǎn)，且預計這種國內(nèi)銅冶煉投產(chǎn)進入高峰期情況將延續(xù)至2013年。據(jù)安泰科測算，2011年國內(nèi)新增的銅冶煉和精煉產(chǎn)能分別為60萬噸/年和115萬噸/年。冶煉和精煉產(chǎn)能的擴張，成為推動國內(nèi)精銅產(chǎn)量增長的主要驅(qū)動力以及壓制銅精礦加工費的重要因素。預計2012年中國銅實際需求總量增加7%左右?？紤]到2012年國內(nèi)精銅產(chǎn)量增長將加快，2012年中國凈進口需求將不會明顯提高，預計在215萬噸水平9。1.5銅的冶煉方法火法煉銅是將銅礦（或焙砂、燒

15、結塊等）和溶劑一起在高溫下熔化，或直接煉成粗銅，或先煉成冰銅（銅、鐵、硫為主的熔體）然后在煉成粗銅。該法除部分預備作業(yè)及電解精煉作業(yè)外，均在高溫下進行。濕法煉銅一般適于低品位的氧化銅礦，生產(chǎn)出的陰極銅稱為電積銅。濕法煉銅目前主要用于處理氧化銅礦。有氧化銅礦直接酸浸和氨浸（或還原焙燒后氨浸）等法；酸浸應用較廣，氨浸限于處理含鈣鎂較高的結合性氧化礦3。1.6銅的電解精煉1.6.1銅電解精煉概述 銅的火法精煉一般能產(chǎn)出含銅99.0% 99.8%的粗銅產(chǎn)品。銅的電解精煉，是將火法精煉的銅澆鑄成陽極板，用純銅薄片作為陰極片，相間地裝入電解槽中，用硫酸銅和硫酸的水溶液作電解液，在直流電的作用下，陽極上的銅

16、和電位較負的賤金屬溶解進入溶液，而貴金屬和某些金屬（如：硒、碲）不溶，成為陽極泥沉于電解槽底。1.6.2銅電解精煉的目的電解精煉的目的是：(1) 降低銅中的雜質(zhì)含量，從而提高銅的性能，使其達到各種應用的要求；(2) 回收其中的有價金屬，尤其是貴金屬和稀散金屬。電解過程中，溶液中的銅在陰極上優(yōu)先析出，而其它電位較負的賤金屬不能在陰極上析出，留于電解液中，待電解液定期凈化時除去。這樣，陰極上析出的金屬銅純度很高，稱為陰極銅或電解銅，簡稱電銅1。1.6.3銅電解精煉的化學反應傳統(tǒng)的銅電解精煉是采用純凈的電解銅薄片作陰極，陽極銅板含有少量雜質(zhì)（一般為0.3% 1.5%）。電解液主要為含有游離硫酸的硫酸

17、銅溶液。陽極上進行的是銅和一些雜質(zhì)的氧化反應。Cu-2e=Cu2+=+0.34V H2O-2e=1/2O2+2H+=+1.23V -2e=SO2+1/2O2=+2.42V式中M為Fe、Ni、Pb、As、Sb等比Cu更負電性的元素。這些元素在銅中的含量低，其電極電位更負，因此將優(yōu)先溶解進入電解液，同時銅也不斷地溶解到電解液中。水和硫酸根離子的氧化電位比銅正得多，其反應不可能進行。金、銀和鉑族金屬的電位更正，不能被氧化進入電解液，最后進入陽極泥中。陰極上進行的是銅的還原反應。Cu2+2e=Cu =+0.34V2H+2e=H2=0V氫的標準電極電位比銅負，且在銅陰極上的超電位，使氫的電極電位更負，所

18、以在正常電解條件下不會析出氫。電極電位比銅負的元素，也不能在陰極上析出4。1.6.4 陽極上雜質(zhì)行為根據(jù)陽極上雜質(zhì)在電解時的行為，可將它們分為三類：1、正電性金屬和以化合物存在的元素金銀和鉑族金屬為正電性金屬，它們不進行電化學溶解而落入槽底。陰極銅中含有這些金屬是由于陽極泥機械夾帶來的結果。Ag2SO4可溶于電解液中，但當加入少量氯離子（以HCl形式存在）時，則形成AgCl進入陽極泥。氧、硫、硒、碲、為穩(wěn)定化合物存在的元素。它們以Cu2S、Cu2O、Cu2Te、Cu2Se、Ag2Se、Ag2Te等存在陽極板內(nèi)，電解時亦進入陽極泥中。2、負電性的鎳、鐵、鋅火法精煉很容易將鐵和鋅脫除，一般陽極銅中

19、的鐵和鋅的含量僅0.0010.003%，陽極中的鐵以Fe2+形式進入電解液，在電解過程中部分被氧化成Fe3+進而降低陽極電流效率。當Fe3+移向陰極時，又被還原成Fe3+，降低陰極電流效率。鐵在陰陽極間發(fā)生氧化還原反應使電流效率下降。同時，鋅和鐵在陽極的溶解會增加硫酸消耗，在電解液中積累導致電解液電阻增大，還會增大電解液的粘度。鉛在陽極溶解時形成不容性的PbSO4沉淀。陽極中的錫首先以Sn2+形式進入電解液，之后逐漸被氧化成四價錫，再水解生成溶解度較小的堿式鹽沉入槽底成為陽極泥。， 陽極含氧量對鎳的溶解有很大影響:陽極含氧低，則鎳絕大部分溶解進入電解液;陽極含氧高，則由于生成難溶化合物，鎳很大

20、一部分進入陽極泥。3、電位與銅相近的砷、銻、鉍電解時，它們可能在陰極上析出。它們還生成極細的絮狀SbAsO4和BiAsO4砷酸鹽，漂浮在電解液中，機械地粘附在陰極上，其粘附量相當于砷銻放電析出的兩倍，而且銻進入陰極的數(shù)量比砷大，因此銻的危害更為突出。1.7電解銅的工藝流程火法精煉產(chǎn)出的陰極銅品位一般為99.299.7%，其中還含有0.30.8%的雜質(zhì)。為了提高銅的性能，使其達到各種應用的要求，同時回收其中的有價金屬，特別是貴金屬、鉑族金屬和稀散金屬，必須對其進行電解精煉。粗銅電解精煉是以銅陽極板為陽極，純銅始極片或不銹鋼板為陰極，以硫酸銅和硫酸溶液為電解液，將極板按一定的極距相間排列于電解槽內(nèi)

21、，通入直流電，陽極不斷溶解，便在陰極上析出電解銅。電解過程中，陽極銅中的貴金屬和硒、碲等有價元素進入陽極泥，沉積于電解槽底，定期排出，送陽極泥車間提取貴金屬。鎳、砷、銻、鉍等雜質(zhì)大部分進入電解液，需從循環(huán)液中抽取一部分進行凈化處理。工藝流程包括電解精煉和電解液凈化兩部分。以純銅始極片為陰極，電源為恒向直流電，電流密度為220280A/m2。該法在世界各國均已有多年生產(chǎn)歷史，工藝成熟可靠，電耗低。特別是采用了機械化、自動化水平高的陰陽極加工機組，并采用新技術適當提高了陰陽極板的垂直度以后，陰極銅產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著的改善。是傳統(tǒng)法的始極片制作工藝復雜，不僅需要獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)，而且制作過程中勞動強度過

22、大。除此之外，這種工藝流程自身還存在兩個難以克服的缺點：（l）電解精煉過程中存在“極限電流密度”，電解精煉時的實際電流密度必須低于極限電流密度，否則就會使陰極銅沉積表面粗糙，甚至形成“枝晶”，造成電解槽短路，使電解過程能耗大大增加，并且影響正常生產(chǎn)過程和產(chǎn)品質(zhì)量。（2）容易形成“陽極鈍化”，在正常電壓下陽極不能溶解，必須提高電壓使鈍化膜在更高的電壓下被破壞并溶解，不僅影響正常生產(chǎn)，還會造成電能浪費和陰極銅的化學成分不穩(wěn)定，進而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和物理性能。 圖1-1 電解銅的工藝流程1.8本設計的內(nèi)容及意義1.8.1本設計的內(nèi)容本設計的內(nèi)容包括電解工藝的確定，銅電解精煉冶金計算，主要設備結構圖的繪

23、制等。銅電解精煉工藝流程的確定通過比較，選擇先進、經(jīng)濟、合理的銅電解精煉的工藝流程。冶金計算：銅電解精煉冶金計算包括：電解過程金屬平衡和物料平衡。重要設備尺寸計算及選擇：根據(jù)工藝流程各個主要過程，合理地選擇主要冶煉設備和確定個數(shù)、容量、對其主要尺寸加以計算。主要設備結構圖的繪制：銅電解精煉車間設計的圖紙主要為電解槽構造圖。1.8.2本設計的意義本設計通過電解槽主體設計和冶金計算，結合實際情況提高對知識的運用以及生產(chǎn)中的各項技術條件及經(jīng)濟技術指標。了解銅電解精煉的工藝流程，以及對銅電解槽的物料平衡、有害雜質(zhì)在電解液中的允許含量以及凈化過程中雜質(zhì)的脫除效率及熱平衡等內(nèi)容的計算，對主體設備進行設計和

24、繪圖。最終得到完整的設計方案，對于建設新銅電解車間及提高銅電解的效率有很大的幫助。2技術條件及經(jīng)濟技術指標的選擇2.1操作技術條件銅電解精煉技術條件的控制，對操作過程的正常進行，技術經(jīng)濟指標的改善和保證電銅的質(zhì)量都具有決定性的意義。2.1.1電流密度提高電流密度可以提高電解槽的生產(chǎn)能力。隨著電流密度的提高，電解過程中電流產(chǎn)生的熱量增加，因而用來加熱電解液的蒸汽耗量可相對減少。然而，隨著電流密度的提高，槽電壓上升，電能消耗也相應增大。如果電流密度過高，有可能引起電流效率下降、貴金屬損失增加一級影響電銅質(zhì)量。電流密度的大小可根據(jù)具體情況加以確定，電流密度范圍為200360A/m2。隨著生產(chǎn)技術和管

25、理水平的提高，各廠家采用的電流密度有提供的趨勢。周期反向電流電解，有效地解決了由于高電流密度而出現(xiàn)的陽極鈍化問題，因而，采用周期反向電流電解技術的廠家都選用較高的電流密度。2.1.2電解液成分電解液成分主要由硫酸和硫酸銅水溶液組成。一般含銅4050g/L，含硫酸180240g/L。實際電解液中銅和硫酸的含量應視電流密度，陽極成分和電解液的純凈度等條件而定。由于電解液的電阻隨著酸度的增加而降低，隨含銅量的增加而升高，所以，為了降低電耗，一般采用高酸低銅電解液組分比較有利。然而，由于硫酸銅的溶液濃度隨著硫酸濃度的增加而降低，如果硫酸含量過高，硫酸銅含量過高，硫酸銅容易從電解液中結晶析出，同事加劇了

26、陽極鈍化。隨著陽極的溶解，電解液中的雜質(zhì)不斷積累，雜質(zhì)的積累使硫酸銅的溶解度降低。因此在雜質(zhì)含量高的電解液中，硫酸含量也應適當減小。電解液中銅含量的不斷上升和下降，都是不希望的現(xiàn)象。含銅量不斷上升，電解液的電阻不斷增加。當銅量超過其溶解度時，或因電解液的溫度下降是，硫酸銅會從溶液中結晶析出，從而使電解作業(yè)不能正常進行。電解液的含銅量不斷下降，則雜質(zhì)可能在陰極上析出，故必須根據(jù)各種具體條件加以掌握，以控制電解液的含銅量處于規(guī)定的范圍。鎳、鐵、砷、銻、鉍等雜質(zhì)濃度過高會增大電解液的電阻和濃度，降低硫酸銅的溶解度，且砷、銻和鉍濃度過高造成的漂浮陽極泥會嚴重影響陰極銅的質(zhì)量。元素NiAsSbBiFe含

27、量/（g/L）1570.60.53表2-1銅電解液中有害雜質(zhì)允許含量2.1.3電解液溫度電解液溫度是影響電解過程技術經(jīng)濟指標和產(chǎn)品質(zhì)量的因素。實驗證明，提高電解液的溫度可使電解液粘度大幅度下降，電解液中懸浮的微粒得以沉降，保證不和陰極銅機械吸附。同時電解液的溫度越高Cu2+的遷移速度大大增加；有利于Cu2+的傳質(zhì)，使陽極鈍化和陰極區(qū)Cu2+濃度的貧化明顯消除，從而使銅在陰極上均勻析出（如圖2-2）。溫度（）455055606570百分電阻108.2103.8100.096.694.091.4表2-2溫度對電解液百分電阻的影響（硫酸200g/L）但溫度過高，蒸汽的耗量卻異常地增加。累計總能偏高，

28、從而使經(jīng)濟效益降低。更重要的是，車間酸的蒸發(fā)量增加，使操作環(huán)境惡化。同時銅的化學溶解速度顯著增加Cu2+濃度增大，影響Cu2+和Cu+的平衡，相應銅粒子的數(shù)量增加。其次，對設備、廠房的腐蝕加重，對塑料設備的老化影響更大。我國一般將電解液溫度控制在5860。2.1.4電解液循環(huán)電解液的循環(huán)可使電解液的組成和溫度均勻一致，降低濃差極化，改善陰極銅質(zhì)量。電解液的循環(huán)方式有兩種：下進上出和上進下出。這兩種方式各有優(yōu)缺點：下進上出方式有利于溶液的充分混合，但與陽極泥沉降方向相反，造成陽極泥沉降困難。上進下出方式對陽極泥沉降有利，但對電解液混合不利，電解液上下層濃差較大。電解液循環(huán)量過大，不僅增加動力消耗

29、，而且影響電解液中懸浮雜質(zhì)和陽極泥離子的下沉，甚至沖起陽極泥，影響電銅質(zhì)量，增加貴金屬的損失。循環(huán)量的選擇主要取決于循環(huán)方式、電流密度、電解槽容積、陽極成分等。當操作電流密度高時，必須采用較大的循環(huán)量，以減少濃差極化。一般中小型電解槽循環(huán)量取2030L/（min槽）。2.1.5添加劑為了獲得優(yōu)質(zhì)的陽極銅，除了嚴格控制各工序電解技術條件外，還應添加適量膠質(zhì)物質(zhì)和表面活性物質(zhì)，以改善陽極表面質(zhì)量。一般采用的添加劑及其作用分述如下。(1) 動物膠。動物膠是銅電解精煉過程中的主要添加劑。加入適量的動物叫能使析出的陰極沉積物致密光潔，改善陰極表面的物理狀態(tài)。陽極銅雜質(zhì)含量高，且電流密度也高時，加入動物膠

30、量要稍多些。但加入量過多時，電解液的電阻增大，陽極銅易產(chǎn)生分層，質(zhì)脆現(xiàn)象。(2) 硫脲。硫脲是表面活性物質(zhì)，與動物膠混合使用，可在高電流密度下獲得結構致密的陰極銅。當加入量過高時，硫脲會促進疙瘩的形成和粗糙的沉積。有研究認為，硫脲可能與同生成化合物，造成電銅含硫過高。(3) 干酪素。干酪素與動物膠混合使用，能抑制陰極表面粒子的生長和改善粒子的形狀。(4) 鹽酸。鹽酸用來維持電解液中氯離子的含量。電解液中的氯離子可使溶入電解液中的銀生成氯化銀沉淀，降低銀的損失。氯離子的存在有利于消除陽極鈍化，有利于消除陰極樹枝狀結晶，降低陰極沉積的內(nèi)應力。陰極中砷銻過高時，電銅發(fā)脆，氯離子的存在有抑制作用。電解

31、液中氯離子濃度過高時，陰極上會產(chǎn)生針狀結晶。添加劑對改善陰極表面質(zhì)量有明顯的作用，但加入量過多會產(chǎn)生副作用。必須根據(jù)陽極銅成分、電流密度、電解液雜質(zhì)含量等條件選用合適的和適量的添加劑。種類動物膠硫脲干酪素鹽酸(ml/t電銅)用量/(g/t電銅)255020501540300500表2-2常用添加劑種類和用量2.1.6極距極距一般指同極中心距?？s短極距能降低槽電壓，減小電能消耗，還能提高電解槽利用系數(shù)，提高勞動生產(chǎn)率。但極距過小會引起陽極短路及陽極泥對陰極的污染，使電銅表面粗糙，貴金屬損失增加。如管理不善，還會降低電流效率。極距的大小與極板的尺寸、加工精度有關，小型極板的同極中心距一般為75-9

32、0mm，大型極板則為100-110mm。2.1.7陽極壽命和陰極周期陽極壽命根據(jù)電流密度、陽極質(zhì)量及殘極率來確定，一般為1824天。陰極周期與電流密度、陽極壽命及勞動組織等因素有關，一般為陽極壽命的1/3.為獲得致密、平整的陰極銅，始極片必須結構致密，表面光滑。所以種板電解槽的技術條件控制比普通電解槽更為嚴格，為此，大、中型電解廠種板槽的電解液循環(huán)系統(tǒng)及添加劑加入裝置和直流供電裝置宜單獨設置。2.2銅電解精煉經(jīng)濟技術指標2.2.1電流效率電流效率是指銅電解精煉過程中，陰極實際析出量與理論析出量的百分比。銅電解精煉的電流效率一般為94%98%左右。影響電流效率的主要因素有：1、短路。由于電極放置

33、不正或陰極上產(chǎn)生樹枝狀結晶而引起短路。2、漏電。由于電解槽與電解槽之間、電解槽與地之間、溶液循環(huán)系統(tǒng)等絕緣不良而引起的漏電。3、化學溶解。陰極銅在硫酸中的化學溶解速度決定于溶液溫度、硫酸濃度、銅離子濃度、三價鐵離子濃度以及溶液氧含量。由于上述因素的影響，通常銅的化學溶解能使電流效率降低0.25-0.75%。2.2.2殘極率殘極率是指生產(chǎn)出殘極量占消耗陽極量的百分比。殘極率低可以減少重熔的費用和金屬損失，提高直接回收率；但是，殘極率過低又會造成槽電壓升高，電能消耗增加，電能效率降低，甚至還會使殘極碎片跌落槽底，損壞槽襯。因此，殘極率以選擇14-18%為宜。2.2.3銅電解回收率銅電解回收率反映銅

34、電解過程中銅的回收程度，其計算方法如下：銅電解回收率（%）=電銅含銅量（裝入原料含銅量-回收品含銅量）回收品是指殘極、銅屑、碎銅、制取硫酸銅溶液及陽極泥等含銅物料銅電解回收率一般為99.6-99.8%左右。2.2.4槽電壓槽電壓由下列各項電位降組成：電解液的電位降、各接觸點和克服陽極泥電阻的電位降、濃差極化所引起的電極電位降等項相加所得之和。工廠普通電解槽的槽電壓一般為0.2-0.3伏，種板電解槽則稍高一般為0.3-0.4伏。2.2.5直流單耗直流單耗是指生產(chǎn)一噸電銅所消耗的直流電量。消耗的直流電量包括普通電解槽、種板電解槽、脫銅電解槽及線路損失等全部直流電流消耗量。一般的直流單耗為23028

35、0kW?h/t。2.2.6蒸汽單位消耗蒸汽單耗為生產(chǎn)一噸電銅所消耗的蒸汽量。蒸汽單耗與電解液溫度，電流密度及電解槽覆蓋等保溫措施有關。近年來，隨著節(jié)能措施的采用，銅電解精煉過程的蒸汽單耗大幅度的下降。降低蒸汽單耗的措施主要包括電解槽覆蓋，電解槽體、高位槽、供液箱及管道保溫，選用先進的加熱器等。在無保溫措施的條件下，蒸汽單耗一般為11.5t/t電銅；在現(xiàn)代有保溫措施的的銅電解過程中，蒸汽單耗一般為0.20.6t/t電銅。2.2.7硫酸單耗生產(chǎn)一噸電銅消耗的硫酸量一般為410kg/t電銅2.2.8水單耗生產(chǎn)一噸電銅消耗的水量一般為35m3/t電銅3.設備的主體設計3.1電解槽材質(zhì) 現(xiàn)在普通采用的鋼

36、筋混凝土槽體,內(nèi)襯造價低廉、耐熱、耐腐蝕和電絕緣性能良好的材料，一般為鉛或含銻3%6%的鉛銻合金板、軟板聚氯乙烯和玻璃鋼。新建工廠及老長的改造中逐漸推廣使聚氯乙烯襯里和玻璃鋼襯里。通常電解槽由長方形槽體和附設的供液管，排液斗，出液斗的液面調(diào)節(jié)堰板等組成。槽底部通常做成一端向另一端或由兩端向中央傾斜，傾斜度3%，最低處開設排泥孔，較高處有清槽用的放液孔，分別供刷槽時排放陽極泥和電解液用。此外，鋼筋混凝土槽體底部還開設檢漏孔，以觀察內(nèi)襯是否破損。鋼筋混凝土電解槽壁厚一般為80120mm。電解槽安裝在鋼筋混凝土橫梁上，槽底四角以橡膠板（或塑料板）和瓷磚，用以絕緣。兩個相鄰電解槽之間留2030mm的空

37、隙，用以槽間絕緣。鋼筋混凝土電解槽內(nèi)襯選擇原則：造價低廉、耐高溫、耐腐蝕和電絕緣性能良好的材料，一般為鉛或含銻36%的鉛銻合金板、軟板聚氯乙烯和玻璃鋼、鉛襯厚一般為35mm；聚氯乙烯襯里通常為二層，每層厚45mm；內(nèi)層塑料襯里一般不正槽鋪設；玻璃鋼襯里一般為610層，厚約35mm。3.2 電解槽總數(shù)電解槽總數(shù)包括普通電解槽、種板電解槽。電解槽總數(shù)可按下式計算： （3-1）式中：N電解槽總數(shù)，個；M年產(chǎn)電解銅量，t；350年工作日，日；33.5日通電時數(shù)，h；電流效率，%；I電流強度，A；1.186銅的電化當量，g/（Ah）。641個 根據(jù)實際情況取660個3.3 陽極、陰極和種板和始極板與計算

38、3.3.1陽極、陰極和種板的尺寸陽極尺寸的選擇與生產(chǎn)規(guī)模，操作的機械化程度及其他一些技術條件有關。機械化程度較高的大型工廠采用大型陽極板，其質(zhì)量范圍一般在300kg以上。中、小型工廠，機械化程度較低，常采用小型陽極板。因此，本結合本設計的實際情況陽極板的尺寸為1000960mm。為了避免陰極邊緣生產(chǎn)樹枝狀結晶，通常陰極尺寸比陽極稍大，寬度大約為3555mm。比陽極長2545mm。本設計陰極板的尺寸為10201000mm。3.3.2電解槽中陰極、陽極的片數(shù)每槽陰極片數(shù) （3-2）式中：每槽陰極片數(shù)，片；I電流強度，A；電解槽電流密度，A/每片始極板的面積，。每槽陽極數(shù)為+1.這種情況下，電解槽兩

39、端放陽極，每槽內(nèi)陽極比陰極多一片、在采用鉛板做槽襯時，為了防止電解槽兩端結銅，也可在電解槽兩端結銅，也可以在電解槽兩端放陰極。此時每槽陰極片數(shù)為+1，陽極片數(shù)為。本設計電流密度取260A/。 38個 因此，本設計兩端放陽極板，陰極板比陽極板多一片，所以陽極板為37片。3.3.3 電解槽尺寸的確定電解槽長度：設電解槽兩端各留一定距離A（一般A取100150mm），則電解槽長度為：陽極片數(shù)（或陰極片數(shù)）極距+2A38100+2100=4000mm電解槽的寬度：設陰極兩側(cè)距槽邊各留一定距離B(B一般取5055，則電解槽寬度為：陰極長度+2B1020+250=1120mm電解槽的深度：設陰極下端距槽底

40、各留一定距離C（C一般取250300mm），陰極上端距槽底各留一定距離D（一般D取50100mm），則電解槽深度為陰極長度+C+D1020+200+100=1320mm3.3.4種板槽數(shù)的確定銅點解精煉過程所需種板槽數(shù)可按以下式計算： （3-2）式中：X種板電解槽數(shù)，個；N車間電解槽總數(shù)；nc一個商品電解槽的陰極數(shù)；p一個陰極所需始極片量，取1.06；a種板周期；A陰極周期；B一個種板電解槽的種板數(shù),片=57個3.3.5脫銅槽數(shù)的確定在銅電解精煉過程中，電解液中的銅離子濃度會不斷上升。為了保持銅離子濃度的穩(wěn)定，可采用脫銅措施。脫銅有兩個途徑，一是每天抽取一定的電解液，由凈液過程脫除一部分；二是

41、在普通電解槽系統(tǒng)設置脫銅槽。脫銅槽中的電解過程屬于電解提取過程，槽電壓為2.0V左右，電流效率一般在90%95%范圍之內(nèi)。本設計電流效率定位95%3.3.6槽邊導電排、槽間導電板、陰極導棒槽邊導電排與整流機供電導線相連，通過的電流為電解槽的總電流。導電排的允許電流密度可取11.1A/；對小型精煉廠，由于電流強度不大，導電排的允許密度還可適當提高到1.41.6A/。導電排截面積可按下式計算： （3-3）式中F1導體截面積，；A總電流，A；D1允許電流強度，A/。本設計電流密度取1A/m2=導電排的溫度不應高于周圍空氣40，當計算出導體截面積后，還應用下式進行溫升演算： (3-4)式中：Q導體與周

42、圍空氣溫度差，K散熱系數(shù)，在露天取25，在室內(nèi)取85；I電流強度，A；導體比電阻，銅為0.0175；S導體橫斷面積，；n導體斷面的周長，mm。導電排通常采用多塊銅板疊成，每塊尺寸10010mm。槽間導電板由紫銅制作，其斷面一般采用圓形、半圓形、三角形等，使接觸點保持清潔；槽間導電板允許電流密度可取0.30.9 A/，其截面積可按下式計算： (3-5)式中槽間導電板的截面積，；A總電流，A；n每槽陰極數(shù)；槽間導電體允許電流強度，A/結合實際取0.5 A/=326陰極導電棒一般以紫銅制作，其斷面有方形、圓形、中空方形及鋼芯銅皮方形等，視陰極的大小和重量決定。考慮到強度及加工的方便，中、小極板一般選

43、用中空方形導電棒；大極板則選用鋼芯包銅方形導電棒。陰極導電棒允許電流密度可取11.25 A/。結合實際取1 A/其截面積可按公式計算。中空方形導電棒的壁厚通常采用4mm。=2634 冶金計算4.1物料平衡計算(1)電解過程中陽極中各元素的分配。銅電解精煉過程中陽極所含個元素在陰極銅陽極泥和電解液三者之間 的分配主要取決于陽極的化學組成和一些技術條件。根據(jù)有關文獻資料，表4-1給出了陽極中各元素分配率的范圍。(2)陽極泥率和陽極成分的計算。根據(jù)所給陽極成分和電解過程中個元素的分配率，計算出陽極泥率和陽極泥成分。(3)陰極銅化學成分的計算。根據(jù)所給陽極成分和確定個元素的分配率，計算出陰極銅的化學組

44、成。(4)物料平衡表。根據(jù)銅的回收率、殘渣率和以上計算結果，計算和編制出銅的物料平衡表。陽極銅成分級陽極中各元素的分配率見表4-1和表4-2所示：計算條件：年產(chǎn)電解銅6萬噸電流效率：96%殘極率：16%銅電解回收率：99.5%年工作日：350d日通電時數(shù)：23.5h電解槽作業(yè)率：95.5%始極片尺寸：0.780.732電流強度：10000A元素CuNiPbAsSbBiZnFeSnOAuAg 其他含量/%99.40.10.10.0160.040.0030.0010.0040.0010.020.0030.085 0.227表4-1陽極成分元素進入溶液%進入陽極泥%進入陰極%Cu1.930.0798

45、Au991Ag 982As63307Sb256510Bi15805Pb96.53.5Sn58510Fe721018Ni89.5100.4Zn 93 43S964O100其他5905表4-2電解過程中各元素的分配率元素進入陽極泥的量占陽極溶解量的百分數(shù)%陽極泥成分%Cu99.40.0007=0.0695813.3Au0.0030.99=0.002970.5Ag0.0850.98=0.083315.9As0.0160.30=0.00480.09Sb0.040.65=0.0265.0Bi0.0030.80=0.00240.5Pb0.10.965=0.096518.5Sn0.0010.85=0.000

46、850.2Fe0.0040.10=0.00040.1Ni0.10.10=0.01 1.9 Zn0.0010.04=0.00040.1S0.0020.96=0.001920.3O0.021.0=0.023.8其他0.2270.9=0.204339陽極泥率0.523100表4-3陽極泥率和陽極泥成分計算元素陰極析出量占陽極溶解量百分比%陰極銅成分%Cu99.40.98=97.41299.98973Au0.0030.01=0.000010.00008Ag0.0850.02=0.00170.00174As0.0160.07=0.001120.00115Sb0.040.1=0.0010.00102Bi0

47、.0030.05=0.000150.00015Pb0.10.035=0.00350.00359Sn0.0010.1=0.00010.00010Fe0.0040.18=0.000720.00073Ni0.10.004=0.00040.00041Zn0.0010.03=0.000030.00003S0.0020.04=0.000080.00008其他0.2270.005=0.0.00117合計97.422100表4-4陰極銅成分計算（1）1t陰極銅需要溶解陽極量：6000099.989%=59993.4t（2）陽極實際需要量：59993.4/99.5%=60294.8t（3）實際溶解陽極量：602

48、94.8/98%0.07%=4306.8t（4）陽極泥量：4306.8/13.3%=32382.0t (5) 生產(chǎn)60000t電銅要進入溶液中的銅量：59993.4/98%1.93%=1181.5t(6)生產(chǎn)60000t電銅所需陽極的數(shù)量：（60294.8+4306.8+1181.5）/(84%99.4%)=78785.9t陽極含銅量：78785.999.4%=78913.2t（7）殘極量：78785.916%=12605.7t殘極含銅量：12605.799.4%=12530.1t用上述結果編制物料平衡表：進料物料名稱數(shù)量/t銅含量/%純銅量/t陽極銅78785.9t99.478913.2合計

49、78913.2出料物料名稱數(shù)量/t銅含量/%純銅量/t陰極銅6000099.98959993.4殘 極12605.799.412530.1陽極泥32382.013.34306.8電解液1181.5損 失15.013合 計78026.8表4-5物料平衡表4.2 凈量液的計算凈液量是根據(jù)陽極銅成分，各種雜質(zhì)進入電解液的百分數(shù)、有害雜質(zhì)在電解液中的允許含量以及凈化過程中雜質(zhì)的脫除效率。計算需要以下數(shù)據(jù)生產(chǎn)60000t電銅需要78913.2t陽極銅，其中殘極量為12605.7t。陽極銅中銅及主要雜質(zhì)含量：Cu: 99.4%,Ni: 0.1%,As: 0.016%,Sb:0.04%,Bi:0.003%;

50、進入溶液的百分數(shù)：Cu 1.3%, Ni 89.6%, As 63%,Sb 25%,Bi 15%;電解液中銅和雜質(zhì)的允許含量（g/L）:Cu 45,Ni 15 ,As 7,Sb 0.6,Bi 0.5； 采用冷卻結晶法生產(chǎn)粗硫酸鎳，這幾種物質(zhì)的脫除率：Cu 98%，Ni 75%，As 85%，Sb 85%，Bi 85%。按主要元素分別計算凈液量如下：18645/a5276/a1122/a9386/a701/a從計算結果來看，需凈液最大的是銅元素，其次是鎳。銅的脫除采用在電解工序電解槽中增加不溶陽極的方法脫除，故凈液量以鎳元素為所需量計算，取5276/a。凈液量確定以后根據(jù)已知：電流效率：96%，

51、電流強度：10000A，年工作日：350d，日通電時數(shù)：23.5h。所需脫銅脫除的銅量為：（18645-5276）45=601.6t所需脫銅槽數(shù)：6.4個確定脫銅槽數(shù)為7個。4.3 槽電壓組成計算銅電解精煉電解槽的槽電壓一般為0.2-0.3V。槽電壓主要由陰陽極電位差，電解液電阻產(chǎn)生的電壓降以及導體、接點和陽極泥電阻產(chǎn)生的電壓降三部分組成，其計算公式如下： (4-1)式中V-槽電壓，V；-陽極電位，V；-陰極電位，V；I-電流強度，A；-電解液電阻，r-導電棒，電極，陽極泥及接點電阻，1.陰陽極電位差。銅電解精煉過程的陰陽極電位差主要是由于濃差極化造成的。濃差極化的程度與電流密度、電解液攪拌強度、電解液溫度、電解液含銅量和含酸量以及添加劑濃度等因素有關。2電解液壓降。電解液壓降是