铜电解车间设计.doc

前 言同时人类历史上发现的最早的金属，约一万年前，人们就已经将统计工程为各种生活用品和生产用具。到现在，世界上生产痛的方法主要分火法炼铜，湿法炼铜。火法炼铜是指在高温炉中进行的痛的冶炼过程，而湿法是在常温或者是在一百摄氏度左右进行的冶金过程。经过活法和湿法得到的铜主要是得到可以进行电解精炼的阳极铜。铜电解精炼工艺1869年首次在工业上应用，阳极使用粗铜板，阴极使用始极片电解生产阴极铜的电解精炼工艺称为传统法。在随后的一百多年的发展历程中其基本原则和理论并没有发生多大的变化，而在围绕提高技术装备水平、扩大生产规模提高阴极铜质量、降低能耗和人工消耗等方面，则有了巨大的进步，这种进步在近几十年间尤为显著。直到1978年PLY铜精炼有限公司汤斯维尔铜电解精炼厂使用永久性不锈钢阴极板替代传统工艺使用的铜始极片，阴极铜产品由自动剥片机上剥取的方法就是后来的ISA法铜电解技术。ISA法和传统法相比，其最大的优点是减少了始极片的生产工序，降低了生产车间的投资成本，减少了日常维护费用，生产作业的周期也大为缩短，能够持续生产高质量的阴极铜，可以说ISA法铜电解技术是传统法的突破性发展。本设计根据毕业设计任务书的要求在综合比较各种铜电解工艺的基础上做出最终的设计方案，设计采用ISA法新工艺，对铜精矿的选取、备料、熔炼、阳极浇铸等工艺进行了一般性的论述。本次设计的重点是电解车间工艺的初步设计，其中包括工艺流程的选择、设备的选型、定员、技术经济核算等方面。设计中采用的主要参数和指标是以贵溪冶炼厂电解工艺的参数为基准，使设计理论更合理，更符合实际工厂生产的需要。文献综述1.1铜1.1.1铜的性质 铜属第四周期第一副族元素。原子序数29，原子量63.57，密度为8.89g/cm-3(20),熔点1083,沸点2310。铜是一种玫瑰红色、柔软、具有较高的导电性、传热性、延展性、抗拉性和耐腐蚀性的金属。铜易于锻造和压延，能拉成很细的铜丝，能压成0.0026mm厚的铜箔；在金属中铜的导电性仅次于银。液态铜能溶解某些气体，如氢、氧、二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳和水蒸气等。温度越高，溶解度越大。由于溶解的气体与铜及铜中杂质发生化学作用，因而会导致铜的机械性能和导电性、传热性显著恶化。铜属于活性小的金属。铜在干燥空气中常温时稳定，加热时（185以上）开始氧化，赤热时，在铜的表面会生成一层由氧化铜和氧化亚铜组成的黑色覆盖物，在氧充足时表面生成的是氧化铜，里层为氧化亚铜。在含有二氧化碳的潮湿空气中，铜的表面会慢慢生成有毒的铜绿即铜锈。铜在高温下不与氢、氨或碳作用，但在常温下能与卤素作用。铜的表准电位为0.34V，在电位顺序中，铜为于氢的后面。盐酸和稀硫酸不与铜发生反应，但有氧存在时，铜可缓慢溶解，并生成相应的盐。铜可充分迅速地溶于硝酸中，并溶于浓硫酸中，也能很好地溶于热的稀硫酸。1.1.2铜的用途纯铜呈紫红色，熔点约1083.4，沸点2567，密度8.92g/cm3，具有良好的延展性。1g纯铜可拉成3000m细铜丝或压延成面积为10m2几乎透明的铜箔。纯铜的导电性仅次于银，但比银便宜得多，所以当今世界一半以上的铜用于电力和电讯工业上。1.1.3 铜产品分类（1）按自然界中存在形态分类 自然铜铜含量在99%以上，但储量极少；氧化铜矿为数也不多；硫化铜矿含铜量极低，一般在2-3%左右，世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的。 （2）按生产过程分类 铜精矿冶炼之前选出的含铜量较高的矿石； 粗铜铜精矿冶炼后的产品，含铜量在95-98%；纯铜火炼或电解之后含量达99%以上的铜。（3）按主要合金成份分类 黄铜铜锌合金；青铜铜锡合金等(除了锌镍外，加入其他元素的合金均称青铜)；白铜铜钴镍合金 。（4）按产品形态分类铜管、铜棒、铜线、铜板、铜带、铜条、铜箔等 1.2铜电解精炼原理铜电解精炼是以火法精炼的铜为阳极，硫酸铜和硫酸水溶液为电解质，电铜为阴极向电解槽通直流电使阳极溶解，在阴极析出更纯的金属铜的过程。根据化学性质的不同，阳极中的杂质或者进入阳极泥或者保留在电解液中而被脱除。1.2.1电解精炼的电极反应同电解精炼是在硫酸铜和硫酸溶液中进行，根据电离理论，溶液中存在H+、Cu2+、SO42-离子和水分子，因此在阳极和阴极之间施加电压通电时，将发生相应的反应。阳极反应：阳极可能进行的反应如下：Cu-2e=Cu2+ ECu2+/Cu=0.34vMe-2e=Me2+ EMe2+/Me0.34v根据电化学原理，在阳极上放电的是电极电位代数值较小的还原态物质，而在阴极上放电的是电极电位较大的氧化态物质。因此，阳极上主要是铜的溶解，阴极上主要是铜的析出。杂质在电解液中的行为主要决定于它们在电位序上的位置及其在电解液中的溶解度。电极电位较铜更负的杂质金属（EMe2+/Me0.34v）在阳极不发生放电化学溶解，以阳极泥形态沉积槽底，从而实现了铜与阳极泥的分离。在电解精炼过程中，可以将铜阳极中的杂质分为四类：1.）锌、铁、镍、钴、锡、铅等属于电极电位比铜更负的一类，点解释均溶于电解液中，其中的铅进一步生成难溶的硫酸盐沉降进入阳极泥。这类金属大多数在火法精炼时已经被除去，少量进入溶液积累使电解液变得不纯，因此，要定期抽出一部分电解液进行净化。2）金、银和铂族的金属的电极电位比铜正，几乎全部转入阳极泥，少量溶解的银也会同电解液中的氯离子化合生成氯化银沉入阳极泥。铜阳极泥是回收金、银等贵金属的原料。3.）硫、氧、硒、碲以Cu2S、Cu2O、Cu2Te、Cu2Se、AgSe、AgTe等形态存在于铜阳极中，电解时也不进行电化学溶解，而是自阳极板上脱落进入阳极泥。4.）砷、锑、铋电极电位与同相近的一类，对铜产品最为有害。当期在电解中积累到一定浓度时，便会在阴极上放电析出，使电解铜的质量降低。这些杂质在电解过程中全部进入电解液，但砷的40%50%，锑、铋的60%80%会发生水解，以不溶性盐进入阳极泥。1.2.2 同电解精炼的条件控制1.2.2.1电解液成分工业上采用的电解液除CuSO4和H2SO4外，还有少量溶解的杂质和有机添加剂。电解液成分的控制就是要保证有足够的铜离子浓度和硫酸浓度。铜离子浓度大可以防止杂质析出，刘三浓度大导电性好，但这俩个条件是互相制约的，即硫酸浓度大时，铜的溶解度降低，反之则升高。通常铜离子浓度为4050gl-1，硫酸浓度为180240gl-1。要求电解液中的杂质尽量少，但长期积累也会升高，因此电解液必须净化。一般根据具体情况将其定期抽出，并补充新的电解液。电解液中的添加剂为便面活性物质，包括动物胶、硫脲和干酪素等，其作用是吸附在晶体凸出部分增加局部电阻，保证阴极致密平整。1.2.2.2电流密度电流密度是指每平方米阴极表面通过的电流安培数。显而易见，电流密度越大，生产效率越高。电流密度的选择用该考虑俩个因素，即技术和经济两方面。从技术方面说，因为电解时溶解和沉积速度总是超过铜离子迁移速度，电流密度大时，则因为浓度差不同会产生阳极钝化，而阴极则结晶粗糙，甚至出现粉状结晶。从经济方面说，电流密度过大，电压增加，电耗增大，同时由于提高电流密度，电解液循环增大，会增大阳极泥的损失。最佳电流密度应该根据具体条件选择，我国目前大都采用220260A/m2。1.2.2.3槽电压同电解精炼的槽电压为0.250.35V，主要是由电解液电导体电阻和浓差极化引起的电压降所组成。电解液的电阻与溶液成分和温度有关，酸度大、温度高则电阻小，反之则电阻大。导体电阻与接触点电阻和阳极泥电阻有关，而浓差极化是由于阴阳极电解液成分不同所引起的，结果是产生与电解施加电压方向相反的电动势。根据研究，电解液电阻是最大的，占槽电压的50%70%，浓差极化引起的的电压降占20%30%，而导体的电阻电压降占10%25%。1.2.2.4电流效率电流效率是指实际阴极产出的阴极铜量与理论上通过法拉第定律计算的理论析出的阴极铜量之比的百分数。电流效率通常为97%98%。电流效率降低的原因有漏电、阴阳极短路、副反应和铁离子的氧化还原作用以及铜的化学溶解。1） 短路 阴极和阳极板不平整或悬挂不垂直，以及在阴极板边沿生成树枝状铜结晶都会导致极间短路。2） 漏电 电解槽与电解槽之间、电解槽与地面之间、各贮槽与地面之间以及电解液循环系统的绝缘不良等引起的；漏电。3） 化学溶解 电解液中存在的氧和三价铁离子能使阴极铜反溶，电解液的温度、有利硫酸浓度及铜离子浓度均能影响阴极铜反溶，通常由此使电流效率降低0.25%0.75%。1.2.3同电解精炼的设备和指标同电解精炼是在钢筋混凝土制作的长方形电解槽中进行，槽内衬铅皮或聚氯乙烯塑料以防止腐蚀。电解槽放置于钢筋混凝土的横梁上，槽子底部与横梁之间要用瓷砖或橡胶板绝缘，相邻两个电解槽的侧壁间有空隙，上面放瓷砖或塑料板绝缘，再放导电铜排连接阴阳极，电解槽的结构如图1-1所示图1-1铜电解槽安装实例图1-进液管；2-阳极；3-阴极；4-出液管；5-放液管；6放阳极泥管在严格管理和遵守各项操作条件下，同电解精炼的指标如下：直流电耗230260kwht-1铜；残极率14%24%；直接回收率76%82.5%；电解总回收率99.6%99.9%；硫酸消耗29.9kg/t铜；蒸汽消耗0.61.2t/t铜；电流效率97%97.8%。二十世纪七十年代以来，铜的电解精炼技术有了很大的发展。出现了周期反向电流电解和永久不锈钢阴极（艾萨法）电解等新工艺，以及极板作业机组、多功能专用吊车、短路自动检测装置、大型可控硅整流器等设备。电解精炼生产向大型化、高效化、低消耗的目标发展。1.3铜电解工艺简述铜的电解精练，是将火法精炼的铜浇铸成为阳极板，用铜箔作为阴极，相间的装入电解槽中，用硫酸铜和硫酸的水溶液作为电解液，在直流电的作用下，阳极上的铜和电位较负的贱金属溶解进入电解液，而贵金属和某些金属不溶，成为阳极泥沉于电解槽底，溶液中的铜在阴极上优先析出，而其它电位较负的金属不能在阴极上析出，留于电解液中，待电解液定期净化时除去。这样阴极上析出的电铜纯度很高，称为阴极铜或电解铜。此种方法即为传统法。铜电解工艺有传统法、艾萨法和周期反向电流法。传统法在我国已有多年历史，具有工艺成熟可靠产出的阴极产品质量较好的优点。艾萨法是用不锈钢板制成永久性阴极，取代传统的始极片。由于不锈钢阴极可反复使用，没有复杂的始极片制作过程，可简化生产工序，提高生产效率，此外，不锈钢阴极平直度较好，不易造成短路，因而可采用较高的电流密度和较小的极距，单位面积产量高，是电解工艺的一个发展方向。目前艾萨法在中国刚刚开始应用，但在国外却发展迅速。1978年，艾萨法首先在澳大利亚芒特艾萨公司的汤士维尔冶炼厂投入大规模生产，简称为ISA法。周期反向电流法是通过周期性反向电流，改变电流方向，使阳极上的铜离子在阴极上析出沉积，使电解液中的铜离子浓度下降，短短暂的消除了样机表面硫酸同饱和条件，扭转了固体五水硫酸铜沉淀的倾向，。甚至当电流保持正向时，固体五水硫酸铜的形成也似乎受到阻碍。这样给提高面积电流降低电解槽数量创造了条件。在传统的铜电解精炼工艺中，阴极通常采用铜始极片。最早的始极片是用电解铜经熔化后浇铸而成。其后，绝大多数铜冶炼厂均采用钛板制作始极片，即在钛种板表面沉积约13mm的铜层，然后剥离下来再加上挂耳作为阴极板。1979年，澳大利亚的PERRY IAN JAMES发明了用不锈钢阴极板代替传统的铜始极片的方法，并获得了发明专利，其专利号分别为GB2040311和GB2104549。澳大利亚汤士威尔铜精炼厂在世界上首次采用不锈钢阴极代替传统的始极片。阴极片材质为AISI316ELC牌号的不锈钢。不锈钢阴极表面经抛光处理，达到2光洁度，使阴极铜既有足够的附着力，又易于从其剥离。抛光工艺包括冷轧、软化、除磷及在抛光轧机上轻微精轧等工序。ISA法电解由于电流密度高，极距小，从而可以减少电解槽数量和厂房面积。但永久不锈钢阴极价格昂贵，一次性投资大。因而总的基建投资将略高于常规电解的投资。ISA法电解自1979年首次在澳大利亚汤斯维尔PTY精炼有限公司用于生产以来，发展甚快，目前已在30多家工厂推广应用。下面是国际几家运用ISA法的冶炼厂的生产指标见表1.1工厂名称澳大利亚汤斯维尔冶炼厂美国铜山公司白松冶炼厂奥地利布利赫勒格冶炼厂德国北德精炼公司精炼能力，k.t.a-11925050320电解槽数量，个10242781561080每槽阳极数44575757阳极重量，kg315285280350阳极寿命，d21211422每槽阴极数43565656阴极周期，d7776-8阴极重量，kg432422552502极距，mm959910099电流密度，A/m2260226304315电流效率，%9594-969698槽电压，m.V260-320300-400350330残极率，%18141812-16电耗，kw.h.t-1290321330300表1.1 一些ISA法电解精炼厂生产数据目前世界上采用周期反向电流电解法生产电解铜已经占到世界铜产量的16%以上。1962年保加利亚采用周期反向电流成功地解决了在增大电解电流面积是会产生阳极钝化的现象后得到推广使用。由于采用了高面积电流，阴极上瘤状或树枝状结晶析出趋势增大。当电解槽反响通电时，阴极溶解。这种溶解优先发生在最接近阳极的区域，即瘤状或树枝状结晶处，因此，仍可得到表面光滑。平整的阴极。据介绍，周期反向电流最佳的操作条件是：200s正向，10s反向。西班牙韦尔瓦铜精炼厂则采用35：1的正反电流，棉结电流为345A/m2.周期反向电流电解电耗比常规电解高30%左右，同时，贵金属进入阴极量增加，导致贵金属回收率低。1.4铜电解精炼新技术1.4.1基体分离ICP-AES法测定电解铜中杂质元素湖南建材高等专科学校谢华林研究了于EDTA存在下，氯化钠二乙基二硫代氨基甲酸钠#丙醇体系萃取分离铜，用ICP-AES法同时测定电解铜样品中Mg、Al、Fe、Sb、Zn、Ag、Pb、Cr、Ni、Cd、Sn、Mn、As、Se、Te的新方法。方法的检出限为0.0010.036ug/ml，回收率为92.4%109.5%，RDS小于4.2%。该法准确、快速、简便，应用于电解铜的测定，结果满意。1.4.2脉冲电流法电解精炼铜的可行性研究台肥工业大学化工学院鲁道荣，何建波，李学良， 胡惠媛验模拟铜电解精炼的工业生产条件在小型电解槽