铜冶炼设计.doc

第 页 年产 8 万吨阴极铜的铜电解精炼工艺设计 专 业 冶金工程 学 生 蔡迪科 指导老师 马红周 设计总说明 铜是最重要的有色金属之一 被广泛地应用于电气 轻工 机械制造 建筑工业 国 防工业等领域 铜在我国有色金属材料的消费量中位居第二 铜的电解精炼是生产高质量电铜的主流工艺 在铜冶炼生产中扮演着重要角色 本设 计涉及铜电解的物料平衡和热平衡 主要设备的设计与选型 铜电解精炼操作技术条件的 选择以及铜电解精炼车间平面的布置 力求优化铜的电解精炼工艺流程 关键词 铜电解精炼 工艺设计 车间布置 物料平衡 热平衡 第 i 页 Technological process design for electrolytic refining of copper with the production of 120 000 tons copper a year Specialty Metallurgy Engineering Name Cai Dike Instructor Ma Hongzhou Synopsis Copper is one of the most important non ferrous metals which is widely used in electrical light industry machinery manufacturing construction industry defense industry and other fields It is the second largest in the country s consumption of non ferrous metal materials Electrolytic copper refining is the mainstream technology for producing high quality copper which plays an important role in the production of copper smelting This paper involved the material balance and thermal balance of electrolytic copper design and selection of the major equipment the choice of electrolytic copper refining process and the layout of electrolytic copper refining plant Efforts were made to optimize the electrolytic copper refining process Key words Electrolytic refining of copper technological process design plant arrangement material balance heat balance 第 页 目目 录录 前 言 1 1 概 述 3 1 1 铜的性质 3 1 2 铜的主要用途 4 1 3 铜的冶炼 4 1 3 1 铜电解技术原理简述 5 1 3 2 电解工艺及控制特点 7 1 3 3 铜电解技术的发展 8 1 3 4 节能降耗 11 2 工厂设计原则及地址选取 14 2 1 车间设计原则 14 2 2 厂址选择原则 15 3 原料 铜阳极 17 4 技术操作条件的选择 20 4 1 商品电解槽 20 4 1 1 电解液组成 20 4 1 2 添加剂 21 4 1 3 电解液温度 28 4 1 4 电解液的循环 29 4 1 5 电流密度 30 4 1 6 同极中心距的选择 30 4 1 7 阳 阴极寿命的确定 31 4 1 8 相关企业技术操作实例 31 4 2 种板电解槽 32 5 产 物 33 5 1 电解铜 33 5 2 阳极泥 34 第 I 页 6 技术经济指标 35 6 1 铜电解回收率 35 6 2 劳动生产率 35 6 3 直流电能单位消耗 35 6 4 蒸汽单位消耗量 35 6 5 硫酸单位消耗 36 6 6 水单位消耗量 36 6 7 电流效率 36 6 8 残极率 37 6 9 槽电压 37 7 主要设备的选择与计算 38 7 1 电解槽 38 7 1 1 电解槽材质 38 7 1 2 电解槽的构造 38 7 1 3 电解槽衬里材质 39 7 1 4 电解槽进出液方式 40 7 1 5 铜电解槽的安装 40 7 1 6 电解槽的计算 41 7 2 起重机 50 7 2 1 起重机荷重的确定 50 7 2 2 电解铜起重机的工作流程及结构特点 52 7 2 3 起重机台数的确定 56 7 3 电解铜车间及跨度的选择设计 57 7 3 1 车间跨度的选择 57 7 3 2 车间电解槽排列方式 57 7 4 循环液贮槽的选取 58 7 5 高位槽 60 7 6 电解液加热器 61 7 7 电解液循环泵 63 7 8 阳极泥过滤设备 63 7 9 槽边导电排 槽间导电板 阴极导电板 64 7 10 出装槽短路器 67 7 11 极板作业机组 67 8 铜电解精炼的冶金计算 70 8 1 铜电解精炼的物料平衡计算 70 第 II 页 8 2 铜精炼的热平衡计算 74 8 3 净液量及进入电解液中主要元素量的计算 78 8 4 脱铜电解槽数的计算 81 9 铜电解技术的发展趋势 85 9 1 铜电解技术新工艺 85 9 2 铜电解技术发展的趋势 87 10 附 专 题 88 设计参考文献 98 致谢 99 第 0 页 前 言 毕业设计是大学学习的最后阶段 是对所有知识的全面总结和系统应用 是对毕业生将书本知识应用于实际的考验 是考察学生综合水平最好的方法 毕业设计是大学最后一门重要课程 对帮助毕业生走上工作岗位有很大好 处 首先 进一步巩固了专业知识 更加全面深刻地了解了所学知识的重要性 同时培养了我们发现问题 总结问题 解决问题以及动手操作的能力 其次 有助于我们发现自己的不足 使得我们能够进一步总结改进 利于提高综合素 质和自我学习完善的能力 再次 使我们养成了科学严谨的学习态度 培养了 坚强的意志力和忍耐力 电解精炼工艺是生产高纯度电铜的重要工艺 其机械化 自动化水平不断 提高 本设计题目为年产 12 万吨阴极铜的铜电解精炼工艺设计 设计要求符 合当前铜冶炼工业的发展和进步 对于提高电解水平是具有现实意义 本设计包括了电解精炼的原理 流程 设备的选择 主要是对电解槽的设 计 选择 以及相关的辅助设备的选择 铜电解精炼车间的总体设计方案 铜电解精炼操作技术条件选择 物料平衡 热量平衡计算等相关内容 在本设计的计算中 充分参考了当前铜冶炼企业的主体工艺 计算设备选 择中的参数尽量符合实际生产的要求 选择同极中心距为 100 mm 采用电解液 下进上出 的循环方式 且循环速度为 25 L min 槽 取电流密度为 250 A m2 本设计商品槽槽电压为 0 3 V 种板槽槽电压为 0 38 V 在设备选择中 由生产经验计算并考虑备用系数后 得出商品电解槽和种 板电解槽数分别为 1080 个和 96 个 本设计电解槽材质选用钢筋混凝土槽体 单槽针体预制 本设计由于是 120000 吨的电解铜车间 并按照 8 行 10 列的 第 1 页 矩形方阵来布置 所以选择起重机台数为 2 台 起重机跨度 28 5 米 选用 50 的钛板式加热器 4 台 其中 1 台作为备用 其它设备则根据计算结果 并 考虑车间布局走向来选取 原则上选用标准件 在绘制电解槽剖面图时 为了清楚地表示槽间导电关系 单独画了两个电 解槽连接部分的俯视图 在绘制的车间平面图中 对于车间的布局和设计 充 分考虑了使其尽量符合占地少 节约空间 优化流程顺序的要求 同时 为了进一步研究理解和辅助设计铜电解精炼工艺 本次设计之前我 分别翻译了 11000 多汉字的铜电解相关的英文文献一篇 并查阅大量资料 撰 写了铜电解液净化方面的专题论文一篇 这两项前期工作为我了解铜电解工艺 提供了帮助 使得后面的设计工作开展得比较顺利 限于水平 本设计也存在着一些不足之处 希望老师和同学给予批评指正 帮助我进步和提高 不胜感激 设计人 时 间 第 2 页 2 工厂设计原则及地址选取 冶金车间的厂址选择合理与否 不仅影响建设速度和投资 也影响到投产 后的产品成本和经济效益 还有可能会影响到以后生产性的扩建 改建等 应 十分慎重 新设计应保证新建车间在工艺 装备和结构等方面比现有车间有更 高的技术水平 机械化和自动化水平 有更高的劳动生产率 有安全和尽可能 舒适的劳动条件 有可靠而稳定的环境保护措施 2 1 车间设计原则 由于工艺 设备 厂址 设计人员 设计思路等的不同 各冶金车间的具 体设计可谓各有千秋 但作为优秀的车间设计 应该遵循一些基本的原则 1 客观性 设计所选用的指标和技术方案都有客观的数据为依据 做 出的设计经得起全面的客观的评审 与生产中的和提议的各种方案比较 保证 所采用的方案有坚实的基础 并且能成功地付诸实践 2 先进性 设计应反映出最近在该领域里的成就和考虑到这方面的发 展趋势 要求在建筑结束和投产后 工厂应比现有的先进车间具有较高的水平 3 经济性 在厂址 产品 工艺流程等多方案的比较中 选择最经济 的方案 选择能保证单位产品投资最低 经济效益最佳的方案 4 综合性 在设计过程中 各部分的设计方案要互相联系 配置成龙 局部的方案要与总体的相一致 各专业的设计应服从工艺部分 5 发展远景 一定要考虑车间将来发展的可能性 生产的强化和增加 第 3 页 生产的可能性 适当保留车间发展所需的土地 交通线和服务设施 6 安全和环保 保证各领域和工作岗位都能安全生产 保证周围环境 不受有害的生产排出物污染 力争做到 场外看不到烟 场内听不到声 排 出的废水 废气等应达到国家环保法要求 7 定型化 在设计中必须尽可能采用各种定型设计 包括建筑物和构 筑物 定型的部件和设备 定型的基建和工艺装备等 应用这些可减少设计工 作和建设周期 提高劳动生产率和降低基建成本 8 美学原则 必须使车间和工作环境有良好的布局和较佳的心理 生 理学劳动条件 在厂区内应具有排列美观 色彩明快 安全宜人的环境 制造 良好的劳动情绪 减少疲乏和提高劳动生产率 讲究工业美学 或称技术美学 有利于形成对专业和工厂的自豪感 使命感和亲切感 2 2 厂址选择原则 1 冶金工厂的原料和成品运输及水电消耗量很大 厂址应选在靠近铁 路接轨站 并应保证接轨的方便和避免复杂的线路建筑工程 应靠近原料 燃 料的基地和产品销售的地点 近水源 电源 以缩短原料 燃料及成品的运输 距离和缩短管线的长度 以减少建厂的投资和运营费用 2 厂址的面积和外形应能满足生产工艺过程的需要 把所有的建筑物 构筑物合理地布置在厂区之内 并应有一定的扩充余地 以供工厂发展之用 3 厂址应位于城市和居民区主导风向的下风向 一般应有 1000 米以上 的距离 并应与其它企业不相干扰 窝风的盆地不宜选择为工厂厂址 4 厂址应靠近城市和已有的工厂 以便在生活福利和公用设施上进行 协作 5 厂址的地势最好是平坦的 厂址的地表应由中心向四周倾斜 以便 使地面水能依自然坡度向外畅流 不需要大量的土方工程 排水坡度一般在 第 4 页 0 5 2 0 之间 6 冶金工厂主要的建筑物 构筑物 大都需要较深的基础和地下室 在建筑房屋和构筑物时厂址的土壤不需要复杂的基础工程 地耐力最好在 1 5 2 Kg cm2以上 地下水位尽可能低于地下建筑和构筑物基础的深度 并无侵蚀 性 7 厂址不受洪水及大雨的淹没 厂址最低处应该高出河流或海水涨潮 的最高水位 0 5 米 8 厂址不应位于矿床或已开采的矿坑 溶洞和土崩的地层上 不应布 置在各种有机废物 化学废物 舍弃物的附近 9 厂址附近应有较易弃渣的低洼地带 10 工厂的污水 符合国家环保法规规定范围的 应尽量排到城市的下 游或取水点的下游 11 布置厂址时应充分利用地形 不占或少占耕地和农田 第 5 页 3 原料 铜阳极 铜阳极一般由火法精炼铜铸成 宽 650 1000 mm 长 700 1100 mm 厚 35 50 mm 阳极含铜量应高于 99 2 同时要严格控制可能引起阳极钝化和阴极质 量下降的杂质如铅 氧 砷 锑等的含量 铜阳极的物理规格和化学成分影响 电解过程的技术经济指标和阴极铜的质量 所以生产中应尽量获得质量良好的 阳极铜板 铜阳极板的物理形状要求平整无飞边 无毛刺 无夹渣以及厚度均 匀等 以下是国内部分工厂采用的铜阳极的参数实例 见表 3 1 3 2 3 3 表 3 1 国内铜阳极板尺寸实例 工厂名称 阳极长 宽 高 mm 重量 块 工厂名称 阳极长 宽 高 mm 重量 块 沈冶720 620 38 42 145 148白银一冶760 810 40 45 215 218 贵冶 1000 960 45 370 380云冶850 810 33 38 210 260 上冶740 700 35 40 155 165 株冶750 740 30 35 130 150 表 3 2 国内铜阳极板尺寸精度实例 项目单位沈 冶贵 冶 阳极公称尺寸 L W mm 720 620 38 42 1000 960 45 长度公差mm 5 10 厚度公差毛刺 鼓泡 5 5 耳部下支持面至极板上缘距离mm 65 5 支耳总长mm 950 51300 10 板面挠曲mm 5 5 第 6 页 耳面挠曲mm 6 其他 板表面黑皮面积 1 4 耳部不得有冷隔层和折 损 表 3 3 铜阳极化学成分的一般要求 元素CuAsSbBiNiO2SnFePb 含量 99 0 20 0 03 0 03 0 3 0 2 0 075 0 01 0 2 铜电解精炼的阳极板是一种含有多种元素的合金 除表中所列元素外 在 阳极铜中大都还含有 Cd Hg In Ti Mn 和铂族元素 其含量为 0 001 1ppm 在阳极铜中的杂质有两种形式 即金属铜基体中的固溶体和晶粒间不连续 夹杂 在电解过程中 所有这些杂质都出现强烈的化学和物理变化 这对阳极 钝化 阴极质量 电解液净化以及从阳极中回收有价元素均有很大影响 一般说来 从相图中可知阳极中存在各种杂质的形式 但有些元素则于相 图不一致 在把氧当作杂质看待时 阳极铜的含氧量低 镍以连续的固溶体出 现 而砷 锑和银在铜基体中呈固溶体 铋 铅 硒和硫沿铜粒子外围分别 呈金属铋 铅或呈 Cu2Se 和 CuS2形式沉淀 有些氧化物如 NiO Bi2O3 Sb2O3 和 PbO 或 Cu3As 也在结构中部分地沉淀 随着氧含量增高 这些氧化物颗粒就 变大 圆形的 Cu2S 颗粒很粗 当碱金属与铜一起溶于电解液时 贵金属或化合物则在电解液中沉淀 与 铜一起呈固溶体存在的许多杂质表现出惰性性质 电解时在阳极表面形成阳极 泥 由于电解液存在着微量的溶解氧 一般为 1 8 2 0ppm 而使各种杂质在 电解液中溶解后其离子具有几种化合价 结果使阳极泥形成它们本身的电位及 在电解液中的溶解度 由杂质元素行为决定的在各电解产物 电解液 阴极铜 阳极泥 间的分布关系 还与它们在阳极中的含量 氧的含量和电解技术等条 第 7 页 件有关 通常将阳极铜中的杂质分为以下四类 1 比铜显著负电性的元素 如锌 铁 锡 铅 钴 镍 2 比铜显著正电性的元素 如银 金 铂族元素 3 电位接近铜但较铜负电性的元素 如砷 锑 铋 4 其他杂质 如氧 硫 硒 碲 硅 铜电解精炼过程中 阳极杂质的行为影响到阳极泥的形成 阳极钝化和精 炼操作 钝化 就是失去活性或活动能力的意思 电解过程中的金属钝化 是指作为电极的金属在电流的作用下某种程度地失去转入溶液的能力 发生钝 化的电极 它们所具有的电极电位 就不是该金属所固有的电位 而接近于另 一种电性更正的金属的电位 就化学反应来说 处于钝化状态的金属 就失去 了被氧化 特别是被溶解的能力 随着阳极含氧量的增加 电流密度的升高以及电解液中溶解氧和杂质离子 浓度的增加 阳极钝化的可能性也明显地增大 与阳极钝化有关的因素如图 3 1 所示 这些因素包括阳极泥数量 阳极泥吸附以及浓差极化 影响阳极泥数 量的内部因素有阳极结构 杂质的含量和存在形式 外部因素包括电解液中溶 解氧 电流密度和电解液中共存杂质离子 阳极泥吸附受阳极泥的结构和形态 的影响 第 8 页 4 技术操作条件的选择 4 1 商品电解槽 4 1 1 电解液组成 现代铜电解精炼生产工艺所用的电解液为含硫酸铜的硫酸水溶液 一般含 铜 40 50 g L 含游离硫酸 180 210 g L 这种溶液导电性好 挥发性小 且比较稳定 使电解过程可以在较高的温度和酸度下进行 另外 硫酸铜的分 解电压较低 砷 锑 铅等在硫酸溶液中能生成难溶化合物 因而杂质对阴极 质量的影响相对较小 而且贵金属在硫酸溶液中也能得到叫完全的分离 这些 都使得以硫酸溶液作为铜电解液 比采用其他溶液如盐酸溶液 硝酸溶液 氨 盐溶液等具有较大的优越性 由于电解液的电阻值随着酸度的增加而降低 随 着含铜量的增加而升高 所以为了降低电耗 一般采用高酸低铜的电解液组分 较为有利 实际电解液中铜的含量应视电解液的纯净程度 电流密度的高低和 阳极板的成分而定 因硫酸铜的溶解度随着硫酸浓度的增加而降低 所以电解 液中硫酸量不能高于 230 g L 电解液中的杂质对电解的进行十分有害 特别是 Ni As Sb Bi Fe 等 这些杂质的存在不仅使溶液的电导降低 粘度增大 使硫酸铜在电解液中的溶 解度降低 从而使单位电耗增加 铜离子在溶液中的迁移速度下降 给传质带 来困难 更为重要的是 一些杂质还有可能从阴极上析出 使阴极质量不能保 证 所以对电解液的杂质有所要求 铜电解液中有害杂质含量如下表所示 第 9 页 表 4 1 铜电解液有害杂质允许含量 g L 元素NiAiSbBiFe 含量 15 7 0 6 0 560 同极中心距 mm7580100105 循环速度 L min30 4015 3020 2530 循环方式上进下出上进下出上进下出底进上出 阳极寿命 d12 14152424 第 20 页 阴极周期 d44 64 612 骨胶 g t 8050 10030 40100 硫脲 g t 4050 7045 5030 40 干酪素 g t 4030 7020 30 添 加 剂 用 量 盐酸 mL t 300200 400400 60050 70 mg L 4 2 种板电解槽 为使获得致密 平整的阴极铜 始极片必须结构致密 表面光滑 所以种 板电解槽技术条件控制比商品电解槽更严 为此大中型电解厂种板槽的电解液 循环系统计添加剂加入装置和直流供电装置宜单独设置 通常认为种板槽应控制较低的电流密度 如 240 A m2 左右 只宜偏低 不宜偏高 但大型电解铜厂为了生产 0 7 1 0 厚的始极片 可以适当升高 种板槽使用的阳极 应当力求杂质含量较低 表面光洁平整 重量均匀 以减少杂质对电解液的污染和防止极间短路现象 阳极在种板槽内 只使用到 正常周期的 1 2 或 2 3 即行更换 以保证阳极工作面积不至于显著缩小 引起 电流密度的升高和极距的增加 以致电压升高 种板槽内换出的阳极尚有一定 的厚度 须装入商品槽中再用 直至达到固定周期为止 第 21 页 5 产 物 5 1 电解铜 表 5 1 粗铜和表 5 2 产物的电解铜等级 杂质含量规定 国标 表 5 1 粗铜化学成分 国标 杂质不大于 产品名称 铜含量 砷锑铋铅总量 执行标准 一级99 30 10 060 010 030 7 二级990 150 130 0130 061 三级98 50 20 180 30 151 5 四级97 50 320 220 80 222 5 粗 铜 五级960 80 70 120 84 YB740 82 表 5 2 电解铜化学成分 国标 杂质不大于 产品名称代号 铜 银 不少于 砷锑铋铁铅锡 一号99 950 0020 0020 0010 0040 0030 002 电解铜 二号99 90 0020 0020 0010 0050 0050 005 第 22 页 续表 5 2 镍锌硫磷总和执行标准 一号0 0020 0030 0040 0010 05YB740 82 电解铜 二号0 0020 0040 0040 0010 01 5 2 阳极泥 阳极泥的产出率和成分变化与阳极铜的成分和电解技术条件有关 铜阳极 泥的产出率一般为电解铜量的 0 4 0 8 本设计的铜阳极泥的产出率为 0 64 对电铜 下表是沈冶 贵冶及本设计的阳极泥的化学成分 见表 5 3 5 4 表 5 3 国内部分厂家及本设计的阳极泥率 沈 冶贵 冶C 厂D 厂本设计 阳极泥率 0 87 0 37 0 69 0 450 60 64 表 5 4 部分国内厂家阳极泥化学成分 阳极泥化学成分A 厂B 厂C 厂D 厂 Cu11 9322 9717 7325 30 Ni5 150 05 As3 9914 952 Sb4 934 121 2 Bi1 122 180 5 第 23 页 Pb18 318 3614 953 5 Au1 6390 46540 770 02 Ag14 1867 25310 37 9 Se1 784 373 61 Te1 395 750 03 0 3 6 技术经济指标 6 1 铜电解回收率 铜电解回收率 电铜含铜量 回收品含铜量 装入原料含铜量 100 回收品指残极 铜屑 碎铜 送净液硫酸铜溶液和阳极泥等含铜物料 若 阳极泥含铜本企业不能回收 则按损失处理 铜电解回收率一般为 99 6 99 8 由于本设计有些数据未知 所以铜电解回收率无法计算 本 设计取 99 84 6 2 劳动生产率 电解精炼车间实际劳动生产率计算如此下 电解精炼车间实际劳动生产率 年电铜产量 车间劳动定员数 单位 t 人 年 6 3 直流电能单位消耗 每吨电解铜的直流电能消耗按下式计算 第 24 页 直流电能消耗包括商品电解槽 种板电解槽 脱铜电解槽及线路损失等全 部直流电能消耗量 一般直流电能消耗为 230 280KW h t 电铜 6 4 蒸汽单位消耗量 蒸汽单位消耗与电解槽及各类贮槽的表面覆盖和槽壁保温措施有关 在无 措施的情况下一般为 1 0 1 5 t t 电铜 当电解槽面采用覆盖槽壁及管道采 取保温措施并各贮槽带盖的情况下 消耗一般为 0 2 0 6 t t 电铜 6 5 硫酸单位消耗 硫酸单位消耗量一般为 4 10 t 电铜 6 6 水单位消耗量 根据目前国内各铜电解企业的生产经验数据 水单位消耗量一般为 3 5 m3 t 电铜 6 7 电流效率 电流效率是指铜精炼过程中 实际析出的金属量与理论析出量的百分比 理论析出量即平均电流强度 实际开动槽数和开动时数 电化当量 1 186 106 本指标包括商品槽和脱铜电解槽的全部电流效率 一般为 96 97 影响 电流效率的主要因素有 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 第 25 页 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 游离硫酸浓度极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 除上述因素外过高的电流密度 阳极含杂质较高等也可降低电流效率 6 8 残极率 残极率是指产出残极量占阳极量的百分比 残极率的可减少重溶费和金属 损失 提高直收率 但残极率过低会造成槽电压升高 电耗增加 甚至残疾碎 落损坏槽衬 一般残极率取 15 18 本设计残极率取 16 6 9 槽电压 槽电压是影响电耗的重要因素 槽电压由电解液电位降 金属导体 包括 电板 阳极 阴极 铜棒等 电位降 接触点电位降 克服阳极泥电阻的电位 降 浓差极化引起的电极电位降等组成 槽电压随电流密度的提高而上升 商 品槽电压一般为 0 2 0 3V 种板槽槽电压一般为 0 38 0 4V 本设计商品槽 槽电压为 0 3V 种板槽槽电压为 0 38V 表 6 1 为国内及本设计铜电解槽技术 经济指标 表 6 1 国内及本设计铜电解槽技术经济指标 项目单位A 厂B 厂C 厂本设计 电解总回收率 99 9099 9399 96 电解直收率 81 82 578 88 直流电单耗 kW h t 电铜 260 280260236 蒸汽单耗t t 电铜1 0 850 596 第 26 页 硫酸单耗 t 电铜 31 969 9 电流效率 979797 8397 7 残极率 17 1718 5616 槽电压 V 0 3 0 35 0 320 250 3 7 主要设备的选择与计算 7 1 电解槽 7 1 1 电解槽材质 电解槽材质主要有 1 现在普遍采用钢筋混凝土槽体 钢筋混凝土电解槽有成列就地捣制 整列就地捣制施工快 造价低 但检 修更换不变 绝缘处理难 易漏电 2 单槽整体预制 单槽整体预制 搬运 安装 检修 更换方便 绝 缘好 漏电少 为多数工厂所用 3 近代又发展到预制板拼装式槽体 预制板拼装式电解槽搬运 安装 更换方便 造价低 节省车间 为国外一些新建工厂采用 4 辉缘岩耐酸混凝土单个捣制槽和花岗岩单个槽 这些槽耐酸 绝缘 较好 但辉缘岩槽易渗漏 花岗岩槽价格高 运输不便 且易产生暗逢渗漏 通过对以上几种材质的比较 本设计电解槽材质选用钢筋混凝土槽体 单 槽针体预制 7 1 2 电解槽的构造 通常电解槽由长方形槽体和附设的工业管 排液斗 出液斗的液面调节堰 板等组成 槽体底部常做成由一端向另一端或两端向中央倾斜 倾斜度 3 最 第 27 页 低处开设排泥孔 较高处有清槽用放液孔 放液排泥孔配有耐酸陶瓷或嵌有橡 皮圈的硬铅制作的塞子 防止漏液 此外在钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔 以观察内衬是否破坏 钢筋混凝土电解槽壁厚一般为 80 120mm 在本设计中 选取电解槽壁厚为 100mm 本设计选用 电解槽由长方形槽体和附设的工业管 排液斗 出液斗的液 面调节堰板等组成 槽体底部常做成由一端向另一端倾斜 且倾斜度 3 最低 处开设排泥孔 较高处有清槽用放液孔 放液排泥孔配有耐酸陶瓷或嵌有橡皮 圈的硬铅制作的塞子 防止漏液 此外在钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔 以观察内衬是否破坏 钢筋混凝土电解槽壁厚为 100mm 7 1 3 电解槽衬里材质 钢筋混凝土电解槽内衬选择原则 造价低廉 耐高温 耐腐蚀和电绝缘性 能良好的材料 一般为铅或含锑 3 6 的铅锑合金板 软板聚氯乙烯和玻璃钢 铅衬厚一般为 3 5mm 聚氯乙烯衬里通常为二层 每层厚 4 5mm 内层塑料衬 里一般不正槽铺设 玻璃钢衬里一般为 6 10 层 厚约 3 5mm 见表 7 1 国内大部分铜电解工厂的电解槽衬铅 但在新建工厂及老厂的改造中逐渐 推广使用聚氯乙烯衬里和玻璃钢衬里 通过对铅板 软聚氯乙烯板和玻璃钢电解槽衬里的比较 再结合钢筋混凝 土电解槽内衬选择的原则 本设计选用玻璃钢内衬 10 层 厚 10 mm 表 7 1 电解槽衬里材质比较 衬里材质优 点缺 点 第 28 页 铅板施工简单 耐酸 耐温性能好价格昂贵 机械能电绝缘性能差 漏电 软聚氯 乙烯板 施工简单 价格低廉 绝热和电绝缘性能良 好 耐热性能较差 机械性能随温度上升而降低 易老化 玻璃钢 绝热 绝缘性能好 耐腐蚀 价格比衬铅低 廉 树脂材质要求严 施工技术要求高 7 1 4 电解槽进出液方式 电解槽进出液直接影响槽内铜离子 添加剂及温度在电解液里的均匀性和 金 银的损失 小阳极板电解时 由于电解槽尺度比较小 一般采用上进液 下出液的循 环方式 随着电解槽的大型化 电极间距的缩小及电流密度的提高 通常的电解槽 供排液方式难以适应生产要求 有的工厂即在电解槽底中央沿槽长度方向设一 个给液管 或在槽底量两侧设两个平行的给液管 通过沿管均布的小孔给液 排液漏斗安放在槽两端壁上预留的出液口上并与槽内衬连成整体 出液漏斗内 设有调节电解槽液面高度隔板式三角堰板 三角堰板同时也可观测电解液流量 另一种大型槽供液法为上供液 下排液 即在电解槽一长边的两拐角处各 设以供液口 各供一半电解液 在另一长边中央下部设一排液口 供液口来的 电解液流呈对襟袄线喷射 由排液口将电解液引向电解槽一端排出 此法能防 止阳极泥上浮 根据本设计实际情况 电解槽进出液方式选用 左上供液 底部中线均匀 排液 右上出液的 下进上出 的方式 第 29 页 7 1 5 铜电解槽的安装 铜电解槽安装在钢筋混凝土横梁上 为防止电解液滴在横梁上造成腐蚀漏 电 在横梁上首先铺设厚 3 4mm 比横梁每边宽出 200 300mm 的软聚氯乙烯保 护板 然后在槽底四角垫以瓷砖及橡胶板用以绝缘 通常由多个电解槽排成一 列 两个相邻电解槽要留 20 30mm 的空隙 槽侧壁顶面覆以塑料 或硬橡胶板 瓷板和沥青油毛毡等 垫层 装设槽间导电板 绝缘分隔板 以支承阳极挂耳 和阴极导电棒 阴阳极按规定极距均匀相间 悬垂排列阴极边缘与槽侧壁应保 持 50 80mm 空隙 以便电解液均匀流动和防止极板碰壁 电极下缘至槽底应有 200 400mm 空间作为阳极泥的沉积用 本设计采用两个相邻电解槽 20 mm 电 极下缘至槽底 300 mm 7 1 6 电解槽的计算 表 7 2 本设计给定的电解槽已知条件 年产电解铜 一级 80000t 同极中心距 自选 100 mm 年工作日 360 d电流强度12000A 商品电解槽电流密度250 A m2电解车间温度 25 电解槽作业率95 电解槽外壁温度 35 电流效率97 7 始极片尺寸 1000 960 mm A 阴极板 本设计中以种板电解槽生产得到的种板经加工规整后作为商品电解槽的阴 极 始极片 其尺寸大小为 1000 960 mm 在现代电解铜生产工序中 为避免阴极边缘生成树枝状结晶 阴极板尺寸 一般取得比阳极板宽 35 55 mm 长 25 45 mm B 阳极板 第 30 页 阳极尺寸的选择与生产规模 操作机械化程度及其它一些条件有关 结合本设计的实际情况 由于本设计为中小型铜电解车间生产工艺设计 机械化程度较高 同时为避免阴极边缘生成树枝状结晶 阳极板的尺寸为 960 920 mm 图 7 1 阳极板 C 种板 种板的材质目前有紫铜板 不锈钢板和钛板三种 以紫铜板为最多 各种 材质的优缺点比较如下 表 7 3 种板材质 材质厚 度优 点缺 点 紫铜 板 3 4 价格便宜 铜挂耳与母 板接触良好 绝缘材料 粘附强度大 对隔离剂要求较严 质地较软 易变形引 起槽内短路 笨重 不锈 钢板 2 3 重量轻 始极片易剥离 质硬 与绝缘材料粘结不如钢材 弹性大 难以平直 钛板 2 5 3 5 不需隔离剂 剥片容易 重量轻 始极片成品率 高达 95 以上 使用寿命 长 铜耳与钛板因膨胀系数不同 铆接处易松 动 积留硫酸铜结晶 需定期细砂打毛 处理氧化膜 变形后不易矫正 包边问题 难解决 造价高 第 31 页 通过以上比较 本设计选用紫铜板材质的种板 种板的尺寸一般比始极片宽 20 30 长 45 70 本设计始极片尺寸为 1000 960 mm 则种板尺寸为 1020 1000 如过宽 过长 会造成种板的电力线减弱 析出的始极片就过薄而酥脆 不易剥离 为便于始极片剥离 种板三边涂有宽 10 20 的绝缘边 国内常用的沾边方法有两种 1 环氧树脂贴涤纶布法 用此法沾边得到的绝缘边整齐美观 使用寿 命可达两个月以上 表 7 4 环氧树脂贴涤纶布的配比 重量比 实例 编号环氧树脂二丁酯丙酮石英粉乙二胺二甲苯树脂磷苯二甲酸酥 配方 100255010085 配方 10015 13 14 120 6 7 配方 1001540 5 6 注 1 环氧树脂牌号为 6101 2 二丁酯 丙酮 乙二胺都为工业用 2 沥青塑料沾边法 此法使用寿命较短 约为 30 35d 但施工方便 沾边后静置干燥后即可使用 沾边的配比如下 沥青 熟石膏粉 滑石粉 65 35 10 电解槽参数计算 已知条件 第 32 页 年产电解铜 80000t 电流效率 97 7 年工作日 360 d 同极中心距 自选 100 商品槽电流密度 自选 250 A 始极片尺寸 1000 960 mm 电解槽作业率 95 电流强度 12000A 1 商品电解槽总数 上式中 N 商品电解槽总数 个 M 年产电解铜量 t 360 年工作日 日 24 日通电时数 h 电解槽作业率 I 电流强度 A i 电流效率 1 186 铜的电化当量 g A h N 80000 106 360 24 95 12000 97 7 1 186 700 96 个 生产中不可避免会碰到电解槽损坏的情况 为了不影响生产 通常会安装 有一定数量的备用电解槽 本设计取商品电解槽备用系数为 3 则 N 700 96 1 3 721 99 个 综合考虑生产需要本设计取商品电解槽总数 N 值为 722 个 即生产槽 701 186 1 I24360 10M N i 6 第 33 页 个 备用槽 21 个 2 电解槽极板数 每槽阴极数按下式计算 ck c fD I n 式中 nc 每槽阴极片数 片 I 电流强度 A Dk 商品槽电流密度 A m2 fc 每片阴极的表面积 本设计为 1 000 0 960 2 nc 12000 250 1 00 0 96 2 1 25 片 为了使阳极均匀溶解和方便统一装起槽 一般以为电解槽中阳极比阴极多 好 因此本设计取电解槽两端为阳极 即阳极数比阴极数多 1 片 则每槽阳极 个数为 n0 nc 1 25 1 26 片 3 电解槽尺寸的确定 电解槽长度 为了方便阴阳极片的起装槽操作 本设计中电解槽两端各留 150 空间 则电解槽长度为 L槽长 26 1 100 150 2 2800 第 34 页 电解槽的宽度 为了方便阴阳极片的起装槽操作 本设计中阴极两侧距槽边各留 60 空 间 则电解槽宽度为 L槽宽 960 60 2 1080 电解槽的深度 由于电解过程中槽底会有阳极泥沉积 因此电解槽下部需预留一定的高度 空间 本设计中阴极下部距槽底 300 同时为防电解液溢出 阴极上边距槽 上沿留 50 则电解槽深度为 H槽 1000 300 50 1350 根据上述计算 本设计中商品电解槽内部长 宽 高为 2800 1080 1350 4 种板电解槽数 为了有利于配置 必要时通用 及生产调度 取种板槽尺寸与商品槽尺寸 相同 种板电解槽数按下式计算 aPn1BA2 naPN X c c 式中 X 种板电解槽数 个 N 车间商品电解槽总数 取 832 个 nc 一个商品电解槽的阴极数 25 片 p 一个阴极所需始极片量 取 1 05 a 种板周期 1 d 第 35 页 A 阴极周期 取 6 d B 一个种板电解槽的种板数 取 24 片 始极片废品率 0 05 0 2 之间 取 0 05 X 832 1 05 1 25 2 6 24 1 0 05 25 1 05 1 72 82 个 由于种板电解槽与商品电解槽尺寸一致 故不需再单独预留备用种板电解 槽 综合考虑车间电解槽排列分布的整齐性 取种板电解槽数为 72 个 表 7 5 商品电解槽技术性能 名称单位A 厂B 厂C 厂本设计本设计 电流密度KA181024 4812 电流密度A m2322 330270 300240250 商品电解槽数量个280602336904 种板槽数量个40562072 长度mm77074010201000 阴极 宽度mm7406701000960 长度mm7407201000960 阳极 宽度mm700620960920 长度mm3400335056503000 宽度mm85079011601280 电解 槽外 尺寸 深度mm1130100014001450 每槽阳极数片43445026 每槽阴极数片42455125 同极中心距mm7570 80105100 5 直流电源 第 36 页 通过硅整流器或可控硅整流器获得直流电源 目前一般中 小型铜电解工 厂采用硅整流器 但可控硅整流器的电压可以有机调以达到稳压操作 直流操 作电流波动范围小 可达到稳流操作 通过两套极性相反的并联可控硅整流器 装置可以达到快速切换电流方向 满足周期反向电流电解的要求 其性能明显 优于硅整流器 虽然设备价格较高 在老厂技术改造及新建大型工厂时 考虑 企业提高电流密度 增产及分系列投产的需要 仍多采用可控硅硅整流器 硅 整流器和可控硅整流器的规格和台数根据电流 电压等条件进行选择 本设计 中电流强度为 12000A 商品槽 832 个 种板槽 72 个 商品槽电压为 0 3V 种 板槽电压为 0 38V 脱铜电解槽 5 个 槽电压为 2V 导线 母线 配电盘等的 电压损失系数为 1 15 则总电压为 E 832 0 3 72 0 38 5 2 1 15 330 004 V 表 7 6 株洲市三和整流器厂部分产品型号规格表 型号 参数额定直流输出用途 网侧 KV 外形尺寸 参考 长 X 宽 X 高 电流 A 电压 V KHS 3150 18 36 72 125 230 3150 18 36 72 125 23 0 1000 x800 x2000 KHS 6000 3672125 230 315 4 00 630 6000 36 72 125 230 3 15 400 630 1200 x900 x2000 KHS 10000 72 125 230 315 4 00 500 10000 72 125 230 315 400 500 1600 x900 x2000 KHS 16000 125 160 200 250 315 400 500 630 800 16000 125 160 200250 315 400 500 630 800 铝 镁 铅 锌 铜 锰 二氧 化锰 等有 色金 属电 解冶 炼 038 6 10 35 110 2200 x1000 x2000 第 37 页 KHS 20000 125 160 200 250 315 400 500 630 800 20000 125 160 200250 315 400 500 630 800 2400 x1000 x2000 KHS 25000 125 160 200 250 315 400 500 630 800 25000 125 160 200250 315 400 500 630 800 3000 x1000 x2000 KHS 31500 125 160 200 250 315 400 500630 800 31500 125 160 200250 315 400 500 630 800 3500 x1000 x2000 KHS 50000 125 160 200 250 315 400 500 630 800 50000 125 160 200250 315 400 500 630 800 电加 热制 碳素 碳化 硅等 4000 x1200 x2200 根据选定整流器的理论电流强度和计算的槽电压 并适当考虑富余系数选 择来自于株洲市三和整流器厂整流器型号为 KHS 16000 315 的整流器 台数 为 1 台 表 7 7 国内铜电解厂和本设计整流机型号规格及台数 大中型铜解工厂 商品槽和种板槽的直流供电系统应分开 小型工厂可共 用直流供电装置 厂别 每槽阴极面 积 m2 电流密度 A m2 实际电流 强度 A 总电 压降 整流机装备 台数 电流 电压 上冶 4833016000 95 100 可控硅整流器 1 18000A 105V 贵冶 10224024480112 可控硅整流器 1 30000A 140V 株冶 37659800 硅整流器 1 12000A 120V 本 设 计 25012000 可控硅整流器 1 16000A 315V 第 38 页 7 2 起重机 电解车间起重机主要用于阳极 阴极的出装槽及电解槽和其它设备维修 一般选用桥式起重机 7 2 1 起重机荷重的确定 起重机荷重应考虑车间最大操作荷重 通常为吊架加起吊极板的总重量 一般中 小型厂均为单极出装槽 起重机的最大荷重应取一槽阳极和吊架 重量之和 大型铜电解车间的极板加工排列多以实现了机械化 出装槽操作采 用可双极起吊的专用吊架 起重机的最大荷重应取一槽阳极和一槽始极片之和 7 2 1 17 2 1 1 一槽阳极重量一槽阳极重量 残极率为 16 阳极寿命为 20 d 电流强度为 12 KA 电流效率 97 7 每槽阳极为 26 片 则每块阳极的重量为 第 39 页 305 60 一槽阳极总重量 305 60 26 7945 60 7 2 1 27 2 1 2 一槽始极片总重量 包括导电棒重量 一槽始极片总重量 包括导电棒重量 已知始极片尺寸 1000 960 mm 设其厚度为 0 5 mm 取吊攀尺寸 200 100 10 mm 导电棒尺寸 20 20 1200 mm 则 一槽始极片重量 1 000 0 960 0 0005 25 8 9 103 106 80 一槽吊攀重量 0 20 0 10 0 01 2 25 8 9 103 89 00 一槽导电棒重量 0 02 0 02 1 2 25 8 9 103 106 80 一槽始极片总重量 106 80 89 00 106 80 302 60 7 2 1 37 2 1 3 专用吊车重量专用吊车重量 本设计选用大连重工 起重集团有限公司针对电解铜生产工艺而开发设计 16126 10 7 972024186 1 12000 3 第 40 页 的专用电解铜起重机 该起重机通过针对阴阳极板放置位置 形式而设计的专 用吊具能高效率地将阴阳极板装入或吊出电解槽 本设计取该电解铜起重机专用吊车架自重为 2000 起重机的总荷重应在上述计算基础上考虑 1 2 1 5 的系数 出于生产安 全考虑 本设计选取该系数为 1 5 则 G 7 9456 0 3026 2 000 1 5 15 37 t 7 2 1 47 2 1 4 起重机的选择起重机的选择 本设计拟选用的电解铜起重机的主要技术参数如下 数据出自 电解铜起 重机 刊于 起重运输机械 2006 9 P37 40 使用环境 潮湿 有酸雾 温度 25 45 起 重 量 主起升 22 t 调整机构 6 t 电动葫芦 2 t 起升速度 主钩 1 2 12m min 调整机构 2 2 m min 电动葫芦 8 1 3 m min 起升高度 主钩 8 m 电动葫芦 12 m 跨 度 28 5 m 运行速度 起重机 8 5 85m min 小车 4 40m min 电动葫芦 20m min 电 源 3AC 380V 50Hz 起重机轨道 QU100 整机工作级别 A6 整车最大宽 8100mm 整机外形尺寸 起重机轨面至最高点距离 2800mm 起重机最大轮压 350kN 第 41 页