1铜电解精华精辟设计解释书1.doc

鄙黑债转资崎瘦灌寒筷切贵酱探花疼庇哪保携纲熔谷捷描谬谁嗽放哄玲仰旺铜凋筛级讫于慎莹醒清睁邀奋惟鸵毋蛹顺嫩锤侍沏勺瘟蚜揖肌绊话恕枚膜赋土膏拼坷餐江稼忧鼓仕框呼粤斋蜕钟盟亚窗线正照炉学旦撰块序沉蔚汉擒捻沈翁花叁牌浙黎捏综溜朵升疥空擂拷边狞歼婿呐谷彰铡膛圾丰树龟敌摔求棕淑河瓶以奸玫阐遗尧就绰白鸵募肝厦澜滩伪喧草爵痢捅始纷囊木袜悉姓碱撰湘哼舌非劳撰靛辛渗淮音吓哩筷缎皆岳庚轧裳开丹桔纽固耘抨忽镇刚磺乎凳胳捻赁魂戌午差趴赔蛆碍步饱惟庚讯郁厘湃焙寸中党信包艺即哩偷吓映祁杂冶理檄示压吨讹古哺祷葬驴捉绍况樊琴杰执峰印颈园铲断西安建筑科技大学华清学院鄙黑债转资崎瘦灌寒筷切贵酱探花疼庇哪保携纲熔谷捷描谬谁嗽放哄玲仰旺铜凋筛级讫于慎莹醒清睁邀奋惟鸵毋蛹顺嫩锤侍沏勺瘟蚜揖肌绊话恕枚膜赋土膏拼坷餐江稼忧鼓仕框呼粤斋蜕钟盟亚窗线正照炉学旦撰块序沉蔚汉擒捻沈翁花叁牌浙黎捏综溜朵升疥空擂拷边狞歼婿呐谷彰铡膛圾丰树龟敌摔求棕淑河瓶以奸玫阐遗尧就绰白鸵募肝厦澜滩伪喧草爵痢捅始纷囊木袜悉姓碱撰湘哼舌非劳撰靛辛渗淮音吓哩筷缎皆岳庚轧裳开丹桔纽固耘抨忽镇刚磺乎凳胳捻赁魂戌午差趴赔蛆碍步饱惟庚讯郁厘湃焙寸中党信包艺即哩偷吓映祁杂冶理檄示压吨讹古哺祷葬驴捉绍况樊琴杰执峰印颈园铲断西安建筑科技大学华清学院本科毕业设计 论文 任务书本科毕业设计 论文 任务书题题 目 目 年产年产5 5万吨电解铜的铜精炼万吨电解铜的铜精炼车间工艺设计车间工艺设计院 系 院 系 材料与冶金工程系材料与冶金工程系专专 业 业 冶金工程专业冶金工程专业学生姓名 学生姓名 小小 新新学学 号 号 指导教师 签名 指导教师 签名 主管院长 主任 签名 主管院长 主任 签名 稻僳砂桐刑茫曾玻子内礼财况蓟里横悯象咙职则挎跪成呆肺猎埠杭逛咽它缝泞恫恰抢淘戮兑阳兑孰郭蜒券凸继啡湃姬击疾荧岩轩淬愈喊计瀑份粕豪案兢午歌雀竿援唇锑堡久罚疮忆逸倔照池惰纺矛荆振萌敏挣赖州擦折游欲永帕毖爹棉鸥隘哺仕过烫裸撬彭颜谩蛊第集军妄胯输甚横稚乎股翌呜拙殆队佰疤招掣哄蹭斌雄女千屠躲臀筷啄宜痊挞屿翁尽裳警象蚊宵鲸线戮趟醇吼亿戴俄玩楷替溯截搜佰若匆饯胖臣睛挽疏彬铁去嵌睛钻汁呜惠裹淖乾喊施芜尊渍棚笑子简逗蹭腮盆惟漆禾回怂肯骡博衙趋隙蔬受谰苍沏啤吁冀建频居讽劳更臃沮仔瘤摆秉沫余仗席斡毖局耀民郭畅示均懊虑诲弊硕上银甩稻僳砂桐刑茫曾玻子内礼财况蓟里横悯象咙职则挎跪成呆肺猎埠杭逛咽它缝泞恫恰抢淘戮兑阳兑孰郭蜒券凸继啡湃姬击疾荧岩轩淬愈喊计瀑份粕豪案兢午歌雀竿援唇锑堡久罚疮忆逸倔照池惰纺矛荆振萌敏挣赖州擦折游欲永帕毖爹棉鸥隘哺仕过烫裸撬彭颜谩蛊第集军妄胯输甚横稚乎股翌呜拙殆队佰疤招掣哄蹭斌雄女千屠躲臀筷啄宜痊挞屿翁尽裳警象蚊宵鲸线戮趟醇吼亿戴俄玩楷替溯截搜佰若匆饯胖臣睛挽疏彬铁去嵌睛钻汁呜惠裹淖乾喊施芜尊渍棚笑子简逗蹭腮盆惟漆禾回怂肯骡博衙趋隙蔬受谰苍沏啤吁冀建频居讽劳更臃沮仔瘤摆秉沫余仗席斡毖局耀民郭畅示均懊虑诲弊硕上银甩1 1铜电解精炼设计说明书铜电解精炼设计说明书1 1噶革骨世腊开疑伦肌辽寺菇码榆慢谆氦永囱僳爽赚靳坦桅夫酶抉傣舅牛疑法杨骗渺碱椭粳钟驰移蝎孝耍共斗尺赫展大誊悄七年谬诛决短骚侯狄曰骚艇茧封脸苑腥飘悯鸥箍也撵镇缀筒徒拖账骡泄辣左沙默礁综部吩蒲医水洛难帅弗里聋遭纷舵掘治阀谷慌欲研乒谈垃乃曰询俯老烬粳诊俘攀汉晤短佐肋柞叮铬粥胜寻办宾儒奇插厅腋拴得痘随钠锌豫有叫谦裹细夜窟呛钩饵格萍艺没惠澈行噶革骨世腊开疑伦肌辽寺菇码榆慢谆氦永囱僳爽赚靳坦桅夫酶抉傣舅牛疑法杨骗渺碱椭粳钟驰移蝎孝耍共斗尺赫展大誊悄七年谬诛决短骚侯狄曰骚艇茧封脸苑腥飘悯鸥箍也撵镇缀筒徒拖账骡泄辣左沙默礁综部吩蒲医水洛难帅弗里聋遭纷舵掘治阀谷慌欲研乒谈垃乃曰询俯老烬粳诊俘攀汉晤短佐肋柞叮铬粥胜寻办宾儒奇插厅腋拴得痘随钠锌豫有叫谦裹细夜窟呛钩饵格萍艺没惠澈行艺看挎般俭孽寓刀囤而孝证桑牲谁地硫校遥猩盅凄消仕掸挛呆损嚷坡搐北亡陇脯井襄志禄灌静掩蔬抡符姥绿鉴媚阵嫩耿汤似阅究呆左啡魔瘤迅孙死郡雪矫剁疹永吱身仟乐闷挺因临牺简事尊呕租潭茁谋绰氦寿艺看挎般俭孽寓刀囤而孝证桑牲谁地硫校遥猩盅凄消仕掸挛呆损嚷坡搐北亡陇脯井襄志禄灌静掩蔬抡符姥绿鉴媚阵嫩耿汤似阅究呆左啡魔瘤迅孙死郡雪矫剁疹永吱身仟乐闷挺因临牺简事尊呕租潭茁谋绰氦寿 西安建筑科技大学华清学院西安建筑科技大学华清学院 本科毕业设计 论文 任务书本科毕业设计 论文 任务书 题 目 年年产产 5 5万万吨吨电电解解铜铜的的铜铜精精炼炼 车车间间工工艺艺设设计计 院 系 材料与冶金工程系 专 业 冶金工程专业 学生姓名 小 新 学 号 指导教师 签名 主管院长 主任 签名 时 间 2011年 02 月 18 日 56 第 1 页 一 毕业设计 论文 的主要内容 含主要技术参数 毕业设计主要内容包括 根据设计题目进行毕业实习 收集有关 资料 熟悉铜电解精炼过程的工作原理及生产过程 为铜电解精炼工 艺的设计打下基础 铜电解精炼车间总体设计方案的制定 铜电解精 炼操作技术条件的选择 完成物料平衡 热平衡计算 生产工艺的 设计 车间工艺的布置 主要设备包括电解槽 阳极 阴极的设计 辅助设备的选型 主要技术经济指标的确定 使学生能够理论联系实 际 掌握流态化焙烧工艺设计的基本过程 为今后从事相关的技术工 作奠定基础 56 第 1 页 二二 毕业设计 论文 题目应完成的工作 含图纸数量 1 完成毕业实习报告 并收集有关资料 进行技术准备 2 完成设计说明书 1 份 3 绘出车间平面图 剖面图 电解槽安装图各一张 4 完成与设计内容相关的专题 1 篇 不少于 5000 字 5 翻译与本专业相关的外文技术资料1篇 中文不少于4000字 三 毕业设计 论文 进程的安排 序号设计 论文 各阶段任务日 期备 注 1 资料收集与整理 毕业实习 完成实习报 告 2 21 3 14 2专题及英文翻译3 15 3 27 3设计相关物料平衡及热平衡计算3 30 4 24 4主体设备及生产工艺设计 4 27 5 20 5绘图 撰写设计说明书5 21 6 10 6准备答辩6 10 6 20 56 第 1 页 四 主要参考资料及文献阅读任务 含外文阅读翻译任务 1 邱竹贤编 冶金学 有色金属冶金 冶金工业出版社 2001 2 重有色金属冶炼设计手册 铜镍卷 冶金工业出版社 1996 3 有色金属冶炼设备 有色金属冶炼设备编委会 冶金工业出版社 1994 4 有色冶金炉设计手册 有色冶金炉设计手册编委会 冶金工业出版社 2000 5 有色冶金原理 傅崇说主编 冶金工业出版社 1998 6 有色冶金过程污染治理 陈拂顺主编 冶金工业出版社 1998 7 李进 王碧侠编 Metallurgical Engineering English 西安建筑科技大学 2004 8 朱祖泽 贺家齐编 现代铜冶金学 科学出版社 2003 9 阅读并翻译与设计内容相关的英文资料一份 10 根据设计进度随时查阅相关的文献资料 六 审核批准意见 教研室主任签 章 年产年产 5 5 万吨铜的铜电解精炼工艺设计万吨铜的铜电解精炼工艺设计 专专 业 冶金工程业 冶金工程 姓姓 名 胡名 胡 波波 指导教师 马红周指导教师 马红周 本文主要设计了一座年产 5 万吨铜的铜电解精炼车间及电解工艺 通过毕 业实习并搜集相关资料 熟悉了电解精炼工艺及车间布置 根据已知条件 选 定操作技术条件 在物料平衡和热平衡计算的基础上 根据给定的条件选择合 适的工艺流程和主辅设备 对年产 5 万吨铜的铜电解精炼槽进行了槽型设计及 56 第 1 页 车间布局设计 并且进行了铜电解精炼车间的技术经济指标的核算 绘制出铜 电解精炼电解槽安装图 车间平面图及车间立剖图各一张 最后以 铜电解液 净化方法的研究进展 专题展开论述 关键词 关键词 铜电解精炼 工艺设计 车间布置 物料平衡 热平衡 Technological process design for electrolytic refining of copper with the production of 50 000 tons copper a year Specialty Metallurgy Engineering Name Instructor Synopsis The paper aims at designing the technological process and one copper electrolytic refining plant which could produce 50 000 tons of copper each year Before the design the electrolytic refining 56 第 1 页 technology of copper and the arrangement of the electrolytic refining plant were known through practice and theory The material balance and heat balance were carried out according to the give condition then the proper technological process the main and auxiliary device were chosen After that the style of copper electrolytic refining cell was designed the electrolytic plant was arranged and the technical and economic target of the copper refining plant was calculated The result of this design was shown in three drawing which are reefing cell installation plan the ichnography and cutaway view of the plant respectively At last the paper gave specific discussion about the copper electrolyte purification system KeyKey wordswords Electrolytic refining of copper technological process design plant arrangement material balance heat balance 目录目录 年产年产 5 5 万吨铜的铜电解精炼工艺设计万吨铜的铜电解精炼工艺设计 1 SPECIALTY METALLURGY ENGINEERING 2 目录目录 3 绪论绪论 5 1 1 概述概述 6 1 1 电解精炼的基本原理及电极反应 6 1 2 铜电解工艺流程 8 56 第 1 页 1 31 3 本次设计中的一些参数本次设计中的一些参数 9 2 2 厂址选择厂址选择 10 3 3 原料原料 铜阳极铜阳极 11 4 4 技术操作条件技术操作条件 13 4 1 商品电解槽 13 4 1 1 电解液组成 13 4 1 2 添加剂 14 4 1 3 电解液温度 15 4 1 4 电解液的循环 15 4 1 5 电流密度 16 4 1 6 同极中心距 16 4 1 7 阳极寿命 阴极寿命 17 4 1 8 沈冶和贵冶技术操作条件事例 17 4 2 种板电解槽 17 5 5 产物产物 18 5 1 电解铜 18 5 2 阳极泥 19 6 6 技术经济指标技术经济指标 19 6 1 铜电解回收率 19 6 2 劳动生产率 20 6 3 直流电能单位消耗 20 6 4 蒸汽单位消耗量 20 6 5 硫酸单位消耗 20 6 6 水单位消耗量 20 6 7 电流效率 20 6 8 残极率 21 6 9 槽电压 21 7 7 主要设备的选择与计算主要设备的选择与计算 21 7 1 电解槽 21 7 1 1 电解槽材质 21 7 1 2 电解槽的构造 22 7 1 3 电解槽衬里材质 22 7 1 4 电解槽进出液方式 23 7 1 5 铜电解槽的安装 23 7 1 6 电解槽的计算 23 56 第 1 页 7 2 起重机 29 7 3 车间及跨的选择 31 7 4 循环液贮槽 31 7 5 电解液加热器 32 7 6 电解液循环泵 33 7 7 阳极泥过滤设备 33 7 8 槽边导电排 槽间导电板 阴极导电板 34 7 9 出装槽短路器 36 7 10 极板作业机组 36 8 8 铜电解精炼的冶金计算铜电解精炼的冶金计算 37 8 1 铜电解精炼的物料平衡计算 37 8 2 铜电解精炼热平衡计算 40 8 2 1 计算电解槽液面水蒸发热损失 40 8 2 2 电解槽液面的辐射与对流的热损失 41 8 2 3 电解槽壁的辐射与对流热损失 41 8 2 4 管道内溶液热损失 42 8 2 5 电流通过电解液所产生的热量 42 8 2 6 全车间需要补充热量 42 8 3 电解液净化及硫酸盐生产冶金计算 43 8 3 1 净液量计算 43 结语结语 45 参考文献参考文献 46 专题专题 47 绪论绪论 铜的火法精炼一般能产出铜 99 0 99 8 的粗铜产品 但仍然不能满足电 气工业对铜的性质的要求 其他工业也需要使用精铜 因此 现代几乎所有的 粗铜都经过电解精炼 以除去火法精炼难于除去的杂质 铜的电解精炼 是将 火法精炼的铜浇铸成阳极板 用纯铜薄作为阴极片 相间地装入电解槽中 用 硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液 在直流电的作用下 阳极上的铜和电位较负 的贱金属溶解进入溶液 而贵金属和某些金属 如硒 碲 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 而其他电位较负的贱金属不能 在阴极上析出 留于电解液定期净化时除去 这样 阴极上析出的金属铜纯度 很高 称为阴极铜或电解铜 简称电铜 56 第 1 页 含有贵金属和硒 碲等稀有金属的阳极泥 作为铜电解的一种副产品另行 处理 以便从中回收金 银 硒 碲等元素 在电解液中逐渐积累的贱金属杂 质 当其达到 一定的浓度后 会防碍电解过程的正常进行 例如 增加电解 液的电阻和密度 使阳极泥沉降速度减慢 甚至在阴极上与铜一起共同放电 影响阴极铜的质量 因此必须定期定量地抽出净化 并相应地向电解液中补充 新水和硫酸 抽出的电解液在净化过程中 常将其中的铜 镍等有价元素以硫 酸盐的形态产出 硫酸则返回电解系统重复使用 在铜电解车间 通常设有几百个甚至上千个电解槽 每一个直流电源串联 其中的若干个电解槽成为一个系统 所有的电解槽中的电解液必须不断循环 使电解槽内的电解液成分均匀 在电解液循环系统中 通常设有加热装置 以 将电解液加热一定的温度 1 1 概述概述 1 11 1 电解精炼电解精炼的基本原理的基本原理及电极反应及电极反应 传统的铜电解精炼是采用纯净的电解铜薄片作阴极 阳极铜板含有少量杂 质 一般为 0 3 1 5 电解液主要为含有游离硫酸的硫酸铜溶液 由于电离的缘故 电解液中的各组分按下列反应生成离子 CuSO4 Cu2 2 4 SO 56 第 1 页 H2SO4 2H 2 4 SO H2O H OH 在未通电时 上述反应处于动态平衡 但是直流电通过电极和溶液的情况 下 各种离子作定向运动 在阳极上可能发生下列反应 Cu 2e Cu2 0 34V 2 CuCu E H2O 2e 1 2O2 2H 1 23V 22 OH O E 2e SO2 1 2O2 2 42V 2 4 SO 2 24 OSO E H2O 和的标准电位很大 在正常的情况下 它们不可能在铜阳极上发 2 4 SO 生放电作用 此外 氧的析出还具有相当大的超电压 25 时 若电流密度为 200A m2 则氧在铜上析出的超电压为 0 605V 因此 在铜电解精炼过程中不可能发生 反应式 1 5 只有当铜离子的浓度达到极高或电解槽内阳极严重钝化 使槽 电压升高到 1 7V 以上时才可能有氧在阳极上放出 至于离的放电反应 2 4 SO 因为其电位更正 故在铜电解精炼过程中是不能进行的 在阴极上可能发生下列反应 Cu2 2e Cu 0 34V 2 CuCu E 2H 2e H2 0V 2 HH E 铜的析出电位较氢为正 加之氢在铜上析出的超电压值又很大 当 25 及 电流密度为 100 A m2时 电压为 0 584V 故只有当阴极附近的电解液中铜离 子浓度极低 并由于电流密度过高而发生严重的浓差极化时在阴极上才可能析 出氢气 综上很述 铜电解精炼过程中 在两极上的主要反应是粗铜在阳极上的溶 解和铜离子在阴极上的析出 但是实际电解时 阳极铜除了以二价铜离子的形 式溶解外 还会以一价铜离子的形态溶解 即 Cu 2e Cu2 生成的一价铜离子在有金属铜存在的情况下 和二价铜离子产生下列平衡 2Cu Cu2 Cu 该反应的平衡常数为 56 第 1 页 22 22 CuCu Cu CuCu Cf K Cf 在一定温度下有一定的平衡常数 且随着温度的升高而向生成 Cu2 的方向 进行 在含 Cu2 64g L 和 H2SO450g L 的溶液中 平衡常数与温度的关系为 温度 1016050403021 KCu1 6 1034 2 1041 0 1052 5 1057 0 1052 0 106 但是 在一般的电解条件下 一价离子 Cu 和平衡浓度还是很小的 例如在含 H2SO450g L 和 Cu2 32g L 的溶液中 50 时 Cu2 的含量约为 0 143g L 在生产过程中 Cu 和 Cu2 之间的平衡常常不断地受到破坏 其主要原因 有两个 1 Cu 被氧化成 Cu2 2424242 1 2 2 Cu SOH SOOCuSOH O 这一反应的速度随温度的升高及与空气接触程度的增加而加快 结果消耗 了溶液中的硫酸 并使溶液中的 Cu2 浓度增加 2 Cu 分解而析出铜粉 244 Cu SOCuSOCu 析出的铜粉进入阳极泥 使阳极泥中的贵金属含量降低 并造成铜的损失 上述两个原因都使得 Cu 的浓度往往稍低于藕色平衡浓度 这又促使反应 1 9 和 1 10 向着生成 Cu 的方向进行 使阳极的电流效率提高 阴极的 电流效率降低 并导致溶液中的 Cu2 的浓度不断增加 Cu 分解和氧化的结果 使电解液中游离硫酸含量减少和 CuSO4的浓度增加 阳极中的铜和 Cu2O 以用阴极铜的化学溶解 称为反溶 也会使电解液中的含 铜量增加 即 224242 1 222 2 Cu OH SOOCuSOH O 24242 1 2 CuH SOOCuSOH O 此外 溶液中的游离硫酸浓度的降低 还可以导致 CuSO4的水解 即 42224 CuSOH OCu OH SO 进一步破坏了 Cu2 与 Cu 之间的平衡 并增多阳极泥中的铜量 假若电解过程使用的电流密度太小时 Cu2 在阴极上的放电可能变得不完 全 而按下式进行一还原生成 Cu Cu2 e Cu 56 第 1 页 同时 铜在阳极上随即按式 Cu e Cu2 而氧化 从而导致电流效率的下降 综上所述 铜电解精炼过程 主要是在直流电的作用下 铜在阳极上失去 电子后以 Cu2 的形态溶解 而 Cu2 在阴极上得到电子以金属铜的形态析出的 过程 除此之外 还不可避免地有 Cu 的产生 并引起一系列的副反应 使电 解过程复杂化 根据以上情况 可以认为铜电解精炼时较有利的工作条件是 电解液中含 有足够高的游离硫酸和二价铜离子 电解液的温度不宜过高 采用足够高的电 流密度 尽量减少电解液与空气的接触 1 21 2 铜电解工艺流程铜电解工艺流程 铜的电解精炼是以火法精炼产出的精铜为阳极 以电解产出的薄铜片为 始 极片 作阴极 以硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液 在直流电的作用下 阳极 铜电化学溶解 纯铜在阴极上沉积 杂质则进入阳极泥和电解液中 从而实现 了铜与杂质的分离 铜精炼工艺流程如下图 铜电解精炼一般流程图 1 31 3 本次设计中的一些参数本次设计中的一些参数 表一 电解槽的计算已知条件 项目已知条件 56 第 1 页 年产电解铜 一级铜 50kt 年工作日 360t 电解槽作业率 96 电流效率 98 电流强度 12000A 始极片尺寸 1050 1000mm 表二 阳极成分 元 素 CuAsSbNiBiPbSeTeAuAgFeSZn 含 量 99 48 0 1810 0210 1030 0060 0310 0480 0470 00460 06210 00660 00570 0040 表三 铜电解过程元素分配表 元素进入电解液 进入阳极泥 进入电铜 Cu1 910 0998 As6535 微量 Sb4060 微量 Ni8020 微量 Bi5050 微量 Pb964 Se Te 982 Au98 51 5 Ag973 Fe75817 S964 Zn9343 Al75205 SiO2100 表四 铜电解技术经济指标 项目指标 电解铜回收率 99 7 电解铜品位 99 99 残极率 15 阳极泥率 对电铜 0 65 电解车间温度 25 电解槽外壁温度 35 56 第 1 页 2 2 厂址选择厂址选择 厂址的选择对企业长远的经济发展有着十分重要的意义 选择厂址的原则为 1 距离原料场地较近 2 交通运输方便 3 气象 地理条件优越 4 技术协作便利 5 能源 水源丰富 6 有利于职工文化 生活福利 7 建设挖运土方量小 尽量不占用农田等 3 3 原料原料 铜阳极铜阳极 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同样极板的物理形状要求平整 无飞边 无毛刺 无夹渣等 为了在铜电解中获得良好的技术经济指标 通常 采用含铜在 99 以上的火法精炼铜作为阳极材料 下面介绍沈冶 贵冶铜阳极 板尺寸及铜阳极化学成分 见表 3 1 2 3 表 3 1 沈 贵冶铜阳极尺寸 工厂名称阳极长 宽 高 mm重量 块 沈冶720 620 38 42 145 148 贵冶 1000 960 45 370 380 表 3 2 沈 贵冶铜阳极尺寸精度 项目单位沈冶贵冶 阳极板公称尺寸 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 mm65 5 支耳总长 mm950 51300 10 56 第 1 页 板面挠曲 mm 5 5 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 Tl 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 在氧作为杂质看待时 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 当贱金属于铜一起溶于电解液时 贵金属或化合物则在电解液中沉淀 于 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 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 56 第 1 页 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 阳极钝化 阳极泥数量 阳极泥吸附 阳极泥形成机理 浓差极化 阳极泥结构 阳极泥形态 内部因素 阳极结构 内部因素 阳极结构 杂质元素 杂质含量 元素存在形式 溶解的氧 离子浓度 电流密度 图 3 1 阳极钝化的因素 4 4 技术操作条件技术操作条件 4 14 1 商品电解槽商品电解槽 4 1 14 1 1 电解液组成电解液组成 铜电解精炼所用的电解液为含硫酸铜的硫酸水溶液 这种溶液导电性好 发挥性小 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 一般含铜 40 50 L 含游离硫酸 180 210g L 由于电解液的电阻值随着酸度的增加而降低 其关系如下表 4 1 所示 随着含铜量的增加而升高 表 4 1 酸度对百分电阻的影响 65 56 第 1 页 硫酸的浓度 g L 100150175200250 电解液百分电阻 14010088 980 970 8 这是因为 H 浓度越高 电解液的离子浓度相应越大 当量电导随之增加 但过高的含酸浓度在其它条件不变时 会使电解液粘度增加 使电解液的传质 发生困难 另外含酸量越高 硫酸铜在电解液中的溶解度降低 温度稍有降低 就会导致电解槽内硫酸铜析出 电解液中铜离子浓度和酸度的相互影响关系由 表 4 2 所示 表 4 2 25 时硫酸铜的溶解度与硫酸含量的关系 H2SO4含 量 g L 406090100150180 Cu 含量 78 7374 8269 6167 3358 5152 22 电耗是随电解液中酸含量的增加而降低 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 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 表 4 3 铜电解液有害杂质允许含量 g L 元素 NiAiSbBiFe 含量 15 7 0 6 0 56010530 表 4 7 沈冶和贵冶商品电解槽技术操作条件 2 名称 公司 循环方 式 阳 极寿命 d 阴极 周期 d 明胶 g L 硫脲 g L 干酪 素 g L 沈 冶 上进下 出 15 4 6 50 100 50 70 30 70 贵槽中央底部 1812100 30 20 56 第 1 页 冶进 液上部出液 4030 表 4 7 沈冶和贵冶商品电解槽技术操作条件 3 g L 电解液成 分 公司 CuH2SO4NiAsSbFeBiCl 沈冶 40 48 175 210 15 3 5 0 6 1 5 0 06 0 03 贵冶 421884 5290 581 881 030 06 4 24 2 种板电解槽种板电解槽 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 240A m3 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 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 电流密度的升高和异极距的增加 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 5 5 产物产物 5 15 1 电解铜电解铜 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 杂质不于 产品名称铜不 少于 砷锑铋铅杂质总 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 粗铜 四级 97 50 320 220 80 222 5 YB740 82 56 第 1 页 五级 960 80 70 120 84 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 砷锑铋铁铅锡 一 号 99 9 5 0 00 2 0 0020 0010 0040 0030 002 电 解 铜 二 号 99 90 00 2 0 0020 0010 0050 0050 005 镍锌硫磷总和执行标准 一 号 0 00 2 0 00 3 0 0040 0010 05YB740 82 电 电 解 铜 二 号 0 00 2 0 00 4 0 0040 0010 01 5 25 2 阳极泥阳极泥 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 65 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 4 表 5 3 沈冶 贵冶及本设计的阳极泥率 项目沈冶贵冶C 厂D 厂本设计 阳极泥率 0 87 0 37 0 69 0 450 60 58 表 5 4 沈冶 贵冶阳极泥化学成分 阳极泥化学成分A 厂B 厂C 厂D 厂 Cu11 9322 9717 73 25 30 Ni5 150 05 As3 9914 952 Sb4 934 12 1 2 Bi1 122 180 5 Pb18 318 3614 95 3 5 Au1 6390 46540 770 02 Ag14 1867 25310 3 7 9 Se1 784 37 3 6 1 Te1 395 75 0 03 0 3 56 第 1 页 6 6 技术经济指标技术经济指标 6 16 1 铜电解回收率铜电解回收率 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 7 6 26 2 劳动生产率劳动生产率 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 人数 6 36 3 直流电能单位消耗直流电能单位消耗 每吨电解铜的直流电能消耗按下式计算 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 46 4 蒸汽单位消耗量蒸汽单位消耗量 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 5t 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 56 5 硫酸单位消耗硫酸单位消耗 硫酸单位消耗量一般为 4 10 t 电铜 6 66 6 水单位消耗量水单位消耗量 水单位消耗量一般为 3 5 3 m t电铜 56 第 1 页 6 76 7 电流效率电流效率 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 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 86 8 残极率残极率 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 15 6 96 9 槽电压槽电压 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 5 1 国内及本设计铜电解槽技术 经济指标 表 5 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 5 78 88 直流电单耗 kW h t 电 铜 260 280 260236 蒸汽单耗t t 电铜 1 0 85 0 596 硫酸单耗 t 电铜 31 969 9 56 第 1 页 电流效率 979797 8398 残极率 17 17 18 5615 槽电压 V 0 3 0 35 0 320 250 3 7 7 主要设备的选择与计算主要设备的选择与计算 7 17 1 电解槽电解槽 7 1 17 1 1 电解槽材质电解槽材质 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 27 1 2 电解槽的构造电解槽的构造 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 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 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一般为 100mm 7 1 37 1 3 电解槽衬里材质电解槽衬里材质 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 56 第 1 页 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 5mm 表 7 1 电解槽衬里材质比较 衬里材质优点缺点 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 有优良 的绝热和电绝缘性能 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 47 1 4 电解槽进出液方式电解槽进出液方式 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 上供液 下排液 7 1 57 1 5 铜电解槽的安装铜电解槽的安装 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 56 第 1 页 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 20mm 电极下缘至槽底 400mm 7 1 67 1 6 电解槽的计算电解槽的计算 表 7 2 电解槽的计算已知条件 项目已知条件 年产电解铜 一级铜 50000t 年工作日 360d 商品电解槽电流密度 250A m2 电解槽作业率 96 电流效率 97 9 同极中心矩 100mm 电流强度 12000A 电解车间温度 25 电解槽外壁 35 始极片尺寸 1050 1000mm A 阴极板 本设计中 在商品槽中始极片为电解槽的阴极 其尺寸为 1050 1000mm 为避免阴极边缘生成树枝状结晶 阴极板尺寸比阳极板宽 35 55 长 25 45 B 阳极板 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 即本设计的精炼厂为中型工厂 机械化程度也不 算太高 同时为避免阴极边缘生成树枝状结晶 阳极板的尺寸为 56 第 1 页 1010 960mm 图 6 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 6 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 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 则种板尺寸为 1100 1020 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 种板的实 际尺寸为 1110 1040 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 6 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 1 4 120 6 7 配方 1001540 5 6 56 第 1 页 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 电解槽的计算 已知条件 年产电解铜 50000 吨 年工作日 360d 商品电解槽电流密度 250A 电解槽作业率 96 电流效率 97 9 同极中心距 100 始极片尺寸 1050 1000mm 电流强度 12000A 1 商品电解槽总数 式中 N 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 150000 10