年处理7万吨电解铜电解槽冶金技术专业冶金设备课程设计说明书

1、冶金技术专业冶金设备课程设计说明书设计题目： 年处理电解铜 7万吨电解槽专设计时间2015 12 21 至 2015 12 31班级： 学生：工业职业技术学院二0 一五年编制目录(1)设计进度安排及要求 21.1 进度安排 21.2 设计要求 2 绪言 2(3)工艺流程选择及意义 33.1 工艺流程 33.2 设计意义 4(4)冶金计算 54.1 物料平衡计算 54.2 热平衡计算 6(5)主体设备选型及计算 85.1 主体设备选型 85.2 电解槽计算 115.2.1 电解槽极板数计算 115.2.2 电解槽尺寸计算 12(6)设计心得体会 12(7)主要参考资料 141设计进度安排阶段阶段

2、容起止时间设计计算工艺论证，物料平衡计算，设备选型及主体设备 结构设计计算。1周说明书编写进行数据整理、流程选择和论文编写0.5周绘图绘制主体设备图10.5周设计容要求:已知条件：年处理电解铜 7万吨/槽，阳极铜成分 Cu 99.43%,电解铜回 收率99.8%;电解铜品位99.95 %;残极率15%;电流密度：320 A/m2;电解 槽作业率95%;电流效率：96%;同极中心距：95mm始极片尺寸：77bx 740mm （阴极浸没于电解液深度为670mm2绪言本文主要设计了一座年产 7万吨铜的铜电解精炼车间及电解工艺。通过 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

3、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7万吨铜的铜电解精炼槽进行了槽型设计及绘制出铜电解精 炼电解槽安装图。铜的火法精炼一般能产出铜99.0%99.8%勺粗铜产品，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，硫）不溶，成为阳极泥沉于电解槽底。 溶

4、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。含有贵金属和硒，硫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，硫等元素。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，锲等有价元素以硫酸盐的形态产出， 硫酸则

5、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。3工艺流程选择及意义3.1 工艺流程选择火法精炼产出的阴极铜品位一般为 99.299.7%,其中还含有0.30.8%的杂 质。为了提高铜的性能，使其达到各种应用的要求，同时回收其中的有价金属， 特别是贵金属、柏族金属和稀散金属，必须对其进行电解精炼。粗铜电解精炼是以铜阳极板为阳极， 纯铜始极片或不锈钢板为阴极，以硫酸 铜和硫酸溶液为电解液，将极

6、板按一定的极距相间排列于电解槽，通入直流电， 阳极不断溶解，便在阴极上析出电解铜。电解过程中，阳极铜中的贵金属和硒、 确等有价元素进入阳极泥，沉积于电解槽底， 定期排出，送阳极泥车间提取贵金 属。锲、神、睇、钿等杂质大部分进入电解液，需从循环液中抽取一部分进行净 化处理。工艺流程包括电解精炼和电解液净化两部分。以纯铜始极片为阴极，电源为恒向直流电，电流密度为220280A/m2该法在世界各国均已有多年生产历史，工艺成熟可靠，电耗低。特别是采用了机械 化、自动化水平高的阴阳极加工机组，并采用新技术适当提高了阴阳极板的垂直 度以后，阴极铜产品质量得到显著的改善。 是传统法的始极片制作工艺复杂， 不

7、 仅需要独立的生产系统，而且制作过程中劳动强度过大。除此之外，这种工艺流程自身还存在两个难以克服的缺点：（1 ）电解精炼过程中存在“极限电流密度”， 电解精炼时的实际电流密度必须低于极限电流密度，否则就会使阴极铜沉积表面粗糙，甚至形成“枝晶”，造成电解槽短路，使电解过程能耗大大增加，并且影 响正常生产过程和产品质量。（2）容易形成“阳极钝化”，在正常电压下阳极 不能溶解，必须提高电压使钝化膜在更高的电压下被破坏并溶解，不仅影响正常生产，还会造成电能浪费和阴极铜的化学成分不稳定，进而影响产品的质量和物理性能电:蜂情电蟀精炼阳极片残福阳极膨电解液w nr送电第返火法样域送阳极泥做 3 妇理二圾电眸

8、桐一电解液阳极准 黑极TV送配根泥遮火法精搏处理或吹炼净化薪醐 翱硒洞丁丁逅回熔炼生产精炼曲窿银晶硫番粥再生屈屈返回苴第和?图1-1电解铜的工艺流程3.2 设计意义0本设计的容包括电解工艺的确定，铜电解精炼冶金计算，主要设备结构图 的绘制等。铜电解精炼工艺流程的确定通过比较，选择先进、经济、合理的铜电 解精炼的工艺流程。冶金计算：铜电解精炼冶金计算包括：电解过程金属平衡和物料平衡。重要设备尺寸计算及选择：根据工艺流程各个主要过程，合理地选择主要冶炼设备和确定个数、容量、 对其主要尺寸加以计算。主要设备结构图的绘 制：铜电解槽图。4冶金计算4.1物料计算计算条件：年处理电解 Qto 7万吨 阳极

9、铜品位阳：99.43%;电解铜回收率4：99.8 %;电解铜品位阴：99.95%;残极率也：15%;铜电解过程元素分配73?进入电解液进入阳极泥进入电解铜Cu/%& 1=1.95£ 2 = 0.05e 3 = 98(1) 1吨阴极铜需要溶解阳极铜1 X 99.95%/1 X 99.43%X 98%=1.0258吨:(2) 阳极实际需要量：1.0258 X 70000/99.8% X (1-15%) =84644 吨(3)实际溶解阳极量：1.0258 X7000/99.8%=71949.9000 吨(4)阳极含铜量：84644X 99.43%=84161.5292 吨(5)残极

10、量：84644X 15%=12696.6000吨(6)残极含铜量：12696.6000 X99.43%=12624.2294 吨(7)阳极泥含铜量：71949.9000 乂 99.43%X 0.05%=35.7699 吨(8)电解液含铜量：71949.9000 X 99.43%X 1.95%=13950.258 吨物料平衡表物料名称物料量/吨%装入阳极含铜84161.5292100合计84161.5292产出残极含铜12624.229415阳极泥含铜35.76990.0425电解液含铜1395.02581.6576电铜7000083.17340损失及计算误差106.50410.1265合计84

11、161.52924.2热平衡计算设定：电解槽尺寸2395 X880X 1120外尺寸 2495 X980X 1220电解槽数1000 个电流强度7490.3959A槽电压0.3v电解温度 60° C电解车间室温 240 C电解槽外壁温度35 0 C电解液循环温度25L(min.槽)每平方米电解槽液表面在无覆盖层时的消失水分蒸发量为1.35KJ (m2 .h)A 热收入热收入为电流通过电解液时所产生的热Q=4.18X 0.239EI(NX10-3式中E 消耗于克服电解液阻力的槽电压，V,为槽电压的50批右I电流强度，A时间，为3600sN 电解槽数Q=4.18X 0.239 X 0.3

12、 乂 0.50 乂 7490.3959 乂 3600X 1000X 10-3=4040849.8685KJ/hB 热支出a 电解槽总液(含电极)表面积F=2.395 X 0.88 乂 1000=2107.6 m 2每平方米电解槽液表面在无覆盖层时的消失水分蒸发量为1.35KJ (m2 .h)60 0 C的水气化热为2358.42KJ/hq? =2107.6 X1.35 X 2358.42=6710318.0892KJ/hb电解槽液面辐射与对流热损失q?根据傅立叶公式：q? =K (t? -t ? ) F式中K 辐射与对流联合导热系数，KJ/ (m2 .h. 0 C),取39.35t ? -t

13、?电解液与车间空气温度差，。CF传热表面，n2q? =39.35X(60-24) X 2107.6=2985626.16KJ/hc电解槽外壁的辐射与对流的热损失 q?电解槽槽壁总表面积：1000 X (2.495 X0.98+3.63 X 1.22 X2+0.98 X 1.22 X2) =13693.5n2根据傅立叶公式：q? =K (t? -t ? ) F式中K对钢筋混凝土槽壁，KJ/ (n2 .h. 0 C)当槽壁温度为 35 ° C,车 间温度为2 ° C时，取35.17q ? =35.17 (35-24 ) X 13693.5=5297604.435KJ/hd循环管

14、道溶液热损失q4电解液循环量25 x 60 x 1000 X 10 3=1500m ? /hq4=QY CpAt式中q电解液循环量，1500n3 /h电解液密度，1250Kg/n3Cp电解液热容量，KJ (Kg. 0 C), 3.43At 电解液循环管道的温度降，A t根据车间规4g大小取 24 ° C,大车间取上限,本列取3° Cq 4=1500 X 1250X 3.43 义 3=19293750 KJ/h全车间需补充热量q1+q2+q3+q4-Q=6710318.0892+2985626.16+5297604.435+19293.8685 =30246448.816KJ

15、/h铜电解热平衡热收入KJ/h%电流通过电解液产生的热量4040849.868511.7853加热器补充的热量30246448.81688.2147合计34287298.684100电解槽液面水蒸发热损失6710318.089219.5715电解槽液面辐射与对流热损失2985626.168.7077电解槽外壁辐射与对立热损失5297604.43515.4507循环管道溶液热损失1929375056.2701合计34287298.6841005主体设备选型及计算5.1、电解槽的选型A电解槽材质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，单槽整 体预制，及预制板拼装式槽体。整体就地

16、捣制施工快、造价低。但是检修不便， 绝缘处理难，易漏电；而单槽整体预制，搬运、安装、检修、更换方便、绝缘好， 漏电少，为多数工厂所采用；预制工电解槽搬运、安装、更换方便，造价低，节 省车间面积。为国外一些新工厂采用。 另外还有吠喃树脂混凝土电解槽， 这种槽 体机械强度高、耐腐蚀，耐热性能好，遇机械操作而开裂维修方便，但造价高。 B电解槽的构造通常电解槽由长方形槽体和附设的供液管、 排液斗、出液斗的液面调节堰板 等组成。槽体底部常作成由一端向另一端或由两端向中央倾斜，倾斜度 3%,最 低处开设排泥孔，较高处有泊槽用放液孔。放液排泥孔配有耐酸瓷或嵌有橡胶圈 的硬铅制作的案子，防止漏液。止匕外，在钢

17、筋混凝土槽体底部还开设检漏孔，以 观察衬是否破损。钢筋混凝土电解槽壁厚一般为 80120（本设计选取100） mm C电解槽衬里材质钢筋混凝土电解槽衬应是造价低廉、耐温、耐腐蚀和电绝缘性能良好的材料， 一般为铅或含睇36% （本设计选取5%的铅睇合金板，软板聚氯乙烯和玻璃 钢，铅衬厚一般为35（本设计选取5） mm聚氯乙烯衬里通常为二层，每层厚 45 （本设计选取5） mm层塑料衬里一般不整槽铺设，仅在极板易落下砸破处 局部铺设；玻璃钢衬里一般为 610 （本设计选取8）层，厚约35 （本设计选 取 5） mm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，机械性能和

18、电绝缘 性能差，易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，价格比衬铅的低廉树脂材质要求严，施工技术要 求高D电解槽进出液方式电解槽进出液直接影响槽铜离子、 添加剂及温度在电解液里的均匀和金、 银 的损失。小阳极板电解时，由于电解槽尺寸比较小，一般采用上进液、下出液的循环 的方式。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， 有的采用槽底中央给液，槽上两端排液的供液 方式，即在电解槽槽底中央沿槽长度方向设一个给液管，或在槽底两侧设两个平 行的

19、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 口上并与槽衬连成整体。出液漏斗设有调节电解槽液面高度的隔板式三角堰板。 三角堰板同时也可以观测电解液流量。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 一供液口，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 液流呈对角线喷射，由排液口将电解液引向电解槽排出。 此方法能防止阳极泥上 浮。E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34（本设计选取4） mm比横梁每边宽出50300（本 设计选取75） mm勺软聚氯乙烯保护板，然后在

20、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2030 （本设计选取30） mm的空隙。槽侧壁顶面覆以塑料或硬橡胶板、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、阳极板按规定极 距均匀相间，悬垂排列。阴极边缘与槽侧壁应保持5080mm（本设计选取70）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200400mm8 设计选取200）空间作为阳极泥的沉积用。a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。机械化程度较高的大型工厂采用大型阳极板，其重量围一般有300Kg以上中、小型工厂，机械化程

21、度较低，常采用小型阳极板，具重量约150260（本设计选取200） Kgb阴极板为避免阴极边缘生成树枝状结晶，阴极板尺寸比阳极板宽3555（本设计选取40）mm 长2545（本设计选取30）mm5.2.1、电解槽的计算a电流强度:, M 1031二24? ? .?1,186式中：I电流强度，A;24日通电时数，h;1.186铜的电化当量，g/A ? h;电解槽作业率，%;M 年产电铜量，Kg;i电流效率，。3, M 101=24? ? .?1.186b电解槽的极板数:360年工作日，大nc=70000 X 103 /24 X 360X 95% 乂 96%X 1.186=7490.3959A+1

22、 = (7490.3959/320 义 0.770 义 0.740 义 2) DJc+1=20.5401+ 1=22 片式中：nc电解槽的阴极板数，个；I电流强度，A;a电流密度，；f c每片阴极板的面积，m。fc二L阴XB阴X2nr 1 +1 =( 7490.3959/320 X 0.770 X 0.740 X 2) +1=20.5401 + 1=22 个nc D fdK 1 cC商品电解槽总数N=MK 106/360 X 24 n I 仙 X 1.186式中N电解槽总数，个M年产电解铜量，吨360年工作日，日24日通电时数，h 电解才©作业率，%I电流强度，A电流效率，%N=70

23、000X 106/ (360X 24X0.95 X7490.3959X0.96 X1.186) =1000 个5.2.2电解槽部尺寸的确定：电解槽长度：L=(nc-1)d +l 1+12式中n c阴极片数，个；设电解槽两端为阴极。d同极中心距，mm1 1电解槽进液端的极板至槽端壁的距离；12电解槽出液端的极板至槽端壁的距离。电解槽宽度：B=B阴+2b式中B阴阴极宽度，mmb阴极边缘至槽侧壁的距离，mm电解槽深度：HH h + h2+ h3式中h 1槽液面至槽面的距离；h2阴极浸没电解液的深度；h3阴极下沿至槽底距离。设定电解槽进出液端的极板至槽端壁的距离l 1, 12均为200 mmL=(nc-1)d +1i+12= (22-1) *95+200+200=2395 mm设定阴极边缘至槽侧壁的距离为 70 mmB=B 阴+2b=740+2*70=880 mm假定槽液面至面的距离为 50 mm阴极下沿至才©底距离设为300