年產20萬噸銅電解槽設計資料

1、遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）年產20萬噸銅電解槽設計摘要本文主要設計了一座年產20萬噸銅的電解銅精煉車間，根據已知條件，選定操作技術條件、經濟技術指標、主體設備設計及冶金計算等內容。根據已知條件及結合銅電解槽工藝的實際條件，本設計所生產的電銅純度為99.9941%,電解過程所使用電流強度為25000A，槽電壓為0.3V,電流密度為320A/m2,電解液溫度是60C,電解液循環(huán)速度為30L/min,電解槽設計內尺寸為4150X120M430mm,電解槽數為860個，車間采用雙跨布置。然后根據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、有害雜質在電解液中的允許含量以及凈化過程中

2、雜質的脫除效率及熱平衡等重要數據。繪制出銅電解精煉電解槽安裝圖。關鍵詞：銅電解精煉，工藝設計，物料平衡，熱平衡遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第II頁DesignofAnnualOutputof200000TonsCopperElectrolyticTankAbstractThispapermainlydesignsarefiningworkshopwithanannualoutputof200000tonsofcopperelectrolyticcopper,underthegivenconditions,theselectedoperationtechnicalconditions,ec

3、onomicandtechnicalindicators,themainequipmentdesignandmetallurgicalcalculationetc.Onthebasisoftheknownconditionsandcombiningwiththeactualconditionsofcopperelectrolysisprocess,thedesignoftheproductionofelectricalcopperpurity99.9941%,electrolyticprocessbyusingthestrengthofthecurrent25000A,slotvoltage0

4、.3Vthecurrentdensityforthe320A/m2,electrolytetemperatureis60C,electrolytecirculationratewas30L/min,designofaluminiumelectrolyticcellsizeis4150x1120x1430mm,electrolyticcellnumberfor860workshopfeaturesdoublespanarrangement.AndthencalculatedbasedonMetallurgicalelectrolytictroughofcopperanodeslimecompos

5、ition,cathodecopperthecomposition,thematerialbalance,harmfulimpuritiesintheelectrolyteandallowscontentpurificationimpurityremovalefficiencyandthermalequilibrium,andotherimportantdata.Drawouttheelectrolyticrefiningofcopperelectrolysisinstallationdrawing.KeyWords：Copperelectrolysisrefining,Processdesi

6、gn,Materialbalance,Heatbalance遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第III頁目錄1緒論1.1.1 銅的基本性質1.1.2 銅的用途1.1.3 銅資源的分部2.1.3.1 世界銅礦分部狀況2.1.3.2 中國銅礦種類及分部狀況31.4 銅的生產方法4.1.4.1 火法煉銅4.1.4.2 濕法煉銅5.1.5 現代煉銅新技術6.1.5.1 閃速熔煉7.1.5.2 艾薩煉銅法7.1.5.3 白銀煉銅法7.1.5.4 奧斯麥特煉銅法8.1.5.5 水口山煉銅法8.1.6 電解精煉的目的9.1.7 設計的內容及意義9.1.7.1 設計的內容9.1.7.2 設計的意義1.02銅的

7、電解精煉的工藝流程及基本原理.112.1 銅的電解精煉的工藝流程1.12.2 銅電解精煉的基本原理1.12.2.1 電解過程的電極反應122.2.2 一價銅離子的形成與影響1.32.2.3 陽極雜質在電解過程中的行為133技術條件及技術經濟指標的選擇163.1 操作技術條件1.63.1.1 電流密度1.63.1.2 電解液成分1.63.1.3 電解液溫度1.73.1.4 電解液循環(huán)1.73.1.5 添加劑1.93.1.6 同極中心距203.1.7 陽極溶解周期和陰極周期213.2 技術經濟指標213.2.1 電流效率213.2.2 殘極率213.2.3 電解回收率22遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計

8、（論文）第IV頁3.2.4 槽電壓223.2.5 直流電耗223.2.6 蒸汽單位消耗量233.2.7 硫酸單位消耗233.2.8 水單位消耗234產物244.1 電解銅244.2 陽極泥245主體設備的選擇與計算265.1 電解槽265.1.1 電解槽的材質與結構265.1.2 電解槽的排列265.1.3 電解槽的安裝275.2 電解槽的計算285.2.1 商品電解槽總數295.2.2 電解槽中陰極、陽極的片數305.2.3 電解槽尺寸305.2.4 種板槽數確定315.2.5 槽邊導電排、槽間導電板、陰極導棒316冶金計算346.1 物料平衡計算346.2 凈液量計算376.3 槽電壓組成

9、計算396.4 電解槽熱平衡計算406.4.1 熱支出406.4.2 熱收入436.4.3 全車間需補充的熱量447車間環(huán)保457.1 廢水處理457.2 廢氣處理467.2.1 電解工段廢氣治理措施467.2.2 凈液工段廢氣治理措施477.3 節(jié)能降耗477.4 車間防腐477.4.1 電解槽477.4.2 電解液輸送管道48致謝49參考文獻50遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）1緒論1.1 銅的基本性質銅在化學元素周期表中屬第一族元素，原子量是63.54,原子序數是29,密度8.92,熔點1083C,沸點2567C。銅在熔點白向蒸氣壓僅為1.5996Pci,因此在冶煉溫度下，銅幾乎不揮發(fā)

10、。銅有一價和二價兩種原子價。純銅呈玫瑰紅色，有金屬光澤，質地柔軟。銅的化學穩(wěn)定性強，熱導率和電導率很高，抗張強度大，易熔接，具有耐蝕性、耐磨性、可塑性和良好的延展性。純銅可拉成很細的銅絲，制成很薄的銅箔。銅能與鋅、錫、鉛、鈕、鉆、鍥、鋁、鐵等金屬制成合金。1.2 銅的用途銅在工業(yè)、農業(yè)、國防以及人們日常生活中有著廣泛的應用，其應用范圍僅次于鋼鐵。一般工業(yè)發(fā)達國家，每一百噸鋼鐵大約需要1.5噸銅與之相適應。由于銅的導電率高和延展性好，因此廣泛應用于電器、電子技術上，電器制造用量最大。據統計世界上生產的銅約一半用于電器工業(yè)。世界上生產的銅的40%ffl于與其他金屬制成各種合金，廣泛用于在機械、造船

11、、飛機、交通器材、國防以及其他工業(yè)部門。如：黃銅（銅鋅合金）和青銅（銅錫合金）大多應用在機械工業(yè)中制造各種軸承、活塞、開關、油罐、熱交換器等。在國防工業(yè)上用在彈殼制造。鋁青銅（銅鋁合金）抗震能力強，可應用于制造一定強度和韌性的鑄件。銅鍥合金中的蒙乃爾合金以抗蝕性著稱，多應用于制造閥、泵、高壓蒸汽設備及其他器材。包銅合金是最耐腐蝕的合金之一，可用來制造耐高腐蝕的部件和器械。世界上生產的銅大約10%用于化學和建筑等。硫酸銅（CuSO4H2O）在農業(yè)上用做除蟲劑。銅具有較強的的耐蝕性和抑制細菌的生長，在建筑上用來做自來水管道。遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）1.3 銅資源的分部1.3.1 世界銅礦

12、分部狀況總體來看，全世界的銅資源比較豐富，世界陸地銅資源量估計約為30億噸,深海結核中銅資源量估計約為7億噸，主要分部在太平洋，另外洋底或海底熱泉形成的賤金屬硫化物礦床中也含有大量的銅資源。世界銅資源的分布從地理上來看極其不平衡，主要集中在南北美洲西海岸、非洲中部、中亞地區(qū)以及俄羅斯的西伯利亞，其次是阿爾卑斯山脈和中東、美國東南部、西南太平洋沿岸等。世界上銅儲量最多的國家是智利和秘魯，分別占世界銅基礎儲蓄量的36%和12%,其他儲蓄較多的國家有美國、中國、波蘭、澳大利亞、墨西哥、印度尼西亞、贊比亞、俄羅斯和加拿大等國家。1詳見圖1.1美國圖1.1各國銅資源儲量遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）

13、1.3.2 中國銅礦種類及分部狀況中國地域遼闊，銅礦類型相對比較齊全。其中最重要的有斑巖型、矽卡巖型、層狀型（包括變質巖層狀型和含銅砂頁巖型）、火山沉積型（黃鐵礦型銅礦）和銅鍥硫化物型。這5種類型的銅儲存量占全國銅礦總量的90%以上。2中國銅礦多為綜合性礦床，伴生組分多。在已經探明的銅儲量中，單一的銅礦床占全國總儲量的5%,而與銅礦伴生的金占中國伴生金儲量的78%,與銅礦伴生的銀占中國伴生銀總儲量的26%,與銅礦伴生的鉆約占全國總儲量的一半。中國銅礦的平均品位為0.8%,而品位大于1%的富銅礦儲量為2196.41萬t。僅占總保有儲量的35%,大型斑巖銅礦的礦石品位普遍較低，一半約為0.5%,僅

14、占總保有儲量的35%。從礦石類型來看，中國的銅礦以硫化礦為主。已探明儲量中，硫化礦約占87%,氧化礦約占10%,混合礦約占3%。在中國銅礦的開發(fā)利用上，雖然有上述有利條件，但超大型的銅礦床少，礦石品位低，貧礦多，富礦少，一些銅礦床地處邊遠、海拔高、交通不便，影響了開發(fā)利用3。中國銅礦分部廣泛，在已經探明的礦產地除天津以外，各省、自治區(qū)、直轄市均有不同程度的分布。其中，江西、云南、西藏三省查明的銅礦資源儲量占全國總儲量的51%0此外，銅儲量較多的還有甘肅、安徽、內蒙古、山西、湖北、黑龍江等6%4。詳見圖1.2從六大行政區(qū)分布來看，華東區(qū)和西南區(qū)的儲存占全國銅礦總儲量的60.9%,各大行政區(qū)的銅礦

15、儲量分布比例為：華北區(qū)11.4%、東北區(qū)6%、華東區(qū)31.4%、中南區(qū)9.8%、西南區(qū)29.5%、西北區(qū)11.9%4。詳見圖1.3遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第4頁圖1.2各省銅資源儲量分布比例口華北區(qū)東北區(qū)口華東區(qū)口中南區(qū)西南區(qū)西北區(qū)圖1.3各行政區(qū)的銅礦儲量分布比例1.4 銅的生產方法用銅礦石或者銅精礦生產銅的方法有很多，概括起來主要有兩種：濕法煉銅和火法煉銅。1.4.1 火法煉銅銅冶煉技術的發(fā)展經歷了漫長的過程，但至今仍以火法煉銅為主，其產量約占世界銅總量的85%火法煉銅是通過熔融冶煉和電解精火煉生產出陰極銅，即電解銅，一般適用于高品位的硫化銅礦。火法煉銅最突出的優(yōu)點是適應性強，能

16、遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）耗低，生產率高。硫化銅精礦的火法熔煉，一般包括三個過程：第一，將銅礦熔煉成冰銅；第二，將冰銅吹煉成粗銅；第三，把粗銅精煉成純銅（精煉分為火法精煉和電解精煉）?；鸱掋~的流程圖如圖1.4所示。1.4.2 濕法煉銅隨著銅礦石開采品位逐年降低，難處理的礦石增加以及對SO2所造成的污染的關注，銅價近年來大幅度波動，使人們對濕法煉銅給予了很大關注。濕法煉銅是采用各種浸出手段，直接從銅礦石或銅精礦中提取銅，然后用特效的萃取劑將銅選擇性地提取、富集，再用電積技術生產陰極銅，即通常指的浸出一萃取一電2濕法煉銅流程圖如圖1.5所示遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第6頁圖1.5

17、濕法煉銅流程圖1.5 現代煉銅新技術表1.1世界各種煉銅工藝生產能力主要煉銅工藝生產能力/(10m3t)米用此項技術廠家閃速爐610036反射爐280027鼓風爐6007特尼恩特爐9007電爐7005三菱爐4002艾薩爐4003諾蘭達爐4003瓦紐柯夫爐4002白銀爐501濕法煉銅20001合計1475094遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）1.5.1 閃速熔煉閃速熔煉自從1949年芬蘭奧托昆普問世以來，經過不斷改進完善，逐步取代了反射爐和鼓風爐的地位。也成為當今銅冶金所采用最具競爭力的熔煉技術，被認為是最標準的清潔煉銅工藝。閃速熔煉對爐料制備要求相當苛刻，生產中精礦的干燥一般采用回轉窯干燥和

18、氣流干燥。閃速熔煉的特點：閃速熔煉時一種懸浮熔煉，氣一液一周三相在反應塔內12s就完成一系列反應過程，富氧的應用更加快了反應的速度，所以生產能力大；閃速熔煉是一個連續(xù)穩(wěn)定的過程，SO2濃度高，煙氣成分平穩(wěn)，有利于制酸和S的回收；閃速熔煉最大優(yōu)點是充分利用了銅精礦的巨大表面能，即最大限度的利用了精礦的自身反應熱。自熱熔煉不僅可以降低能源消耗和提高生產能力，而且減少了煙氣量；自動化程度高，生產穩(wěn)定爐齡時間長；1.5.2 艾薩煉銅法艾薩熔煉法是芒特艾薩礦業(yè)有限公司（MIM）和澳大利亞聯邦科學工業(yè)研究機構（CSIRO）在20世紀80年代聯合開發(fā)的。艾薩熔煉法銅閃速熔煉法、諾蘭達法等一樣，工藝過程可以用

19、計算機控制。艾薩熔煉法工藝流程短，設備簡單,因而控制系統比較簡單。艾薩煉銅法處理的原料范圍非常廣，包括MIM公司自產的黃銅精礦、轉爐渣精礦和其他外購的各種銅精礦。艾薩熔煉法在熔煉過程中，只要控制好熔劑量和爐渣量,并且所產出的銅銃和爐渣混合物在保溫爐中有足夠的時間澄清，爐渣含銅小于0.6%。1.5.3 白銀煉銅法白銀煉銅法是一種新的熔煉銅精礦獲得冰銅的煉銅法。白銀煉銅法研究實驗開始于1972年。1975年初開始進行工業(yè)生產規(guī)模的設計，先設計了一座每日能處理300t爐料的裝置，該裝置于1976年建設完成，連續(xù)生產122天。1980年,白銀有色金屬公司用白銀煉銅法取代了傳統的反射爐熔煉法，在原反射爐

20、基礎上遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）建立了一座每日能處理800t爐料的白銀煉銅爐，現在已經用于生產。白銀煉銅法的一個特點是對燃料要求不嚴格。以前用重油作燃料，在爐頭和爐頂中部各設有一個燃燒器。白銀煉銅法的優(yōu)點有：對原料中的硫白利用率可達70%以上，產出煙氣的二氧化硫濃度比較高，爐子產出的煙氣二氧化硫濃度可達8%9%,到排煙機出口還可達5%7%,能滿足制酸要求，同時減輕了對環(huán)境的污染；熱利用率好燃料消耗較少，補加的熱量僅為反射爐熔煉時的50%。該法對燃料要求不嚴格，符合中國能源政策；對原料水分要求不嚴格，原料無需充分干燥，原料準備和運料過程都比較簡單煙塵率也較低；白銀煉銅法輔助設備少，因此基

21、礎建設投資少，白銀煉銅爐系固定式爐子，構造簡單；白銀煉銅法不僅自身所產生的爐渣含銅比較低，不需要貧化處理，而且可以貧化轉爐渣，較之其他強化熔煉法也是一個突出優(yōu)點；1.5.4 奧斯麥特煉銅法當今銅硫吹煉主要采用PS轉爐工藝，該工藝由于熔體需要用冶金包轉運，爐口密閉性差，存在嚴重的SO2煙氣低空污染和安全問題。奧斯麥特吹煉技術是三菱法和閃速吹煉技術之后的一項新技術，采用固定冶金爐代替轉爐，熔體采用溜槽轉運，溜槽上有密閉煙罩，爐口密閉性好，操作過程中無組織排放的煙氣少，并且可以集中回收，環(huán)保問題有效解決，同時自動化控制水平高。其特點如下：采用連續(xù)吹煉模式能夠生產出合格的粗銅，該操作模式流程簡單，工藝

22、控制爐溫和煙氣SO2濃度相對穩(wěn)定，環(huán)保效果好；由于沒有液態(tài)銅銃相的存在，減少了噴槍燒損；連續(xù)吹煉提高了吹煉爐鼓風時率，為提高產能創(chuàng)造了條件；目前技術還存在渣含銅量高，直收率低等問題；1.5.5 水口山煉銅法水口山礦務局在20世紀70年代初期，為了解決自產的含鈾銅精礦的冶煉問遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）題，自行設計和建設了年產5000t小規(guī)模的煉銅廠，當時由于沒有新的適應于小規(guī)模的煉銅工藝，選用了國內普遍采用的密閉鼓風爐流程。經過兩年多的理論分析、小型實驗、設備研究等充分準備下，在日處理50t爐料的裝置下進行了條件實驗，19911992年進行了較長期的半工業(yè)實驗，取得非常滿意的技術經濟指標

23、。1994年獲得中國專利權，1997年被中國專利局授予中國專利優(yōu)秀獎。水口山煉銅法屬于熔池熔煉煉銅法，熔煉爐為一臥式圓筒形爐，鋼板外殼內襯銘鎂磚，爐身有傳動裝置，可旋轉900舍友加料口、排煙口、放渣口、放硫口、底部裝有氧槍，氧槍及套磚可更換，端墻燃油燒咀供開爐及保溫時使用。物料在爐內同時完成加熱、熔化、氧化、造渣、造銃等過程，傳質和傳熱效率高。水口煉銅法采用底部吹銃和射流式氧槍技術，能夠高速回收神。1.6 電解精煉的目的火法精煉產出的陽極銅的品位一般在99.2%99.7%,其中還含有0.3%0.8%的雜質，（雜質主要為：神、睇、鈿、鍥、鉆、鐵、鋅、鉛、氧、硫、金、銀、硒、確等）有些雜質雖然含量

24、不高，但能使銅的使用性能和加工性能變壞。如：銅中種含量只要達到0.0013%就會使銅的導電率降低1%;鉛含量只要達到0.05%,即變熱脆，難以加工；火法精煉難以把這些雜質去除到能滿足各種應用的要求。有些雜質，其本身具有回收價值，如：金、銀、硒、硫等，而火法精煉時難以回收。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值金屬，必須進行電解精煉。電解精煉的目的就是把火法煉銅中的有害雜質進一步除去，得到易加工又有良好使用性能的電解銅，同時回收金、銀、硒、確等有價值的金屬。1.7 設計的內容及意義1.7.1 設計的內容設計的內容包括銅電解精煉工藝的確定，銅電解精煉主要設備尺寸及冶金計算，

25、主要設備結構圖（陽極板及電解精煉槽）的繪制等。銅電解精煉工藝流程的確定通過比較，選擇合理、先進、經濟的生產工藝流程。銅電解精煉冶金計算包遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第10頁括：電解過程物料平衡、凈液量、槽電壓和電解槽熱平衡。重要設備的選擇及尺寸計算：根據工藝流程的主要過程，合理地選擇冶煉設備，確定設備的個數、容量，對所選設備的尺寸加以計算。主要設備結構圖的繪制：電解槽結構圖及陰極板和銅電解精煉車間設計的圖。1.7.2 設計的意義設計通過對電解槽主體設備的設計和冶金計算，結合實際情況，提高自己對所學專業(yè)知識的運用以及了解并掌握生產中的各項技術條件和經濟技術指標。了解銅電解精煉的工藝流程，通

26、過對銅電解槽的物料平衡、有害雜質在電解液中的允許含量以及槽電壓和熱平衡等內容的計算，來對主要設備進行設計和繪圖。最終得到完整的設計方案，對建設新的銅電解車間和提高銅電解精煉的效率有很大的幫助。遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第11頁2銅的電解精煉的工藝流程及基本原理2.1 銅的電解精煉的工藝流程在銅的電解精煉中，陽極是火法精煉得到的銅，陰極是純銅，電解液的成分是硫酸銅和硫酸銅水溶液。陽極在通入直流電后，陽極銅和其夾雜的一些貴金屬電化溶解進入電解液，一些難以電離的金屬和一些難容化合物從陽極脫落，不溶于電解液而沉降到電解槽底部形成陽極泥，從陽極中電離的銅離子，在陰極上電化析出得到電銅，從而實現陽

27、極上的銅與雜質的分離完成銅的電解精煉。一些從陽極銅上電離的離子，由于其電負性比銅更負不能在陰極電解析出而聚集在電解液中，在凈液時除去。陽極泥從槽底排出并回收其中有價金屬。殘極回收送去重熔。銅的電解工藝流程圖如2.1所示。圖2.1通電解精煉工藝流程圖2.2 銅電解精煉的基本原理銅電解精煉的基本原理是根據陽極銅和其雜質的電位不同，在電流的作用下，陽極銅電離成銅離子進入電解液中，部分雜質也發(fā)生電離進入電解液中，另一部分雜質不能電離，從而脫落到陽極泥中。游離的銅離子在陰極處電化析出。銅的電解精煉過程示意圖如圖2.2所示5遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第12頁FR極：Cu-2e=Cu2+明播Cu2+

28、2c-=Cxi（運牌應跑】圖2.2銅電解精煉過程示意圖2.2.1 電解過程的電極反應銅電解精煉時，電解槽可近似地用下列電化學系統表示：Cu（陰極純銅）ICUSO4H2OICu（陽極精銅）電解液中各組分部分或者全部電離。在電解液中，處于無規(guī)則游離狀態(tài)的銅離子，在電流作用下做定向運動，陽離子運動向陰極并在陰極表面發(fā)生電化反應，同樣陰離子運動向陽極并在陽極界面上發(fā)生相應的電化反應。陽極反應：銅電解時，陽極銅失去電子發(fā)生氧化反應，反應如下：2+Cu2e-Cu+Me2e一Me式中Me指電位比銅更負的金屬雜質。比銅電位更正的金屬（Au、Ag以及Pt族元素）未能氧化，從而脫落至陽極泥中。陰極反應：銅電解時，

29、在陰極處發(fā)生還原反應，反應如下：Cu2+2e-CuMe+2e-Me遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第13頁純銅主要在陰極析出，當電解液中Cu2+濃度低于一定值時，溶解在電解液中的雜質在陰極析出。2.2.2 一價銅離子的形成與影響在銅電解精煉過程中，除了上面兩個主要電解反應外，還要注意幾個反應：陽極一價銅離子的形成：+Cue>Cu陰極一價銅離子的形成：Cu2+e-Cu+由于不穩(wěn)定，有兩種反應可能發(fā)生：自行分解析出銅粉2Cu+一Cu2+Cu與電解液中的氧反應Cu2SO4+O2+H2SO4-2CuSO4+H2OCu和Cu2+、Cu+三者的平衡關系：Cu2+Cu-2Cu+溫度升高，平衡向正方向

30、移動，在298K時平衡常數為K=Cu2/Cu2=0.62104可見Cu+的平衡濃度很小時，其值隨著溫度升高而增大，一般平衡不易向生成Cu+的方向進行。2.2.3 陽極雜質在電解過程中的行為一般陽極銅雜質含量在0.5%左右。雜質在陽極銅中的含量多少與種類與煉銅原料有關。止匕外，雜質的含量還與精煉方法和技術有關。電解精煉的目的是希望銅盡可能多地轉入陰極中，稀貴元素盡可能的進入陽極泥中，其他雜質或留在電解液中或進入陽極泥，盡量不要進入引進銅中。陽極各組分在電解時的分配見表2.1表2.1陽極各組分在電解精煉時的分配（%）進入電解液進入陽極泥進入陰極Cu120.030.19899Ag29798<1

31、.6Au199<0.5鉗族約1000.05Se、Fe2約981Pb、Sn2約981Ni75100025<0.5Fe100Zn100AL約75約255As60802040<10Sb10604090<15Bi204060805S959735SiO2100遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第14頁根據雜質在電解時表現出的性質，這些雜質可分為四大類：第一類金、銀、珀族及其化合物。這類雜質電位比銅更正，不易電化溶解。在銅電解時，這些雜質以顆粒狀落入槽底形成陽極泥，少量銀能生產Ag2SO4進入電解液。第二類鉛、錫。在銅電解時，鉛、錫都生成不溶性化合物。陽極銅中的鉛在電解過程中與硫酸

32、作用下生成硫酸鉛進入陽極泥。當陽極板中的鉛含量高于0.3%時，會使陽極溶解不均勻造成鈍化。第三類鍥、鐵、鋅等。這類雜質的電位都比銅更負，在電解時優(yōu)先于銅從陽極上溶解進入電解液，并且在陰極不能放電析出而存留于電解液中。鐵是雜質中對電解危害最大的雜質。鐵不僅降低電流效率，陽極中的鐵在電化溶解以Fe2+進入電解液，與電解液中的空氣接觸發(fā)生反應：2132Fe2H-O2>2Fe3H2O所形成的Fe3+遷移到陰極后，又按下列反應還原為Fe2+:Fe3Cu-2Fe2Cu2在兩極之間鐵離子反復上述反應，使得陰極上析出的銅又溶解為Cu2+,降遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第15頁低電流效率。但鐵經過火

33、法精煉后在陽極含量甚微，只有積累到一定濃度才會發(fā)生上述反應。第四類神、睇、鈿。這類元素對陰極銅質量影響最大。它們電位與銅相近，電解時既能在陽極上與銅一起電化溶解，又可能與銅離子一起在陰極上放電析出，還可以其他形式進入陰極，從而大大降低陰極銅的質量。遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第16頁3技術條件及技術經濟指標的選擇3.1 操作技術條件3.1.1 電流密度電流密度是銅在電解精煉過程中最重要的技術經濟指標之一。一般范圍值選擇在200360A/m2之間，其具體數值根據實際電解槽生產能力決定。在電解槽數目不變的情況下，適當提高電流密度有助于電銅質量的提高，同時提高勞動生產率。在提高電流密度的同時，

34、必須相應地改變添加劑的使用情況及其他技術，以適應高電流的生產要求。但是電解槽電壓隨著電流密度的提高而增大，因此電能消耗增加。過高的電流密度會使電流效率降低，增加貴金屬及有價金屬的損失，同時影響陰極銅的質量。本設計運用高電流密度，故采用周期反向電流的電解技術。周期反向電流電解的方法是，在通過較高電流的情況下，每隔一段時間，在瞬間內將通過電解槽的電流反向通一段時間，即使陽極變成負極，使陰極變成正極，然后再正向通電。由于電流周期性反向，就可以防止附近銅離子的飽和與過飽和狀態(tài)，有效解決陽極鈍化現象。3.1.2 電解液成分電解液主要由H2SO4和CuSO4的水溶液組成。一般含銅4050g/L,含硫酸18

35、0240g/L。實際電解液中的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決定。由于電解液的電阻隨著酸度的增加而降低，隨著含銅量的增加而升高，所以采用高酸低銅電解液組分來降低電耗。表3.1酸度對百分電阻的影響（65C）硫酸的濃度（g/L）100150175200250電解液白分電阻14010088.980.970.8隨著銅電解精煉的進行，電解液中Cu2+的含量增多，因此電解液的阻值增遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第17頁大。當電解液中的銅含量超過其溶解值時，或者因為溫度降低時，CuSO4從電解液中結晶析出，致使電解槽不能正常工作。但當Cu2+的含量過少時，部分雜質可在陰極析出

36、。表3.225c時硫酸銅的溶解度與硫酸含量的關系H2SO4(g/L)406090100150180Cu含量78.7374.8269.6167.3358.5152.22鍥、鐵、神、睇、鈿等雜質濃度過高會增大電解液的粘度和電阻，降低硫酸銅的溶解度，而且神、睇和鈿的濃度過高造成的漂浮陽極泥嚴重影響陰極銅的質量。有害雜質在電解液中的含量見表3.3表3.3有害雜質在電解液中的含量NiAsSbBiFe含量（g/L<15<7<0.6<0.5<33.1.3 電解液溫度電解液溫度一般控制在5565Co電解液溫度適當提高，一方面有利于電解液的粘度和密度的降低，從而有利于陽極泥的沉降，

37、提高電銅質量；另一方面，能夠增大硫酸銅的溶解度，提高Cu2+擴散速度，降低濃差極化，降低槽電壓，消除Cu2+在陰極附近的貧化，促使銅在陰極上均勻析出。電解液的電導率隨著溫度的升高而增大，在5060C之間，溫度每升高1C,電解液電阻減小0.7%,因而槽電壓有所下降，對降低電耗有利。表3.4溫度對電解液百分電阻的影響（硫酸200g/L）溫度（455055606570百分電阻108.2103.8100.096.694.091.43.1.4 電解液循環(huán)在電解精煉過程中產生電極極化和濃度差極化，由于極化作用，產生反電動遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第18頁勢，使槽電壓升高，電能消耗增加。另外，在電解

38、過程中，由于陽極附近電解液銅含量過高，酸度低，密度增大而下降；陰極附近的電解液酸度高濃度高，銅含量低，密度小二上浮。上下層電解液的成分差異大，上層電解液導電性良好，電流通過的多，析出疏紅、發(fā)紅，甚至形成黑色沉積物。下部電解液銅離子濃度較大，易在陽極下部出現硫酸銅結晶。6上述問題主要通過電解液循環(huán)來解決，適當提高電解液溫度也可以解決部分問題。電解液循環(huán)能夠使電解液的成份和溫度保持均勻恒定，降低濃差極化。同時能夠將熱量和添加劑傳遞到槽中，改善陰極銅的質量。電解槽容積越大，電解液循環(huán)一次所需要的時間越長，同一槽內溶液的溫度梯度就越大，添加劑補充遲緩，一般每槽電解液更換一次的時間在1.53.0h之間，

39、循環(huán)量為1530L/（min槽）。一般電流密度與電解液循環(huán)速度關系見表3.5。表3-5一般電流密度與電解液循環(huán)速度的關系電流密度（Am-2環(huán)速度（Lmin-1）15181820.522.527在國內，電解液的循環(huán)方式分為兩種：上進液下出液方式和下進液上出液方式。見圖3.1和圖3.2上進液下出液方式雖然有利于陽極泥沉降，但對電解液混合不利，電解液上下層濃度差較大，液面懸浮物不能流走。電解液循環(huán)量過大，增加動力消耗，影響懸浮雜質和陽極泥的沉降，甚至沖起陽極泥影響電銅質量，增加貴金屬損失。圖3.1上進液下出液循環(huán)方式示意圖下進液上出液方式有利于溶液的充分混合，

40、減少濃差極化，浮在液面上的懸遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第19頁浮物易從流口溢出。但電解液流動方向與陽極泥沉降方向相反，陽極泥沉降困難,影響陰極銅質量。圖3.2下進液上出液循環(huán)方式示意圖3.1.5 添加劑為了獲得高質量的陰極銅，在銅電解時一般加入添加劑。添加劑的作用機理目前有兩種觀點，一種觀點認為：添加劑和放電的金屬離子形成一種膠體的絡合物，金屬離子在這種絡合物中放電受到阻滯，因此提高了陰極的極化作用120另外一種觀點認為：添加劑能夠在陰極表面形成局部或整個連續(xù)的吸附性薄膜，使金屬離子擴散到陰極表面的電極反應困難，產生一定的濃差極化和化學作用，促使結晶細化120因為添加劑會污染電解液使電

41、解液的性質變差，一般添加劑種類及其作用分述如下：(1)膠(骨膠和明膠)。膠是主要添加劑，其作用是使銅能夠獲得細小的結品，從而使電銅表面光滑，有效地抑制疙瘩。膠在酸性介質中，被電離分解成陽離子(膠質根)，在電源的作用下移向陰極并在陰極上放電，然后吸附在陰極上。膠在電力線集中的地方易被吸附，使其電阻增大，阻礙Cu2+析出。此外，由于其表面的吸附作用，降低了微晶的增長速度，有利于新晶核的產生，從而獲得致密平整結晶極為細小的陰極銅。(2)硫月尿。硫月尿是表面活性物質，在電解過程中，加入適量的硫月尿，可在高電流密度下獲得結構致密的陰極銅。但加入量過多，具條紋明顯增粗，促進疙瘩的形成和粗糙的沉積，顏色發(fā)暗

42、，缺乏金屬光澤。(3)干酪素。干酪素是一種良好的表面活性有機高分子蛋白質添加劑，易遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第20頁溶于酸堿性溶液，不溶于水。它是一種良好的緩沖添加劑，用它可以來減少骨膠、硫月尿的加入量。12干酪素與膠混合使用，能夠有效地抑制陰極表面粒子的生長，并且改善粒子的形狀。（4）鹽酸。鹽酸是用來保持電解液中氯離子的含量穩(wěn)定。電解液中的氯離子可以其中的銀離子生成氯化銀沉淀而進入陽極泥，減少貴金屬的損失。氯離子的存在有利于消除陰極樹枝狀結晶，降低陰極內應力。同時還可以消除陰極鉛含量過高而引起的鈍化。適量加入添加劑，能夠提高陰極銅表面質量，加入量過多則會引起其他反應，影響陰極銅質量。

43、一般的加入方法是：將膠、硫月尿、干酪素充分溶于水混合后加入電解液回流管進入循環(huán)槽，鹽酸單獨加入回流管或循環(huán)槽。添加劑的加入量必須根據陽極銅成分、電流密度、電解液雜質含量等條件添加。添加劑用量表如1.1.1 3.7表3.6常用添加劑種類和用量膠硫月尿干酪素鹽酸/（mL/t電銅）用量（g/t電銅）255020501540300500表3.7國內外各廠噸銅添加劑用量國內國外添加劑1廠2廠3廠1廠2廠3廠骨膠152030403040405030硫月尿2030304020302030干酪素203015203.1.6 同極中心距同極中心距簡稱極距，指槽內相鄰陰極或陽極中心之間的距離。適當地縮短極距，有利于

44、電解槽電壓的降低，提高電解槽的利用系數。但極距過小，容易使陽極短路，陽極泥附著在陰極上，不僅加大了貴金屬損失，也影響了陰極銅質量。選擇極距的大小，應根據陽極的成分、規(guī)格、電流密度，極板的尺寸、加工精度等多方面因素綜合考慮，小型極板的同極中心距一般為7590mm,大型極板則為100110mm。遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第21頁3.1.7 陽極溶解周期和陰極周期火法精煉后的精銅，用來鑄成電解精煉的陽極。陽極溶解周期一般由電流密度、陽極重量和殘極率來確定，一般為1824天。當電流密度采用320A/m2時,陽極壽命為1214天。陰極周期與電銅質量、電流密度、陽極溶解周期以及勞動組織等因素有關，

45、一般為陽極壽命的1/3。3.2技術經濟指標3.2.1 電流效率電流效率是指陰極實際析出銅量與按法拉第定律理論析出銅量之比。一般為94%98%。影響電流效率的因素很多，主要有下面幾點：(1)短路。由于陰、陽極放置位置不當，陽極極板不平整，或者陰極長粒子引起短路，使得一部分電能不起電化析出作用而以其他形式損失，減少金屬銅的析出。(2)漏電。由于電解槽相互之間、電解槽與地面之間及溶液循環(huán)系統等絕緣不良而引起的漏電。正常生產時，車間均有較好的絕緣措施，總壓又不高，因此漏電不會太嚴重。(3)化學溶解。在陰極上已經電化析出的金屬銅，由于電解液中游離酸、空氣的存在，部分又被溶解。在高酸、高溫、斷路及陰極周期

46、較長的條件下，這種溶解較為嚴重。通常這些因素使電流效率降低0.25%0.75%。3.2.2 殘極率殘極率是指產出殘極量占投入陽極量的百分比。其計算公式為：N=-m一100%(3.1)M1二，m式中N殘極率，%;M1殘極產出量，t;遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第22頁m期初期末槽存陽極量差額，t;m殘極產出量，to銅電解過后，殘極一般都重新熔鑄陽極。降低殘極率可以減少重熔加工費和金屬損失。但是過低的殘極率會造成殘極面積過小，電流密度增大，影響陰極銅質量。一般殘極率控制在15%20%之間。3.2.3 電解回收率電解回收率是指在銅電解精煉過程中產出的陰極銅所含銅量占實際消耗物料所含銅量的百分比

47、，計算方法如下：銅電解回收率陰極銅含銅量裝入原料含銅量-回收品含銅量100%(3.2)銅電解精煉回收率是對金屬銅回收程度的標志。回收率提高可在同一原材料情況下增加陰極銅產量，減少金屬流失、降低成本、增加利潤。銅電解回收率一股為99.6%99.8%。3.2.4 槽電壓槽電壓是影響電能消耗的重要因素，比電流效率影響還顯著。槽電壓由電解液電位降、金屬導體(包括導電板、陽極、陰極、陰極銅棒等)電位降、接觸點電位降、克服陽極泥電阻的電位降、濃度極化引起的電位降等組成。6槽電壓主要與電流密度、電解液的比電阻以及極距等因素有關。普通槽電壓一般為0.20.3V。種板槽才g電壓為0.30.4V。降低槽電壓的措施

48、如下：(1)粗銅雜質盡可能的在火法精煉中去除，提高陽極質量。(2)合理的殘極率，一般在18%左右。(3)電解液的酸度、溫度、銅濃度不能過分提高，降低其他雜質的含量和控制膠的加入量。(4)盡可能縮短極距。3.2.5 直流電耗直流電耗是指生產1t電銅消耗直流電能量，單位為kwLh"Cu。直流電消遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第23頁耗量包括商品槽、種板槽、脫銅槽、再用殘極槽耗電量。一股噸銅的直流電耗為230280kW-h/t電銅。影響直流電耗的因素大體可分為有效單耗和無效單耗兩部分。無效單耗為線路等損失，一般較小可忽略不計。有效電耗與槽電壓和槽電壓及每噸陰極銅所消耗電量有關。降低槽電

49、壓、提高電流效率可有效降低電耗。3.2.6 蒸汽單位消耗量蒸汽單位消耗量(蒸汽單耗)是指單位產品陰極銅所消耗的蒸汽量。蒸汽單耗與電解液溫度，電流密度以及電解槽覆蓋等保溫措施有關。在無保溫措施下，一般蒸汽單耗為11.5t/t電銅；在有保溫措施的銅電解過程中，蒸汽單耗一般為0.20.6t/t電銅。3.2.7 硫酸單位消耗硫酸單耗指單位產品陰極銅在電解過程中所消耗的硫酸量。一般生產中，噸銅硫酸單耗一般為410kg。降低硫酸單耗的措施有：(1)防止跑、冒、滴、漏；(2)加強廢液回收；(3)加強出裝槽兩極板上殘留電解液的回收；(4)加強液體轉移過程中的酸計量工作；(5)改進電解液凈化工作，減小酸耗；(6

50、)提高廢酸的再利用率。3.2.8水單位消耗水單耗指單位產品陰極銅在電解過程中所消耗的水量。一般生產中，噸銅水消耗量一般為35m2。遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第24頁4產物銅電解精煉的產物主要是電銅、陽極泥，其次電解液凈化出的CuSO4和NiSO4。4.1電解銅(1)電解銅的化學成分，應符合銅的分類國家標準中一號銅的規(guī)定。表4.1為某些工廠電銅的化學成分。表4.1電銅的化學成分TOft12345Cu99.96-99.9799.96-99.9899.96-99.9799.9899.98Bi0.00010.0000.00030.0001v0.0005Sb0.00010.0000.00070.

51、0001v0.0006As0.00050.0000.00080.0004v0.0006Fe0.0005-0.00120.0000.00080.00030.0007Ni0.0005-0.00080.0000.00080.00020.0004Pb0.00050.0000.00030.00010.0005Sn0.0005-0.00060.0000.00030.00060.0004S0.0022-0.00270.001-0.0030.0003一一Zn0.00050.0000.00080.0001v0.0005P0.0001一0.0003一一(2)電解銅的物理規(guī)格電銅表面潔凈，出銅時洗凈表面電解液，吊耳

52、部分可除外；電銅表面綠色附著物面積的總和應不大于單面積的5%;由于潮濕空氣作用，電銅表面氧化而生成一層綠色者不算廢品；電銅表面以及邊緣不得有開花形、樹枝形粒子，但允許修整。4.2陽極泥陽極泥是在銅電解精煉時產出的一種副產品，由銅陽極在電解精煉過程中不溶于電解液的各種成分組成。陽極泥率和陽極泥成分主要取決于陽極成分、電解精煉的技術條件等。一般銅電解陽極泥的產率為0.2%1%。陽極泥中通常含有遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第25頁Au、SeTePb、Cu、As、Sb、Bi、Ni、Fe、Sn、S、SiO4、AL2O3和柏族金屬等，含水量一般在35%40%之間。銅陽極泥率及化學成分見表4.2。表4

53、.2銅陽極泥率及化學成分廠別陽極泥率(%)Cu%)AuAgSe10.4-0.820-210.4-0.610-153-521.09.540.818.841.2531-1.5150.3-0.512-192-64一12.80.17-0.2117.542.0950.518-200.5-0.710-204-660.4-1.128-300.61412.75陽極泥呈灰黑色，粒度通常為100200目。陽極泥中的有價金屬需要進一步回收。遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第26頁5主體設備的選擇與計算銅電解精煉車間通常裝有幾百甚至上千個電解槽，并包括變電、整流設備，電解液循環(huán)、加熱設備，起重運輸設備，始極片制作、

54、平整設備以及其他輔助設備。5.1 電解梢5.1.1 電解槽的材質與結構電解槽是電解車間的主要設備。在本設計中，為了防止電解液對槽體的腐蝕，槽體為鋼筋混凝土材質，電解槽內壁采用襯耐酸、絕緣的材料，一般選用玻璃鋼。電解槽的外壁和槽底外部涂以瀝青等防酸涂料。用作內襯的材料有鉛皮和塑料。鉛皮一般含睇3%,厚度為23mm。電解槽長30005000mm,槽寬8501200mm,高10001500mm。不同工廠的電解槽尺寸稍有差異，但各種槽的具體尺寸可通過計算確定。電解槽一端設有進液口，另一端設有出液口，出液口設有閘板用來調整液面高度。放液口設在出液口一端的槽底，孔高出槽底100mm左右。出液口用來清理槽時，放出全部電解液而不放出陽極泥。槽底另一端設有陽極泥的放出口。5.1.2