年產(chǎn)20萬噸銅電解槽設計剖析

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第I頁年產(chǎn)20萬噸銅電解槽設計摘要本文主要設計了一座年產(chǎn)20萬噸銅的電解銅精煉車間，根據(jù)已知條件，選定操作技術條件、經(jīng)濟技術指標、主體設備設計及冶金計算等內容。根據(jù)已知條件及結合銅電解槽工藝的實際條件，本設計所生產(chǎn)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60℃，電解液循環(huán)速度為30L/min，電解槽設計內尺寸為4150x1120x1430mm，電解槽數(shù)為860個，車間采用雙跨布置。然后根據(jù)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雜質的脫除效率及熱平衡等重要數(shù)據(jù)。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）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第II頁DesignofAnnualOutputof200000TonsCopperElectrolytic

TankAbstractThispapermainlydesignsarefiningworkshopwithanannualoutputof200000tonsofcopperelectrolyticcopper,underthegivenconditions,theselectedoperationtechnicalconditions,economicandtechnicalindicators,themainequipmentdesignandmetallurgicalcalculationetc.Onthebasisoftheknownconditionsandcombiningwiththeactualconditionsofcopperelectrolysisprocess,thedesignoftheproductionofelectricalcopperpurity99.9941%,electrolyticprocessbyusingthestrengthofthecurrent25000A,slotvoltage0.3V,thecurrentdensityforthe320A/m2,electrolytetemperatureis60℃,electrolytecirculationratewas30L/min,designofaluminiumelectrolyticcellsizeis4150x1120x1430mm,electrolyticcellnumberfor860workshopfeaturesdoublespanarrangement.AndthencalculatedbasedonMetallurgicalelectrolytictroughofcopperanodeslimecomposition,cathodecopperthecomposition,thematerialbalance,harmfulimpuritiesintheelectrolyteandallowscontentpurificationimpurityremovalefficiencyandthermalequilibrium,andotherimportantdata.Drawouttheelectrolyticrefiningofcopperelectrolysisinstallationdrawing.KeyWords；Copperelectrolysisrefining,Processdesign,Materialbalance,Heatbalance遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第III頁目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1緒論 1\o"CurrentDocument"銅的基本性質 1\o"CurrentDocument"銅的用途 1\o"CurrentDocument"銅資源的分部 2世界銅礦分部狀況 2中國銅礦種類及分部狀況 3\o"CurrentDocument"銅的生產(chǎn)方法 4火法煉銅 4濕法煉銅 5\o"CurrentDocument"現(xiàn)代煉銅新技術 6閃速熔煉 7艾薩煉銅法 7白銀煉銅法 7奧斯麥特煉銅法 8水口山煉銅法 8\o"CurrentDocument"電解精煉的目的 9\o"CurrentDocument"設計的內容及意義 9設計的內容 9設計的意義 10\o"CurrentDocument"2銅的電解精煉的工藝流程及基本原理 11\o"CurrentDocument"銅的電解精煉的工藝流程 11\o"CurrentDocument"銅電解精煉的基本原理 11電解過程的電極反應 12一價銅離子的形成與影響 13\o"CurrentDocument"陽極雜質在電解過程中的行為 13\o"CurrentDocument"3技術條件及技術經(jīng)濟指標的選擇 16\o"CurrentDocument"操作技術條件 16電流密度 16電解液成分 16電解液溫度 17電解液循環(huán) 17添加劑 19同極中心距 20\o"CurrentDocument"陽極溶解周期和陰極周期 21\o"CurrentDocument"技術經(jīng)濟指標 21電流效率 21殘極率 21電解回收率 22

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第IV頁槽電壓 22直流電耗 22蒸汽單位消耗量 23硫酸單位消耗 23水單位消耗 23\o"CurrentDocument"4產(chǎn)物 24\o"CurrentDocument"電解銅 24\o"CurrentDocument"陽極泥 24\o"CurrentDocument"5主體設備的選擇與計算 26\o"CurrentDocument"電解槽 26電解槽的材質與結構 26電解槽的排列 26電解槽的安裝 27\o"CurrentDocument"電解槽的計算 28商品電解槽總數(shù) 29\o"CurrentDocument"電解槽中陰極、陽極的片數(shù) 30電解槽尺寸 30種板槽數(shù)確定 31\o"CurrentDocument"槽邊導電排、槽間導電板、陰極導棒 31\o"CurrentDocument"6冶金計算 34\o"CurrentDocument"物料平衡計算 34\o"CurrentDocument"凈液量計算 37\o"CurrentDocument"槽電壓組成計算 39\o"CurrentDocument"電解槽熱平衡計算 40熱支出 40熱收入 43\o"CurrentDocument"全車間需補充的熱量 44\o"CurrentDocument"7車間環(huán)保 45\o"CurrentDocument"廢水處理 45\o"CurrentDocument"廢氣處理 46\o"CurrentDocument"電解工段廢氣治理措施 46\o"CurrentDocument"凈液工段廢氣治理措施 47\o"CurrentDocument"節(jié)能降耗 47\o"CurrentDocument"車間防腐 47電解槽 47電解液輸送管道 48致謝 49\o"CurrentDocument"參考文獻 50遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第1頁1緒論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(shù)是29,密度8.92，熔點1083℃，沸點2567℃。銅在熔點的蒸氣壓僅為1.5996Pa，因此在冶煉溫度下，銅幾乎不揮發(fā)。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、錳、鉆、鎳、鋁、鐵等金屬制成合金。銅的用途銅在工業(yè)、農(nóng)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(jù)統(tǒng)計世界上生產(chǎn)的銅約一半用于電器工業(yè)。世界上生產(chǎn)的銅的40%用于與其他金屬制成各種合金，廣泛用于在機械、造船、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。銅鎳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。鉭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(chǎn)的銅大約10%用于化學和建筑等。硫酸銅（CuSO4?H2O）在農(nóng)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）銅資源的分部世界銅礦分部狀況總體來看，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）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）和銅銀硫化物型。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(jīng)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(jīng)探明的礦產(chǎn)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%。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)口華北區(qū)□東北區(qū)口華東區(qū)□中南區(qū)口西南區(qū)口西北區(qū)圖1.3各行政區(qū)的銅礦儲量分布比例銅的生產(chǎn)方法用銅礦石或者銅精礦生產(chǎn)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。火法煉銅銅冶煉技術的發(fā)展經(jīng)歷了漫長的過程，但至今仍以火法煉銅為主，其產(chǎn)量約占世界銅總量的85%?；鸱掋~是通過熔融冶煉和電解精火煉生產(chǎn)出陰極銅，即電解銅，一般適用于高品位的硫化銅礦?；鸱掋~最突出的優(yōu)點是適應性強，能

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第5頁耗低，生產(chǎn)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）。火法煉銅的流程圖如圖1.4所示。圖1.4火法煉銅工藝流程圖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(chǎn)陰極銅，即通常指的浸出一萃取一電積。⑵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濕法煉銅流程圖現(xiàn)代煉銅新技術表1.1世界各種煉銅工藝生產(chǎn)能力主要煉銅工藝生產(chǎn)能力/(10m3?t)采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）閃速熔煉閃速熔煉自從1949年芬蘭奧托昆普問世以來，經(jīng)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(chǎn)中精礦的干燥一般采用回轉窯干燥和氣流干燥。閃速熔煉的特點：閃速熔煉時一種懸浮熔煉，氣一液一固三相在反應塔內1?2s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(chǎn)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(chǎn)能力，而且減少了煙氣量；自動化程度高，生產(chǎn)穩(wěn)定爐齡時間長；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(lián)邦科學工業(yè)研究機構（CSIRO）在20世紀80年代聯(lián)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(tǒng)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(chǎn)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(chǎn)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%。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(chǎn)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(chǎn)122天。1980年，白銀有色金屬公司用白銀煉銅法取代了傳統(tǒng)的反射爐熔煉法，在原反射爐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(xiàn)在已經(jīng)用于生產(chǎn)。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：對原料中的硫的利用率可達70%以上，產(chǎn)出煙氣的二氧化硫濃度比較高，爐子產(chǎn)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(chǎn)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；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(chǎn)出合格的粗銅，該操作模式流程簡單，工藝控制爐溫和煙氣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(chǎn)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；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(chǎn)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(chǎn)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(jīng)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，1991?1992年進行了較長期的半工業(yè)實驗，取得非常滿意的技術經(jīng)濟指標。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90°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、造锍等過程，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，能夠高速回收砷。電解精煉的目的火法精煉產(chǎn)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：礎、銻、鉍、鎳、鉆、鐵、鋅、鉛、氧、硫、金、銀、硒、碲等）有些雜質雖然含量不高，但能使銅的使用性能和加工性能變壞。如：銅中砷含量只要達到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、碲等，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、碲等有價值的金屬。設計的內容及意義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，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(jīng)濟的生產(chǎn)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(jù)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(shù)、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。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(chǎn)中的各項技術條件和經(jīng)濟技術指標。了解銅電解精煉的工藝流程，通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(xiàn)陽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圖2.1通電解精煉工藝流程圖銅電解精煉的基本原理銅電解精煉的基本原理是根據(jù)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頁遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第12頁四幅Cu-2e-C咱場（'u2te2<2r=C'll:星flt反應1圖2.2銅電解精煉過程示意圖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(tǒng)表示：Cu（陰極純銅）1CuSO4H2O|Cu（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：Cu—2e-Cu2+Me—2e-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，在陰極處發(fā)生還原反應，反應如下：Cu2++2e-CuMe++Me++2eMe遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第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。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：Cu一efCu+陰極一價銅離子的形成：Cu2++efCu+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+fCu2++Cu與電解液中的氧反應Cu2SO4+O2+H2SO4f2CuSO4+H2OCu和Cu2+、Cu+三者的平衡關系：Cu2+ +Cuf2Cu+溫度升高，平衡向正方向移動，在298K時平衡常數(shù)為K=[Cu+]2/[Cu2+]=0.62X10-8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。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 （%）元素進入電解液進入陽極泥進入陰極Cu1~20.03?0.198~99Ag297~98<1.6Au199<0.5伯族約1000.05Se、Fe2約981Pb、Sn2約981Ni75?1000~25<0.5Fe100Zn100AL約75約255As60~8020~40<10Sb10~6040~90<15Bi20~4060~805S95~973~5SiO9100遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第14頁根據(jù)雜質在電解時表現(xiàn)出的性質，這些雜質可分為四大類：第一類金、銀、鉑族及其化合物。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(chǎn)Ag2s04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。第三類鎳、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Fez+進入電解液，與電解液中的空氣接觸發(fā)生反應：2Fe2++2H++10f2Fe3++HO22 2所形成的Fe3+遷移到陰極后，又按下列反應還原為Fe2+：Fe3++Cuf2Fe2++Cu2+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(jīng)過火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。第四類砷、銻、鉍。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(jīng)濟指標的選擇操作技術條件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(jīng)濟指標之一。一般范圍值選擇在200?360A/m2之間，其具體數(shù)值根據(jù)實際電解槽生產(chǎn)能力決定。在電解槽數(shù)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(chǎn)率。在提高電流密度的同時，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(chǎn)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(xiàn)象。電解液成分電解液主要由H2s04和CuSO4的水溶液組成。一般含銅40?50g/L，含硫酸180?240g/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（65℃）硫酸的濃度（g/L）100150175200250電解液百分電阻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。表3.225℃時硫酸銅的溶解度與硫酸含量的關系H2s04含量40 60 90 100 150 180（g/L）Cu含量 78.73 74.82 69.61 67.33 58.51 52.22鎳、鐵、砷、銻、鉍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，而且砷、銻和鉍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元素 Ni As Sb Bi Fe含量（g/L） <15 <7 <0.6 <0.5 <3電解液溫度電解液溫度一般控制在55?65℃。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，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50?60℃之間，溫度每升高1℃，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（℃）45 50 55 60 6570百分電阻108.2 103.8 100.0 96.6 94.091.4電解液循環(huán)在電解精煉過程中產(chǎn)生電極極化和濃度差極化，由于極化作用，產(chǎn)生反電動

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第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(xiàn)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1.5?3.0h之間，循環(huán)量為15?30L/（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（A?m-2環(huán)速度（L?min-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，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圖3.2下進液上出液循環(huán)方式示意圖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［12］。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(chǎn)生一定的濃差極化和化學作用，促使結晶細化［12］。因為添加劑會污染電解液使電解液的性質變差，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晶，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(chǎn)生，從而獲得致密平整結晶極為細小的陰極銅。（2）硫脲。硫脲是表面活性物質，在電解過程中，加入適量的硫脲，可在高電流密度下獲得結構致密的陰極銅。但加入量過多，其條紋明顯增粗，促進疙瘩的形成和粗糙的沉積，顏色發(fā)暗，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、硫脲的加入量。［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。一般的加入方法是：將膠、硫脲、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(jù)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3.6和表3.7表3.6 常用添加劑種類和用量種類膠硫脲干酪素鹽酸/（mL/t電銅）用量8八電銅）25?5020~5015~40300?500表3.7 國內外各廠噸銅添加劑用量添加劑1廠國內2廠3廠1廠國外2廠3廠骨膠15~2030~4030~40405030硫脲20~3030~4020~302030干酪素20~3015~20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?shù)乜s短極距，有利于電解槽電壓的降低，提高電解槽的利用系數(shù)。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(jù)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75?90mm，大型極板則為100?110mm。

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第21頁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18?24天。當電流密度采用320A/m2時，陽極壽命為12~14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，一般為陽極壽命的1/3。3.2技術經(jīng)濟指標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(tǒng)等絕緣不良而引起的漏電。正常生產(chǎn)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(jīng)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、斷路及陰極周期較長的條件下，這種溶解較為嚴重。［5］通常這些因素使電流效率降低0.25%?0.75%。殘極率殘極率是指產(chǎn)出殘極量占投入陽極量的百分比。其計算公式為：N=一-一*100% （3.1）M1±Am式中N 殘極率，%；M1——殘極產(chǎn)出量，t；

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 第22頁Am——期初期末槽存陽極量差額，t；m 殘極產(chǎn)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。電解回收率電解回收率是指在銅電解精煉過程中產(chǎn)出的陰極銅所含銅量占實際消耗物料所含銅量的百分比，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x100%（3.2）銅電解精煉回收率是對金屬銅回收程度的標志?；厥章侍岣呖稍谕辉牧锨闆r下增加陰極銅產(chǎn)量，減少金屬流失、降低成本、增加利潤。銅電解回收率一般為99.6%?99.8%。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0.2?0.3V。種板槽槽電壓為0.3?0.4丫。降低槽電壓的措施如下：（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。直流電耗直流電耗是指生產(chǎn)1t電銅消耗直流電能量，單位為kWht-1Cuo直流電消

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第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。一般噸銅的直流電耗為230?280kW?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。降低槽電壓、提高電流效率可有效降低電耗。蒸汽單位消耗量蒸汽單位消耗量（蒸汽單耗）是指單位產(chǎn)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1?1.5t/t電銅；在有保溫措施的銅電解過程中，蒸汽單耗一般為0.2?0.6t/t電銅。硫酸單位消耗硫酸單耗指單位產(chǎn)品陰極銅在電解過程中所消耗的硫酸量。一般生產(chǎn)中，噸銅硫酸單耗一般為4?10kg。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）提高廢酸的再利用率。3.2.8水單位消耗水單耗指單位產(chǎn)品陰極銅在電解過程中所消耗的水量。一般生產(chǎn)中，噸銅水消耗量一般為3?5m2。

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第24頁4產(chǎn)物銅電解精煉的產(chǎn)物主要是電銅、陽極泥，其次電解液凈化出的CuSO4和NiSO4。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。電銅的化學成分表4.1元素12廠別345Cu99.96-99.9799.96-99.9899.96-99.9799.9899.98Bi0.00010.0000.00030.0001<0.0005Sb0.00010.0000.00070.0001<0.0006As0.00050.0000.00080.0004<0.0006Fe0.0005-0.00120.0000.00080.00030.0007Ni0.0005-0.00080.0000.00080.00020.0004Pb0.00050.0000.00030.00010.0005Sn0.0005-0.00060.0000.00030.00060.0004S0.0022-0.00270.001-0.0030.0003Zn0.00050.0000.00080.0001<0.0005P0.00010.0003（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。陽極泥陽極泥是在銅電解精煉時產(chǎn)出的一種副產(chǎn)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(chǎn)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）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第25頁Au、Se、Te、Pb、Cu、As、Sb、Bi、Ni、Fe、Sn、S、SiO4、AL2O3和鉑族金屬等，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4.2銅陽極泥率及化學成分廠別陽極泥率（%）化學成分（％）CuAuAgSe10.4-0.820-210.4-0.610-153-521.09.540.818.841.2531-1.5150.3-0.512-192-6412.80.17-0.2117.542.0950.518-200.5-0.710-204-660.4-1.128-300.61412.75陽極泥呈灰黑色，粒度通常為100~200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、平整設備以及其他輔助設備。電解槽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。鉛皮一般含銻3%，厚度為2?3mm。電解槽長3000?5000mm，槽寬850?1200mm，高1000?1500mm。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。電解槽的排列電解槽在車間的排列（即電解槽車間的布置），要考慮電路連接、電解液循環(huán)、運輸線路和通風采光等因素。電解槽的電路連接大多數(shù)采用復聯(lián)法，即電解槽內的各個電極并聯(lián)裝槽，而各個電解槽之間的電路采用串聯(lián)相接。每個電解槽內全部的陽極并列相連，全部的陰極并列相連。電解槽的電流強度等于槽內各同名電極電流的總和，槽電壓等于槽內任何一對電極之間的電壓。圖5.1為復聯(lián)法連接示意圖。圖中每個小長方形表示一個電解槽，粗線段表示陽極，細線段表示陰極；每一組由四個電解槽組成，電解槽中交替地懸掛著陽極和陰極。

第27頁遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第27頁遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）圖5.1復聯(lián)法連接示意圖1—陽極導電排；2?4—中間導電排；5一陰極導電排電流從陽極導電排1,通向電解槽I的全部陽極，該電解槽的陰極與中間電排2連接，中間導電排放在分隔電解槽I和H壁上。同一中間導電排2與電解槽II的陽極連接，故導電排2對電解槽I而言為陰極，對電解槽H而言為陽極。電解槽W的陰極接向導電排3,對第一槽組而言為陰極，對第二槽組而言為陽極。因此，電流從電解槽I通向電解槽訓I,必須經(jīng)過一系列槽組，最后經(jīng)陰極導電排5回到電源。電解槽的安裝電解槽通常是安裝在上面鋪有絕緣層的磚柱或鋼筋混凝土的梁上，電解槽槽底的四角正好對準梁柱上的絕緣襯墊，使電解槽對地面絕緣，便于檢查是否漏電、漏液，并可適當安裝其他設備。電解槽每幾個或幾十個排成一列，安裝時，電解槽必須找平，相鄰的電解槽之間留25mm左右的間隔，以便空氣流通并使電解槽之間絕緣。在電解槽上部，槽與槽的間隔，首先用橡皮條嵌入溝內，使其與槽上邊緣相平，然后在上面鋪絕緣墊，槽間導電棒就放在絕緣墊上。槽間導電棒有圓形、方形、三角形等幾種，通常選用三角形，因其能保證陰極、陽極與其緊密接觸，并使落到導電棒上的溶液快速流下，避免因蒸發(fā)而在導電棒上形成阻礙導電的薄膜。

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第28頁電解槽的計算表5.1 設計參數(shù)項目 已知條件年產(chǎn)電解銅（一級銅）200000t年工作日：350d商品電解槽電流密度320A/m2電解槽作業(yè)率96%電流效率96%同極中心矩110mm電流強度25000A電解車間溫度25℃電解槽外壁35℃（1）陽極板陽極尺寸的選擇與企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模、機械化操作程度以及其他一些條件有關。結合本設計的實際情況，本設計的精煉廠為大型工廠，機械化程度較高，陽極板采用大型陽極板，其尺寸為1000X970mm2,其質量范圍在300kg以上。如圖5.2。（2）陰極板在本設計中，用商品電解槽中的始極片做為電解槽的陰極，為避陰極邊緣有樹枝狀結晶生成，通常陰極尺寸在寬度上比陽極寬35?55mm,在長度上比陽極長25?45mm。因此結合實際情況，本設計陰極尺寸為1030X1000mm2。（3）種板種板目前有紫銅板、不銹鋼板和鈦板三種材質，其中紫銅板選用最多，各種遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第29遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第29頁材質的優(yōu)缺點比較如下:表5.2 種板不同材質的優(yōu)缺點厚度優(yōu)點缺點紫銅3~4（mm）板厚度優(yōu)點缺點紫銅3~4（mm）板不銹，、2-3（mm）鋼板價格便宜；銅掛耳與母板

接觸良好；絕緣材料粘附

強度大。重量輕，始極片易剝離;鈦 2.5?3.5板（mm）不需隔離劑，剝片容易，重量輕，始極片成品率高達95%以上，使用壽命長對隔離劑要求較嚴，質地較軟，易變形引起

槽內短路，笨重。質硬，與絕緣材料粘結不如鋼材，彈性大，

難以平直。銅耳與鈦板因膨脹系數(shù)不同，鉚接處易松動，積留硫酸銅結晶，需定期細砂打毛，處理氧化膜；變形后不易矯正；包邊問題難解決，造價高通過比較，結合實際情況，本設計選用紫銅板材質的種板。種板的尺寸在寬度上比始極片寬20?30mm，在長度上長50?70mm。如果過寬或者過長，種板邊上的電力線會減弱，造成析出的始極片邊緣過薄不利于剝離。為了方便始極片剝離，種板的三個邊涂有寬10?20mm的絕緣邊。故本設計種板尺寸為1080X1020mm2。商品電解槽總數(shù)已知條件：年產(chǎn)電解銅200000t年工作日350天商品電解槽電流密度320A/m2電解槽作業(yè)率96%電流效率96%同極中心距110mm始極片尺寸1030x1010mm電流強度25000A商品電解槽總數(shù)計算公式為:M義106350義23.5刈義I義1.185

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第30遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第30頁(5.1)式中：N——商品電解槽總數(shù)，個；M——年產(chǎn)電解銅量，t；350——年工作日，d；—日通電時數(shù)，h；I——電流強度，A，為25000A；n——電流效率，%，為96%；1.186——銅的電化當量，g/（A-h）o200000x200000x106350x23.5x96%x25000x1.185=855個根據(jù)實際情況取860個。電解槽中陰極、陽極的片數(shù)每槽陰極片數(shù)(5.2)N=-I-

c D(5.2)式中:Nc——每槽陰極片數(shù)，片;I——電流強度，A；Dk——電解槽電流密度，A/m2；Fc——每片始極板的面積，m2。25000320x1.03x25000320x1.03x1.01x2二35個本設計兩端放陽極板陽極板比陰極板多一片，所以陽極板為36片電解槽尺寸電解槽長度：設電解槽兩端各留一定距離A=150mm,則電解槽長度為:陽極片數(shù)（或陰極片數(shù)）X極距+2A

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第31頁35X110+2X150=4150mm電解槽的寬度：設陰極兩側距槽邊各留一定距離B=55mm,則電解槽寬度為：陰極長度+2B1010+2X55=1120mm電解槽的深度：設陰極下端距槽底各留一定距離C=300mm,陰極上端距槽底各留一定距離D=100mm,則電解槽深度為：陰極長度+C+D1030+300+100=1430mm種板槽數(shù)確定銅電解精煉過程所需的種板槽數(shù)可按以下式計算:(5.3)式中:X——種板電解槽數(shù)，個；N——車間電解槽總數(shù)；nc——1個商品電解槽的陰極數(shù)；p——1個陰極所需始極片量，取1.06；a——種板周期，1d；A——陰極周期，6d；B——1個種板電解槽的種板數(shù)，37片；C——始極片的成品率，95%；X= 860-75xL06x1 =149個2x6x37x0.95+35x1.06x15.2.5槽邊導電排、槽間導電板、陰極導棒槽邊導電排槽邊導電排與整流機供電導線相連，通過的電流為電解槽的總電流。本設計

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第32頁為大型精煉廠，導電排的允許電流密度為1?1.1A/mm2；導電排截面積可按下式計算：F=— （5.4）iD1式中：F1 導體截面積，mm2；A——總電流，A；D1 允許電流強度，A/mm2；（本設計電流密度取1A/mm2）廠25000,F= =25000mm21 1本設計采用銅質板，每塊尺寸200x20mm，共7塊。導電排的溫度不高于周圍空氣40℃，計算出導體截面積，應用下式進行溫升演算：（5.5）KI（5.5）Sn式中：Q——導體與周圍空氣溫度差，℃K——散熱系數(shù)，在露天取25，在室內取85；I——電流強度，A；P 導體比電阻，Q/m,mm2,銅為0.0175；S 導體橫斷面積，mm2；n——導體斷面的周長，mm。本設計選取銅板每塊尺寸200x20mm2。由于大型電解槽電流強度大，截面積過大的導電排在槽邊難安裝，所以不宜采用組合式的槽邊導電排來直接安裝槽邊，應采用單片式導電排，沿著槽邊長度方向由多個接點自供電母線接入電流。槽間導電板槽間導電板通常用紫銅制作而成，其斷面一般采用圓形、半圓形、三角形等形狀，接觸點保持清潔；槽間導電板允許電流密度為0.3?0.9A/mm2。遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第33頁其截面積可按下式計算:遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第33頁其截面積可按下式計算:AnD2(5.6)式中:F2A槽間導電板的截面積F2A槽間導電板的截面積總電流，A；mm2；n——每槽陰極數(shù);D2——槽間導電體允許電流強度，A/mm2；結合實際D2取0.5A/mm2廠25000F= =1429mm2235x0.5陰極導電棒陰極導電棒通常用紫銅制作，其斷面有方形、圓形、中空方形及鋼芯銅皮方形等，其斷面形狀由陰極的大小和重量決定?？紤]到強度及加工的方便，中、小極板一般選用中空方形導電棒；大極板則選用鋼芯包銅方形導電棒。陰極導電棒允許電流密度可取1~1.25A/mm2。結合實際取1A/mm2其截面積可按公式計算。中空方形導電棒的壁厚通常采用4mm。A25000=A25000=714mm2遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第34頁6冶金計算6.1物料平衡計算年產(chǎn)電銅20萬t的電解精煉物料平衡計算。陽極成分（表6.1）表6.1 陽極成分（％）元素CuAuAgAsSbBiPb含量99.410.0020.0670.0350.0350.010.09元素SnNiFeOSZn其它含量0.0040.2450.0040.080.0030.0010.014已知條件：年產(chǎn)電解銅200000t；年工作日350天；商品電解槽電流密度320A/m2；電解槽作業(yè)率96%；電流效率96%；同極中心距110mm；始極片尺寸1030x1010mm；電流強度25000A；銅電解回收率：99.9%；殘極率：16.5%；陽極中各元素的分配率如表6.2示:

表6.2電解過程中各元素的分配率元素進入溶液/%進入陽極泥/%進入陰極/%Cu1.930.0798Au 991Ag 982As63307Sb256510Bi15805Pb 96.53.5Sn58510Fe721018Ni89.5100.4Zn9343S 964O 100 其它5905遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第35頁根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算出陽極泥率，陽極泥成分，電銅成分，最后編制出銅電解精煉物料平衡表。表6.3 陽極泥率和陽極泥成分計算元素進入陽極泥的量占陽極溶解量的百分數(shù)/%陽極泥成分/%Cu99.41*0.0007=0.0695917.89Au0.002*0.99=0.001980.51Ag0.067*0.98=0.0656616.87As0.035*0.3=0.01052.7Sb0.035*0.65=0.022755.85Bi0.01*0.8=0.0082.05Pb0.09*0.965=0.0868522.32Sn0.004*0.85=0.00340.87Fe0.004*0.1=0.00040.1Ni0.245*0.1=0.02456.3Zn0.001*0.04=0.000040.01S0.003*0.96=0.002880.74O0.08*1.0=0.0820.55其它0.014*0.9=0.01263.24陽極泥率0.389100

表6.4 陰極銅成分計算元素陰極析出量占陽極溶解量的百分數(shù)/%陰極銅成分/%Cu99.41*0.98=97.421899.98092Au0.002*0.01=0.00020.000205Ag0.067*0.02=0.001340.001375As0.035*0.07=0.002450.002514Sb0.035*0.1=0.00350.003592Bi0.01*0.05=0.0050.005131Pb0.09*0.035=0.003150.003233Sn0.004*0.1=0.00040.000411Fe0.004*0.18=0.000720.000739Ni0.245*0.004=0.000980.001006Zn0.001*0.03=0.000030.000031S0.003*0.04=0.000120.000123其它0.014*0.05=0.00070.000718陽極泥率97.44039100遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第36頁根據(jù)以上有關數(shù)據(jù)，進行物料平衡計算如下：200000t電銅含銅量：200000x99.98092%=199961.8由生產(chǎn)200000t電銅所需銅量：199961.84+99.9%=200162.0021生產(chǎn)200000t電銅要進入陽極泥中的銅量:199961.84

98%199961.84

98%x0.07%=142.831陽極泥量:142.83+17.89%=798.381生產(chǎn)200000t電銅要進入溶液中的銅量:199961.84

98%x199961.84

98%x1.93%=3938.021生產(chǎn)200000t電銅所需陽極數(shù)量:200162.002+142.83生產(chǎn)200000t電銅所需陽極數(shù)量:200162.002+142.83+3938.02

(1-16.5%)x99.41%二246103.4491陽極含銅量：246103.449x99.41%=244651.43871遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第37頁殘極數(shù)量：246103.449x16.5%=40607.071殘極含銅量：40607.07x99.41%=40367.49t用上述結果編制物料平衡表如下：表6.5 銅電解精煉物料平衡表進料物料名稱銅陽極合計數(shù)量/t246103.449含銅量/%99.41純銅量/t244651.4387244651.4387出料物料名稱數(shù)量/t含銅量/%純銅量/t陰極銅20000099.981199961.84殘極40607.0799.4140367.49陽極泥798.3817.89142.83電解液3938.02損失241.2587合計244651.43876.2凈液量計算根據(jù)上面計算，生產(chǎn)200000t電銅所需要246103.449t陽極,其中殘極量為40607.07t。陽極銅中銅及主要雜質含量：Cu99.41%、Ni0.245%、As0.035%、Sb0.035%、Bi0.01%;進入溶液中的百分數(shù)為：Cu1.93%、Ni89.6%、As63%、Sb25%、Bi15%;電解液中銅和雜質的允許含量(g/L):Cu45、Ni15、As7、Sb0.6、Bi0.5;采用冷卻結晶法生產(chǎn)粗硫酸鎳，這幾種物質的脫除率為：Cu98%、Ni75%、As85%、Sb85%、Bi85%；根據(jù)公式［6］：遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計(論文)第38頁TEKFX103CN(6.1)Q 凈液量，ms/a;T——陰極銅產(chǎn)量，t/a;E——生產(chǎn)1t陰極銅所需陽極銅，t/t;F——元素進入電解液的百分含量；K——元素在陽極銅中的百分含量；C——元素在電解液中允許的極限濃度，g/L;N——元素在整個凈化過程中的脫除率，%；按主要元素分別計算凈液量如下：Qc〃(246103.449-40607.07)x99.41%x1.93%x103_8940318g445x98% .maQn(246103.449—40607.07)x0.245%x89.6%x103 =40098.28m3/a15x75%Qs(246103.449—40607.07)x0.035%x63%x103 =87615.45m3/a7x85%QSb(246103.449—40607.07)x0.035%x25%x103 ’ =35256.73m3/a0.6x85%(246103.449—40607.07)x0.01%x15%x103 =7252.81m3/a0.5x85%從計算結果看，需要凈液量最大的元素是銅，其次是銀。銅的脫除采用在電解工序電解槽中增加不溶陽極的方法脫除，故凈液量以鎳元素所需要的量計算，取凈液量為41000ms/a。根據(jù)已知條件：電流效率：96%；電流強度：25000A；年工作日350d；日通電時數(shù)23.5h；所需脫銅脫除的銅量為：(89403.18-40098.28)x45x10-3=2218.7t遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第39頁所需脫銅槽數(shù):=9.5個2218.7x所需脫銅槽數(shù):=9.5個1.185x23.5x350x25000x0.96確定脫銅槽數(shù)為10個。6.3槽電壓組成計算銅電解精煉電解槽的槽電壓一般為0.2?0.3V。槽電壓主要由陰陽極電位差，電解液電阻產(chǎn)生的電壓降以及導體、接點和陽極泥電阻產(chǎn)生的電壓降三部分組成，其計算公式如下：V二（EA-EC）+IR1+1r （6.2）式中：V——槽電壓，V；EA——陽極電位，V；EC——陰極電位，V；I——電流強度，A；Rl——電解液電阻，Qr——導電棒，電極，陽極泥及接點電阻，Q（1）陰陽極電位差。銅電解精煉過程的陰陽極電位差主要是由于濃差極化造成的。濃差極化的程度與電流密度、電解液攪拌強度、電解液溫度、電解液含銅量和含酸量以及添加劑濃度等因素有關。（2）電解液壓降。電解液壓降是指電流通過電解液時，由于電解液電阻造成的電壓降。電解液電阻與電解液中的酸、銅和雜質有關。也與電解液溫度和添加劑量有關。陰陽極間電解液電阻可按下式求出：R=p1 （6.3）S式中：R——陰陽極間電解液的電阻，Q陰陽極間電解液的比電阻，mQ

遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第40頁l——陰陽極極間距離S——電流由陽極到陰極通過的面積（3）導體、接點和陽極泥降壓。導體主要指導電棒和電極。導電棒和電極的電阻引起的電壓降很小，而且變化不大。接點電阻主要與接點處接觸面積大小、接觸處壓緊程度及接觸處是否清潔等因素有關。6.4電解槽熱平衡計算在電解過程中，電解液的熱損失主要包括四部分：電解槽液面水分蒸發(fā)的熱損失；電解液面輻射液對流的熱損失；電解槽壁的輻射與對流的熱損失；。電解過程中的熱收入只有電流通過電解液所產(chǎn)生的熱量。設定：電解槽尺寸4150x1120x1430，壁厚100mm；電解槽總數(shù)860個；電流強度25000A；槽電壓0.3V速度30L/（min槽）溫度63oC°。5。。熱支出（1）電解槽液面水蒸氣蒸發(fā)熱損失。對于無覆蓋電解槽，電解液面水分蒸發(fā)量可根據(jù)表6.6和表6.7數(shù)據(jù)來確定。

表6.6電解槽水分蒸發(fā)量（kg/（gh））室溫 相對溫度萬 /% 48.5 50.0/oC電解液溫度/oC51.5 53.5 55.0 57.0 60.0 65.0遼寧科技大學本科生畢業(yè)設計（論文）第41頁22800.760.8350.840.8951.091.151.331.7424700.740.840.8550.901.101.1651.351.7626650.7550.830.840.891.081.141.321.73本設計電解槽水分蒸發(fā)量為2.1kg/（m2.h）。電解槽總表面積：4.15x1.12x860=3997.28m260oC水的氣化熱為2358.42kJ/kg則電解槽液面水蒸發(fā)熱損失為：q1=3997.28x2.1x2358.42=19797256.7kJ/h（2）電解槽液面輻射與對流熱損失。電解槽液面的輻射與對流損失可用傅里葉公式計算；q2=KF（tjtJ （6.4）式中K——輻射與對流聯(lián)合給熱系數(shù)，kJ/（m2.h?°C）F 傳熱表面積，m2t1——電解液溫度，。Ct2——車間空氣溫度，。C聯(lián)合給熱系數(shù)K可按下式求出：T4-+2.2(t-t)1/41 2（6.5）(-TU)44-+2.2(t-