铜电解槽精炼车间工业设计.doc

铜电解槽精炼车间工艺设计一、概述 1、粗铜经火法精炼后仍含有一点数量的杂质。这些杂质的存在会使铜的某些物理性质和机械性能变坏，不能满足电气工业对铜的要求。因此，粗铜在火法精炼后需要电解精炼以除去有害杂质。铜的电解精炼以火法精炼产出的铜为阳极，以电解产出的薄铜片为阴极，以硫酸和硫酸铜水溶液作电解液。在直流电作用下，阳极铜电化学溶解，在阴极上沉积，杂质则进入阳极泥和电解液中，从而实现铜于杂质的分离。下图为铜电解精炼一般工艺流程图：种板阳极 始极片 阳极 电解精炼种板槽电解始极片 残极 阳极泥 电解液 电解液 电铜 阳极泥 残极 送电解 返火法 送阳极泥处理 送阳极泥 返火 净化精炼槽 精炼 处理 法精炼再生铜 粗硫酸镍 结晶硫酸铜 粗硫酸返火法精炼 生产精制硫酸镍 返回电解精炼图1-1铜电解精炼一般工艺流程图：2、铜阳极 铜电解精炼的原料是火法精炼后烧铸而成的铜阳极。生产中应尽量获得质量良好的铜阳极板。二、技术条件及技术经济指标的选择1、操作技术条件、电流密度 电流密度是指单位面积上通过的电流安培数。电流密度的范围为200-360A/m2.。种板电解槽电流密度比普通电解槽电流密度稍低，本设计中普通电解槽电流密度取300 A/m2，种板电解槽电流密度取230A/m2。、电解液成分 电解液成分主要由硫酸和硫酸铜水溶液组成。其铜和硫酸的含量视电流密度、阳极成分和电解液的纯净度等条件而定。在电解生产中，必须根据具体条件加以掌握，以控制电解液的含铜量处于规定的范围。、极距 极距一般指同极中心距。本设计取极距为90mm。、阳极寿命和阴极周期 阳极寿命根据电流密度、阳极质量及残极率来确定，一般为18-24天。阴极周期与电流密度、阳极寿命及劳动组织等因素有关，一般为阳极寿命的1/3。本设计中阳极寿命为18天，阴极寿命为6天。2、技术经济指标、电流效率 电流效率是指电解过程中，阴极实际析出量占理论量的百分比。本设计中电流效率为95.5%、残极率残极率是指产出残极量占消耗阳极量的百分比。本设计中残极率17%。、电解回收率铜电解回收率反应在电解过程中铜的回收程度，其计算方法如下：电铜含铜量装入原料含铜量回收品含铜量铜电解回收率= 100 本设计中铜电解回收率为99%。、槽电压槽电压由电解液电阻引起的电压降，金属导体电压降，接触点电压降，克服阳极泥电阻的电压降，浓差极化引起的电压降等组成。普通槽槽电压一般为0.20.3V；种板槽电压一般为0.30.4V。三、主体设备设计1、电解槽的材质与结构 电解槽的材质一般以钢筋混凝土为槽体，内衬造价低廉、耐热、耐腐蚀和电绝缘性能良好的材料。电解槽结构见设计图。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。槽体底部作成由一端向另一端倾斜，最低处开设排泥孔，较高处设有放液孔，分别供刷槽时排放阳极泥和电解液用。电解槽安装在钢筋混凝土横梁上，槽底四角垫以橡胶板和瓷砖。2、电解槽总数的确定电解槽总数包括普通电解槽、种板电解槽和脱铜电解槽。其总数按下式计算：M106年工作日日通电小时I1.185N=（3-1）式中：N电解槽总数，个；M 年产铜数量，t；电流效率；I电流强度，A。1.185铜的电化当量，gAh本设计中已知 M = 40000t = 95.5% I =10000A 年工作日：350d日通电小时：23.5h将已知数据代入上式得N = 423.7 取整数N=424个3、阳极、阴极、种板和始极片的选择与计算、阳极、阴极和种板的尺寸 阳极尺寸的选择与生产规模、操作机械化程度及其他一些条件有关。本设计中采用阳极尺寸为：阳极长780mm 阳极宽730mm 。阴极尺寸应比阳极稍大一些，一般比阳极宽3555mm，比阳极长2545mm。本设计中阴极尺寸为：阴极长=780+30=810mm 阴极宽=730+40=770mm。种板的尺寸一般比始极片宽2030 mm，长5070mm。本设计中种板的尺寸为：种板长=780+20=800mm 种板宽=730+50=780mm 。、电解槽中阴极和阳极的片数 每槽阴极的片数为： nc =I(Dkfc) （3-2）式中nc每槽阴极片数,片； I电流强度，A； Dk电流密度，Am2；（本设计中取300 Am2） fc每片始极片的面积（ 本设计中为0.78 0.73 2 1.1388 ）。每槽阳极的片数为：nc+1将以上数据代入式（3-2）得 nc =10000（3001.1388）=29.3 取整数30，则每槽阳极的片数为30+1=31。4、电解槽尺寸的确定电解槽长度： 电解槽两端各留120mm，则电解槽长度为： L=3190+2120=3030mm；电解槽宽度：阴极两侧距槽边各留50mm，则电解槽宽度为：D=730+250=830mm；电解槽深度：阴极下端距槽底留280mm，阴极上端距距槽面留80mm，则电解槽深度为：H=780+280+80=1140mm。5、种板槽数的确定电解精炼过程所需种板槽数可按下式计算：NncPa2ABC+ncPaX=（3-3）式中 X 种板槽数，个； N车间电解槽总数，个； a种板周期，d；取一天 nc一个普通电解槽的阴极数，片； P一片阴极所需始极片量，取1.06； A阴极周期，d； B一个种板槽的种板数，片； C始极片的成品率，取0.95。其中 fc = 0.800.782=1.248m2 则 B = I(Dkfc)=10000(2301.248)=34.8 取35。将以上数据代入式（3-3）得424301.06126350.95+301.061X= = 31 四、冶金计算 1、冶金平衡的计算本设计中，铜阳极化学成分见下表：表4-1 阳极成分表元素CuNiPbAsSbBiZn含量/%99.040.280.20.0160.040.0020.001元素FeSnOAuAgFe含量/%0.0050.0010.030.0030.0750.005表4-2 电解过程中各元素的分配率元素 进入溶液进入阳极泥进入阴极Cu1.93 0.0798Au 991Ag 982As63 307Sb25 6510Bi15 805Pb 96.53.5Sn5 8510Fe72 1018Ni89.5 100.4Zn93 43O 100其他5 905根据以上数据计算出阳极泥率，阳极泥成分，电铜成分，最后编制出铜电解精炼物料平衡表。表4-3 阳极泥率和阳极泥成分计算表元素 进入阳极泥的量占阳极溶解量的百分数 阳极泥成分Cu99.040.0007 = 0.06933 9.7Au0.0030.99 = 0.00297 0.4Ag 0.0750.98 =0.0735 10.3As0.0160.3 =0.0048 0.7Sb0.040.65 =0.026 3.6Bi0.0020.80 =0.0016 0.2Pb 0.20.965 =0.193 27.0 Sn0.0010.85 = 0.0085 1.2Fe0.00500.10 = 0.0005 0.07 Ni0.280.10 = 0.028 4Zn0.0010.04 = 0.0004 0.06 O0.031.0 = 0.03 4.2其他0.3070.9 = 0.2763 38.6阳极泥率 0.7149 100 表4-4 阴极铜成分计算表元素 进入阳极泥的量占阳极溶解量的百分数 阳极泥成分Cu99.040.98 = 97.0592 99.96808 Au0.0030.01 = 0.00003 0.00003Ag 0.0750.02 =0.0015 0.00154As0.0160.07 = 0.00112 0.00155Sb0.040.10 =0.004 0.00412Bi0.0020.05 =0.0001 0.00010Pb 0.20.035 =0.007 0.00721Sn0.0010.10 = 0.0001 0.00010Fe0.00500.18 = 0.0009 0.00093Ni0.280.004 = 0.00112 0.00115Zn0.0010.03 = 0.00003 0.00003其他0.3070.05 = 0.015350.01581合计 97.090 100根据以上数据进行物料平衡计算如下： 40000 t电铜中的含铜量： 4000099.968 = 39987.2 t 生产40000 t电铜所需铜量： 39987.299 = 40391.111 t 生产40000 t电铜要进入阳极泥中的铜量： （39987.298）0.07 = 28.562 t 阳极泥量： 28.5629.7 = 294.454 t 生产40000 t电铜要进入溶液中的铜量： （39987.298）1.93 = 787.503 t 生产40000 t电铜所需阳极数量： 40391.111+28.56+787.503=50128.433 t（117%）99.04%阳极含铜量： 50128.43399.04% = 49647.2 t 残极数量：50128.43317% = 8521.834 t残极含铜量： 8521.83499.04% = 8440.024 t用上述结果编制物料平衡表如下：表4-5 铜电解精炼物料平衡表进料物料名称 数量t 铜含量 纯铜量t铜阳极50128.433 99.0449647.2合计 49647.2出料物料名称 数量t 铜含量 纯铜量t阴极铜40000 99.96839987.2残极8521.834 99.048440.024阳极泥294.454 9.728.562电解液787.503损失403.911合计49647.22、净液量的计算 根据阳极铜成分，阳极铜中各种杂质进入电解液的百分数，电解液中杂质的允许含量及净液过程中杂质的脱出效率，可以计算出所需的净液量。计算中需要以下数据：根据上面计算，生产40000t电铜需要50128.433t阳极，其中残极量为8521.834t。阳极中铜及主要杂质含量：Cu 99.04%，Ni 0.28%，As 0.016%，Sb 0.04%，Bi 0.002%；铜、镍、砷、锑和铋进入溶液的百分数为：Cu 1.93%，Ni 89.6%，As 63%，Sb 25%，Bi 15%；电解液中铜和杂质的允许含量（gL）：Cu 45，Ni 15，As 7，Sb 0.6 ，Bi 0.5；采用冷却结晶法生产粗硫酸镍，这几种物质的脱出率为：Cu 98%，Ni 75%，As 85%，Sb 85%，Bi 85%。按主要元素分别计算净液量如下：（50128.4338521.834）99.04%1.93%1034598%QCu = 18034 m3a（50128.4338521.834）0.28%89.6%1031575%QNi = 9278 m3a785%（50128.4338521.834）0.016%63%103QAs = 705 m3a0.685%（50128.4338521.834）0.04%25%103QSb = 8158 m3a（50128.4338521.834）0.002%15%1030.585%QBi = 294 m3a从以上结果看，需净液量最大元素是铜，其次是镍。铜的脱除采用在电解工序电解槽中增加不溶阳极的方法脱除，故净液量以镍元素所需的量计算，取净液量为9280 m3a。净液量确定后，可计算出需要在普通电解槽系统设置的脱铜槽数。 需用脱铜槽脱除的铜量： （180349280）45103=393.93 t 所需脱铜槽数：393.93106 = 4.08由计算结果可以看出，设5个脱铜槽就足够了。1.18523.5350100000.99有了脱铜槽数，就可以确定出普通电解槽数。普通电解槽数=电解槽总数种板槽数脱铜槽数=424315=388个。3、槽电压组成 铜电解精炼电解槽的槽电压一般为0.20.3V。槽电压主要由阴阳极电位差，电解液电阻产生的电压降以及导体、接点和阳极泥电阻产生的电压降三部分组成。阴阳极电位差：铜电解精炼过程的阴阳极电位差主要是由于浓差极化造成的。电解液压降：电解液压降是指电流通过电解液时，由于电解液电阻造成的电压降。导体、接点和阳极泥压降：导体主要指导电棒和电极。导电棒和电极的电阻引起的压降很小。接点电阻主要与接点处接触面积大小、接触处压紧程度及接触处是否清洁有关。阳极泥压降是指电流通过时，阳极泥的电阻引起的压降。据有关资料，导体压降为0.0150.030 V，接点压降为0.0300.050 V，阳极泥压降为0.0200.040V。参考文献1 铜铅锌冶炼设计参考资料编写组.铜铅锌冶炼设计参考资料.北京：冶金工业出版社，1979. 2 李明照，许并社.铜冶金工艺. 北京：化学工业出版社，2012.3云正宽.冶金工程设计（第2册工艺设计）. 北京：冶金工业出版社，2006.10