【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 不僅影響正常生產(chǎn)，還會(huì)造成電能浪費(fèi)和陰極銅的化學(xué)成分不穩(wěn)定，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和物理 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 性能。 圖 11 電解銅的工藝流程 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容及意義 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括 電解工藝的確定，銅電解精煉冶金計(jì)算 ，主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖的繪制等。銅電解精煉工藝流程的確定通過比較，選擇先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)、合理的銅電解精煉的工藝流程。 冶金計(jì)算 ： 銅電解精煉冶金計(jì)算包括：電解過程金屬平衡和物料平衡 。 重要設(shè)備尺寸 計(jì)算 及選擇 ： 根據(jù)工藝流程各個(gè)主要過程，合理地選擇主要冶煉設(shè)備和確定個(gè)數(shù)、容量、對(duì)其主要尺寸加以計(jì)算。 主要設(shè)備結(jié)構(gòu)圖的繪制 ： 銅電解精煉車間設(shè)計(jì)的圖紙 主 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 要為 電解槽構(gòu)造圖。 本設(shè)計(jì)的意義 本設(shè)計(jì)通過電解槽主體設(shè)計(jì)和冶金計(jì)算，結(jié)合實(shí)際情況提高對(duì)知識(shí)的運(yùn)用以及生產(chǎn)中的各項(xiàng)技術(shù)條件及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)。了解銅電解精煉的工藝流程，以及對(duì)銅電解槽的物料平衡、有害雜質(zhì)在 電解液中的允許含量以及凈化過程中雜質(zhì)的脫除效率及熱平衡 等內(nèi)容的計(jì)算，對(duì)主體設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)和繪圖。最終得到完整的設(shè)計(jì)方案，對(duì)于建設(shè)新銅電解車間及提高銅電解的效率有很大的幫助。 2．技術(shù)條件及經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)的選擇 操作技術(shù)條件 銅電解精煉技術(shù)條件的控制，對(duì)操作過程的正常進(jìn)行，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改善和保證電銅 的質(zhì)量都具有決定性的意義。 電流密度 提高電流密度可以提高電解槽的生產(chǎn)能力。隨著電流密度的提高，電解過程中電流產(chǎn)生的熱量增加，因而用來加熱電解液的蒸汽耗量可相對(duì)減少。然而，隨著電流密度的提高，槽電壓上升，電能消耗也相應(yīng)增大。如果電流密度過高，有可能引起電流效率下降、貴金屬損失增加一級(jí)影響電銅質(zhì)量。 電流密度的大小可根據(jù)具體情況加以確定，電流密度范圍為 200~360A/m2。隨著生產(chǎn)技術(shù)和管理水平的提高，各廠家采用的電流密度有提供的趨勢(shì)。周期反向電流電解，有效地解決了由于高電流密度而出現(xiàn)的陽(yáng)極鈍化問 題，因而，采用周期反向電流電解技術(shù)的廠家都選用較高的電流密度。 電解液成分 電解液成分主要由硫酸和硫酸銅水溶液組成。一般含銅 40~50g/L，含硫酸180~240g/L。實(shí)際電解液中銅和硫酸的含量應(yīng)視電流密度，陽(yáng)極成分和電解液的純凈度 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 等條件而定。由于電解液的電阻隨著酸度的增加而降低，隨含銅量的增加而升高，所以，為了降低電耗，一般采用高酸低銅電解液組分比較有利。然而，由于硫酸銅的溶液濃度隨著硫酸濃度的增加而降低，如果硫酸含量過高，硫酸銅含量過高，硫酸銅容易從電解液中結(jié)晶析出，同事加劇了陽(yáng)極鈍化。隨著 陽(yáng)極的溶解，電解液中的雜質(zhì)不斷積累，雜質(zhì)的積累使硫酸銅的溶解度降低。因此在雜質(zhì)含量高的電解液中，硫酸含量也應(yīng)適當(dāng)減小。 電解液中銅含量的不斷上升和下降，都是不希望的現(xiàn)象。含銅量不斷上升，電解液的電阻不斷增加。當(dāng)銅量超過其溶解度時(shí)，或因電解液的溫度下降是，硫酸銅會(huì)從溶液中結(jié)晶析出，從而使電解作業(yè)不能正常進(jìn)行。電解液的含銅量不斷下降，則雜質(zhì)可能在陰極上析出，故必須根據(jù)各種具體條件加以掌握，以控制電解液的含銅量處于規(guī)定的范圍。 鎳、鐵、砷、銻、鉍等雜質(zhì)濃度過高會(huì)增大電解液的電阻和濃度，降低硫酸銅的溶解度，且砷、銻 和鉍濃度過高造成的漂浮陽(yáng)極泥會(huì)嚴(yán)重影響陰極銅的質(zhì)量。 元素 Ni As Sb Bi Fe 含量 /（ g/L） 15 7 3 表 21 銅電解液中有害雜質(zhì)允許含量 電解液溫度 電解液溫度是影響電解過程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量的因素。實(shí)驗(yàn)證明，提高電解液的溫度可使電解液粘度大幅度下降，電解液中懸浮的微粒得以沉降，保證不和陰極銅機(jī)械吸附。同時(shí)電解液的溫度越高 Cu2+的遷移速度大大增加；有利于 Cu2+的傳質(zhì)，使陽(yáng)極鈍化和陰極區(qū) Cu2+濃度的貧化明顯消除，從而使銅在陰極上均勻析出 （如 圖 22） 。 溫度（℃） 45 50 55 60 65 70 百分電阻 表 22 溫度對(duì)電解液百分電阻的影響（硫酸 200g/L） 但溫度過高，蒸汽的耗量卻異常地增加。累計(jì)總能偏高，從而使經(jīng)濟(jì)效益降低。更重要的是，車間酸的蒸發(fā)量增加，使操作環(huán)境惡化。同時(shí)銅的化學(xué)溶解速度顯著增加 Cu2+濃度增大，影響 Cu2+和 Cu+的平衡，相應(yīng)銅粒子的數(shù)量增加。其次，對(duì)設(shè)備、廠房的腐蝕加重，對(duì)塑料設(shè)備的老化影響更大。我國(guó)一般將電解液溫度控制在 58～ 60℃ 。 電解液循環(huán) 電解液的循環(huán)可使電解液的組成和溫度均勻一致，降低濃差極化，改善陰極銅質(zhì)量。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 電解液的循環(huán)方式有兩種：下進(jìn)上出和上進(jìn)下出。這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：下進(jìn)上出方式有利于溶液的充分混合，但與陽(yáng)極泥沉降方向相反，造成陽(yáng)極泥沉降困難。上進(jìn)下出方式對(duì)陽(yáng)極泥沉降有利，但對(duì)電解液混合不利，電解液上下層濃差較大。電解液循環(huán)量過大，不僅增加動(dòng)力消耗，而且影響電解液中懸浮雜質(zhì)和陽(yáng)極泥離子的下沉，甚至沖起陽(yáng)極泥，影響電銅質(zhì)量，增加貴金屬的損失。循環(huán)量的選擇主要取決于循環(huán)方式、電流密度、電解槽容積、陽(yáng)極成分等。當(dāng)操作電 流密度高時(shí)，必須采用較大的循環(huán)量，以減少濃差極化。一般中小型電解槽循環(huán)量取 20~30L/（ min槽）。 添加劑 為了獲得優(yōu)質(zhì)的陽(yáng)極銅，除了嚴(yán)格控制各工序電解技術(shù)條件外，還應(yīng)添加適量膠質(zhì)物質(zhì)和表面活性物質(zhì)，以改善陽(yáng)極表面質(zhì)量。一般采用的添加劑及其作用分述如下。 (1)動(dòng)物膠。動(dòng)物膠是銅電解精煉過程中的主要添加劑。加入適量的動(dòng)物叫能使析出的陰極沉積物致密光潔，改善陰極表面的物理狀態(tài)。陽(yáng)極銅雜質(zhì)含量高，且電流密度也高時(shí)，加入動(dòng)物膠量要稍多些。但加入量過多時(shí)，電解液的電阻增大，陽(yáng)極銅易產(chǎn)生分層，質(zhì)脆現(xiàn)象。 (2)硫脲。硫脲是表面活性物質(zhì)，與動(dòng)物膠混合使用，可在高電流密度下獲得結(jié)構(gòu)致密的陰極銅。當(dāng)加入量過高時(shí)，硫脲會(huì)促進(jìn)疙瘩的形成和粗糙的沉積。有研究認(rèn)為，硫脲可能與同生成化合物，造成電銅含硫過高。 (3)干酪素。干酪素與動(dòng)物膠混合使用，能抑制陰極表面粒子的生長(zhǎng)和改善粒子的形狀。 (4)鹽酸。鹽酸用來維持電解液中氯離子的含量。電解液中的氯離子可使溶入電解液中的銀生成氯化銀沉淀，降低銀的損失。氯離子的存在有利于消除陽(yáng)極鈍化，有利于消除陰極樹枝狀結(jié)晶，降低陰極沉積的內(nèi)應(yīng)力。陰極中砷銻過高時(shí)，電銅發(fā)脆，氯離子的存在有抑制作用。電解液中氯 離子濃度過高時(shí)，陰極上會(huì)產(chǎn)生針狀結(jié)晶。 添加劑對(duì)改善陰極表面質(zhì)量有明顯的作用，但加入量過多會(huì)產(chǎn)生副作用。必須根據(jù)陽(yáng)極銅成分、電流密度、電解液雜質(zhì)含量等條件選用合適的和適量的添加劑。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10頁(yè) 種類 動(dòng)物膠 硫脲 干酪素 鹽酸 (ml/t 電銅 ) 用量 /(g/t 電銅 ) 25~50 20~50 15~40 300~500 表 22 常用添加劑種類和用量 極距 極距一般指同極中心距?？s短極距能降低槽電壓，減小電能消耗，還能提高電解槽利用系數(shù)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。但極距過小會(huì)引起陽(yáng)極短路及陽(yáng)極泥對(duì)陰極的污染，使電銅 表面粗糙，貴金屬損失增加。如管理不善，還會(huì)降低電流效率。極距的大小與極板的尺寸、加工精度有關(guān)，小型極板的同極中心距一般為 7590mm，大型極板則為 100110mm。 陽(yáng)極壽命和陰極周期 陽(yáng)極壽命根據(jù)電流密度、陽(yáng)極質(zhì)量及殘極率來確定，一般為 18~24 天。陰極周期與電流密度、陽(yáng)極壽命及勞動(dòng)組織等因素有關(guān)，一般為陽(yáng)極壽命的 1/3. 為獲得致密、平整的陰極銅，始極片必須結(jié)構(gòu)致密，表面光滑。所以種板電解槽的技術(shù)條件控制比普通電解槽更為嚴(yán)格，為此，大、中型電解廠種板槽的電解液循環(huán)系統(tǒng)及添加劑加入裝置和直流 供電裝置宜單獨(dú)設(shè)置。 銅電解精煉經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo) 電流效率 電流效率是指銅電解精煉過程中，陰極實(shí)際析出量與理論析出量的百分比。銅電解精煉的電流效率一般為 94%~98%左右。 影響電流效率的主要因素有： 短路。由于電極放置不正或陰極上產(chǎn)生樹枝狀結(jié)晶而引起短路。 漏電。由于電解槽與電解槽之間、電解槽與地之間、溶液循環(huán)系統(tǒng)等絕緣不良而引起的漏電。 化學(xué)溶解。陰極銅在硫酸中的化學(xué)溶解速度決定于溶液溫度、硫酸濃度、銅離子濃度、三價(jià)鐵離子濃 度以及溶液氧含量。由于上述因素的影響，通常銅的化學(xué)溶解能使 電流效率降低 %。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11頁(yè) 殘極率 殘極率是指生產(chǎn)出殘極量占消耗陽(yáng)極量的百分比。殘極率低可以減少重熔的費(fèi)用和金屬損失，提高直接回收率；但是，殘極率過低又會(huì)造成槽電壓升高，電能消耗增加，電能效率降低，甚至還會(huì)使殘極碎片跌落槽底，損壞槽襯。因此，殘極率以選擇 1418%為宜。 銅電解回收率 銅電解回收率反映銅電解過程中銅的回收程度，其計(jì)算方法如下： 銅電解回收率（ %） =電銅含銅量 ∕ （裝入原料含銅量 回收品含銅量）回收品是指殘極、銅屑、碎銅、 制取硫酸銅溶液及陽(yáng)極泥等含銅物料銅電解回收率 一般為 %左右。 槽電壓 槽電壓由下列各項(xiàng)電位降組成：電解液的電位降、各接觸點(diǎn)和克服陽(yáng)極泥電阻的電位降、濃差極化所引起的電極電位降等項(xiàng)相加所得之和。工廠普通電解槽的槽電壓一般為 ，種板電解槽則稍高一般 為 伏。 直流單耗 直流單耗是指生產(chǎn)一噸電銅所消耗的直流電量。消耗的直流電量包括普通電解槽、種板電解槽、脫銅電解槽及線路損失等全部直流電流消耗量。一般的直流單耗為230~280kW?h/t。 蒸汽單位消耗 蒸汽單耗為生產(chǎn)一噸電銅所消耗的蒸汽 量。蒸汽單耗與電解液溫度，電流密度及電解槽覆蓋等保溫措施 有關(guān)。近年來，隨著節(jié)能措施的采用，銅電解精煉過程的蒸汽單耗大幅度的下降。降低蒸汽單耗的措施主要包括電解槽覆蓋，電解槽體、高位槽、供液箱及管道保溫，選用先進(jìn)的加熱器等。在無保溫措施的條件下，蒸汽單耗一般為 1~；在現(xiàn)代有保 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12頁(yè) 溫措施的的銅電解過程中，蒸汽單耗一般為 ~。 硫酸單耗 生產(chǎn)一噸電銅消耗的硫酸量一般為 4~10kg/t 電銅 水單耗 生產(chǎn)一噸電銅消耗的水量一般為 3~5m3/t 電銅 設(shè)計(jì) 電解槽材質(zhì) 現(xiàn)在普通采用的鋼筋混凝土槽體 ,內(nèi)襯造價(jià)低廉、耐熱、耐腐蝕和電絕緣性能良好的材料，一般為鉛或含銻 3%~6%的鉛銻合金板、軟板聚氯乙烯和玻璃鋼。新建工廠及老長(zhǎng)的改造中逐漸推廣使聚氯乙烯襯里和玻璃鋼襯里。 通常電解槽由長(zhǎng)方形槽體和附設(shè)的供液管，排液斗，出液斗的液面調(diào)節(jié)堰板等組成。槽底部通常做成一端向另一端或由兩端向中央傾斜，傾斜度 3%，最低處開設(shè)排泥孔，較高處有清槽用的放液孔，分別供刷槽時(shí)排放陽(yáng)極泥和電解液用。此外，鋼筋混凝土槽體底部還開設(shè)檢漏孔，以觀察內(nèi)襯是否破損。鋼筋混凝土電解 槽壁厚一般為 80~120mm。電解槽安裝在鋼筋混凝土橫梁上，槽底四角 以橡膠板（或塑料板）和瓷磚，用以絕緣。兩個(gè)相鄰電解槽之間留 20~30mm 的空隙，用以槽間絕緣。 鋼筋混凝土電解槽內(nèi)襯選擇原則：造價(jià)低廉、耐高溫、耐腐蝕和電絕緣性能良好的材料，一般為鉛或含銻 3～ 6%的鉛銻合金板、軟板聚氯乙烯和玻璃鋼、鉛襯厚一般為 3～5mm；聚氯乙烯襯里通常為二層，每層厚 4～ 5mm；內(nèi)層塑料襯里一般不正槽鋪設(shè)；玻璃鋼襯里一般為 6～ 10層，厚約 3～ 5mm。 電解槽總數(shù) 電解槽總數(shù)包括普通電解槽、種板電解槽。電解槽總數(shù)可按 下式計(jì)算： IMN ????? ?? ? 10 6 （ 31） 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13頁(yè) 式中： N— 電解槽總數(shù)，個(gè)； M— 年產(chǎn)電解銅量， t； 350— 年工作日，日； — 日通電時(shí)數(shù)， h； η — 電流效率 ， %； I— 電流強(qiáng)度， A； — 銅的電化當(dāng)量， g/（ Ah）。 ????? ?? 10000% 1060000 6N 641 個(gè) 根據(jù)實(shí)際情況取 660 個(gè) 陽(yáng)極、陰極和種板和始極板與計(jì)算 陽(yáng)極、陰極和種板的尺寸 陽(yáng)極尺寸的選擇與生產(chǎn) 規(guī)模，操作的機(jī)械化程度及其他一些技術(shù)條件有關(guān)。機(jī)械化程度較高的大型工廠采用大型陽(yáng)極板，其質(zhì)量范圍一般在 300kg 以上。中、小型工廠，機(jī)械化程度較低，常采用小型陽(yáng)極板。 因此，本結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際情況陽(yáng)極板的尺寸為1000 960mm2 。 為了避免陰極邊緣生產(chǎn)樹枝狀結(jié)晶，通常陰極尺寸比陽(yáng)極稍大，寬度大約為 35~55mm。比陽(yáng)極長(zhǎng) 25~45mm。