【導(dǎo)讀】本次設(shè)計(jì)的任務(wù)由昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院下達(dá)。畢業(yè)設(shè)計(jì)的論文題目：。銅廠區(qū)內(nèi)，本設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的始極片電解法。于環(huán)境保護(hù)，在全球原生銅資源爭(zhēng)奪激烈的情況下，充分利用廠址周邊的有效資源，以創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益為出發(fā)點(diǎn)，參照國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的工藝水。平及先進(jìn)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，充分利用清遠(yuǎn)廠區(qū)的各種設(shè)備，尋求合理的節(jié)能工藝，使生產(chǎn)設(shè)備高效、方便和具備實(shí)用性，保證生產(chǎn)及設(shè)備的經(jīng)濟(jì)化和市場(chǎng)化。環(huán)保和社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益相統(tǒng)一、最具競(jìng)爭(zhēng)力的循環(huán)經(jīng)濟(jì)典范的銅電解廠。多年的生產(chǎn)實(shí)踐，針對(duì)種板重量標(biāo)準(zhǔn)偏差大。組的加工要求，對(duì)降低生產(chǎn)成本和最終提高陰極銅質(zhì)量都是十分有效的。球銅消費(fèi)增長(zhǎng)8%，其中超過一半的增長(zhǎng)來自中國(guó)。但自6月之后的中國(guó)緊縮政策以及以美國(guó)信用降級(jí)為開端的發(fā)達(dá)國(guó)家債務(wù)問題。率及營(yíng)銷利潤(rùn)明顯下降，中小企業(yè)經(jīng)營(yíng)陷入困境?？诖蠓厣木置?。雖然在2020年最后幾個(gè)月消費(fèi)漸弱，但全年中國(guó)銅材產(chǎn)

　　

【正文】 第 1 頁 陰極是由從種板上剝離下來的銅皮（始板片）經(jīng)加工即拍平、壓紋、鉚耳、穿銅棒制做而成。始極片要求表面光滑、結(jié)晶致密、各處厚薄均勻，具有一 定的硬度，板面無缺陷，通常要求始極片比陽極板長(zhǎng) 25～ 30mm，寬 20～ 30mm 左右。厚度在 ～ 1mm 之間。 作為陰極的始極片質(zhì)量對(duì)于電解作業(yè)的穩(wěn)定、電解銅質(zhì)量的提高是極其重要的。特別是始極片的垂直度和表面平滑性，他們不但影響陰極銅的質(zhì)量，也在很大程度上影響銅電解生產(chǎn)的電能消耗。 本設(shè)計(jì)采用的陰極的尺寸規(guī)格為 長(zhǎng) 寬 厚： 920950mm 主要技術(shù)條件的選擇與論證 電解液成分 銅電解精煉所用的電解液為硫酸和硫酸銅組成的水溶液。這種溶液導(dǎo)電性好，揮發(fā)性小，且比較穩(wěn)定，使電解過程可以在較高的溫度和酸度下進(jìn)行。另外，硫酸銅的分解電壓較低，砷、銻、鉛等在硫酸溶液中能生成難溶化合物，因而雜質(zhì)對(duì)陰極質(zhì)量的影響相對(duì)較小，而且貴金屬在硫酸溶液中也能得到較完全的分離。這些都使得以硫酸溶液作為銅電解液，比采用其它溶液如鹽酸溶液、硝酸溶液、銨鹽溶液等具有較大的優(yōu)越性。 電解液的主要成分是 Cu2+和 H2SO4 其次是隨銅一起溶解的陽極中的雜質(zhì)，如 Ni、Fe、 As、和 Sb 等。另外，電解液中還含有某些能改善陰極質(zhì)量的添加劑。 電解液中 Cu2+含量一般為 40~50g/l。若 Cu2+濃度過低就不能夠保證足夠的 Cu2+在陰極上析出從而使得雜質(zhì)元素在陰極上析出； 尤其是在較高電流密度下電解時(shí)，陰極周圍的銅離子濃度較低，雜質(zhì)析出的可能性增大； 若 Cu2+濃度過高，增加電解液電阻，而且由于陽極表面 Cu2+濃度升高，當(dāng)電解液溫度降低時(shí)會(huì)析出 Cu2SO4. H2SO4結(jié)晶，堵塞管道。 H2SO4 的作用是提高電解液的導(dǎo)電性，其含量一般采用 180~240g/l。 H2SO4 的含量增加，電解液中 Cu2SO4的溶解度則相應(yīng)的降低。但在使用含銅濃度過低的電解液時(shí)，一但電解液循環(huán)發(fā)生障礙，陽極發(fā)生鈍化、陰極附近的銅離子濃度補(bǔ)充不及時(shí)的時(shí)候，雜質(zhì)就可能在陰極上析出。當(dāng)電解液含銅低于 12~18g/l 時(shí)，雜質(zhì)砷、銻、鉍就有可能在陰極上放電析出的危險(xiǎn)。 電解液的成分與陽極成分、電流密度等電解的技術(shù)條件有關(guān)，也與對(duì)陰極銅的質(zhì)量要求有關(guān)。一般若以 200A/m2 的電流密度進(jìn)行電解，電解液的含銅應(yīng)該保持在37~45g/l； 電流密度為 200250A/m2時(shí)，含銅量應(yīng)該保持在 40～ 45克 /升 。電流密 度為250～ 300A/m2時(shí)，電解液含銅則略有提高，至 4550克 /升 。電流密度高于 300A/m2時(shí)，電解液含銅則提高至 4560克 /升。由于具體條件不同，各工廠的電解液成分也不相同，一般成分為：呈 CuSO4形態(tài)的銅 35～ 50g/L， H2SO4 100～ 200 g/L。對(duì)于大多數(shù)生產(chǎn)高純陰極銅的工廠，還控制其它雜質(zhì)的濃度范圍，如：砷 7g/L，銻 g/L，鉍 g/L，鎳 20g/L等。 在電解過程中必須根據(jù)各種具體條件加以掌握，控制電解液的含銅量處于規(guī)定范圍。再定期定量的抽出電解凈化的基礎(chǔ)上，如發(fā)現(xiàn)電解液中的含銅量仍有上升趨勢(shì)，則必須考慮適當(dāng)降低電解液溫度，提高電流密度，開設(shè)或增加電解槽列中的脫銅槽等措施。 隨著陽極的溶解，電解液中的雜質(zhì)如砷、銻、秘、鎳、鐵、鋅等不斷積累。雜質(zhì) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 1 頁 的積累，除了使硫酸銅的溶解度降低，還會(huì)使溶液的電阻增大、密度和粘度都增大?？刂齐娊庖褐须s質(zhì)濃度的方法，是以在電解過程中積累速度最大的雜質(zhì)為基礎(chǔ)，按其積累的速度，計(jì)算出它在全部電解液中每日積累的總量，然后從電解液循環(huán)系 統(tǒng)中抽出相當(dāng)于這一總量的電解液送往凈化工序，再補(bǔ)充以新水和硫酸。這樣，就可以既維持電解液的體積和酸度不變，又使雜質(zhì)濃度不超過規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。 因此，電解液的控制如表 3—2 表 3—2 電解液成分控制范圍 元素 Cu H2SO4 Ni As Sb Bi Fe 含量（ g/l） 50 170 15 4 3 添加劑 添加劑是電解過程中以較小量加入電解液中，起著調(diào)節(jié)沉積物物理性質(zhì)如光澤度、平滑度、硬度或韌性等特殊作用的物質(zhì)。 加添加劑的目的有兩個(gè)，一是改善陰極析出質(zhì)量；二是促使某些雜質(zhì)從電解液中沉淀。電解精煉中若不加入添加劑，陰極上沉積的銅是軟的，且結(jié)晶粗糙，這種表面易于夾帶雜質(zhì)，并且在下部長(zhǎng)出疙瘩，無法得到合格的陰極銅。 常用的添加劑主要有膠、硫脲、干酪素、阿維通及鹽酸等。它們?cè)陔娊膺^程中各自起著不同的作用。 ① 膠 膠主要包括骨膠、明膠，是銅電解精煉過程中最主要、最基本的添加劑，盡管近年來 使用的添加劑種類日益繁多，但是其他添加劑只能配合膠而難以代替膠，只能部分降低膠 的用量而難以完全取代膠。 明膠在電解精煉中起到潤(rùn)濕劑的作用，防止銅陽極長(zhǎng)氣孔，保證的到平整、光滑的陰極銅。膠溶解于水加入電解液后，吸附在陰極晶粒表面上。當(dāng)陰極上部分晶粒優(yōu)先長(zhǎng)大時(shí)，由于其表面吸附有一層不導(dǎo)電的膠膜，使得該突出的表面導(dǎo)電性比其余地方差，阻止了該突出晶粒的生長(zhǎng)，引起了更多晶核形成，最終使陰極表面平滑且堅(jiān)硬。通常膠的添加量為每噸銅 30～ 100克。 ② 硫脲、干酪素、阿維通 該類添加劑稱為補(bǔ)充添加劑。補(bǔ)充添加劑起作緩沖劑的作用，它不會(huì)使結(jié)晶顆粒變細(xì)， 從而改善膠的作用，減少膠的極化性能，輕微降低槽電壓，避免膠加入過量引起 的陰極過 硬及長(zhǎng)芽現(xiàn)象。硫脲對(duì)陰極沉積物的粗糙度影響很大，當(dāng)硫脲或膠不足時(shí)，陰極上會(huì)出現(xiàn) 條痕。但硫脲過多，其中的硫會(huì)將帶入到陰極銅中。一般每噸銅需要大約 30～ 70克加入。 ③ 鹽酸 鹽酸的加入，可將電解液中的 Ag+、部分 Bi3+及 Sb3+等離子形成 AgCl, BiOCl, SbOCl 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 1 頁 沉 淀下來，并改善陰極銅的物理特性。氯離子能促使膠的分解以降低膠和硫脲的極化作用。 添加劑的作用在于防止陰極銅析出粗糙和長(zhǎng)粒子。電解過程中，由于兩極表面不平或銅粉等固體微粒粘附到陰極表面等原因，使陰極表面局部地方電流密度過大，Cu2+析出過快，形成球狀、針狀或片狀的銅粒子。這些粒子會(huì)引起短路，影響電流效率。膠體添加劑可看作是兩性電解質(zhì)，在酸性介質(zhì)中，離解為陽離子和陰離子，陽離子遷移至陰極，集中在電流密度大的地方，降低電流密度，使析出變慢，起到抑制長(zhǎng)粒子的作用。 電解過程中還加入一定數(shù)量的 HCl。由于少量銀溶解進(jìn)入電解液中，加入的 Cl 與銀形成氯化銀沉淀進(jìn)入陽極泥。 HCl還有助于砷、銻、鉍 的沉淀，使陽極表面形成的硫酸鉛薄膜溶解，防止其鈍化，并可改善陰極析出的物理質(zhì)量。 添加劑用量要適當(dāng)，膠質(zhì)過多，易引起長(zhǎng)粒子，使電解液的比電阻增大，妨礙陽極泥的正常沉淀。 Cl 過多，也易引起長(zhǎng)針狀粒子。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)工廠一般采用：膠＋硫脲＋鹽酸混合添加劑，效果很好。 電解液溫度 提高電解液的溫度，有利于降低電解液的粘度，使漂浮的陽極泥容易沉降，增加各種離子的擴(kuò)散速度，減少電解液的電阻，從而提高電解液的導(dǎo)電率、降低電解槽的電壓降，以減少銅電解生產(chǎn)的電能消耗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，電解液在 55℃時(shí)的導(dǎo)電率， 幾乎為 25℃時(shí)的 ；在 50～ 60℃時(shí)，溫度每升高 1℃，電解液的電阻約減少 %。 溫度影響電解電耗及陰極沉積物的結(jié)構(gòu)和純度。溫度升高，電解液粘度下降，漂浮的陽極泥容易沉降 。離子遷移速度加快，電導(dǎo)率上升。電導(dǎo)率上升，槽電壓下降，從而降低了電解電耗。同時(shí)，溫度升高后，離子遷移速度加快，使陰極附近 Cu2+濃度上升，有助于晶體的生長(zhǎng) 。另一方面，電解液溫度提高后，降低了電解液的電阻，使陰極上的突出物點(diǎn)的面積電流降低，降低了不規(guī)則物的形成速度，改善了銅沉積物的結(jié)構(gòu)和純度。再有由于硫酸銅在稀硫酸中的溶解度隨溫度 的上升而上升，因此，溫度升高允許電解液中可以有更高的銅離子濃度及更高的酸度。 但過高的溫度，添加劑明膠和硫脲的分解速度加快，使添加劑的消耗增加甚至?xí)斐商砑觿┑姆纸舛?。電解液溫度高需要消耗過多的蒸汽，同時(shí)電解槽液面蒸發(fā)加強(qiáng)，操作環(huán)境惡化，廠房及設(shè)備腐蝕加劇。電解溫度一般保持在 55～ 65℃，采用高電流密度電解時(shí)，電解溫度要高于 60℃。 正確控制電解液溫度，是改進(jìn)電解過程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。電解液溫度一般控制在 55～ 65℃。對(duì)于電解液的溫度選定不同的陽極成分和不同的電解液成分都會(huì)影響電解液溫度的選擇。本設(shè)計(jì)電解液溫度為 61℃。 在電解過程中，電解液必須不斷地循環(huán)流通，以保證電解槽內(nèi)電解液溫度均勻，濃度 均勻。電解液循環(huán)速度的選擇主要取決于循環(huán)方式、電流密度、電解槽的容積、陽極成分 等。當(dāng)操作電流密度高時(shí)，應(yīng)采用較大的循環(huán)速度，以減少濃差極化。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 1 頁 電解液的循環(huán)方式，即電解液在電解槽內(nèi)流動(dòng)方向，最常用的有上進(jìn)下出和下進(jìn)上出兩張，還有一些新的循環(huán)如平行流電解槽。 上進(jìn)下出的循環(huán)方式：電解液從槽子一端直 接進(jìn)入電解槽的上部，并由上向下流，在電解槽的另一端設(shè)有出水隔板，將電解槽下不的電解液導(dǎo)出。上進(jìn)下出有利于陽極泥的沉降而防止陽極泥粘附于陰極上，電解液溫度分布比較均勻，但漂浮陽極泥出液隔板所阻止不易排出槽外，而且電解液上下層次濃度差較大。 下進(jìn)上出循環(huán)方式：電解液從電解槽的一端進(jìn)水隔板內(nèi)導(dǎo)入電解槽的下部，在槽內(nèi)由下向上流動(dòng)，從電解槽另一端上部的出水袋溢口溢流出。在下進(jìn)上出式電解槽中溶液溫度的分布不能令人滿意，并且電解液的流動(dòng)方向與陽極泥的沉降方向相反，不利于陽極泥的快速沉降，但可使電解液中的漂浮陽極泥盡快排出 槽外，減少其在槽中的積累，故特別對(duì)于高砷銻銅陽極有利。 平行環(huán)流式電解液供液和循環(huán)方法，可使槽內(nèi)溫度、溶液成分和添加劑分布均勻程度得到改善。 上進(jìn)下出的循環(huán)方式及下進(jìn)上出循環(huán)方式的循環(huán)圖如圖 圖 上進(jìn)下出的循環(huán)方式及下進(jìn)上出循環(huán)方式的循環(huán)圖 由于本設(shè)計(jì)的陽極成分中砷、銻元素的含量相對(duì)較高，因此本設(shè)計(jì)選擇下進(jìn)上出循環(huán)方式。 電流密度 電流密度一般是指陰極電流密度，即單位陰極板面積上通過電流強(qiáng)度。電流密度是銅電解精煉中最重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，也是影響金屬沉積物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的一個(gè)主要因素。 電流密度低，產(chǎn)生細(xì)粒粘附陰極沉積物；電流密度高，易產(chǎn)生粗粒不粘附的多孔沉積物，而且陽極易鈍化。 電流密度是銅電解精煉中最重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一，也是影響金屬沉積物結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的一個(gè)主要因素。一般來說，電流密度低，產(chǎn)生細(xì)粒粘附陰極沉積物 。電流密度高，易產(chǎn)生粗粒不粘附的多孔沉積物，而且陽極易鈍化。同時(shí)，電流密度也決定了電解槽的生產(chǎn)能力。提高電流密度可以在基本上 不增加設(shè)備的條件下，減少電解槽數(shù)，節(jié)約基建投資。 提高電流密度可以增大銅的產(chǎn)量，但是也會(huì)引起一系列技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化，其中主要的是增大槽電壓，從而使電耗增加；增大電解液的循環(huán)速度及金屬損失；由于產(chǎn)量增加，單位產(chǎn)品的勞動(dòng)工資和維修費(fèi)用則相應(yīng)減少；由于通過電解液的電能增加而使焦耳熱增加，減少了加熱電解液所需要的蒸汽消耗。 電流密度的提高受到很多因素的影響，如陽極板的尺寸及成分、電解液成分及溫 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 1 頁 度、極間距、溶液循環(huán)等。目前，常規(guī)銅電解的電流密度一般為 220～ 270A/㎡。 電流密度提高后，若添加劑配比不當(dāng) 或其它條件控制不當(dāng)，容易引起陰極表面的樹枝狀結(jié)晶、凸瘤、粒子等析出物，使陰、陽極之間的短路現(xiàn)象顯著增加，從而引起電流效率的下降。反之，當(dāng)電流密度過小時(shí)，二價(jià)銅離子在陰極上的放電有不完全的現(xiàn)象，成為一價(jià)銅離子；一價(jià)銅離子又可能在陽極上被氧化為二價(jià)銅離子，導(dǎo)致電流效率下降。 本次設(shè)計(jì)是使用傳統(tǒng)電解法，考慮到各種技術(shù)指標(biāo)，所以本次設(shè)計(jì)采用高電流密度為 260A/m2 。 同極中心距 極間距離通常以同名電極（同為陽極或陰極）之間的距離來表示。 極間距對(duì)電解過程中的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)以及電解銅的質(zhì)量都有很大的影響。同極中心距的確定與極板的尺寸和加工精度等因素有關(guān)。 縮短同極中心距能降低電解液電阻，即降低電解槽的電壓和電解銅的直流電耗，減少 電能消耗。由于極間距的縮短，可以增加電解槽內(nèi)的極片數(shù)量，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。但 極距過小會(huì)引起陽極泥在沉降過程中附著在陰極表面的可能性增加，造成貴金屬損失的增 加，并使陰極銅質(zhì)量降低，電銅表面粗糙。此外，極距的縮短，也會(huì)使極間的短路接觸增 多，引起電流效率下降 。為了消除短路，必然消耗大量的勞動(dòng)。因此，極間距的縮短是對(duì) 陰、陽極板的加工精度和垂直懸掛度提出了更加嚴(yán)格的要求?？紤]上述因素，一般同極中 心距以采用 80～ 110 毫米為