【導讀】本次設計的任務由昆明理工大學冶金與能源工程學院下達。畢業(yè)設計的論文題目：。銅廠區(qū)內(nèi)，本設計采用傳統(tǒng)的始極片電解法。于環(huán)境保護，在全球原生銅資源爭奪激烈的情況下，充分利用廠址周邊的有效資源，以創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益為出發(fā)點，參照國內(nèi)外現(xiàn)有的工藝水。平及先進的生產(chǎn)經(jīng)驗和技術，充分利用清遠廠區(qū)的各種設備，尋求合理的節(jié)能工藝，使生產(chǎn)設備高效、方便和具備實用性，保證生產(chǎn)及設備的經(jīng)濟化和市場化。環(huán)保和社會效益、經(jīng)濟效益相統(tǒng)一、最具競爭力的循環(huán)經(jīng)濟典范的銅電解廠。多年的生產(chǎn)實踐，針對種板重量標準偏差大。組的加工要求，對降低生產(chǎn)成本和最終提高陰極銅質(zhì)量都是十分有效的。球銅消費增長8%，其中超過一半的增長來自中國。但自6月之后的中國緊縮政策以及以美國信用降級為開端的發(fā)達國家債務問題。率及營銷利潤明顯下降，中小企業(yè)經(jīng)營陷入困境。口大幅回升的局面。雖然在2020年最后幾個月消費漸弱，但全年中國銅材產(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 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。 本設計采用的陰極的尺寸規(guī)格為 長 寬 厚： 920950mm 主要技術條件的選擇與論證 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)對陰極質(zhì)量的影響相對較小，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，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，當電解液溫度降低時會析出 Cu2SO4. H2SO4結晶，堵塞管道。 H2SO4 的作用是提高電解液的導電性，其含量一般采用 180~240g/l。 H2SO4 的含量增加，電解液中 Cu2SO4的溶解度則相應的降低。但在使用含銅濃度過低的電解液時，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充不及時的時候，雜質(zhì)就可能在陰極上析出。當電解液含銅低于 12~18g/l 時，雜質(zhì)砷、銻、鉍就有可能在陰極上放電析出的危險。 電解液的成分與陽極成分、電流密度等電解的技術條件有關，也與對陰極銅的質(zhì)量要求有關。一般若以 200A/m2 的電流密度進行電解，電解液的含銅應該保持在37~45g/l； 電流密度為 200250A/m2時，含銅量應該保持在 40～ 45克 /升 。電流密 度為250～ 300A/m2時，電解液含銅則略有提高，至 4550克 /升 。電流密度高于 300A/m2時，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上，如發(fā)現(xiàn)電解液中的含銅量仍有上升趨勢，則必須考慮適當降低電解液溫度，提高電流密度，開設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) 設計（論文）專用紙 第 1 頁 的積累，除了使硫酸銅的溶解度降低，還會使溶液的電阻增大、密度和粘度都增大。控制電解液中雜質(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，按其積累的速度，計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)中抽出相當于這一總量的電解液送往凈化工序，再補充以新水和硫酸。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)定的標準。 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，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，且結晶粗糙，這種表面易于夾帶雜質(zhì)，并且在下部長出疙瘩，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。它們在電解過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濕劑的作用，防止銅陽極長氣孔，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。當陰極上部分晶粒優(yōu)先長大時，由于其表面吸附有一層不導電的膠膜，使得該突出的表面導電性比其余地方差，阻止了該突出晶粒的生長，引起了更多晶核形成，最終使陰極表面平滑且堅硬。通常膠的添加量為每噸銅 30～ 100克。 ② 硫脲、干酪素、阿維通 該類添加劑稱為補充添加劑。補充添加劑起作緩沖劑的作用，它不會使結晶顆粒變細， 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 硬及長芽現(xiàn)象。硫脲對陰極沉積物的粗糙度影響很大，當硫脲或膠不足時，陰極上會出現(xiàn) 條痕。但硫脲過多，其中的硫會將帶入到陰極銅中。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 設計（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。由于少量銀溶解進入電解液中，加入的 Cl 與銀形成氯化銀沉淀進入陽極泥。 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，膠質(zhì)過多，易引起長粒子，使電解液的比電阻增大，妨礙陽極泥的正常沉淀。 Cl 過多，也易引起長針狀粒子?，F(xiàn)在國內(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，增加各種離子的擴散速度，減少電解液的電阻，從而提高電解液的導電率、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)實驗測定，電解液在 55℃時的導電率， 幾乎為 25℃時的 ；在 50～ 60℃時，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構和純度。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，電導率上升。電導率上升，槽電壓下降，從而降低了電解電耗。同時，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 。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構和純度。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會造成添加劑的分解而失效。電解液溫度高需要消耗過多的蒸汽，同時電解槽液面蒸發(fā)加強，操作環(huán)境惡化，廠房及設備腐蝕加劇。電解溫度一般保持在 55～ 65℃，采用高電流密度電解時，電解溫度要高于 60℃。 正確控制電解液溫度，是改進電解過程技術經(jīng)濟指標、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影響電解液溫度的選擇。本設計電解液溫度為 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。當操作電流密度高時，應采用較大的循環(huán)速度，以減少濃差極化。 設計（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)流動方向，最常用的有上進下出和下進上出兩張，還有一些新的循環(huán)如平行流電解槽。 上進下出的循環(huán)方式：電解液從槽子一端直 接進入電解槽的上部，并由上向下流，在電解槽的另一端設有出水隔板，將電解槽下不的電解液導出。上進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。 下進上出循環(huán)方式：電解液從電解槽的一端進水隔板內(nèi)導入電解槽的下部，在槽內(nèi)由下向上流動，從電解槽另一端上部的出水袋溢口溢流出。在下進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。 上進下出的循環(huán)方式及下進上出循環(huán)方式的循環(huán)圖如圖 圖 上進下出的循環(huán)方式及下進上出循環(huán)方式的循環(huán)圖 由于本設計的陽極成分中砷、銻元素的含量相對較高，因此本設計選擇下進上出循環(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度。電流密度是銅電解精煉中最重要的技術經(jīng)濟指標之一，也是影響金屬沉積物結構和性質(zhì)的一個主要因素。 電流密度低，產(chǎn)生細粒粘附陰極沉積物；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經(jīng)濟指標之一，也是影響金屬沉積物結構和性質(zhì)的一個主要因素。一般來說，電流密度低，產(chǎn)生細粒粘附陰極沉積物 。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，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，但是也會引起一系列技術經(jīng)濟指標的變化，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)品的勞動工資和維修費用則相應減少；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 設計（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 或其它條件控制不當，容易引起陰極表面的樹枝狀結晶、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，當電流密度過小時，二價銅離子在陰極上的放電有不完全的現(xiàn)象，成為一價銅離子；一價銅離子又可能在陽極上被氧化為二價銅離子，導致電流效率下降。 本次設計是使用傳統(tǒng)電解法，考慮到各種技術指標，所以本次設計采用高電流密度為 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。 極間距對電解過程中的技術經(jīng)濟指標以及電解銅的質(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。 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，從而提高勞動生產(chǎn)率。但 極距過小會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。因此，極間距的縮短是對 陰、陽極板的加工精度和垂直懸掛度提出了更加嚴格的要求?？紤]上述因素，一般同極中 心距以采用 80～ 110 毫米為