【正文】 ................ 27 與傳統(tǒng)火法精煉比較 .......................................... 27 還需研究的問題 .............................................. 28 不銹鋼陰極電解技術(shù) ............................................... 29 因泰克煉銅工藝 ................................................... 29 工藝過程描述 ................................................ 30 經(jīng)濟分析 .................................................... 30 致謝 ........................................................ 31 參考文獻 .................................................... 32 畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 1． 緒論 銅的性 質(zhì) 銅在元素周期表中，原子序數(shù)為 29，屬第一副族 ， 元素符號 Cu，原子量 ，比重，熔點 1083℃ 。繪制出銅電解精煉電解槽安裝圖。根據(jù)已知條件及結(jié)合銅電解槽工藝的實際條件，通過計算得出本設(shè)計共需要 660 個電解槽， 38 個陽極板，尺寸為 1000 960mm2， 37 個陰極板，尺寸為 1020 1000mm2，電解槽尺寸為 4000 1120 1320mm2 等主體電解槽數(shù)據(jù)。 畢業(yè)設(shè)計 第 I 頁 年產(chǎn) 6 萬噸 銅電解槽設(shè)計 摘要 本文主要設(shè)計了一座年產(chǎn) 6 萬噸銅的銅電解精煉電解槽及電解工藝。 根據(jù)已知條件，選定操作技術(shù)條件、經(jīng)濟技術(shù)指標、主體設(shè)備設(shè)計及冶金計算等內(nèi)容。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(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重要數(shù)據(jù)。最后以“銅電解液凈化方法的研究進展”專題展開論述。純銅呈淺玫瑰色或淡紅色。銅熱導(dǎo)率高，抗張強度大，易熔接，且抗蝕性強，可塑性、延展性好。 銅在干燥的空氣中不起變化，但在含有二氧化碳的潮濕空氣中則能氧化形成堿式碳酸銅（銅綠）的有毒薄膜。因銅為正電性元素，故不能置換酸 （鹽酸和硫酸）中的氫，而僅能溶于有氧化作用的酸如硝酸和有氧化劑存在時的硫酸中。 銅的用途 銅是與人類關(guān)系非常密切的有色金屬，被廣泛地應(yīng)用于電氣、輕工、機械制造、建筑工業(yè)、國防工業(yè)等領(lǐng)域，在我國有色金屬材料的消費中僅次于鋁。 銅的導(dǎo)電性 銅最重要的特性之一便是其具有極佳的導(dǎo)電性，其電導(dǎo)率為 58m/(Ωmm 2)。銅的這種高導(dǎo)電性與其原子結(jié)構(gòu)有關(guān)；當多個單獨存在的銅原子結(jié) 合成銅塊時，其價電子將不再局限于銅原子之中，因而可以在全部的固態(tài)銅中自由移動，其導(dǎo)電性僅次于銀 [8]。 k)，導(dǎo)熱性僅次于銀。銅還有各種換熱設(shè)備如熱交換器、冷凝器、散熱器的關(guān)鍵材料，被廣泛應(yīng)用于電站輔機、空調(diào)、制冷、汽車水箱、太陽能集熱器柵板、海水淡化以及醫(yī)藥、化工、 畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 冶金等各種換熱場合 [8]。銅的電位序中是+，比氫高，是電位較正的金屬。并且銅管用于運送自來水時，管壁不沉積礦物質(zhì)，這點是鐵制水管所遠不能及的。銅極耐大氣腐蝕，其在表面可形成一層主要有堿式硫酸銅組成的保護薄膜，即銅綠，其化學(xué)成分為CuSO4 3Cu(OH)2。艦船設(shè)備、螺旋槳、生活和消防管網(wǎng)；沖制種類硬幣 (耐腐蝕性 )、裝飾、獎牌、獎杯、雕塑和工藝品 (耐蝕性色澤典雅 )等 [8]。 2021 年，在中國消費快速增長的帶動下，世界銅礦和精銅的產(chǎn)量均出現(xiàn)了一定的增長，產(chǎn)量分別為 1 498 萬 t 和 1 634 萬 t，增幅均為 3． 1％。 2021 年，中國銅產(chǎn)量為 290 萬 t左右，由此可見，中國銅工業(yè)在飛速發(fā)展。在中國國內(nèi)銅產(chǎn)品需求增長和產(chǎn)量增加的帶動下，中國銅產(chǎn)品進口快速增長 [10]。據(jù)安泰科測算， 2021 年國內(nèi)新增的銅冶煉和精煉產(chǎn)能分別為 60 萬噸 /年和 115萬噸 /年。預(yù)計 2021 年中國銅實際需求總量增加 7%左右。 銅的冶煉方法 火法煉銅是將銅礦（或焙砂、燒結(jié)塊 等）和溶劑一起在高溫下熔化，或直接煉成粗銅，或先煉成冰銅（銅、鐵、硫為主的熔體）然后在煉成粗銅。 濕法煉銅 一般適于低品位的氧化銅礦，生產(chǎn)出的陰極銅稱為電積銅。有氧化銅礦直接酸浸和氨浸（或還原焙燒后氨浸）等法；酸浸應(yīng)用較廣，氨浸限于處理含鈣鎂較高的結(jié)合性氧化礦 [3]。銅的電解精煉，是將火法精煉的銅澆鑄成陽極 板，用純銅薄片作為陰極片，相間地裝入電解槽中，用硫酸銅和硫酸的水溶液作電解液，在直流電的作用下，陽極上的銅和電位較負的賤金屬溶解進入溶液，而貴金屬和某些金屬（如：硒、碲）不溶，成為陽極泥沉于電解槽底。電解過程中，溶液中的銅在陰極上優(yōu)先析出，而其它電位較負的賤金屬不能在陰極上析出，留于電解液中，待電解液定期凈化時除去。 銅電解精煉的化學(xué)反應(yīng) 傳統(tǒng)的銅電解精煉是采用純凈的電解銅薄片作陰極，陽極銅板含有少量雜質(zhì)（一般為 % ~ %）。 畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 陽極上進行的是銅和一些雜質(zhì)的氧化反應(yīng)。這些元素在銅中的含量低，其電極電位更負，因此將優(yōu)先溶解進入電解液，同時銅也不斷地溶解到電解液中。金、銀和鉑族金屬的電位更正，不能被氧化進入電解液，最后進入陽極泥中。 Cu2++2e=Cu 2( / )Cu CuE ?=+ 2H++2e=H2 2( / )HHE ?=0V 氫的標準電極電位比銅負，且在銅陰極上的超電位，使氫的電極電位更負，所以在正常電解條件下不會析出氫。 陽極上雜質(zhì) 行為 根據(jù)陽極上雜質(zhì)在電解時的行為，可將它們分為 三 類： 正電性金屬和以化合物存在的元素 金銀和鉑族金屬為正電性金屬 ， 它們不進行電 化學(xué)溶解而落入槽底。 Ag2SO4 可溶于電解液中，但當加入少量氯離子（ 以 HCl形式存在 ）時 ， 則形成 AgCl 進入陽極泥。它們以 Cu2S、 Cu2O、 Cu2Te、 Cu2Se、 Ag2Se、Ag2Te等存在陽極板內(nèi)，電解時亦進入陽極泥中。當 Fe3+移向陰極時，又被還原成 Fe3+，降低陰極電流效率。同時，鋅和鐵在陽極的溶解會增加硫酸消耗，在電解液中積累導(dǎo)致電解液電阻增大，還會增大電解液的粘度。陽極中的錫首先以 Sn2+形式進入電解液，之后逐漸被氧化成四價錫，再水解生成溶解度較小的堿式鹽沉入槽底成為陽極泥。陽極含氧高，則由于生成難溶化合物，鎳很大一部分進入陽極泥。它們還生成極細的絮狀 SbAsO4和 BiAsO4砷酸鹽，漂浮在電解液中，機械 地 粘附在陰極上 ， 其粘附量相當于砷銻放電析出的兩倍，而且銻進入陰極的數(shù)量比砷大，因此銻的危害更為突出。為了提高銅 的性能，使其達到各種應(yīng)用的要求，同時回收其中的有價金屬，特別是貴金屬、鉑族金屬和稀散金屬，必須 對其 進行電解精煉。電解過程中，陽極銅中的貴金屬和硒、碲等有價元素進入陽極泥，沉積于電解槽底，定期排出，送陽極泥車間提取貴金屬。工藝流程包括電解精煉和電解液凈化兩部分。 該法 在世界各國均已有多年生產(chǎn)歷史，工藝成熟可靠，電耗低。 是傳統(tǒng)法的始極片制作工藝復(fù)雜，不僅需要獨立的生產(chǎn)系統(tǒng)，而且制作過程中勞動強度過大。（ 2）容易形成 “ 陽極鈍化 ” ，在正常電壓下陽極不能溶解，必須提高電壓使鈍化膜在更高的電壓下被破壞并溶解，不僅影響正常生產(chǎn)，還會造成電能浪費和陰極銅的化學(xué)成分不穩(wěn)定，進而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和物理 畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 性能。銅電解精煉工藝流程的確定通過比較，選擇先進、經(jīng)濟、合理的銅電解精煉的工藝流程。 重要設(shè)備尺寸 計算 及選擇 ： 根據(jù)工藝流程各個主要過程，合理地選擇主要冶煉設(shè)備和確定個數(shù)、容量、對其主要尺寸加以計算。 本設(shè)計的意義 本設(shè)計通過電解槽主體設(shè)計和冶金計算，結(jié)合實際情況提高對知識的運用以及生產(chǎn)中的各項技術(shù)條件及經(jīng)濟技術(shù)指標。最終得到完整的設(shè)計方案，對于建設(shè)新銅電解車間及提高銅電解的效率有很大的幫助。 電流密度 提高電流密度可以提高電解槽的生產(chǎn)能力。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。 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。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。一般含銅 40~50g/L，含硫酸180~240g/L。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。隨著 陽極的溶解，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。 電解液中銅含量的不斷上升和下降，都是不希望的現(xiàn)象。當銅量超過其溶解度時，或因電解液的溫度下降是，硫酸銅會從溶液中結(jié)晶析出，從而使電解作業(yè)不能正常進行。 鎳、鐵、砷、銻、鉍等雜質(zhì)濃度過高會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極泥會嚴重影響陰極銅的質(zhì)量。實驗證明，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，保證不和陰極銅機械吸附。 溫度（℃） 45 50 55 60 65 70 百分電阻 表 22 溫度對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。更重要的是，車間酸的蒸發(fā)量增加，使操作環(huán)境惡化。其次，對設(shè)備、廠房的腐蝕加重，對塑料設(shè)備的老化影響更大。 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。這兩種方式各有優(yōu)缺點：下進上出方式有利于溶液的充分混合，但與陽極泥沉降方向相反，造成陽極泥沉降困難。電解液循環(huán)量過大，不僅增加動力消耗，而且影響電解液中懸浮雜質(zhì)和陽極泥離子的下沉，甚至沖起陽極泥，影響電銅質(zhì)量，增加貴金屬的損失。當操作電 流密度高時，必須采用較大的循環(huán)量，以減少濃差極化。槽）。一般采用的添加劑及其作用分述如下。動物膠是銅電解精煉過程中的主要添加劑。陽極銅雜質(zhì)含量高，且電流密度也高時，加入動物膠量要稍多些。 (2)硫脲。當加入量過高時，硫脲會促進疙瘩的形成和粗糙的沉積。 (3)干酪素。 (4)鹽酸。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。陰極中砷銻過高時，電銅發(fā)脆，氯離子的存在有抑制作用。 添加劑對改善陰極表面質(zhì)量有明顯的作用，但加入量過多會產(chǎn)生副作用。 畢業(yè)設(shè)計 第 10頁 種類 動物膠 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。但極距過小會引起陽極短路及陽極泥對陰極的污染，使電銅 表面粗糙，貴金屬損失增加。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。陰極周期與電流密度、陽極壽命及勞動組織等因素有關(guān)，一般為陽極壽命的 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。 銅電解精煉經(jīng)濟技術(shù)指標 電流效率 電流效率是指銅電解精煉過程中，陰極實際析出量與理論析出量的百分比。 影響電流效率的主要因素有： 短路。 漏電。 化學(xué)溶解。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 %。殘極率低可以減少重熔的費用和金屬損失，提高直接回收率；但是，殘極率過低又會造成槽電壓升高，電能消耗增加，電能效率降低，甚至還會使殘極碎片跌落槽底，損壞槽襯。 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極泥等含銅物料銅電解回收率 一般為 %左右。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。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。 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。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。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 第 12頁 溫措施的的銅電解過程中，蒸汽單耗一般為 ~。新建工廠及