铜电解精炼设计说明书

1、本科毕业设计（论文）任务书题目：年产5万吨电解铜的铜精炼车间工艺设计院（系）：材料与冶金工程系专业：冶金工程专业学生姓名：小 新学号：指导教师（签名）：主管院长（主任）（签名）：时间：2011年 02 月 18 日一、毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数）毕业设计主要内容包括：根据设计题目进行毕业实习，收集有关资料，熟悉铜电解精炼过程的工作原理及生产过程，为铜电解精炼工艺的设计打下基础；铜电解精炼车间总体设计方案的制定；铜电解精炼操作技术条件的选择；完成物料平衡、热平衡计算； 生产工艺的设计；车间工艺的布置；主要设备包括电解槽、阳极、阴极的设计，辅助设备的选型；主要技术经济指标的确定。使

2、学生能够理论联系实际，掌握流态化焙烧工艺设计的基本过程，为今后从事相关的技术工作奠定基础。二、毕业设计（论文）题目应完成的工作（含图纸数量）1 完成毕业实习报告，并收集有关资料，进行技术准备；2 完成设计说明书1份；3 绘出车间平面图、剖面图、电解槽安装图各一张；4 完成与设计内容相关的专题1篇，不少于5000字；5 翻译与本专业相关的外文技术资料1篇，中文不少于4000字。三、毕业设计（论文）进程的安排序号设计（论文）各阶段任务日期备注1资料收集与整理，毕业实习，完成实习报告2专题及英文翻译3设计相关物料平衡及热平衡计算4主体设备及生产工艺设计5绘图，撰写设计说明书6准备答辩四、主要参考资料

3、及文献阅读任务（含外文阅读翻译任务）1 邱竹贤编，冶金学（有色金属冶金），冶金工业出版社，20012 重有色金属冶炼设计手册（铜镍卷），冶金工业出版社，19963有色金属冶炼设备，有色金属冶炼设备编委会，冶金工业出版社，19944有色冶金炉设计手册，有色冶金炉设计手册编委会，冶金工业出版社，20005有色冶金原理，傅崇说主编，冶金工业出版社，19986有色冶金过程污染治理，陈拂顺主编，冶金工业出版社，19987 李进，王碧侠编，Metallurgical Engineering English，西安建筑科技大学，20048朱祖泽，贺家齐编，现代铜冶金学，科学出版社，20039 阅读并翻译与设计

4、内容相关的英文资料一份。10 根据设计进度随时查阅相关的文献资料。六、审核批准意见教研室主任签（章）年产5万吨铜的铜电解精炼工艺设计 专 业：冶金工程姓 名：胡 波指导教师：马红周本文主要设计了一座年产5万吨铜的铜电解精炼车间及电解工艺。通过毕业实习并搜集相关资料，熟悉了电解精炼工艺及车间布置。根据已知条件，选定操作技术条件。在物料平衡和热平衡计算的基础上，根据给定的条件选择合适的工艺流程和主辅设备。对年产5万吨铜的铜电解精炼槽进行了槽型设计及车间布局设计，并且进行了铜电解精炼车间的技术经济指标的核算。绘制出铜电解精炼电解槽安装图、车间平面图及车间立剖图各一张。最后以“铜电解液净化方法的研究进

5、展”专题展开论述。关键词：铜电解精炼，工艺设计，车间布置，物料平衡，热平衡Technological process design for electrolytic refining of copper with the production of 50,000 tons copper a yearSpecialty: Metallurgy EngineeringName: Instructor: SynopsisThe paper aims at designing the technological process and one copper electrolytic refining

6、plant, which could produce 50,000 tons of copper each year. Before the design, the electrolytic refining technology of copper and the arrangement of the electrolytic refining plant were known through practice and theory. The material balance and heat balance were carried out according to the give co

7、ndition, then the proper technological process, the main and auxiliary device were chosen. After that, the style of copper electrolytic refining cell was designed, the electrolytic plant was arranged, and the technical and economictarget of the copper refining plant wascalculated. The result of this

8、 design was shown in three drawing, which are reefing cell installation plan, the ichnography and cutaway view of the plant respectively. At last, the paper gave specific discussion about the copperelectrolyte purification system”.Key words： Electrolytic refiningof copper, technological process desi

9、gn, plant arrangement, material balance, heat balance目录年产5万吨铜的铜电解精炼工艺设计1SPECIALTY: METALLURGY ENGINEERING2目录3绪论51 概述61.1 电解精炼的基本原理及电极反应61.2 铜电解工艺流程8本次设计中的一些参数92 厂址选择103 原料铜阳极114 技术操作条件134.1 商品电解槽134.1.1 电解液组成134.1.2 添加剂144.1.3 电解液温度154.1.4 电解液的循环154.1.5 电流密度164.1.6 同极中心距164.1.7 阳极寿命、阴极寿命174.1.8 沈冶和贵

10、冶技术操作条件事例174.2 种板电解槽175 产物18电解铜185.2 阳极泥196 技术经济指标196.1 铜电解回收率196.2 劳动生产率206.3 直流电能单位消耗206.4 蒸汽单位消耗量206.5 硫酸单位消耗206.6 水单位消耗量206.7 电流效率206.8 残极率216.9 槽电压217 主要设备的选择与计算217.1 电解槽217.1.1 电解槽材质217.1.2 电解槽的构造227.1.3 电解槽衬里材质227.1.4 电解槽进出液方式237.1.5 铜电解槽的安装237.1.6 电解槽的计算237.2 起重机297.3 车间及跨的选择317.4 循环液贮槽317.5

11、 电解液加热器327.6 电解液循环泵337.7 阳极泥过滤设备337.8 槽边导电排、槽间导电板、阴极导电板347.9 出装槽短路器367.10 极板作业机组368 铜电解精炼的冶金计算378.1 铜电解精炼的物料平衡计算378.2 铜电解精炼热平衡计算408.2.1 计算电解槽液面水蒸发热损失408.2.2 电解槽液面的辐射与对流的热损失418.2.3 电解槽壁的辐射与对流热损失418.2.4 管道内溶液热损失428.2.5 电流通过电解液所产生的热量428.2.6 全车间需要补充热量：428.3 电解液净化及硫酸盐生产冶金计算438.3.1 净液量计算43结语45参考文献46专题47绪论

12、铜的火法精炼一般能产出铜99.0%99.8%的粗铜产品，但仍然不能满足电气工业对铜的性质的要求，其他工业也需要使用精铜。因此，现代几乎所有的粗铜都经过电解精炼，以除去火法精炼难于除去的杂质，铜的电解精炼，是将火法精炼的铜浇铸成阳极板，用纯铜薄作为阴极片，相间地装入电解槽中，用硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液，在直流电的作用下，阳极上的铜和电位较负的贱金属溶解进入溶液，而贵金属和某些金属（如硒，碲）不溶，成为阳极泥沉于电解槽底。溶液中的铜在阴极上优先析出，而其他电位较负的贱金属不能在阴极上析出。留于电解液定期净化时除去，这样，阴极上析出的金属铜纯度很高，称为阴极铜或电解铜，简称电铜。含有贵金属和硒，

13、碲等稀有金属的阳极泥，作为铜电解的一种副产品另行处理，以便从中回收金，银，硒，碲等元素。在电解液中逐渐积累的贱金属杂质，当其达到 一定的浓度后，会防碍电解过程的正常进行。例如，增加电解液的电阻和密度，使阳极泥沉降速度减慢，甚至在阴极上与铜一起共同放电，影响阴极铜的质量，因此必须定期定量地抽出净化，并相应地向电解液中补充新水和硫酸。抽出的电解液在净化过程中，常将其中的铜，镍等有价元素以硫酸盐的形态产出，硫酸则返回电解系统重复使用。在铜电解车间，通常设有几百个甚至上千个电解槽，每一个直流电源串联其中的若干个电解槽成为一个系统。所有的电解槽中的电解液必须不断循环，使电解槽内的电解液成分均匀。在电解液

14、循环系统中，通常设有加热装置，以将电解液加热一定的温度。1 概述1.1 电解精炼的基本原理及电极反应传统的铜电解精炼是采用纯净的电解铜薄片作阴极，阳极铜板含有少量杂质（一般为0.3%1.5%），电解液主要为含有游离硫酸的硫酸铜溶液。由于电离的缘故，电解液中的各组分按下列反应生成离子： CuSO4=Cu2+ H2SO4=2H+ H2O=H+OH-在未通电时，上述反应处于动态平衡。但是直流电通过电极和溶液的情况下，各种离子作定向运动，在阳极上可能发生下列反应：Cu-2e=Cu2+H2O-2e=1/2O2+2H+-2e=SO2+1/2O2H2O和的标准电位很大，在正常的情况下，它们不可能在铜阳极上发

15、生放电作用。此外，氧的析出还具有相当大的超电压（25时，若电流密度为200A/m2,则氧在铜上析出的超电压为0.605V）。因此，在铜电解精炼过程中不可能发生反应式（1.5），只有当铜离子的浓度达到极高或电解槽内阳极严重钝化，使槽电压升高到1.7V以上时才可能有氧在阳极上放出。至于离的放电反应，因为其电位更正，故在铜电解精炼过程中是不能进行的。在阴极上可能发生下列反应： Cu2+2e=Cu 2H+2e=H2=0V铜的析出电位较氢为正，加之氢在铜上析出的超电压值又很大（当25及电流密度为100 A/m2时，电压为0.584V），故只有当阴极附近的电解液中铜离子浓度极低，并由于电流密度过高而发生严

16、重的浓差极化时在阴极上才可能析出氢气。综上很述，铜电解精炼过程中，在两极上的主要反应是粗铜在阳极上的溶解和铜离子在阴极上的析出。但是实际电解时，阳极铜除了以二价铜离子的形式溶解外，还会以一价铜离子的形态溶解，即：Cu-2e=Cu2+生成的一价铜离子在有金属铜存在的情况下，和二价铜离子产生下列平衡： 2Cu+=Cu2+Cu该反应的平衡常数为：在一定温度下有一定的平衡常数，且随着温度的升高而向生成Cu2+的方向进行，在含Cu2+64g/L和H2SO450g/L的溶液中，平衡常数与温度的关系为：温度1016050403021KCu×103×104×105×10

17、5×105×106但是，在一般的电解条件下，一价离子Cu+和平衡浓度还是很小的，例如在含H2SO450g/L和Cu2+32g/L的溶液中，50时Cu2+的含量约为/L。 在生产过程中，Cu+和Cu2+之间的平衡常常不断地受到破坏，其主要原因有两个； 1）Cu+被氧化成Cu2+这一反应的速度随温度的升高及与空气接触程度的增加而加快，结果消耗了溶液中的硫酸，并使溶液中的Cu2+浓度增加。2）Cu+分解而析出铜粉析出的铜粉进入阳极泥，使阳极泥中的贵金属含量降低，并造成铜的损失。上述两个原因都使得Cu+的浓度往往稍低于藕色平衡浓度，这又促使反应（1.9）和（1.10）向着生成Cu+

18、的方向进行，使阳极的电流效率提高，阴极的电流效率降低，并导致溶液中的Cu2+的浓度不断增加。Cu+分解和氧化的结果，使电解液中游离硫酸含量减少和CuSO4的浓度增加。阳极中的铜和Cu2O以用阴极铜的化学溶解（称为反溶）也会使电解液中的含铜量增加，即此外，溶液中的游离硫酸浓度的降低，还可以导致CuSO4的水解，即进一步破坏了Cu2+与Cu+之间的平衡，并增多阳极泥中的铜量。假若电解过程使用的电流密度太小时，Cu2+在阴极上的放电可能变得不完全，而按下式进行一还原生成Cu+ ：Cu2+e=Cu+同时，铜在阳极上随即按式Cu+-e=Cu2+ 而氧化，从而导致电流效率的下降。综上所述，铜电解精炼过程，

19、主要是在直流电的作用下，铜在阳极上失去电子后以Cu2+ 的形态溶解，而Cu2+在阴极上得到电子以金属铜的形态析出的过程。除此之外，还不可避免地有Cu+的产生，并引起一系列的副反应，使电解过程复杂化。根据以上情况，可以认为铜电解精炼时较有利的工作条件是：电解液中含有足够高的游离硫酸和二价铜离子，电解液的温度不宜过高，采用足够高的电流密度，尽量减少电解液与空气的接触。1.2 铜电解工艺流程铜的电解精炼是以火法精炼产出的精铜为阳极，以电解产出的薄铜片为（始极片）作阴极，以硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液。在直流电的作用下，阳极铜电化学溶解，纯铜在阴极上沉积，杂质则进入阳极泥和电解液中，从而实现了铜与杂质

20、的分离，铜精炼工艺流程如下图 铜电解精炼一般流程图表一 电解槽的计算已知条件项目已知条件年产电解铜（一级铜）50kt年工作日360t电解槽作业率96%电流效率98%电流强度12000A始极片尺寸1050×1000mm表二 阳极成分元素CuAsSbNiBiPbSeTeAuAgFeSZn含量%表三 铜电解过程元素分配表元素进入电解液（%）进入阳极泥（%）进入电铜（%）Cu98As6535微量Sb4060微量Ni8020微量Bi5050微量Pb964Se982TeAuAg973Fe75817S964Zn9343Al75205SiO2100表四 铜电解技术经济指标项目指标电解铜回收率（%）电

21、解铜品位（%）残极率（%）15阳极泥率（对电铜）（%）电解车间温度（）25电解槽外壁温度（）352 厂址选择厂址的选择对企业长远的经济发展有着十分重要的意义。选择厂址的原则为：1）距离原料场地较近；2）交通运输方便；3）气象、地理条件优越；4）技术协作便利；5）能源、水源丰富；6）有利于职工文化、生活福利；7）建设挖运土方量小，尽量不占用农田等。3 原料铜阳极铜阳极的物理规格和化学成分影响电解过程的技术经济指标和阴极铜的质量，所以生产中应尽量获得质量良好的阳极铜板同样极板的物理形状要求平整无飞边、无毛刺、无夹渣等。为了在铜电解中获得良好的技术经济指标，通常采用含铜在99%以上的火法精炼铜作为阳

22、极材料。下面介绍沈冶、贵冶铜阳极板尺寸及铜阳极化学成分（见表31，2，3）。表31沈、贵冶铜阳极尺寸工厂名称阳极长×宽×高，mm重量，/块沈冶720×620×（3842）145148贵冶1000×960×45370380表32 沈、贵冶铜阳极尺寸精度项目单位沈冶贵冶阳极板公称尺寸，L×W×mm720×620×（3842）1000×960×45长度公差mm<5±10厚度公差毛刺，鼓泡<5±5耳部下支持面至极板上缘距离mm65±5支耳总长

23、mm950±51300±10板面挠曲mm<±5<5耳面挠曲mm<±6其他板表面黑皮面积<1/4，耳部不得有冷隔层和折损表33铜阳极化学成分的一般要求元素CuAsSbBiNiO2SnFePb含量99铜电解精炼的阳极板是一种含有多种元素的合金，除表中所列元素外，在阳极铜中大都还含有Cd、Hg、In、Tl、Mn和铂族元素，其含量为0.0011ppm。在阳极铜中的杂质有两种形式，即金属铜基体中的固溶体和晶粒间不连续夹杂。在电解过程中，所有这些杂质都出现强烈的化学和物理变化，这对阳极钝化、阴极质量、电解液净化以及从阳极中回收有价元素均有很大

24、影响。一般说来，从相图中可知阳极中存在各种杂质的形式，但有些元素则于相图不一致。在氧作为杂质看待时，阳极铜的含氧量低，镍以连续的固溶体出现，而砷、锑和银在铜基体中呈固溶体。铋、铅、硒和硫沿铜粒子外围分别呈金属铋、铅或呈Cu2Se和CuS2形式沉淀。有些氧化物如NiO、Bi2O3、Sb2O3和PbO或Cu3As也在结构中部分地沉淀。随着氧含量增高，这些氧化物颗粒就变大，圆形的Cu2S颗粒很粗。当贱金属于铜一起溶于电解液时，贵金属或化合物则在电解液中沉淀。于铜一起呈固溶体存在的许多杂质表现出惰性性质，电解时在阳极表面形成阳极泥。由于电解液存在着微量的溶解氧（一般为1.82.0ppm），而使各种杂质

25、在电解液中溶解后其离子具有几种化合价，结果使阳极泥形成它们本身的电位及在电解液中的溶解度。由杂质元素行为决定的在各电解产物（电解液、阴极铜、阳极泥）间的分布关系，还与它们在阳极中的含量、氧的含量和电解技术等条件有关。通常将阳极铜中的杂质分为以下四类：1）比铜显著负电性的元素，如锌、铁、锡、铅、钴、镍。2）比铜显著正电性的元素，如银、金、铂族元素。3）电位接近铜但较铜负电性的元素，如砷、锑、铋。4）其他杂质，如氧、硫、硒、碲、硅。铜电解精炼过程中，阳极杂质的行为影响到阳极泥的形成、阳极钝化和精炼操作。“钝化”就是失去活性或活动能力的意思，电解过程中的金属钝化，是指作为电极的金属在电流的作用下某种

26、程度地失去转入溶液的能力。发生钝化的电极，它们所具有的电极电位，就不是该金属所固有的电位，而接近于另一种电性更正的金属的电位。就化学反应来说，处于钝化状态的金属，就失去了被氧化，特别是被溶解的能力。随着阳极含氧量的增加、电流密度的升高以及电解液中溶解氧和杂质离子浓度的增加，阳极钝化的可能性也明显地增大。与阳极钝化有关的因素如图31所示。这些因素包括阳极泥数量、阳极泥吸附以及浓差极化。影响阳极泥数量的内部因素有阳极结构、杂质的含量和存在形式；外部因素包括电解液中溶解氧、电流密度和电解液中共存杂质离子。阳极泥吸附受阳极泥的结构和形态的影响。阳极钝化阳极泥数量阳极泥吸附（阳极泥形成机理）浓差极化阳极

27、泥结构阳极泥形态内部因素（阳极结构）内部因素（阳极结构）杂质元素杂质含量元素存在形式溶解的氧离子浓度电流密度图31 阳极钝化的因素4 技术操作条件4.1 商品电解槽 电解液组成铜电解精炼所用的电解液为含硫酸铜的硫酸水溶液。这种溶液导电性好，发挥性小，且比较稳定，使电解过程可以在较高的温度和酸度下进行。另外，硫酸铜的分解电压较低，砷、锑、铅等在硫酸溶液中能生成难溶化合物，因而杂质对阴极质量的影响相对较小，而且贵金属在硫酸溶液中也能得到叫完全的分离。这些都使得以硫酸溶液作为铜电解液，比采用其他溶液如盐酸溶液、硝酸溶液、氨盐溶液等具有较大的优越性。一般含铜4050/L，含游离硫酸180210g/L。

28、由于电解液的电阻值随着酸度的增加而降低（其关系如下表41所示），随着含铜量的增加而升高。表41酸度对百分电阻的影响（65）硫酸的浓度（g/L）100150175200250电解液百分电阻140100这是因为H+浓度越高，电解液的离子浓度相应越大，当量电导随之增加。但过高的含酸浓度在其它条件不变时，会使电解液粘度增加，使电解液的传质发生困难。另外含酸量越高，硫酸铜在电解液中的溶解度降低，温度稍有降低，就会导致电解槽内硫酸铜析出。电解液中铜离子浓度和酸度的相互影响关系由表42所示。表42 25时硫酸铜的溶解度与硫酸含量的关系H2SO4含量/（g/L）406090100150180Cu含量电耗是随电

29、解液中酸含量的增加而降低，所以为了降低电耗，一般采用高酸低铜的电解液组分较为有利。电解液中的杂质对电解的进行十分有害。特别是Ni、As、Sb、Bi、Fe等。这些杂质的存在不仅使溶液的电导降低，粘度增大，使硫酸铜在电解液中的溶解度降低，从而使单位电耗增加，铜离子在溶液中的迁移速度下降，给传质带来困难。更为重要的是，一些杂质还有可能从阴极上析出，使阴极质量不能保证，所以对电解液的杂质有所要求。铜电解液中有害杂质含量如下表。表43铜电解液有害杂质允许含量（g/L）元素NiAiSbBiFe含量<15<7<34 添加剂为了获得致密、平整、光滑的优质阴极铜，除了严格控制各工序电解技术条件

30、外，还应添加适量胶状物质和表面活性物质，以改善阴极表面质量。但是添加剂用量并非多多益善，添加剂用量原则用量是在保证阴极质量的前提越少越好。因为添加剂会污染电解液使电解液的性质变坏。一般采用添加剂及其作用如下：（1）明胶明胶是电解作业的主要添加剂之一，作用是使析出的阴极沉积物细致光洁，改善阴极表面的物理状态。明胶的加入量与电流密度和阳极成分有关。适量的加入明胶，能提高电流密度，防止固体颗粒机械附着于阴极表面，提高电铜质量创造条件，当加明胶过量时，会使电解液粘度增加，槽电压升高。明胶溶解于水加入电解液后，吸附在阴极晶粒表面上。当阴极上部晶粒长大时，由于其表面吸附有一层不导电的胶膜，使得该突出的表面

31、导电性比其它地方差，阻止了该突出晶粒的生长，引起更多晶粒形成，最终使阴极表面平滑且坚硬但由于胶稍微引起阴极化，使槽电压增加30.05V，引起电耗增加，通常叫的添加量为每吨30100g。在种板槽内，为了得到更加光滑及有韧性，适合切割及冲孔的始极片，添加剂用量甚至高达商品槽的7倍。（2）硫脲硫脲往往与明胶配合使用。它是一种表面活性物质。与明胶混合后，可使阴极铜的含气量大大降低，电流效率提高34%，结晶后致密程度和结晶的平均直径改善一倍左右。根据沈冶和贵冶的经验，硫脲加入量为5070g/t铜。（3）干酪素干酪素是一种复杂的蛋白质，它易溶于酸和水溶液中。他也与明胶组成混合添加剂。干酪素在阴极表面的尖端

32、突起点和长粒子的活性区，由于局部电流密度显著偏高，电力线集中，不仅可吸附胶质离子，使胶膜变得更致密。还可干酪素在酸性电解液中显碱性离解的阴离子，使胶膜变得更致密。干酪素起的是抑制粒子生长，改变离子形状的作用，而硫脲则细化了电铜表面的条纹，干酪素一般按每吨铜2070g加入。该类添加剂称为补充添加剂。补充添加剂起缓冲作用，它不会使结晶颗粒变细，从而改善胶的作用，减少胶的极化性能，轻微降低曹电压，避免胶加入过量引起的阴极过硬及长芽现象。（4）盐酸盐酸用来维持电解液中氯离子的含量。电解液中氯离子可使溶入电解液中的银生成氯化银沉淀，有利于降低银的损失，还可抑制砷、锑、铋离子的活性，防止阴极产生树枝状结晶

33、；同时还可消除阴极因含铅过高引起的钝化。加入量一般按每吨铜250g加入。添加剂的加入方法：一般是降明胶、硫脲、干酪素充分溶解于水后混合加入电解液回流管进入循环槽，盐酸则单独加入回流管或循环槽。明胶、硫脲、干酪素的加入会增加电解液的粘度和电阻；盐酸加入过多，阴极上会产生针状结晶。必须根据阳极铜成分、电流密度、电解液杂质含量等条件选用合适的和适量的添加剂。添加剂用量见表4 4。表4种类明胶硫脲干酪素盐酸，ml/t电铜用量2550205015403005004 电解液温度电解液温度是影响电解过程技术经济指标和产品质量的因素。实验证明，提高电解液的温度可使电解液粘度大幅度下降，电解液中悬浮的微粒得以沉

34、降，保证不和阴极铜机械吸附。同时电解液的温度越高Cu2+的迁移速度大大增加；有利于Cu2+的传质，使阳极钝化和阴极区Cu2+浓度的贫化明显消除，从而使铜在阴极上均匀析出。表45温度对电解液百分电阻的影响（硫酸200g/L）温度（）455055606570百分电阻但温度过高，蒸汽的耗量却异常地增加。累计总能偏高，从而使经济效益降低。更重要的是，车间酸的蒸发量增加，使操作环境恶化。同时铜的化学溶解速度显著增加Cu2+浓度增大，影响Cu2+和Cu+的平衡，相应铜粒子的数量增加。其次，对设备、厂房的腐蚀加重，对塑料设备的老化影响更大。我国一般将电解液温度控制在5860，本设计中将电解液温度定在60 电

35、解液的循环随着电解的进行，电解槽中电解液成分、添加剂、温度等将会发生变化。为了稳定电解条件，必须将一部分电解液从电解槽放出，同时补充等量的新电解液，实现电解液的循环。本设计是大型电解槽、电极间距小以及电流密度较高，为了维持电解槽能各处电解液温度和成分的均匀，采用电解液与阴极板板面平行的循环方式，即采用槽底中央进液、槽上一端出液的新“下进上出”循环方式，它是在电解槽底中央沿着槽的长度方向设一个进液管（PVC硬管）或在底两侧设两个平行的进液管，通过沿管均布的小孔（小孔距与同名极距相同，为100mm）给液。排液在槽的一侧，如图41。由于给液小孔对着阴极出液，不仅有利于阴极附近离子的扩散，降低浓差极化

36、，而且减少了对阳极泥的冲击和搅拌。此外，中间进液，一端出液，有利于电解液浓度、温度以及添加剂的均匀分布，有利于阴极质量。此方法能仿止阳极泥上浮，但不能使槽内温度及溶液成分更均匀。电解液循环速度过大不仅增加动力消耗而且影响电解液中的悬浮杂质和阳极泥粒子不易下沉，甚至冲起阳极泥，使金银等附着于阴极，影响电铜的质量，增加了贵金属的损失。循环速度的选择主要取决于循环方式、电流密度、电解槽溶积、阳极成分等。当操作电流密度高时，必须采用较大的循环速度，以减少电解液电解液上清液底泥浓差极化。本设计电解液循环速度为40L/min槽。图41 电解液循环方式 电流密度电流密度是铜电解生产中最重要的经济指标之一，也

37、是影响金属沉积物结构和性质的一个主要因素。提高电流密度，可以提高产量，可以提高劳动生产率，可在较少设备，较少的基建投资下，保证电铜产量的完成。本设计铜电解精炼的电流密度为250A/m3。由沈冶、贵冶等厂的情况可知，在我国之一电流密度是可行的。 同极中心距缩短用极中心距，有利于充分挖掘电解槽生产能力，降低槽电压，若能保持阴极具有光滑、平整的表面，尽管在采用短极距的条件下，仍能保证电铜质量。沈冶、贵冶的同极中心距分别为80和105，同极中心距也与极板尺寸有关，本设计选用100的同心距。 阳极寿命、阴极寿命阳极寿命根据电流密度、阳极重量及生产组织来确定，一般为1824天，本设计选阳极寿命为18天，阴

38、极周期视电流密度和阳极寿命而定一般为阳极寿命的1/2或1/3，阴极周期越长，积压在生产过程中的铜越多。本设计阴极寿命为6天。 沈冶和贵冶技术操作条件事例表47是国内一些企业的操作技术条件。表47 沈冶和贵冶商品电解槽技术操作条件（1）名称公司电流密度（A/）电解液温度）同极中心距（）电解液循环速度（L/min）沈冶2402456068801530贵冶240>6010530表47 沈冶和贵冶商品电解槽技术操作条件（2）名称公司循环方式阳极寿命（d）阴极周期（d）明胶（ g/L）硫脲（ g/L）干酪素（ g/L）沈冶上进下出15465010050703070贵冶槽中央底部进液上部出液1812

39、10030402030表47沈冶和贵冶商品电解槽技术操作条件（3）（ g/L）电解液成分公司CuH2SO4NiAsSbFeBiCl-沈冶404817521015贵冶42188294.2 种板电解槽为使获得致密、平整的阴极铜，始极片必须结构致密、表面光滑。所以种板电解槽技术条件控制比商品电解槽更严，为此大中型电解厂种板槽的电解液循环系统计添加剂加入装置和直流供电装置宜单独设置。通常认为种板槽应控制较低的电流密度，如240A/m3 左右，只宜偏低，不宜偏高。但大型电解铜厂为了生产0.71.0始极片，可以适当升高。种板槽使用的阳极，应当力求杂质含量较低，表面光洁平整，重量均匀，以减少杂质对电解液的污

40、染和防止极间短路现象。阳极在种板槽内，只使用到正常周期的1/2或2/3即行更换，以保证阳极工作面积不至于显著缩小，引起电流密度的升高和异极距的增加，以致电压升高。种板槽内换出的阳极尚有一定的厚度，须装入商品槽中再用，直至达到固定周期为止。5 产物表51粗铜和表52产物的电解铜等级、杂质含量规定（国标）表51粗铜化学成分（国标）产品名称铜不少于%杂质不于执行标准砷锑铋铅杂质总量粗铜一级YB740-82二级991三级四级五级964表52电解铜化学成分（国标）产品名称代号铜+银不少%杂质不大于砷锑铋铁铅锡电解铜一号二号镍锌硫磷总和执行标准电电解铜一号YB740-82二号5.2 阳极泥阳极泥的产出率和

41、成分变化与阳极铜的成分和电解技术条件有关。铜阳极泥的产出率一般为电解铜量的0.40.8%，本设计的铜阳极泥的产出率为0.65%（对电铜）。下表是沈冶、贵冶及本设计的阳极泥的化学成分（见表53，4）。表53沈冶、贵冶及本设计的阳极泥率（%）项目沈冶贵冶C厂D厂本设计阳极泥率表54沈冶、贵冶阳极泥化学成分（%）阳极泥化学成分A厂B厂C厂D厂Cu2530NiAs2Sb12BiPb35AuAg79Se361Te6 技术经济指标6.1 铜电解回收率铜电解回收率=（电铜含铜量+回收品含铜量）/装入原料含铜量×100%回收品指残极、铜屑、碎铜、送净液硫酸铜溶液和阳极泥等含铜物料（若阳极泥含铜本企业

42、不能回收，则按损失处理）。铜电解回收率一般为99.699.8%。（由于本设计有些数据未知，所以铜电解回收率无法计算），本设计取99.7%。6.2 劳动生产率电解精炼车间实际劳动生产率计算如此下：电解精炼车间实际劳动生产率=年电铜产量/车间劳动定员数单位：t/人数6.3 直流电能单位消耗每吨电解铜的直流电能消耗按下式计算直流电能消耗包括商品电解槽、种板电解槽、脱铜电解槽及线路损失等全部直流电能消耗量，一般直流电能消耗为230280KWh/t电铜6.4 蒸汽单位消耗量蒸汽单位消耗与电解槽及各类贮槽的表面覆盖和槽壁保温措施有关。在无措施的情况下一般为1.01.5t/t电铜，当电解槽面采用覆盖槽壁及管

43、道采取保温措施并各贮槽带盖的情况下，消耗一般为0.20.6 t/t电铜。6.5 硫酸单位消耗硫酸单位消耗量一般为410/t电铜。6.6 水单位消耗量水单位消耗量一般为356.7 电流效率电流效率是指铜精炼过程中，实际析出的金属量与理论析出量的百分比。理论析出量即平均电流强度×实际开动槽数和开动时数×电化当量（1.186）×106本指标包括商品槽和脱铜电解槽的全部电流效率。一般为9697%影响电流效率的主要因素有：（1）短路 阴极和阳极板不平整或悬挂不垂直，以及在阴极板边沿生成树枝状铜结晶都会导致极间短路。（2）漏电 电解槽与电解槽之间、电解槽与地面之间、各贮槽与地

44、面之间以及电解液循环系统的绝缘不良等引起的漏电。（3）化学溶解 电解液中存在的氧和三价铁离子能使阴极铜反溶，电解液的温度、游离硫酸浓度极铜离子浓度均能影响阴极铜反溶，通常由此使电流效率降低0.250.75%除上述因素外过高的电流密度、阳极含杂质较高等也可降低电流效率。6.8 残极率残极率是指产出残极量占阳极量的百分比。残极率的可减少重溶费和金属损失，提高直收率。但残极率过低会造成槽电压升高，电耗增加，甚至残疾碎落损坏槽衬，一般残极率取1518%，本设计残极率取15%。6.9 槽电压槽电压是影响电耗的重要因素，槽电压由电解液电位降、金属导体（包括电板、阳极、阴极、铜棒等）电位降、接触点电位降、克

45、服阳极泥电阻的电位降、浓差极化引起的电极电位降等组成。槽电压随电流密度的提高而上升。商品槽电压一般为0.20.3V；种板槽槽电压一般为0.380.4V。本设计商品槽槽电压为0.3V；种板槽槽电压为0.38V。表51国内及本设计铜电解槽技术经济指标。表51国内及本设计铜电解槽技术经济指标项目单位A厂B厂C厂本设计电解总回收率%电解直收率%直流电单耗kW·h/t电铜260280260236蒸汽单耗t/t电铜1硫酸单耗/t电铜3电流效率%979798残极率%171715槽电压V7 主要设备的选择与计算7.1 电解槽 电解槽材质电解槽材质主要有：（1）现在普遍采用钢筋混凝土槽体。钢筋混凝土电

46、解槽有成列就地捣制，整列就地捣制施工快、造价低。但检修更换不变，绝缘处理难、易漏电；（2）单槽整体预制，单槽整体预制，搬运、安装、检修、更换方便、绝缘好、漏电少，为多数工厂所用；（3）近代又发展到预制板拼装式槽体。预制板拼装式电解槽搬运、安装、更换方便，造价低，节省车间，为国外一些新建工厂采用。（4）辉缘岩耐酸混凝土单个捣制槽和花岗岩单个槽，这些槽耐酸、绝缘较好。但辉缘岩槽易渗漏。花岗岩槽价格高，运输不便，且易产生暗逢渗漏。通过对以上几种材质的比较，本设计电解槽材质选用钢筋混凝土槽体，单槽针体预制。 电解槽的构造通常电解槽由长方形槽体和附设的工业管，排液斗、出液斗的液面调节堰板等组成。槽体底部

47、常做成由一端向另一端或两端向中央倾斜，倾斜度3%，最低处开设排泥孔，较高处有清槽用放液孔，放液排泥孔配有耐酸陶瓷或嵌有橡皮圈的硬铅制作的塞子，防止漏液。此外在钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔，以观察内衬是否破坏，钢筋混凝土电解槽壁厚一般为80120mm。本设计选用：电解槽由长方形槽体和附设的工业管，排液斗、出液斗的液面调节堰板等组成，槽体底部常做成由一端向另一端倾斜，且倾斜度3%，最低处开设排泥孔，较高处有清槽用放液孔，放液排泥孔配有耐酸陶瓷或嵌有橡皮圈的硬铅制作的塞子，防止漏液。此外在钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔，以观察内衬是否破坏，钢筋混凝土电解槽壁厚一般为100mm。 电解槽衬里材质钢筋

48、混凝土电解槽内衬选择原则：造价低廉、耐高温、耐腐蚀和电绝缘性能良好的材料，一般为铅或含锑36%的铅锑合金板、软板聚氯乙烯和玻璃钢、铅衬厚一般为35mm；聚氯乙烯衬里通常为二层，每层厚45mm；内层塑料衬里一般不正槽铺设；玻璃钢衬里一般为610层，厚约35mm。见表71。国内大部分铜电解工厂的电解槽衬铅。但在新建工厂及老厂的改造中逐渐推广使用聚氯乙烯衬里和玻璃钢衬里。通过对铅板、软聚氯乙烯板和玻璃钢电解槽衬里的比较，再结合钢筋混凝土电解槽内衬选择的原则，本设计选用玻璃钢内衬，10层，厚5mm。表71电解槽衬里材质比较衬里材质优点缺点铅板施工简单，耐酸，耐温性能好价格昂贵，机械能电绝缘性能差、漏电

49、软聚氯乙烯板施工简单，价格低廉，有优良的绝热和电绝缘性能耐热性能较差，机械性能随温度上升而降低，易老化玻璃钢绝热，绝缘性能好，耐腐蚀，价格比衬铅低廉树脂材质要求严，施工技术要求高 电解槽进出液方式电解槽进出液直接影响槽内铜离子、添加剂及温度在电解液里的均匀性和金、银的损失。小阳极板电解时，由于电解槽尺度比较小，一般采用上进液、下出液的循环方式。随着电解槽的大型化、电极间距的缩小及电流密度的提高，通常的电解槽供排液方式难以适应生产要求，有的工厂即在电解槽底中央沿槽长度方向设一个给液管，或在槽底量两侧设两个平行的给液管，通过沿管均布的小孔给液。排液漏斗安放在槽两端壁上预留的出液口上并与槽内衬连成整

50、体。出液漏斗内设有调节电解槽液面高度隔板式三角堰板。三角堰板同时也可观测电解液流量。另一种大型槽供液法为上供液、下排液。即在电解槽一长边的两拐角处各设以供液口，各供一半电解液，在另一长边中央下部设一排液口，供液口来的电解液流呈对襟袄线喷射，由排液口将电解液引向电解槽一端排出。此法能防止阳极泥上浮。根据本设计实际情况，电解槽进出液方式选用：上供液、下排液。 铜电解槽的安装铜电解槽安装在钢筋混凝土横梁上。为防止电解液滴在横梁上造成腐蚀漏电，在横梁上首先铺设厚34mm，比横梁每边宽出200300mm的软聚氯乙烯保护板，然后在槽底四角垫以瓷砖及橡胶板用以绝缘。通常由多个电解槽排成一列，两个相邻电解槽要

51、留2030mm的空隙。槽侧壁顶面覆以塑料（或硬橡胶板、瓷板和沥青油毛毡等）垫层，装设槽间导电板、绝缘分隔板，以支承阳极挂耳和阴极导电棒；阴阳极按规定极距均匀相间，悬垂排列阴极边缘与槽侧壁应保持5080mm空隙，以便电解液均匀流动和防止极板碰壁；电极下缘至槽底应有200400mm空间作为阳极泥的沉积用。本设计采用两个相邻电解槽20mm，电极下缘至槽底400mm。 电解槽的计算表72电解槽的计算已知条件项目已知条件年产电解铜（一级铜）50000t年工作日：360d商品电解槽电流密度250A/m2电解槽作业率96%电流效率9%同极中心矩100mm电流强度12000A电解车间温度25电解槽外壁35始极

52、片尺寸1050×1000mmA、 阴极板本设计中，在商品槽中始极片为电解槽的阴极，其尺寸为：1050×1000mm。为避免阴极边缘生成树枝状结晶，阴极板尺寸比阳极板宽3555，长2545。B、阳极板阳极尺寸的选择与生产规模，操作机械化程度及其它一些条件有关。结合本设计的实际情况，即本设计的精炼厂为中型工厂，机械化程度也不算太高，同时为避免阴极边缘生成树枝状结晶，阳极板的尺寸为1010×960mm。图61阳极板C、种板种板的材质目前有紫铜板、不锈钢板和钛板三种，以紫铜板为最多，各种材质的优缺点比较如下：表63种板材质材质厚度优点缺点紫铜板34（）价格便宜；铜挂耳与母板接触良好；绝缘材料粘附强度大。对隔离剂要求较严，质地较软，易变形引起槽内短路，笨重。不锈钢板23（）重量轻，始极片易剥离；质硬，与绝缘材料粘结不如钢材，弹性大，难以平直。钛板2.53.5（）不需隔离剂，剥片容易，重量轻，始极片成品率高达95%以上，使用寿命长铜耳与钛板因膨胀系数不同，铆接处易松动，积留硫酸铜结晶，需定期细砂打毛，处理氧化膜；变形后不易矫正；包边问题难解决，造价高通过以上比较，本设计选用紫铜板材质的种板。种板的尺寸一般比始极片宽2030，长4570，则种板尺寸为：1100