年产20万吨铜电解槽设计剖析

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第I页年产20万吨铜电解槽设计摘要本文主要设计了一座年产20万吨铜的电解铜精炼车间，根据已知条件，选定操作技术条件、经济技术指标、主体设备设计及冶金计算等内容。根据已知条件及结合铜电解槽工艺的实际条件，本设计所生产的电铜纯度为99.9941%，电解过程所使用电流强度为25000A，槽电压为0.3V，电流密度为320A/m2，电解液温度是60℃，电解液循环速度为30L/min，电解槽设计内尺寸为4150x1120x1430mm，电解槽数为860个，车间采用双跨布置。然后根据冶金计算得出铜电解槽的阳极泥成分、阴极铜的成分、物料平衡、有害杂质在电解液中的允许含量以及净化过程中杂质的脱除效率及热平衡等重要数据。绘制出铜电解精炼电解槽安装图。关键词:铜电解精炼，工艺设计，物料平衡，热平衡关键词:铜电解精炼，工艺设计，物料平衡，热平衡辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第II页DesignofAnnualOutputof200000TonsCopperElectrolytic

TankAbstractThispapermainlydesignsarefiningworkshopwithanannualoutputof200000tonsofcopperelectrolyticcopper,underthegivenconditions,theselectedoperationtechnicalconditions,economicandtechnicalindicators,themainequipmentdesignandmetallurgicalcalculationetc.Onthebasisoftheknownconditionsandcombiningwiththeactualconditionsofcopperelectrolysisprocess,thedesignoftheproductionofelectricalcopperpurity99.9941%,electrolyticprocessbyusingthestrengthofthecurrent25000A,slotvoltage0.3V,thecurrentdensityforthe320A/m2,electrolytetemperatureis60℃,electrolytecirculationratewas30L/min,designofaluminiumelectrolyticcellsizeis4150x1120x1430mm,electrolyticcellnumberfor860workshopfeaturesdoublespanarrangement.AndthencalculatedbasedonMetallurgicalelectrolytictroughofcopperanodeslimecomposition,cathodecopperthecomposition,thematerialbalance,harmfulimpuritiesintheelectrolyteandallowscontentpurificationimpurityremovalefficiencyandthermalequilibrium,andotherimportantdata.Drawouttheelectrolyticrefiningofcopperelectrolysisinstallationdrawing.KeyWords；Copperelectrolysisrefining,Processdesign,Materialbalance,Heatbalance辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第III页目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"1绪论 1\o"CurrentDocument"铜的基本性质 1\o"CurrentDocument"铜的用途 1\o"CurrentDocument"铜资源的分部 2世界铜矿分部状况 2中国铜矿种类及分部状况 3\o"CurrentDocument"铜的生产方法 4火法炼铜 4湿法炼铜 5\o"CurrentDocument"现代炼铜新技术 6闪速熔炼 7艾萨炼铜法 7白银炼铜法 7奥斯麦特炼铜法 8水口山炼铜法 8\o"CurrentDocument"电解精炼的目的 9\o"CurrentDocument"设计的内容及意义 9设计的内容 9设计的意义 10\o"CurrentDocument"2铜的电解精炼的工艺流程及基本原理 11\o"CurrentDocument"铜的电解精炼的工艺流程 11\o"CurrentDocument"铜电解精炼的基本原理 11电解过程的电极反应 12一价铜离子的形成与影响 13\o"CurrentDocument"阳极杂质在电解过程中的行为 13\o"CurrentDocument"3技术条件及技术经济指标的选择 16\o"CurrentDocument"操作技术条件 16电流密度 16电解液成分 16电解液温度 17电解液循环 17添加剂 19同极中心距 20\o"CurrentDocument"阳极溶解周期和阴极周期 21\o"CurrentDocument"技术经济指标 21电流效率 21残极率 21电解回收率 22

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第IV页槽电压 22直流电耗 22蒸汽单位消耗量 23硫酸单位消耗 23水单位消耗 23\o"CurrentDocument"4产物 24\o"CurrentDocument"电解铜 24\o"CurrentDocument"阳极泥 24\o"CurrentDocument"5主体设备的选择与计算 26\o"CurrentDocument"电解槽 26电解槽的材质与结构 26电解槽的排列 26电解槽的安装 27\o"CurrentDocument"电解槽的计算 28商品电解槽总数 29\o"CurrentDocument"电解槽中阴极、阳极的片数 30电解槽尺寸 30种板槽数确定 31\o"CurrentDocument"槽边导电排、槽间导电板、阴极导棒 31\o"CurrentDocument"6冶金计算 34\o"CurrentDocument"物料平衡计算 34\o"CurrentDocument"净液量计算 37\o"CurrentDocument"槽电压组成计算 39\o"CurrentDocument"电解槽热平衡计算 40热支出 40热收入 43\o"CurrentDocument"全车间需补充的热量 44\o"CurrentDocument"7车间环保 45\o"CurrentDocument"废水处理 45\o"CurrentDocument"废气处理 46\o"CurrentDocument"电解工段废气治理措施 46\o"CurrentDocument"净液工段废气治理措施 47\o"CurrentDocument"节能降耗 47\o"CurrentDocument"车间防腐 47电解槽 47电解液输送管道 48致谢 49\o"CurrentDocument"参考文献 50辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第1页1绪论铜的基本性质铜在化学元素周期表中属第一族元素，原子量是63.54,原子序数是29,密度8.92，熔点1083℃，沸点2567℃。铜在熔点的蒸气压仅为1.5996Pa，因此在冶炼温度下，铜几乎不挥发。铜有一价和二价两种原子价。纯铜呈玫瑰红色，有金属光泽，质地柔软。铜的化学稳定性强，热导率和电导率很高，抗张强度大，易熔接，具有耐蚀性、耐磨性、可塑性和良好的延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。铜能与锌、锡、铅、锰、钻、镍、铝、铁等金属制成合金。铜的用途铜在工业、农业、国防以及人们日常生活中有着广泛的应用，其应用范围仅次于钢铁。一般工业发达国家，每一百吨钢铁大约需要1.5吨铜与之相适应。由于铜的导电率高和延展性好，因此广泛应用于电器、电子技术上，电器制造用量最大。据统计世界上生产的铜约一半用于电器工业。世界上生产的铜的40%用于与其他金属制成各种合金，广泛用于在机械、造船、飞机、交通器材、国防以及其他工业部门。如：黄铜（铜锌合金）和青铜（铜锡合金）大多应用在机械工业中制造各种轴承、活塞、开关、油罐、热交换器等。在国防工业上用在弹壳制造。铝青铜（铜铝合金）抗震能力强，可应用于制造一定强度和韧性的铸件。铜镍合金中的蒙乃尔合金以抗蚀性著称，多应用于制造阀、泵、高压蒸汽设备及其他器材。钽铜合金是最耐腐蚀的合金之一，可用来制造耐高腐蚀的部件和器械。世界上生产的铜大约10%用于化学和建筑等。硫酸铜（CuSO4・H2O）在农业上用做除虫剂。铜具有较强的的耐蚀性和抑制细菌的生长，在建筑上用来做自来水管道。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）铜资源的分部世界铜矿分部状况总体来看，全世界的铜资源比较丰富，世界陆地铜资源量估计约为30亿吨，深海结核中铜资源量估计约为7亿吨，主要分部在太平洋，另外洋底或海底热泉形成的贱金属硫化物矿床中也含有大量的铜资源。世界铜资源的分布从地理上来看极其不平衡，主要集中在南北美洲西海岸、非洲中部、中亚地区以及俄罗斯的西伯利亚，其次是阿尔卑斯山脉和中东、美国东南部、西南太平洋沿岸等。世界上铜储量最多的国家是智利和秘鲁，分别占世界铜基础储蓄量的36%和12%，其他储蓄较多的国家有美国、中国、波兰、澳大利亚、墨西哥、印度尼西亚、赞比亚、俄罗斯和加拿大等国家。［1］详见图1.1图1.1各国铜资源储量辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）中国铜矿种类及分部状况中国地域辽阔，铜矿类型相对比较齐全。其中最重要的有斑岩型、矽卡岩型、层状型（包括变质岩层状型和含铜砂页岩型）、火山沉积型（黄铁矿型铜矿）和铜银硫化物型。这5种类型的铜储存量占全国铜矿总量的90%以上。［2］中国铜矿多为综合性矿床，伴生组分多。在已经探明的铜储量中，单一的铜矿床占全国总储量的5%，而与铜矿伴生的金占中国伴生金储量的78%，与铜矿伴生的银占中国伴生银总储量的26%，与铜矿伴生的钻约占全国总储量的一半。中国铜矿的平均品位为0.8%,而品位大于1%的富铜矿储量为2196.41万t。仅占总保有储量的35%,大型斑岩铜矿的矿石品位普遍较低，一半约为0.5%,仅占总保有储量的35%。从矿石类型来看，中国的铜矿以硫化矿为主。已探明储量中，硫化矿约占87%,氧化矿约占10%,混合矿约占3%。在中国铜矿的开发利用上，虽然有上述有利条件，但超大型的铜矿床少，矿石品位低，贫矿多，富矿少，一些铜矿床地处边远、海拔高、交通不便，影响了开发利用［3］。中国铜矿分部广泛，在已经探明的矿产地除天津以外，各省、自治区、直辖市均有不同程度的分布。其中，江西、云南、西藏三省查明的铜矿资源储量占全国总储量的51%。此外，铜储量较多的还有甘肃、安徽、内蒙古、山西、湖北、黑龙江等6%［4］。详见图1.2从六大行政区分布来看，华东区和西南区的储存占全国铜矿总储量的60.9%,各大行政区的铜矿储量分布比例为：华北区11.4%、东北区6%、华东区31.4%、中南区9.8%、西南区29.5%、西北区11.9%［4］。详见图1.3

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第4辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第4页图1.2各省铜资源储量分布比例口华北区□东北区口华东区口华北区□东北区口华东区□中南区口西南区口西北区图1.3各行政区的铜矿储量分布比例铜的生产方法用铜矿石或者铜精矿生产铜的方法有很多，概括起来主要有两种：湿法炼铜和火法炼铜。火法炼铜铜冶炼技术的发展经历了漫长的过程，但至今仍以火法炼铜为主，其产量约占世界铜总量的85%。火法炼铜是通过熔融冶炼和电解精火炼生产出阴极铜，即电解铜，一般适用于高品位的硫化铜矿。火法炼铜最突出的优点是适应性强，能

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第5页耗低，生产率高。硫化铜精矿的火法熔炼，一般包括三个过程：第一，将铜矿熔炼成冰铜；第二，将冰铜吹炼成粗铜；第三，把粗铜精炼成纯铜（精炼分为火法精炼和电解精炼）。火法炼铜的流程图如图1.4所示。图1.4火法炼铜工艺流程图湿法炼铜随着铜矿石开采品位逐年降低，难处理的矿石增加以及对SO2所造成的污染的关注，铜价近年来大幅度波动，使人们对湿法炼铜给予了很大关注。湿法炼铜是采用各种浸出手段，直接从铜矿石或铜精矿中提取铜，然后用特效的萃取剂将铜选择性地提取、富集，再用电积技术生产阴极铜，即通常指的浸出一萃取一电积。⑵湿法炼铜流程图如图1.5所示

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第6页图1.5湿法炼铜流程图现代炼铜新技术表1.1世界各种炼铜工艺生产能力主要炼铜工艺生产能力/(10m3•t)采用此项技术厂家闪速炉610036反射炉280027鼓风炉6007特尼恩特炉9007电炉7005三菱炉4002艾萨炉4003诺兰达炉4003瓦纽柯夫炉4002白银炉501湿法炼铜20001合计1475094辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）闪速熔炼闪速熔炼自从1949年芬兰奥托昆普问世以来，经过不断改进完善，逐步取代了反射炉和鼓风炉的地位。也成为当今铜冶金所采用最具竞争力的熔炼技术，被认为是最标准的清洁炼铜工艺。闪速熔炼对炉料制备要求相当苛刻，生产中精矿的干燥一般采用回转窑干燥和气流干燥。闪速熔炼的特点：闪速熔炼时一种悬浮熔炼，气一液一固三相在反应塔内1〜2s就完成一系列反应过程，富氧的应用更加快了反应的速度，所以生产能力大；闪速熔炼是一个连续稳定的过程，SO2浓度高，烟气成分平稳，有利于制酸和S的回收；闪速熔炼最大优点是充分利用了铜精矿的巨大表面能，即最大限度的利用了精矿的自身反应热。自热熔炼不仅可以降低能源消耗和提高生产能力，而且减少了烟气量；自动化程度高，生产稳定炉龄时间长；艾萨炼铜法艾萨熔炼法是芒特艾萨矿业有限公司（MIM）和澳大利亚联邦科学工业研究机构（CSIRO）在20世纪80年代联合开发的。艾萨熔炼法铜闪速熔炼法、诺兰达法等一样，工艺过程可以用计算机控制。艾萨熔炼法工艺流程短，设备简单，因而控制系统比较简单。艾萨炼铜法处理的原料范围非常广，包括MIM公司自产的黄铜精矿、转炉渣精矿和其他外购的各种铜精矿。艾萨熔炼法在熔炼过程中，只要控制好熔剂量和炉渣量，并且所产出的铜铳和炉渣混合物在保温炉中有足够的时间澄清，炉渣含铜小于0.6%。白银炼铜法白银炼铜法是一种新的熔炼铜精矿获得冰铜的炼铜法。白银炼铜法研究实验开始于1972年。1975年初开始进行工业生产规模的设计，先设计了一座每日能处理300t炉料的装置，该装置于1976年建设完成，连续生产122天。1980年，白银有色金属公司用白银炼铜法取代了传统的反射炉熔炼法，在原反射炉基础上辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）建立了一座每日能处理800t炉料的白银炼铜炉，现在已经用于生产。白银炼铜法的一个特点是对燃料要求不严格。以前用重油作燃料，在炉头和炉顶中部各设有一个燃烧器。白银炼铜法的优点有：对原料中的硫的利用率可达70%以上，产出烟气的二氧化硫浓度比较高，炉子产出的烟气二氧化硫浓度可达8%〜9%，到排烟机出口还可达5%〜7%，能满足制酸要求，同时减轻了对环境的污染；热利用率好燃料消耗较少，补加的热量仅为反射炉熔炼时的50%。该法对燃料要求不严格，符合中国能源政策；对原料水分要求不严格，原料无需充分干燥，原料准备和运料过程都比较简单烟尘率也较低；白银炼铜法辅助设备少，因此基础建设投资少，白银炼铜炉系固定式炉子，构造简单；白银炼铜法不仅自身所产生的炉渣含铜比较低，不需要贫化处理，而且可以贫化转炉渣，较之其他强化熔炼法也是一个突出优点；奥斯麦特炼铜法当今铜硫吹炼主要采用PS转炉工艺，该工艺由于熔体需要用冶金包转运，炉口密闭性差，存在严重的SO2烟气低空污染和安全问题。奥斯麦特吹炼技术是三菱法和闪速吹炼技术之后的一项新技术，采用固定冶金炉代替转炉，熔体采用溜槽转运，溜槽上有密闭烟罩，炉口密闭性好，操作过程中无组织排放的烟气少，并且可以集中回收，环保问题有效解决，同时自动化控制水平高。其特点如下：采用连续吹炼模式能够生产出合格的粗铜，该操作模式流程简单，工艺控制炉温和烟气SO2浓度相对稳定，环保效果好；由于没有液态铜铳相的存在，减少了喷枪烧损；连续吹炼提高了吹炼炉鼓风时率，为提高产能创造了条件；目前技术还存在渣含铜量高，直收率低等问题；水口山炼铜法水口山矿务局在20世纪70年代初期，为了解决自产的含铀铜精矿的冶炼问辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）题，自行设计和建设了年产5000t小规模的炼铜厂，当时由于没有新的适应于小规模的炼铜工艺，选用了国内普遍采用的密闭鼓风炉流程。经过两年多的理论分析、小型实验、设备研究等充分准备下，在日处理50t炉料的装置下进行了条件实验，1991〜1992年进行了较长期的半工业实验，取得非常满意的技术经济指标。1994年获得中国专利权，1997年被中国专利局授予中国专利优秀奖。水口山炼铜法属于熔池熔炼炼铜法，熔炼炉为一卧式圆筒形炉，钢板外壳内衬铭镁砖，炉身有传动装置，可旋转90°舍友加料口、排烟口、放渣口、放硫口、底部装有氧枪，氧枪及套砖可更换，端墙燃油烧咀供开炉及保温时使用。物料在炉内同时完成加热、熔化、氧化、造渣、造锍等过程，传质和传热效率高。水口炼铜法采用底部吹铳和射流式氧枪技术，能够高速回收砷。电解精炼的目的火法精炼产出的阳极铜的品位一般在99.2%〜99.7%，其中还含有0.3%〜0.8%的杂质，（杂质主要为：础、锑、铋、镍、钻、铁、锌、铅、氧、硫、金、银、硒、碲等）有些杂质虽然含量不高，但能使铜的使用性能和加工性能变坏。如：铜中砷含量只要达到0.0013%就会使铜的导电率降低1%；铅含量只要达到0.05%,即变热脆，难以加工；火法精炼难以把这些杂质去除到能满足各种应用的要求。有些杂质，其本身具有回收价值，如：金、银、硒、碲等，而火法精炼时难以回收。为了提高铜的性能，使其达到各种应用的要求，同时回收其中的有价值金属，必须进行电解精炼。电解精炼的目的就是把火法炼铜中的有害杂质进一步除去，得到易加工又有良好使用性能的电解铜，同时回收金、银、硒、碲等有价值的金属。设计的内容及意义设计的内容设计的内容包括铜电解精炼工艺的确定，铜电解精炼主要设备尺寸及冶金计算，主要设备结构图（阳极板及电解精炼槽）的绘制等。铜电解精炼工艺流程的确定通过比较，选择合理、先进、经济的生产工艺流程。铜电解精炼冶金计算包

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第10页括：电解过程物料平衡、净液量、槽电压和电解槽热平衡。重要设备的选择及尺寸计算：根据工艺流程的主要过程，合理地选择冶炼设备，确定设备的个数、容量，对所选设备的尺寸加以计算。主要设备结构图的绘制：电解槽结构图及阴极板和铜电解精炼车间设计的图。设计的意义设计通过对电解槽主体设备的设计和冶金计算，结合实际情况，提高自己对所学专业知识的运用以及了解并掌握生产中的各项技术条件和经济技术指标。了解铜电解精炼的工艺流程，通过对铜电解槽的物料平衡、有害杂质在电解液中的允许含量以及槽电压和热平衡等内容的计算，来对主要设备进行设计和绘图。最终得到完整的设计方案，对建设新的铜电解车间和提高铜电解精炼的效率有很大的帮助。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第11页2铜的电解精炼的工艺流程及基本原理铜的电解精炼的工艺流程在铜的电解精炼中，阳极是火法精炼得到的铜，阴极是纯铜，电解液的成分是硫酸铜和硫酸铜水溶液。阳极在通入直流电后，阳极铜和其夹杂的一些贵金属电化溶解进入电解液，一些难以电离的金属和一些难容化合物从阳极脱落，不溶于电解液而沉降到电解槽底部形成阳极泥，从阳极中电离的铜离子，在阴极上电化析出得到电铜，从而实现阳极上的铜与杂质的分离完成铜的电解精炼。一些从阳极铜上电离的离子，由于其电负性比铜更负不能在阴极电解析出而聚集在电解液中，在净液时除去。阳极泥从槽底排出并回收其中有价金属。残极回收送去重熔。铜的电解工艺流程图如2.1所示。图2.1图2.1通电解精炼工艺流程图铜电解精炼的基本原理铜电解精炼的基本原理是根据阳极铜和其杂质的电位不同，在电流的作用下，阳极铜电离成铜离子进入电解液中，部分杂质也发生电离进入电解液中，另一部分杂质不能电离，从而脱落到阳极泥中。游离的铜离子在阴极处电化析出。铜的电解精炼过程示意图如图2.2所示。[5]

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第12页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第12页四幅Cu-2e-C咱场（'u2te2<2r=C'll:星flt反应1图2.2铜电解精炼过程示意图电解过程的电极反应铜电解精炼时，电解槽可近似地用下列电化学系统表示：Cu（阴极纯铜）1CuSO4H2O|Cu（阳极精铜）电解液中各组分部分或者全部电离。在电解液中，处于无规则游离状态的铜离子，在电流作用下做定向运动，阳离子运动向阴极并在阴极表面发生电化反应，同样阴离子运动向阳极并在阳极界面上发生相应的电化反应。阳极反应：铜电解时，阳极铜失去电子发生氧化反应，反应如下：Cu—2e-Cu2+Me—2e-Me+式中Me指电位比铜更负的金属杂质。比铜电位更正的金属（Au、Ag以及Pt族元素）未能氧化，从而脱落至阳极泥中。阴极反应：铜电解时，在阴极处发生还原反应，反应如下：Cu2++2e-CuMe++Me++2eMe辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第13页纯铜主要在阴极析出，当电解液中CU2+浓度低于一定值时，溶解在电解液中的杂质在阴极析出。一价铜离子的形成与影响在铜电解精炼过程中，除了上面两个主要电解反应外，还要注意几个反应：阳极一价铜离子的形成：Cu一efCu+阴极一价铜离子的形成：Cu2++efCu+由于不稳定，有两种反应可能发生：自行分解析出铜粉2Cu+fCu2++Cu与电解液中的氧反应Cu2SO4+O2+H2SO4f2CuSO4+H2OCu和Cu2+、Cu+三者的平衡关系：Cu2+ +Cuf2Cu+温度升高，平衡向正方向移动，在298K时平衡常数为K=[Cu+]2/[Cu2+]=0.62X10-8可见Cu+的平衡浓度很小时，其值随着温度升高而增大，一般平衡不易向生成Cu+的方向进行。阳极杂质在电解过程中的行为一般阳极铜杂质含量在0.5%左右。杂质在阳极铜中的含量多少与种类与炼铜原料有关。止匕外，杂质的含量还与精炼方法和技术有关。电解精炼的目的是希望铜尽可能多地转入阴极中，稀贵元素尽可能的进入阳极泥中，其他杂质或留在电解液中或进入阳极泥，尽量不要进入引进铜中。阳极各组分在电解时的分配见表2.1

表2.1阳极各组分在电解精炼时的分配 （%）元素进入电解液进入阳极泥进入阴极Cu1~20.03〜0.198~99Ag297~98<1.6Au199<0.5伯族约1000.05Se、Fe2约981Pb、Sn2约981Ni75〜1000~25<0.5Fe100Zn100AL约75约255As60~8020~40<10Sb10~6040~90<15Bi20~4060~805S95~973~5SiO9100辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第14页根据杂质在电解时表现出的性质，这些杂质可分为四大类：第一类金、银、铂族及其化合物。这类杂质电位比铜更正，不易电化溶解。在铜电解时，这些杂质以颗粒状落入槽底形成阳极泥，少量银能生产Ag2s04进入电解液。第二类铅、锡。在铜电解时，铅、锡都生成不溶性化合物。阳极铜中的铅在电解过程中与硫酸作用下生成硫酸铅进入阳极泥。当阳极板中的铅含量高于0.3%时，会使阳极溶解不均匀造成钝化。第三类镍、铁、锌等。这类杂质的电位都比铜更负，在电解时优先于铜从阳极上溶解进入电解液，并且在阴极不能放电析出而存留于电解液中。铁是杂质中对电解危害最大的杂质。铁不仅降低电流效率，阳极中的铁在电化溶解以Fez+进入电解液，与电解液中的空气接触发生反应：2Fe2++2H++10f2Fe3++HO22 2所形成的Fe3+迁移到阴极后，又按下列反应还原为Fe2+：Fe3++Cuf2Fe2++Cu2+在两极之间铁离子反复上述反应，使得阴极上析出的铜又溶解为CU2+，降辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第15页低电流效率。但铁经过火法精炼后在阳极含量甚微，只有积累到一定浓度才会发生上述反应。第四类砷、锑、铋。这类元素对阴极铜质量影响最大。它们电位与铜相近，电解时既能在阳极上与铜一起电化溶解，又可能与铜离子一起在阴极上放电析出，还可以其他形式进入阴极，从而大大降低阴极铜的质量。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第16页3技术条件及技术经济指标的选择操作技术条件电流密度电流密度是铜在电解精炼过程中最重要的技术经济指标之一。一般范围值选择在200〜360A/m2之间，其具体数值根据实际电解槽生产能力决定。在电解槽数目不变的情况下，适当提高电流密度有助于电铜质量的提高，同时提高劳动生产率。在提高电流密度的同时，必须相应地改变添加剂的使用情况及其他技术，以适应高电流的生产要求。但是电解槽电压随着电流密度的提高而增大，因此电能消耗增加。过高的电流密度会使电流效率降低，增加贵金属及有价金属的损失，同时影响阴极铜的质量。本设计运用高电流密度，故采用周期反向电流的电解技术。周期反向电流电解的方法是，在通过较高电流的情况下，每隔一段时间，在瞬间内将通过电解槽的电流反向通一段时间，即使阳极变成负极，使阴极变成正极，然后再正向通电。由于电流周期性反向，就可以防止附近铜离子的饱和与过饱和状态，有效解决阳极钝化现象。电解液成分电解液主要由H2s04和CuSO4的水溶液组成。一般含铜40〜50g/L，含硫酸180〜240g/L。实际电解液中的铜和硫酸的含量应视电流密度，阳极成分和电解液的纯净度等条件决定。由于电解液的电阻随着酸度的增加而降低，随着含铜量的增加而升高，所以采用高酸低铜电解液组分来降低电耗。表3.1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14010088.980.970.8随着铜电解精炼的进行，电解液中CU2+的含量增多，因此电解液的阻值增

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第17页大。当电解液中的铜含量超过其溶解值时，或者因为温度降低时，CuSO4从电解液中结晶析出，致使电解槽不能正常工作。但当CU2+的含量过少时，部分杂质可在阴极析出。表3.225℃时硫酸铜的溶解度与硫酸含量的关系H2s04含量40 60 90 100 150 180（g/L）Cu含量 78.73 74.82 69.61 67.33 58.51 52.22镍、铁、砷、锑、铋等杂质浓度过高会增大电解液的粘度和电阻，降低硫酸铜的溶解度，而且砷、锑和铋的浓度过高造成的漂浮阳极泥严重影响阴极铜的质量。有害杂质在电解液中的含量见表3.3表3.3有害杂质在电解液中的含量元素 Ni As Sb Bi Fe含量（g/L） <15 <7 <0.6 <0.5 <3电解液温度电解液温度一般控制在55〜65℃。电解液温度适当提高，一方面有利于电解液的粘度和密度的降低，从而有利于阳极泥的沉降，提高电铜质量；另一方面，能够增大硫酸铜的溶解度，提高CU2+扩散速度，降低浓差极化，降低槽电压，消除CU2+在阴极附近的贫化，促使铜在阴极上均匀析出。电解液的电导率随着温度的升高而增大，在50〜60℃之间，温度每升高1℃，电解液电阻减小0.7%，因而槽电压有所下降，对降低电耗有利。表3.4温度对电解液百分电阻的影响（硫酸200g/L）温度（℃）45 50 55 60 6570百分电阻108.2 103.8 100.0 96.6 94.091.4电解液循环在电解精炼过程中产生电极极化和浓度差极化，由于极化作用，产生反电动

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第18页势，使槽电压升高，电能消耗增加。另外，在电解过程中，由于阳极附近电解液铜含量过高，酸度低，密度增大而下降；阴极附近的电解液酸度高浓度高，铜含量低，密度小二上浮。上下层电解液的成分差异大，上层电解液导电性良好，电流通过的多，析出疏红、发红，甚至形成黑色沉积物。下部电解液铜离子浓度较大，易在阳极下部出现硫酸铜结晶。[6]上述问题主要通过电解液循环来解决，适当提高电解液温度也可以解决部分问题。电解液循环能够使电解液的成份和温度保持均匀恒定，降低浓差极化。同时能够将热量和添加剂传递到槽中，改善阴极铜的质量。电解槽容积越大，电解液循环一次所需要的时间越长，同一槽内溶液的温度梯度就越大，添加剂补充迟缓，一般每槽电解液更换一次的时间在1.5〜3.0h之间，循环量为15〜30L/（min•槽）。一般电流密度与电解液循环速度关系见表3.5。表3-5一般电流密度与电解液循环速度的关系电流密度（A•m-2环速度（L•min-1）15181820.522.527在国内，电解液的循环方式分为两种：上进液下出液方式和下进液上出液方式。见图3.1和图3.2上进液下出液方式虽然有利于阳极泥沉降，但对电解液混合不利，电解液上下层浓度差较大，液面悬浮物不能流走。电解液循环量过大，增加动力消耗，影响悬浮杂质和阳极泥的沉降，甚至冲起阳极泥影响电铜质量，增加贵金属损失。图3.1图3.1上进液下出液循环方式示意图下进液上出液方式有利于溶液的充分混合，减少浓差极化，浮在液面上的悬辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第19页浮物易从流口溢出。但电解液流动方向与阳极泥沉降方向相反，阳极泥沉降困难，影响阴极铜质量。图3.2图3.2下进液上出液循环方式示意图添加剂为了获得高质量的阴极铜，在铜电解时一般加入添加剂。添加剂的作用机理目前有两种观点，一种观点认为：添加剂和放电的金属离子形成一种胶体的络合物，金属离子在这种络合物中放电受到阻滞，因此提高了阴极的极化作用［12］。另外一种观点认为：添加剂能够在阴极表面形成局部或整个连续的吸附性薄膜，使金属离子扩散到阴极表面的电极反应困难，产生一定的浓差极化和化学作用，促使结晶细化［12］。因为添加剂会污染电解液使电解液的性质变差，一般添加剂种类及其作用分述如下：（1）胶（骨胶和明胶）。胶是主要添加剂，其作用是使铜能够获得细小的结晶，从而使电铜表面光滑，有效地抑制疙瘩。胶在酸性介质中，被电离分解成阳离子（胶质根），在电源的作用下移向阴极并在阴极上放电，然后吸附在阴极上。胶在电力线集中的地方易被吸附，使其电阻增大，阻碍CU2+析出。此外，由于其表面的吸附作用，降低了微晶的增长速度，有利于新晶核的产生，从而获得致密平整结晶极为细小的阴极铜。（2）硫脲。硫脲是表面活性物质，在电解过程中，加入适量的硫脲，可在高电流密度下获得结构致密的阴极铜。但加入量过多，其条纹明显增粗，促进疙瘩的形成和粗糙的沉积，颜色发暗，缺乏金属光泽。（3）干酪素。干酪素是一种良好的表面活性有机高分子蛋白质添加剂，易辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第20页溶于酸碱性溶液，不溶于水。它是一种良好的缓冲添加剂，用它可以来减少骨胶、硫脲的加入量。［12干酪素与胶混合使用，能够有效地抑制阴极表面粒子的生长，并且改善粒子的形状。（4）盐酸。盐酸是用来保持电解液中氯离子的含量稳定。电解液中的氯离子可以其中的银离子生成氯化银沉淀而进入阳极泥，减少贵金属的损失。氯离子的存在有利于消除阴极树枝状结晶，降低阴极内应力。同时还可以消除阴极铅含量过高而引起的钝化。适量加入添加剂，能够提高阴极铜表面质量，加入量过多则会引起其他反应，影响阴极铜质量。一般的加入方法是：将胶、硫脲、干酪素充分溶于水混合后加入电解液回流管进入循环槽，盐酸单独加入回流管或循环槽。添加剂的加入量必须根据阳极铜成分、电流密度、电解液杂质含量等条件添加。添加剂用量表如3.6和表3.7表3.6 常用添加剂种类和用量种类胶硫脲干酪素盐酸/（mL/t电铜）用量8八电铜）25〜5020~5015~40300〜500表3.7 国内外各厂吨铜添加剂用量添加剂1厂国内2厂3厂1厂国外2厂3厂骨胶15~2030~4030~40405030硫脲20~3030~4020~302030干酪素20~3015~20同极中心距同极中心距简称极距，指槽内相邻阴极或阳极中心之间的距离。适当地缩短极距，有利于电解槽电压的降低，提高电解槽的利用系数。但极距过小，容易使阳极短路，阳极泥附着在阴极上，不仅加大了贵金属损失，也影响了阴极铜质量。选择极距的大小，应根据阳极的成分、规格、电流密度，极板的尺寸、加工精度等多方面因素综合考虑，小型极板的同极中心距一般为75〜90mm，大型极板则为100〜110mm。

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第21页阳极溶解周期和阴极周期火法精炼后的精铜，用来铸成电解精炼的阳极。阳极溶解周期一般由电流密度、阳极重量和残极率来确定，一般为18〜24天。当电流密度采用320A/m2时，阳极寿命为12~14天。阴极周期与电铜质量、电流密度、阳极溶解周期以及劳动组织等因素有关，一般为阳极寿命的1/3。3.2技术经济指标电流效率电流效率是指阴极实际析出铜量与按法拉第定律理论析出铜量之比。一般为94%〜98%。影响电流效率的因素很多，主要有下面几点：（1）短路。由于阴、阳极放置位置不当，阳极极板不平整，或者阴极长粒子引起短路，使得一部分电能不起电化析出作用而以其他形式损失，减少金属铜的析出。（2）漏电。由于电解槽相互之间、电解槽与地面之间及溶液循环系统等绝缘不良而引起的漏电。正常生产时，车间均有较好的绝缘措施，总压又不高，因此漏电不会太严重。（3）化学溶解。在阴极上已经电化析出的金属铜，由于电解液中游离酸、空气的存在，部分又被溶解。在高酸、高温、断路及阴极周期较长的条件下，这种溶解较为严重。［5］通常这些因素使电流效率降低0.25%〜0.75%。残极率残极率是指产出残极量占投入阳极量的百分比。其计算公式为：N=一-一*100% （3.1）M1±Am式中N 残极率，%；M1——残极产出量，t；

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文） 第22页Am——期初期末槽存阳极量差额，t；m 残极产出量，to铜电解过后，残极一般都重新熔铸阳极。降低残极率可以减少重熔加工费和金属损失。但是过低的残极率会造成残极面积过小，电流密度增大，影响阴极铜质量。一般残极率控制在15%〜20%之间。电解回收率电解回收率是指在铜电解精炼过程中产出的阴极铜所含铜量占实际消耗物料所含铜量的百分比，计算方法如下：铜电解回收率=阴极铜含铜量装入原料含铜量铜电解回收率=阴极铜含铜量装入原料含铜量-回收品含铜量x100%（3.2）铜电解精炼回收率是对金属铜回收程度的标志。回收率提高可在同一原材料情况下增加阴极铜产量，减少金属流失、降低成本、增加利润。铜电解回收率一般为99.6%〜99.8%。槽电压槽电压是影响电能消耗的重要因素，比电流效率影响还显著。槽电压由电解液电位降、金属导体（包括导电板、阳极、阴极、阴极铜棒等）电位降、接触点电位降、克服阳极泥电阻的电位降、浓度极化引起的电位降等组成。［6］槽电压主要与电流密度、电解液的比电阻以及极距等因素有关。普通槽电压一般为0.2〜0.3V。种板槽槽电压为0.3〜0.4丫。降低槽电压的措施如下：（1）粗铜杂质尽可能的在火法精炼中去除，提高阳极质量。（2）合理的残极率，一般在18%左右。（3）电解液的酸度、温度、铜浓度不能过分提高，降低其他杂质的含量和控制胶的加入量。（4）尽可能缩短极距。直流电耗直流电耗是指生产1t电铜消耗直流电能量，单位为kWht-1Cuo直流电消

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第23页耗量包括商品槽、种板槽、脱铜槽、再用残极槽耗电量。一般吨铜的直流电耗为230〜280kW•h/t电铜。影响直流电耗的因素大体可分为有效单耗和无效单耗两部分。无效单耗为线路等损失，一般较小可忽略不计。有效电耗与槽电压和槽电压及每吨阴极铜所消耗电量有关。降低槽电压、提高电流效率可有效降低电耗。蒸汽单位消耗量蒸汽单位消耗量（蒸汽单耗）是指单位产品阴极铜所消耗的蒸汽量。蒸汽单耗与电解液温度，电流密度以及电解槽覆盖等保温措施有关。在无保温措施下，一般蒸汽单耗为1〜1.5t/t电铜；在有保温措施的铜电解过程中，蒸汽单耗一般为0.2〜0.6t/t电铜。硫酸单位消耗硫酸单耗指单位产品阴极铜在电解过程中所消耗的硫酸量。一般生产中，吨铜硫酸单耗一般为4〜10kg。降低硫酸单耗的措施有：（1）防止跑、冒、滴、漏；（2）加强废液回收；（3）加强出装槽两极板上残留电解液的回收；（4）加强液体转移过程中的酸计量工作；（5）改进电解液净化工作，减小酸耗；（6）提高废酸的再利用率。3.2.8水单位消耗水单耗指单位产品阴极铜在电解过程中所消耗的水量。一般生产中，吨铜水消耗量一般为3〜5m2。

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第24页4产物铜电解精炼的产物主要是电铜、阳极泥，其次电解液净化出的CuSO4和NiSO4。电解铜（1）电解铜的化学成分，应符合铜的分类国家标准中一号铜的规定。表4.1为某些工厂电铜的化学成分。电铜的化学成分表4.1元素12厂别345Cu99.96-99.9799.96-99.9899.96-99.9799.9899.98Bi0.00010.0000.00030.0001<0.0005Sb0.00010.0000.00070.0001<0.0006As0.00050.0000.00080.0004<0.0006Fe0.0005-0.00120.0000.00080.00030.0007Ni0.0005-0.00080.0000.00080.00020.0004Pb0.00050.0000.00030.00010.0005Sn0.0005-0.00060.0000.00030.00060.0004S0.0022-0.00270.001-0.0030.0003Zn0.00050.0000.00080.0001<0.0005P0.00010.0003（2）电解铜的物理规格电铜表面洁净，出铜时洗净表面电解液，吊耳部分可除外；电铜表面绿色附着物面积的总和应不大于单面积的5%；由于潮湿空气作用，电铜表面氧化而生成一层绿色者不算废品；电铜表面以及边缘不得有开花形、树枝形粒子，但允许修整。阳极泥阳极泥是在铜电解精炼时产出的一种副产品，由铜阳极在电解精炼过程中不溶于电解液的各种成分组成。阳极泥率和阳极泥成分主要取决于阳极成分、电解精炼的技术条件等。一般铜电解阳极泥的产率为0.2%〜1%。阳极泥中通常含有

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第25页Au、Se、Te、Pb、Cu、As、Sb、Bi、Ni、Fe、Sn、S、SiO4、AL2O3和铂族金属等，含水量一般在35%〜40%之间。铜阳极泥率及化学成分见表4.2。表4.2铜阳极泥率及化学成分厂别阳极泥率（%）化学成分（％）CuAuAgSe10.4-0.820-210.4-0.610-153-521.09.540.818.841.2531-1.5150.3-0.512-192-6412.80.17-0.2117.542.0950.518-200.5-0.710-204-660.4-1.128-300.61412.75阳极泥呈灰黑色，粒度通常为100~200目。阳极泥中的有价金属需要进一步回收。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第26页5主体设备的选择与计算铜电解精炼车间通常装有几百甚至上千个电解槽，并包括变电、整流设备，电解液循环、加热设备，起重运输设备，始极片制作、平整设备以及其他辅助设备。电解槽电解槽的材质与结构电解槽是电解车间的主要设备。在本设计中，为了防止电解液对槽体的腐蚀，槽体为钢筋混凝土材质，电解槽内壁采用衬耐酸、绝缘的材料，一般选用玻璃钢。电解槽的外壁和槽底外部涂以沥青等防酸涂料。用作内衬的材料有铅皮和塑料。铅皮一般含锑3%，厚度为2〜3mm。电解槽长3000〜5000mm，槽宽850〜1200mm，高1000〜1500mm。不同工厂的电解槽尺寸稍有差异，但各种槽的具体尺寸可通过计算确定。电解槽一端设有进液口，另一端设有出液口，出液口设有闸板用来调整液面高度。放液口设在出液口一端的槽底，孔高出槽底100mm左右。出液口用来清理槽时，放出全部电解液而不放出阳极泥。槽底另一端设有阳极泥的放出口。电解槽的排列电解槽在车间的排列（即电解槽车间的布置），要考虑电路连接、电解液循环、运输线路和通风采光等因素。电解槽的电路连接大多数采用复联法，即电解槽内的各个电极并联装槽，而各个电解槽之间的电路采用串联相接。每个电解槽内全部的阳极并列相连，全部的阴极并列相连。电解槽的电流强度等于槽内各同名电极电流的总和，槽电压等于槽内任何一对电极之间的电压。图5.1为复联法连接示意图。图中每个小长方形表示一个电解槽，粗线段表示阳极，细线段表示阴极；每一组由四个电解槽组成，电解槽中交替地悬挂着阳极和阴极。

第27页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第27页辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）图5.1复联法连接示意图1—阳极导电排；2〜4—中间导电排；5一阴极导电排电流从阳极导电排1,通向电解槽I的全部阳极，该电解槽的阴极与中间电排2连接，中间导电排放在分隔电解槽I和H壁上。同一中间导电排2与电解槽II的阳极连接，故导电排2对电解槽I而言为阴极，对电解槽H而言为阳极。电解槽W的阴极接向导电排3,对第一槽组而言为阴极，对第二槽组而言为阳极。因此，电流从电解槽I通向电解槽训I,必须经过一系列槽组，最后经阴极导电排5回到电源。电解槽的安装电解槽通常是安装在上面铺有绝缘层的砖柱或钢筋混凝土的梁上，电解槽槽底的四角正好对准梁柱上的绝缘衬垫，使电解槽对地面绝缘，便于检查是否漏电、漏液，并可适当安装其他设备。电解槽每几个或几十个排成一列，安装时，电解槽必须找平，相邻的电解槽之间留25mm左右的间隔，以便空气流通并使电解槽之间绝缘。在电解槽上部，槽与槽的间隔，首先用橡皮条嵌入沟内，使其与槽上边缘相平，然后在上面铺绝缘垫，槽间导电棒就放在绝缘垫上。槽间导电棒有圆形、方形、三角形等几种，通常选用三角形，因其能保证阴极、阳极与其紧密接触，并使落到导电棒上的溶液快速流下，避免因蒸发而在导电棒上形成阻碍导电的薄膜。

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第28页电解槽的计算表5.1 设计参数项目 已知条件年产电解铜（一级铜）200000t年工作日：350d商品电解槽电流密度320A/m2电解槽作业率96%电流效率96%同极中心矩110mm电流强度25000A电解车间温度25℃电解槽外壁35℃（1）阳极板阳极尺寸的选择与企业生产规模、机械化操作程度以及其他一些条件有关。结合本设计的实际情况，本设计的精炼厂为大型工厂，机械化程度较高，阳极板采用大型阳极板，其尺寸为1000X970mm2,其质量范围在300kg以上。如图5.2。（2）阴极板在本设计中，用商品电解槽中的始极片做为电解槽的阴极，为避阴极边缘有树枝状结晶生成，通常阴极尺寸在宽度上比阳极宽35〜55mm,在长度上比阳极长25〜45mm。因此结合实际情况，本设计阴极尺寸为1030X1000mm2。（3）种板种板目前有紫铜板、不锈钢板和钛板三种材质，其中紫铜板选用最多，各种辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第29辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第29页材质的优缺点比较如下:表5.2 种板不同材质的优缺点厚度优点缺点紫铜3~4（mm）板厚度优点缺点紫铜3~4（mm）板不锈，、2-3（mm）钢板价格便宜；铜挂耳与母板

接触良好；绝缘材料粘附

强度大。重量轻，始极片易剥离;钛 2.5〜3.5板（mm）不需隔离剂，剥片容易，重量轻，始极片成品率高达95%以上，使用寿命长对隔离剂要求较严，质地较软，易变形引起

槽内短路，笨重。质硬，与绝缘材料粘结不如钢材，弹性大，

难以平直。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，造价高通过比较，结合实际情况，本设计选用紫铜板材质的种板。种板的尺寸在宽度上比始极片宽20〜30mm，在长度上长50〜70mm。如果过宽或者过长，种板边上的电力线会减弱，造成析出的始极片边缘过薄不利于剥离。为了方便始极片剥离，种板的三个边涂有宽10〜20mm的绝缘边。故本设计种板尺寸为1080X1020mm2。商品电解槽总数已知条件：年产电解铜200000t年工作日350天商品电解槽电流密度320A/m2电解槽作业率96%电流效率96%同极中心距110mm始极片尺寸1030x1010mm电流强度25000A商品电解槽总数计算公式为:M义106350义23.5刈义I义1.185

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第30辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第30页(5.1)式中：N——商品电解槽总数，个；M——年产电解铜量，t；350——年工作日，d；—日通电时数，h；I——电流强度，A，为25000A；n——电流效率，%，为96%；1.186——铜的电化当量，g/（A-h）o200000x200000x106350x23.5x96%x25000x1.185=855个根据实际情况取860个。电解槽中阴极、阳极的片数每槽阴极片数(5.2)N=-I-

c D(5.2)式中:Nc——每槽阴极片数，片;I——电流强度，A；Dk——电解槽电流密度，A/m2；Fc——每片始极板的面积，m2。25000320x1.03x25000320x1.03x1.01x2二35个本设计两端放阳极板阳极板比阴极板多一片，所以阳极板为36片电解槽尺寸电解槽长度：设电解槽两端各留一定距离A=150mm,则电解槽长度为:阳极片数（或阴极片数）X极距+2A

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第31页35X110+2X150=4150mm电解槽的宽度：设阴极两侧距槽边各留一定距离B=55mm,则电解槽宽度为：阴极长度+2B1010+2X55=1120mm电解槽的深度：设阴极下端距槽底各留一定距离C=300mm,阴极上端距槽底各留一定距离D=100mm,则电解槽深度为：阴极长度+C+D1030+300+100=1430mm种板槽数确定铜电解精炼过程所需的种板槽数可按以下式计算:(5.3)式中:X——种板电解槽数，个；N——车间电解槽总数；nc——1个商品电解槽的阴极数；p——1个阴极所需始极片量，取1.06；a——种板周期，1d；A——阴极周期，6d；B——1个种板电解槽的种板数，37片；C——始极片的成品率，95%；X= 860-75xL06x1 =149个2x6x37x0.95+35x1.06x15.2.5槽边导电排、槽间导电板、阴极导棒槽边导电排槽边导电排与整流机供电导线相连，通过的电流为电解槽的总电流。本设计

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第32页为大型精炼厂，导电排的允许电流密度为1〜1.1A/mm2；导电排截面积可按下式计算：F=— （5.4）iD1式中：F1 导体截面积，mm2；A——总电流，A；D1 允许电流强度，A/mm2；（本设计电流密度取1A/mm2）厂25000,F= =25000mm21 1本设计采用铜质板，每块尺寸200x20mm，共7块。导电排的温度不高于周围空气40℃，计算出导体截面积，应用下式进行温升演算：（5.5）KI（5.5）Sn式中：Q——导体与周围空气温度差，℃K——散热系数，在露天取25，在室内取85；I——电流强度，A；P 导体比电阻，Q/m,mm2,铜为0.0175；S 导体横断面积，mm2；n——导体断面的周长，mm。本设计选取铜板每块尺寸200x20mm2。由于大型电解槽电流强度大，截面积过大的导电排在槽边难安装，所以不宜采用组合式的槽边导电排来直接安装槽边，应采用单片式导电排，沿着槽边长度方向由多个接点自供电母线接入电流。槽间导电板槽间导电板通常用紫铜制作而成，其断面一般采用圆形、半圆形、三角形等形状，接触点保持清洁；槽间导电板允许电流密度为0.3〜0.9A/mm2。辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第33页其截面积可按下式计算:辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第33页其截面积可按下式计算:AnD2(5.6)式中:F2A槽间导电板的截面积F2A槽间导电板的截面积总电流，A；mm2；n——每槽阴极数;D2——槽间导电体允许电流强度，A/mm2；结合实际D2取0.5A/mm2厂25000F= =1429mm2235x0.5阴极导电棒阴极导电棒通常用紫铜制作，其断面有方形、圆形、中空方形及钢芯铜皮方形等，其断面形状由阴极的大小和重量决定。考虑到强度及加工的方便，中、小极板一般选用中空方形导电棒；大极板则选用钢芯包铜方形导电棒。阴极导电棒允许电流密度可取1~1.25A/mm2。结合实际取1A/mm2其截面积可按公式计算。中空方形导电棒的壁厚通常采用4mm。A25000=A25000=714mm2辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第34页6冶金计算6.1物料平衡计算年产电铜20万t的电解精炼物料平衡计算。阳极成分（表6.1）表6.1 阳极成分（％）元素CuAuAgAsSbBiPb含量99.410.0020.0670.0350.0350.010.09元素SnNiFeOSZn其它含量0.0040.2450.0040.080.0030.0010.014已知条件：年产电解铜200000t；年工作日350天；商品电解槽电流密度320A/m2；电解槽作业率96%；电流效率96%；同极中心距110mm；始极片尺寸1030x1010mm；电流强度25000A；铜电解回收率：99.9%；残极率：16.5%；阳极中各元素的分配率如表6.2示:

表6.2电解过程中各元素的分配率元素进入溶液/%进入阳极泥/%进入阴极/%Cu1.930.0798Au 991Ag 982As63307Sb256510Bi15805Pb 96.53.5Sn58510Fe721018Ni89.5100.4Zn9343S 964O 100 其它5905辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第35页根据以上数据计算出阳极泥率，阳极泥成分，电铜成分，最后编制出铜电解精炼物料平衡表。表6.3 阳极泥率和阳极泥成分计算元素进入阳极泥的量占阳极溶解量的百分数/%阳极泥成分/%Cu99.41*0.0007=0.0695917.89Au0.002*0.99=0.001980.51Ag0.067*0.98=0.0656616.87As0.035*0.3=0.01052.7Sb0.035*0.65=0.022755.85Bi0.01*0.8=0.0082.05Pb0.09*0.965=0.0868522.32Sn0.004*0.85=0.00340.87Fe0.004*0.1=0.00040.1Ni0.245*0.1=0.02456.3Zn0.001*0.04=0.000040.01S0.003*0.96=0.002880.74O0.08*1.0=0.0820.55其它0.014*0.9=0.01263.24阳极泥率0.389100

表6.4 阴极铜成分计算元素阴极析出量占阳极溶解量的百分数/%阴极铜成分/%Cu99.41*0.98=97.421899.98092Au0.002*0.01=0.00020.000205Ag0.067*0.02=0.001340.001375As0.035*0.07=0.002450.002514Sb0.035*0.1=0.00350.003592Bi0.01*0.05=0.0050.005131Pb0.09*0.035=0.003150.003233Sn0.004*0.1=0.00040.000411Fe0.004*0.18=0.000720.000739Ni0.245*0.004=0.000980.001006Zn0.001*0.03=0.000030.000031S0.003*0.04=0.000120.000123其它0.014*0.05=0.00070.000718阳极泥率97.44039100辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第36页根据以上有关数据，进行物料平衡计算如下：200000t电铜含铜量：200000x99.98092%=199961.8由生产200000t电铜所需铜量：199961.84+99.9%=200162.0021生产200000t电铜要进入阳极泥中的铜量:199961.84

98%199961.84

98%x0.07%=142.831阳极泥量:142.83+17.89%=798.381生产200000t电铜要进入溶液中的铜量:199961.84

98%x199961.84

98%x1.93%=3938.021生产200000t电铜所需阳极数量:200162.002+142.83生产200000t电铜所需阳极数量:200162.002+142.83+3938.02

(1-16.5%)x99.41%二246103.4491阳极含铜量：246103.449x99.41%=244651.43871辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第37页残极数量：246103.449x16.5%=40607.071残极含铜量：40607.07x99.41%=40367.49t用上述结果编制物料平衡表如下：表6.5 铜电解精炼物料平衡表进料物料名称铜阳极合计数量/t246103.449含铜量/%99.41纯铜量/t244651.4387244651.4387出料物料名称数量/t含铜量/%纯铜量/t阴极铜20000099.981199961.84残极40607.0799.4140367.49阳极泥798.3817.89142.83电解液3938.02损失241.2587合计244651.43876.2净液量计算根据上面计算，生产200000t电铜所需要246103.449t阳极,其中残极量为40607.07t。阳极铜中铜及主要杂质含量：Cu99.41%、Ni0.245%、As0.035%、Sb0.035%、Bi0.01%;进入溶液中的百分数为：Cu1.93%、Ni89.6%、As63%、Sb25%、Bi15%;电解液中铜和杂质的允许含量(g/L):Cu45、Ni15、As7、Sb0.6、Bi0.5;采用冷却结晶法生产粗硫酸镍，这几种物质的脱除率为：Cu98%、Ni75%、As85%、Sb85%、Bi85%；根据公式［6］：辽宁科技大学本科生毕业设计(论文)第38页TEKFX103CN(6.1)Q 净液量，ms/a;T——阴极铜产量，t/a;E——生产1t阴极铜所需阳极铜，t/t;F——元素进入电解液的百分含量；K——元素在阳极铜中的百分含量；C——元素在电解液中允许的极限浓度，g/L;N——元素在整个净化过程中的脱除率，%；按主要元素分别计算净液量如下：Qc〃(246103.449-40607.07)x99.41%x1.93%x103_8940318g445x98% .maQn(246103.449—40607.07)x0.245%x89.6%x103 =40098.28m3/a15x75%Qs(246103.449—40607.07)x0.035%x63%x103 =87615.45m3/a7x85%QSb(246103.449—40607.07)x0.035%x25%x103 ’ =35256.73m3/a0.6x85%(246103.449—40607.07)x0.01%x15%x103 =7252.81m3/a0.5x85%从计算结果看，需要净液量最大的元素是铜，其次是银。铜的脱除采用在电解工序电解槽中增加不溶阳极的方法脱除，故净液量以镍元素所需要的量计算，取净液量为41000ms/a。根据已知条件：电流效率：96%；电流强度：25000A；年工作日350d；日通电时数23.5h；所需脱铜脱除的铜量为：(89403.18-40098.28)x45x10-3=2218.7t辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第39页所需脱铜槽数:=9.5个2218.7x所需脱铜槽数:=9.5个1.185x23.5x350x25000x0.96确定脱铜槽数为10个。6.3槽电压组成计算铜电解精炼电解槽的槽电压一般为0.2〜0.3V。槽电压主要由阴阳极电位差，电解液电阻产生的电压降以及导体、接点和阳极泥电阻产生的电压降三部分组成，其计算公式如下：V二（EA-EC）+IR1+1r （6.2）式中：V——槽电压，V；EA——阳极电位，V；EC——阴极电位，V；I——电流强度，A；Rl——电解液电阻，Qr——导电棒，电极，阳极泥及接点电阻，Q（1）阴阳极电位差。铜电解精炼过程的阴阳极电位差主要是由于浓差极化造成的。浓差极化的程度与电流密度、电解液搅拌强度、电解液温度、电解液含铜量和含酸量以及添加剂浓度等因素有关。（2）电解液压降。电解液压降是指电流通过电解液时，由于电解液电阻造成的电压降。电解液电阻与电解液中的酸、铜和杂质有关。也与电解液温度和添加剂量有关。阴阳极间电解液电阻可按下式求出：R=p1 （6.3）S式中：R——阴阳极间电解液的电阻，Q阴阳极间电解液的比电阻，mQ

辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第40页l——阴阳极极间距离S——电流由阳极到阴极通过的面积（3）导体、接点和阳极泥降压。导体主要指导电棒和电极。导电棒和电极的电阻引起的电压降很小，而且变化不大。接点电阻主要与接点处接触面积大小、接触处压紧程度及接触处是否清洁等因素有关。6.4电解槽热平衡计算在电解过程中，电解液的热损失主要包括四部分：电解槽液面水分蒸发的热损失；电解液面辐射液对流的热损失；电解槽壁的辐射与对流的热损失；。电解过程中的热收入只有电流通过电解液所产生的热量。设定：电解槽尺寸4150x1120x1430，壁厚100mm；电解槽总数860个；电流强度25000A；槽电压0.3V速度30L/（min槽）温度63oC°。5。。热支出（1）电解槽液面水蒸气蒸发热损失。对于无覆盖电解槽，电解液面水分蒸发量可根据表6.6和表6.7数据来确定。

表6.6电解槽水分蒸发量（kg/（gh））室温 相对温度万 /% 48.5 50.0/oC电解液温度/oC51.5 53.5 55.0 57.0 60.0 65.0辽宁科技大学本科生毕业设计（论文）第41页22800.760.8350.840.8951.091.151.331.7424700.740.840.8550.901.101.1651.351.7626650.7550.830.840.891.081.141.321.73本设计电解槽水分蒸发量为2.1kg/（m2.h）。电解槽总表面积：4.15x1.12x860=3997.28m260oC水的气化热为2358.42kJ/kg则电解槽液面水蒸发热损失为：q1=3997.28x2.1x2358.42=19797256.7kJ/h（2）电解槽液面辐射与对流热损失。电解槽液面的辐射与对流损失可用傅里叶公式计算；q2=KF（tjtJ （6.4）式中K——辐射与对流联合给热系数，kJ/（m2.h・°C）F 传热表面积，m2t1——电解液温度，。Ct2——车间空气温度，。C联合给热系数K可按下式求出：T4-+2.2(t-t)1/41 2（6.5）(-TU)44-+2.2(t-