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1、西安建筑科技大学华清学院西安建筑科技大学华清学院本科毕业设计（论文）任务书本科毕业设计（论文）任务书题 目：年年产产 5 5万万吨吨电电解解铜铜的的铜铜精精炼炼车车间间工工艺艺设设计计院（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
2、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
3、，毕业实习，完成实习报告2.213.142专题及英文翻译3.15.3.273设计相关物料平衡及热平衡计算3.304.244主体设备及生产工艺设计 4.275.205绘图，撰写设计说明书5.216.106准备答辩6.106.20四、主要参考资料及文献阅读任务（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，1
4、9986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） 年产年产 5 5 万吨铜的铜电解精炼工艺设计万吨铜的铜电解精炼工艺设计 专专 业：冶金工程业：冶金工程姓姓 名：胡名：胡 波波指导教师：马红周指导教师：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
5、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展”专题展开论述。关键词：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 producti
6、on of 50,000 tons copper a yearSpecialty: Metallurgy EngineeringName: Instructor: SynopsisThe paper aims at designing the technological process and one copper electrolytic refining plant, which could produce 50,000 tons of copper each year. Before the design, the electrolytic refining technology of
7、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 condition, then the proper technological process, the main and auxiliary device were chosen. After that, the style of cop
8、per electrolytic refining cell was designed, the electrolytic plant was arranged, and the technical and economic target of the copper refining plant was calculated. The result of this design was shown in three drawing, which are reefing cell installation plan, the ichnography and cutaway view of the
9、 plant respectively. At last, the paper gave specific discussion about the copper electrolyte purification system”.KeyKey wordswords： Electrolytic refining of copper, technological process design, plant arrangement, material balance, heat balance目录目录年产年产 5 5 万吨铜的铜电解精炼工艺设计万吨铜的铜电解精炼工艺设计.1SPECIALTY: ME
10、TALLURGY ENGINEERING .2目录目录.3绪论绪论.51 1 概述概述.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.81.31.3 本次设计中的一些参数本次设计中的一些参数.92 2 厂址选择厂址选择.103 3 原料原料铜阳极铜阳极.114 4 技术操作条件技术操作条件.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 沈冶和贵冶技术操作条件事例 .17
11、4.2 种板电解槽.175 5 产物产物.185.1 电解铜.185.2 阳极泥.196 6 技术经济指标技术经济指标.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 7 主要设备的选择与计算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
12、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 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 8 铜电解精炼的冶金计算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
13、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结语结语.45参考文献参考文献.46专题专题.47绪论绪论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
14、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，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，
15、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 1 概述概述1.11.1 电解精炼电解精炼的基本原理的基本原理及电极反应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+24SO H2SO4=2H+24SO H2O=H+
16、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+=+0.34V2(/)CuCuEH2O-2e=1/2O2+2H+=+1.23V22(/)OH OE-2e=SO2+1/2O2=+2.42V24SO224(/)OSOEH2O 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24SO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
17、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，24SO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 =+0.34V2(/)CuCuE 2H+2e=H2=0V2(/)HHE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
18、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： 2222CuCuCuCuCuCfKCf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1016050403021KCu1.61034.21041.01052.51057.01052.0106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
19、 和 Cu2+32g/L 的溶液中，50时 Cu2+的含量约为 0.143g/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+ 2424242122Cu SOH SOOCuSOH O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 244Cu SOCuSOCu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+的方向进行
20、，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22424212222Cu OH SOOCuSOH O2424212CuH SOOCuSOH O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 42224CuSOH OCu OH SO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
21、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，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。1.21.2 铜电解工艺流程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，
22、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的分离，铜精炼工艺流程如下图 铜电解精炼一般流程图1.31.3 本次设计中的一些参数本次设计中的一些参数表一 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10501000mm表二 阳极成分元素CuAsSbNiBiPbSeTeAuAgFeSZn含量%99.480.1810.0210.1030.0060.0310.0480.0470.00
23、460.06210.00660.00570.0040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（%）Cu1.910.0998As6535微量Sb4060微量Ni8020微量Bi5050微量Pb964SeTe982Au98.51.5Ag973Fe75817S964Zn9343Al75205SiO2100表四 铜电解技术经济指标项目指标电解铜回收率（%）99.7电解铜品位（%）99.99残极率（%）15阳极泥率（对电铜） （%）0.65电解车间温度（）25电解槽外壁温度（）352 2 厂址选择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
24、）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 3 原料原料铜阳极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720620（3
25、842）145148贵冶100096045370380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，LWmm720620（3842）100096045长度公差mm510厚度公差毛刺，鼓泡55耳部下支持面至极板上缘距离mm655支耳总长mm9505130010板面挠曲mm55耳面挠曲mm6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990.200.030.030.30.20.0750.010.2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、T
26、l、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
27、，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、
28、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
29、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 4 技术操作条件技术操作条件4.14.1 商品电解槽商品电解槽4.1.14.1.1 电解液组成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
30、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。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14010088.980.970.8这是因为 H+浓度越高，电解液的离子
31、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78.7374.8269.6167.3358.5152.22电耗是随电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
32、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1570.60.56010530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1812100304
33、02030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4048175210153.50.61.50.060.03贵冶421884.5290.581.881.030.064.24.2 种板电解槽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。
34、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 5 产物产物5.15.1 电解铜电解铜表 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）杂质不于产品名称铜不少于%砷锑铋铅杂质总量执行标准一级99.30.10.060.010.030.7二级990.150.130.013
35、0.061三级98.50.20.180.30.151.5四级97.50.320.220.80.222.5粗铜五级960.80.70.120.84YB740-82表 52 电解铜化学成分（国标）杂质不大于产品名称代号铜+银不少%砷锑铋铁铅锡一号99.950.0020.0020.0010.0040.0030.002电解铜 二号99.90.0020.0020.0010.0050.0050.005镍锌硫磷总和执行标准一号0.0020.0030.0040.0010.05YB740-82电电解铜二号0.0020.0040.0040.0010.015.25.2 阳极泥阳极泥阳极泥的产出率和成分变化与阳极铜的
36、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0.870.370.690.450.60.58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Cu11.9322.9717.732530Ni5.150.05As3.9914.952Sb4.934.1212Bi1.122.180.5Pb18.318.3614.9535Au1.6390.46540.77
37、0.02Ag14.1867.25310.379Se1.784.37361Te1.395.750.030.36 6 技术经济指标技术经济指标6.16.1 铜电解回收率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%。6.26.2 劳动生产率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：
38、t/人数6.36.3 直流电能单位消耗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6.46.4 蒸汽单位消耗量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。6.56.5 硫酸单位消耗硫酸单位消耗硫酸单位消耗量一般为 410/t 电铜。6.66.6 水单位消耗量水单位消耗量水单位消耗量
39、一般为 353m /t电铜6.76.7 电流效率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
40、，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。6.86.8 残极率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%。6.96.9 槽电压槽电压 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
41、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%99.9099.9399.96电解直收率%8182.578.88直流电单耗kWh/t 电铜260280260236蒸汽单耗t/t 电铜10.850.596硫酸单耗/t 电铜31.969.9电流效率%979797.8398残极率%171718.5615槽电压V0.30.350.320.250.37 7 主要设备的选择与计算主要设备的选择与计算7.17.1 电解槽电解槽7.1.17.1
42、.1 电解槽材质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。7.1
43、.27.1.2 电解槽的构造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
44、，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。7.1.37.1.3 电解槽衬里材质电解槽衬里材质钢筋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
45、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7.1.47.1.4 电解槽进出液方式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
46、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。7.1.57.1.5
47、铜电解槽的安装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
48、20mm，电极下缘至槽底 400mm。7.1.67.1.6 电解槽的计算电解槽的计算表 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97.9%同极中心矩100mm电流强度12000A电解车间温度25电解槽外壁35始极片尺寸10501000mmA、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：10501000mm。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
49、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1010960mm。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
50、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：11001020如过宽、过长，会造成种板的电力线减弱，析出的始极片就过薄而酥脆，不易剥离。为便于始极片剥离，种板三边涂有宽 1020的绝缘边。种板的实际尺寸为 11101040。国内常用的沾边方法有两种：（1）环氧树脂贴涤纶布法。用此法沾边得到的绝缘边整齐美观，使用寿命可达两个月以上。表 64 环氧树脂贴涤纶布的配比（重量比）实例编号环氧树脂二丁酯丙酮石英粉乙二胺二甲苯树脂磷苯二甲酸酥配方100255010085配方
51、10015131412067配方100154056注：1、环氧树脂牌号为 6101；2、二丁酯、丙酮、乙二胺都为工业用。（2）沥青塑料沾边法，此法使用寿命较短，约为 3035d，但施工方便，沾边后静置干燥后即可使用，沾边的配比如下：沥青：熟石膏粉：滑石粉=65：35：10电解槽的计算已知条件：年产电解铜 50000 吨年工作日 360d商品电解槽电流密度 250A/电解槽作业率 96%电流效率 97.9%同极中心距 100始极片尺寸 10501000mm电流强度 12000A（1）商品电解槽总数式中：N电解槽总数，个；M年产电解铜量，t；360年工作日，日；24日通电时数，h；电解槽作业率，%
52、；I电流强度，A；i电流效率，%；1.186铜的电化当量，g/（Ah） 。N=150000106/（360240.961200098%1.186） =433 个即电解槽总数为 470 个（2）电解槽极板数每槽阴极数按下式计算:式中：nc每槽阴极片数，片；I电流强度，A；Dk商品槽电流密度，A/m2186. 1I2436010MNi6ck cInD ffc每片阴极的面积，1.0201.0002。 c120000n2501.0501.0002=26 片即每槽阴极片数为 26 片。本设计电解槽两端为阳极，即阴极数比阳极数多一片。每槽阳极数：26-1=25 片（3）电解槽尺寸的确定电解槽长度：设电解槽
53、两端各留 200，则电解槽长度为：251002002=2900电解槽的宽度：设阴极两侧距超编各留 55，则电解槽宽度为：1000552=1110电解槽的深度：设阴极下部距槽底留 300，阴极上边距槽上沿 50，则电解槽深度为105028050=1380根据上述计算，电解槽内长宽深为：270011401400由前面可知电解槽壁厚和衬的厚度为 100，则商品电解槽外尺寸为：290013401500（4）种板电解槽数为了有利于配置及生产调度，取种板槽尺寸同商品槽尺寸。种板电解槽数按下式计算：cncN paX=2AB 1na式中：X种板电解槽数，个；N车间电解槽总数，取 883 个；nc一个商品电解槽
54、的阴极数，24 片；p一个阴极所需始极片量，取 1.06；a种板周期，1d；A阴极周期，取 6d；B一个种板电解槽的种板数，取 37 片；始极片废品率，0.050.2 之间，取 0.15。 X=38则种板电解槽数取为 132 个.表 75 商品电解槽技术性能名称单A 厂B 厂C 厂本设计电流强度KA181024.4812电流密度A/m2322330270300240250商品电解槽数量个280602336470种板槽数量个405620132长度77074010201050阴极宽度74067010001000长度74072010001000阳极宽度700620960960长度3400335056
55、502700宽度85079011601148电解槽尺寸深度1130100014001400每槽阳极数片43445024每槽阳极数片42455123同极中心距757080105100（5）直流电源通过硅整流器或可控硅整流器获得直流电源。目前一般中、小型铜电解工厂采用硅整流器。但可控硅整流器的电压可以有机调以达到稳压操作；直流操作电流波动范围小，可达到稳流操作；通过两套极性相反的并联可控硅整流器装置可以达到快速切换电流方向，满足周期反向电流电解的要求，其性能明显优于硅整流器。虽然设备价格较高，在老厂技术改造及新建大型工厂时，考虑企业提高电流密度，增产及分系列投产的需要，仍多采用可控硅硅整流器。硅整
56、流器和可控硅整流器的规格和台数根据电流、电压等条件进行选择。本设计中电流强度为 12kA；商品槽 1300 个，每个槽电压为 0.3V；种板槽 132 个，每个槽电压为 0.35V；脱铜电解槽 1 个，每个槽电压 2V；导线、母线、配电盘等的电压损失系数为 1.15，则总电压为：E=(4330.3+380.35+12) 1.15 = 192.027V表 76 株洲市三和整流器厂部分产品型号规格表额定直流输出型号/参数电流(A)电压(V)用途网侧(KV)外形尺寸(参考)长 X 宽 X 高KHS-3150/18.36.72.125.230315018.36.72.125.2301000 x800
57、x2000KHS-6000/3672125.230.315.400.630600036.72.125.230.315.400.6301200 x900 x2000KHS-10000/72.125.230.315.400.5001000072.125.230.315.400.500铝、镁、铅、锌、铜、锰、二氧化锰等有色金038610351101600 x900 x2000KHS-16000/125.160.200.250.315.400.500.630.80016000125.160.200250.315.400.500.630.8002200 x1000 x2000KHS-20000/125.
58、160.200.250.315.400.500630.80020000125.160.200250.315.400.500.630.8002400 x1000 x2000KHS-25000/125.160.200.250.315.400.500630.80025000125.160.200250.315.400.500.630.8003000 x1000 x2000KHS-31500/125.160.200.250.315.400.500630.80031500125.160.200250.315.400.500.630.8003500 x1000 x2000KHS-50000/125.160
59、.200.250.315.400.500.630.80050000125.160.200250.315.400.500.630.800属电解冶炼电加热制碳素、碳化硅等4000 x1200 x2200根据选定整流器的理论电流强度和计算的槽电压，并适当考虑富余系数选择来自于株洲市三和整流器厂整流器型号为：KHS-16000/160 的整流器。台数为一台。表 77 国内铜电解厂和本设计整流机型号规格及台数厂别每槽阴极面积，m2电流密度，A/ m2实际电流强度，A总电压降整流机装备（台数-电流电压）上冶483301600095100可控硅整流器 1-18000A105V贵冶10224024480112
60、可控硅整流器 1-30000A140V株冶37659800硅整流器 1-12000A120V本设计24012000可控硅整流器1-16000A160V大中型铜解工厂、商品槽和种板槽的直流供电系统应分开，小型工厂可共用直流供电装置。7.27.2 起重机起重机电解车间起重机主要用于阳极、阴极的出装槽机电解槽和其它设备维修。一般选用桥式起重机。A 起重机荷重的确定起重机荷重应考虑车间最大操作荷重。通常为吊架加起吊极板的总重量。一般中、小型厂均为单极出装槽，起重机的最大荷重应取一槽阳极和吊架重量之和；大型铜电解车间的极板加工排列多以实现了机械化，出装槽操作采用可双极起吊的专用吊架，起重机的最大荷重应取
61、一槽阳极和一槽始极片之和。a-槽阳极重量残极率为 15%；阳极寿命为 18d；电流强度为 12000A；电流效率 98%，每槽阳极为 24 片；则每块阳极的重量为：120001.18625180.9790.001/24（10.17）=222 Kg一槽阳极总重量：25222=5550kga槽始极片总重量（包括导电棒重量）始极片尺寸 105010000.5mm；吊攀尺寸 350500.5mm；取导电棒允许电流密度取 1.25 A/m2槽阴极数为 23，总电流强度 12000A其表面积为：12000/（241.25）=400设边长为 aaa=400a=20取导电棒边长为 17mm导电棒尺寸 2020
62、1340mm，中空 1414mm。一槽始极片重量1.050.960.0005268.910 =112 kg3一槽吊攀重量0.40.070.00052528.910 =6 kg3一槽导电棒重量（0.020.02-0.0140.014）1.34238.9103=55.96一槽始极片总重量112+6+54=172 kgc 专用吊车重量取专用吊车架自重 1000起重机的总荷重应在上述计算基础上考虑 1.21.5 的系数即：（6.408+0.172+1）1.2=9.096tB、起重机台数的确定起重机台数要根据电解槽数量、阴极周期及车间配置等因素确定。一般年产量 15000t 以下电铜的小型工厂设置一台起
63、重机即可满足商品槽及种板槽的生产要求。大、中型工厂商品槽及种板槽的起重机应分别设置。对大阳极板、大电解槽、大跨度单跨厂房布置的工厂，当机械化自动化程度高且采用双极起吊的专用吊架，商品槽系统设置一台起重机即可满足生产要求；其它情况则视车间电解槽数、极板处理机械化程度的因素酌情选择。本设计由于是 50000 吨的电解铜车间，所以选择起重机台数为 1 台。C、吊架形式目前有单极吊架和双极吊架。工厂规模小，机械化程度低，一般用单极吊架；双极吊架（即阴阳极吊架组合成一体） ，可以实现阴、阳极两种极板同时起吊，也可单独起吊阴极或阳极，也可半槽起吊阴极，采用双极吊架，可以减少起重机运行，缩短出装槽时间。D、
64、厂房跨度对起重机结构的要求电解厂房日益大型化，为了避免出装槽时挂钩不准而引起脱钩、漏吊和极板跌落砸槽等误操作，大跨度厂房吊车的驾驶室最好设在小车下方，并随吊架一道移动，便于吊车工观察槽面和准确操作。24m 以下小跨度厂房，驾驶室可设置在起重机的一端。另外，残极、电铜出槽时，极板上带有电解液滴落，不仅污染车间地面，而且污染槽面导电接触点，使槽电压增高，所以新建电解厂的起重机应尽量设置接酸盘。7.37.3 车间及跨的选择车间及跨的选择厂房平面轮廓有长方形、L 型、T 型、 型等数中，本设计采用长方形，其长度根据规模而定。厂房的柱网布置，要考虑设备及建筑规模的要求。采用框架结构的厂房，柱网距一般为
65、6 7m。跨的距离一般为 24m、30m、36m，但是本设计是铜电解车间，跨的程载能力要求不大，所以可以加大，根据设计要求选择 46m 的跨。本设计中，电解槽分为 10 排。7.47.4 循环液贮槽循环液贮槽A、循环液贮槽材质 贮液槽一般为钢筋混凝土制作，内衬铅板或软聚氯乙烯板。相邻槽共用槽避，槽壁设有连通管，以便轮换检修；槽面用薄软聚氯乙烯塑料的木板覆盖，以防酸雾逸散。有的铜电解车间采用了带盖的圆柱型全玻璃钢贮液槽，绝缘、密封性能好、造价低、易修补，使用效果较好。钢筋混凝土衬贮液槽的缺点是散热损失大，结构重、造价高、易漏液、漏电，并且施工有铅毒危险。B、循环液贮槽的确定根据实践，循环液贮槽（
66、包括事故贮槽）的容量约为电解槽内电解液总量的 20%左右。每个商品电解槽的容积2.71.1401.400=4.31m3每个种板槽的容积种板槽的尺寸于商品槽尺寸相同，即：其容积为：4.31m3每个电解槽容积减去电板体积后，实际装载的电解液体积为槽的 80%。商品槽（包括 1 个脱铜槽）的电解液的总量：4.310.8（1300+1）=4486 m3种板电解槽电解液总量：4.311320.8=455 m3则商品电解槽贮液槽容积为：44860.2=897.2m3种板电解槽贮液槽容积为：4550.2=91m3设贮液槽为立方体，其边长为 D。即：D1为商品槽贮液槽的边长，D13=897.2/N根据实际情况设定 N 为 13，则 D13=69m3D1=4.1m设定 D2种板槽贮液槽的边长，D23=91m3D2=4.5m即：10 个边长为 4.1m 的商品槽贮液槽，1 个边长为 4.5 的种板槽贮液槽。7.57.5 电解液加热器电解液加热器 电解液加热多数厂采用钛列管换热器或钛板换热器，部分厂仍用浮头列管式不透性石墨热交换器。钛板换热器阻力大，应设于电解液循环泵与高位槽之间，石墨管受震动易损坏，不宜直
