年产四万吨电解铜设计

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题 目：院（系）：专 业：学生姓名：学 号：指导教师（签名）：主管院长（主任）

（签名）：时 间：

年产4万吨电解铜的铜精炼

车间工艺设计 材料科学与工程

冶金工程 蔡蕾 3090701003

2013年 01 月08日

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年产4万吨铜的铜电解精炼工艺设计

本文主要设计了一座年产4万吨铜的铜电解精炼车间及电解工艺。通过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4万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：铜电解精炼，工艺设计，车间布置，物料平衡，热平衡

目录

年产4万吨铜的铜电解精炼工艺设计 ............................................................... 错误！未定义书签。 目录 ........................................................................................................................................................ 2 绪论 ........................................................................................................................................................ 4 1 概述 .................................................................................................................................................... 4 1.1 电解精炼的基本原理及电极反应 ............................................................................................. 4 1.2 铜电解工艺流程 ......................................................................................................................... 6 1.3本次设计中的一些参数.................................................................................................................. 7 2 厂址选择 ............................................................................................................................................ 8 3 原料—铜阳极 .................................................................................................................................... 9 4 技术操作条件 .................................................................................................................................. 10 4.1 商品电解槽 ............................................................................................................................... 10 4.1.1 电解液组成 .......................................................... 10 4.1.2 添加剂 .............................................................. 11 4.1.3 电解液温度 .......................................................... 12 4.1.4 电解液的循环 ........................................................ 13 4.1.5 电流密度 ............................................................ 13 4.1.6 同极中心距 .......................................................... 13 4.1.7 阳极寿命、阴极寿命 .................................................. 14 4.1.8 沈冶和贵冶技术操作条件事例 ........................................... 14 4.2 种板电解槽 ............................................................................................................................... 14 5 产物 .................................................................................................................................................. 15 5.1电解铜 ....................................................................................................................................... 15 5.2 阳极泥 ....................................................................................................................................... 15

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6 技术经济指标 .................................................................................................................................. 16 6.1 铜电解回收率 ........................................................................................................................... 16 6.2 劳动生产率 ............................................................................................................................... 16 6.3 直流电能单位消耗 ................................................................................................................... 16 6.4 蒸汽单位消耗量 ....................................................................................................................... 16 6.5 硫酸单位消耗 ........................................................................................................................... 17 6.6 水单位消耗量 ........................................................................................................................... 17 6.7 电流效率 ................................................................................................................................... 17 6.8 残极率 ....................................................................................................................................... 17 6.9 槽电压 ....................................................................................................................................... 17 7 主要设备的选择与计算 ................................................................................................................... 18 7.1 电解槽 ....................................................................................................................................... 18 7.1.1 电解槽材质 .......................................................... 18 7.1.2 电解槽的构造 ........................................................ 18 7.1.3 电解槽衬里材质 ...................................................... 18 7.1.4 电解槽进出液方式 .................................................... 19 7.1.5 铜电解槽的安装 ...................................................... 19 7.1.6 电解槽的计算 ........................................................ 19 7.2 起重机 ....................................................................................................................................... 19 7.3 车间及跨的选择 ....................................................................................................................... 25 7.4 循环液贮槽 ............................................................................................................................... 26 7.5 电解液加热器 ........................................................................................................................... 26 7.6 电解液循环泵 ........................................................................................................................... 27 7.7 阳极泥过滤设备 ....................................................................................................................... 28 7.8 槽边导电排、槽间导电板、阴极导电板 ............................................................................... 28 7.9 出装槽短路器 ........................................................................................................................... 29 7.10 极板作业机组 ......................................................................................................................... 30 8 铜电解精炼的冶金计算 ................................................................................................................... 31 8.1 铜电解精炼的物料平衡计算 ................................................................................................... 31 8.2电解液净化及硫酸盐生产冶金计算 ........................................................................................ 32 8.2.1概述 .................................................................................................................................. 32 8.2.2年处理净液量计算 .......................................................................................................... 35 8.2.3一段脱铜 .......................................................................................................................... 35 8.2.4硫酸铜结晶 ...................................................................................................................... 35

8.2.5二段脱铜 ......................................................................................................................... 36 8.2.6粗硫酸镍生产计算 ......................................................................................................... 37

8.3

铜电解精炼热平衡计算 .......................................................................................................... 38

8.3.1 计算电解槽液面水蒸发热损失 ........................................... 38 8.3.2 电解槽液面的辐射与对流的热损失 ....................................... 39

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8.3.3 电解槽壁的辐射与对流热损失 ........................................... 39 8.3.4 管道内溶液热损失 .................................................... 39 8.3.5 电流通过电解液所产生的热量 ........................................... 40 8.3.6 全车间需要补充热量： ................................................ 41 结语 ...................................................................................................................................................... 37 参考文献 .............................................................................................................................................. 41

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，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 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：

2? CuSO4=Cu2++SO4

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2? H2SO4=2H+SO4

+

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+

2?-2e=SO2+1/2O2 SO4E(?Cu2?/Cu)=+0.34V E(?O2/H2O)=+1.23V

E(?O/SO2?)=+2.42V

24

2?H2O和SO4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

2?氧在阳极上放出。至于SO4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 E(?Cu2?/Cu)=+0.34V 2H+2e=H2

+

E(?H?/H)=0V

2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：

KCu?CCu2??fCu2?C2Cu??f2Cu?

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 101 60 50 40 30 21 KCu 1.6×103 4.2×104 1.0×105 2.5×105 7.0×105 2.0×106 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0.143g/L。

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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+

1

Cu2SO4?H2SO4?O2?2CuSO4?H2O

2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

Cu2SO4?CuSO4?Cu

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，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

1Cu2O?2H2SO4?O2?2CuSO4?2H2O

21Cu?H2SO4?O2?CuSO4?H2O

2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

CuSO4?H2O?Cu2O?H2SO4

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，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的分离，铜精炼工艺流程如下图

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铜电解精炼一般流程图

1.3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） 40kt 年工作日 360d 电解槽作业率 96% 电流效率 98% 电流强度 12000A 始极片尺寸 1050×1000mm

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表二 阳极成分 元Cu As Sb Ni Bi Pb Se Te Au Ag Fe S 素 含99.0.180.020.100.00.030.040.040.000.060.000.00量48 1 1 3 06 1 8 7 46 21 66 57 % 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（%） Cu 1.91 0.09 98 As 65 35 微量 Sb 40 60 微量 Ni 80 20 微量 Bi 50 50 微量 Pb 96 4 Se 98 2 Te Au 98.5 1.5 Ag 97 3 Fe 75 8 17 S 96 4 Zn 93 4 3 Al 75 20 5 SiO2 100 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（%） 13.8 阳极泥率（对电铜）（%） 0.58 电解车间温度（℃） 25 电解槽外壁温度（℃） 35 Zn 0.0040 2 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；

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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3—1，2，3）。

表3—1沈、贵冶铜阳极尺寸 工厂名称 阳极长×宽×高，mm 重量，㎏/块 沈冶 贵冶 720×620×（38～42） 1000×960×45 145～148 370～380

表3—2 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， mm 720×620×（38～42） 1000×960×45 L×W×δ 长度公差 mm <5 ±10 厚度公差 毛刺，鼓泡<5 ±5 耳部下支持面至mm 65±5 极板上缘距离 支耳总长 mm 950±5 1300±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3—3铜阳极化学成分的一般要求 元Cu As Sb Bi Ni O2 Sn Fe Pb 素 含＞＜＜＜＜＜＜＜＜量 99 0.20 0.03 0.03 0.3 0.2 0.075 0.01 0.2 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、Tl、Mn和铂族元素，其含量为0.001～1ppm。

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

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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1.8～2.0ppm），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、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3—1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。 杂质元素 杂质含量 元素存在形式 阳极泥数量 溶解的氧

离子浓度 内部因素（阳极结构） 电流密度 阳极钝化 阳极泥结构 阳极泥吸附（阳极泥形成机理） 阳极泥形态 浓差极化 内部因素（阳极结构）

图3—1 阳极钝化的因素

4 技术操作条件

4.1 商品电解槽 4.1.1 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，

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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40～50ｇ/L，含游离硫酸180～210g/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4—1所示），随着含铜量的增加而升高。

表4—1酸度对百分电阻的影响（65℃） 硫酸的浓度（g/L） 100 150 175 200 250 电解液百分电阻 140 100 88.9 80.9 70.8 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4—2所示。

表4—2 25℃时硫酸铜的溶解度与硫酸含量的关系 H2SO4含量/（g/L） Cu含量 /（g/L） 40 60 90 100 150 180 78.73 74.82 69.61 67.33 58.51 52.22 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4—3铜电解液有害杂质允许含量（g/L） 元素 Ni Ai Sb Bi Fe 含量 <15 <7 <0.6 <0.5 <3 4.1.2 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，

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使槽电压增加0.03～0.05V，引起电耗增加，通常叫的添加量为每吨30～100g。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3～4%，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50～70g/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20～70g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；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—4常用添加剂种类和用量.g/t电铜 种类 明胶 硫脲 干酪素 盐酸，ml/t电铜 用量 25～50 20～50 15～40 300～500 4.1.3 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4—5温度对电解液百分电阻的影响（硫酸200g/L） 温度45 50 55 60 65 70 （℃） 百分 108.2 103.8 100.0 96.6 94.0 91.4 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58～60℃，本设计中将电解液温度定在60℃

江苏大学课程设计 4.1.4 电解液的循环

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4—1。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，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，以减少浓差极化。本设计电解液循环速度为40L/min槽。

电解液 电解液 上清液 底泥

图4—1 电解液循环方式

4.1.5 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，在我国这种电流密度是可行的。

4.1.6 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

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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。

4.1.7 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18～24天，本设计选阳极寿命为18天，阴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。

4.1.8 沈冶和贵冶技术操作条件事例

表4—7是国内一些企业的操作技术条件。

表4—7 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/电解液温同极中心距电解液循环速㎡） 度℃） （㎜） 度（L/min） 15～30 30 沈冶 240～245 60～68 80 贵冶 240 >60 105 表4—7 沈冶和贵冶商品电解槽技术操作条件（2） 名称 阳阴极循环方明胶硫脲干酪 极寿命周期 式 （ g/L） （ g/L） 素（ g/L） 公司 （d） （d） 沈冶 上进下出 100 70 70 槽中央底部贵30～20～进 18 12 100 冶 40 30 液上部出液 表4—7 沈冶和贵冶商品电解槽技术操作条件（3）（ g/L） 电解液成分 Cu H2SO4 Ni As Sb Fe Bi Cl- 公司 40～175～0.06～沈冶 ＞15 ≯3.5 ≯0.6 ≯1.5 48 210 0.03 贵冶 42 188 4.5 29 0.58 1.88 1.03 0.06 15 4～6 50～50～30～4.2 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0.7～1.0㎜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，

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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

5.1电解铜

表5—1粗铜和表5—2产物的电解铜等级、杂质含量规定（国标）

表5—1 粗铜化学成分（国标） 产品名称 铜不杂质不于％ 执行标少于 砷 锑 铋 铅 杂质总准 % 量 一级 99.3 0.1 0.06 0.01 0.03 0.7 YB740-8粗铜 二级 99 2 0.15 0.13 0.013 0.06 1 三级 98.5 0.2 0.18 0.3 0.15 1.5 四级 97.5 0.32 0.22 0.8 0.22 2.5 五级 96 0.8 0.7 0.12 0.8 4

表5—2电解铜化学成分（国标） 产代铜+杂质不大于％ 品号 银 砷 锑 铋 铁 名不称 少% 电一99.90.000.002 0.001 0.004 解号 5 2 铜 二99.9 0.000.002 0.001 0.005 号 2 镍 锌 硫 磷 总和 一电0.000.000.004 0.001 0.05 3 电号 2 解二0.000.000.004 0.001 0.01 铜 号 2 4 铅 锡 0.003 0.005 执行标准 YB740-82 0.002 0.005 5.2 阳极泥

阳极泥的产出率和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0.4～0.8%，本设计的铜阳极泥的产出率为0.58%（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5—3，4）。

表5—3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 0.87 0.37～0.69 0.45 0.6 0.58

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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10～20㎜的绝缘边。种板的实际尺寸为1110×1040㎜。

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7—4环氧树脂贴涤纶布的配比（重量比）实例 环氧树二丁石英乙二二甲苯树磷苯二甲酸编号 丙酮 脂 酯 粉 胺 脂 酥 配方100 25 50 100 85 Ⅰ 配方13～100 15 120 6～7 Ⅱ 14 配方100 15 40 5～6 Ⅲ 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30～35d，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40000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98%

同极中心距100㎜

始极片尺寸1050×1000mm 电流强度12000A

（1）商品电解槽总数 式中：

M?106N?360?24?I?i?1.186N—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； η—电解槽作业率，%； I—电流强度，A； μi—电流效率，%；

1.186—铜的电化当量，g/（A·h）。

N=40000×106/（360×24×0.96×12000×98%×1.186） =346个

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即电解槽总数为370个 （2）电解槽极板数 每槽阴极数按下式计算:

Inc?Dkfc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/m2

fc—每片阴极的面积，㎡，1.050×1.000×2。

12000

n c ? =23片 250×1.050×1.000×2 即每槽阴极片数为23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： 23-1=22片

（3）电解槽尺寸的确定 电解槽长度：

设电解槽两端各留200㎜，则电解槽长度为： 22×100＋200×2=2600㎜ 电解槽的宽度：

设阴极两侧距超编各留55㎜，则电解槽宽度为： 1000＋55×2=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 1050＋300＋50=1400㎜

根据上述计算，电解槽内长×宽×深为： 2600×1110×1400㎜

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： 2800×1310×1500㎜ （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：

X?Nncpa 2AB(1??)?ncpa式中：

X——种板电解槽数，个；

N——车间电解槽总数，取370个； nc—一个商品电解槽的阴极数，23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；

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ρ——始极片废品率，0.05～0.2之间，取0.15。 X=22

（5）确定脱铜槽尺寸和数量

采用的脱铜槽的尺寸与电解槽尺寸相同。脱铜槽每槽昼夜析出铜量按下式计算：

-6 mcu?1.186tniI?10

式中

mcu—昼夜析出铜量，t；

t—昼夜实际通电时间，24h；

ni—电流效率，98%；

I—电流强度，12000A。

mcu=1.186×24×98%×12000×10=0.338t/槽

?6根据前计算每昼夜脱铜槽脱铜0.3006t因此只需1个脱铜槽。 根据以上计算可知计算结果为：

普通生产槽370个，1个脱铜槽另外配置。

表7—5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 KA 18 10 24.48 12 电流密度 A/m2 322～330 270～300 240 250 商品电解槽数量 个 280 602 336 370 种板槽数量 个 40 56 20 22 长度 ㎜ 770 740 1020 1050 阴极 宽度 ㎜ 740 670 1000 1000 长度 ㎜ 740 720 1000 1000 阳极 宽度 ㎜ 700 620 960 960 长度 ㎜ 3400 3350 5650 2600 电解槽尺宽度 ㎜ 850 790 1160 1110 寸 深度 ㎜ 1130 1000 1400 1400 每槽阴极数 片 43 44 50 23 每槽阳极数 片 42 45 51 22 同极中心距 ㎜ 75 70～80 105 100 （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370个，每个槽电压为0.3V；种板槽22个，每个槽电压为0.38V；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

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1.15，则总电压为：

E=(370×0.3+22×0.38+1×2) ×1.15 = 139.564V

表7—6株洲市三和整流器厂部分产品型号规格表 额定直流输出 外形尺寸(参考) 型号/参数 用途 网侧电流(KV) 长X宽X高 电压(V) (A) KHS-3150/18.36.723150 18.36.72.121000x800x2000 .125.230 5.230 KHS-6000/3672125.6000 36.72.125.230.315.400.1200x900x2000 230.315.400.630 铝、630 KHS-10000/72.125.10000 72.125.230.镁、1600x900x2000 230.315.400.500 315.400.500 铅、锌、 125.160.200KHS-16000/125.160铜、250.315.400.200.250.315.400.16000 .500.630.80锰、2200x1000x2000 500.630.800 二氧 0 化锰KHS-20000/125.160125.160.200等有038 .200.250.315.400.20000 250.315.400色金6 500 .500.630.80属电10 2400x1000x2000 630.800 0 解冶35 KHS-25000/125.160125.160.200炼 110 3000x1000x2000 .200.250.315.400.25000 250.315.400 500 .500.630.80电加 630.800 0 热制125.160.200碳KHS-31500/125.160250.315.400.200.250.315.400.31500 .500.630.80素、3500x1000x2000 碳化500630.800 0 硅等 125.160.200KHS-50000/125.160.200.250.315.400.50000 250.315.4004000x1200x2200 .500.630.80500.630.800 0 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7—7国内铜电解厂和本设计整流机型号规格及台数 电流密度，实际电流厂别 每槽阴极面2积，m A/ m2 强度，A 上冶 48 贵冶 102 株冶 37 本设48.3 计 330 240 65 250 16000 24480 9800 12000 总电压降 95～100 112 139.564 整流机装备（台数-电流×电压） 可控硅整流器1-18000A×105V 可控硅整流器1-30000A×140V 硅整流器1-12000A×120V 可控硅整流器 1-16000A×160V 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。

江苏大学课程设计 7.2 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一槽阳极和一槽始极片之和。

a-槽阳极重量

残极率为13.80%；阳极寿命为18d；电流强度为12000A；电流效率98%，每槽阳极为22片；则每块阳极的重量为：

12000×1.186×25×18×0.979×0.001/22×（1－0.138）=230Kg

一槽阳极总重量： 22×230=5060kg

a—槽始极片总重量（包括导电棒重量）

始极片尺寸1050×1000×0.5mm；吊攀尺寸350×50×0.5mm；

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/（23×1.25）=417 设边长为a a×a=417 a=20

取导电棒边长为17mm

导电棒尺寸20×20×1340mm，中空14×14mm。 一槽始极片重量

1.05×0.96×0.0005×23×8.9×10=99.08 kg 一槽吊攀重量

0.4×0.07×0.0005×22×2×8.9×10=5.28kg

一槽导电棒重量

（0.02×0.02-0.014×0.014）×1.34×23×8.9×103=55.96㎏ 一槽始极片总重量

99.08+5.28+55.96=160 kg c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1.2～1.5的系数即： （5.06+0.160+1）×1.2=7.464t B、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重机即可满足商品槽及种板槽的生产要求。大、中型工厂

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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40000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、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。

7.3 车间及跨的选择

厂房平面轮廓有长方形、L型、T型、Π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。

7.4 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（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 2.6×1.110×1.400=4.04m3 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：4.04m3

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：

4.04×0.8×（370+1）=1199.07 m3 种板电解槽电解液总量： 4.04×22×0.8=71.1 m3

则商品电解槽贮液槽容积为： 1199.07×0.2=239.8m3

种板电解槽贮液槽容积为：

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71.1×0.2=14.22m3

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=239.8/N

根据实际情况设定N为13，则 D13=18.4m3 D1=2.6m

设定D2种板槽贮液槽的边长， D23=71.1m3 D2=4.1m

即：10个边长为2.6m的商品槽贮液槽，1个边长为4.1m的种板槽贮液槽。

7.5 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，不宜直接与电解液循环泵相连，而应位于高位槽之后，是电解液利用位差流入石墨热交换器内。换热器的传热面积通过热平衡计算确定。

传热面积按下式计算：

F=Q

3.6K?tm式中：

F—传热面积，㎡； Q—供给的热量，Kj/h； K—传热系数，W/（㎡·℃）；

?tm—平均温度差，℃

计算本设计传热面积如下：

4GJ；蒸汽温度T进=120℃；蒸汽h冷凝水温度T出=90℃；电解液进口温度t进=56℃；电解出口温度t出=60℃。

按逆流式传热计算：

已知：根据电解槽的热平衡计算，需供给热量Q?计算平均温度差?tm

?t1=120℃-60℃=60℃ ?t2=90℃-56℃=34℃ ?tm=（60-34）/ln60=45.8℃ 34计算传热面积F

钛板式换热器的传热系数K取：1890W/（㎡·℃）

列管式石墨热交换器的传热系数 K取：580W/（㎡·℃） 列管式钛热交换器的传热系数 K取：690W/（㎡·℃）

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70793983.62

3.6?1890?45.8=227.18

70793983.62 F石墨?3.6?580?45.8=740.29

70793983.62 F钛管?3.6?690?45.8=622.28

根据加热器的类别和材质计算的传热面积选择型式规格及台数；由于钛管加热器要定期清理结垢，石墨加热器的石墨管容易堵塞影响加热面积，故选择台数时均应考虑备用量。

F钛板?7.6 电解液循环泵

本设计选用120㎡的石墨加热器10台，其中2台作为备用。种板系统选用60㎡的石墨加热器2台，无备用。

泵的型式多数工厂使用悬臂卧式耐腐蚀离心泵，近年来 ，新建及改建的铜电解厂已推广使用立式耐腐蚀液下泵。其优点是可以避免因泵漏液腐蚀基础及地面；并可防止泵密封不严使空气进入电解液。

电解液循环泵一般采用不锈钢泵，也有用铅泵。贵冶电解车间采用1Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢泵，运行情况良好。本设计的普通电解液循采用FQA-8/32-7A-1循环泵12台 ，种板电解液循环采用FQA-5/25-8A-1循环泵4台。

泵的流量是根据车间电解液每小时循环量确定，扬程则根据电解液输送的垂直高度和扬程阻力损失确定。电解液循环泵需备用泵，备用系数一般为1.3～1.5

7.7 阳极泥过滤设备

国内铜阳极泥过滤设备采用板框压滤机或不锈钢三足离心机。

表7—8国内铜电解厂阳极泥过滤设备

厂名 A厂 B厂 C厂 D厂 E厂 设备型式 三足离心机 三足离心机 板框压滤机 板框压滤机 板框压滤机 三足离心机 设备材质 不锈钢 不锈钢 橡胶 橡胶 橡胶 不锈钢 规格，㎡ SS-800 SS-800 30 20 50 Φ600 台数 2 2 1 1 2 2 本设计采用SS-600离心过滤设备。

江苏大学课程设计 7.8 槽边导电排、槽间导电板、阴极导电板

A 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。导电排的允许电流密度可取1～1.1A/mm2；对小型精炼厂，由于电流强度不大，导电排的允许密度还可适当提高到1.4～1.6A/mm2。导电排截面积可按下式计算：

F1?A D1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/m2。

F1=12000/1=12000mm2

导电排的温度不应高于周围空气20～40℃，当计算出导体截面积后，还应用下式进行

KI2?温升演算：Q=

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；

?—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。

大型电解槽电流强度大，截面积过大的导电排难于在槽边安装，故不宜采用组合式的槽边导电排直接安装槽边，而是采用单片式导电排，沿槽边长度方向由多个接点自供电母线接入电流。

B槽间导电板

槽间导电板由紫铜制作，其断面一般采用圆形、半圆形、三角形等，使接触点保持清洁；槽间导电板允许电流密度可取0.3～0.9 A/mm2，

其截面积可按下式计算：

F2?A nD2

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式中

F2—槽间导电板的截面积，mm2；

A—总电流，A； 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0.5 A/mm2 F2?A=12000/23/0.5=1043.48mm2 nD2槽间导电板的截面积的确定，还与电解槽的操作方式有关，若出装槽作业采用人工横棒断路电操作，则槽间导电板截面积还须满足通过短路断电的要求验算。因横棒短路断电时间不长，允许电流密度以下不超过7.5 A/mm2为宜。

C 阴极导电棒

阴极导电棒一般以紫铜制作，其断面有方形、圆形、中空方形及钢芯铜皮方形等，视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1～1.25 A/mm2，结合实际取1 A/mm2其截面积可按公式计算， 本设计选用钢芯包铜方形导电棒，中空方形导电棒的壁厚通常采用4mm。

。

其计算公式为：

AF2?=12000/23/1=521.74mm2

nD27.9 出装槽短路器

电解槽出装槽时，需要短路断电。断电方式目前有两种，一为横铜棒断电，人工操作；一为采用遥控短路开闭器，即可在仪表室操纵，也可在现场手动操作，国内一般小型工厂操作电流强度小，可用单槽人工横棒短路断电；而大、中型工厂，采用大极板、大电解槽工厂，操作电流强度大，应采用遥控短路开闭器断电，以减轻劳动强度和保护槽面的绝缘电板。

7.10 极板作业机组

完整的极板作业机组主要包括阳极板准备机组、阴极板制备机组、电铜洗涤堆垛机组、残极洗涤堆垛机组、导电棒贮运机组和专用吊车等。

A 极板作业机组的配置

阳极板准备机组和阴极板制备机组长度较长，其受料部分慑于副跨内。

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B 阳极板准备机组

阳极板准备主要包括板面平整、挂耳矫正、铣削、等距离排列和浸泡等工序。按工艺要求选择不同功能组合的机组。

以下为两种阳极板准备机组的比较见表7—9。 表7—9两种阳极板准备机组的比较 类型 优点 缺点 通过水平和垂直矫耳，可将仅适用板面质量较好但挂耳单层布置的阳极挂耳在水平、垂直和扭转的变形较大或挂耳拔模斜度对板矫耳-排列机组 变形予以矫正 极板垂置有影响 双层布置的阳极适用于板面及挂耳的变形都板平整-矫耳-铣功能较完善 较大的情况，其结构较复杂。 耳-排列机组 C 阴极板制备机组 阴极板制备机组主要包括始极片的供给并整形、吊耳的供给、导电棒的供给、导电棒的穿入吊耳、吊耳与始极片的铆接装配以及排列等工序，按工艺需要选用不同功能组合的机组。

始极片对辊轧轧纹-钉二机组，该机组为一种半机械化操作的简单的阴极板制备机组，适用于生产规模小的电解工厂。

始极片多辊式矫直并轧纹-装配-排列机组。该机组没有设置导电棒贮存并供给装置，故需与电铜洗涤堆垛机组及导电棒贮运机组相配合使用。

D 电铜洗涤堆垛机组

电铜洗涤堆垛机组主要包括洗涤、导电棒抽出、电铜堆垛及称量等工序。按工艺需要选用不同功能组合机组。

该机组是将电铜拉开间距并设置两次洗涤，可提高洗涤效果。采取多根导电棒（每次20根）同时抽取，要求导电棒具有一定的平直度。

E 残极洗涤堆垛机组

残极洗涤堆垛机组主要包括洗涤、堆垛、称量、输送等工序。 F 导电棒贮运机组

导电棒贮运机组主要包括导电棒抽取、转运、贮存和给出等工序。 给机组的结构与动作较复杂，但其布置紧凑与前（电铜洗涤-堆垛机组）、后（始极片制备机组）的配合非常灵活。

G 吊耳切制机组

吊耳切制机组主要包括原片的供给、刷片、分切、落箱的工序。

8 铜电解精炼的冶金计算

8.1 铜电解精炼的物料平衡计算

计算条件：100000t/a电解铜，阳极成分见表8—1。 表8—1阳极成分如下（%）（1） Cu As Sb Ni Bi 99.48 0.181 0.021 0.103 0.006

Pb 0.031 Se 0.048

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表8—1阳极成分如下（%）（2） Te Au Ag Fe S Zn 0.047 0.0046 0.0621 0.0066 0.0057 0.0040 电解铜回收率：99.8% 电解铜品位：99.99% 残极率：13.80%

阳极泥率：0.58%（对电铜） 电解车间温度：25℃ 电解槽外壁：35℃

表8—2铜电解过程元素分配表如下表所示 元素 进入电解液（%） 进入阳极泥（%） 进入电铜（%） Cu 1.91 0.09 98 As 65 35 微量 Sb 40 60 微量 Ni 80 20 微量 Bi 50 50 微量 Pb 96 4 Se 98 2 Te Au 98.5 1.5 Ag 97 3 Fe 75 8 17 S 96 4 Zn 93 4 3 Al 75 20 5 SiO2 100 （1）1t阴极铜需要溶解阳极量： 1×99.96%／1×99.57%×98%=1.0253t （2）阳极实际需要量：

1.0253×40000／99.82%×（1－13.80%）=47663t/a

（3）实际溶解阳极量：

1.0253×40000／99.82%=41230t/a （4）阳极含铜量：

47663×99.57%=47458t/a

（5）残极量：47663×13.80%=7957.50t/a

（6）残极含铜量：7957.50×99.57%=7923.29t/a （7）计算阳极泥量：40000×0.58%=232t/a

根据阳极成分表8—1和表8—2计算的阳极泥中各元素量及其成分见表8—3。 （8）阳极泥含铜量：41230×0.9957×0.0009=36.95t/a （9）电解液中的铜量：41230×99.5%×1.94%=795.86t/a

表8—3 阳极泥率和阳极泥成分计算 元素

进入阳极泥的量（%）

阳极泥成分（%）

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Cu As Sb Ni Bi Pb Se+Fe Au Ag Fe S Zn 其他 共计

表8—4 铜电解精炼主要物料平衡

装入

物料名称

阳极

电解铜

物料量 Cu

%

99.5

99.96

99.5

10.62

795.86

94.72

61566.62

71.16 63.73 2.85

t/a

47663

40000 7923.29

232

残极铜

阳极泥

产出 电解液

损失

合计

41230×0.9957×0.0006=24.63 41230×0.00115×0.25=11.85 41230×0.00017×0.5=3.50 41230×0.00103×0.15=6.37 41230×0.00005×0.45=0.93 41230×0.00031×0.98=12.53 41230×0.0008×0.99=32.65 41230×0.000046×0.985=1.87 41230×0.000619×0.98=25.01

41230×0.000048×0.10=0.1979 41230×0.000047×0.97=1.88 41230×0.000040×0.04=0.066

121.35 232

10.62 5.103 1.511 2.745 0.40 5.39 14.07 0.8052 10.78 0.0853 0.81 0.0028 52.34 100.00

t/a 47424.69 39984 7883.67 24.63 As

% t/a Ni

% t/a Au Ag

0.115 71.16 0.103 63.73 0.0046 2.85 0.0619

% t/a %

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38.30

t/a 38.30

注：表中未计入净液和阳极泥处理车间的返回物料。

8.2电解液净化及硫酸盐生产冶金计算

8.2.1概述

随着电解的进行，电解液中铜及负电性元素的浓度逐渐增加，硫酸逐渐减少，各种添加剂不断积累，从而使电解液成分逐渐偏离选定的范围。因此，须根据计算的结果，每天从电解系统抽出一定体积的电解液进行净化处理，同时往系统中补给相同体积的水和酸，使电解液总体积不变。

电解液净化有两种工序：中和—生产硫酸铜—二次电积脱铜脱砷锑—生产硫酸镍；一段电积脱铜—硫酸铜结晶—二段电积脱砷锑—生产硫酸镍。前种工序需要另外添加铜粉来中和电解液中的硫酸，硫酸铜产量较大，后种工序不仅没有中和工序，而且一段脱铜可以得到纯度99.5%的单质铜，硫酸铜产量相对较小。

本设计综合考虑铜的销量比硫酸铜的好，故选用后种工序对电解液进行净化。

8.2.2年处理净液量计算

根据净液量计算可知，电解液中铜离子浓度增长最快，溶解100kg阳极铜，需要净化的电解液量为29.44L。

另，生产1t阴极铜实际溶解阳极铜量为1.0202t， 所以，生产1t阴极铜，需要净化的电解液量为： 29.44×1.0202×1000/100=300.35 （L/吨阴极铜） 则本设计年需处理电解液量为： 300.35×40000/1000=12014m3/a

电解液主要元素组成及年处理量见表8-5。

表8-5 电解液主要元素组成及年处理量（12014 m3/a） 元素 浓度（g/L） 年处理量（t） Cu 49 588.69 Ni 1.44 17.30 As 4.55 54.66 Sb 0.122 1.47 Bi 0.071 0.85 H2SO4 180 / 8.2.3一段脱铜

表8-6 一段电解脱铜主要工艺技术条件 项 目 名 称 单 位 脱铜前液成份：Cu2+ g/L H2SO4 g/L 脱铜后液成份：Cu2+ g/L

技 术 条 件 49 180 42 江苏大学课程设计

H2SO4 一段铜纯度 电解液温度 电解液循环速度 电流密度 阴极片数 电流效率 同极距 阴极周期 槽电压 一段电铜产量：

99.5?103g/L % ℃ L/min·槽 A/m2 片 % mm d V 180 99.5 45-50 50-60 250 23 98 100 6 2 ?49-42??12014=189.24t/a

8.2.4硫酸铜结晶

表8-7 硫酸铜真空蒸发、水冷结晶主要工艺技术条件 项 目 名 称 蒸发前液成份： Cu2+ H2SO4 真空度 蒸发温度 蒸发强度 日蒸发时间 结晶温度 结晶时间 单 位 g/L g/L kPa ℃ kg/m2·h h ℃ h 技 术 条 件 42 180 60～67 80～90 45 24 32 8 采真空蒸发、水冷结晶生产硫酸铜。硫酸铜平均结晶率50%，硫酸铜含铜24.4%；结晶液体缩率70%；铜回收率98%。

42?12014?98%?60%?2=2481.07t/a 硫酸铜结晶量：324.4%?10

结晶母液体积：12014?70%?8409.8m3/a

42?12014?40%?98%=23.52g/l

8409.8180?12014?257.14g/l 母液含酸：

8409.8母液含铜：

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8.2.5二段脱铜

表8-8 二段电解脱铜主要工艺技术条件

项 目 名 称 脱铜前液成份：Cu2+ H2SO4 脱铜后液成份：Cu2+ 二段铜纯度 铜回收率 电解液温度 电解液循环速度 电流密度 阴极片数 电流效率 同极距 阴极周期 二段清槽周期 槽电压 单 位 g/L g/L g/L % % ℃ L/min·槽 A/m2 片 % mm d d V 技 术 条 件 23.52 257.14 0.5 70 98 50 30 250 23 98 100 6 7 2 (23.52?0.5)?8409.8?10?3?98%?271.032t/a 黑铜板，粉，产量：

70%黑铜板，粉含杂质质量：

8409.8?4.55?10?3?85%As??12.0%

271.0328409.8?0.122?10?3?85%Sb??0.32%

271.0328409.8?0.071?10?3?85%?0.19% Bi?271.032脱铜电解过程增酸：(23.52?0.5)?98?35.53g/l 63.5脱铜终夜含酸：35.53?257.14?292.17g/l

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8.2.6粗硫酸镍生产计算

在硫酸铜生产过程中镍的回收率为98%； 粗硫酸镍含Ni 23.5%；

回收酸含Ni 2g/L；Cu 0.3g/L；H2SO4 1100g/ L ；

进入粗硫酸镍生产中的镍量为：12014?2?10-3?98%?23.5%?5.52t/a； 忽略蒸发过程的酸损失不计，回收酸的体积应为：V?粗硫酸镍产量为：

229.01?8409.8?1925.95m3/a

10005.52?23.47t/a 23.5%根据以上计算，可得净化过程物料平衡表8-9。

表8-9 净液过程主要物料平衡表 序物料名称 号 不洁电解液 进入 物料量 Cu 含量 Ni 含量 As 含量 4.55 g/L Sb 含量 0.122g/L Bi 含量 0.071g/L t/a t/a t/a t/a t/a 12014 m3/a 49g/L 588.69 1.45g/L 17.30 54.66 1.47 0.85 加入铜料 小计 二级电铜 硫酸铜 420.608t/a 189.24t/a 2481.07t/a 99.95% 99.5% 24.4% 420.4 1009.09 188.29 605.38 17.30 54.66 1.47 0.85 产粗硫酸镍 出 黑铜板粉 回收酸 损失误差 23.47t/a 23.5% 5.52 17.49% 0.42% 0.26% 271.023t/a 1925.95m3/a 70% 0.3g/L 189.72 0.58 25.12 6g/L 11.56 0.22 47.40 7.26 1.14 0.33 0.70 0.15 8.3 铜电解精炼热平衡计算

电解过程中电解液的热损失有：电解槽液面水蒸发的热损失；电解槽液面的辐射和对流的热损失；电解槽壁的辐射和对流热损失；管道内溶液的热损失。

电解过程中的热收入有：电流通过电解液所产生的热量。 根据前面铜电解精炼槽计算的数据进行热平衡计算：

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以下为原始数据：

电解槽内尺寸：2600×1110×1400 mm 电解槽外尺寸：2800×1310×1500 mm 电解槽数：370个 电流强度：12000 A 槽电压：0.3V 电解液温度：60℃ 电解车间室温：25℃ 电解槽外壁的温度：35℃

电解液循环速度：25L/(min·槽)（商品槽与种板共用一个循环系统）

8.3.1计算电解槽液面水蒸发热损失

普通电解槽总液(含电极)表面积 F=2.6×1.11×370=1067.82m

2m每平方米电解槽液表面在无覆盖层的小时水分蒸发量查表6-5得1.35kg/（·h）

260℃水的汽化热为2358.42 kJ/kg。

ｑ1=1067.82×1.35×2358.42=3399796.86kJ/h

表8—10 不同温度时电解槽的水分蒸发量（kg/m2·h）

相对电解液温度（℃）

室温

湿度

（℃） 48.5 50 51.5 53.5 55 57 60

（%）

22 80 0.76 0.835 0.84 0.895 1.09 1.15 1.33 24 70 0.74 0.84 0.855 0.90 1.10 1.165 1.35 26 65 0.755 0.83 0.84 0.89 1.08 1.14 1.32

65 1.74

1.76 1.73

8.3.2 电解槽液面的辐射与对流的热损失

根据傅里叶公式： ｑ2=KF(t1- t2)

式中: ｑ2——电解槽液面的辐射与对流热损失（kJ/kg）；

K——辐射与对流联合给热系数（kJ/m2·h·℃），K取39.35； F——传热表面（m2）； t1——电解液温度（℃）；

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t2——车间空气温度（℃）；

ｑ2=39.35×1067.82×（60-25）=1470655.095 kJ/h

8.3.3 电解槽壁的辐射与对流热损失

1）普通电解槽槽壁总表面积

F=370×（2.8×1.31+2.8×1.50×2+1.50×1.31×2）=5919.26 m2 2）根据傅里叶公式：ｑ3=KF(t1- t2) 式中：t1为槽壁温度取35℃；

t2为车间温度取25℃

K——对钢筋混泥土槽壁kJ/（m·h·℃）k取35.17 ｑ3=35.17×5919.26×（35-25）=2081803.74kJ/h

28.3.4 管道内溶液热损失

1)电解液的循环量：

25×60×370×10?3=555 m/h 2)管道内溶液的热损失

可用下式计算： q4?Q?CP?t

式中：ｑ4——管道内溶液热损失（kJ/h）； Q——电解液循环量（L/h）； ?——电解液密度（kg/L），r取1250

Cp——电解液比热（kJ/kg·℃），Cp取3.43 Δt——电解液在管道内温度降（℃），Δt根据车间规模大小取2～4℃，大车

间取上限，小车间取下限。本次设计取3℃。

2?可由下式求出：

r?1.022?10-3{2.24[Cu]?0.55[H2SO4]?2.24[Ni]?2.37[Fe]?1.04[As]?0.58t} (4-5) 这里取[Cu]=4,[H2SO4]=185,[Ni]=15,[Fe]=0.5,[As]=3.5,以上单位均为g/L。 则t=60oC

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??1.022?10-3{2.24?40?0.55?185?2.24?15?2.37?0.5?1.04?3.5-0.58?60}

=1250kg/m3

ｑ4=555×1250×3.43×3=7138687.5kJ/h

8.3.5 电流通过电解液所产生的热量

可用以下公式计算： Q=4.18×0.239IEtN×10

式中：Q——电流通过电解液所产生的热量（kJ/h）；

I——电流强度（A）；

E——消耗于克服电解液阻力的槽电压（V）；约为槽电压的50%；

t——时间（s），t取3600； N——电解槽数。

Q=4.18×0.239×12000×0.3×0.5×3600×370×10?3=2395250.325kJ/h

?38.3.6 全车间需要补充热量：

ｑ1+ｑ2+ｑ3+ｑ4- Q =11695692.87kJ/h

铜电解精炼热平衡见下表：

表 8—11 铜电解精炼槽热平衡表 热收入 kJ/ h % 电流通过电解液产生的热量 加热器补充的热量 合计

电解槽液面水蒸发的热损失 电解槽壁辐射与对流的热损失 管道内溶液的热损失 合 计

2395250.325 16572196 18967446.33 3399796.86 2081803.74 7138687.5 14090943.2

12.63 87.37 100 24.13 10.44 14.77 50.66 100

电解槽液面辐射与对流的热损失 1470655.095

结语

铜电解精炼车间及工艺是国家基础建设的一个重要环节，工业生产中的先进经验、先

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进技术以及科学研究中的最新成果，都是通过设计加以推广和运用的。本设计的目的，在于根据原材料的特点和研究成果以及国内外工业实践，设计合理的工艺流程，选择合适的工艺设备并进行合理配置，根据工艺要求设计适宜的厂房结构和辅助设施，确保生产正常进行。

参考文献

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【7】华宏全，黄太祥.云铜铜电解生产工艺控制的技术进步.中国有色冶金，2005，Vol. 10, No.5: 36～38

【8】李进才.铜电解车间技术改造实践.甘肃冶金,2005, Vol.27, No.4: 85～86 【9】陈鹤群.有色冶金，2000,No.6.34～37

【10】金荣涛.电解铜箔生产与技术讲座.覆铜板资讯，2005，Vol.5：10～40 【11】A C Duvet, W J Rankin. Liquid us Temperatures and Vi cosities of FeO Fe2O3 SiO2 CaO MgO slag at compositions relevant to nickel matte smelting[J]. Scandinavian journ of Metallurgy，2002，31(1):59-67

江苏大学课程设计

进技术以及科学研究中的最新成果，都是通过设计加以推广和运用的。本设计的目的，在于根据原材料的特点和研究成果以及国内外工业实践，设计合理的工艺流程，选择合适的工艺设备并进行合理配置，根据工艺要求设计适宜的厂房结构和辅助设施，确保生产正常进行。

参考文献

【1】朱祖泽，贺家齐.现代铜冶金学.北京：科学出版社，2003.491～558 【2】蔡祺风.有色冶金工厂设计基础.北京：冶金工业出版社，2003.34～90 【3】王成刚,王齐铭等.金属提取冶金学.西安: 西安地图出版社，2000.104～112 【4】重有色金属冶炼设计手册（铜镍卷），冶金工业出版社，1996.289～455 【5】李进，王碧侠编.Metallurgical Engineering English，西安就建筑科技大学，2004.40～49

【6】T. T. Chen et.al., Canadian Metallurgical Quart. Vol.28, No.2, 1989, 127～134

【7】华宏全，黄太祥.云铜铜电解生产工艺控制的技术进步.中国有色冶金，2005，Vol. 10, No.5: 36～38

【8】李进才.铜电解车间技术改造实践.甘肃冶金,2005, Vol.27, No.4: 85～86 【9】陈鹤群.有色冶金，2000,No.6.34～37

【10】金荣涛.电解铜箔生产与技术讲座.覆铜板资讯，2005，Vol.5：10～40 【11】A C Duvet, W J Rankin. Liquid us Temperatures and Vi cosities of FeO Fe2O3 SiO2 CaO MgO slag at compositions relevant to nickel matte smelting[J]. Scandinavian journ of Metallurgy，2002，31(1):59-67

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