年产10万吨电解铜的铜电解车间设计

年产10万吨电解铜的铜电解车间设计

专 业：冶金工程

学 生：李宁宁 指导教师：党晓娥

设计总说明

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（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，阳极铜进行电化学溶解，纯铜在阴极中沉积，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。本设计主要对铜电解过程中的物料平衡、热平衡进行计算，对主要设备及辅助设备进行计算与选择，确定了铜电解过程中的主要技术经济指标，并对电解液的净化做了详细说明。

关键词：铜电解，物料平衡，热平衡，净化

Copper plant Design of Annual output

150,000 tons Aluminum

Specialty：Metallurgical engineering Name：Li Ning Ning Tutor：Dang Xiaoe

Design Description

Refining the precise copper produced electrolytically and concisely as the positive pole with fire law of copper, take copper sulfic acid and aqueous solution of the sulfuric acid as the electrolytic liquid very much with the electrolytic thin copper beginning that produces. Under the function of the direct current, positive pole copper carries on electrochemistry to dissolve, pure copper is deposited in the negative pole, the impurity is entered in positive pole mud and electrolytic liquid, thus realized the separation of the copper and impurity, have confirmed the main technical and economic index in the electrolytic course of copper. Have originally designed and also carried on supplies equilibrating, calculation and choice of the thermal balance, horizontal weighing apparatus, capital equipment and auxiliary equipment. the main technical and economic

indicators choice，And the electrolyte purification made detailed instructions

KEY WORDS:electrolytic copper,Equilibrate,purific

目 录

1 前言 ..................................................... 1

1.1铜的性质............................................ 1

1.1.1铜的物理性质.................................. 1 1.1.2铜的化学性质.................................. 3 1.1.3铜的主要化合物的性质.......................... 3 1.2铜的用途............................................ 4 1.3铜资源状况.......................................... 5

1.3.1世界铜资源.................................... 5 1.3.2中国资源...................................... 7 1.4中国铜的生产状况和消费.............................. 8

1.4.1中国铜的生产状况.............................. 8 1.4.2铜的消费...................................... 9 1.5.1铜的湿法冶金................................. 10 1.5.1铜的火法冶金................................. 11 1.6铜的新技术......................................... 12

1.6.1一种采用溶剂萃取净化铜电解液的方法本......... 12 1.6.2分散强化型电解铜箔及其制造方法............... 12 1.6.3硫化矿细菌浸出............................... 12 1.7设计的内容......................................... 13

1.7.1冶金计算..................................... 13

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1.7.2重要设备及辅助设备计算....................... 13 1.7.3制图内容和要求............................... 13

2 厂址选择 ................................................ 14

3.1铜电解精炼流程简述................................. 16 3.2铜电解精炼的理论基础............................... 18

3.2.1阳极过程..................................... 18 3.2.2阴极过程..................................... 18 3.2.3阳极上杂质................................... 19 3.3电解液的净化....................................... 20 4 铜电解精炼的主要设备选择 ................................ 21 5 铜电解技术指标 .......................................... 24

5.1铜电解的条件....................................... 24

5.1.1电解液组成................................... 24 5.1.2添加剂....................................... 24 5.1.3电解液温度................................... 25 5.1.4电解液循环................................... 25 5.1.5电流密度..................................... 25 5.1.6同极中心距................................... 26 5.2阳极寿命和阴极周期................................. 26 6 主要经济技术指标 ........................................ 27

6.1电流效率........................................... 27

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6.2残极率............................................. 27 6.3铜电解回收率....................................... 27 6.4槽电压............................................. 27 6.5直流电能电位消耗................................... 28 6.6硫酸单位消耗....................................... 28 6.7蒸汽单位消耗....................................... 28 7 电解精炼冶金计算 ........................................ 29

7.1电解槽设计计算..................................... 29

7.1.1商品电解槽总数............................... 29 7.1.2电解槽的极板数............................... 29 7.1.3每槽阳极片数................................. 30 7.1.5种板电解槽数................................. 30 7.2物料平衡计算....................................... 31 7.3铜电解精炼热平衡计算............................... 34

7.3.1热收入....................................... 35 7.3.2热支出....................................... 35 5.4净液量的计算....................................... 37 7.5硫酸盐生产物料平衡计算............................. 38

7.5.1计算铜料加入量............................... 38 5.5.2 计算硫酸铜产品产量 .......................... 39 5.5.3一次母液体积................................. 39

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大于铁，而铁对氧的亲和力大于铜，是反应CuO2+FeS=Cu2S+FeO向右进行到底。因此在冰铜中的FeS未完全氧化造渣以前，理论上Cu2S是不会被氧化的。

CuO2也不溶于水，但溶于HCl、H2SO4、FeCl2、FeCl3、Fe2(SO4)、NH4OH、等溶剂中，这些反应为湿法冶金所应用。

(5) 硅酸铜xCun·ySi2·zH2O自然界中的硅酸铜有硅孔雀石CuO·SiO·2H2O和透视石CuO·SiO·H2O。它们在高温下分解成稳定的2Cu2O·SiO2，后者易被H2、C、CO等还原，也易被FeO、CaO等强碱性氧化物和铜、铁硫化物分解，并能溶于浓硝酸、稀醋酸、盐酸和硫酸中。

(6) 硫酸铜CuSO4，自然界的硫酸铜为天蓝色三斜晶体系结晶的胆矾。无水硫酸铜为白色粉末，加热时分解成CuO和SO3(SO2+O2)。

硫酸铜易溶于水,铁、锌等可从硫酸铜中置换出铜。 (7) 氯化铜CuCl2，氯化铜无天然矿物，人造氯化铜为褐色粉末。熔点为498℃。沸点低，易挥发，也溶于水。氯化铜不稳定，加热至340℃即分解生成白色粉末的氯化亚铜：CuCl2=Cu2Cl2+Cl2。

1.2铜的用途

(1) 铜的导电性

铜最重要的特性之一便是其具有极佳的导电性，其电导率为58m/(Ωmm2)。这一特性使得铜大量应用于电子、电气、电信和电子行业。铜的这种高导电性与取原子结构有关；当多个单独存在的铜原子结合成铜块时，其价电子将不再局限于铜原子之中，因而可以在全部的固态铜中自由移动，其导电性仅次于银。铜的导电性国际标准为：长1m重1g的铜在20℃时的导电量公认为100%。现在的铜炼技术已经可以生产出同品级铜的导电量比这个国际标准高出4%~5% 。

(2) 铜的导热性

固体铜中含有自由电子所产生的另一重要效应就是其拥有极高的导热性，其热导性为386W/(m.k)，导热性仅次于银。加之铜比金、银储量更丰富,价格更便宜，因此被制成电线电缆、接插件端子、汇流排、引线框架等各种产品，广泛用于电子电气、电讯和电子行业。铜还有各种换热设备如热交换器、冷凝器、散热器的关键材料，被广泛应用于电站辅机、空调、制冷、汽车水箱、太阳能集热器栅板、海水淡化以及医药、化工、冶金等各种换热场合。

(3) 铜的耐蚀性

铜具有良好的耐蚀性能，优于普通钢材，在碱性气氛中优于铝。铜的电位

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序中是+0.34V，比氢高，是电位较正的金属。铜在淡水中的腐蚀速度也很低(约0.05mm/a)。并且铜管用于运送自来水时，管壁不沉积矿物质，这点是铁制水管所远不能及的。正因为这一特性，高级卫浴给水装置中大量使用铜制水管、龙头及有关设备。铜极耐大气腐蚀，其在表面可形成一层主要有碱式硫酸铜组成的保护薄膜，即铜绿，其化学成分为CuS04*Cu(OH)2及CuSO4*3Cu(OH)2。因此铜材被用于建筑屋屋面板、雨水管、上下管道、管件;化工和医药容器、反应釜、纸浆滤网;舰船设备、螺旋桨、生活和消防管网；冲制种类硬币(耐腐蚀性)、装饰、奖牌、奖杯、雕塑和工艺品(耐蚀性色泽典雅)等。

1.3铜资源状况 1.3.1世界铜资源

全球陆地上的铜矿资源量可能要比先前公布的16亿吨多。在深海中也蕴藏着丰富的铜矿资源，资源量可能达7亿吨。据2005年统计数字，全球铜矿储量4．7亿吨，基础储量为9．4亿吨。生产铜矿最多的前5个国家是，智利、美国、印度尼西亚、秘鲁和澳大利亚，2003年分别出产铜矿490万吨、112万吨 、97.9万吨、83.1万吨 、83.0万吨，全球铜矿资源分布及主要国家产量见表1-6。

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表1-1全球铜矿资源分布及主要国家产量

美国 澳大利亚 智利 中国 印度尼西亚 哈萨克斯坦 墨西哥 秘鲁 波兰 俄罗斯 赞比亚 其他国家 世界总值

铜矿产量 2003 1120 830 4900 610 979 485 361 831 495 675 330 1400 13600

2004 1160 850 5380 620 850 485 400 1000 500 575 400 1600 14500

储量 35000 24000 140000 26000 35000 14000 27000 30000 30000 20000 19000 60000 470000

基础储量 70000 43000 360000 63000 38000 20000 40000 60000 48000 30000 35000 110000 940000

注：e为估计值。资料来源：U.S．G910gimlSurvey，MinerdCommtySuImlmries，January 2005．

按照铜的证实储量，俄罗斯仅次于智利和美国，居世界第三位。诺里尔斯克地区和科拉半岛的铜镍矿床（占俄罗斯总储量的40%多）、乌拉尔和西西伯利亚地区54个黄铁矿型铜锌与多金属矿床（占俄罗斯总储量的28.6%)，是俄罗斯的主要铜原料基地，含铜砂岩型乌多坎矿床（23%）目前尚未开发，其余铜储量（75%）作为伴生组分产于其他矿床中。（占世界铜储量的60%以上）主要分布在美洲、大洋洲和东南亚诸国，层状铜矿床（大约20%)多分布在非洲国家（赞比亚、刚果）以及波兰、澳大利亚和阿富汗，含铜黄铁矿和黄铁矿多金

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属矿床（10%以上），往往分布在加拿大、日本、哈萨克斯坦、澳大利亚、阿富汗、俄罗斯。

1.3.2中国资源

目前，中国己发展成为全球最大的铜消费国、铜加工制造业基地、铜基础产品输出国，实现了中国铜工业的持续快速发展，对促进国民经济发展、增加财政税收及解决劳动就业等方而都取得了卓著的成绩，并且在世界铜行业内充当了重要角色。尽管如此，站在科学发展观的高度，认真审视我国铜工业产业链，就能够清晰地发现，铜资源依然是制约我国铜产业顺利发展的―瓶颈‖因素。因此，对铜资源问题必须引起我们的高度关注。

长期以来，我国铜资源不能满足国内消费需求，供需缺口较大，需要通过国际市场加以平衡，为此国家每年要花大量外汇。为了确保国民经济发展对铜产品的消费需要，保障铜资源的长期稳定安全供应，研究制定我国铜资源的发展战略己势在必行，但是在制定铜资源战略之前必须了解我国的铜资源现状，如表1-7所示。

表1-7 我国的铜资源现状与国外的铜资源现状比较

比较项目 国内

资源储量 2003年铜储量为1787万吨 保障程度 30.5年

矿床规模 大型铜矿少，中小型矿多；金

属量在500万吨以上的只有2个。

矿石质量 平均品位偏低，绝大多数斑岩

矿平均品位为0.5%。砂页岩型矿的平均品位为0.5%-1%

矿床类型 斑岩矿少，砂卡岩矿多，使

得溶剂萃取技推广受到限制；砂卡岩型铜矿多数适宜地下开采，开采成本高。

国内

2003年铜储量为47000万吨。 33.9年

巨型，大型铜矿多，铜矿年产在10万吨以上的有20个，其产量约占世界总量的45%。 平均品位偏高，智利与秘鲁斑岩型铜矿品位为1%-2%；刚果，赞比亚及波兰的砂页矿床品位为2%-5%；智利，美国及印度尼西亚等铜资源国家的斑岩型铜矿无论是矿床数量和储量均占80%以上，适宜使用溶剂萃取技术，使用成本偏低

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尽管我国铜矿资源的保障程度与世界铜矿资源的保障程度相仿，但是因资源的关系，我国铜矿资源的使用成本普遍高于世界，竞争能力十分有限。在全球经济一体化的大趋势下，应充分考虑利用国外的铜矿资源，这不仅是平衡国内铜市场供需缺口的需要，而且也是市场经济运行的必然选择。

我国铜矿资源的特点是中小型矿床多，大型、超大型矿床少。该特点使得我国铜矿山建设规模普遍偏小，且经过几十年的强化开采，它们的资源储量在大幅度减少，有的甚至己接近枯竭。虽然国家花大气力发展铜矿业，但是铜精矿(金属量)生产量并无显著增加;即使受国际上涨的影响，2004我国铜精矿(金属量)产量也仅有60.7万吨，比上年增长4.1%。另一方面，基于资源票赋关系，我国铜精矿的生产主要来自安徽、江西、湖北、石南及甘肃。以2004年为例，这五个省的铜精矿产量约占到全国总量的75%与此对应，这五个省的铜储量也占到全国的58.50%，基础储量占到全国的59.84%，查明资源储量将近占到全国的50%。因此，这五个省是我国铜工业的重要原料基地除湖北与石南外，其他三个铜精矿生产大省的共同特点是：它们的铜储量保障程度都比较高，且基础储量及查明资源储量都不错，具备资源储量级别升级的资源基础。考虑到地质勘查促进资源储量级别升级情况，未来20年内铜精矿生产大省的产能都能够稳住，甚至通过新建矿山及现有矿山产能的扩建，其铜精矿产量还有望扩张。但是也应看到，我国铜储量绝大部分都已被开发，在未来20年内还有一部分产能要消失，估计近几年新建的铜陵冬瓜山铜矿、石南大红山铜矿一期工程等重点工程，建成后只能弥补铜矿山消失产能。如果今后不增加大型铜矿床工程建设，估计铜精矿产量不会有多大的变化，基本维持在年产铜精矿(金属量)60万t的水平。

1.4中国铜的生产状况和消费 1.4.1中国铜的生产状况

据中国有色金属工业协会提供的统计资料显示，2000年底中国精炼铜产量为137.11万吨，2005年达260.04万吨，5年间增长100余万吨以上，居世界第二位；精铜消费量也呈快速增长态势，2000年精铜消费量为190万吨，2005年达到368万吨，居世界第一位。

中国铜产业技术改造步伐明显加快，装备水平大幅提高。江西铜业集团公司、铜陵有色金属集团公司、云南铜业集团公司等骨干铜冶炼企业，先后引进

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表3-1 2Cu??Cu2??Cu 的平衡数据

温度℃

Ek(v)Cu/(0.5molCuSO4)

CCu2?g/l

CCu2+g/l）×10

?3CCu2?CCu?

K?104 25 7.3 0.012

25 55 100

0.316 0.355 0.353

1.037 1.004 1.00

3 3.7 89

342 270 11.2

可见，平衡的Cu+浓度使很小的。但是它的存在，与硫酸作用进行Cu2SO4+1/2O2+H2SO4=2CuSO4+H2O反应，结果使电解液中的H2SO4不断减少，而Cu2+又不断增加，并按Cu2SO4= CuSO4+Cu反应生成铜粉进入阳极泥，使其中的贵金属含量下降。

在电极与电解液界面上还进行铜的化学溶解反应：

Cu+1/2O2+H2SO4= CuSO4+Cu

3.2.3阳极上杂质

根据阳极上杂质在电解时的行为，可将它们分为四类： (1) 正电性金属和以化合物存在的元素，金银和铂族金属为正电性金属。它们不进行电化学溶解而落入槽底。阴极铜中含有这些金属使由于阳极泥机械夹带来的结果。Ag2SO4可溶于电解液中，但当加入少量氯离子（HCl）时则形成AgCl进入阳极泥。

氧、硫、硒、碲、为稳定化合物存在的元素。它们以Cu2S、Cu2O、Cu2Te、Cu2Se、Ag2Se、Ag2Te等存在阳极板内，电解时亦进入阳极泥中。

(2) 在电解液中形成不溶化合物的铅和锡，电解时铅以PbSO4沉淀。锡以Sn2+进入电解液后氧化成。

1Sn4??SnSO4?O2?H2SO4?Sn(SO4)2?H2O?2

并按Sn(SO4)+2H2O=Sn(OH)2SO4+H2SO4水解沉淀进入阳极泥中。

(3) 负电性的镍、铁、锌，阳极中的铁和锌含量极微，电解时它们与金属镍一道溶入电解液中。一些不溶性化合物如氧化亚镍和镍云母会在阳极表面形成不溶薄膜，使槽电压升高或引起阳极钝化。

(4) 电位与铜相近的砷、锑、铋电解时，它们可能在阳极上析出。它们还生成极细的絮状SbAsO4和BiAsO4砷酸盐，漂浮在电解液中，机械的粘附在阴极上。其粘附量相当于砷锑放电析出的两倍，而且锑进入阴极的数量比砷大，因

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此锑的危害更为突出。

电解液需要净化，以除去它在电解过程中积累的杂质。

3.3电解液的净化

从上面的讨论得知，随着电解过程的进行，电解液内的铜和负电性元素逐渐增加，硫酸逐渐减少，添加剂逐渐积累。为此，每天抽出一定量的电解液进行净化处理，同时补充等量新液，以保持电解液原有的组成范围。净化的目的在于回收其中的铜、钴、镍，除去有害的砷和锑，以及能使硫酸返回适用。净化过程的顺序如下：

(1) 中和结晶 它是用铜粉中和电解液中的硫酸以产出硫酸铜：

1Cu?H2SO4?O2?CuSO4?H2O

2中和设备为间断的中和槽或连续的鼓泡塔。将中和液蒸发浓缩为高温（80～90℃）饱和硫酸铜溶液，冷却即析出胆矾结晶。结晶设备有带式水冷连续结晶机和水冷机械搅拌间歇结晶机。

用电积法可直接产出硫酸和铜。

(2) 脱铜和砷锑，结晶后的母液用不溶阳极电解回收铜和处砷锑：

1CuSO4?H2O?H2SO4?Cu?O22

同时也再生了硫酸。至电解后期，Cu2+低至8g/l下，砷、锑、铋与铜一起放电得含砷黑铜，并有大量氢放出。黑铜须返回到火法精炼中处理。除砷锑液可用萃取法或化学法。

(3) 生产粗硫酸镍，脱铜和脱砷锑的母液含有40～50g/lNi和300g/lH2SO4，再经蒸发浓缩使NiSO4达饱和，然后冷却结晶分离。结晶后液含7～10g/lNi和约400g/lH2SO4，若杂质含量低时，可将其加热和过滤，然后返回电解车间是使用；若含砷锑等杂质高，则须再蒸发浓缩，使其以无水硫酸盐析出，分离后溶液返回电解车间使用。

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4 铜电解精炼的主要设备选择

铜电解精炼的主要设备是电解槽（如图4-1）。它长为3.0～5.0m、宽为0.85～1.2m、高为1.0～1.5m的钢筋混凝土的长方形无盖槽子，内衬铅皮或聚氯乙烯塑料板。电解槽放在钢筋混凝土立柱架起的横梁上，槽底四角垫有电绝缘的瓷砖或橡胶板。槽侧壁的槽沿上敷有瓷砖或塑料板，于其上再放槽间导电铜板。阴极和阳极的耳朵塔在此导电板上。相邻槽间留有20～40㎜的槽间绝缘空隙。输电电路用复联法，即槽内极间电路并联、槽间电路串联。

图 铜电解槽

阳极宽为650～1000mm，长为700～1000mm，厚为35～50mm。上方的两耳分别搭在导电板和槽沿的瓷砖上。阳极表面要平整无毛刺，厚度要均匀，对会引起的阳极钝化和严重影响阴极质量的铅、砷、锑等杂质的含量要严格控制。

阴极是在始极槽（即种板槽)内电解制成，称始极片，厚为0.4～0.7㎜。其尺寸比阳极稍大，结晶致密且平整光洁。始极槽的母板为厚3～4㎜的紫铜板或钛板。用钛板时不用涂板，因它的传热率和膨胀系数与铜板相差很大。放入0～20℃的水中时，始极片即从钛板上脱落。

槽内阳极比阴极多一块。阳极寿命为20～30天，阴极寿命是阳极的1/2～1/3。电极边缘离电解槽壁50～70㎜，离槽底200～300㎜。同极中心距80～110㎜。

根据上述依据本设计的阳极宽为920㎜，宽950㎜，厚为40㎜：阴极宽为960㎜，长1000㎜；电解槽内尺寸长×宽×高=2600×1060×1360㎜;外尺寸长×宽×高=2800×1260×1460㎜；每槽阴极片数位22个，阳极23个，同极中心距100㎜；阳极寿命为24天，阴极寿命为12天。阴阳极和电解液组成见表。

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表4-1 阴阳极和电解液组成

元 素 阴极（%） 阳极（%） 电解液 （g/l) 元 素 阴极（%）

阳极（%）

电解液 （g/l）

0.2～0.7

Cu

99.99 99.2～99.8 40～60

S

O

0～0.02

0.04～0.3

—

Ni

0～0.002

0～0.5

—

Fe

0.0002～0.005 0.001～0.03 1～3

Pb

0.0005 0～0.1

—

As

0.0001～0.002 0～0.3

0.5～4

0.0004～0.005 0.001～0.015

—

Sb

0.0002 0～0.3

Bi

0～0.002

0～0.01

0.05～0.5

Se

0～0.0001 0～0.025

—

Te

0～0.0001 0～0.001

—

Ag

Au

Cl

— —

0.06～0.7

H2SO4

0.0005～0.001 0～0.1

—

0～0.00001

0～0.007

—

— — 160～210

电解液中Cu2+过低时可能有其他杂质析出；Cu2+过高时又会增大电解液电阻和可能在阳极表面出现CuSO4·5H2O结晶。电解液还加入添加剂以改善阴极质量。每吨电铜耗添加动物胶25～50g、硫脲20～50g、干酪素15～40g。

H2SO4可提高电解液的导电性，但硫酸浓度的升高，会使电解液中的CuSO4溶解度降低。

镍、砷、锑、铁等杂质的含量增高时，会增加电解液的电阻、降低CuSO4的溶解度和影响阴极质量，故对其含量需严格控制。

电解液温度一般为55～60℃。适当提高温度对Cu2+扩散和均匀电解液成分有利，但温度够高反而增大化学溶解和电解液蒸发,本设计电解液温度取60℃

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添加剂的作用是抑制阴极表面突出部分的晶粒继长大，从而促使其电积物均匀致密。添加剂是导电性较差的表面活性物质，它容易吸附在突出的晶粒表面上而形成分子薄膜，抑制阴极上活性区域的迅速发展，使电铜表面光滑，改善阴极质量。

电解液中Cl-可使生成AgCl和PbCl2沉淀和防止阴极产生树枝状结晶。有时还在电解液中加入少量絮凝剂以加速悬浮的阳极泥沉淀。

为了减少电解液组成的浓度差，电解液在电解槽内必须循环。循环方式有上进下出和上出下进两种，前者有利于阳极泥沉降且液温比较均匀，故常被采用。随着电流密度的增大，电解液Cu2+浓度差剧变，循环速度也需增大。

在循环系统中还设有加热和过滤设备。输液用铅管或聚氯乙烯管。过去用蛇形铅管加热电解液，本次采用传热效率高和蒸汽消耗少的浮头列管式石墨列管热交换器。

电解精炼重要的技术参数是电流密度。它与生产率、电耗和生产成本紧密相联。电流密度Dk是指每平方米阴极表面上通过的电流安培数，即A/m2。提高电流密度可增大铜产量，但同时也会增大槽电压和电能消耗，导致增大循环速度和金银损失。其中将有一个在允许电流密度范围内经济上最合理的电流密度，长期实践认为此值为220～230A/m2，本次取230 A/m2。

在高电流密度作用下，阴阳极间的Cu2+浓度差更加悬殊。这样就可能在阳极上由于Cu2+过饱和而沉淀CuSO4·5H2O，以及NiO和Cu2O等来不及脱落而使阳极钝化；而在阴极上Cu2+由于贫化而出现粗超结晶，甚至沉积铜粉。

槽电压也是电解的重要技术参数，它直接影响到电能消耗。电能消耗即生产一吨电铜的耗电量KW·h/t。电能消耗正比于槽电压而反比于电流效率，且电流密度增大时槽电压也相应增大。正常的槽电压为0.25～0.30V，其中主要是消耗在电解液的电阻上。

另一个重要的技术参数是电流效率，它是实际沉淀铜量与理论沉积铜量之比,电流效率直接影响电耗。一般电流效率为92～98%，电耗为200～250KW·h/t铜,本设计电流效率为98%。

在铜和铅的电解精炼中，已成功应用了周期反向电流电解技术。它使通过电解槽的直流电周期性地短时间反向，从而消除或减轻阴阳极附近Cu2+浓度差，可大大提高电流密度和生产率。周期反向电流电解的正反向通电时间为20：1，电流密度可提高到280～330 A／m2。

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5 铜电解技术指标

5.1铜电解的条件 5.1.1电解液组成

电解液为硫酸铜的硫酸溶液，其组成的选择与阳极成分，电流密度和电解的技术条件等因素有关，一般含铜40-50kg/m3，硫酸180-210kg/m3。电解液的电阻随硫酸程度的增加而降低，随含铜量的增加而升高。为节约电能，以采用高酸低铜的电解液组成较为有利，但必须同时对阳极及电解液纯度提出较高的要求，操作的电流密度也不能过高，以免影响阴极铜的质量。电解液中的硫酸含量也不恩那个提的过高，因硫酸铜的溶解度随着硫酸浓度的增加而降低，因此硫酸的含量高不宜大于230kg/m3。当阳极和电解液的纯度较低时，硫酸含量还应适当降低。生产实践表明，电解液中有害杂质允许含量如下表6-1所示。

表6-1 铜电解液中的有害杂质允许量（230kg/m33）

元 素 含 量

Ni 15

As 5

Fe 5

Sb 0.8

Bi 0.5

5.1.2添加剂

为了获得致密、平整的阴极铜，在点击过程中了除严格控制各工序的技术

条件外，还应加入适量的胶状物质和表面活性物质以改善阴极表面。一般采用的添加剂有：动物胶、硫脲、干酪素和盐酸等；其作用分数如下：

（1）动物胶 动物胶是铜电解精炼过程中的主要添加剂，它能细化结晶，改善阴极表面的物理状态，一般加入量为25-50克/吨，加入量过多时，电解液的电阻增大，阴极铜分层、质脆。

（2）硫脲 硫脲是一种表面活性物质，点到适用时作用不明显，通常与动物胶混合使用，能促使阴极铜表面细化、光滑、质地致密。硫脲一般加入量为20-50克/吨。

（3）干酪素 干酪素与动物胶混合使用，能抑制阴极表面粒子的生长和改变粒子的形状等作用。一般用量为15-40克/吨。

（4）盐酸 加入盐酸用来维护电解液中氯离子的含量。电解液中的氯离子可以使溶入电解液中的铅、银离子生产沉淀，同时还可以防止阳极钝化、防止

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阴极产生树枝状结晶。但氯离子过多时，阴极上会产生针状结晶。盐酸的一般用量为300-500毫升/吨。

本次设计添加剂添加的顺序为：动物胶、硫脲、干酪素和盐酸

5.1.3电解液温度

提高电解液温度能增加铜离子、硫酸根离子的扩散速度。减少极化。电解液的导电率随温度升高而增大，溶液温度升高，槽电压下降，对降低电能消耗有利。但溶液温度过高，会使蒸汽消耗量增大，车间酸雾增多。操作环境恶化。所以电解液温度一般控制在58-62℃为宜，当采用300安/米2以上的电流密度操作时电解液温度还可以适当提高至63-65℃，本次选用60℃。

5.1.4电解液循环

电解液循环可以促使电解液的组成和温度均匀一致，降低浓差极化，改善阴极铜质量。电解液的循环方式有两种：下进液、上出液和上进液、下出液。上述两种循环方式各有有缺点。下进液、上出液的循环方式有利于溶液充分混合。但与阳极泥沉淀方向相反，造成阳极泥沉淀困难。上进液、下除液的循环方式对阳极泥沉淀有利，但电解液上下层浓差较大。目前国内工厂采用上进液、下出液的循环方式较多。循环量主要决定用操作电流密度，当操作电流密度高时，必须采用较大的循环量以减少浓差极化。循环量一般为18-25循环量，本设计电解液的循环方式选下进液、上出液的方式，循环量取20循环量。

5.1.5电流密度

提高电流密度是增产挖潜的好办法。但随着电流密度的增大，槽电压上升，电流效率下降，电能消耗也相应增大。此外，损失于阴极铜上的贵金属业有相应增加。因此，一般以采用 220-240安/米2，本次取230安/米2。近年来，一些工厂为了挖掘生产潜力，在普通电解槽中采用300-350安/米2电流密度进行生产，在加强管理的情况下，也能产出合格的阴极铜。如表6-2 所示：

表6-2 电流密度、电流效率和电能消耗实测数据

年 份 电流密度（安/米2） 电流效率（%） 电能消耗（度/吨）

1965 247 8.4 188

1966 257 98.7 199

1971 305 92.73 256

1972 312 93.9 259

1973 331 95.35 274.74

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5.1.6同极中心距

缩短同极中心距能降低槽电压，减少电能消耗，还能提高劳动生产率。但极距过小会引起阳极泥对阴极的污染，电铜表面粗糙，贵金属的损失有所增加，管理不善还会降低电流效率。考虑上述因素。一般同极中心局以采用80-110毫米为宜，考虑实际情况选用100毫米。

5.2阳极寿命和阴极周期

阳极寿命一军电流密度、阳极重量和残极率来确定，一般在18-21天内选择。当电流密度采用300安/米2时，阳极寿命应缩短为12-14天。阴极周期与电铜质量、电流密度和劳动组织等因素有关，阴极周期一般为阳极寿命的1/3。

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6 主要经济技术指标

6.1电流效率

电流效率是指铜电解精炼过程中，阴极实际析出量与理论析出量的百分比。影响电流效率的主要因素有：

(1)短路 由于电极放置不正或阴极上产生树枝状结晶而引起短路。 (2)漏电 由于电解槽与电解槽之间、电解槽与地之间、溶液循环系统等绝缘不良而引起的漏电。

(3)化学溶解 阴极铜在硫酸中的化学溶解速度决定用溶液温度、硫酸浓度、铜离子浓度、三价铁离子浓度以及溶液氧含量。由于上述因素的影响，通常铜的化学溶解能使电流效率降低0.25-0.75%。

6.2残极率

残极率是指生产出残极量占消耗阳极量的百分比。残极率低可以减少重熔的费用和金属损失，提高直接回收率；但是，残极率过低又会造成槽电压升高，电能消耗增加，电能效率降低，甚至还会使残极碎片跌落槽底，损坏槽衬。因此，残极率以选择14-16%为宜，本次设计选15%。

6.3铜电解回收率

铜电解回收率反映铜电解过程中铜的回收程度，其计算方法如下：

铜电解回收率（％）=电铜含量（吨）∕（装入原料含铜量（吨）-回收品含铜量（吨））

回收品是指残极、铜屑、碎铜、制取硫酸铜溶液及阳极泥等含铜物料（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99.8%左右，本设计铜电解回收率选99.8%。

6.4槽电压

槽电压由下列各项电位降组成：电解液的电位降、各接触点和克服阳极泥电阻的电位降、浓差极化所引起的电极电位降等项相加所得之和。工厂普通电解槽的槽电压一般为0.2-0.3伏，种板电解槽则稍高一般为0.3-0.4伏。本设计电解槽电压选0.3伏，种板电解槽0.35。

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6.5直流电能电位消耗

每吨电解铜的直流电能消耗，实践中使用的计算方法如下： 直流电能电位消耗(度∕吨)=消耗直流电量（度）∕电铜产量

消耗的直流电量包括普通电解槽、种板电解槽、脱铜电解槽、再用残极槽及线路损失等全部直流电消耗量。

6.6硫酸单位消耗

硫酸电位消耗量一般为4-6公斤/吨。

6.7蒸汽单位消耗

近年来，国内大多数铜精炼厂已采用石墨热交换器代替铅蛇行形管加热器，热利用率有所提高。如采用铅蛇形管加热的工厂，蒸汽单位消耗量为1.5-2吨/吨，而某厂改用石墨热交换器以后，蒸汽单位消耗量已降至1吨/吨左右。

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7 铜电解精炼冶金计算

7.1电解槽设计计算 7.1.1商品电解槽总数

M?106 N? （7-1）

360?24????1.186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,%；

?-电流强度，A； ?-电流效率，%；

1.186-铜的电化当量，g/(A·h)。

150000?106N??1298

360?24?96%?12000?97.7%?1.1867.1.2电解槽的极板数

每槽阴极片数： n0?I+1 （7-2） Defe式中：n0—每槽阴极片数，片； I—电流强度，A； De—电流密度，A/m2； fe—每片阴极有效面积，m2。

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n0?12000?1?22片

300?0.95?1?27.1.3每槽阳极片数

为了使阳极均匀溶解和统一装起槽，一般以为电解槽中阳极比阴极多一片，因此每槽阳极片数为：22+1=23片。

7.1.4电解槽长度、宽度、深度

端壁与电极表面间的距离取200㎜，阴极两侧距离槽边取55㎜，电解液面至槽面距离取60㎜，阴极底边至槽底距离取3000㎜。

电解槽长度为：22?100?2?200?2600mm。 宽度为：950?55?2?1060mm。 深度为：1000?300?60?1360mm。 根据上面计算结果，电解槽内尺寸为： 长×宽×高=2600?1060?1360mm。

7.1.5种板电解槽数

为了有利于配置及生产调度，取种板槽尺寸与商品电解槽尺寸相同，种板电解槽数： X?Nncpa （7-3）

2AB(1??)?ncpaX-种板电解槽数，个；

N-车间电解槽总数，1420个；

nc-一个商品电解槽的阴极数，22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22片；

?-始极片废品率，0.05-0.2，取0.05.

X?1420?22?1.06?1?120.8

2?6?22?(1?0.05)?22?1.06?1 第 30 页

取121个。

7.2物料平衡计算

计算条件：产量为150000t电解铜/a，年工作日为360天。 火法精炼后阳极成分见表7-1。

表7-1 阳极成分 元素

Cu

Ni

As

Sb

Ag

Bi

Fe

Se?TeS O Au Pb

含量

99.3

0.05

0.3

0.026

0.065

0.02

0.002

0.01

0.002

0.12

0.005

0.1

电回收率：99.8%；电解品位：99.98%；残极率：15%；阳极泥率0.63％（对电铜）

铜电解过程元素分配(W/%)：

表7-2 铜电解过程元素分配(W/%)

元素 Cu Ni As Sb Ag Bi

Se?Te

进入电解液 1.95 80 64.4 14 — 18 — — — — — 75

进入阳极泥 0.05 19.82 35 80 97 80 98 95 98 98.5 95 5

进入电解铜 98 0.18 0.6 6 3 2 2 5 2 1.5 5 20

S O Au Pb Fe

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铜电解精炼的物料平衡

（1）1t阴极铜需要溶解的阳极量

1?99.98%?1.0089t

1?99.3%?99.8%（2）阳极实际需要量

1.0089?150000?178397.9742t/a

0.998?(1?0.15)（3）实际溶解阳极量

1.0089?150000?151638.2766t/a

0.998（4）阳极的含铜量

178397.9742×99.3%=177149.1884t/a

（5）残极量

178397.9742×15%=26759.69613t/a (6) 残极含铜量 26759.69613×99.3%=26572.37826 t/a （7）阳极泥量

150000×0.63%=945 t/a

根据阳极成分和计算的阳极泥中各元素量及其成分见表7-3

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表7-3 阳极泥中各元素重量级百分比

元素

进入阳极泥的量t/a

阳极泥成分，%

Cu

151638.2766×99.3%×0.05%=75.2

88

As

151638.2766×0.3%×35%=159.22

21.27

Ag

151638.2766×0.065%×97%=95.6079

12.77

10.06

Au

151638.2766×0.005%×98.5%=7.4681

元素

进入阳极泥的量t/a

阳极泥成分，% 0.997

Sb Ni

151638.2766×0.026%×80%=31.54 151638.2766×0.05%×19.82%=15.

027

4.21 2.007

Fe S

151638.2766×0.002%×5%=0.1516 151638.2766×0.002%×95%=2.8811

0.0202 0.3848

Pb Bi Se+Te

151638.2766×0.1%×95%=144.056 151638.2766×0.02%×80%=24.262 151638.2766×0.01%×0.98%=14.9

19.24 3.241 1.985

O 其它 共计

151638.2766×0.12%×98%=178.33

24.2

（8）阳极泥含铜量：75.288 t/a (9)电解液中含个元素的含量：表7-4

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