年处理7万吨电解铜电解槽计划说明书

冶金技术专业冶金设备课程设计说明书设计题目：年处理电解铜 7万吨电解槽专设计时间2015 12 21 至 2015 12 31班级：14冶金学生姓名：武俊阳安徽工业职业技术学院二0 一五年编制目录(1)设计进度安排及要求 21.1 进度安排 21.2 设计要求 2绪言 2(3)工艺流程选择及意义 33.1 工艺流程 33.2 设计意义 4(4)冶金计算 54.1 物料平衡计算 54.2 热平衡计算 6(5)主体设备选型及计算 85.1 主体设备选型 85.2 电解槽计算 115.2.1 电解槽极板数计算 115.2.2 电解槽尺寸计算 12(6)设计心得体会 12(7)主要参考资料 14151设计进度安排阶段阶段内容起止时间设计计算上2论证，物料平衡计算，设备选型及主体设备结构设计计算。1周说明书编写进行数据整理、流程选择和论文编写0.5周绘图绘制主体设备图1张0.5周设计内容要求：已知条件：年处理电解铜 7万吨/槽，阳极铜成分 Cu 99.43 %,电解铜回 收率99.8%;电解铜品位 99.95%;残极率15%;电流密度：320 A/m2;电解 槽作业率95%;电流效率：96%;同极中心距：95mm；始极片尺寸：770 740mm （阴极浸没于电解液深度为670mm ）2 绪言本文主要设计了一座年产 7万吨铜的铜电解精炼车间及电解工艺。通过 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7万吨铜的铜电解精炼槽进行了槽型设计及绘制出铜电解精 炼电解槽安装图。铜的火法精炼一般能产出铜99.0%99.8%勺粗铜产品，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，硫）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，硫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，硫等元素。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。3 工艺流程选择及意义3.1 工艺流程选择火法精炼产出的阴极铜品位一般为99.299.7%，其中还含有0.30.8%的杂质。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金属，特别是贵金属、铂族金属和稀散金属，必须对其进行电解精炼。粗铜电解精炼是以铜阳极板为阳极， 纯铜始极片或不锈钢板为阴极， 以硫酸铜和硫酸溶液为电解液， 将极板按一定的极距相间排列于电解槽内， 通入直流电，阳极不断溶解，便在阴极上析出电解铜。电解过程中，阳极铜中的贵金属和硒、碲等有价元素进入阳极泥，沉积于电解槽底， 定期排出， 送阳极泥车间提取贵金属。镍、砷、锑、铋等杂质大部分进入电解液，需从循环液中抽取一部分进行净化处理。工艺流程包括电解精炼和电解液净化两部分。以纯铜始极片为阴极，电源为恒向直流电，电流密度为220280A/m2。该法在世界各国均已有多年生产历史， 工艺成熟可靠，电耗低。特别是采用了机械化、 自动化水平高的阴阳极加工机组， 并采用新技术适当提高了阴阳极板的垂直度以后， 阴极铜产品质量得到显著的改善。是传统法的始极片制作工艺复杂， 不仅需要独立的生产系统，而且制作过程中劳动强度过大。除此之外， 这种工艺流程自身还存在两个难以克服的缺点：（ l ）电解精炼过程中存在 “极限电流密度” ，电解精炼时的实际电流密度必须低于极限电流密度， 否则就会使阴极铜沉积表面粗糙，甚至形成 “枝晶” ，造成电解槽短路，使电解过程能耗大大增加，并且影响正常生产过程和产品质量。（ 2）容易形成 “阳极钝化 ” ，在正常电压下阳极不能溶解， 必须提高电压使钝化膜在更高的电压下被破坏并溶解， 不仅影响正常生产，还会造成电能浪费和阴极铜的化学成分不稳定，进而影响产品的质量和物理性能电解忸阳极片残极陀极泥电解液阳吸泥度极TV送阪极昵返火法精炼513 或靖二级电薜桐果宇同粉粗硫豳铜结晶疏酸桐再生疏酸W T送电解返火法精燎送阳极泥 括炼成次麻姓建返回电解精焦丁丁返回熔炼生产椅炼疏嗤银图1-1电解铜的工艺流程3.2 设计意义0本设计的内容包括电解工艺的确定，铜电解精炼冶金计算，主要设备结构 图的绘制等。铜电解精炼工艺流程的确定通过比较，选择先进、经济、合理的铜 电解精炼的工艺流程。冶金计算：铜电解精炼冶金计算包括：电解过程金属平衡和物料平衡。重要设备尺寸计算及选择：根据工艺流程各个主要过程，合理地选择主要冶炼设备和确定个数、容量、 对其主要尺寸加以计算。主要设备结构图的绘制：铜电解槽图4冶金计算4.1 物料计算计算条件：年处理电解 Qto 7万吨 阳极铜品位阳：99.43%;电解铜回收率4：99.8%;电解铜品位阴：99.95%;残极率也：15%;铜电解过程元素分配儿系进入电解液进入阳极泥进入电解铜Cu/%e 1= 1.95 2 = 0.05 3= 98(1) 1吨阴极铜需要溶解阳极铜1 X 99.95%/1 X 99.43%X 98%=1.0258吨:(2) 阳极实际需要量：1.0258X 70000/99.8%X (1-15%) =84644 吨(3)实际溶解阳极量：1.0258X7000/99.8%=71949.9000吨(4)阳极含铜量：84644X 99.43%=84161.5292吨(5)残极量：84644X 15%=12696.6000 吨(6)残极含铜量：12696.6000X 99.43%=12624.2294吨(7)阳极泥含铜量：71949.9000X 99.43%X 0.05%=35.7699 吨(8)电解液含铜量：71949.9000X 99.43%X 1.95%=13950.258 吨物料平衡表物料名称物料量/吨%装入阳极含铜84161.5292100合计84161.5292产出残极含铜12624.229415阳极泥含铜35.76990.0425电解液含铜1395.02581.6576电铜7000083.17340损失及计算误差106.50410.1265合计84161.52924.2 热平衡计算设定： 电解槽内尺寸 2395X880X1120外尺寸 2495X980X1220电解槽数电流强度槽电压电解温度电解车间室温电解槽外壁温度电解液循环温度1000 个7490.3959A0.3v60C24C35C25L (min.槽)1.35KJ (m2.h)每平方米电解槽液表面在无覆盖层时的消失水分蒸发量为A 热收入热收入为电流通过电解液时所产生的热_-3Q=4.18X0.239EI l N10式中E消耗于克服电解液阻力的槽电压，V,为槽电压的50%左右I电流强度，A-一时间，为3600sN电解槽数Q=4.18X 0.239X 0.3X 0.50X 7490.3959X 3600X 1000X 10-3=4040849.8685KJ/hB热支出a电解槽总液(含电极)表面积F=2.395X 0.88X1000=2107.6 m2每平方米电解槽液表面在无覆盖层时的消失水分蒸发量为1.35KJ (m2.h)60 C的水气化热为 2358.42KJ/hq?=2107.6 X1.35 X2358.42=6710318.0892KJ/hb 电解槽液面辐射与对流热损失q?根据傅立叶公式： q?=K ( t?-t?) F式中K辐射与对流联合导热系数，KJ/ (m2.h. ),取39.35t?-t ?电解液与车间空气温度差，CF传热表面，m2q?=39.35 X (60-24) 乂 2107.6=2985626.16KJ/hc 电解槽外壁的辐射与对流的热损失q?电解槽槽壁总表面积：1000 X (2.495X0.98+3.63 X 1.22X2+0.98 X1.22X2) =13693.5m 2根据傅立叶公式： q?=K (t?-t?) F式中K对钢筋混凝土槽壁，KJ/(m2.h. 0C)当槽壁温度为35 C,车间温度为 2 C 时，取 35.17q?=35.17 ( 35-24 ) X13693.5=5297604.435KJ/hd 循环管道内溶液热损失q4电解液循环量25 X60 X1000 xio-3=1500m ?/hq4=Q CpAt式中q电解液循环量，1500m3/h7电解液密度，1250Kg/m3g电解液热容量，KJ (Kg. C), 3.43国电解液循环管道内的温度降，At根据车间规模大小取24,大车间取上限，本列取3 Cq4=1500 X1250 M.43 0=19293750 KJ/h全车间需补充热量qi+q2+q3+q4-Q=6710318.0892+2985626.16+5297604.435+19293750-4040849.8685=30246448.816KJ/h铜电解热平衡热收入KJ/h%电流通过电解液产生的热量4040849.868511.7853加热器补充的热量30246448.81688.2147合计34287298.684100电解槽液面水蒸发热损失6710318.089219.5715电解槽液面辐射与对流热损失2985626.168.7077电解槽外壁辐射与对立热损失5297604.43515.4507循环管道内溶液热损失1929375056.2701合计34287298.6841005主体设备选型及计算5.1、电解槽的选型A电解槽材质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，单槽整 体预制，及预制板拼装式槽体。整体就地捣制施工快、造价低。但是检修不便， 绝缘处理难，易漏电；而单槽整体预制，搬运、安装、检修、更换方便、绝缘好， 漏电少，为多数工厂所采用；预制工电解槽搬运、安装、更换方便，造价低，节 省车间面积。为国外一些新工厂采用。 另外还有吠喃树脂混凝土电解槽， 这种槽 体机械强度高、耐腐蚀，耐热性能好，遇机械操作而开裂维修方便，但造价高。 B电解槽的构造通常电解槽由长方形槽体和附设的供液管、 排液斗、出液斗的液面调节堰板 等组成。槽体底部常作成由一端向另一端或由两端向中央倾斜，倾斜度 3%,最 低处开设排泥孔，较高处有泊槽用放液孔。放液排泥孔配有耐酸陶瓷或嵌有橡胶 圈的硬铅制作的案子，防止漏液。止匕外，在钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔， 以观察内衬是否破损。钢筋混凝土电解槽壁厚一般为 80120（本设计选取100） mm。C电解槽衬里材质钢筋混凝土电解槽内衬应是造价低廉、 耐温、耐腐蚀和电绝缘性能良好的材 料，一般为铅或含睇36% （本设计选取5%）的铅睇合金板，软板聚氯乙烯和 玻璃钢，铅衬厚一般为35 （本设计选取5） mm；聚氯乙烯衬里通常为二层， 每层厚45 （本设计选取5） mm；内层塑料衬里一般不整槽铺设，仅在极板易 落下砸破处局部铺设；玻璃钢衬里一般为 610 （本设计选取8）层，厚约35 （本设计选取5） mm。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，机械性能和电绝缘 性能差，易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，价格比衬铅的低廉树脂材质要求严，施工技术要 求高D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和金、银的损失。小阳极板电解时， 由于电解槽尺寸比较小，一般采用上进液、下出液的循环的方式。 随着电解槽的大型化、 电极间距的缩小及电流密度的提高， 通常的电解槽供排液方式难以适应生产要求， 有的采用槽底中央给液， 槽上两端排液的供液方式， 即在电解槽槽底中央沿槽长度方向设一个给液管， 或在槽底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的隔板式三角堰板。三角堰板同时也可以观测电解液流量。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一供液口，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角线喷射， 由排液口将电解液引向电解槽排出。 此方法能防止阳极泥上浮。E 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34 （本设计选取4） mm,比横梁每边宽出50300（本设计选取75） mm 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2030 （本设计选取 30） mm 的空隙。槽侧壁顶面覆以塑料或硬橡胶板、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、阳极板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 （本设计选取70）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（本设计选取200）空间作为阳极泥的沉积用。a 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。机械化程度较高的大型工厂采用大型阳极板，其重量范围一般有300Kg 以上中、小型工厂，机械化程度较低，常采用小型阳极板，具重量约 150260200) Kg3555（本设计选b阴极板为避免阴极边缘生成树枝状结晶，阴极板尺寸比阳极板宽 取40）mm,长2545（本设计选取30）mm。5.2.1 、电解槽的计算a电流强度：1=一一 一 3M 10324* 一1.186式中：I 电流强度，A;24日通电时数，h;1.186铜的电化当量，g/A ?h;电解槽作业率，%;M 年产电铜量，Kg;以一一电流效率，%。360年工作日，大。M 103I=24 *1.186=70000X 103/24X 360X 95% X 96%X 1.186=7490.3959Ab电解槽的极板数:1=言+1 =(7490.3959/320x 0.770x0.740x 2) DK 1 c+1=20.5401+ 1=22 片式中：nc电解槽的阴极板数，个；I 电流强度，A;Dk电流密度，；fc每片阴极板的面积，m2。九=1阴8阴X2nc+1 = (7490.3959/320X 0.770X 0.740X 2) +1=20.5401+ 1=22 个 DC商品电解槽总数N=M X 106/360 X 24 t I 仙 X 1.186式中N电解槽总数，个M 年产电解铜量，吨360年工作日，日24日通电时数，h“一一电解槽作业率，I电流强度，A以一一电流效率，%N=70000X106/ (360X 24X 0.95X 7490.3959X 0.96X 1.186) =1000个5.2.2 电解槽内部尺寸的确定：电解槽长度：L=(nc-1)d +I1+I2式中nc一一阴极片数，个；设电解槽两端为阴极。d同极中心距，mm；11 一一电解槽进液端的极板至槽端壁的距离；12 一 电解槽出液端的极板至槽端壁的距离。电解槽宽度：B=B阴+2b式中 B阴一一阴极宽度，mm；b一阴极边缘至槽侧壁的距离，mm。电解槽深度：H = h + h2 + h3式中h1槽内液面至槽面的距离；h2一一阴极浸没电解液的深度；h3一一阴极下沿至槽底距离。设定电解槽进出液端的极板至槽端壁的距离l1, l2均为200 mmL=(nc-1)d +l1+l2=(22-1)*95+200+200=2395 mm设定阴极边缘至槽侧壁的距离为 70 mmB=B 阴+2b=740+2*70=880 mm假定槽内液面至槽面的距离为 50 mm,阴极下沿至槽底距离设为300 mmH = h1 + h2 + h3=50+770+300=1120 mm6设计心得体会通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关铜电解精炼方面的知识， 在 设计计算过程中虽然遇到了一些问题， 但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的 检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手设计，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我不断发现错误，不断改正，不断领 悟，不断获幽最终的电解槽的尺寸，本身就是在践行 过而能改，善莫大焉”的知 行观。这次课程设计终于顺利完成了， 在设计中遇到了很多问题，最后在老师的 指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中, 一定要不懈努力， 不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在， 然后一一进行解 决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不 是知难而退，那样永远不可能收获成功， 收获喜悦，也永远不可能得到社会及他 人对你的认可！课程设计诚然也是一门专业课,给我很多专业知识以及专业技能上的提升, 同时 又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空 问。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课 程设计，我掌握了一些冶金设备以及电解槽常用衬里材料，最终对铜冶金工艺有了更进一步的了解。此次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白的地方要及时请教或上网 查询，只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识，收获颇丰。7 主要参考资料1 .冶金设备系列教材，唐谟堂主编，中南大学出版社， 20022003 年2 . 有色冶金炉，孟柏廷编 中南大学出版社 1989 年3 .铜、铅、锌、冶炼设计参考资料，上、下册4 . 有色冶金工厂设计，蔡祺风，冶金工业出版社， 1991 年1516