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 ：专设计时间班级：年处理电解铜7 万吨电解槽2015 12 21至2015 12 3114 冶金学生：武俊阳工业职业技术学院二 0 一五年编制目录(1) 2 1.1 21.22(2) 2(3) 33.133.24(4) 54.154.26(5) 8 5.1 85.2111112(6) 12(7) 141 设计进度安排阶段阶段容起止时间工艺论证，物料平衡计算，设备选型及主体设备设计计算1 周结构设计计算。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 10.5周设计容要求 ：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： 320A/m2；电解槽作业率 95 ；电流效率： 96 ；同极中心距： 95mm ；始极片尺寸： 770740mm （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%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，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图 1-1 电解铜的工艺流程3.2 设计意义。本设计的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Qt。7 万吨阳极铜品位 阳 ：99.43；电解铜回收率：99.8；电解铜品位 阴 ：99.95；残极率： 15；元素Cu/铜电解过程元素分配进入电解液进入阳极泥 1 1.9520.05进入电解铜 398（ 1） 1 吨阴极铜需要溶解阳极铜 199.95%/199.43% 98%=1.0258 吨：（ 2） 阳极实际需要量： 1.0258 70000/99.8%（ 1-15%）=84644 吨（ 3）实际溶解阳极量： 1.02587000/99.8%=71949.9000吨（ 4）阳极含铜量： 8464499.43%=84161.5292吨(5)残极量： 8464415%=12696.6000吨（ 6）残极含铜量： 12696.600099.43%=12624.2294吨（ 7）阳极泥含铜量： 71949.900099.43% 0.05%=35.7699吨(8)电解液含铜量： 71949.900099.43%1.95%=13950.258 吨物料平衡表物料名称物料量 /吨装阳极含铜84161.5292100入合计84161.5292产残极含铜12624.229415出阳极泥含铜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：电解槽尺寸23958801120外尺寸 24959801220电解槽数1000 个电流强度7490.3959A槽电压0.3v电解温度60C电解车间室温24C电解槽外壁温度35C电解液循环温度25L （ min. 槽）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）A 热收入热收入为电流通过电解液时所产生的热Q=4.18 0.239EI 10-3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时间，为 3600sN电解槽数Q=4.18 0.239 0.3 0.507490.39593600100010-3=4040849.8685KJ/hB 热支出a 电解槽总液（含电极）表面积F=2.3950.881000=2107.6m2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）60C 的水气化热为2358.42KJ/hq?=2107.6 1.35 2358.42=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. C），取 39.35t?-t ?电解液与车间空气温度差，CF传热表面， m2q?=39.35 (60-24)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 （ 2.495 0.98+3.63 1.222+0.98 1.22 2） =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. C）当槽壁温度为35 C，车间温度为 2 C 时，取 35.17q?=35.17 （ 35-24 ）13693.5=5297604.435KJ/hd 循环管道溶液热损失 q4电解液循环量25 60 1000 10 -3 =1500m?/hq 4 =Q Cp t式中Q电解液循环量，1500m3/h电解液密度， 1250Kg/m3Cp 电解液热容量， KJ（Kg. C）， 3.43t 电解液循环管道的温度降，t 根据车间规模大小取24 C，大车间取上限，本列取3Cq4=150012503.433=19293750KJ/h全车间需补充热量q1+q2+q3+q4-Q=6710318.0892+2985626.16+5297604.435+19293.8685=30246448.816KJ/h铜电解热平衡热收入KJ/h%电流通过电解液4040849.868511.7853产生的热量加热器补充的热30246448.81688.2147量合计34287298.684100电解槽液面水蒸6710318.089219.5715发热损失电解槽液面辐射2985626.168.7077与对流热损失电解 槽外 壁辐 射 5297604.43515.4507与对立热损失循环管道溶液热1929375056.2701损失合计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。 另外还有呋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， 较高处有清槽用放液孔。 放液排泥孔配有耐酸瓷或嵌有橡胶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，一般为铅或含锑 3 6（本设计选取 5 %）的铅锑合金板， 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；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，耐温性价格昂贵，机械性能和电绝缘能好性能差，易漏电软聚氯乙烯板施工简单，价格低廉，有耐热性能较差，机械性能随温优良的绝热和电绝缘性能度上升而降低，易老化玻璃钢绝热，绝缘性能好，耐腐树脂材质要求严，施工技术要蚀，价格比衬铅的低廉求高D 电解槽进出液方式电解槽进出液直接影响槽铜离子、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衬连成整体。出液漏斗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 50 300 （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50 80mm（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，其重量约150 260（本设计选取 200） Kgb 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35 55(本设计选取 40)mm，长 2545(本设计选取 30)mm。、电解槽的计算a 电流强度： I=M10324 ?1.186i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；i电流效率，。360年工作日，天。M1033I=?1.186=70000 10 /24360 95 96%1.186=7490.3959A24? ?ib 电解槽的极板数：ncI+1 = （ 7490.3959/320 0.770 0.740 2）D K f 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，；f c每片阴极板的面积，m2。f c =L 阴B 阴 2ncI个+1 =（7490.3959/320 0.7700.7402）+1=20.5401 1=22D K f cC 商品电解槽总数N=M 106/36024I 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电解槽作业率， %I 电流强度， A电流效率， %N=70000106 /（ 360240.957490.39590.96 1.186） =1000 个电解槽部尺寸的确定：电解槽长度： L=(nc-1)d l1+l2式中nc阴极片数，个；设电解槽两端为阴极。d同极中心距， mm；l 1电解槽进液端的极板至槽端壁的距离；l 2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 阴阴极宽度， mm；b阴极边缘至槽侧壁的距离，mm。电解槽深度： Hh1h2 h3式中h1槽液面至槽面的距离；h2阴极浸没电解液的深度；h3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l 1， l2 均为 200 mmL=(n c-1)d l 1+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假定槽液面至槽面的距离为50 mm，阴极下沿至槽底距离设为300 mmHh1 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，不断获龋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，给了我莫大的空间。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，20022003年2.有色冶金炉，孟柏廷编中南大学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，1991 年