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铜电解精炼车间工艺设计

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来源:admin    发布日期:2020-01-02

  铜电解精炼车间工艺设计_能源/化工_工程科技_专业资料。技术条件及技术经济指标的选择,冶金计算,辅助设备的选择,车间配置,主体设备的设计

  铜电解精炼车间工艺设计 制定人:孙 健 主要内容 ?铜电解精炼概述 ?铜电解生产的基本原理 ?技术条件及技术经济指标的选择 ?主体设备的设计 ?冶金计算 ?辅助设备的选择 ?车间配置 2 铜电解精炼概述 铜的火法精炼一般能产出含铜 99.0% ~ 99.8%的粗铜产品。 铜的电解精炼,是将火法精炼的铜浇铸 成阳极板,用纯铜薄片作为阴极片,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。 3 一.铜电解精炼概述 溶液中的铜在阴极上优先析出,而其它电 位较负的贱金属不能在阴极上析出,留于电解 液中,待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。 4 铜电解生产现场 5 永久性不锈钢阴极电解技术的主要特点 电流密度高、极距小 阴极周期短、产品质量高 残极率低 蒸汽耗量低 流程简单、自动化程度高、操作人员少 金属积压量少、流动资金周转快 6 概述 7 概述 8 ? 铜电解生产的基本原理 阳极反应: Cu – 2e = Cu2+ , E0 (Cu2+/Cu) = + 0.34 V 阴极反应: 图8.1 铜电解精炼过程示意 1.阳极,2.阴极,3.导电杆, 4.CuSO4及H2SO4的水溶液 Cu2++ 2e = Cu ,E0(Cu2+/Cu) = + 0.34 V 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。 9 技术条件及技术经济指标的选择 技术条件 电流密度 电流密度一般是指单位阴极面积上通过的电流。一般为 220~270A/m2。 电解液成分 电解液主要由硫酸和硫酸铜水溶液组成。一般含铜 40-50g/L, 含硫酸 180-240g/L。一般采用高酸低铜电解液组分较为有利。电 解液中铜含量的不断上升和下降都是不利的现象。镍、铁、砷、 锑、铋等杂质浓度过高会增大电解液的电阻和粘度,降低硫酸铜 的溶解度,且砷、锑和铋浓度过高造成的飘浮阳极泥会严重影响 阴极铜的质量。 10 技术条件 电解液温度 提高电解液的温度能降低电解液的粘度,增大硫酸铜的溶解度,使铜在阴 极上均匀析出。然而电解液温度过高会使蒸汽消耗增加,车间酸雾增多,使操 作环境恶化。电解液温度一般控制在55-65℃。 电解液循环方式 电解液循环可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。电解液的循环分为两种,与电极板面垂直的流动方式和与电极板面平行 的流动方式。 (a) 上进下出 (b) 下进上出 11 传统循环方式 技术条件 12 技术条件 添加剂 明胶 明胶是铜电解精炼过程中的主要添加剂。加入适量的明 胶能使析出的阴极沉积物致密光洁,改善阴极表面的物理状态。 硫脲 硫脲是表面活性物质,与明胶混合使用,可在高电流密度下获 得结构致密的阴极铜。 干酪素 干酪素与明胶混合使用,能抑制阴极表面粒子的生长和改善粒子 的形状。 盐酸 盐酸用来维持电解液中氯离子的含量。 13 技术条件 极距 极距一般指同极中心距。小型极板的同极中心距一般为 75~90mm,大型极板则为100~110mm。 阳极寿命和阴极周期 阳极寿命根据电流密度、阳极质量及残极率来确定.一般为 18-24天。阴极周期与电流密度、阳极寿命及劳动组织等因素有关, 一般为阳极寿命的l/3。 为获得致密、平整的阴极铜,始极片必须结构致密,表面光滑。 所以种板电解槽的技术条件控制比普通电解槽更为严格。 14 技术经济指标 电流效率 电流效率是指电解过程中,阴极实际析出量占理论析出量的百分比。 一般为 94% -98%。影响电流效率的因素主要如下:短路,漏电, 化学溶解。 残极率 残极率是指产出残极量占消耗阳极量的百分比。一般残 极率取15%-18%。 铜电解回收率 铜电解回收率= 电解铜含量 ?100% 装入原料铜含量-回收品铜含量 一般取99.6%-99.8%。 15 技术经济指标 槽电压 槽电压由电解液电阻引起的电压降,金属导体电压降,接触点 电压降,克服阳极泥电阻的电压降,浓差极化引起的电压降等组成。 普通槽电压一般为0.2-0.3V,种板槽槽电压一般为0.3-0.4V。 直流单耗 直流单耗是指生产一吨电铜所消耗的直流电量。消耗的直流电 量包括普通电解槽、种板电解槽、脱铜电解槽及线路损失等全部直 流电消耗量。一般的直流单耗为230~450(kW?h)/t 16 技术经济指标 蒸汽单耗 蒸汽单耗是指生产 1吨电铜所消耗的蒸汽量。在无保温措施的条 件下,蒸汽单耗一般为l-1.5t/t电铜;在现代有保温措施的铜电解过 程中,蒸汽单耗一般为0.1-0.6t/t电铜。 硫酸单耗 生产1吨电铜消耗的硫酸量,一般为4-10kg/t电铜。 水单耗 生产1吨电铜消耗的水量,一般为3-5m3/t电铜。 17 主体设备的设计 电解槽的材质与结构 电解槽的材质 电解槽的材质分两类:一是传统钢筋混凝土玻璃钢槽;二是乙烯基 树脂整体电解槽。 传统钢筋混凝土玻璃钢槽主要由钢筋混凝土、玻璃钢内衬组成。 乙烯基树脂整体电解槽的主要材料为乙烯基树脂、石英砂。 18 电解槽结构 图9-5 电解槽结构 1-进液管,2-阳极,3-阴极,4-出液管,5-放液管,6-放阳极泥管 19 主体设备的设计 阳极 铜电解精炼的原料是火法精炼后浇注而成的铜阳极。生产中应 尽量获得质量良好的阳极铜板。 阴极 (1) 铜电解精炼传统使用的阴极板。开始使用铜始极片。后来绝大 多数铜冶炼厂采用钛板制成铜始极片。 (2)永久性不锈钢阴极板。永久性不锈钢铜电解技术是使用刚度和韧 性较好的不锈钢板制成阴极板,取代传统的始极片。 20 主体设备的设计 阳极、阴极、种板尺寸的选择 机械化程度较高的大型工厂采用大型阳极,中、小型工厂机械 化程度较低,常采用小型阳极板。为避免阴极边缘生成树枝状结晶, 阴极尺寸应比阳极稍大一些。种板的材质目前有紫铜板、不锈钢板 和钛板三种,以紫铜板为多。种板的尺寸一般比始极片宽20-30mm, 长50-70mm。 21 主体设备的设计 电解槽总数的确定 M ? 106 N? 360 ? 23.5 ? 1.185? I 式中 N——电解槽总数,台; M——年产电解铜量,t; 360——年工作日,d; 23.5——日通电时数,h; η——电流效率,%; I——电流强度,A; 1.185——铜的电化当量,g/(A· h)。 电解槽中阴极和阳极的片数的确定 nc ? I Dk f c 式中 nc——每槽阴极片数,片; I——电流强度,A; Dk——电流密度,A/m2; fc——每片阴极的面积,m2。 nc——每槽阳极片数为nc +1。 22 主体设备的设计 阳极、阴极的质量和厚度 每槽阳极和阴极的片数确定之后,根据电流强度、 电流效率、残极率、阳极寿命、阴极周期和始极片析 出周期(通常取16或24h),可以计算出每片阳极、阴极 和始极片的质量。再由铜的比重,可以算出每片阳极 、阴极和始极片的厚度。在计算阳极厚度时,阳极耳 部质量可按阳极全部质量的5%计算。 23 主体设备的设计 电解槽尺寸的确定 电解槽长度:设电解槽两端各留一定距离A(一般A取100-150mm),则电解 槽长度为,阳极片数(或阴极片数)x极距+2A 电解槽宽度:设阴极两侧距槽边各留一定距离B (一般B取50-60mm),电解 槽宽度为,阴极宽度+2B 电解槽深度:设阴极下端距槽底留一定距离 C(一般C取250-300m),阴极上 端距槽面留一定距离 D( 一般 D 取 50-100mm) ,则电解槽深度为:阴极长度 +C+D 。 脱铜槽数的确定 每天电解液中增加的铜量减去每天净液带走的铜量,剩下的就是要通过脱铜 槽脱去的铜量。根据电流强度和电流效率,很容易计算出所需脱铜槽数。 24 主体设备的设计 槽边导电排的计算 A F1 ? D1 式中 F1— 槽边导电排的截 面积,mm2; A—总电流,A; D1— 槽边导电排的允许电流 密度,A/mm2。 KI 2 ? Q? F1 nc 式中 Q——槽边导电排与周围空气温度差 ,℃ K——散热系数,在露天取25,在室内取 85; I——电流强度,A; ρ——槽边导电排比电阻,Ω/(m·mm2), 铜为0.0175Ω/(m·mm2); F1——槽边导电排横断面积,mm2; n——槽边导电排断面的周长,mm。 槽边导电排与整流器供电 导线相连,通过的电流为 电解槽的总电流。 25 主体设备的设计 槽间导电板的计算 F2 ? A nD2 阴极导电棒的计算 A F2 ? nD2 式中 F2— 阴极导电棒的截 面积,mm2; A——总电流,A; n——每槽阴极片数; D2—— 阴极导电棒允许电流 密度,A/mm2。 式中 F2— 导电板的截面积 ,mm2; A——总电流,A; n——每槽阴极片数; D2—— 导电体允许电流密度 ,A/mm2。 槽间导电板允许电流密度 可取0.3~0.9 A/mm2。 阴极导电棒允许电流密度 可取1~1.25 A/mm2。 26 冶金计算 物料平衡计算 (1)电解过程中阳极中各元素的分配。表9-6给出了阳极中各元素分配率的范围。 (2)阳极泥率和阳极成分的计算。 (3)阴极铜化学成分的计算 (4)物料平衡表。 27 冶金计算 物料平衡计算 举例。年产电铜 15000t的电解精炼物料平衡计算。原始数据,铜电 解回收率: 99.9%,残极率 16.5 %,阳极成分及阳极中各元素的分 配率如表9-7和表9-8所示: 28 冶金计算 物料平衡计算 29 冶金计算 根据以上数据计算出阳极泥率,阳极泥成分,电铜成分,最后编制出铜电解精炼物料平 衡表。 30 冶金计算 根据以上数据计算出阳极泥率,阳极泥成分,电铜成分,最后编制出铜电解精炼物料平 衡表。 31 冶金计算 根据以上数据计算出阳极泥率,阳极泥成分,电铜成分,最后编制出铜电解精炼物料平 衡表。 32 冶金计算 根据以上数据计算出阳极泥率,阳极泥成分,电铜成分,最后编制出铜电解精炼物料平 衡表。 33 冶金计算 用上述结果编制出铜电解精炼物料平衡表。 34 冶金计算 净液量的计算 35 冶金计算 净液量的计算 36 冶金计算 净液量的计算 37 冶金计算 槽电压组成计算 铜电解精炼过程的阴阳极电位差主要是由于浓差极化造成。为 0.03~0.045V,占槽电压的10%~20%。 38 冶金计算 槽电压组成计算 电解液压降是指电流通过电解液时,由于电解液电阻造成的电压降。 一般范围为0.1~0.15V,占槽电压的45%-65%。 39 冶金计算 槽电压组成计算 导体、接点和阳极泥压降。导体主要指导电棒和电极。导 电棒和电极的电阻引起的电压降很小,而且变化不大。接点电 阻主要与接点处接触面积大小、接触处压紧程度及接触处是否 清洁等有关。阳极泥压降是指电流通过时,阳极泥的电阻引起 的压降,主要与阳极成分、阳极下槽时间及管理操作因素有关 。 据 有 关 资 料 , 导 体 压 降 为 0.015-0.030V, 接 点 压 降 为 0.030.05V,阳极泥压降为0.02-0.04V,三者之和大约占槽电压的25 %~35%。 40 冶金计算 电解槽热平衡计算 在电解过程中,电解液的热损失主要包括四部分:电解槽表面 水蒸发的热损失;电解槽液面辐射与对流的热损失;电解槽壁的 辐射与对流的热损失;管道内溶液的热损失。电解过程中 的热收入只有电流通过电解液所产生的热量。 41 冶金计算 电解槽热平衡计算 热支出。电解槽液面水分蒸发的热损失 42 43 44 冶金计算 电解槽热平衡计算 45 46 冶金计算 电解槽热平衡计算 热收入 47 冶金计算 电解槽热平衡计算 全车间需补充的热量 48 辅助设备的选择 直流电源 目前,电解过程可通过硅整流器或可控硅整流器获得直流电 源。整流器的规格和台数应根据电流和电压等条件进行选择。 根据以上计算所采用的数据,电流强度取10000A;普通槽和 种槽共 158台,槽电压为 0.28V;脱铜槽 2个,槽压为2V;线路 压降与导电母线V。所以车间 总电压为: 0.28×158+2×2+3=51.24V 根据选定的电流强度和计算的槽电压,并适当考虑富余系数 后选择整流器的规格。这里可选择电流强度为12000A,输出电 压为40-60V的硅整流器。 49 辅助设备的选择 起重机 起重机主要用于车间内阴、阳极出装槽及电解槽和其他设备 的安装。一般选桥式起重机。 (1)起重机的荷重的确定。这里取每块阳极质量为160kg,普通 槽阳极42片,种板槽阳极 44片,阳极吊架质量为 400kg,则起 重机最大操作荷重为: 160 ×44+400=7.44 t 根据车间的配置,可选用荷重10t的电动双梁桥式起重机。 (2)起重机台数的确定。起重机台数根据车间电解槽数量,阴阳 极周期及车间的配置等因素确定。 50 辅助设备的选择 加热器 电解液加热多数厂采用钛电解液换热器来加热电解液,部分 厂仍用浮头列管式不透性石墨热交换器。铁板换热器阻力大, 应设于电解液循环泵与高位槽之间。石墨管受震动易损坏,位 于高位列槽之下。 其他 还有始级片装配机组、翻版机、光棒机、吊架、储液槽、 循环泵、皂液槽、酸泡槽等设备,设计时可根据工厂的使用情 况选取。 51 车间配置 各厂根据本厂的具体条件,以有效地利用地形面积,有效地利用厂 房,节约基建投资又有利于生产为原则,进行铜电解车间的配置。 电解用的直流电源整流装置,应该紧靠电解车间,最大限度地缩短 输电母线的长度,减少电能的线路损失。 电解液的净化工序,应该位于电解车间附近,以免电解液的输液管 道太长,造成管道内余液冷却结晶以致堵塞。 车间内部所有的设备配置,除加温槽、集液槽外,均应在吊车的操 作范围之下,尽量减少人工搬运。 电解槽的槽列之间设有行人道。 52 53 云南铜业电解铜生产车间 54 电解铜生产车间 55 56 57

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