铜电解槽精炼车间工业设计
铜电解槽精炼车间工艺设计
一、概述
1、粗铜经火法精炼后仍含有一点数量的杂质。这些杂质的存在会使铜的某些物理性质和机械性能变坏，不能满足电气工业对铜的要求。因此，粗铜在火法精炼后需要电解精炼以除去有害杂质。铜的电解精炼以火法精炼产出的铜为阳极，以电解产出的薄铜片为阴极，以硫酸和硫酸铜水溶液作电解液。在直流电作用下，阳极铜电化学溶解，在阴极上沉积，杂质则进入阳极泥和电解液中，从而实现铜于杂质的分离。
下图为铜电解精炼一般工艺流程图：
阳极
阳极泥电解液电解液电铜阳极泥残极
送电解返火法送阳极泥处理送阳极泥返火
精炼槽精炼处理法精炼
粗硫酸
返火法精炼生产精制硫酸镍返回电解精炼
图1-1铜电解精炼一般工艺流程图：
2、铜阳极
铜电解精炼的原料是火法精炼后烧铸而成的铜阳极。生产中应尽量获得质量良好的铜阳极板。
二、技术条件及技术经济指标的选择
1、操作技术条件
⑴、电流密度
电流密度是指单位面积上通过的电流安培数。电流密度的范围为200-360A /m 2.。种板电解槽电流密度比普通电解槽电流密度稍低，本设计中普通电解槽电流密度取300 A /m 2，种板电解槽电流密度取230A /m 2。 ⑵、电解液成分
电解液成分主要由硫酸和硫酸铜水溶液组成。其铜和硫酸的含量视电流密度、阳极成分和电解液的纯净度等条件而定。在电解生产中，必须根据具体条件加以掌握，以控制电解液的含铜量处于规定的范围。 ⑶、极距
极距一般指同极中心距。本设计取极距为90mm 。 ⑷、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1/3。本设计中阳极寿命为18天，阴极寿命为6天。 2、技术经济指标 ⑴、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量的百分比。本设计中电流效率为% ⑵、残极率
残极率是指产出残极量占消耗阳极量的百分比。本设计中残极率17%。 ⑶、电解回收率
铜电解回收率反应在电解过程中铜的回收程度，其计算方法如下：
铜电解回收率×100 ％ ⑷、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。普通槽槽电压一般为~；种板槽电压一般为~。
三、主体设备设计
1、电解槽的材质与结构
电解槽的材质一般以钢筋混凝土为槽体，内衬造价低廉、耐热、耐腐蚀和电绝缘性能良好的材料。电解槽结构见设计图。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。槽体底部作成由一端向另一端倾斜，最低处开设排泥孔，较高处设有放液孔，分别供刷槽时排放阳极泥和电解液用。电解槽安装在钢筋混凝土横梁上，槽底四角垫以橡胶板和瓷砖。
2、电解槽总数的确定
电解槽总数包括普通电解槽、种板电解槽和脱铜电解槽。其总数按下式计算：
（3-1）
M 年产铜数量，t；
η电流效率；
I 电流强度，A。
铜的电化当量，g∕A·h
本设计中已知 M = 40000t
η= %
I =10000A
年工作日：350d
日通电小时：
将已知数据代入上式得N = 取整数N=424个
3、阳极、阴极、种板和始极片的选择与计算
⑴、阳极、阴极和种板的尺寸
①阳极尺寸的选择与生产规模、操作机械化程度及其他一些条件有关。本设计中采用阳
极尺寸为：阳极长780mm 阳极宽730mm 。
②阴极尺寸应比阳极稍大一些，一般比阳极宽35
~55mm，比阳极长25
~
45mm。本设计中阴
极尺寸为：阴极长=780+30=810mm 阴极宽=730+40=770mm。
③种板的尺寸一般比始极片宽20
~30 mm，长50
~
70mm。本设计中种板的尺寸为：种板长
=780+20=800mm 种板宽=730+50=780mm 。
⑵、电解槽中阴极和阳极的片数每槽阴极的片数为： n
c =I∕(D
k
f
c
) （3-2）
式中n c 每槽阴极片数,片； I 电流强度，A ；
D k
电流密度，A ∕m 2；（本设计中取300 A ∕m 2） f c
每片始极片的面积（ 本设计中为 × × 2 ＝ ）。
每槽阳极的片数为：n c +1
将以上数据代入式（3-2）得 n c =10000∕（300×）= 取整数30， 则每槽阳极的片数为30+1=31。 4、电解槽尺寸的确定 电解槽长度：
电解槽两端各留120mm ，则电解槽长度为： L=31×90+2×120=3030mm ； 电解槽宽度：
阴极两侧距槽边各留50mm ，则电解槽宽度为： D=730+2×50=830mm ； 电解槽深度：
阴极下端距槽底留280mm ，阴极上端距距槽面留80mm ，则电解槽深度为： H=780+280+80=1140mm 。 5、种板槽数的确定
电解精炼过程所需种板槽数可按下式计算： X=
（3-3）
式中 N 车间电解槽总数，个； a
种板周期，d ；取一天 n c
一个普通电解槽的阴极数，片； P
一片阴极所需始极片量，取； A 阴极周期，d ；
B 一个种板槽的种板数，片； C
始极片的成品率，取。
其中 f c = ××2=
则 B = I ∕(D k f c )=10000∕(230×= 取35。
将以上数据代入式（3-3）得
X= = 31 1本设计中，铜阳极化学成分见下表： 表4-1 阳极成分表
元素 进入溶液∕％ 进入阳极泥∕％ 进入阴极∕％ Cu 98 Au — 99 1 Ag — 98 2 As 63 30 7 Sb 25 65 10 Bi 15 80 5 Pb — Sn 5 85 10 Fe 72 10 18 Ni 10 Zn 93 4 3 O — 100 — 其他 5 90 5
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。
表4-3 阳极泥率和阳极泥成分计算表
元素 进入阳极泥的量占阳极溶解量的百分数∕％ 阳极泥成分∕％
Cu × =
Au × =
Ag × =
As × =
Sb × =
Bi × =
Pb × =
Sn × =
Fe × = Ni ×= 4
Zn × =
O × =
其他× = 阳极泥率
100
表4-4 阴极铜成分计算表
元素进入阳极泥的量占阳极溶解量的百分数∕％阳极泥成分∕％
Cu × =
Au × =
Ag × =
As × =
Sb × =
Bi × =
Pb × =
Sn × =
Fe × =
Ni × =
Zn × =
其他× =
合计 100
根据以上数据进行物料平衡计算如下：
① 40000 t电铜中的含铜量：
40000×％ = t
②生产40000 t电铜所需铜量：
∕99％ = t
③生产40000 t电铜要进入阳极泥中的铜量：
（∕98％）×％ = t
④阳极泥量：
∕％ = t
⑤生产40000 t电铜要进入溶液中的铜量：
（∕98％）×％ = t
⑥生产40000 t电铜所需阳极数量：
++
= t
（1－17%）×%
阳极含铜量：
×% = t
⑦残极数量：
×17% = t
残极含铜量：
×% = t
用上述结果编制物料平衡表如下：
表4-5 铜电解精炼物料平衡表
进料
物料名称数量∕t 铜含量∕％纯铜量∕t
铜阳极
合计
出料
物料名称数量∕t 铜含量∕％纯铜量∕t
阴极铜40000
残极
阳极泥
电解液
损失
合计
2、净液量的计算
根据阳极铜成分，阳极铜中各种杂质进入电解液的百分数，电解液中杂质的允许含量及净液过程中杂质的脱出效率，可以计算出所需的净液量。
计算中需要以下数据：
根据上面计算，生产40000t电铜需要阳极，其中残极量为。
阳极中铜及主要杂质含量：
Cu %，Ni %，As %，Sb %，Bi %；
铜、镍、砷、锑和铋进入溶液的百分数为：
Cu %，Ni %，As 63%，Sb 25%，Bi 15%；
电解液中铜和杂质的允许含量（g ∕L ）： Cu 45，Ni 15，As 7，Sb ，Bi ；
采用冷却结晶法生产粗硫酸镍，这几种物质的脱出率为： Cu 98%，Ni 75%，As 85%，Sb 85%，Bi 85%。 按主要元素分别计算净液量如下： Q Cu = = 18034 m 3∕a
Q Ni = = 9278 m 3∕a
Q As = = 705 m 3∕a
Q Sb = = 8158 m 3∕a
Q Bi =
= 294 m 3∕a
槽中增加不溶阳极的方法脱除，故净液量以镍元素所需的量计算，取净液量为9280 m 3∕a 。
净液量确定后，可计算出需要在普通电解槽系统设置的脱铜槽数。 需用脱铜槽脱除的铜量：
（18034－9280）×45×10－3= t 所需脱铜槽数： =
由计算结果可以看出，设5个脱铜槽就足够了。 有了脱铜槽数，就可以确定出普通电解槽数。
普通电解槽数=电解槽总数－种板槽数－脱铜槽数=424－31－5=388个。 3、槽电压组成
铜电解精炼电解槽的槽电压一般为~。槽电压主要由阴阳极电位差，电解液电阻产生的电压降以及导体、接点和阳极泥电阻产生的电压降三部分组成。
①阴阳极电位差：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的。
②电解液压降：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。
③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压降很小。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。据有关资料，导体压降为
~
V，
接点压降为
~ V，阳极泥压降为
~
。
参考文献
[1] 《铜铅锌冶炼设计参考资料》编写组.铜铅锌冶炼设计参考资料.北京：冶金
工业出版社，1979.
[2] 李明照，许并社.铜冶金工艺. 北京：化学工业出版社，2012.
[3]云正宽.冶金工程设计（第2册工艺设计）. 北京：冶金工业出版社，2006.