年产28万吨电解槽厂房设计全解.docx
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年产28万吨电解槽厂房设计全解
东北大学
有色冶金课程设计
(铜电解)
题目:
年产2.8万吨铜电解车间设计
班级:
冶金工程1103
姓名:
马林林
学号:
20110075
1.概述
1.1电解精炼的目的和任务
火法精炼产出的阳极铜中Cu的质量分数一般为99.2%~99.7%,其中还有一定数量的杂质。
这些杂质的存在会使铜的某些物理性质和机械性能变坏,因此,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,尤其是贵金属和稀散金属,必须进行电解精炼。
电解精炼是以火法精炼产出的阳极板为阳极,以电解产出的薄铜片(始极片)为阴极,以硫酸铜和硫酸的水溶液为电解液,在直流电的作用下,阳极铜电化学溶解,溶液中铜离子在阴极上析出。
1.2电铜的质量标准
阴极铜按化学成分分为高纯阴极铜(Cu-CATH-1)和标准阴极铜(Cu-CATH-2)两个牌号。
1.2.1高纯阴极铜(Cu-CATH-1)化学成分
表1高纯阴极铜(Cu-CATH-1)化学成分%
元素组
杂质元素
含量(不大于)
元素组总含量(不大于)
1
Se
0.00020
0.00300
0.0005
Fe
0.00020
Bi
0.00020
2
Cr
—
0.0015
Mn
—
Sb
0.0004
Cd
—
As
0.0005
P
—
3
Pb
0.0005
0.0005
4
S
0.00150
0.0015
5
Sn
—
0.0020
Ni
—
Fe
0.0010
Si
—
Zn
—
Co
—
6
Ag
0.0025
0.0025
杂质元素总含量
0.0065
1.2.2一号铜化学成分的质量分数
电解精炼的产品是电铜(即阴极铜),其标准见表2。
表2一号铜化学成分的质量分数(GB466-82)%
铜品号
代号
Cu+Ag
不小于
杂质(不大于)
As
Sb
Bi
Fe
Pb
Sn
Ni
Zn
S
P
总和
一号铜
Cu-1
99.95
0.002
0.002
0.001
0.004
0.003
0.002
0.002
0.003
0.004
0.001
0.05
1.3铜电解一般工艺流程
2.冶金计算
2.1已知条件
年产电解铜2.8万吨
电流效率:
96%
残极率:
16%
铜电解回收率:
99.9%
年工作日:
360d
日通电时数:
24h
电解槽作业率:
95%
每片阴极面积:
0.77×0.74×2m
电流强度:
10000A
阳极成分及电解过程中各元素的分配率见表3和表4
表3阳极成分
元素
Cu
Ni
Pb
As
Sb
Bi
Zn
Fe
Sn
O
Au
Ag
含量/%
99.38
0.08
0.13
0.016
0.04
0.003
0.001
0.004
0.001
0.02
0.003
0.085
表4电解过程中各元素的分配率
元素
进入溶液/%
进入阳极泥/%
进入阴极/%
Cu
1.93
0.07
98
Ni
89.5
10
0.4
Pb
—
96.5
3.5
As
63
30
7
Sb
25
65
10
Bi
15
80
5
Zn
93
4
3
Fe
72
10
18
Sn
5
85
10
O
—
100
—
Au
—
99
1
Ag
—
98
2
2.2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。
表5阳极率和阳极泥成分计算
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
99.38×0.0007=0.069566
20.24
Ni
0.08×0.10=0.008
2.33
Pb
0.13×0.095=0.12545
36.49
As
0.016×0.3=0.0048
1.40
Sb
0.04×0.65=0.026
7.56
Bi
0.003×0.80=0.0024
0.70
Zn
0.001×0.04=0.00004
0.01
Fe
0.004×0.10=0.0004
0.12
Sn
0.001×0.85=0.00085
0.25
O
0.02×1.0=0.02
5.82
Au
0.003×0.99=0.00297
0.86
Ag
0.085×0.98=0.0833
24.23
阳极泥率
0.343776
100.00
表6阴极铜成分计算
元素
阴极析出量占阳极溶解量的百分数/%
阴极铜成分
Cu
99.38×0.98=97.3924
99.98694
Ni
0.08×0.004=0.00032
0.00033
Pb
0.13×0.035=0.00455
0.00467
As
0.016×0.07=0.00112
0.00115
Sb
0.04×0.10=0.004
0.00411
Bi
0.003×0.05=0.00015
0.00015
Zn
0.001×0.03=0.00003
0.00003
Fe
0.004×0.18=0.00072
0.00074
Sn
0.001×0.10=0.0001
0.00010
Au
0.003×0.01=0.00003
0.00003
Ag
0.085×0.02=0.00170
0.00175
合计
97.40512
100
根据以上有关数据,进行物料平衡计算如下
28000t电铜中的含铜量28000×99.98694%=27996.343t
生产28000t电铜所需铜量27996.343/99.9%(铜电解回收率)=28024.368t
生产28000t电铜要进入阳极泥中的铜量
×0.07%=19.997t
阳极泥量19.997/20.24%=98.801t
生产28000t电铜要进入溶液中的铜量
×1.93%=551.357t
生产28000t电铜所需阳极数量
=34254.907t
阳极含铜量34254.907×99.38%=34042.527t
残极数量34254.907×16%=5480.785t
残极含铜量5480.785×99.38%=5446.804t
用上述结果编制物料平衡表如下
表7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
34254.907
99.38
34042.527
合计
34042.527
出料
物料名称
数量/t
铜含量/%
纯铜量/t
阴极铜
28000
99.98694
27996.343
残极
5480.785
99.38
5446.804
阳极泥
98.801
20.24
19.997
电解液
551.357
损失
28.026
合计
34042.527
3.主体设备设计
3.1电解槽材质与结构
本电解槽的材质以钢筋混凝土为槽体,采用耐酸、耐高温性能好的铅板作内衬。
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。
槽体低部作成由一端向另一端倾斜,倾斜度为3%,最底处开设排泥孔,较高处设有放液孔。
放液排泥孔配有耐酸陶瓷或嵌有橡胶圈的硬铅制造的塞子,防止漏液。
此外,在钢筋混凝土槽体底部开设(捡)检漏孔,以观察内衬是否破损。
钢筋混凝土电解槽壁厚为100mm。
电解槽安装在钢筋混凝土横梁上,槽底四角垫以橡胶板和磁砖,两个相邻电解槽之间留30mm的空隙,用以槽间绝缘。
3.2商品电解槽总数
N=
式中N——电解槽总数,个;
M——年电解铜量,t;
360——年工作日,日;
24——日通点时数,h;
——电解槽作业率,95%;
——电流效率,96%;
I——电流强度,A;
1.186——铜的电化学当量,g/(A·h)。
N=
=299.6取300个
3.3电解槽的极板数
每槽阴极数按下式计算:
式中
——每槽阴极片数,片;
I——电流强度,A;
——商品槽电流密度,A/
;
——每片阴极的面积,
,0.77×0.74×2。
=40.9片取41片
每槽阳极数:
41-1=40片
本车间设电解槽两端为阴极,即阴极数比阳极数多1片。
3.4电解槽尺寸的确定
电解槽长度:
设电解槽两端各留120mm,则电解槽长度为:
阳极片数×极距=40×90+120×2=3840mm
电解槽宽度:
设阴极两侧距槽边各留50mm,则电解槽宽度为:
740+50×2=840mm
电解槽深度:
设阴极下部距槽底留260mm,阴极上边距槽上沿60mm,则电解槽深度为:
770+260+60=1090mm
根据上述计算,电解槽内长×宽×深为3840×840×1090mm。
3.5种板电解槽数
为了有利于配置及生产调度,取种板槽尺寸同商品槽尺寸。
种板电解槽数按下式计算:
式中
——种板电解槽数,个;
N——车间电解槽总数,取333个;
——个商品电解槽的阴极数,41片;
a——种板周期,1d;
P——一个阴极所需始极片量,取1.06;
A——阴极周期,取6d;
B—一个种板电解槽的种板数,取39片;
——始极片废品率,0.05~0.2,取0.05;
个,取30个。
3.6净液量及脱铜槽数
3.6.1净液量
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的杂质的脱除效率,可以计算所需的净液量。
一般要考虑的主要杂质是镍、砷、锑和铋。
电解液中铜和杂质的允许含量(g/L)
Cu45,Ni15,As7,Sb0.6,Bi0.5
采用冷却结晶法生产粗硫酸镍,这几种物质的脱除率为:
Cu98%,NI75%,As85%,Sb85%,Bi85%
按主要元素分别计算净液量如下:
从计算结果看,需净液量最大的元素是铜,其次是锑。
铜的脱除采用在电解工序电解槽中增加不溶阳极的方法脱除,故净液量以锑元素所需的量计算,取净液量为5642m
/a。
3.6.2脱铜槽数
需用脱铜槽脱除的铜量为:
(12515-5642)×45×10
=206.190t
所需脱铜槽数:
个取3个(电流强度10000A,电流效率0.96)
3.7槽边导电排、槽间导电板和阴极导电棒的选择与计算
3.7.1槽边导电排
允许电流密度取1.1A/mm
导电排横截面积F
=
导电排温度不应高于周围空气40℃,当计算出导体截面积后,还应用下式进行温升验算:
Q=
℃
式中Q——导体与周围空气温度差,℃;
K——散热系数,在露天取25,在室内取85;
I——电流强度,A;
——导体比电阻,
·mm
,铜为0.0175;
S——导电排横截面积,mm
;
n——导电排断面的周长,mm;
导电排通常采用多块铜板叠成,铜板宽取120mm,厚度取8mm,共需铜板10个。
3.7.2槽间导电板
允许电流密度取0.5A/mm
槽间导电板截面积F
=
mm
3.7.3阴极导电棒
允许电流密度取0.5A/mm
阴极导电棒截面积F
=
mm
3.8设计总结
表8阳极、始极片、种板规格
长度/mm
宽度/mm
厚度/mm
质量/kg
材质
阳极
740
700
40
160
—
始极片
770
740
0.5
2.5
—
种板
835
760
4
19.8
紫铜
表9电解槽设计
数量
长度/mm
宽度/mm
深度/mm
阳极板数
阴极板数
种板数
商品电解槽
300
3840
840
1090
41
40
—
种板电解槽
30
3840
840
1090
—
—
39
脱铜电解槽
3
3840
840
1090
—
—
—
4.图纸
5.参考文献
[1]王德全.冶金工厂设计基础.沈阳:
东北大学出版社,2003.3
[2]重有色金属冶炼设计手册编委会.重有色金属冶炼设计手册,(铜镍卷).北京:
冶金工
业出版社,1996
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