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1、 冶金技术专业 冶金设备课程设计阐明书 设计题目： 年解决电解铜7万吨电解槽 专设计时间 12 21 至 12 31 班级： 14冶金 学生姓名：
2、 武俊阳 安徽工业职业技术学院 二0一五年编制 目录 (1) 设计进度安排及规定……………………………………………2 1.1进度安排………………………………………………………2 1.2设计规定………………………………………………………2 (2)绪言………………………………………………………2 (3)工艺流程选取及意义……………………………………………3 3.1工艺流程……………………………………………………3 3.2设计意义…
3、…………………………………………………4 (4)冶金计算…………………………………………………………5 4.1物料平衡计算…………………………………………………5 4.2热平衡计算……………………………………………………6 (5)主体设备选型及计算……………………………………………8 5.1主体设备选型………………………………………………8 5.2电解槽计算…………………………………………………11 5.2.1电解槽极板数计算……………………………………11 5.2.2电解槽尺寸计算………………………………………12 (6)设计心得体会
4、……………………………………………………12 (7)重要参照资料……………………………………………14 1 设计进度安排 阶段 阶段内容 起止时间 设计计算 工艺论证，物料平衡计算，设备选型及主体设备构造设计计算。 1周 阐明书编写 进行数据整顿、流程选取和论文编写 0.5周 绘图 绘制主体设备图1张 0.5周 设计内容规定： 已知条件：年解决电解铜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：
5、770×740mm（阴极浸没于电解液深度为670mm） 2 绪言 本文重要设计了一座年产7万吨铜铜电解精炼车间及电解工艺。通过收集有关资料，熟悉了电解精炼工艺及车间布置。依照已知条件，选定操作技术条件。在物料平衡和热平衡计算基本上，依照给定条件选取适当工艺流程和主辅设备。对年产7万吨铜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。 铜火法精炼普通能产出铜99.0%~99.8%粗铜产品，但依然不能满足电气工业对铜性质规定，其她工业也需要使用精铜。因而，当代几乎所有粗铜都通过电解精炼，以除去火法精炼难于除去杂质，铜电解精炼，是将火法精炼
6、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，用硫酸铜和硫酸水溶液作电解液，在直流电作用下，阳极上铜和电位较负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。溶液中铜在阴极上优先析出，而其她电位较负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，阴极上析出金属铜纯度很高，称为阴极铜或电解铜，简称电铜。 具有贵金属和硒，碲等稀有金属阳极泥，作为铜电解一种副产品另行解决，以便从中回收金，银，硒，碲等元素。在电解液中逐渐积累贱金属杂质，当其达到 一定浓度后，会防碍电解过程正常进行。例如，增长电解液电阻和密度，使阳极泥沉降速度减慢，甚至在阴极上与铜一
7、起共同放电，影响阴极铜质量，因而必要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。抽出电解液在净化过程中，常将其中铜，镍等有价元素以硫酸盐形态产出，硫酸则返回电解系统重复使用。 在铜电解车间，普通设有几百个甚至上千个电解槽，每一种直流电源串联其中若干个电解槽成为一种系统。所有电解槽中电解液必要不断循环，使电解槽内电解液成分均匀。在电解液循环系统中，普通设有加热装置，以将电解液加热一定温度。 3工艺流程选取及意义 3.1工艺流程选取 火法精炼产出阴极铜品位普通为99.2~99.7%，其中还具有0.3~0.8%杂质。为了提高铜性能，使其达到各种应用规定，同步回收其中有价金属，特
8、别是贵金属、铂族金属和稀散金属，必要对其进行电解精炼。 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、铋等杂质大某些进入电解液，需从循环液中抽取一某些进行净化解决。工艺流程涉及电解精炼和电解液净化两某些。 以纯铜始极片为阴极，电源为恒向直流电，电流密度为220～280A/m2。该法在世界各国均已有近年生产历史，工艺成熟可靠，电耗低。特别是采用了机械化
9、自动化水平高阴阳极加工机组，并采用新技术恰当提高了阴阳极板垂直度后来，阴极铜产品质量得到明显改进。是老式法始极片制作工艺复杂，不但需要独立生产系统，并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缺陷：（l）电解精炼过程中存在“极限电流密度”，电解精炼时实际电流密度必要低于极限电流密度，否则就会使阴极铜沉积表面粗糙，甚至形成“枝晶”，导致电解槽短路，使电解过程能耗大大增长，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，必要提高电压使钝化膜在更高电压下被破坏并溶解，不但影响正常生产，还会导致电能挥霍和阴极铜化学成分不稳定，进而影响
10、产品质量和物理性能 图1-1 电解铜工艺流程 3.2设计意义 。本设计内容涉及电解工艺拟定，铜电解精炼冶金计算，重要设备构造图绘制等。铜电解精炼工艺流程拟定通过比较，选取先进、经济、合理铜电解精炼工艺流程。冶金计算：铜电解精炼冶金计算涉及：电解过程金属平衡和物料平衡。重要设备尺寸计算及选取：依照工艺流程各个重要过程，合理地选取重要冶炼设备和拟定个数、容量、对其重要尺寸加以计算。重要设备构造图绘制：铜电解槽图。 4冶金计算 4.1物料计算 计算条件：年解决电解Qt。7万吨 阳极铜品位ω阳：99.43％； 电解铜回收
11、率η： 99.8％； 电解铜品位ω阴：99.95％； 残极率ψ：15％； 铜电解过程元素分派 元素 进入电解液 进入阳极泥 进入电解铜 Cu/％ ε1＝1.95 ε2＝0.05 ε3＝98 （1） 1吨阴极铜需要溶解阳极铜1×99.95%/1×99.43%×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：1.0258×7000/99.8%=71949.9000吨 （4）阳极含铜量：84644×99.43%=84161.5292吨 (5)残极量：84644×15%=1269
12、6.6000吨 （6）残极含铜量：12696.6000×99.43%=12624.2294吨 （7）阳极泥含铜量：71949.9000×99.43%×0.05%=35.7699吨 (8)电解液含铜量：71949.9000×99.43%×1.95%=13950.258吨 物料平衡表 物料名称 物料量/吨 ％ 装入 阳极含铜 84161.5292 100 共计 84161.5292 产出 残极含铜 12624.2294 15 阳极泥含铜 35.7699 0.0425 电解液含铜 1395.0258 1.6576 电铜 70000 83.173
13、40 损失及计算误差 106.5041 0.1265 共计 84161.5292 4.2热平衡计算 设定： 电解槽内尺寸 2395×880×1120 外尺寸 2495×980×1220 电解槽数 1000个 电流强度 7490.3959A 槽电压 0.3v 电解温度 60°C 电解车间室温 24°C 电解槽外壁温度 35°C 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消失水分蒸发量为1.35KJ（m².h） A 热收
14、入 热收入为电流通过电解液时所产生热 Q=4.18×0.239EIιΝ×10-3 式中 E——消耗于克服电解液阻力槽电压，V,为槽电压50%左右 I——电流强度，A ι——时间，为3600s N——电解槽数 Q=4.18×0.239×0.3×0.50×7490.3959×3600×1000×10-3=4040849.8685KJ/h B 热支出 a 电解槽总液（含电极）表面积 F=2.395×0.88×1000=2107.6 m² 每平方米电解槽液表面在无覆盖层时消失水分蒸发量为1.35KJ（m².h） 60°
15、C水气化热为2358.42KJ/h q₁=2107.6×1.35×2358.42=6710318.0892KJ/h b 电解槽液面辐射与对流热损失q₂ 依照傅立叶公式：q₂=K（t₁-t₂）F 式中 K——辐射与对流联合导热系数，KJ/（m².h. °C），取39.35 t₁-t₂——电解液与车间空气温度差，°C F——传热表面，m² q₂=39.35×(60-24) ×2107.6=2985626.16KJ/h c 电解槽外壁辐射与对流热损失q₃ 电解槽槽壁总表面积： 1000×（2.495×0.98+3.63×1.22×2+
16、0.98×1.22×2）=13693.5m² 依照傅立叶公式：q₃=K（t₁-t₂）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35.17 q₃=35.17（35-24）×13693.5=5297604.435KJ/h d 循环管道内溶液热损失q4 电解液循环量 25×60×1000×10-3=1500m ₃/h q4=QγCp Δt 式中 Q——电解液循环量，1500m³/h γ——电解液密度，1250Kg/m³ Cp ——电解液热容量
17、KJ（Kg. °C），3.43 Δt——电解液循环管道内温度降，Δt依照车间规模大小取2~4°C，大车间取上限，本列取3°C q4=1500×1250×3.43×3=19293750 KJ/h 全车间需补充热量 q1+q2+q3+q4-Q =6710318.0892+2985626.16+5297604.435+1929.8685 =30246448.816KJ/h 铜电解热平衡 热收入 KJ/h % 电流通过电解液产生热量 4040849.8685 11.7853 加热器补充热量 30246448
18、816 88.2147 共计 34287298.684 100 电解槽液面水蒸发热损失 6710318.0892 19.5715 电解槽液面辐射与对流热损失 2985626.16 8.7077 电解槽外壁辐射与对立热损失 5297604.435 15.4507 循环管道内溶液热损失 19293750 56.2701 共计 34287298.684 100 5主体设备选型及计算 5.1、电解槽选型 A 电解槽材质 当前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，
19、绝缘解决难，易漏电；而单槽整体预制，搬运、安装、检修、更换以便、绝缘好，漏电少，为多数工厂所采用；预制工电解槽搬运、安装、更换以便，造价低，节约车间面积。为国外某些新工厂采用。此外尚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以便，但造价高。 B 电解槽构造 普通电解槽由长方形槽体和附设供液管、排液斗、出液斗液面调节堰板等构成。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陶瓷或嵌有橡胶圈硬铅制作塞子，防止漏液。此外，在钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔，以观测内衬与否破损。钢筋混凝
20、土电解槽壁厚普通为80～120（本设计选用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材料，普通为铅或含锑3～6％（本设计选用5 %）铅锑合金板，软板聚氯乙烯和玻璃钢，铅衬厚普通为3～5（本设计选用5）mm；聚氯乙烯衬里普通为二层，每层厚4～5（本设计选用5）mm；内层塑料衬里普通不整槽铺设，仅在极板易落下砸破处局部铺设；玻璃钢衬里普通为6～10（本设计选用8）层，厚约3～5（本设计选用5）mm。 电解槽衬里材质比较 衬里材质 长处 缺陷 铅板 施工简朴，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
21、乙烯板 施工简朴，价格低廉，有优良绝热和电绝缘性能 耐热性能较差，机械性能随温度上升而减少，易老化 玻璃钢 绝热，绝缘性能好，耐腐蚀，价格比衬铅低廉 树脂材质规定严，施工技术规定高 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均匀和金、银损失。 小阳极板电解时，由于电解槽尺寸比较小，普通采用上进液、下出液循环方式。随着电解槽大型化、电极间距缩小及电流密度提高，普通电解槽供排液方式难以适应生产规定，有采用槽底中央给液，槽上两端排液供液方式，即在电解槽槽底中央沿槽长度方向设一种给液管，或在槽底两侧设两个平行给液管，通过沿管均布小孔给液。排液漏斗安放在
22、槽两端壁上预留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隔板式三角堰板。三角堰板同步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。此办法能防止阳极泥上浮。 E 铜电解槽安装 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导致腐蚀漏电，在横梁上一方面铺设厚3～4（本设计选用4）mm，比横梁每边宽出50～300（本设计选用75）mm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。普通由各种电解槽排成
23、一列，两个相邻电解槽要留20～30（本设计选用30）mm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。阴极边沿与槽侧壁应保持50～80mm（本设计选用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200～400mm(本设计选用200)空间作为阳极泥沉积用。 a 阳极板 阳极尺寸选取与生产规模、操作机械化限度及其他某些条件关于。 机械化限度较高大型工厂采用大型阳极板，其重量范畴普通有300Kg以上 中、小型工厂，机械化限度较低，常采用小型阳极板，其重量约150～26
24、0（本设计选用200）Kg b 阴极板 为避免阴极边沿生成树枝状结晶，阴极板尺寸比阳极板宽35～55(本设计选用40)mm，长25～45(本设计选用30)mm。 5.2.1、电解槽计算 a 电流强度：I= 式中：I——电流强度，A； 24——日通电时数，h； 1.186——铜电化当量， g/A•h； ——电解槽作业率，％； M——年产电铜量，Kg； μi——电流效率，％。 360——年工作日，天。 I= =70000×10³/24×360×95％×96%×1.186=7490.3959A b 电解槽极板
25、数：+1 =（7490.3959/320×0.770×0.740×2）+1==20.5401＋1=22片 式中：nc——电解槽阴极板数，个； I——电流强度，A； DK——电流密度，； fc——每片阴极板面积，m2。fc =L阴×B阴×2 +1 =（7490.3959/320×0.770×0.740×2）+1==20.5401＋1=22个 C 商品电解槽总数 N=M×106/360×24ηIμ×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 η——电解槽作业率，% I电流强度，A
26、μ——电流效率，% N=70000×106/（360×24×0.95×7490.3959×0.96×1.186）=1000个 5.2.2 电解槽内部尺寸拟定： 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； l1——电解槽进液端极板至槽端壁距离； l2——电解槽出液端极板至槽端壁距离。 电解槽宽度：B=B阴+2b 式中 B阴——阴极宽度，mm； b——阴极边沿至槽侧壁距离，mm。 电解槽深度：H＝h1＋h2＋h3 式中 h1——槽内液面至槽面距离； h2——阴极浸没电解液深度； h3—
27、—阴极下沿至槽底距离。 设定电解槽进出液端极板至槽端壁距离l1，l2均为200 mm L=(nc-1)d ＋l1+l2=（22-1）*95+200+200=2395 mm 设定阴极边沿至槽侧壁距离为70 mm B=B阴+2b=740+2*70=880 mm 假定槽内液面至槽面距离为50 mm，阴极下沿至槽底距离设为300 mm H＝h1＋h2＋h3=50+770+300=1120 mm 6 设计心得体会 通过本次课程设计，使我更加夯实掌握了关于铜电解精炼方面知识，在设计计算过程中虽然遇到了某些问题，但通过一次又一次思考，一遍又一遍检查终于找出了因素所在，也暴露出了前期我在这方
28、面知识欠缺和经验局限性。实践出真知，通过亲自动手设计，使咱们掌握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，不断获龋最后电解槽尺寸，自身就是在践行“过而能改，善莫大焉”知行观。这次课程设计终于顺利完毕了，在设计中遇到了诸多问题，最后在教师指引下，终于游逆而解。在此后社会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，一定要不厌其烦发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才干成功做成想做事，才干在此后道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不也许收获成功，收获喜悦，也永远不也许得到社会及她人对你承认! 课程设计诚然也是一门
29、专业课，给我诸多专业知识以及专业技能上提高，同步又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我诸多思，给了我莫大空间。同步，设计让我感触很深。使我对抽象理论有了详细结识。通过这次课程设计，我掌握了某些冶金设备以及电解槽惯用衬里材料，最后对铜冶金工艺有了更进一步理解。 本次设计也让我明白了思路即出路，有什么不懂不明白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，就没有弄不懂知识，收获颇丰。 7 重要参照资料 1.冶金设备系列教材，唐谟堂主编，中南大学出版社，~ 2.有色冶金炉，孟柏廷编 中南大学出版社 1989年 3.铜、铅、锌、冶炼设计参照资料，上、下册 4.有色冶金工厂设计，蔡祺风，冶金工业出版社，1991年
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