铜电解槽设计说明.docx
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铜电解槽设计说明
铜电解槽课程设计
电解是从矿石中提取有色金属的主要方法，是大多数有色金属生产的必要工序。
对于铜而言，电解主要有常规电解法、周期反向电流电解法和永久性阴极板电解法。
常规电解法包括阳极加工、始极片生产和制作、装槽、灌液、通电电解、出槽等工序；永久性阴极板电解法包括阳极加工、装槽、灌液、通电电解、出槽、清洗阴极并剥下成品电铜等工序。
铜电解车间的设计一般包括技术经济指标的选择和论证、冶金计算、电解液净化及硫酸盐生产、主要及附属设备计算、车间配置及管理、投资估算、安全，环保与防腐等内容。
完成电解过程使用的主体设备为电解槽，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。
1铜电解精炼的方法
铜的生产主要视含铜矿石成分及品位而定。
电解分为电解精炼（电解）和电解沉积（电积）。
电解精炼采用可溶性阳极，以火法冶金炼制的粗金属作为阳极进行电解，通过选择性的阳极溶解及阴极沉积，达到分离粗金属中杂质和提纯金属的目的；电解沉积采用不溶性阳极，使经过浸出、净化的电解液中待沉积的金属离子在阴极上还原析出，制得纯金属。
因此，电解精炼是火法冶金工艺提取高纯有色金属的最后精炼工序，而电解沉积则是湿法冶金的最后精炼工序。
目前，在纯铜的生产中，大约有80%的铜采用硫化物矿石通过电解法制取，另有20%的铜采用低品位氧化铜矿通过电积法制取。
（1）常规电解精炼法
常规电解精炼法自19世纪末用于工业生产以来，已成为目前应用最广的一种方法。
在实际生产中，首先是在种板槽中用火法精炼获得的粗铜作为阳极，用钛母板作为阴极，通以一定电流密度的直流电，使阳极铜发生电化学溶解，并在钛母板上析出0.5~1.0mm厚度的纯铜薄片，称为种板。
将其从母板上剥离下来后，经过整平、压纹，再与导电棒、吊耳装配成阴极板（又称始极片），即可作为生产槽所用的阴极，称为阴极板。
然后，将粗铜阳极板和纯铜阴极板相间地装入盛有电解液的生产电解槽内，通入直流电进行电解精炼，铜在阳极上溶解并迁移至阴极进行电沉积，待沉积到一定质量时将其取出，作为电解铜成品。
之后，再在电解槽空位上重新装入新阴极板，使生产过程连续进行。
当阳极板溶解到一定程度时，成为残阳极，简称残极。
将其取出，并在其位置上装入新阳极，使生产继续进行。
通常一块阳极生产2~3块电解铜，即阳极板的使用周期为阴极板的2~3倍。
阴极周期太长，则金属沉积太重，处理短路时劳动强度太大；阴极板周期太短，则阴极板交替次数多，工作繁重。
目前多数工厂的阴极周期为7~10天。
常规电解精炼法的主要优点是操作简单、技术成熟、设备简单、投资少及见效快。
缺点是生产能力不大、电解槽数量多、制作始极片工作量大及厂房占地面积大。
（2）周期反向电流电解法
传统的电解法，通常电流密度很少超过250A/m2，即使是在最优的技术条件和最有效的添加剂下也只能将电流密度最高提到300A/m2左右。
若进一步提高电流密度，会引起阳极钝化，并使阴极质量恶化。
采用周期反向电流技术（PRC）使电极周期地改变极性（即在电解过程中使直流电的方向相反的变化，而不是只有一个恒定的方向），避免了电极表面与电解液之间的浓度差极化，从而可以使电流密度提高到400A/m2以上。
根据生产实践，一般认为350A/m2的电流密度是周期反向电流电解法的最佳电流密度。
高于该值后，电铜的化学组分虽然符合标准，但其表观质量较差。
周期反向电流电解的优点是：
因电流密度高，同样的生产规模所需电解槽数及厂房面积均相应减少，可节省建设投资；处于生产中的铜积压较少，占用流动资金少，投资周转快；特别适用于对常规电解精炼工厂挖掘增产，在已有工厂对电解供电系统作必要改造，即可大幅提高生产能力。
缺点是：
由于电流密度高，槽电压一般高于常规电解法。
此外，电流效率也比常规电解法低，电能消耗要比常规电解法高出30%左右。
（3）永久性阴极电解精炼法
永久性阴极电解精炼法是20世纪70年代末发展起来的新技术。
美国的麦特柯（Metco）工厂率先采用，随后澳大利亚ISA公司的汤斯威尔铜精炼厂改进并完善了这种方法，故又称ISA法。
此外，还有加拿大鹰桥公司的永久不锈钢阴极电解KIDD法和奥托昆普公司的永久不锈钢阴极电解OK法。
永久性阴极法的作业过程与常规电解精炼法基本相同，不同的只是免去了始极片的制作，而采用不锈钢作为反复使用的永久性阴极，与之相配套的必然增加阴极铜的剥离机组。
永久性阴极电解精炼法的优点是：
永久性不锈钢阴极可以重复使用，从而节省了生产始极片的种板电解槽系统，同时也可省略由始极片、导电棒、吊攀组装的阴极作业；不锈钢阴极机械强度高，平整光滑，减少了短路现象；提高了自动化程度，采用自动剥离机剥铜，高效、连续、集中，简化了流程，也减少了操作人员的数量；可采用较高电流密度，缩短了阴极周期，金属积压少，流动资金周转加快。
缺点是：
永久性不锈钢阴极价格昂贵，一次性投资大，总的基建投资略高于常规电解法的投资。
2铜电解设备的选择
（1）电解槽材质
目前铜电解槽的材质普遍采用钢筋混凝土槽体。
钢筋混凝土电解槽有整列就地捣制、单槽整体预制及预制板拼装式槽体等方式。
整列就地捣制施工快、造价低，但检修更换不便，绝缘处理难，易漏电；单槽整体预制搬运、安装、检修、更换方便、绝缘好，漏电少，被大多数电解厂采用；预制板拼装式电解槽搬运、安装、更换方便、造价低、节省车间面积，被国外一些新建电解厂采用。
我国一些电解厂采用过辉绿岩耐酸混凝土单个捣制槽和花岗岩单个整体槽，这些槽耐酸，绝缘较好。
但辉绿岩槽易渗漏。
花岗岩槽价格贵，运输不便且宜产生暗缝渗漏，仅适合小型且就地取材的电解厂。
上世纪80年代初，芜湖冶炼厂采用无衬里的呋喃树脂混凝土电解槽，主要材料为YJ呋喃树脂液、YJ呋喃树脂混凝土粉、石英砂、石英石。
最初为整体捣制槽，后因呋喃树脂固化收缩率较大，又是低粘度树脂，不利于施工，故改为拼装式。
呋喃树脂混凝土电解槽机械强度高、耐腐蚀，耐热性能好，遇机械损伤而开裂时维修方便。
（2）电解槽构造
通常，电解槽由长方形槽体和附设的供液管，排液斗，出液斗液面调节堰板等组成。
槽底部通常作成一端向另一端或由两端向中央倾斜，倾斜角度3%左右，最低处开设放液排泥孔，较高处设有清槽用的放液孔。
放液排泥孔配有耐酸陶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修孔，以观察内衬是否破损。
钢筋混凝土电解槽壁厚一般为80~120mm。
（3）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、耐腐蚀及电绝缘性能良好的材料，一般为铅和含锑3%~6%铅锑合金板、软聚氯乙烯和玻璃钢。
铅衬厚度一般3~5mm；聚氯乙烯衬里通常为两层，每层厚度约4~5mm；内层塑料衬里一般不整槽铺设，仅在极板落下易被砸破处局部铺设；玻璃钢衬里一般为6~10层，厚度约3~5mm。
国内大部分铜电解槽采用衬铅，但在新建电解厂及老厂的改造中已逐渐推广使用聚氯乙烯衬里和玻璃钢衬里。
表9-1电解槽衬里材质的比较
衬里材质
优点
缺点
铅板
施工简单，耐酸，耐高温度性能好
价格昂贵，机械性能和电绝缘性能差，易漏电
软板聚氯乙烯板
施工简单，价格低廉，有优良的绝热和电绝缘性能
耐热性能较差，机械性能随温度上升而降低，易老化
玻璃钢板
绝热，绝缘性能好，耐腐蚀，价格比衬铅低廉
树脂材质要求严，施工技术要求高
（4）电解槽的进出方式
电解槽进出液直接影响槽内铜离子、添加剂及温度在电解槽里的均匀性和金、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，有的工厂采用槽底中央给液，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内衬连成整体。
出液漏斗内设有调节电解液面高度的隔板式三角堰板。
三角堰板同时也可观测电解液流量。
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一端排出，很好地解决了阳极泥上浮的问题。
（5）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3~4mm，比横梁每边宽出200~300mm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20~30mm的空隙。
槽侧壁顶面覆以塑料（或硬橡胶板、瓷板和沥青油毛毡等）垫层，装设槽间导电板、绝缘分隔板以支撑阳极挂耳和阴极导电棒；阴、阳极板按规定的极距均匀相间，悬垂排列。
阴极边缘与槽侧壁应保持50~80mm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空间作为阳极泥的沉积用。
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，其重量范围一般有300kg以上。
图9-1为大型铜阳极板实例；中、小型电解厂机械化程度较低，常采用小型铜阳极板，其重量约为150~260kg范围，参考尺寸见图9-2所示。
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高35~55mm，长25~45mm。
种板：
种板的材质一般有紫铜板、不锈钢板和钛板三种，以紫铜板为多，各种材质的优缺点为：
紫铜板厚约3~4mm。
优点是价格便宜，铜挂耳与母板接触良好，绝缘材料粘附强度大。
缺点是对隔离剂要求较严，质地较软，易变形引起槽内短路，笨重；不锈钢板厚约2~3mm。
优点是重量轻，始极片易剥离。
缺点是质硬，与绝缘材料粘结不如铜材，弹性大，难以平直；钛板厚约2.5~3.5mm。
优点是不需隔离剂，剥片容易，重量轻，始极片成品率高达95%以上，寿命长。
缺点是铜耳与钛板因膨胀系数不同，铆接处易松动，积留硫酸铜结晶影响导电，须定期细砂打毛。
变形后不易矫正，包边问题难解决且造价高。
图9-1大型铜阳极板示意图图9-2小型铜阳极板参考尺寸
种板尺寸一般比始极片宽20~30mm，长45~70mm，若过宽、过长，会造成种板边上的电力线减弱，超出的始极片边就会过薄而酥脆，不便剥离。
为便于始极片剥离，种板三边涂有宽10~20mm的绝缘边。
国内常用的沾边方法是：
（1）环氧树脂贴涤纶布法。
得到的绝缘边整齐美观，使用寿命可达两个月以上，表9-2为环氧树脂贴涤纶布的重量配比实例；
（2）沥青塑料沾边法。
使用寿命短，约为30~35天，但施工方便，沾边后静置干燥后即可使用，沾边的配比为沥青:
熟石膏粉:
滑石粉=65:
35:
10。
表9-2环氧树脂贴涤纶布的重量配比实例
编号
环氧树脂
二丁脂
丙酮
石英粉
乙二胺
二甲苯树脂
磷苯二甲酸
配方Ⅰ
100
25
50
100
85
配方Ⅱ
10
15
13~14
120
6~7
配方Ⅲ
100
15
40
5~6
注：
环氧树脂牌号为6101；二丁脂、丙酮、乙二胺都为工业用。
我国部分电解厂阳极、始极片、种板规格实例见表9-3所示。
表9-3我国部分电解厂阳极、始极片、种板规格实例
名称
单位
上冶
沈冶
白银一冶
云冶
贵冶
株冶
阳极
长度
mm
740
720
760
850
1000
750
宽度
mm
700
620
810
810
960
740
厚度
mm
35~40
38~42
40~45
33~38
45
30~35
重量
kg
155~165
145
215~218
210~260
370
130~150
始极片
长度
mm
770
740
840
840
1020
780
宽度
mm
740
670
870
860
1000
760
厚度
mm
0.4~0.6
0.45~0.50
0.50
0.40
0.60
0.30~0.50
重量
kg
2~3
1.9~2.3
2.6
6.01
种板
长度
mm
835
790
880
1060
860
宽度
mm
760
700
930
1040
800
厚度
mm
3.5~4.0
3.50
2.5~3.0
4.0
3.0
重量
kg
19.8
17.2
9~11
47.73
18.4
材质
紫铜
钛
紫铜、钛
紫铜
紫铜
（6）槽边导电排、槽间导电板、阴极导电棒
A槽边导电排
槽边导电排与整流机供电导线相连，通过的电流为电解槽的总电流。
导电排的允许电流密度可取1.0~1.1A/mm2；对小型电解精炼厂，由于电流强度不大，导电排的允许电流密度还可适当提高到1.4~1.6A/mm2。
导电排截面积可用式（9-1）计算，即：
（9-1）
式中，F1—导电截面积，mm2；
A—总电流，A；
D1—允许电流密度，A/mm2。
导电排的温度不应高于周围空气40℃，当计算出导体截面面积后，还应用式（9-2）进行温度验算：
（9-2）
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；
ρ—导体比电阻，Ω/（m·mm2），铜为0.0175；
S—导体截面面积，mm2；
n—导体截面的周长，mm。
大型电解槽电流强度大，截面积过大的导电排难于在槽边安装，故不宜采用组合式的槽边导电排直接安装于槽边，而是采用单片式导电排，沿槽边长度方向由多个接点自供电母线接入电流。
B槽间导电板
槽间导电板由紫铜制作，断面一般采用圆形、半圆形、三角形等，使接触点保持清洁；国外有的工厂为防止接触过热氧化而导致槽电压上升，采用了槽形导电板；通水冷却的所谓湿式导电系统；也有因对称挂耳阳极而采用带冲压凸台的导电板。
槽间导电板允许的电流密度可取0.3~0.9A/mm2，其截面积可按式（9-3）计算：
（9-3）
式中F2—槽间导电板的截面积，mm2；
A—总电流，A；
n—每槽阴极数；
D2—槽间导电体允许电流密度，A/mm2。
槽间导电板截面积的确定，还与电解槽的操作方式有关，若出装槽作业采用人工横棒短路断电操作，则槽间导电板截面积还须满足通过短路电流的要求并进行验算。
因横棒短路断电的时间不长，允许电流密度以不超过7.5A/mm2为宜。
C阴极导电棒
阴极导电棒一般以紫铜制作，断面有圆形、方形、中空方形及钢芯铜皮方形等，视阴极的大小和重量决定。
考虑到强度及加工的方便，中、小极板一般选用中空方形导电棒；大极板则选用钢芯包铜方形导电棒。
阴极导电棒允许的电流密度可取1~1.25A/mm2，其截面积也可按公式9-3进行计算。
导电排、槽间导电板和阴极导电棒实例见表9-4所示。
表9-4导电排、槽间导电板和阴极导电棒实例
电流强度
kA
18
10
12
30
12
每槽阴极数
片
42
40
51
27~31
导
电
棒
宽×厚
mm
100×10
240×17
100×10
200×10
120×10
片数
片
10
8
电流密度
A/mm2
1.224
1.25
槽
间
导
电
板
断面形状
电流密度
A/mm2
0.3
0.15~0.18
0.46~0.40
阴
极
导
电
棒
断面形状
电流密度
A/mm2
2.06
0.87~1.04
1.43
2.85~2.48
（7）出装槽短路器
电解槽出装槽时，需要短路断电。
断电方式目前有两种，一是横铜棒断电、人工操作；二是采用遥控短路开闭器，既可在仪表室操作，也可在现场手动操作。
国内一般小型工厂操作电流密度小，可用单槽人工横棒短路断电；而大、中型工厂采用大极板、大电解槽工厂、操作电流强度大，应采用遥控短路开闭器断电，以减轻劳动强度和保护槽面绝缘垫板。
（8）保温节能
电解过程中，由于槽面、槽壁等处散热，电解液发生温降。
为了维护电解液温度条件，需要用蒸汽加热补充热量。
采取保温措施可以显著降低蒸汽消耗，据测定实行槽面覆盖可减少50%的蒸汽消耗，槽壁保温可节约蒸汽消耗17%。
贵冶槽面覆盖涤纶布，槽壁涂厚20~25mm的发泡聚胺脂，循环液管采用硬塑料-环氧树脂复合管后，蒸汽消耗仅为国内其它厂的40~50%。
表9-5为铜电解厂蒸汽消耗实例。
表9-5我国铜电解厂蒸汽单耗实例
厂别
保温措施
蒸汽单耗，t/t吨铜
上冶
电解槽面覆盖聚乙烯塑料球，槽壁未保温
1.0
沈冶
电解槽槽底用=10mm的石棉泡沫板保温
0.8~1.0
白银冶
无
1.48
云冶
无
0.89
株冶
无
1.22
贵冶
电解槽面覆盖涤纶布，槽壁喷涂发泡聚胺脂，各贮液槽均带盖
0.5~0.6
东予厂
电解槽面覆盖涤纶布，槽壁喷涂发泡聚胺脂保温
0.2~0.3
日光厂
电解槽面覆盖泡沫聚乙烯板
0.319
3.铜电解槽的设计计算
1.电解槽
（1）电解槽总数计算
电解槽总数计算：
计算条件：
年产电解铜2000t；
年工作日360天；
商品电解槽电流密度230A/m；
电解槽作业率95%
电流效率96%；
同级中心距80mm；
始极片尺寸770×740mm
电流强度12000A
商品槽N=
（1）
式中N－商品电解槽总数，个；
M—年产电解铜量，t；
360—年工作日；
24—日通电时数，h；
τ—电解槽作业率，%；
η—电流效率，%；
I—电流强度，A；
1.186－铜的电化当量，g/（A·h）；
带入数据得：
N=
=178.3个
考虑具体工艺配置和生产管理方便，取电解槽N数为180个,分6组，为一跨，各组配置一短路开关。
2.电解槽内的极板数
电解槽内的始极片数为：
n=
+1
公式中：
m：
每槽阴极片数，片
Dk：
商品电解槽电流密度，230A/㎡
fc：
每片阴极的面积，㎡，0.77×0.74×2
将数据带入得：
n=
=46.8≈47块
I：
电流强度，12000A
每槽阳极数：
47-1=46片。
本例设电解槽两端为阳极极，即阳极数比阴极数
多1片。
3.电解槽尺寸
（1）、内尺寸
a、电解槽长度：
设电解槽两端距阳极各留200mm，则它长为：
L=2x+（n-1）×l,
式中：
n——始极片数目
l---同极距
L---电解槽内长度
x---靠槽阳极板与槽内壁的间距（≈190mm）
将数据带入得：
2×190+（47-1）×80=4060mm
b、电解槽宽度：
设阴极两侧距槽边各留50㎜。
L1=1000+2y
式中：
L1----电解槽内宽度
740----始极板宽度
y----始极板在宽度方向上与电解槽两端的间距（≈70mm）
将数据带入得：
L1=740＋2×70＝880mm
c、电解槽深度：
设阴极下部距槽底部留z2为300mm，电解液距槽上沿z1为50mm。
h1=770+z1+z2
式中：
h1-------电解槽深度
770------始极板长度
将数据带入得：
h1=770+300+50=1120mm
（2）、电解槽外尺寸：
电解槽外尺寸就是用内尺寸加上壁厚或底厚，对于电解槽的内壁材料此处取为钢筋混凝土。
故电解槽底最薄处取为295mm，为了更好承受电极重量槽壁取为115mm。
电解槽的内衬防腐材料为5mm，其材料在此选为玻璃钢，因为玻璃钢绝热、绝缘性能好，耐腐蚀，价格比衬铅的低廉。
底部长度方向上的倾角为30，由此外部尺寸调整如下：
a、长度：
L外=L+2d壁
L----电解槽内长度
L外---电解槽外部长度
d壁---壁厚
带入数据得：
L外=4060+2×120=4300mm
b、宽度：
L外1=L1+2d壁
式中：
L外1----电解槽外部的宽度
L1----电解槽内宽度
d壁---壁厚
将数据带入上式得
L外1=880+2×120=1120mm
c、电解槽高度：
h1外=h1+d底
式中：
h1外---电解槽高度
h1——电解槽深度
d底----电解槽底厚
将数据带入上式得：
h1外=1120+300=1420mm
4.电极板厚度计算：
（1）、阳极：
假设生产的阴极铜品位为99.9958%；阳极进入电解铜的Cu为98%；残极率
选18%；阳极铜含量为99.18%，则生产1t电解铜需要溶解阳极量计算如下：
=1.0288t
每块阳极片的重量为：
M阳=
=189.1kg
式中：
M阳---阳极重量
1．186——铜电化当量
12000——电流强度
96%——电流效率
24——日通电时数
95%——作业率
21——阳极使用周期
1．06——阳极大耳系数
1．0288——冶炼1t阴极铜所需阳极铜量
m——残极率
46——阳极块数
b、阳极板厚度计算：
δ阳=
式中：
M阳——阳极板质量kg
ρ——铜比重
A——阳极溶解部分的单位面积：
（因本设计始极片的尺寸设定为：
770×740mm；
而阳极板尺寸设定成比阴极板窄35mm，短40mm，因此本设计阳极板尺寸为
735×700mm。
将数据带入上式得：
δ阳=
=41.8mm
由以上计算可得出阳极尺寸为：
735×700×41.8mm，
（2）、始极片（阴极）
电流密度为230A/m2
在本题中始极片数取为47片。
I始=230×47×0.985×0.96×2=20443.87A
平均通电时间：
23.75h
a、始极片重为：
M始=
=13.96kg
式中：
1.186——铜电化当量
20443.87——电流强度A
23.75——日通电时间h
b、始极板厚度为：
δ始=
式中：
δ始——始极板厚度
ρ——始极板比重
A——始极板面积
M始——始极板重量
将数据带入上式得：
δ始=
=2.75mm
（3）、阴极增重：
设生产电解过程中阴极板面各接触电解液边各增加10mm即尺寸为780×750mm，则每块阴极片增重：
M增=
=46.4kg
式中：
M增——阴极增重
1．186——铜电化当量
12000——电流强度
7——阴极周期d
46——始极片数
24——日通电时数h
96%——电流效率
95%——作业率
b、阴极板厚度计算：
式中：
M增——阴极板增加质量
δ增——阴极板增加的厚度
A——铜板面积
ρ——铜比重
将数据带入式子得：
δ增=
=9.15mm
M阴=M始+M增=13.96+46.4=60.36kg
δ阴=δ始+δ增=2.75+9.15=11.9mm
5.管道尺寸计算：
铜电解槽接电解液循环系统的主要管道有：
（1）从主供液管至电解槽的进液管，每个电解槽一根；
（2）从电解槽至回液管的每槽出液管，每个电解槽一根；
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