Электролитическое рафинирование меди

 

 

      На  1000 кг катодной меди необходимо затратить

      1 :0,82566113= 1,211 т анодов, а с учетом анодного скрапа –

      1,211 · 100/(100 – 20) = 1,5 т анодов.

      При производительности цеха 350 тыс. т в  год катодной меди суточная производительность составит 350000 : 365 = 958,9 т.

      4.2 Расчет основного оборудования

      Основное  оборудование цеха – электролизные  ванны. При расчете ванн определяют их размеры, производительность и количество.

      Расчет  количества катодов  и размеров электролизной  ванны

      Плотность тока равна 260 А/м².

      Размеры одного полотна, м, следующие: длина  а_к = 0,8, ширина b_k= 0,95. Число катодов 40, следовательно, число анодов – 39.

      Площадь катодной поверхности одной ванны  составит:

      F =n_к∙ 2ab = 40 ∙2∙0,8∙0,95 = 60,8 м².

      Найдем  силу тока:

      I = 260∙60,8 = 15808 А

      Ширина  анода b_А= 925 мм, длина а_А = 830 мм.

      При толщине анода 40 мм, толщине катода 15 мм, расстояние между одноименными электродами по центру 100 мм и зазорах от внутренней поверхности ванны до поверхности крайних катодов, равных 200 мм, длина ванны составит:

       мм.

      Ширину  ванны определяем по ширине катода и ширине зазоров между катодом  и внутренней поверхностью ванны, равных

      50·2 = 100 мм

      В = 950 + 100 = 1050 мм.

      Глубина ванны при расстояниях от дна  до полотна катода 300 мм и от поверхности электролита до борта ванны 55 мм с учетом длины полотна катода (800 мм) будет равна:

      Н = 800 + 300 + 55 = 1155 мм.

      Объём ванны V = LBH = 4300∙1050∙1155 = 5,21∙10^-9 мм³=5,21 м³.

      Ванна заполняется электролитом и электродами  примерно на 90 % объёма. Следовательно, объём ванны, заполненный электродами  и электролитом, равен V’ = 5,21 : 0.9 = 5,79м³.

      Объём электролита в ванне V_ЭЛ = V’ –V_A–V_K, где V_A и V_K – объёмы, заполненные анодами и катодами.

      V_ЭЛ = 5,79 - 40∙0,8∙0,95∙0,015 – 39 ∙ 0,925 0,83 ∙ 0,04 = 4,134м³.

      Расчет  количества ванн

      Количество  ванн, необходимых для производства 350 тыс. т катодной меди в год, находим  по уравнению:

        где Р – производительность  проектируемого цеха, тыс. т в  год; N_p – число ванн; 24 – время, ч; 1,186 – электрохимический эквивалент меди, г/(А·ч); 365 – число календарных суток; А – выход по току; М – машинное время работы ванн (принимаем М = 0,92); I–сила тока, А;

      N_p = 350000 ∙10⁶/(15808 ∙ 24∙0,92∙1,186∙365)= 2317

      В цехе устанавливаем 68 серий, каждая –  из 34 ванн.

      4.3 Расчет напряжения на ванне

      Рассчитываем  сопротивление электролита следующего состава, г/л: Cu – 40; H₂SO₄ – 190; Ni – 25; Fe – 1. Остальные примеси из-за их незначительного содержания не учитываем.

      Расчет  ведём по методу Сковронского. Удельное сопротивление рассчитываем по формуле:

где К – коэффициент, получающийся в результате деления удельного  сопротивления раствора H₂SO₄заданной концентрации на удельное сопротивление раствора серной кислоты концентрации 150 г/л; К = 0,842; С – концентрация металлов, г/л; А – атомные веса металлов,

      ρ = 0,842·1,364 + 0,00942·(40 + 25·63,55/58,71 + 1·63,55/55,85+ + 5·63,55/74,92) = 1,83 Ом·см.

      При 60 °С ρ = 1,83 – 0,0065(t – 55) = 1,796 Ом·см.

      При выходе анодных остатков 20 % и стартовой  толщине анодов 40 мм толщина анодных остатков составит 40·0,2 = 8 мм.

      При толщине катодной основы 1 мм максимальное расстояние между электродами будет равно: (100 – 8 – 1):2 = 46,5 мм = 4,65 см.

      Площадь среднего сечения электролита между  анодом и катодом, по которому протекает  электрический ток, равна

      (a_k∙b_k+a_a∙b_a)/2=(0,80∙0,95+0,83∙0,925)/2=0,7639м².

      В ванне 39 анодов и 40 катодов, следовательно, число межэлектродных промежутков  равно 78. Тогда общее сечение электролита, по которому протекает электрический  ток, составляет

      0,7639 · 78 =  59,5842 м².

      При межэлектродном расстоянии l = 46,5 мм сопротивление электролита:

      R_эл= ρ · l/S = 1,796 · 4,65/ (59,5842·10⁴) = 1,402·10^-5 Ом.

      Сопротивление шлама составляет в среднем 10 – 15 % от общего сопротивления шлама  и электролита. Принимаем 15 %, тогда  сопротивление шлама:

      R_шл = R_эл · 15/85 = 1,402·10^-5·15/85 = 0,247·10^-5 Ом.

      При силе тока на ванне, равном 15808 А, через  каждый катод и катодную штангу протекает 15808/40 = 395,2 А.

      Принимаем допустимую токовую нагрузку на 1 мм² поперечного сечения штанги равной 2 А/мм². Тогда поперечное сечение штанги будет равно 395,2/2 = 197,6 ≈ 198мм².

      Длина штанги – 1200 мм. Сопротивление штанги при 15 °С может быть определено по соотношению где ρ¹⁵ – удельное сопротивление меди при t = 15 °С; ρ¹⁵ = 0,0175 Ом·мм²/м. Подставляя численные значения, получим:

      _{R¹⁵шт=0,0175∙1,2/198=1,061∙10^-4Ом}

      Температуру штанги, находящейся над горячим  электролитом под токовой нагрузкой, принимаем равной 45 °С. Тогда сопротивление  штанги определяем по формуле:

       Ом,

      Здесь α – температурный коэффициент  удельного сопротивления меди, α = 0,004 Ом/градус.

      Сопротивление 40 штанг R_шт = 1,188·10^-4:40 = 0,297·10^-5 Ом.

      Принимаем сопротивление контакта анод-катодная штанга равным 7,56·10^-5 Ом, тогда сопротивление контактных групп всей ванны составит 7,56 ·10^-5:40 = 0,189·10^-5 Ом.

      Сумма анодной и катодной поляризаций  принимается равной 0,04 В. Тогда сопротивление  ЭДС поляризации будет равно 

      0,04:15808 = 0,25·10^-5 Ом.

      Таким образом, общее сопротивление средней  ванны в блоке складывается из следующих значений сопротивлений, Ом:

      Электролита – 1,402·10^-5 ;

      Шлама - 0,247·10^-5;

      Катодных  штанг - 0,297·10^-5;

      Контактов – 0,189·10^-5;

      ЭДС поляризации – 0,25·10^-5

      И в сумме составит 2,385·10^-5.

      Краевые ванны имеют большое сопротивление (на величину сопротивления шины). Поперечное сечение шины принимаем равным 22400 мм², длина шины – 4140 мм. Тогда, подставляя численные значения, получим

      Следовательно, сопротивление краевой  ванны составит

      2,385·10^-5 + 0,36·10^-5 = 2,745·10^-5 Ом.

      В соответствии со значениями сопротивления  отдельных элементов ванны и  силы тока составляем электрический  баланс:

      Таблица 4.3 – Электрический баланс ванны

 

      Расход  электроэнергии на тонну катодной меди составит:

        

      4.4 Расчет количества  катодов

      При размерах анода, равных 925х830х40 мм, его  масса составит: 0,925·0,83·0,04·8,5 = 0,261 т (8,5 т/м³ – плотность меди).

      По  материальному балансу на катоды перейдет из анодов 82,566113 % меди или 261·0, 82566113  = 215,5 кг.

      Тогда при производстве 350000 т катодной меди в год необходимо переработать анодов:

      350000/0,2155 = 1624130 шт.

      При плотности тока, равной 260 А/м² и выходе по току 96 %, на катоде в сутки отложится меди:

      1,186·0,96·24∙260·2·0,8·0,95 = 101799 г = 10,1799кг.

      Продолжительность растворения анода составляет

      215,5/10,1799 = 21 сут.

      При соотношении срока растворения  анода к сроку наращивания  катода 3:1 количество произведенных  катодов в год составит

      1624130·3 = 4872390 шт.

      (или  4872390:(365·24) = 556 катодов в час) при  средней массе 215,5:3 ≈ 71,83 кг.

      Матричные серии ванн должны выдавать в сутки 566·24 = 13344 шт. основ, и примерно 10 % от этого количества основ затрачивается  на изготовление ушков и покрытие брака.

      Количество  матричных ванн в цехе определяется по формуле:

      

      Где, N_p – общее количество ванн в цехе; - количество катодов втоварной и матричной ваннах соответственно: = 40, = 39; - сроки наращивания катода и основы товарной и матричной ваннах: = 5,3 сут, = 1 сут.

      Подставляя  численные значения, получим

      Х = 1,1 2317∙40∙1/(2∙39∙5,3+1,1∙40∙1)= 223

      Так серия состоит из 34 ванн, то в цехе должно быть установлено 7 серий.

      Приняв  плотность тока на матричном переделе равной

280 А/м², размер катодного полотна 0,86·0,96 м, выход по току 96 %, рассчитаем массу и толщину катодной основы.

      Масса основы равна

      0,8∙0,95∙1,186∙0,96∙280∙24/1000= 5,81кг.

      Масса основы с учетом ушков должна быть увеличена на 6 %, т. е. до 6,16 кг. Толщина  основы составит 6160:(86·96·8,5) = 0,09 см ≈  1 мм.

      4.5 Определение ведущей  примеси и объема  электролита, выводимого  в купоросный цех

      По  таблице материального баланса  видно, что в наибольшем количестве в электролит переходит никель, цинк, железо и мышьяк. Ведущей примесью является тот металл, содержание которого раньше других достигнет предельно  допустимой концентрации в электролите.

      В катоды переходит 82,566113 % меди и примеси. Тогда ежесуточно во всех ваннах растворяется меди:

      796,8:0,82566113 = 965,045 т.

      Следовательно, в сутки при растворении анодной  меди в раствор перейдет следующее  количество примесей:

      Никеля  – 0,0005·965045·0,92 = 443,9207 кг

      Цинка – 0,00005·965045·1 = 48,25225 кг

      Железа  – 0,0001·965045·0,7 = 67,55315 кг