Электролитическое рафинирование анодной меди

     V_эл= 3,915 - 31· 0,86·0,96·0,015 - 30· 0,925·0,83·0,04 = 2,65 м³.

     Расчет количества ванн.

     Количество ванн, необходимых для производства 260 тыс. т катодной меди в год, находим по уравнению

     P=N_p·I·365·24M·l,186A,

     где Р - производительность проектируемого цеха, тыс. т в год; N_p - число ванн; 365 - число календарных суток; 24 - время, ч; 1,186 – электрохимический эквивалент меди, г/(А·ч); А - выход по току (принимаем А = 0,96); М - машинное время работы ванн (принимаем М = 0,92); I - сила тока, А;

     N_p = 260000·10⁶/( 16200·24· 0,92·0,96·1,186·365) = 1749.

     В цехе устанавливаем 42 серии, каждая - из 32 ванн. 

     Расчет напряжения на ванне

     Рассчитаем сопротивление электролита следующего состава, г/л: Cu-50; H₂SO₄-110; Ni-25; Fe-1; As-5. Остальные примеси из-за их незначительного содержания не учитываем.

     Расчет ведем по методу Сковронского. Удельное сопротивление электролита рассчитываем по формуле

     р = к·1,364 + 0,00942 C_Cu, + 0,00942 С_Ni A_Cu/A_Ni + + 0,00942·C_Fe·А_Cu/А_Fe + +0,00942·С_As·A_Cu/A_AS,

     где к - коэффициент, получающийся в результате деления удельного сопротивления раствора H₂SO₄ заданной концентрации на удельное сопротивление раствора серной кислоты концентрации 150г/л; к=1,287; с - концентрация металлов, г/л; А - атомные веса металлов,

     р = 1,28·1,364 + 0,00942(50 + 25·63,55/58,71 + 1·63,55/55,85 + 5·63,55/74,92) = 2,061 Ом·см.

      При 60 °С

     р = 2,061 - 0,0065(t- 55) = 2,0285 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 = 45,5 мм = 4,55 см.

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

     (a_k·b_k + а_а·b_а)/ 2 = (0,86·0,96 + 0,83·0,925): 2 = 0,7967 м².

     В ванне 30 анода и 31 катодов, следовательно, число межэлектродных промежутков равно 60. Тогда общее сечение электролита, по которому протекает электрический ток, составляет 0,7967·60 =47,802 м².

     При межэлектродном расстоянии l= 45,5 мм сопротивление электролита

       R_эл = P·l/s = 2,0285·4,55/(54,1756·10⁴) = 1,704·10^-5 Ом.

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

     R_шл = R_эл·15/85 = 1,704·10^-5·15/85 = 0,339·10^-5 Ом.

     При силе тока на ванне, равном 16200 А, через каждый катод и катодную штангу протекает 16200/30=522,6 А.

     Принимаем допустимую токовую нагрузку на 1 мм поперечного сечения штанги равной 2 А/мм². Тогда поперечное сечение штанги будет равно 522,6: 2 = 261,3 мм².

     Длина штанги - 1200 мм. Сопротивление штанги при t = 15 °С может быть определено по соотношению   R¹⁵_шт = р¹⁵·l/s, где р¹⁵ -удельное сопротивление меди при t = 15 °С; р¹⁵=0,0175 Ом·мм²/м. Подставля численные значения, получим

     К¹⁵_шт =0,0175·1,2/261,3 = 0,8·10^-4 Ом.

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

     R⁴⁵_шт = R¹⁵_шт[1+α(t-15)] =

     = 0,8·10^-4 [1 + 0,004(45 - 15)] = 0,896·10^-4 Ом,

     здесь α - температурный коэффициент удельного сопротивления меди, a = 0,004 Ом/град.

     Сопротивление 31 штанг R_шт= 0,896·10^-4: 31 = 0,289·10^-5 Ом.

     Принимаем сопротивление контакта анод-катодная штанга равным 7,56·10^-5 Ом, тогда сопротивление контактных групп всей ванны составит 7,56·10^-5·31 = 0,244·10^-5 Ом.

     Сумма анодной и катодной поляризаций принимается равной 0,04 В. Тогда сопротивление ЭДС поляризации будет равно 0,04:16200=0,25·10^-5 Ом.

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

     электролита -1,704· 10^-5;

     шлама - 0,301·10^-5;

     катодных штанг - 0,289·10^-5;

     контактов - 0,244·10^-5;

     ЭДС поляризации - 0,25·10^-5

       и в сумме составит -  3,02·10^-5.

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

     R⁴⁵ш = 0,0175[1 + α(t - 15)] l/s = 0,0175(1 + 0,004·30)·4,14:22400 = 0,36·10^-5 Ом. Следовательно, сопротивление краевой ванны составит  2,788·10^-5 + 0,36·10^-5 = 3,148·10^-5 Ом.

     В соответствии со значениями сопротивления отдельных элементов ванны и силы тока составляем ее электрический баланс (табл.2.)

     Таблица 2

     Электрический баланс ванны

     Расход электроэнергии на тонну катодной меди составит:

     W = 0,533·10³/(1,186- 0,96) = 436 кВт ч. 

     Расчет количества катодов

     При размерах анода, равных 925×830×40 мм, его масса составит  0,925· 0,830· 0,04·8,5 = 0,261 т (8,5 т/м³ - плотность меди).

     По материальному балансу на катоды перейдет из анодов 77,98 % меди или

     261·0,7798 = 203,53 кг.

     Тогда при производстве 260000 т катодной меди в год необходимо переработать анодов:

     260000:0,20353 =1277453 шт.

     При плотности тока, равной 310А/м² и выходе по току 96 %, на катоде в сутки отложится меди:

     1,186· 0,96·24·310· 2· 0,86 ·0,96 = 13085 г = 13,987 кг.

     Продолжительность растворения анода составляет

     203,53:13,987 =15 сут.

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

     1276826·З =3830478 шт.

     (или 3830478:(365 24) = 437 катодов в час) при средней массе 203,63:3~68 кг.

     Матричные серии ванн должны в сутки выдавать 437·24 =10488шт. 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 в товарной и матричной ваннах соответственно: = 31, = 30; , - сроки наращивания катода и основы в товарной и матричной ваннах: =5,3 сут, = 1 сут.

     Подставляя численные значения, получим

     

     Так как серия состоит из 41 ванн, то в цехе должно быть установлено 4 серии.

     Приняв плотность тока на матричном переделе равной 310 А/м², размеры катодного полотна 0,86×0,96 м, выход по току 96 %, рассчитаем массу и толщину катодной основы.

     Масса основы равна

     

     Масса основы с учетом ушков должна быть увеличена на 6 %, т.е. до 7,4 кг. Тогда толщина основы составит 7400:(86·96·8,5) = 0,1054 см ~1 мм. 

     Определение ведущей примеси и объема электролита, выводимого в купоросный цех

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

     В катоды переходит 77,018038 % меди и 0,0288 % примесей. Тогда ежесуточно во всех ваннах растворяется меди: 712,33:0,7702 = 924,86 т.

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

     никеля   - 0,92·924860·0,004 = 3403,5 кг; 
железа    -0,70· 924860·0,00003 =19,42 кг; 

     мышьяка -0,735·924860·0,00002 = 13,6 кг.

     Общий объем электролита в ванне 2,65 м². Полный объем электролита в цехе рассчитывают по формуле

     V_ц=l,2V_эл·N_p,

     где 1,2 - коэффициент запаса; V_эл - объем электролита в ванне; N_p - количество ванн в цехе. Подставив численные значения, получим

     V_ц= 1,2·2,65·1749 = 5561,82 м³.

     Предельное содержание примесей в электролите, г/л, примем равным: никеля - 25, железа - 1, мышьяка - 5.

     Электролит обогатится до предельного содержания за следующее время: по никелю за (5561,82·25)/340,35=40 сут; по железу за (5561,82·1)/19,42=287 сут; по мышьяку за (5561,82·5)/13,6 =2045 сут.

     Следовательно, ведущей примесью является никель, содержание которого в электролите достигает предельного значения за 41 сут. Для поддержания концентрации в электролите никеля и других примесей на допустимом уровне следует ежесуточно выводить из циркуляции и направлять в купоросный цех определенное количество электролита. Найдем его объем.

     Из анодов переходит в электролит никеля 3403,5кг/сут. Следовательно, ежесуточно в купоросный цех необходимо выводить электролита:

     3403,5:25 = 136140 л (136,14 м³). В купоросном цехе электролит перерабатывается с получением катодной меди, медного и никелевого купороса. 

     Определение  числа ванн регенерации

     При электролитическом рафинировании медь в раствор электролита переходит как электрохимическим путем, так и в результате химического взаимодействия по реакции

     Сu+ 0₂ + H₂S0₄ = CuS0₄ + Н₂0

     Вследствие коррозии анодов в электролит переходит дополнительно 2-3 % меди.

     Принимаем, что химическим путем растворяется 2,1% меди анодов. Чтобы концентрация меди в электролите оставалась на заданном уровне, необходимо избыточное количество меди выводить из электролита, находящегося в циркуляции. Корректировка содержания меди в электролите достигается путем вывода части электролита в купоросный цех, а также электролизом в ваннах с нерастворимыми анодами. С этой целью в цехе устанавливается определенное число ванн регенерации.