课程设计 电解槽

《年产100000吨1#锌电解锌的锌电解沉积系统》
设
计
说
明
书
指导教师：李超
姓名：黄朝福
班级：冶金12-1班
学号：*********
专业：冶金技术
完成日期：2014年05月12号至2014年5月24号
目录
第一章冶金绪论
1锌的一些性质和用途介绍
2锌电解槽的概述
第二章冶金计算
1锌电解沉积过程的物料平衡和能量平衡计算2锌电解沉积的技术条件和经济技术指标
第三章主要浸出设备及辅助设备的选择与计算
1 主要浸出设备（浸出槽）的选择与计算
2 主要辅助设备的选择与计算
第一章设计概述
1金属的性质及其在国民经济中的地位
金属是一种具有光泽(即对可见光强烈反射)、富有延展性、容易导电、导热等性质的物质。

金属的上述特质都跟金属晶体内含有自由电子有关。

在自然界中，绝大多数金属以化合态存在，少数金属例如金、铂、银、铋以游离态存在。

金属矿物多数是氧化物及硫化物。

其他存在形式有氯化物、硫酸盐、碳酸盐及硅酸盐。

金属之间的连结是金属键，因此随意更换位置都可再重新建立连结，这也是金属伸展性良好的原因。

金属元素在化合物中通常只显正价。

有色金属是国民经济、人民日常生活及国防工业、科学技术发展必不可少的基础材料和重要的战略物资。

农业现代化、工业现代化、国防和科学技术现代化都离不开有色金属。

例如飞机、导弹、火箭、卫星、核潜艇等尖端武器以及原子能、电视、通讯、雷达、电子计算机等尖端技术所需的构件或部件大都是由有色金属中的轻金属和烯有金属制成的；此外，没有镍、钴、钨、钼、钒、铌等有色金属也就没有合金钢的生产。

有色金属在某些用途（如电力工业等）上，使用量也是相当可观的。

现在世界上许多国家，尤其是工业发达国家，竞相发展有色金属工业，增加有色金属的战略储备。

有色金属工业包括地质勘探、采矿、选矿、冶炼和加工等部门。

矿石中有色金属含量一般都较低，为了得到1吨有色金属,往往要开采成百吨以至万吨以上的矿石。

因此矿山是发展有色金属工业的重要
基础。

有色金属矿石中常是多种金属共生，因此必须合理提取和回收有用组分，做好综合利用，以便合理利用自然资源。

许多种稀有金属、贵金属以及硫酸等化工产品，都是在处理有色金属矿石或中间产品以及矿渣、烟尘的过程中回收得到的。

有色金属生产过程中通常产生大量废气、废水和废渣，其中含有多种有用组分，有时含有有毒物质，一些有色金属也具有毒性。

因此，在生产有色金属的过程中,必须注意综合利用与环境保护。

此外,与钢铁的生产相比，一般说来，有色金属生产需要的能量是比较多的。

据统计，如从矿石生产每吨钢能耗以100计，镁为 1127，铝为767，镍为455，铜为352，锌为206。

因此，在有色金属工业中，降低能耗问题非常突出。

在有色金属的开采、选矿、冶炼、加工及再生回收过程中,有多种提取方法可资选用。

就冶炼过程而言,通常分为火法冶金、湿法冶金和电冶金。

火法冶金一般具有处理精矿能力大,能够利用硫化矿中硫的燃烧热,可以经济
地回收贵金属、稀有金属等优点；但往往难以达到良好的环境保护。

湿法冶金常用于处理多金属矿、低品位矿和难选矿；电冶金则适用于铝、镁、钠等活性较大的金属的生产。

这些方法要针对所处理的矿物组成选择使用或组合使用。

为了强化有色金属的冶炼加工过程,发展了一系列新技术、新方法和新设备，如高压浸取、流态化焙烧、有机溶剂萃取、离子交换、金属热还原、区域熔炼、真空冶金、喷射冶金、等离子冶金、氯化冶金以及连续铸轧、等静压加工、扩散焊接、超塑成型等，大大丰富了冶金学的理论和工艺，不断推动了有色金属生产的发展。

有色金属大多是加工成材后使用，因此如何合理有效地生产性能良好、物美价廉的有色金属材料以取得最大的社会经济效益，是个十分重要的问题。

随着科学技术的进步与国民经济的发展，对于有色金属材料在数量、品种、质量及成本等方面不断提出新的要求；不仅要求提供更好性能的结构材料、功能材料。

对其化学成分、物理性能、组织结构、晶体状态、加工状态、表面与尺寸精度以及产品的可靠性、稳定性等方面的要求也越来越高。

总的说来，有色金属材料的生产正向大型化、连续化、自动化、标准化方向发展，这就需要高精度、高可靠性的工艺、装备、控制技术与成品检测技术。

一些新材料，如半导体材料、复合材料、超导材料，新技术如粉末冶金、表面处理等已经形成或者正在发展成为一个新的技术领域
2 锌的性质及其在国民经济中的地位
1. 锌的物理性质
金属锌是银白色略带蓝灰色的金属，断面有金属光泽，晶体结构为密排六方晶格。

锌在熔点附近的蒸汽压很小，液体锌蒸汽压随温度的升高而急剧增大，这是火法炼锌的基础。

在不同温度下锌的蒸汽压如下：
温度/K 692.5 773 973 1180 1223
蒸汽压/Pa 21.9 188.9 8151.1 101325 150439.1
在室温下锌很脆，布氏硬度为7.5。

加热到373~423K时锌变得很柔软，延展性变好，可压成0.05MM的薄片，或拉成细丝。

当加热到523K时则失去延展性而变脆。

锌的主要物理性质如下：
2. 锌的化学性质
锌是元素周期表中第四周期ⅡＢ族元素，元素符号Ｚn，原子序数30，相对原子质量65.39。

锌原子的外电子构型为【Ar】3d10 4s2，在形成化合物时容易失去4S轨道上的2个电子，+2是锌离子常见的价态。

锌具有较好的抗腐蚀性能，在常温下不被干燥的空气、不含二氧化
碳的空气或干燥的氧所氧化。

但与含有CO2的湿空气接触时表面生成一层灰白色致密的碳酸锌ZnCO3·3Zn(OH)2薄膜，保护内部锌不再被腐蚀。

锌在熔融时与铁形成化合物，冷却后保留在铁表面上，保护钢铁免受浸蚀。

商品锌易溶于盐酸中、稀硫酸和碱性溶液中。

锌的主要化合物有硫化锌、氧化锌、硫酸锌和氯化锌。

3. 锌在国民经济中的作用
金属锌的最大用途是镀锌，约占总耗锌量的40%以上；其次是用于制造各种品牌的黄铜，约占总耗锌量的20%；压铸锌约占15%左右；其余20%—25%主要用于制造锌基合金、干电池、氧化锌、建筑五金制品及化学制品等。

锌广泛用于航天、汽车、船舶、机械、建筑、电子及日用工业等行业。

锌的氧化物多用于橡胶、陶瓷、造纸、颜料工业；氧化锌在用作木料的腐蚀剂，硫酸锌用于制革、纺织和医药等工业。

电解槽的概述：
电解槽主要由左右端压板、左右端极板、左右极板、中间极板、镍丝网、隔膜垫片等组成。

整个槽体由二块端压板和六根拉紧螺栓将它们夹紧。

二组电解小室成串联形式。

电解槽体的每个小室由阳极板、阳付极网、石棉隔膜布、阴极付网、阴极板及绝缘垫片组成。

除左右端极板外，每块极板都是双极性的，朝着中间极板的一侧是阴极，背对的一侧是阳极。

阴极侧产生氢气，阳极侧产生氧气。

每块极板(除端极板)组件都是由主极板和极框焊接后镀银面成。

主极板上的
乳头起支承付极网和石棉隔膜布的作用。

电解液可以在乳头和隔膜布形成的空间里流动。

乳头还有输电的作用。

极框本身是不参与电解的，它比主极板厚得多。

当它与绝缘密封垫压紧后，框内自然形成空间，保证氢(氧)碱液的流动。

在极框上下部开有许多孔，并在其二侧沿径向分别开有许多沟槽与这些孔相通，使每个电解小室的阴阳极侧分别与相应的孔道相通。

大修时左、右极板只是做部件表面镀镍检察和酸洗处理，有个别极板有脱镀现象应更换。

阴（负）极网是由镍丝网编织后经过喷涂处理的镍丝网（涂层名义成分为Ni 80% 、Ai 20%）。

镍丝网涂层在90℃、30％的KOH溶液中强制循环下运行，涂层脱落比较严重，长期运行后，网可设备性能大幅下降，电能耗大，应更换。

3、石棉隔膜布与绝缘密封垫通过模压方式制作成一体，形成部件---石棉隔膜垫。

它的周边是环状绝缘密封垫，中间为石棉隔膜布。

绝缘密封垫采用F46（名义成份）压制而成。

石棉隔膜布在烧碱溶液中耐碱性有一定的要求，只能在90℃以下长期使用。

设备长期运行后，石棉纤维脱落，孔隙增大，将导致氢氧气体的直接混合，绝缘密封垫，经过长期热胀冷缩和挤压，越来越薄，直至失去弹性，甚至裂开影响设备安全运行,大修时将全部更换。

第二章冶金计算
给定的资料
1.新液成分（mg/L）
2工厂用水含氯60mg/L，含氟30mg/L. 最高温度32℃，最低14℃
3 夏天最高气温37℃，冬天最低气温3℃年平均湿度65％
4 电解阴极周期23h
冶金计算过程
1锌电解沉积过程的物料平衡计算
计算所使用的资料
（1）冶炼总回收率95％
（2）阴极锌电炉熔铸锌直接回收率97.5％
（3）新液含锌150g/L 电积析出锌96g/L
（4）新液含锰3.5g/L，废电解液含锰3.0g/L
（5）产出1t 阴极锌消耗铅阳极4.5㎏
（6）阴极锌平均含铅取0.005％
（7）新液密度1.33 kg/L ，废电解液密度1.25kg/L
（8）电积过程中因喷溅,滴漏,跑液等不能回收损失的锌量占进料总锌量的0.36％
以100kg 锌精矿计算
阴极锌产量
阴极锌含金属量：
()3115.52975
.0005.0-15126.0100=⨯⨯㎏ 净化除铜镉消耗锌粉1.1165㎏。

此锌粉的一部分来自于阴极锌，经熔化,压缩空气喷吹制得，另一部分来自于浮渣处理。

吹制锌粉还需要0.7975㎏的阴极锌。

阴极锌含金属锌的总量为：52.3115+0.7975=53.109㎏,阴极锌含锌99.99％，其产量为104.539999
.0109.53=㎏。

进入电积的新液量及其各分组的含量电积需要新液量：042.55995
1000109.53=⨯L 或526.74333.1042.559=⨯㎏ 其中：ZnSO 4 948.206104
.654.161150042.5593-=⨯⨯⨯㎏ H 2O 578.536948.206-526.743=㎏
生成阳极泥的量
进入阳极泥的锰量为
279.010000.3-5.3042.559=⨯）（㎏ ，MnO 2量：441.055
87279.0=⨯㎏ 其中含O 量：162.0279.0-441.0=㎏ 产出的阴极锌53.109㎏，耗铅量为：239.010005.4109.53=⨯㎏，53.109
阴极锌中含铅0026.00005.0109.53=⨯㎏，进入阳极泥之铅量0.239-0.0026=0.236㎏ 换算为PbO 量：273.02
.2072
.239236.0=⨯㎏ 其中含O 量：0.273-0.236=0.037㎏
阳极泥中MnO 2和PbO 2为：714.0273.0441.0=+㎏，其中含O 量：
199.0037.0162.0=+㎏
电积时进入大气中的氧量 电积时阳极含氧量：993.124
.6516
109.53=⨯
㎏ 进入到大气中的氧量：794.12199.0-993.12=㎏ 电积得到废电解液量及成分
电积过程，溶液中ZnSO 4和H 2O 分解为：
ZnSO 4 067.1314.654.161109.53=⨯㎏
H 2O 617.144
.6518
109.53=⨯㎏ 生成的H 2SO 4量：582.794
.6598
109.53=⨯㎏ 得到的废电解液中各组分的量为： ZnSO 4 881.75131.067-948.206=㎏
H 2O 961.521167.14-578.536=㎏
H 2SO 4 79.582㎏
废电解液总重量为：424.677582.79961.521881.75=++㎏ 废电解液的总体积为：
939.54125
.1424
.677= L 电积过程不能回收的损失的锌量
电积过程不能回收损失的锌量占精矿总锌量的0.36％，即 206.00036.048.57=⨯㎏
溶液中带走的ZnSO 4量：511.04.654
.161206.0=⨯
㎏ 随同带走的H 2SO 4量 ：536.0322.58759
.74511.0=⨯ ㎏
随同带走的H 2O 量 ：685.3322
.58284
.503511.0=⨯㎏
共损失：732.4685.3536.0511.0=++㎏ 输出废电解液量
在电积和冷却过程中，电解液中水分的分解和蒸发量为废电解液量的10％，即： 1889.541.0889.541=⨯L
扣除过程中不能回收的损失，得到废电解液中： ZnSO 4 37.75511.0-881.75=㎏ H 2SO 4 046.79536.0-582.79=㎏ H 2O 276.518685.3-961.521=㎏
输出的废电解总量为 692.672276.518046.7937.75=++ ㎏ 输出的废电解总体积为 154.53825
.1692
.672= L 废电解液成分：
Zn : 75.56154.53810004.1614
.6537.75=⨯⨯
g/L H 2SO 4
884.146154
.5381000
046.79=⨯ g/L
以上计算结果 列于下表：
2 电解槽热平衡计算：
以单个槽为计算基础，然后计算出全车间或一个系列电解槽在电积过程中总的剩余热量。

电解槽热平衡按下式进行计算：
Q电流+Q新=Q废+Q蒸发+Q溅出+Q辐射+传+Q余KJ/h
式中:
Q电流—电流通过产生的热量KJ/h
Q新—新液带入的热量KJ/h
Q废—废电解带走的热量KJ/h
Q蒸发—电解液表面蒸发损失的热量KJ/h
Q辐射+传热—辐射，对流和传导损失的热量KJ/h
Q电流=3
.0-
⨯
⨯IE KJ/h
239
.4
t
1868
10
式中I-通过电流，A；
E--电解液，极板，阳极泥及浓差极化之电压降，V;
t —通电时间，S
Q新=m1C1t1kJ/h
试中m1--单位时间进入每槽的新液量，kJ/h;
C1--新液比热，kj/(kg.℃);
t1--加入新液温度，℃
Q废=m2c2t2 kJ/h
式中m2--每槽排出废电液的量，kJ/h c2--废电液比热，kJ/(kg.℃) t2-排出废电液温度℃
Q蒸=S液表面Wrz kJ/h
试中w--每槽液表面蒸发的水量，kg/(m2h )
r z--水的气化潜热，kJ/kg
S液表面---电解槽中溶液有效表面积，m2
S液表面=S槽—S极
S槽—电解槽溶液表面积，m2；
S极—极板占有表面积m2
Q溅=0.003Q液kJ/h
Q=91
（Q 蒸+Q 溅）kJ/h
计算采用原始资料
（1）电流强度 I=18800A 电流密度 Dk=520A/m2 (2)新液含Zn150g/l,温度45℃ （3）废电液含Zn45g/l,温度40℃
(4)每槽装阴极片32片，阴极尺寸：1000×666×4mm (5)电解槽尺寸：长2.5m 宽0.83m （6）同级中心距62mm
热收入： 1 电流通过产生的热量Q 电流 E=E 液+E 导+E 阳极泥
试中E 液—电解液电压降V ，E 导 ——导体电压降，工厂实践值0.05V E 阳极泥—阳极泥及浓差极化电压降，V ,工厂实践值为0.3E 液
E 液=V pL
D k 1000
试中 p —电解液的比电阻 取=3.30:；
L 极板表面距离。

cm 当同极中心距为62mm 时
cm L 6.22
4.06.02.6=+-=）（
带入公式E 液=V 446.010000
6
.23.3520=⨯⨯
E 阳极泥=0.3×0.446=0.134v E=E 液+E 导+E 阳极泥 =0.446+0.05+0.134=0.63v
生产中，由于电解液含杂质及导体接触不良等因素影响，E 之实际值较计算值约高5％，故：
662.0)05.01(63.0=+⨯=E V 将E ,I , t 值带入公式：
Q 电流=310t 1868.4239.0-⨯⨯IE KJ/h
=3-103600662.0188001868.4239.0⨯⨯⨯⨯⨯ =44832 kJ/h
主要的经济技术指标
主要技术经济指标锌电积的主要技术条件和指标有电能消耗、电流效率、槽电压和电锌质量。

电能消耗湿法炼锌每生产h电锌锭消耗电能3800一400Okw·h，电耗是构成电锌成本的重要部分。

而锌电解沉积的电单耗达300。

一3500kw·h，为总电能耗的79%一55%。

因此，降低锌电解沉积的电能消耗，对降低电锌成本意义重大。

从电解沉积电能消耗公式:电能消耗(kW·h/t)~槽电压(V)只100锌的电化当量(g/(A·h))x 电流效率(环)可知，锌的电化当量为一恒量，为降低电能消耗，应采取一切措施提高电流效率和降低槽电压。

电流效率定义为实际产出的锌量和通过相同电量时，理论上应得的锌量比的百分数。

生产中，除由于漏电和短路引起电流效率下降外，阴极上氢的析出是使电流效率下降的主要原因。

因此，提高氢在阴极L的超电位，就可以提高锌电解沉积的电流效率。

生产上常采用提高电流效率的措施有:提高电流密度(阴极电流密度一般为35。

~600A/mZ)，控制好电解液的温度(常控制在308~313K)，加速电解液的循环，稳定电解液成分并合理使用添加剂。

正常生产的锌电解沉积的电流效率为88%一92%。

槽电压是影响锌电解沉积电能消耗的重要技术参数，降低槽电压就能相应降低电能消耗。

槽电压由硫酸锌分解电压(占槽电压的75%一80%)，电解液电阻电压降(占13%一17%)，阴、阳极极板电阻电压降(占1%一1，3%)，阳极泥电阻电压降(占5%一6写)及各接触点电阻电压降(1%一1.4%)组成。

一般工厂的锌电解沉积槽电压多控制在3.3一3.4V，如电流密度和极间距过大，也可能达到3.5一3.6V。

可采取降低槽电压的措施有:使接触点导电良好，定期刷洗阳极泥，保持电解液中合适的镁、锰等离子的浓度。

第三章主要浸出设备及辅助设备的选择与计算
依据冶金计算结果，浸出工段主要设备的计算和选型如下。

浸出工段的主要设备有：球磨机，浸出槽，浓缩机和过滤机。

浸出槽拟采用混凝土槽，内衬聚酯玻璃钢和耐酸瓷砖的机械搅拌槽。

监于目前带式过滤机和劳式压滤机价格高昂且滤布耐用性能较差，设计采用常规的框式过滤机和圆盘过滤机。

1、 球磨机
球磨机台数按下列计算： a
N m = 式中 N-球磨机台数
m-处理的干焙烧矿量，187838.14 t/a
a-球磨机生产能力，t/(h ·台)（Φ900×1800mm 温式球磨机生产能力3 t/h ） 所需球磨机台数N 为 48.324
3005.714
.187838=⨯⨯=
N 台
选用Φ900×1800mm 温式球磨机5台，4台工作，1台备用。

2、 中性浸出槽 浸出槽数量按下式计算：
式中 N-浸出槽数，个
Q-日浸出矿浆量，m 3（取580 m 3） t-作业周期时间，h(取5h) Vo-浸出槽体积，m 3（取50 m 3） η-槽体容积利用系数，取0.85
台
选用Φ300×5000mm 容积50 m 3的机械搅拌槽5台，4台工作，1台备用。

3、中浸浓缩机
浓缩机面积按下列计算： a
Q A =
式中 A-需要的浓缩机面积，m 2
Q-需要的上清液量，m 3/d （取3443.70 m 3/d ） a-单位面积上清液产率，m 3/（m 2·d ） {取4.5 m 3/（m 2·d ）} m 2
浓缩机台数按下式计算： f
A N = 式中 N-浓缩机台数
f-每台浓缩机的沉降面积，m 2（Φ9m 浓缩机面积63.5 m 2） 所需中浸浓缩机台数N 为
台
选用Φ9m 浓缩机3台，2台工作，1台备用。

4、低酸浸出槽 低酸浸出槽台数N 为
台
选用Φ4300×5000mm 容积为50 m 3的机械搅拌槽3台，2台工作，1台备用。

5、低酸浸出浓缩机 浓缩机台数按下式计算： f
a Q
N •=
式中 Q-需要的上清液量，经计算为1006.8m 3/d
a-单位面积上清液产率；m 3/（m 2·d ）{按4.5 m 3/（m 2·d ）计}
f-所选浓缩机的沉降面积为255 m 2 台
选用Φ9m 浓缩机1台 6、酸浸渣过滤机 （1）框式过滤机 过滤机台数按下式计算: 61.2700
1451000
265=⨯⨯=⋅=
q A Q N 台 式中 N-过滤机台数，台 Q-需处理的干渣量，kg/d
A-每台过滤机的过滤面积，m 2（使用51 m 2/台的） q-过滤机单位面积过滤的干渣量，kg/（m 2·d ）{选400kg/( m 2·d)}
选用51 m 2框式过滤机3台，并设2300×1700×3100木耳槽6个
（2）圆盘真空过滤机 18.41200
511000
265=⨯⨯=⋅=
q A Q N 台 式中 N-过滤机台数，台 Q-需处理的干渣量，kg/d
A-过滤机过滤面积，m 2（选用39 m 2/台）
q-过滤机干渣过滤能力，kg/( m 2·d){选700 kg/( m 2·d)} 选用PG39-2.7/4型圆盘过滤机6台，5台工作，1台备用。

工段内物料（固体和液体）输送分别由胶带输送机和耐酸泵完成，机械水平较高。