硫化镍阳极电解精炼的电极反应

课程设计说明书题目名称： 10万吨镍冶炼厂工艺流程系部：机械工程系专业班级：冶金技术12-1班学生姓名：周进学号：2012232076指导教师：赵宝平完成日期：2014.6.27新疆工程学院课程设计评定意见设计题目10万吨镍冶炼厂工艺流程系部___机械工程系__ 专业班级冶金技术12-1班学生姓名____周进_______ 学生学号2012232076 评定意见：评定成绩：指导教师（签名）：2014年6月27日新疆工程学院机械工程系(部)课程设计任务书2013—2014学年2 学期2014年 6 月20 日专业冶金技术班级12-1 课程名称重金属冶金设计设计题目10万吨镍冶炼厂工艺流程指导教师赵宝平起止时间2014.06.22～2014.06.29周数1周设计地点学校设计目的：1、通过课程设计能让学生系统的了解有色金属冶金原理、设备选型、工艺流程，培养学生发现问题，解决问题的能力，满足工程应用型人才培养需求。

2、设计过程中，培养了学生查找、甄别、运用相关资料的能力。

3、提高学生的运算能力，以及阅读图纸和绘制图纸的能力。

设计任务：1、完成整个相关金属冶炼工艺的介绍。

2、完成配料计算。

3、完成物料平衡计算。

4、设计进度与要求：2014.06.22～2014.06.23 研究任务书，查阅相关资料，提出设计构思和方案；2014.06.24～2014.06.26 指导老师讲解设计和计算方法；2014.06.27～2014.06.28 完成设计和计算，期间指导老师答疑问题；2014.06.29～2014.06.29 答辩。

主要参考书及参考资料：刘秉义.《有色金属工业设计总设计师手册》第一版（第二册）.北京：冶金工业出版社1989.8张健.《重有色金属冶炼设计手册》第一版.北京：冶金工业出版社.1996.5 教研室主任（签名）系（部）主任（签名）目录摘要: (1)第二章镍的综述 (2)2.1镍的性质，用途： (2)2.1.1镍的性质 (2)2.1.2镍的用途： (2)2．1．3不锈钢中镍的作用及需求 (2)2.2硫化镍矿的分类和冶炼方法 (2)2.2.1硫化镍矿的分类 (2)2.2.2硫化镍精矿的火法冶炼 (3)2.2.3 镍硫的吹炼 (4)2.2.4 高镍硫缓冷工序的目的 (4)2.3 硫化镍的电解精炼 (5)2.3.1 工艺原理 (6)2.3.2 羰化反应时各元素的行为 (6)2.3.3羰基法生产镍的实践 (6)2.4 硫化镍精矿的湿法冶炼 (7)2.4.1 硫化镍精矿的加压氧氨浸出 (7)2.4.2 硫化镍精矿的硫酸化焙烧-浸出法： (8)2.5 氧化镍矿（红土矿）的湿法浸出： (8)2.5.1 红土矿的还原-氨浸 (8)2.5.2 红土矿的热压酸浸： (9)第三章镍火法冶炼电炉熔炼 (9)3.1设计的冶炼方法 (9)3.2 物料的熔化 (9)3.3 熔炼反应及产物 (11)3.3.1熔炼反应 (11)3.3.2熔炼产物 (11)第四章镍冶炼的冶金计算 (14)4.1硫化铜镍精矿流态化焙烧冶金计算 (14)4.1.1 精矿物相组成计算 (14)4.1.2 焙烧矿产量及脱硫率计算 (15)4.1.3焙烧矿物相组成计算 (16)4.1.4 焙烧反应及物料量 (17)摘要:目前，由于不锈钢产业的迅猛发展，全球对金属镍的需求不断增加，然而硫化镍矿资源日益匮乏，使得镍产量的扩大将主要来源于红土镍矿。

硫化镍电解阳极液净化除铜新工艺及其基础研究硫化镍电解阳极液净化除铜新工艺及其基础研究硫化镍电解阳极液是一种重要的电解液，广泛应用于镍电解、镍合金电解和其他金属电解过程中。

然而，随着电解过程的进行，阳极液中铜离子的积累会导致电解液的质量下降，从而影响电解过程的效率和质量。

因此，开发一种高效的阳极液净化除铜新工艺具有重要的意义。

近年来，研究人员通过对硫化镍电解阳极液进行深入的研究，发现了一种新的净化除铜工艺。

该工艺基于电化学还原和氧化反应，通过控制电解条件和添加适当的还原剂和氧化剂，可以高效地将阳极液中的铜离子还原和氧化，从而实现阳极液的净化除铜。

该工艺的基础研究主要包括以下几个方面：1.电解条件的优化电解条件是影响阳极液净化除铜效果的关键因素之一。

研究人员通过对电解条件的优化，如电流密度、电解时间、温度等参数的调节，可以有效地提高阳极液净化除铜的效率和质量。

2.还原剂和氧化剂的选择还原剂和氧化剂是实现阳极液净化除铜的关键物质。

研究人员通过对不同还原剂和氧化剂的选择和添加量的调节，可以实现阳极液中铜离子的高效还原和氧化，从而实现阳极液的净化除铜。

3.反应机理的研究阳极液净化除铜的反应机理是研究的重点之一。

研究人员通过对反应机理的深入研究，可以更好地理解阳极液净化除铜的过程和机制，从而为工艺的优化和改进提供理论基础。

总之，硫化镍电解阳极液净化除铜新工艺及其基础研究具有重要的意义。

该工艺可以高效地净化阳极液中的铜离子，提高电解过程的效率和质量，为相关行业的发展提供了重要的支持。

未来，研究人员还需要进一步深入研究阳极液净化除铜的机理和工艺优化，为相关行业的发展提供更加可靠的技术支持。

《有色冶金概论》复习题4、铜的冶炼方法及工艺流程答：有火法和湿法两大类；火法炼铜基本流程包括造锍熔炼、锍的吹炼、粗铜火法精炼或阳极铜电解精炼；湿法炼铜基本流程包括浸出、萃取。

反萃、电积。

5、硫化铜精矿造锍熔炼的基本原理及两个过程的主要反应答：利用铜对硫的亲和力大于铁和一些杂质金属，而铁对氧的亲和力大于铜的特性，在高温及控制氧化气氛条件下，使铁等杂质金属逐步氧化后进入炉渣或烟尘而被除去，而金属铜则富集在各种中间产物中，并逐步得到提纯。

主要包括两个造渣和造锍两个过程 主要反应： 2FeS(l)+3O 2(g) =2FeO(g)+2SO 2(g)；2FeO(g)+SiO 2(s)= 2FeO ·SiO 2(l)；xFeS(l)+yCu 2S(l)= yCu 2S ·xFeS(l)6、硫化铜精矿造锍熔炼的目的及必须遵循的两个原则答：（1）造流熔炼的目的：①使炉料中的铜尽可能全部进入冰铜,同时使炉料中的氧化物和氧化产生的铁氧化物形成炉渣；②使冰铜与炉渣分离。

（2）火法炼铜必须遵循两个原则：①必须使炉料有相当数量的硫来形成冰铜；②炉渣含二氧化硅接近饱和，以便冰铜和炉渣不致混溶7、铜锍（冰铜）的吹炼的任务及实质是什么？答：任务是将铜锍（冰铜）吹炼成含铜98.5%-99.5%的粗铜；实质是在一定压力下将空气送到液体冰铜中，利用空气中的氧将冰铜中的铁和硫几乎全部除去，并除去部分其它杂质：FeS 氧化变成FeO 与加入的石英熔剂造渣；而Cu 2S 则部分经过氧化，并与剩下的Cu 2S 相互反应变成粗铜。

8、铜锍（冰铜）的吹炼过程为分为哪两个两个周期？各周期的主要反应是什么？ 答：造渣期：2FeS+3O 2=2FeO+2SO 2；2FeO+SiO 2= 2FeO ·SiO 2；相加得总反应为2FeS+3O 2+SiO 2= 2FeO ·SiO 2+2SO 2。

造铜期：2Cu 2S+3O 2=2CuO+2SO 2；Cu 2S+2 Cu 2O=6Cu+ SO 2两式相加得总反应：Cu 2S+O 2=2Cu+ SO 29、粗铜火法精炼的目的及原理是什么？粗铜火法精炼分为哪两个过程？答：目的：部分除去粗铜中对氧亲和力较大的杂质；为电解精炼提供合乎要求的阳极铜，并浇铸成为表面平整、厚度均匀、致密的阳极板；以保证电解铜的质量和降低电解精炼的成本。

有色冶金概论复试问题1、能用熔盐电解法冶炼的金属，写出其冶炼过程（至少三种金属）。

2、铝电解中影响电流效率的因素。

3、简述5种火法炼铜的方法。

4、火法和湿法炼铜的优缺点。

5、拜耳法制取氧化铝的主要步骤和化学方程式。

6、稀土冶炼的方法及主要流程7、皮江法制取镁的原理及工艺8、简述试从资源综合利用和生产过程对环境的友好两方面，分析火法炼铜和湿法炼铜的主要优缺点。

答：火法流程最大的优点是适应性广，对各种不同的铜矿均能处理，特别是对一船硫化矿和富氧化矿很适用。

湿法炼铜是在常温、常压或高压下用溶剂使铜从矿石中浸出。

然后从浸出液中除去各种杂质，再将铜从浸出液中沉淀出来。

当前世界上铜产量约有15％由该法制得。

对氧化铜矿和自然铜矿，大多数可用溶剂直接浸出；而硫化铜矿则一般先经焙烧，然后溶浸。

湿法冶金具有环境污染少，能处理低品位矿或多金属复杂矿等特点1、金属及其分类2、冶金的定义、冶金的任务、冶金的目的3、冶金方法的分类4、铜的冶炼方法及工艺流程5、硫化铜精矿造锍熔炼的基本原理及两个过程的主要反应6、硫化铜精矿造锍熔炼的目的及必须遵循的两个原则7、铜锍（冰铜）的吹炼的任务及实质是什么？8、铜锍（冰铜）的吹炼过程为分为哪两个两个周期？各周期的主要反应是什么？9、粗铜火法精炼的目的及原理是什么？粗铜火法精炼分为哪两个过程？10、简述粗铜电解精炼的基本过程，分别写出阴阳及的主要反应。

11、分析铜电解精炼和铜电积的电极反应有什么差别？12、简述硫化镍精矿的火法冶炼过程。

13、镍锍的主要成份有哪些？镍锍吹炼过程与铜锍吹炼过程有何不同？14、简述羰基法精炼镍的基本原理。

15、分别写出硫化镍阳极电解精炼镍和硫酸镍溶液电解沉积镍的阴阳极反应。

16、简述硫化铅精矿烧结焙烧的目的。

17、铅鼓风炉熔炼的产物有哪些？18、简述烟化炉烟化法处理炼铅炉渣的基本原理。

19、粗铅的火法精炼有哪些主要过程？20、什么是直接炼铅？直接炼铅方法有哪些？21、火法炼锌与湿法炼锌各包括哪些主要过程？火法炼锌主要有哪些方法？22、简述硫化锌精矿焙烧的目的。

摘要随着电镀、石油化工、精密合金等行业技术进步，对电镍质量要求在逐年提升，生产过程中镍电解液纯度对电镍质量起着决定性作用,而铜的深度除去是长期困扰镍冶金界的难题，曾连续列为国家重点科技攻关项目，尝试了多种工艺方法，其中有些方法还一度进行了工业试验，但至今尚未有效解决。

金川公司近年又公开向社会寻求高效除铜工艺，由于问题难度大，对除铜深度的要求由原来“八五”攻关时的2×10-3g/L放宽到3×10-3g/L，除铜渣中铜镍比Cu/Ni也由20放宽到15。

本实验采用硫化镍净化镍电解阳极液除铜，是硫化沉淀法研究中的一个突破。

将硫酸镍加入到硫化钠溶液中，使之形成无定形活性硫化镍，将其用于镍电解阳极液的除铜试验，能将溶液中Cu2+离子浓度除到3.15×10-5mol/L以下，同时渣中铜镍比大于20，可得到符合高纯镍电解工艺的电解液。

本文针对硫化法除铜过程进行了热力学分析，从理论上预测了硫离子浓度及pH 值对各离子平衡浓度的影响，从热力学角度论证了采用硫化法除铜的可能性。

研究了用硫化镍从镍电解阳极液中除铜时，硫化镍的加入量、反应温度、反应时间、PH 值等因素对除铜结果的影响，在最佳除铜条件下，除铜后液含量小于3mg/l，而渣中铜镍比大于20:1。

由于该法引入杂质少，条件易于控制，除铜彻底，渣中铜镍比高，无环境污染等优点，因而是一种很有应用前景的除铜方法。

实验结果表明：最佳除铜条件:反应温度为85℃，反应时间2h，PH值为3.5，过量倍数为1.2。

关键词：硫化镍；镍；阳极液；除铜IAbstrctAlong with the electroplating, petroleum chemical industry, precision alloy etctechnology progress, the quality requirements of nickel in ascension year by year, in the process of production of nickel electrolyte purity to electric nickel quality plays an important role, and the depth of the copper remove is long plagued nickel metallurgy industry problem, served as national key science research project, tried a variety of process, some of them also once the method industrial experiments, but has not been effectively resolved. Jinchuan company in recent years to the society and public seeking high copper removal process, because the problem is difficult, and in addition to the requirements of the depth of copper from the original when research the 2×10-3g/L relaxing to 3×10-3 g/L, except the copper copper Ni slag than Cu/Ni also relax by 20 to 15.This experiment used nickel sulfide purification nickel electrolysis anode liquid copper removal, sulfide precipitation is in the study of a breakthrough. Will join the method nickel sulfuric acid solution to form amorphous activity nickel sulfide, on the nickel electrolysis anode liquid copper removal test, can will solution Cu2+ion concentration except to 3.15×10-5mol/L the following, and slag in nickel copper than more than 20, can get accord with high purity nickel electrolysis process the electrolyte.This paper copper sulfide method except the process thermodynamic analysis, theoretically, the forecast the sulfur ion concentration and pH value of each ions balance of concentration, from thermodynamics Angle proved by sulphidizing method in addition to the possibility of copper. With a nickel sulfide from nickel electrolysis anode liquid in copper, nickel sulfide addition amount, reaction temperature, reaction time, PH value of factors in addition to affect the results of copper, copper removal in the best conditions, except the copper content after less than 3 liquid mg/l, and slag than those of copper in nickel than. Because the law into little impurity, the condition is easy to control, in addition to thoroughly copper, nickel copper in slag than high, no environmental pollution and other advantages, it is a kind of very promising copper removal methods.IIThe experimental results show that: the best except copper conditions: reaction temperature 85 ℃, reaction time 2 h, PH value of 3.5, excessive multiples of 1.2.Key words: nickel sulfide; Nickel; The anode liquid; In addition to copperIII目录摘要 (I)Abstrct (II)1.文献综述 (1)1.1 引言 (1)1.1.1 镍的性质 (1)1.1.2 镍及镍合金产品 (3)1.1.3 镍的应用 (4)1.2 硫化镍阳极电解工艺现状 (6)1.3 镍电解阳极液除铜方法研究现状 (9)1.3.1 置换法除铜 (9)1.3.2 溶剂萃取法除铜 (10)1.3.3 电解法除铜 (11)1.3.4 离子交换法除铜 (12)1.3.5 化学沉淀法除铜 (12)1.4 课题的提出及研究意义 (17)2 实验方案 (19)2.1 引言 (19)2.2 实验主要仪器及试剂 (19)2.2.1 实验主要仪器 (19)2.2.2 实验试剂 (19)2.3 实验操作方法 (20)2.3.1 硫化镍的制备 (20)2.3.2 用硫化镍除铜 (21)2.4 实验分析方法 (21)2.4.1 镍含量的测定 (21)2.4.2 铜含量的测定 (22)2.4.3 其它 (23)2.4.4 NiS的性质表征 (23)IV2.5 小结 (25)3 工艺流程影响因素分析及确定 (26)3.1 实验原理 (26)3.2 工艺流程 (26)3.3实验结果与讨论 (28)3.3.1 反应温度的影响 (28)3.3.2 反应时间的影响 (29)3.3.3 PH值的影响 (31)3.3.4 硫化镍过量倍数的影响 (32)3.4 正交实验 (34)3.4.1 正交实验表格的设计 (34)3.4.3 最佳工艺条件的确定 (35)3.5 小结 (36)4 镍电解阳极液硫化法除铜过程热力学分析 (37)4.1 离子平衡浓度的计算方法 (37)4.2总硫浓度与pH值对硫化除铜的影响 (38)4.3硫化法除铜后液各离子平衡浓度 (39)4.4 小结 (40)5.结论 (41)参考文献 (42)致谢 (45)外文原文 (46)外文译文 (60)V1.文献综述1.1 引言镍是重有色金属中重要的战略金属之一，在地壳中含量约为0.021％，镍为银白色，是一种稀有金属，它是元素周期表第八副族磁金属之一，原子序数28，原子量58.71。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟硫化镍阳极电解精炼生产技术操作（二）3）电流密度电流密度是指单位(阴极)电极面积上通过的电流强度。

电解槽的生产能力,几乎随电流密度的提高而成比例地增加，所以提高电流密度时，单位面积阴极沉积镍所负担的固定资产折旧费、维护费和基建投资将相应减少。

但是，过高的电流密度可使氢析出，导致产生硫松状沉积物。

硫化镍阳极电解工艺的阴极电流密度一般为200A/m2。

适当控制操作条件，电流密度可提高到220A/m2 以上。

在硫酸盐-氯化物混合体系中，当在低PH 值条件下(PH﹤2.5)、电流密度D1=110A/m2 时，电镍产品结晶较粗,肉眼可以看出粗粒结构,但表面平整,无金属结粒；当Dk=170A/m2 是,结晶较细,表面光泽比110A/m2 时为好。

但当Dk=200A/m2 时，结晶明显变坏，呈疤状结构，表面有金属结粒。

然而PH 值提高到4.5 以上时,尽管Dk 提高到220～280A/m2,仍可得到结晶细腻、金属光泽好的电镍。

所以提高电流密度后,溶液的PH 值应相应提高,同时电流解液温度也应适当地提高,电解液温度最好保持在60～70℃之间。

当然随着电流密度的提高,槽电压也会相应增加,所以电耗也随之增加,对于用提高电流密度来提高电解槽生产能力的问题，必须进行经济分析，不能一概而论。

4）电解液温度正确控制镍电解液的温度，是改进电解过程技术经济指标,保证产品质量的重要因素。

提高电解液温度可以降低电解液的粘度，减少电耗。

加快离子扩散速度,减少电解过程的浓差极化及阴极附近的离子贫化现象,减少氢气和杂质离子在阴极上的析出而影响产品质量。

温度过高，将加大溶液的蒸发量，不仅恶化了巩劳动条件，而且使溶液浓缩,阴极沉积物变粗。

过高的温度也增加了能源消耗，增加了成本。

一般电流密度为150～200A/m2 时，电解液温度为55～60℃；当电流密度提高到220～280A/m2 时,电解液温度相应提高，控制在65～70℃。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟硫化镍电解精炼该法是以磨浮分离产出的镍精矿为原料，经熔铸成的阳极，以纯镍始极片作阴极，进行电解制取金属镍的冶金过程。

（一）电解原理和技术条件硫化镍阳极电解过程的机理还不十分清楚。

一般认为，Ni3S2 阳极溶解是在不同电位下生成不同的缺镍硫化物(Ni2.5S2、Ni1.5S2、Ni1.2S2, NiS2)、稳定的NiS以及S0 和S42-。

从工业生产实际考察，阳极过程总反应为：Ni3S2-6e====3Ni2++2S0 阳极表面少量金属优先电化溶解，硫化物增厚，阳极电位增加，促使SO42-生成，使电解液pH 下降：由于阳极中的S 不断地氧化，在阴极Ni2+析出的同时，电解液中的pH 不断下降，Ni2+不断减少。

为保持电解过程连续地正常进行，必须向阴极区不断输入新鲜的Ni2+浓度、pH 和杂质含量符合要求的电解液。

这就需要对阳极液预先净化除去杂质，调整pH,并将造液工序产出的高浓度Ni2+溶液补充进来返回电解槽。

阳极液中主要杂质是铁、铜、钻等。

通常的净化方法是，通气氧化水解沉淀除铁；加硫除铜；用氯气氧化沉淀除钻。

造液过程是：以阳极液为电解液、硫化镍钻阳极。

用铜板阴极，控制电极电位，促进H+在阴极放电而Ni2+不析出，从而增加溶液中Ni2+的浓度。

电解液组成（g/L）：Ni 70-75, Cu 0.003，Fe 0.004，Co 0.02，SO42- 90-110, C1-70-80，Na+小于45；电解温度70℃；电解液流量380-420 ml/min：电流密度240A/m2；槽电压3-4.5V;电解新液pH5.0;阴极周期4-6 天，阳极周期9-11 天。

（二）电解设备电解槽用钢筋混凝土制成，内衬环氧树脂保护层。

阴极始极片放置在一木制框架内，框架外包涤纶布隔膜，以维持隔膜内液面高于外部液面20-25mm，保证阴极区的稳定Ni2+浓度。

阳极装在合成纤维织成的阳极袋内，收集阳极泥。

书山有路勤为径，学海无涯苦作舟硫化镍电解的产物及主要技术经济指标（二）1、电流效率1）计算电流效率的依据（1）法拉第律以同一电量去分解电解液中各种化合物时,分解物的质量与其化学当量成正比。

即以96500C(库仑)的电量通过各种不同的电解质溶液时，在电极上将获得1 克当量任何物质，而与物质的本性无关。

96500C 电量称为法拉一席话单位，用F 表示，即1F=96500C=26.8A.h 因此，当以1 法拉第单位的电量通过电解液时，在阴极上有1 克当量的金属或氢气析出,而在阳极上有1 克当量的金属溶解或有1 克当量的氧气析出。

（2）电化当量通入单位电量所获得的产物的质量称为电化当量，在工业上通常采用每安培.小时(A.h)析出的千克(kg)数来表示电化当量：式中，n 为金属原子价态数。

因此，法拉第定律可用析出物质的数量与电流强度和时间的关系来表示为：G=qIt 式中G—析出（沉积）物的质量，kg；Q—析出（沉积）物的电化当量，kg/(A.h)；I—电流强度，A；t—通电时间，h。

根据金属的原子量及原子化合价数，可计算出各种金属（元素）的电化当量，如镍的q 值为1.0954×10-3（kg.A-1.h-1）；钴原子量稍大于镍，其q 值为1.1000×10-3（kg.A-1.h-1）。

2）电流效率的计算公式及电流效率的影响因素在生产实际中，电解过程析出物质的数量往往与按法拉第定律计算的不一致。

例如,在镍电解精炼中，当通过电解槽的电量为1000A.h 时，但在阴极上沉积的镍量却小于1.0954kg。

实践证明，这并不是法拉第定律本身不严谨,而是在电解过程中,出现其他不期望发生的反应，即副反应（如离子放电等）或电解槽漏电等原因。

[next]式中I—通过电解槽的电流强度，A；N—电解槽个数；t—电解通电时。