电解铜的铜电解车间设计

1、电解铜的铜电解车间设计 目 录1 前言11.1铜的性质11.1.1铜的物理性质11.1.2铜的化学性质31.1.3铜的主要化合物的性质31.2铜的用途41.3铜资源状况51.3.1世界铜资源51.3.2中国资源71.4中国铜的生产状况和消费81.4.1中国铜的生产状况81.4.2铜的消费91.5.1铜的湿法冶金91.5.1铜的火法冶金101.6铜的新技术121.6.1一种采用溶剂萃取净化铜电解液的方法本121.6.2分散强化型电解铜箔及其制造方法121.6.3硫化矿细菌浸出121.7设计的内容121.7.1冶金计算131.7.2重要设备及辅助设备计算131.7.3制图内容和要求132 厂址选择

2、143.1铜电解精炼流程简述163.2铜电解精炼的理论基础183.2.1阳极过程183.2.2阴极过程183.2.3阳极上杂质193.3电解液的净化204 铜电解精炼的主要设备选择215 铜电解技术指标245.1铜电解的条件245.1.1电解液组成245.1.2添加剂245.1.3电解液温度255.1.4电解液循环255.1.5电流密度255.1.6同极中心距265.2阳极寿命和阴极周期266 主要经济技术指标276.1电流效率276.2残极率276.3铜电解回收率276.4槽电压276.5直流电能电位消耗286.6硫酸单位消耗286.7蒸汽单位消耗287 电解精炼冶金计算297.1电解槽设计

3、计算297.1.1商品电解槽总数297.1.2电解槽的极板数297.1.3每槽阳极片数307.1.5种板电解槽数307.2物料平衡计算317.3铜电解精炼热平衡计算347.3.1热收入357.3.2热支出355.4净液量的计算377.5硫酸盐生产物料平衡计算387.5.1计算铜料加入量385.5.2 计算硫酸铜产品产量395.5.3一次母液体积395.6脱铜电解物料平衡计算407.7粗硫酸镍生产计算408 铜电解精炼的主要生产设备的选用428.1整流器及导电铜材料的计算428.1.1直流电源428.1.2槽边导电排448.1.3槽间导电板458.1.4短路棒468.2电解液循环系统设备及管道计

4、算468.2.1集液槽468.2.2电解液循环泵468.2.3高位槽478.2.4加热器478.2.5供液管488.2.6电解液循环管488.2.7阳极片剥机498.3车间运输设备计算及选择498.3.1起重机498.3.2叉车498.4其他设备及设施508.4.1各种辅助槽子508.4.2阳极泥放出与收集509 环保措施529.1环境保护529.2安全生产5210 车间定员54附图56参考文献61专题：铜阳极钝化机理及影响因素62致 谢68 1 前言1.1铜的性质1.1.1铜的物理性质铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。

5、自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在2-3%左右。金属铜，元素符号Cu，原子量63.54,比重8.92，熔点1083Co。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色。铜具有许多可贵的物理化学特性，例如其热导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，且抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金。铜在地壳中的克拉克值为0.01%，世界铜储量约5000´104t，主要储于智利、美国、俄罗斯、利比亚、加拿大、

6、秘鲁、波兰、菲律宾等国家。此外洋底锰結核中亦有丰富的铜。全球主要产铜国家是智利、美国、俄罗斯。已知的含铜矿物有250多种，1主要工业矿物如下表，其中最重要的是黄铜矿、斑铜矿和辉铜矿。表1-1 含铜主要供应矿物名称矿物种类分子式含铜量(%)自然元素自然铜Cu100硫化物黃铜矿CuFeS234.5斑铜矿Cu5FeS263.3辉铜矿Cu2S79.8铜 蓝CuS66.4硫砷化物和硫砷铜矿Cu3AsS448.3硫锑化物砷黝铜矿(Cu9Fe)12As4S1357.0黝铜矿(Cu9Fe)12Sb4S1352.1氧化物赤铜矿Cu2O88.8黑铜矿CuO79.8碳酸盐孔雀石CuCO3·Cu(OH)25

7、7.3蓝铜矿2CuCO3·Cu(OH)255.1硫酸盐铜靛岩CuSO4胆矾CuSO4·5H2O铜叶绿矾CuFe4+3(SO4)6(OH)2·2H2O硅酸盐硅孔雀石CuSiO3·2H2O36.0除了主要矿物外，铜矿中还含有少量的其他金属，如铅、锌、镍、铁、砷、锑、铋、硒、锑、钨、钼、钴、锰等，并含有金银等贵金属和稀有金属，它们在冶炼过程中分别进入不同的产品中，所以炼铜工厂通常设有综合回收这些金属的车间。进入冶炼厂的铜矿都为浮选产出的铜精矿，品位1035%。硫化铜精矿是炼铜的主要原料。有时也处理自然铜精矿，但很次要。氧化矿可与硫化矿一起处理。未经选矿的氧化矿

8、可直接用湿法或离析法等方法处理。我国铜资源分布很广，几乎遍及全国各地。一般来说，我国硫化矿的品味较低。矿物的性质也比较复杂，原生矿与次生矿交错混乱，并有大量多金属伴生，处理也比较复杂，且需特别重视综合回收问题。铜的蒸汽压很小，在熔点温度下仅为9×10-5Pa。高温下，液体铜能溶解、氧、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等气体。凝固时，溶解的气体又从铜中放出，造成铜铸件内带有气孔，影响铜的机械性能和电工性能。1.1.2铜的化学性质铜在干燥的空气中不起变化，但在含有二氧化碳的潮湿空气中则能氧化形成碱式碳酸铜（铜绿）的有毒薄膜。加热至150，铜在空气中开始氧化，高于350氧化生成Cu20和CuO

9、。因铜为正电性元素，故不能置换酸（盐酸和硫酸）中的氢，而仅能溶于有氧化作用的酸如硝酸和有氧化剂存在时的硫酸中。铜能溶于氨水及与氧、硫、卤素等化合。1.1.3铜的主要化合物的性质(1) 化铜CuS，天然硫化铜为绿色或棕黑色无定形不稳定化合物铜蓝，比重为4.68，中性或还原性气氛中加热即分解为Cu2S和S2。Cu2S不溶于水、稀硫酸和苛性钠中，但能溶于氰化钾和热硝酸中。(2) 化亚铜Cu2S，天然的硫化亚铜为辉铜矿，蓝黑色无定形或结晶形，比重为5.76，熔点为1135.它在高温下稳定或氧化成金属铜，常温下不被空气氧化，430-680下则氧化放出SO2。赤热Cu2S的可逐渐被CO2氧化和缓慢地但能完

10、全的被H2分解。CO能氧化Cu2S。以Cu2S和FeS为主的共熔体称为冰铜。由于铜对硫的亲和力大，故在冰铜吹炼时FeS先氧化造渣，剩下的Cu2S（称白铍）被吹炼成粗铜。Cu2S不溶于水和几乎不溶于稀硫酸，与浓硫酸作用生成CuSO4、CuS和SO2，溶解于浓盐酸时放出H2S。Cu2S可溶于NH4OH、HNO3、Fe2(SO4)、FeCl3、CuCl2中。(3) 氧化铜CuO，天然氧化铜为黑色无光泽的黑铜矿，比重为6.36.4。它不稳定，遇热即分解。CuO易被H2、C、CO、CxHy和较负电性的Zn、Fe、Ni等所还原。它不溶于水，但可溶于FeCl2、FeCl3、NH4OH、Fe2(SO4)、(N

11、H4)2CO3及各种稀酸中。(4) 氧化亚铜CuO、CuO2，天然氧化亚铜称为赤铜矿，比重为6.11，熔点为1235。它高温稳定，在2200以上才完全分解，在1060以下时则部分或全部变为。CuO2也易被H2、C、CO、CxHy和Zn、Fe或其它对氧亲和力强的元素所还原。高温时进行的反应：2Cu2O+Cu2S=6Cu+ SO2是冰铜吹炼成粗铜的理论基础。该反应在450开始至1100完成。吹炼时，由于铜对硫的亲和力大于铁，而铁对氧的亲和力大于铜，是反应CuO2+FeS=Cu2S+FeO向右进行到底。因此在冰铜中的未完全氧化造渣以前，理论上Cu2S是不会被氧化的。CuO2也不溶于水，但溶于HCl、

12、H2SO4、FeCl2、FeCl3、Fe2(SO4)、NH4OH、等溶剂中，这些反应为湿法冶金所应用。(5) 硅酸铜xCun·ySi2·zH2O自然界中的硅酸铜有硅孔雀石CuO·SiO·2H2O和透视石CuO·SiO·H2O。它们在高温下分解成稳定的2Cu2O·SiO2，后者易被H2、C、CO等还原，也易被FeO、CaO等强碱性氧化物和铜、铁硫化物分解，并能溶于浓硝酸、稀醋酸、盐酸和硫酸中。(6) 硫酸铜CuSO4，自然界的硫酸铜为天蓝色三斜晶体系结晶的胆矾。无水硫酸铜为白色粉末，加热时分解成CuO和SO3(SO2+O2)。

13、硫酸铜易溶于水,铁、锌等可从硫酸铜中置换出铜。(7) 氯化铜CuCl2，氯化铜无天然矿物，人造氯化铜为褐色粉末。熔点为498。沸点低，易挥发，也溶于水。氯化铜不稳定，加热至340即分解生成白色粉末的氯化亚铜：CuCl2=Cu2Cl2+Cl2。1.2铜的用途(1) 铜的导电性 铜最重要的特性之一便是其具有极佳的导电性，其电导率为58m/(mm2)。这一特性使得铜大量应用于电子、电气、电信和电子行业。铜的这种高导电性与取原子结构有关；当多个单独存在的铜原子结合成铜块时，其价电子将不再局限于铜原子之中，因而可以在全部的固态铜中自由移动，其导电性仅次于银。铜的导电性国际标准为：长1m重1g的铜在20时

14、的导电量公认为100%。现在的铜炼技术已经可以生产出同品级铜的导电量比这个国际标准高出4%5% 。(2) 铜的导热性 固体铜中含有自由电子所产生的另一重要效应就是其拥有极高的导热性，其热导性为386W/(m.k)，导热性仅次于银。加之铜比金、银储量更丰富,价格更便宜，因此被制成电线电缆、接插件端子、汇流排、引线框架等各种产品，广泛用于电子电气、电讯和电子行业。铜还有各种换热设备如热交换器、冷凝器、散热器的关键材料，被广泛应用于电站辅机、空调、制冷、汽车水箱、太阳能集热器栅板、海水淡化以及医药、化工、冶金等各种换热场合。(3) 铜的耐蚀性 铜具有良好的耐蚀性能，优于普通钢材，在碱性气氛中优于铝。

15、铜的电位序中是+0.34V，比氢高，是电位较正的金属。铜在淡水中的腐蚀速度也很低(约0.05mm/a)。并且铜管用于运送自来水时，管壁不沉积矿物质，这点是铁制水管所远不能及的。正因为这一特性，高级卫浴给水装置中大量使用铜制水管、龙头及有关设备。铜极耐大气腐蚀，其在表面可形成一层主要有碱式硫酸铜组成的保护薄膜，即铜绿，其化学成分为CuS04*Cu(OH)2及CuSO4*3Cu(OH)2。因此铜材被用于建筑屋屋面板、雨水管、上下管道、管件;化工和医药容器、反应釜、纸浆滤网;舰船设备、螺旋桨、生活和消防管网；冲制种类硬币(耐腐蚀性)、装饰、奖牌、奖杯、雕塑和工艺品(耐蚀性色泽典雅)等。1.3铜资源状

16、况1.3.1世界铜资源全球陆地上的铜矿资源量可能要比先前公布的16亿吨多。在深海中也蕴藏着丰富的铜矿资源，资源量可能达7亿吨。据2005年统计数字，全球铜矿储量47亿吨，基础储量为94亿吨。生产铜矿最多的前5个国家是，智利、美国、印度尼西亚、秘鲁和澳大利亚，2003年分别出产铜矿490万吨、112万吨 、97.9万吨、83.1万吨 、83.0万吨，全球铜矿资源分布及主要国家产量见表1-6。表1-1全球铜矿资源分布及主要国家产量铜矿产量储量基础储量20032004美国112011603500070000澳大利亚8308502400043000智利49005380140000360000中国610

17、6202600063000印度尼西亚9798503500038000哈萨克斯坦4854851400020000墨西哥3614002700040000秘鲁83110003000060000波兰4955003000048000俄罗斯6755752000030000赞比亚3304001900035000其他国家1400160060000110000世界总值1360014500470000940000注：e为估计值。资料来源：U.SG910gimlSurvey，MinerdCommtySuImlmries，January 2005按照铜的证实储量，俄罗斯仅次于智利和美国，居世界第三位。诺里尔斯克地区和

18、科拉半岛的铜镍矿床（占俄罗斯总储量的40%多）、乌拉尔和西西伯利亚地区54个黄铁矿型铜锌与多金属矿床（占俄罗斯总储量的28.6%)，是俄罗斯的主要铜原料基地，含铜砂岩型乌多坎矿床（23%）目前尚未开发，其余铜储量（75%）作为伴生组分产于其他矿床中。（占世界铜储量的60%以上）主要分布在美洲、大洋洲和东南亚诸国，层状铜矿床（大约20%)多分布在非洲国家（赞比亚、刚果）以及波兰、澳大利亚和阿富汗，含铜黄铁矿和黄铁矿多金属矿床（10%以上），往往分布在加拿大、日本、哈萨克斯坦、澳大利亚、阿富汗、俄罗斯。  1.3.2中国资源目前，中国己发展成为全球最大的铜消费国、铜加工制造业基地、铜基础

19、产品输出国，实现了中国铜工业的持续快速发展，对促进国民经济发展、增加财政税收及解决劳动就业等方而都取得了卓著的成绩，并且在世界铜行业内充当了重要角色。尽管如此，站在科学发展观的高度，认真审视我国铜工业产业链，就能够清晰地发现，铜资源依然是制约我国铜产业顺利发展的“瓶颈”因素。因此，对铜资源问题必须引起我们的高度关注。长期以来，我国铜资源不能满足国内消费需求，供需缺口较大，需要通过国际市场加以平衡，为此国家每年要花大量外汇。为了确保国民经济发展对铜产品的消费需要，保障铜资源的长期稳定安全供应，研究制定我国铜资源的发展战略己势在必行，但是在制定铜资源战略之前必须了解我国的铜资源现状，如表1-7所示

20、。表1-7 我国的铜资源现状与国外的铜资源现状比较比较项目 国内国内资源储量 2003年铜储量为1787万吨保障程度 30.5年矿床规模 大型铜矿少，中小型矿多；金属量在500万吨以上的只有2个。矿石质量 平均品位偏低，绝大多数斑岩矿平均品位为0.5%。砂页岩型矿的平均品位为0.5%-1%矿床类型 斑岩矿少，砂卡岩矿多，使得溶剂萃取技推广受到限制；砂卡岩型铜矿多数适宜地下开采，开采成本高。2003年铜储量为47000万吨。33.9年巨型，大型铜矿多，铜矿年产在10万吨以上的有20个，其产量约占世界总量的45%。平均品位偏高，智利与秘鲁斑岩型铜矿品位为1%-2%；刚果，赞比亚及波兰的砂页矿床品位

21、为2%-5%；智利，美国及印度尼西亚等铜资源国家的斑岩型铜矿无论是矿床数量和储量均占80%以上，适宜使用溶剂萃取技术，使用成本偏低尽管我国铜矿资源的保障程度与世界铜矿资源的保障程度相仿，但是因资源的关系，我国铜矿资源的使用成本普遍高于世界，竞争能力十分有限。在全球经济一体化的大趋势下，应充分考虑利用国外的铜矿资源，这不仅是平衡国内铜市场供需缺口的需要，而且也是市场经济运行的必然选择。我国铜矿资源的特点是中小型矿床多，大型、超大型矿床少。该特点使得我国铜矿山建设规模普遍偏小，且经过几十年的强化开采，它们的资源储量在大幅度减少，有的甚至己接近枯竭。虽然国家花大气力发展铜矿业，但是铜精矿(金属量)生

22、产量并无显著增加;即使受国际上涨的影响，2004我国铜精矿(金属量)产量也仅有60.7万吨，比上年增长4.1%。另一方面，基于资源票赋关系，我国铜精矿的生产主要来自安徽、江西、湖北、石南及甘肃。以2004年为例，这五个省的铜精矿产量约占到全国总量的75%与此对应，这五个省的铜储量也占到全国的58.50%，基础储量占到全国的59.84%，查明资源储量将近占到全国的50%。因此，这五个省是我国铜工业的重要原料基地除湖北与石南外，其他三个铜精矿生产大省的共同特点是：它们的铜储量保障程度都比较高，且基础储量及查明资源储量都不错，具备资源储量级别升级的资源基础。考虑到地质勘查促进资源储量级别升级情况，未

23、来20年内铜精矿生产大省的产能都能够稳住，甚至通过新建矿山及现有矿山产能的扩建，其铜精矿产量还有望扩张。但是也应看到，我国铜储量绝大部分都已被开发，在未来20年内还有一部分产能要消失，估计近几年新建的铜陵冬瓜山铜矿、石南大红山铜矿一期工程等重点工程，建成后只能弥补铜矿山消失产能。如果今后不增加大型铜矿床工程建设，估计铜精矿产量不会有多大的变化，基本维持在年产铜精矿(金属量)60万t的水平。1.4中国铜的生产状况和消费1.4.1中国铜的生产状况据中国有色金属工业协会提供的统计资料显示，2000年底中国精炼铜产量为137.11万吨，2005年达260.04万吨，5年间增长100余万吨以上，居世界第

24、二位；精铜消费量也呈快速增长态势，2000年精铜消费量为190万吨，2005年达到368万吨，居世界第一位。 中国铜产业技术改造步伐明显加快，装备水平大幅提高。江西铜业集团公司、铜陵有色金属集团公司、云南铜业集团公司等骨干铜冶炼企业，先后引进了奥托昆普闪速熔炼、诺兰达熔炼等一批先进工艺和装备，使得中国铜企业的冶炼综合能耗呈现相当幅度的下降。目前，中国铜企业的经济实力不断提高。2000年，中国铜冶炼企业(含矿山、冶炼联合企业和独立冶炼企业)实现产品销售收入337亿元人民币。2005年，中国铜企业已实现销售收入1098.6亿元人民币。在中国国内铜产品需求增长和产量增加的带动下，中国铜产品进口快速增

25、长。其中铜原料部分增加显著，特别是铜精矿和精铜的进口量增幅很大。2000年2005年净进口量平均分别增长了17.49%和12.86%。在中国政府的大力支持下，中国铜工业在国际化经营和境外投资取得初步进展。目前，中国国内4家铜企业4个牌号的精炼铜产品已在伦敦金属交易所(LME)注册，成为国际认可的品牌。目前，中国在境外已获得投资权益铜金属基础储量约650万吨，形成了近8万吨/年的矿铜精矿(金属量)产能。1.4.2铜的消费我国既是铜资源较贫乏的国家又是世界上第二大铜消费国。从2001 年到2005 年，全球铜消费量增加了241.7 万吨，而中国的消费增量就达到152.5 万吨，占全球增量的63%。

26、中国铜消费行业主要是带动了电力、电缆行业的发展。发电情况在80年到90年年平均增长速度是7.5%，90-2000年增长是8.2%，2000年到2005年是12%，也就是说中国电力发展在近五年发展速度逐渐加快。装机容量应该从2005年9月份发电装容量突破5万亿千瓦。推动电力发展主要是电线、电缆主要大产品，其中中国电线、电缆在全球占的份额是20%。电信、电缆行业的用铜量是铜的绝对量，去年大概算下来是310万，这样一算国内电线、电缆行业占了将近60%，这是国内目前最大的用铜的情况。 对于未来的情况来看，电线、电缆未来用铜情况怎么样，主要看中国电力发展情况。十一五期间电力投资还是比较大，根据电力行业资

27、料，未来五年的投资在3万亿左右，其中是电网、电站一半的格局。装机容量未来增长7-8%，这个速度未来电力发展增长速度应该比过去五年要放慢了。总体来说是增长，所以对电线、电缆行业发展情况来看，这个也是发展相对匹配的。7-8%的样子，所以电线、电缆这个行业有一个电力行业大概在增长9%。 1.5铜的冶炼方法从铜矿石中或精矿提取炼铜的方法较多，总括起来分火法和湿法两大类。1.5.1铜的湿法冶金一般适于低品位的氧化铜，生产出的精铜称为电积铜。湿法炼铜目前主要用于处理氧化铜矿。有氧化铜矿直接酸浸和氨浸（或还原焙烧后氨浸）等法；酸浸应用较广，氨浸限于处理含钙镁较高的结合性氧化矿。处理硫化矿多用硫酸化焙烧-浸出

28、或者直接用氨或氯盐溶液浸出等方法。硫酸化焙烧-浸出法是将精矿中的铜转变为可溶性硫酸铜溶出；氨液浸出法是将铜转变为铜氨络合物溶出，浸出液在高压釜内用氢还原，制成铜粉，或者用溶剂萃取-电积法制取电铜；氯盐浸出法是将铜转变为铜氯络合物进入溶液，然后进行隔膜电解得电铜。(1) 氧化铜矿酸浸法流程 氧化铜矿一般不易用选矿法富集，多用稀硫酸溶液直接浸出，所得溶液含铜一般为15g/L，可用硫化沉淀、中和水解、铁屑置换以及溶剂萃取-电积等方法提取铜。近年来，萃取-电积法发展较快。其主要过程包括：用对铜有选择性的肟类螯合萃取剂（LiX64 N，N510，N530等）的煤油溶液萃取铜，铜进入有机相而与铁、锌等杂质

29、分离。用浓度较高的 H2SO4溶液反萃铜，得到含铜约50g/L的溶液。反萃后的有机溶剂，经洗涤后，返回萃取过程使用。电积硫酸铜溶液得电铜，电解后液返回用作反萃剂。生产流程见图1.2。图1.2 氧化铜矿酸浸法流程(2) 硫化铜精矿焙烧浸出法 硫化铜精矿经硫酸化焙烧后浸出，得到的含铜浸出液，经电积得电铜。此法适于处理含有钴、镍、锌等金属的硫化铜精矿，但铜的回收率低，回收贵金属较困难，电能消耗大，电解后液的过剩酸量须中和处理，所以一般不采用。(3) 从贫矿石和废矿中提取铜 铜矿开采后坑内的残留矿、露天矿剥离的废矿石和铜矿表层的氧化矿，含铜一般较低，多采用堆浸、就地浸出和池浸等方法，浸出其中氧化形态的

30、铜，而所含硫化铜则利用细菌的氧化作用，使之溶解。浸出液中的铜可用铁置换得海绵铜，或者用溶剂萃取-电积法制取电铜。1.5.1铜的火法冶金火法炼铜是将铜矿（或焙砂、烧结块等）和溶剂一起在高温下熔化，或直接炼成粗铜，或先炼成冰铜（铜、铁、硫为主的熔体）然后在炼成粗铜。该法除部分预备作业及电解精炼作业外，均在高温下进行。其一般流程如图1.3：图1.3 铜火法冶金的一般流程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，特别是对一般硫化矿和富氧化矿很适用。火法和湿法两种工艺的特点 比较火法和湿法两种铜的生产工艺，有如下特点： （1）后者的冶炼设备更简单，但杂质含量较高，是前者的有益补充。 （2）

31、后者有局限性，受制于矿石的品位及类型。 （3）前者的成本要比后者高。 可见，湿法冶炼技术具有相当大的优越性，但其适用范围却有局限性，并不是所有铜矿的冶炼都可采用该种工艺。不过通过技术改良，这几年已经有越来越多的国家，包括美国、智利、加拿大、澳大利亚、墨西哥及秘鲁等，将该工艺应用于更多的铜矿冶炼上。湿法冶炼技术的提高及应用的推广，降低了铜的生产成本，提高了铜矿产能，短期内增加了社会资源供给，造成社会总供给的相对过剩，对价格有拉动作用。总之，火法和湿法炼铜都各有利弊，选用哪种方法，应根据矿物的特点，当地的经济情况，交通运输情况，地理条件，气候条件，特别是应根据矿物特点（化学成分，物相组成，含铜量，

32、脉石组成等）和当地经济条件（燃料，水，1.7设计的内容设计之初，在老师的指导下进行资料收集，了解铜的性质、生产工艺以及我国现有的铜生产厂家的生产工艺。在做了深入的学习后，我们去了陕西商洛炼锌厂现场实习，实地考察该公司的成熟生产工艺、厂区布置、有关技术参数等等。为本次设计收集了大量的资料数据，为我们的设计也提供了良好的借鉴作用。实习结束后，回校进行论文的撰写及绘图等相关工作。1.7.1冶金计算铜电解精炼冶金计算包括：电解过程金属平衡和物料平衡，净液量的计算。硫酸盐生产物料平衡计算。硫酸耗量，电解槽热平衡及蒸汽消耗等。1.7.2重要设备及辅助设备计算根据工艺流程各个主要过程，合理地选择主要冶炼设备

33、和确定个数、容量、对其主要尺寸加以计算，计算中采用的数据应当有根据地引用文献和生产实践资料。辅助设备应进行选择和计算，确定其规格和数量。运输设备的选择和计算时，应说明冶炼工艺流程各主要工序的联系，物料运输方式，运输及提升设备型号选择依据及采用的运输方法并进行计算。铜电解精炼主要设备和辅助设备计算包括：电解槽的计算（普通槽和种板槽）。整流器及导电材料的计算和选择，电解液循环系统设备及管道计算，车间运输设备计算与选择，其他设备及设施。1.7.3制图内容和要求铜电解精炼车间设计的图纸包括：工艺流程图、电解槽构造图、设备连接图和车间平面布置图共三张，其中包括CAD和手工绘制。2 厂址选择厂址选择要根据

34、国民经济建设计划和工业布局的要求进行。厂址选择适当与否，对企业的建设速度、建厂投资、生产发展、经济效益、环境保护及工农关系等会带来重大影响。厂址选择的一般原则是：应符合工业布局及区域性总体规划和城市建设规划的要求；要尽可能利用城镇设施，节约资源；要靠近原材料、水、电供应充足和产品销售便利的地方，有较好的交通运输条件；要注意节约用地，尽量不占或少占农田，留有发展余地；要有适当的自然地形和适宜的工程地质、水文、地震等级条件及较好的协作条件等9。在进行厂址选择时，应根据有色生产的特点，应充分论证以下几个问题：(1)工业布局问题 建设一座有色冶金厂，对全国的工业布局、一个区或一个城市的合理发展、各个工

35、业区之间的经济协调以及农业发展等起着重要的作用，应根据工业布局“大分散，小集中、多搞小城镇”的方针，按“工农结合，城乡结合，有利生产，方便生活”的原则，进行厂址选择和居住区规划，使之符合工业布局总体规划及城市建设规划的要求。(2)原材料供应及交通运输条件 有色金属冶炼是连续性的，物料吞吐量一般很大。因此在进行厂址选择时必须充分考虑交通运输问题。为了减少运输费用，在保证良好的运输条件下，进行厂址尽可能接近原材料基地和销售市场。(3)供水、供电条件 有色冶炼厂一般是大量用水和耗电多的企业。因此希望厂址附近有充分的水源和电源。以供电为例，厂址距离电源每增加一公里，就需增加外部高压输电线投资34万元，

36、 这不仅大大增加投资，而且影响建设进展，所以冶金企业尽可能的选择在供电网经济供电半径之内是至关重要的。(4)环境保护和节约用地问题 有色冶金生产特点之一是无一例外地产出大量造成环境污染的“三废”物质，除必须有完善的“三废”治理工程设计外，在选择厂址时，必须尽量考虑在主导风向和主要水流的下游位置，安排好“三废”处理场地和废渣堆放场地，要有良好的自然通风条件，并应考虑厂址附近居民点、城市发展规划、农木渔业及旅游胜地、自然资源保护区等问题。(5)厂址的工程地质及水文地质条件 冶炼厂的土建投资是相当大的，厂址地震等级的不同会对建筑结构以及基础工程的投资带来很大影响，所以厂址不能选在发震断层地区和基本烈

37、度为9级以上的地震区。此外，所选厂址的地耐力应不低于147.1196.1kPa，地下水位最高也要低于基础地面0.5m，厂址最低洼处要高于历年最高洪水位0.5m以上；不能选在厚度较大的III级自重湿陷性黄土地区和有泥石流或滑坡等危害的山区，厂址底下不宜又有用矿物矿藏或以开采的矿坑和溶洞等。(6)厂址的协作条件 冶炼厂一般是机械化自动化水平比较高的现代化企业，为保证企业生产顺利进行，必须有充足的设备及备品备件供应，要有强有力的机械加工和维修能力。若厂址附近具备这些条件，便可发挥专业协作的优越性，减少辅助设施投资和降低生产成本。工厂在建设过程中的施工条件诸如砖瓦、砂石、石灰、水泥、木材等能否就地取材

38、，施工力量和施工场地是否具备等，都对建设进度起着一定的作用。在厂址选择时，应充分考虑厂址附近是否具备这些条件，那种片面强调“小而全”不重视专业化协作的做法是不恰当的，甚至是错误的考虑到上述的一些条件，我要将此厂建在陕西省宝鸡市三桥镇，这里交通发达，人员稀少，离原料供应地近，离它不远处有一个发电站，能确保供电方便。3 铜电解精练工艺流程的确定3.1铜电解精炼流程简述火法精炼产出的精铜品位一般为992997，其中还含有0308杂质。为了提高铜的性能，使其达到各种应用的要求，同时回收其中的有价金属，特别是贵金属、铂族金属和稀散金属，必须进行电解精炼。以火法精炼产出的阳极板为原料，经电解精炼，生产电解

39、铜，并富集贵金属和其它有价元素的铜冶炼厂车间设计。设计主要内容包括：工艺流程、设备选择和主要技术经济指标。中国在铜电解精炼设计中采用了大型电解槽、全套机械化极板作业线、大型可控硅整流器、多功能专用起重机和钛板换热器等新型设备，以及电解液平行流动循环、诱导法脱砷等新技术。工艺流程包括电解精炼和电解液净化两部分。以铜阳极板为阳极，纯铜始极片或不锈钢板为阴极，以硫酸铜和硫酸溶液为电解液，将极板按一定的极距相间排列于电解槽内，通入直流电，阳极不断溶解，便在阴极上析出电解铜。电解过程中，阳极铜中的贵金属和硒、碲等有价元素进入阳极泥，沉积于电解槽底，定期排出，送阳极泥车间提取贵金属。镍、砷、锑、铋等杂质大

40、部分进入电解液，需从循环液中抽取一部分进行净化处理。电解精炼有常规电解、周期反向电流电解和永久阴极电解可供选用。(1)常规电解。以纯铜始极片为阴极，电源为恒向直流电，电流密度为220280Am2。其特点是技术成熟，产品质量稳定，电耗低。(2)周期反向电流电解。周期性短时间改变直流电流方向的电解方法。电解阴极及阳极和常规电解相同，周期性短暂反向，是为了克服阳极钝化，电流密度达300350Am2。，可强化生产，节省投资，缩短电解铜在产周期。缺点是电流效率低，电耗高于常规电解。适于老厂扩大生产能力和电价低廉地区采用。铜电解精炼于1869年在英国首先用于工业生产，随后在世界上得到广泛应用。20世纪70

41、年代出现周期反向电流电解和不锈钢永久阴极电解等新的电解法。随着生产技术不断完善，电解极板作业等机械化和自动化程度逐步提高，铜电解精炼生产规模日趋大型化。到80年代，世界上最大单一生产电解铜的工厂生产规模已达到40万ta。（3）永久阴极电解。和常规电解不同，阴极是永久性的不锈钢板，在不锈钢阴极板上析出的电解铜定期取出剥离作为成品。1979年澳大利亚精炼铜公司(Coppei refinet iesplyLtdCRL)首先将此法用于铜电解精炼工业生产，又名艾萨(ISA)电解法。以后美国、加拿大和联邦德国等精炼厂也应用了这一方法。它的优点是可省掉铜始板片生产系统，不锈钢阴极平直，短路发生率低，阴极质量

42、高。电解液净化为除去电解液中的杂质，并调整其铜成分而进行的作业。净化流程通常依阳极板的杂质含量、需脱除的杂质种类和产品方案确定。一般包括脱铜，脱砷、锑、铋和脱镍等。脱铜方案有两个。一是硫酸铜结晶脱铜电解。根据硫酸铜需要量，选用直接浓缩或加铜中和工艺生产硫酸铜。结晶后液再经电解产出黑铜粉。二是二段脱铜电解。第一段电解产出含铜995%的二级电解铜；第二段电解产出黑铜板和黑铜粉，返回熔炼工序处理，本设计采用第二个方案。电解液中的砷、锑、铋等杂质常在脱铜电解后期进入黑铜粉。采用诱导法脱砷技术，砷的脱除率可达90，此法还可抑制砷化氢气体发生。也可采用萃取和离子渗析等方法直接从电解液中除去砷、锑和铋等杂质

43、。脱铜后的溶液生产粗硫酸镍结晶，可选用蒸发浓缩法或冷冻结晶法，母液返回电解液中。蒸发浓缩法镍的脱除率高，但硫酸损失大，劳动条件差，一般适用于规模小的工厂；冷冻结晶法无废气排放，但投资较大，适于规模大的工厂选用。根据上面的理论依据选用如下图3.1铜电解精炼的工艺流程图图3.1 铜电解精炼的工艺流程图3.2铜电解精炼的理论基础3.2.1阳极过程铜电解精炼，在阳极上进行氧化反应： 式中M只指Fe、Ni、Pb、As、SB等比Cu更负电性的金属。因其浓度很低，其电极电位将进一步降低，从而它们将优先进入电解液。由于阳极主要成分是铜，所以阳极的主要反应将是铜溶解形成Cu2+的反应。至于H2O和SO42-失去

44、电子的氧化反应，由于其电极电位比铜正的多，故在阳极上是不可能进行的。另外，如Ag、Au、Pt等电位更正贵金属、铂族金属和稀有金属，更是不能溶解，而落到电解槽底部。3.2.2阴极过程在阴极上进行的还原反应： 氢的标准电位较铜负，且在铜阳极上的超电压使使氢的电极电位更负，所以在正常的电解精炼条件下，阴极不会析出氢，而只有铜的析出。同样，标准电位比铜低而浓度又小的负电性金属M，不会在阴极析出。电解过程中还形成一价铜离子Cu+并建立下列平衡： 上式在不同温度下的平衡数据列在表3-1中。表3-1 的平衡数据温度Ek(v)Cu/(0.5molCuSO4)g/lCCu2+g/l）×25551000

45、.3160.3550.3531.0371.0041.0033.78934227011.2257.30.012可见，平衡的Cu+浓度使很小的。但是它的存在，与硫酸作用进行Cu2SO4+1/2O2+H2SO4=2CuSO4+H2O反应，结果使电解液中的H2SO4不断减少，而Cu2+又不断增加，并按Cu2SO4= CuSO4+Cu反应生成铜粉进入阳极泥，使其中的贵金属含量下降。在电极与电解液界面上还进行铜的化学溶解反应：Cu+1/2O2+H2SO4= CuSO4+Cu3.2.3阳极上杂质根据阳极上杂质在电解时的行为，可将它们分为四类：(1) 正电性金属和以化合物存在的元素，金银和铂族金属为正电性金属

46、。它们不进行电化学溶解而落入槽底。阴极铜中含有这些金属使由于阳极泥机械夹带来的结果。Ag2SO4可溶于电解液中，但当加入少量氯离子（HCl）时则形成AgCl进入阳极泥。氧、硫、硒、碲、为稳定化合物存在的元素。它们以Cu2S、Cu2O、Cu2Te、Cu2Se、Ag2Se、Ag2Te等存在阳极板内，电解时亦进入阳极泥中。(2) 在电解液中形成不溶化合物的铅和锡，电解时铅以PbSO4沉淀。锡以Sn2+进入电解液后氧化成。并按Sn(SO4)+2H2O=Sn(OH)2SO4+H2SO4水解沉淀进入阳极泥中。(3) 负电性的镍、铁、锌，阳极中的铁和锌含量极微，电解时它们与金属镍一道溶入电解液中。一些不溶性

47、化合物如氧化亚镍和镍云母会在阳极表面形成不溶薄膜，使槽电压升高或引起阳极钝化。(4) 电位与铜相近的砷、锑、铋电解时，它们可能在阳极上析出。它们还生成极细的絮状SbAsO4和BiAsO4砷酸盐，漂浮在电解液中，机械的粘附在阴极上。其粘附量相当于砷锑放电析出的两倍，而且锑进入阴极的数量比砷大，因此锑的危害更为突出。电解液需要净化，以除去它在电解过程中积累的杂质。3.3电解液的净化从上面的讨论得知，随着电解过程的进行，电解液内的铜和负电性元素逐渐增加，硫酸逐渐减少，添加剂逐渐积累。为此，每天抽出一定量的电解液进行净化处理，同时补充等量新液，以保持电解液原有的组成范围。净化的目的在于回收其中的铜、钴

48、、镍，除去有害的砷和锑，以及能使硫酸返回适用。净化过程的顺序如下：(1) 中和结晶 它是用铜粉中和电解液中的硫酸以产出硫酸铜：中和设备为间断的中和槽或连续的鼓泡塔。将中和液蒸发浓缩为高温（8090）饱和硫酸铜溶液，冷却即析出胆矾结晶。结晶设备有带式水冷连续结晶机和水冷机械搅拌间歇结晶机。用电积法可直接产出硫酸和铜。(2) 脱铜和砷锑，结晶后的母液用不溶阳极电解回收铜和处砷锑：同时也再生了硫酸。至电解后期，Cu2+低至8g/l下，砷、锑、铋与铜一起放电得含砷黑铜，并有大量氢放出。黑铜须返回到火法精炼中处理。除砷锑液可用萃取法或化学法。(3) 生产粗硫酸镍，脱铜和脱砷锑的母液含有4050g/lNi

49、和300g/lH2SO4，再经蒸发浓缩使NiSO4达饱和，然后冷却结晶分离。结晶后液含710g/lNi和约400g/lH2SO4，若杂质含量低时，可将其加热和过滤，然后返回电解车间是使用；若含砷锑等杂质高，则须再蒸发浓缩，使其以无水硫酸盐析出，分离后溶液返回电解车间使用。4 铜电解精炼的主要设备选择铜电解精炼的主要设备是电解槽（如图4-1）。它长为3.05.0m、宽为0.851.2m、高为1.01.5m的钢筋混凝土的长方形无盖槽子，内衬铅皮或聚氯乙烯塑料板。电解槽放在钢筋混凝土立柱架起的横梁上，槽底四角垫有电绝缘的瓷砖或橡胶板。槽侧壁的槽沿上敷有瓷砖或塑料板，于其上再放槽间导电铜板。阴极和阳极

50、的耳朵塔在此导电板上。相邻槽间留有2040的槽间绝缘空隙。输电电路用复联法，即槽内极间电路并联、槽间电路串联。图 铜电解槽阳极宽为6501000mm，长为7001000mm，厚为3550mm。上方的两耳分别搭在导电板和槽沿的瓷砖上。阳极表面要平整无毛刺，厚度要均匀，对会引起的阳极钝化和严重影响阴极质量的铅、砷、锑等杂质的含量要严格控制。阴极是在始极槽（即种板槽)内电解制成，称始极片，厚为0.40.7。其尺寸比阳极稍大，结晶致密且平整光洁。始极槽的母板为厚34的紫铜板或钛板。用钛板时不用涂板，因它的传热率和膨胀系数与铜板相差很大。放入020的水中时，始极片即从钛板上脱落。槽内阳极比阴极多一块。阳

51、极寿命为2030天，阴极寿命是阳极的1/21/3。电极边缘离电解槽壁5070，离槽底200300。同极中心距80110。根据上述依据本设计的阳极宽为920，宽950，厚为40：阴极宽为960，长1000；电解槽内尺寸长×宽×高=2600×1060×1360;外尺寸长×宽×高=2800×1260×1460；每槽阴极片数位22个，阳极23个，同极中心距100；阳极寿命为24天，阴极寿命为12天。阴阳极和电解液组成见表。表4-1 阴阳极和电解液组成元 素阴极（%）阳极（%）电解液（g/l)99.9999.299.8406

52、00.00040.0050.0010.01500.020.040.300.00200.50.00020.0050.0010.03130.000500.10.00010.00200.30.54元 素阴极（%）阳极（%）电解液（g/l）0.000200.30.20.700.00200.010.050.500.000100.02500.000100.0010.00050.00100.100.0000100.0070.060.7160210电解液中Cu2+过低时可能有其他杂质析出；Cu2+过高时又会增大电解液电阻和可能在阳极表面出现CuSO4·5H2O结晶。电解液还加入添加剂以改善阴极质量。

53、每吨电铜耗添加动物胶2550g、硫脲2050g、干酪素1540g。H2SO4可提高电解液的导电性，但硫酸浓度的升高，会使电解液中的CuSO4溶解度降低。镍、砷、锑、铁等杂质的含量增高时，会增加电解液的电阻、降低CuSO4的溶解度和影响阴极质量，故对其含量需严格控制。电解液温度一般为5560。适当提高温度对Cu2+扩散和均匀电解液成分有利，但温度够高反而增大化学溶解和电解液蒸发,本设计电解液温度取60添加剂的作用是抑制阴极表面突出部分的晶粒继长大，从而促使其电积物均匀致密。添加剂是导电性较差的表面活性物质，它容易吸附在突出的晶粒表面上而形成分子薄膜，抑制阴极上活性区域的迅速发展，使电铜表面光滑，

54、改善阴极质量。电解液中Cl-可使生成AgCl和PbCl2沉淀和防止阴极产生树枝状结晶。有时还在电解液中加入少量絮凝剂以加速悬浮的阳极泥沉淀。为了减少电解液组成的浓度差，电解液在电解槽内必须循环。循环方式有上进下出和上出下进两种，前者有利于阳极泥沉降且液温比较均匀，故常被采用。随着电流密度的增大，电解液Cu2+浓度差剧变，循环速度也需增大。在循环系统中还设有加热和过滤设备。输液用铅管或聚氯乙烯管。过去用蛇形铅管加热电解液，本次采用传热效率高和蒸汽消耗少的浮头列管式石墨列管热交换器。电解精炼重要的技术参数是电流密度。它与生产率、电耗和生产成本紧密相联。电流密度Dk是指每平方米阴极表面上通过的电流安

55、培数，即A/m2。提高电流密度可增大铜产量，但同时也会增大槽电压和电能消耗，导致增大循环速度和金银损失。其中将有一个在允许电流密度范围内经济上最合理的电流密度，长期实践认为此值为220230A/m2，本次取230 A/m2。在高电流密度作用下，阴阳极间的Cu2+浓度差更加悬殊。这样就可能在阳极上由于Cu2+过饱和而沉淀CuSO4·5H2O，以及NiO和Cu2O等来不及脱落而使阳极钝化；而在阴极上Cu2+由于贫化而出现粗超结晶，甚至沉积铜粉。槽电压也是电解的重要技术参数，它直接影响到电能消耗。电能消耗即生产一吨电铜的耗电量KW·h/t。电能消耗正比于槽电压而反比于电流效率，且电流密度增大时槽电压也相应增大。正常的槽电压为0.250