年產10萬噸電解銅的銅電解車間設計

1、年產35萬噸電解銅的銅電解車間設計 目 錄1 前言11.1銅的性質11.1.1銅的物理性質11.1.2銅的化學性質31.1.3銅的主要化合物的性質31.2銅的用途41.3銅資源狀況51.3.1世界銅資源51.3.2中國資源71.4中國銅的生產狀況和消費81.4.1中國銅的生產狀況81.4.2銅的消費91.5.1銅的濕法冶金91.5.1銅的火法冶金101.6銅的新技術121.6.1一種采用溶劑萃取凈化銅電解液的方法本121.6.2分散強化型電解銅箔及其制造方法121.6.3硫化礦細菌浸出121.7設計的內容121.7.1冶金計算131.7.2重要設備及輔助設備計算131.7.3制圖內容和要求13

2、2 廠址選擇143.1銅電解精煉流程簡述163.2銅電解精煉的理論基礎183.2.1陽極過程183.2.2陰極過程183.2.3陽極上雜質193.3電解液的凈化204 銅電解精煉的主要設備選擇215 銅電解技術指標245.1銅電解的條件245.1.1電解液組成245.1.2添加劑245.1.3電解液溫度255.1.4電解液循環(huán)255.1.5電流密度255.1.6同極中心距265.2陽極壽命和陰極周期266 主要經濟技術指標276.1電流效率276.2殘極率276.3銅電解回收率276.4槽電壓276.5直流電能電位消耗286.6硫酸單位消耗286.7蒸汽單位消耗287 電解精煉冶金計算297.

3、1電解槽設計計算297.1.1商品電解槽總數(shù)297.1.2電解槽的極板數(shù)297.1.3每槽陽極片數(shù)307.1.5種板電解槽數(shù)307.2物料平衡計算317.3銅電解精煉熱平衡計算347.3.1熱收入357.3.2熱支出355.4凈液量的計算377.5硫酸鹽生產物料平衡計算387.5.1計算銅料加入量385.5.2 計算硫酸銅產品產量395.5.3一次母液體積395.6脫銅電解物料平衡計算407.7粗硫酸鎳生產計算408 銅電解精煉的主要生產設備的選用428.1整流器及導電銅材料的計算428.1.1直流電源428.1.2槽邊導電排448.1.3槽間導電板458.1.4短路棒468.2電解液循環(huán)系統(tǒng)

4、設備及管道計算468.2.1集液槽468.2.2電解液循環(huán)泵468.2.3高位槽478.2.4加熱器478.2.5供液管488.2.6電解液循環(huán)管488.2.7陽極片剝機498.3車間運輸設備計算及選擇498.3.1起重機498.3.2叉車498.4其他設備及設施508.4.1各種輔助槽子508.4.2陽極泥放出與收集509 環(huán)保措施529.1環(huán)境保護529.2安全生產5210 車間定員54附圖56參考文獻61專題：銅陽極鈍化機理及影響因素62致 謝681 前言1.1銅的性質1.1.1銅的物理性質銅是人類最早發(fā)現(xiàn)的古老金屬之一，早在三千多年前人類就開始使用銅。自然界中的銅分為自然銅、氧化銅礦和

5、硫化銅礦。自然銅及氧化銅的儲量少，現(xiàn)在世界上80%以上的銅是從硫化銅礦精煉出來的，這種礦石含銅量極低，一般在2-3%左右。金屬銅，元素符號Cu，原子量63.54,比重8.92，熔點1083Co。純銅呈淺玫瑰色或淡紅色。銅具有許多可貴的物理化學特性，例如其熱導率都很高，化學穩(wěn)定性強，抗張強度大，易熔接，且抗蝕性、可塑性、延展性。純銅可拉成很細的銅絲，制成很薄的銅箔。能與鋅、錫、鉛、錳、鈷、鎳、鋁、鐵等金屬形成合金，形成的合金主要分成三類：黃銅是銅鋅合金，青銅是銅錫合金，白銅是銅鈷鎳合金。銅在地殼中的克拉克值為0.01%，世界銅儲量約5000´104t，主要儲于智利、美國、俄羅斯、利比亞

6、、加拿大、秘魯、波蘭、菲律賓等國家。此外洋底錳結核中亦有豐富的銅。全球主要產銅國家是智利、美國、俄羅斯。已知的含銅礦物有250多種，1主要工業(yè)礦物如下表，其中最重要的是黃銅礦、斑銅礦和輝銅礦。表1-1 含銅主要供應礦物名稱礦物種類分子式含銅量(%)自然元素自然銅Cu100硫化物黃銅礦CuFeS234.5斑銅礦Cu5FeS263.3輝銅礦Cu2S79.8銅 藍CuS66.4硫砷化物和硫砷銅礦Cu3AsS448.3硫銻化物砷黝銅礦(Cu9Fe)12As4S1357.0黝銅礦(Cu9Fe)12Sb4S1352.1氧化物赤銅礦Cu2O88.8黑銅礦CuO79.8碳酸鹽孔雀石CuCO3·Cu(

7、OH)257.3藍銅礦2CuCO3·Cu(OH)255.1硫酸鹽銅靛巖CuSO4膽礬CuSO4·5H2O銅葉綠礬CuFe4+3(SO4)6(OH)2·2H2O硅酸鹽硅孔雀石CuSiO3·2H2O36.0除了主要礦物外，銅礦中還含有少量的其他金屬，如鉛、鋅、鎳、鐵、砷、銻、鉍、硒、銻、鎢、鉬、鈷、錳等，并含有金銀等貴金屬和稀有金屬，它們在冶煉過程中分別進入不同的產品中，所以煉銅工廠通常設有綜合回收這些金屬的車間。進入冶煉廠的銅礦都為浮選產出的銅精礦，品位1035%。硫化銅精礦是煉銅的主要原料。有時也處理自然銅精礦，但很次要。氧化礦可與硫化礦一起處理。未經選

8、礦的氧化礦可直接用濕法或離析法等方法處理。我國銅資源分布很廣，幾乎遍及全國各地。一般來說，我國硫化礦的品味較低。礦物的性質也比較復雜，原生礦與次生礦交錯混亂，并有大量多金屬伴生，處理也比較復雜，且需特別重視綜合回收問題。銅的蒸汽壓很小，在熔點溫度下僅為9×10-5Pa。高溫下，液體銅能溶解、氧、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等氣體。凝固時，溶解的氣體又從銅中放出，造成銅鑄件內帶有氣孔，影響銅的機械性能和電工性能。1.1.2銅的化學性質銅在干燥的空氣中不起變化，但在含有二氧化碳的潮濕空氣中則能氧化形成堿式碳酸銅（銅綠）的有毒薄膜。加熱至150，銅在空氣中開始氧化，高于350氧化生成Cu2

9、0和CuO。因銅為正電性元素，故不能置換酸（鹽酸和硫酸）中的氫，而僅能溶于有氧化作用的酸如硝酸和有氧化劑存在時的硫酸中。銅能溶于氨水及與氧、硫、鹵素等化合。1.1.3銅的主要化合物的性質(1) 化銅CuS，天然硫化銅為綠色或棕黑色無定形不穩(wěn)定化合物銅藍，比重為4.68，中性或還原性氣氛中加熱即分解為Cu2S和S2。Cu2S不溶于水、稀硫酸和苛性鈉中，但能溶于氰化鉀和熱硝酸中。(2) 化亞銅Cu2S，天然的硫化亞銅為輝銅礦，藍黑色無定形或結晶形，比重為5.76，熔點為1135.它在高溫下穩(wěn)定或氧化成金屬銅，常溫下不被空氣氧化，430-680下則氧化放出SO2。赤熱Cu2S的可逐漸被CO2氧化和緩

10、慢地但能完全的被H2分解。CO能氧化Cu2S。以Cu2S和FeS為主的共熔體稱為冰銅。由于銅對硫的親和力大，故在冰銅吹煉時FeS先氧化造渣，剩下的Cu2S（稱白鈹）被吹煉成粗銅。Cu2S不溶于水和幾乎不溶于稀硫酸，與濃硫酸作用生成CuSO4、CuS和SO2，溶解于濃鹽酸時放出H2S。Cu2S可溶于NH4OH、HNO3、Fe2(SO4)、FeCl3、CuCl2中。(3) 氧化銅CuO，天然氧化銅為黑色無光澤的黑銅礦，比重為6.36.4。它不穩(wěn)定，遇熱即分解。CuO易被H2、C、CO、CxHy和較負電性的Zn、Fe、Ni等所還原。它不溶于水，但可溶于FeCl2、FeCl3、NH4OH、Fe2(SO

11、4)、(NH4)2CO3及各種稀酸中。(4) 氧化亞銅CuO、CuO2，天然氧化亞銅稱為赤銅礦，比重為6.11，熔點為1235。它高溫穩(wěn)定，在2200以上才完全分解，在1060以下時則部分或全部變?yōu)?。CuO2也易被H2、C、CO、CxHy和Zn、Fe或其它對氧親和力強的元素所還原。高溫時進行的反應：2Cu2O+Cu2S=6Cu+ SO2是冰銅吹煉成粗銅的理論基礎。該反應在450開始至1100完成。吹煉時，由于銅對硫的親和力大于鐵，而鐵對氧的親和力大于銅，是反應CuO2+FeS=Cu2S+FeO向右進行到底。因此在冰銅中的未完全氧化造渣以前，理論上Cu2S是不會被氧化的。CuO2也不溶于水，但溶

12、于HCl、H2SO4、FeCl2、FeCl3、Fe2(SO4)、NH4OH、等溶劑中，這些反應為濕法冶金所應用。(5) 硅酸銅xCun·ySi2·zH2O自然界中的硅酸銅有硅孔雀石CuO·SiO·2H2O和透視石CuO·SiO·H2O。它們在高溫下分解成穩(wěn)定的2Cu2O·SiO2，后者易被H2、C、CO等還原，也易被FeO、CaO等強堿性氧化物和銅、鐵硫化物分解，并能溶于濃硝酸、稀醋酸、鹽酸和硫酸中。(6) 硫酸銅CuSO4，自然界的硫酸銅為天藍色三斜晶體系結晶的膽礬。無水硫酸銅為白色粉末，加熱時分解成CuO和SO3(SO2

13、+O2)。硫酸銅易溶于水,鐵、鋅等可從硫酸銅中置換出銅。(7) 氯化銅CuCl2，氯化銅無天然礦物，人造氯化銅為褐色粉末。熔點為498。沸點低，易揮發(fā)，也溶于水。氯化銅不穩(wěn)定，加熱至340即分解生成白色粉末的氯化亞銅：CuCl2=Cu2Cl2+Cl2。1.2銅的用途(1) 銅的導電性 銅最重要的特性之一便是其具有極佳的導電性，其電導率為58m/(mm2)。這一特性使得銅大量應用于電子、電氣、電信和電子行業(yè)。銅的這種高導電性與取原子結構有關；當多個單獨存在的銅原子結合成銅塊時，其價電子將不再局限于銅原子之中，因而可以在全部的固態(tài)銅中自由移動，其導電性僅次于銀。銅的導電性國際標準為：長1m重1g的

14、銅在20時的導電量公認為100%?，F(xiàn)在的銅煉技術已經可以生產出同品級銅的導電量比這個國際標準高出4%5% 。(2) 銅的導熱性 固體銅中含有自由電子所產生的另一重要效應就是其擁有極高的導熱性，其熱導性為386W/(m.k)，導熱性僅次于銀。加之銅比金、銀儲量更豐富,價格更便宜，因此被制成電線電纜、接插件端子、匯流排、引線框架等各種產品，廣泛用于電子電氣、電訊和電子行業(yè)。銅還有各種換熱設備如熱交換器、冷凝器、散熱器的關鍵材料，被廣泛應用于電站輔機、空調、制冷、汽車水箱、太陽能集熱器柵板、海水淡化以及醫(yī)藥、化工、冶金等各種換熱場合。(3) 銅的耐蝕性 銅具有良好的耐蝕性能，優(yōu)于普通鋼材，在堿性氣氛

15、中優(yōu)于鋁。銅的電位序中是+0.34V，比氫高，是電位較正的金屬。銅在淡水中的腐蝕速度也很低(約0.05mm/a)。并且銅管用于運送自來水時，管壁不沉積礦物質，這點是鐵制水管所遠不能及的。正因為這一特性，高級衛(wèi)浴給水裝置中大量使用銅制水管、龍頭及有關設備。銅極耐大氣腐蝕，其在表面可形成一層主要有堿式硫酸銅組成的保護薄膜，即銅綠，其化學成分為CuS04*Cu(OH)2及CuSO4*3Cu(OH)2。因此銅材被用于建筑屋屋面板、雨水管、上下管道、管件;化工和醫(yī)藥容器、反應釜、紙漿濾網;艦船設備、螺旋槳、生活和消防管網；沖制種類硬幣(耐腐蝕性)、裝飾、獎牌、獎杯、雕塑和工藝品(耐蝕性色澤典雅)等。1.

16、3銅資源狀況1.3.1世界銅資源全球陸地上的銅礦資源量可能要比先前公布的16億噸多。在深海中也蘊藏著豐富的銅礦資源，資源量可能達7億噸。據(jù)2005年統(tǒng)計數(shù)字，全球銅礦儲量47億噸，基礎儲量為94億噸。生產銅礦最多的前5個國家是，智利、美國、印度尼西亞、秘魯和澳大利亞，2003年分別出產銅礦490萬噸、112萬噸 、97.9萬噸、83.1萬噸 、83.0萬噸，全球銅礦資源分布及主要國家產量見表1-6。表1-1全球銅礦資源分布及主要國家產量銅礦產量儲量基礎儲量20032004美國112011603500070000澳大利亞8308502400043000智利49005380140000360000

17、中國6106202600063000印度尼西亞9798503500038000哈薩克斯坦4854851400020000墨西哥3614002700040000秘魯83110003000060000波蘭4955003000048000俄羅斯6755752000030000贊比亞3304001900035000其他國家1400160060000110000世界總值1360014500470000940000注：e為估計值。資料來源：U.SG910gimlSurvey，MinerdCommtySuImlmries，January 2005按照銅的證實儲量，俄羅斯僅次于智利和美國，居世界第三位。諾里爾

18、斯克地區(qū)和科拉半島的銅鎳礦床（占俄羅斯總儲量的40%多）、烏拉爾和西西伯利亞地區(qū)54個黃鐵礦型銅鋅與多金屬礦床（占俄羅斯總儲量的28.6%)，是俄羅斯的主要銅原料基地，含銅砂巖型烏多坎礦床（23%）目前尚未開發(fā)，其余銅儲量（75%）作為伴生組分產于其他礦床中。（占世界銅儲量的60%以上）主要分布在美洲、大洋洲和東南亞諸國，層狀銅礦床（大約20%)多分布在非洲國家（贊比亞、剛果）以及波蘭、澳大利亞和阿富汗，含銅黃鐵礦和黃鐵礦多金屬礦床（10%以上），往往分布在加拿大、日本、哈薩克斯坦、澳大利亞、阿富汗、俄羅斯。  1.3.2中國資源目前，中國己發(fā)展成為全球最大的銅消費國、銅加工制造業(yè)基

19、地、銅基礎產品輸出國，實現(xiàn)了中國銅工業(yè)的持續(xù)快速發(fā)展，對促進國民經濟發(fā)展、增加財政稅收及解決勞動就業(yè)等方而都取得了卓著的成績，并且在世界銅行業(yè)內充當了重要角色。盡管如此，站在科學發(fā)展觀的高度，認真審視我國銅工業(yè)產業(yè)鏈，就能夠清晰地發(fā)現(xiàn)，銅資源依然是制約我國銅產業(yè)順利發(fā)展的“瓶頸”因素。因此，對銅資源問題必須引起我們的高度關注。長期以來，我國銅資源不能滿足國內消費需求，供需缺口較大，需要通過國際市場加以平衡，為此國家每年要花大量外匯。為了確保國民經濟發(fā)展對銅產品的消費需要，保障銅資源的長期穩(wěn)定安全供應，研究制定我國銅資源的發(fā)展戰(zhàn)略己勢在必行，但是在制定銅資源戰(zhàn)略之前必須了解我國的銅資源現(xiàn)狀，如表

20、1-7所示。表1-7 我國的銅資源現(xiàn)狀與國外的銅資源現(xiàn)狀比較比較項目 國內國內資源儲量 2003年銅儲量為1787萬噸保障程度 30.5年礦床規(guī)模 大型銅礦少，中小型礦多；金屬量在500萬噸以上的只有2個。礦石質量 平均品位偏低，絕大多數(shù)斑巖礦平均品位為0.5%。砂頁巖型礦的平均品位為0.5%-1%礦床類型 斑巖礦少，砂卡巖礦多，使得溶劑萃取技推廣受到限制；砂卡巖型銅礦多數(shù)適宜地下開采，開采成本高。2003年銅儲量為47000萬噸。33.9年巨型，大型銅礦多，銅礦年產在10萬噸以上的有20個，其產量約占世界總量的45%。平均品位偏高，智利與秘魯斑巖型銅礦品位為1%-2%；剛果，贊比亞及波蘭的砂

21、頁礦床品位為2%-5%；智利，美國及印度尼西亞等銅資源國家的斑巖型銅礦無論是礦床數(shù)量和儲量均占80%以上，適宜使用溶劑萃取技術，使用成本偏低盡管我國銅礦資源的保障程度與世界銅礦資源的保障程度相仿，但是因資源的關系，我國銅礦資源的使用成本普遍高于世界，競爭能力十分有限。在全球經濟一體化的大趨勢下，應充分考慮利用國外的銅礦資源，這不僅是平衡國內銅市場供需缺口的需要，而且也是市場經濟運行的必然選擇。我國銅礦資源的特點是中小型礦床多，大型、超大型礦床少。該特點使得我國銅礦山建設規(guī)模普遍偏小，且經過幾十年的強化開采，它們的資源儲量在大幅度減少，有的甚至己接近枯竭。雖然國家花大氣力發(fā)展銅礦業(yè)，但是銅精礦(

22、金屬量)生產量并無顯著增加;即使受國際上漲的影響，2004我國銅精礦(金屬量)產量也僅有60.7萬噸，比上年增長4.1%。另一方面，基于資源票賦關系，我國銅精礦的生產主要來自安徽、江西、湖北、石南及甘肅。以2004年為例，這五個省的銅精礦產量約占到全國總量的75%與此對應，這五個省的銅儲量也占到全國的58.50%，基礎儲量占到全國的59.84%，查明資源儲量將近占到全國的50%。因此，這五個省是我國銅工業(yè)的重要原料基地除湖北與石南外，其他三個銅精礦生產大省的共同特點是：它們的銅儲量保障程度都比較高，且基礎儲量及查明資源儲量都不錯，具備資源儲量級別升級的資源基礎?？紤]到地質勘查促進資源儲量級別升

23、級情況，未來20年內銅精礦生產大省的產能都能夠穩(wěn)住，甚至通過新建礦山及現(xiàn)有礦山產能的擴建，其銅精礦產量還有望擴張。但是也應看到，我國銅儲量絕大部分都已被開發(fā)，在未來20年內還有一部分產能要消失，估計近幾年新建的銅陵冬瓜山銅礦、石南大紅山銅礦一期工程等重點工程，建成后只能彌補銅礦山消失產能。如果今后不增加大型銅礦床工程建設，估計銅精礦產量不會有多大的變化，基本維持在年產銅精礦(金屬量)60萬t的水平。1.4中國銅的生產狀況和消費1.4.1中國銅的生產狀況據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會提供的統(tǒng)計資料顯示，2000年底中國精煉銅產量為137.11萬噸，2005年達260.04萬噸，5年間增長100余萬噸以上

24、，居世界第二位；精銅消費量也呈快速增長態(tài)勢，2000年精銅消費量為190萬噸，2005年達到368萬噸，居世界第一位。 中國銅產業(yè)技術改造步伐明顯加快，裝備水平大幅提高。江西銅業(yè)集團公司、銅陵有色金屬集團公司、云南銅業(yè)集團公司等骨干銅冶煉企業(yè)，先后引進了奧托昆普閃速熔煉、諾蘭達熔煉等一批先進工藝和裝備，使得中國銅企業(yè)的冶煉綜合能耗呈現(xiàn)相當幅度的下降。目前，中國銅企業(yè)的經濟實力不斷提高。2000年，中國銅冶煉企業(yè)(含礦山、冶煉聯(lián)合企業(yè)和獨立冶煉企業(yè))實現(xiàn)產品銷售收入337億元人民幣。2005年，中國銅企業(yè)已實現(xiàn)銷售收入1098.6億元人民幣。在中國國內銅產品需求增長和產量增加的帶動下，中國銅產品

25、進口快速增長。其中銅原料部分增加顯著，特別是銅精礦和精銅的進口量增幅很大。2000年2005年凈進口量平均分別增長了17.49%和12.86%。在中國政府的大力支持下，中國銅工業(yè)在國際化經營和境外投資取得初步進展。目前，中國國內4家銅企業(yè)4個牌號的精煉銅產品已在倫敦金屬交易所(LME)注冊，成為國際認可的品牌。目前，中國在境外已獲得投資權益銅金屬基礎儲量約650萬噸，形成了近8萬噸/年的礦銅精礦(金屬量)產能。1.4.2銅的消費我國既是銅資源較貧乏的國家又是世界上第二大銅消費國。從2001 年到2005 年，全球銅消費量增加了241.7 萬噸，而中國的消費增量就達到152.5 萬噸，占全球增量

26、的63%。中國銅消費行業(yè)主要是帶動了電力、電纜行業(yè)的發(fā)展。發(fā)電情況在80年到90年年平均增長速度是7.5%，90-2000年增長是8.2%，2000年到2005年是12%，也就是說中國電力發(fā)展在近五年發(fā)展速度逐漸加快。裝機容量應該從2005年9月份發(fā)電裝容量突破5萬億千瓦。推動電力發(fā)展主要是電線、電纜主要大產品，其中中國電線、電纜在全球占的份額是20%。電信、電纜行業(yè)的用銅量是銅的絕對量，去年大概算下來是310萬，這樣一算國內電線、電纜行業(yè)占了將近60%，這是國內目前最大的用銅的情況。 對于未來的情況來看，電線、電纜未來用銅情況怎么樣，主要看中國電力發(fā)展情況。十一五期間電力投資還是比較大，根據(jù)

27、電力行業(yè)資料，未來五年的投資在3萬億左右，其中是電網、電站一半的格局。裝機容量未來增長7-8%，這個速度未來電力發(fā)展增長速度應該比過去五年要放慢了?？傮w來說是增長，所以對電線、電纜行業(yè)發(fā)展情況來看，這個也是發(fā)展相對匹配的。7-8%的樣子，所以電線、電纜這個行業(yè)有一個電力行業(yè)大概在增長9%。 1.5銅的冶煉方法從銅礦石中或精礦提取煉銅的方法較多，總括起來分火法和濕法兩大類。1.5.1銅的濕法冶金一般適于低品位的氧化銅，生產出的精銅稱為電積銅。濕法煉銅目前主要用于處理氧化銅礦。有氧化銅礦直接酸浸和氨浸（或還原焙燒后氨浸）等法；酸浸應用較廣，氨浸限于處理含鈣鎂較高的結合性氧化礦。處理硫化礦多用硫酸化

28、焙燒-浸出或者直接用氨或氯鹽溶液浸出等方法。硫酸化焙燒-浸出法是將精礦中的銅轉變?yōu)榭扇苄粤蛩徙~溶出；氨液浸出法是將銅轉變?yōu)殂~氨絡合物溶出，浸出液在高壓釜內用氫還原，制成銅粉，或者用溶劑萃取-電積法制取電銅；氯鹽浸出法是將銅轉變?yōu)殂~氯絡合物進入溶液，然后進行隔膜電解得電銅。(1) 氧化銅礦酸浸法流程 氧化銅礦一般不易用選礦法富集，多用稀硫酸溶液直接浸出，所得溶液含銅一般為15g/L，可用硫化沉淀、中和水解、鐵屑置換以及溶劑萃取-電積等方法提取銅。近年來，萃取-電積法發(fā)展較快。其主要過程包括：用對銅有選擇性的肟類螯合萃取劑（LiX64 N，N510，N530等）的煤油溶液萃取銅，銅進入有機相而與鐵

29、、鋅等雜質分離。用濃度較高的 H2SO4溶液反萃銅，得到含銅約50g/L的溶液。反萃后的有機溶劑，經洗滌后，返回萃取過程使用。電積硫酸銅溶液得電銅，電解后液返回用作反萃劑。生產流程見圖1.2。圖1.2 氧化銅礦酸浸法流程(2) 硫化銅精礦焙燒浸出法 硫化銅精礦經硫酸化焙燒后浸出，得到的含銅浸出液，經電積得電銅。此法適于處理含有鈷、鎳、鋅等金屬的硫化銅精礦，但銅的回收率低，回收貴金屬較困難，電能消耗大，電解后液的過剩酸量須中和處理，所以一般不采用。(3) 從貧礦石和廢礦中提取銅 銅礦開采后坑內的殘留礦、露天礦剝離的廢礦石和銅礦表層的氧化礦，含銅一般較低，多采用堆浸、就地浸出和池浸等方法，浸出其中

30、氧化形態(tài)的銅，而所含硫化銅則利用細菌的氧化作用，使之溶解。浸出液中的銅可用鐵置換得海綿銅，或者用溶劑萃取-電積法制取電銅。1.5.1銅的火法冶金火法煉銅是將銅礦（或焙砂、燒結塊等）和溶劑一起在高溫下熔化，或直接煉成粗銅，或先煉成冰銅（銅、鐵、硫為主的熔體）然后在煉成粗銅。該法除部分預備作業(yè)及電解精煉作業(yè)外，均在高溫下進行。其一般流程如圖1.3：圖1.3 銅火法冶金的一般流程火法流程最大的優(yōu)點是適應性廣，對各種不同的銅礦均能處理，特別是對一般硫化礦和富氧化礦很適用?；鸱ê蜐穹▋煞N工藝的特點 比較火法和濕法兩種銅的生產工藝，有如下特點： （1）后者的冶煉設備更簡單，但雜質含量較高，是前者的有益補充

31、。 （2）后者有局限性，受制于礦石的品位及類型。 （3）前者的成本要比后者高。 可見，濕法冶煉技術具有相當大的優(yōu)越性，但其適用范圍卻有局限性，并不是所有銅礦的冶煉都可采用該種工藝。不過通過技術改良，這幾年已經有越來越多的國家，包括美國、智利、加拿大、澳大利亞、墨西哥及秘魯?shù)?，將該工藝應用于更多的銅礦冶煉上。濕法冶煉技術的提高及應用的推廣，降低了銅的生產成本，提高了銅礦產能，短期內增加了社會資源供給，造成社會總供給的相對過剩，對價格有拉動作用?？傊鸱ê蜐穹掋~都各有利弊，選用哪種方法，應根據(jù)礦物的特點，當?shù)氐慕洕闆r，交通運輸情況，地理條件，氣候條件，特別是應根據(jù)礦物特點（化學成分，物相組成

32、，含銅量，脈石組成等）和當?shù)亟洕鷹l件（燃料，水，1.7設計的內容設計之初，在老師的指導下進行資料收集，了解銅的性質、生產工藝以及我國現(xiàn)有的銅生產廠家的生產工藝。在做了深入的學習后，我們去了陜西商洛煉鋅廠現(xiàn)場實習，實地考察該公司的成熟生產工藝、廠區(qū)布置、有關技術參數(shù)等等。為本次設計收集了大量的資料數(shù)據(jù)，為我們的設計也提供了良好的借鑒作用。實習結束后，回校進行論文的撰寫及繪圖等相關工作。1.7.1冶金計算銅電解精煉冶金計算包括：電解過程金屬平衡和物料平衡，凈液量的計算。硫酸鹽生產物料平衡計算。硫酸耗量，電解槽熱平衡及蒸汽消耗等。1.7.2重要設備及輔助設備計算根據(jù)工藝流程各個主要過程，合理地選擇主

33、要冶煉設備和確定個數(shù)、容量、對其主要尺寸加以計算，計算中采用的數(shù)據(jù)應當有根據(jù)地引用文獻和生產實踐資料。輔助設備應進行選擇和計算，確定其規(guī)格和數(shù)量。運輸設備的選擇和計算時，應說明冶煉工藝流程各主要工序的聯(lián)系，物料運輸方式，運輸及提升設備型號選擇依據(jù)及采用的運輸方法并進行計算。銅電解精煉主要設備和輔助設備計算包括：電解槽的計算（普通槽和種板槽）。整流器及導電材料的計算和選擇，電解液循環(huán)系統(tǒng)設備及管道計算，車間運輸設備計算與選擇，其他設備及設施。1.7.3制圖內容和要求銅電解精煉車間設計的圖紙包括：工藝流程圖、電解槽構造圖、設備連接圖和車間平面布置圖共三張，其中包括CAD和手工繪制。2 廠址選擇廠址

34、選擇要根據(jù)國民經濟建設計劃和工業(yè)布局的要求進行。廠址選擇適當與否，對企業(yè)的建設速度、建廠投資、生產發(fā)展、經濟效益、環(huán)境保護及工農關系等會帶來重大影響。廠址選擇的一般原則是：應符合工業(yè)布局及區(qū)域性總體規(guī)劃和城市建設規(guī)劃的要求；要盡可能利用城鎮(zhèn)設施，節(jié)約資源；要靠近原材料、水、電供應充足和產品銷售便利的地方，有較好的交通運輸條件；要注意節(jié)約用地，盡量不占或少占農田，留有發(fā)展余地；要有適當?shù)淖匀坏匦魏瓦m宜的工程地質、水文、地震等級條件及較好的協(xié)作條件等9。在進行廠址選擇時，應根據(jù)有色生產的特點，應充分論證以下幾個問題：(1)工業(yè)布局問題 建設一座有色冶金廠，對全國的工業(yè)布局、一個區(qū)或一個城市的合理發(fā)

35、展、各個工業(yè)區(qū)之間的經濟協(xié)調以及農業(yè)發(fā)展等起著重要的作用，應根據(jù)工業(yè)布局“大分散，小集中、多搞小城鎮(zhèn)”的方針，按“工農結合，城鄉(xiāng)結合，有利生產，方便生活”的原則，進行廠址選擇和居住區(qū)規(guī)劃，使之符合工業(yè)布局總體規(guī)劃及城市建設規(guī)劃的要求。(2)原材料供應及交通運輸條件 有色金屬冶煉是連續(xù)性的，物料吞吐量一般很大。因此在進行廠址選擇時必須充分考慮交通運輸問題。為了減少運輸費用，在保證良好的運輸條件下，進行廠址盡可能接近原材料基地和銷售市場。(3)供水、供電條件 有色冶煉廠一般是大量用水和耗電多的企業(yè)。因此希望廠址附近有充分的水源和電源。以供電為例，廠址距離電源每增加一公里，就需增加外部高壓輸電線投資

36、34萬元， 這不僅大大增加投資，而且影響建設進展，所以冶金企業(yè)盡可能的選擇在供電網經濟供電半徑之內是至關重要的。(4)環(huán)境保護和節(jié)約用地問題 有色冶金生產特點之一是無一例外地產出大量造成環(huán)境污染的“三廢”物質，除必須有完善的“三廢”治理工程設計外，在選擇廠址時，必須盡量考慮在主導風向和主要水流的下游位置，安排好“三廢”處理場地和廢渣堆放場地，要有良好的自然通風條件，并應考慮廠址附近居民點、城市發(fā)展規(guī)劃、農木漁業(yè)及旅游勝地、自然資源保護區(qū)等問題。(5)廠址的工程地質及水文地質條件 冶煉廠的土建投資是相當大的，廠址地震等級的不同會對建筑結構以及基礎工程的投資帶來很大影響，所以廠址不能選在發(fā)震斷層地

37、區(qū)和基本烈度為9級以上的地震區(qū)。此外，所選廠址的地耐力應不低于147.1196.1kPa，地下水位最高也要低于基礎地面0.5m，廠址最低洼處要高于歷年最高洪水位0.5m以上；不能選在厚度較大的III級自重濕陷性黃土地區(qū)和有泥石流或滑坡等危害的山區(qū)，廠址底下不宜又有用礦物礦藏或以開采的礦坑和溶洞等。(6)廠址的協(xié)作條件 冶煉廠一般是機械化自動化水平比較高的現(xiàn)代化企業(yè)，為保證企業(yè)生產順利進行，必須有充足的設備及備品備件供應，要有強有力的機械加工和維修能力。若廠址附近具備這些條件，便可發(fā)揮專業(yè)協(xié)作的優(yōu)越性，減少輔助設施投資和降低生產成本。工廠在建設過程中的施工條件諸如磚瓦、砂石、石灰、水泥、木材等能

38、否就地取材，施工力量和施工場地是否具備等，都對建設進度起著一定的作用。在廠址選擇時，應充分考慮廠址附近是否具備這些條件，那種片面強調“小而全”不重視專業(yè)化協(xié)作的做法是不恰當?shù)?，甚至是錯誤的考慮到上述的一些條件，我要將此廠建在陜西省寶雞市三橋鎮(zhèn)，這里交通發(fā)達，人員稀少，離原料供應地近，離它不遠處有一個發(fā)電站，能確保供電方便。3 銅電解精練工藝流程的確定3.1銅電解精煉流程簡述火法精煉產出的精銅品位一般為992997，其中還含有0308雜質。為了提高銅的性能，使其達到各種應用的要求，同時回收其中的有價金屬，特別是貴金屬、鉑族金屬和稀散金屬，必須進行電解精煉。以火法精煉產出的陽極板為原料，經電解精煉

39、，生產電解銅，并富集貴金屬和其它有價元素的銅冶煉廠車間設計。設計主要內容包括：工藝流程、設備選擇和主要技術經濟指標。中國在銅電解精煉設計中采用了大型電解槽、全套機械化極板作業(yè)線、大型可控硅整流器、多功能專用起重機和鈦板換熱器等新型設備，以及電解液平行流動循環(huán)、誘導法脫砷等新技術。工藝流程包括電解精煉和電解液凈化兩部分。以銅陽極板為陽極，純銅始極片或不銹鋼板為陰極，以硫酸銅和硫酸溶液為電解液，將極板按一定的極距相間排列于電解槽內，通入直流電，陽極不斷溶解，便在陰極上析出電解銅。電解過程中，陽極銅中的貴金屬和硒、碲等有價元素進入陽極泥，沉積于電解槽底，定期排出，送陽極泥車間提取貴金屬。鎳、砷、銻、

40、鉍等雜質大部分進入電解液，需從循環(huán)液中抽取一部分進行凈化處理。電解精煉有常規(guī)電解、周期反向電流電解和永久陰極電解可供選用。(1)常規(guī)電解。以純銅始極片為陰極，電源為恒向直流電，電流密度為220280Am2。其特點是技術成熟，產品質量穩(wěn)定，電耗低。(2)周期反向電流電解。周期性短時間改變直流電流方向的電解方法。電解陰極及陽極和常規(guī)電解相同，周期性短暫反向，是為了克服陽極鈍化，電流密度達300350Am2。，可強化生產，節(jié)省投資，縮短電解銅在產周期。缺點是電流效率低，電耗高于常規(guī)電解。適于老廠擴大生產能力和電價低廉地區(qū)采用。銅電解精煉于1869年在英國首先用于工業(yè)生產，隨后在世界上得到廣泛應用。2

41、0世紀70年代出現(xiàn)周期反向電流電解和不銹鋼永久陰極電解等新的電解法。隨著生產技術不斷完善，電解極板作業(yè)等機械化和自動化程度逐步提高，銅電解精煉生產規(guī)模日趨大型化。到80年代，世界上最大單一生產電解銅的工廠生產規(guī)模已達到40萬ta。（3）永久陰極電解。和常規(guī)電解不同，陰極是永久性的不銹鋼板，在不銹鋼陰極板上析出的電解銅定期取出剝離作為成品。1979年澳大利亞精煉銅公司(Coppei refinet iesplyLtdCRL)首先將此法用于銅電解精煉工業(yè)生產，又名艾薩(ISA)電解法。以后美國、加拿大和聯(lián)邦德國等精煉廠也應用了這一方法。它的優(yōu)點是可省掉銅始板片生產系統(tǒng)，不銹鋼陰極平直，短路發(fā)生率低

42、，陰極質量高。電解液凈化為除去電解液中的雜質，并調整其銅成分而進行的作業(yè)。凈化流程通常依陽極板的雜質含量、需脫除的雜質種類和產品方案確定。一般包括脫銅，脫砷、銻、鉍和脫鎳等。脫銅方案有兩個。一是硫酸銅結晶脫銅電解。根據(jù)硫酸銅需要量，選用直接濃縮或加銅中和工藝生產硫酸銅。結晶后液再經電解產出黑銅粉。二是二段脫銅電解。第一段電解產出含銅995%的二級電解銅；第二段電解產出黑銅板和黑銅粉，返回熔煉工序處理，本設計采用第二個方案。電解液中的砷、銻、鉍等雜質常在脫銅電解后期進入黑銅粉。采用誘導法脫砷技術，砷的脫除率可達90，此法還可抑制砷化氫氣體發(fā)生。也可采用萃取和離子滲析等方法直接從電解液中除去砷、銻

43、和鉍等雜質。脫銅后的溶液生產粗硫酸鎳結晶，可選用蒸發(fā)濃縮法或冷凍結晶法，母液返回電解液中。蒸發(fā)濃縮法鎳的脫除率高，但硫酸損失大，勞動條件差，一般適用于規(guī)模小的工廠；冷凍結晶法無廢氣排放，但投資較大，適于規(guī)模大的工廠選用。根據(jù)上面的理論依據(jù)選用如下圖3.1銅電解精煉的工藝流程圖圖3.1 銅電解精煉的工藝流程圖3.2銅電解精煉的理論基礎3.2.1陽極過程銅電解精煉，在陽極上進行氧化反應： 式中M只指Fe、Ni、Pb、As、SB等比Cu更負電性的金屬。因其濃度很低，其電極電位將進一步降低，從而它們將優(yōu)先進入電解液。由于陽極主要成分是銅，所以陽極的主要反應將是銅溶解形成Cu2+的反應。至于H2O和SO

44、42-失去電子的氧化反應，由于其電極電位比銅正的多，故在陽極上是不可能進行的。另外，如Ag、Au、Pt等電位更正貴金屬、鉑族金屬和稀有金屬，更是不能溶解，而落到電解槽底部。3.2.2陰極過程在陰極上進行的還原反應： 氫的標準電位較銅負，且在銅陽極上的超電壓使使氫的電極電位更負，所以在正常的電解精煉條件下，陰極不會析出氫，而只有銅的析出。同樣，標準電位比銅低而濃度又小的負電性金屬M，不會在陰極析出。電解過程中還形成一價銅離子Cu+并建立下列平衡： 上式在不同溫度下的平衡數(shù)據(jù)列在表3-1中。表3-1 的平衡數(shù)據(jù)溫度Ek(v)Cu/(0.5molCuSO4)g/lCCu2+g/l）×255

45、51000.3160.3550.3531.0371.0041.0033.78934227011.2257.30.012可見，平衡的Cu+濃度使很小的。但是它的存在，與硫酸作用進行Cu2SO4+1/2O2+H2SO4=2CuSO4+H2O反應，結果使電解液中的H2SO4不斷減少，而Cu2+又不斷增加，并按Cu2SO4= CuSO4+Cu反應生成銅粉進入陽極泥，使其中的貴金屬含量下降。在電極與電解液界面上還進行銅的化學溶解反應：Cu+1/2O2+H2SO4= CuSO4+Cu3.2.3陽極上雜質根據(jù)陽極上雜質在電解時的行為，可將它們分為四類：(1) 正電性金屬和以化合物存在的元素，金銀和鉑族金屬為

46、正電性金屬。它們不進行電化學溶解而落入槽底。陰極銅中含有這些金屬使由于陽極泥機械夾帶來的結果。Ag2SO4可溶于電解液中，但當加入少量氯離子（HCl）時則形成AgCl進入陽極泥。氧、硫、硒、碲、為穩(wěn)定化合物存在的元素。它們以Cu2S、Cu2O、Cu2Te、Cu2Se、Ag2Se、Ag2Te等存在陽極板內，電解時亦進入陽極泥中。(2) 在電解液中形成不溶化合物的鉛和錫，電解時鉛以PbSO4沉淀。錫以Sn2+進入電解液后氧化成。并按Sn(SO4)+2H2O=Sn(OH)2SO4+H2SO4水解沉淀進入陽極泥中。(3) 負電性的鎳、鐵、鋅，陽極中的鐵和鋅含量極微，電解時它們與金屬鎳一道溶入電解液中。

47、一些不溶性化合物如氧化亞鎳和鎳云母會在陽極表面形成不溶薄膜，使槽電壓升高或引起陽極鈍化。(4) 電位與銅相近的砷、銻、鉍電解時，它們可能在陽極上析出。它們還生成極細的絮狀SbAsO4和BiAsO4砷酸鹽，漂浮在電解液中，機械的粘附在陰極上。其粘附量相當于砷銻放電析出的兩倍，而且銻進入陰極的數(shù)量比砷大，因此銻的危害更為突出。電解液需要凈化，以除去它在電解過程中積累的雜質。3.3電解液的凈化從上面的討論得知，隨著電解過程的進行，電解液內的銅和負電性元素逐漸增加，硫酸逐漸減少，添加劑逐漸積累。為此，每天抽出一定量的電解液進行凈化處理，同時補充等量新液，以保持電解液原有的組成范圍。凈化的目的在于回收其

48、中的銅、鈷、鎳，除去有害的砷和銻，以及能使硫酸返回適用。凈化過程的順序如下：(1) 中和結晶 它是用銅粉中和電解液中的硫酸以產出硫酸銅：中和設備為間斷的中和槽或連續(xù)的鼓泡塔。將中和液蒸發(fā)濃縮為高溫（8090）飽和硫酸銅溶液，冷卻即析出膽礬結晶。結晶設備有帶式水冷連續(xù)結晶機和水冷機械攪拌間歇結晶機。用電積法可直接產出硫酸和銅。(2) 脫銅和砷銻，結晶后的母液用不溶陽極電解回收銅和處砷銻：同時也再生了硫酸。至電解后期，Cu2+低至8g/l下，砷、銻、鉍與銅一起放電得含砷黑銅，并有大量氫放出。黑銅須返回到火法精煉中處理。除砷銻液可用萃取法或化學法。(3) 生產粗硫酸鎳，脫銅和脫砷銻的母液含有4050

49、g/lNi和300g/lH2SO4，再經蒸發(fā)濃縮使NiSO4達飽和，然后冷卻結晶分離。結晶后液含710g/lNi和約400g/lH2SO4，若雜質含量低時，可將其加熱和過濾，然后返回電解車間是使用；若含砷銻等雜質高，則須再蒸發(fā)濃縮，使其以無水硫酸鹽析出，分離后溶液返回電解車間使用。4 銅電解精煉的主要設備選擇銅電解精煉的主要設備是電解槽（如圖4-1）。它長為3.05.0m、寬為0.851.2m、高為1.01.5m的鋼筋混凝土的長方形無蓋槽子，內襯鉛皮或聚氯乙烯塑料板。電解槽放在鋼筋混凝土立柱架起的橫梁上，槽底四角墊有電絕緣的瓷磚或橡膠板。槽側壁的槽沿上敷有瓷磚或塑料板，于其上再放槽間導電銅板。

50、陰極和陽極的耳朵塔在此導電板上。相鄰槽間留有2040的槽間絕緣空隙。輸電電路用復聯(lián)法，即槽內極間電路并聯(lián)、槽間電路串聯(lián)。圖 銅電解槽陽極寬為6501000mm，長為7001000mm，厚為3550mm。上方的兩耳分別搭在導電板和槽沿的瓷磚上。陽極表面要平整無毛刺，厚度要均勻，對會引起的陽極鈍化和嚴重影響陰極質量的鉛、砷、銻等雜質的含量要嚴格控制。陰極是在始極槽（即種板槽)內電解制成，稱始極片，厚為0.40.7。其尺寸比陽極稍大，結晶致密且平整光潔。始極槽的母板為厚34的紫銅板或鈦板。用鈦板時不用涂板，因它的傳熱率和膨脹系數(shù)與銅板相差很大。放入020的水中時，始極片即從鈦板上脫落。槽內陽極比陰極

51、多一塊。陽極壽命為2030天，陰極壽命是陽極的1/21/3。電極邊緣離電解槽壁5070，離槽底200300。同極中心距80110。根據(jù)上述依據(jù)本設計的陽極寬為920，寬950，厚為40：陰極寬為960，長1000；電解槽內尺寸長×寬×高=2600×1060×1360;外尺寸長×寬×高=2800×1260×1460；每槽陰極片數(shù)位22個，陽極23個，同極中心距100；陽極壽命為24天，陰極壽命為12天。陰陽極和電解液組成見表。表4-1 陰陽極和電解液組成元 素陰極（%）陽極（%）電解液（g/l)99.9999.299

52、.840600.00040.0050.0010.01500.020.040.300.00200.50.00020.0050.0010.03130.000500.10.00010.00200.30.54元 素陰極（%）陽極（%）電解液（g/l）0.000200.30.20.700.00200.010.050.500.000100.02500.000100.0010.00050.00100.100.0000100.0070.060.7160210電解液中Cu2+過低時可能有其他雜質析出；Cu2+過高時又會增大電解液電阻和可能在陽極表面出現(xiàn)CuSO4·5H2O結晶。電解液還加入添加劑以改善

53、陰極質量。每噸電銅耗添加動物膠2550g、硫脲2050g、干酪素1540g。H2SO4可提高電解液的導電性，但硫酸濃度的升高，會使電解液中的CuSO4溶解度降低。鎳、砷、銻、鐵等雜質的含量增高時，會增加電解液的電阻、降低CuSO4的溶解度和影響陰極質量，故對其含量需嚴格控制。電解液溫度一般為5560。適當提高溫度對Cu2+擴散和均勻電解液成分有利，但溫度夠高反而增大化學溶解和電解液蒸發(fā),本設計電解液溫度取60添加劑的作用是抑制陰極表面突出部分的晶粒繼長大，從而促使其電積物均勻致密。添加劑是導電性較差的表面活性物質，它容易吸附在突出的晶粒表面上而形成分子薄膜，抑制陰極上活性區(qū)域的迅速發(fā)展，使電銅

54、表面光滑，改善陰極質量。電解液中Cl-可使生成AgCl和PbCl2沉淀和防止陰極產生樹枝狀結晶。有時還在電解液中加入少量絮凝劑以加速懸浮的陽極泥沉淀。為了減少電解液組成的濃度差，電解液在電解槽內必須循環(huán)。循環(huán)方式有上進下出和上出下進兩種，前者有利于陽極泥沉降且液溫比較均勻，故常被采用。隨著電流密度的增大，電解液Cu2+濃度差劇變，循環(huán)速度也需增大。在循環(huán)系統(tǒng)中還設有加熱和過濾設備。輸液用鉛管或聚氯乙烯管。過去用蛇形鉛管加熱電解液，本次采用傳熱效率高和蒸汽消耗少的浮頭列管式石墨列管熱交換器。電解精煉重要的技術參數(shù)是電流密度。它與生產率、電耗和生產成本緊密相聯(lián)。電流密度Dk是指每平方米陰極表面上通

55、過的電流安培數(shù)，即A/m2。提高電流密度可增大銅產量，但同時也會增大槽電壓和電能消耗，導致增大循環(huán)速度和金銀損失。其中將有一個在允許電流密度范圍內經濟上最合理的電流密度，長期實踐認為此值為220230A/m2，本次取230 A/m2。在高電流密度作用下，陰陽極間的Cu2+濃度差更加懸殊。這樣就可能在陽極上由于Cu2+過飽和而沉淀CuSO4·5H2O，以及NiO和Cu2O等來不及脫落而使陽極鈍化；而在陰極上Cu2+由于貧化而出現(xiàn)粗超結晶，甚至沉積銅粉。槽電壓也是電解的重要技術參數(shù)，它直接影響到電能消耗。電能消耗即生產一噸電銅的耗電量KW·h/t。電能消耗正比于槽電壓而反比于電流效率，且電流密度增大時槽電壓也相應增大。正常的槽電壓為0.250.30V，其中主要是消耗在電解液的電阻上。另一個重要的技術參數(shù)是電流效率，它是實際沉淀銅量