年產26萬噸電銅電解車間的設計本科畢業(yè)設計(論文)任務書

江西理工大學本科畢業(yè)設計（論文）題目：年產26萬噸電銅電解車間的設計江西理工大學本科畢業(yè)設計（論文）任務書冶金與化學工程學院冶金工程專業(yè)2009級（2013屆）3班學生請叫我雷鋒題目：年產26萬噸電銅電解車間的設計原始依據(jù)：元素CuAuAgAsSbNiBiPb含量（%）99.460.0020.0670.0350.350.230.0080.09元素SeTeFeZnS其他含量（%）0.0300.0350.0040.010.003電解銅回收率：99.8%；電銅品位：99.993%（符合高純陰極銅的化學成分要求：GB/T1385-92;）殘極率：15%主要內容和要求：1.設計說明書；應包含如下內容：設計概述；廠址的選擇與論證；工藝流程的選擇與論證；技術條件的選擇與論證；經濟指標的選擇與論證；冶金計算；主要設備的選擇與計算；車間環(huán)保與三廢處理、技術經濟的簡要分析。2.圖紙；繪制車間平面配置和立面配置圖(0#圖紙)、設備連接圖（1#圖紙），電解槽結構圖（1#圖紙）。主要（技術）要求：1．寫實習報告一份。2．用CAD繪制設備圖和至少一張手工圖紙。3．完成設計說明書一篇。4．翻譯外文資料一篇。5.小論文一篇。日程安排：第4周查閱文獻資料，翻譯一篇英文資料，寫出文獻綜述第5周提交開題報告，確定合理工藝流程，應用相關知識進行必要計算第6周完成概述和廠址的選擇與論證第7周完成工藝流程、技術條件和經濟技術指標的選擇與論證第8周完成電解和凈液工段的冶金計算及物料衡算第9周完成主要設備選型計算和車間配置與安排第10周完成車間環(huán)保和技術經濟分析與評價第11周完成工藝流程圖或設備連接圖和電解槽結構圖第12周完成車間平面和立面配置圖第13周初步完成設計說明書第14周修改設計說明書、編輯論文第15周老師評閱設計、學生準備答辯第16周畢業(yè)答辯主要參考文獻：[1]朱祖澤、賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學[M].北京：科學出版社，2003[2]陳國發(fā).重金屬冶金學[M].北京：冶金出版社，2010[3]陳維東.銅電解精煉中陽極雜質的行為[J].1993,4（20）：56~60[4]《重有色金屬冶煉設計手冊》編寫組.重有色金屬冶煉設計手冊（銅鎳卷）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996[5]姚素平.永久陰極銅電解技術述評[J].2000,3(20):12~18[6]趙欣.銅電解新技術的應用[J].2008,29(4):9[7]蔡祺風.有色冶金工廠設計基礎[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991：65~71[8]程彤.降低陰極銅電單耗生產實踐[J].2010,(4):50~51[9]李公建.淺談銅電解生產過程中降低槽電壓的途徑[J]，2010,29（3）：71~72[10]劉道德.大學生畢業(yè)設計指導教程（冶金、選礦、化工分冊）[M].長沙：中南大學出版社，2004[11]邱棟良.冶金起重機選用指南[J].[12]張文毓.鈦制板式換熱器在海水淡化中的應用[J].2009，26（1）：32[13]《有色金屬冶煉設備》編委會編.濕法冶金設備[M].北京：冶金工業(yè)出版社1993[14]姜國民.淺談ISA法陰極銅加工機組[J].2005,42(2):42[15]成大先.機械設計手冊（常用工程材料）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004[16]袁一.化學工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999[17]劉會巨.銅電解車間的防腐[J].2009,5(13):12~16[18]李著華.論銅電解車間的采暖通風[J].2001,2:47~48[19]《化學工程師手冊》編寫組.化學工程師手冊[M].北京指導教師簽字：年月日注：1、本表可自主延伸2、本表一式兩份，一份下達給學生，一份裝訂在《指導教師日志》江西理工大學本科畢業(yè)設計(論文)開題報告冶金與化學工程學院冶金工程專業(yè)2009級（2013屆）3班學號14學生請叫我雷鋒設計題目：年產26萬噸電銅電解車間的設計本課題來源及研究現(xiàn)狀：銅電解精煉工藝自１８６９年問世以來，單就其基本原理來講．并沒有重大變化．其過程主要包括陽極加工，始極片制作、電解、凈液及陽極泥處理等工序。近幾年來，替代始極片的永久不銹鋼陰極（ｐｅｒｍａｎｅｎｔｓｔｅｅｌｃａｔｈｏｄｅ—ＰＳＣ）技術的應用，為銅電解工業(yè)帶來了一次革命。使其在提高技術裝備水平、有利于機械化和自動化．擴大生產規(guī)模、提高陰極銅質量、降低能耗和人工消耗等方面，取得了進步。永久不銹鋼陰極（ＰｓＣ）電解技術最早由澳大利亞ＭｏｕｎｔＩｓａ公司的Ｔｏｗｎｓｖｉｌｌｅ冶煉廠在１９７８年研制成功并投入生產，稱之為艾薩（ＩＳＡ）電解法。隨后在１９８６年，加拿大鷹橋公司ＫｉｄｄＣｒｅｅｋ冶煉廠也開發(fā)了另外一種不銹鋼陰極，稱為鼬ｄｄ法。目前還有奧圖泰（Ｏｕｔｏｔｅｃ，原奧托昆普），三并（ＭＥＳＣＯ）也在研究開發(fā)和推廣該項技術。永久不銹鋼陰極（Ｐｓｃ）電解技術。由于具有顯著的優(yōu)越性，從其問世伊始，就引起了銅冶金行業(yè)的巨大關注。得到迅速推廣和應用。全球使用該項技術生產的銅量接近５０％：近年來中國永久不銹鋼陰極技術的應用也得到了迅速推廣，如江西銅業(yè)（Ｉｓａ法），銅陵金?。ǎ耍椋洌浞ǎ?，山東祥光（ＯＴ奧圖泰法）。但據(jù)有色金屬工協(xié)會的數(shù)據(jù)顯示，我國的精銅年產量２００８年已達３８０萬ｔ，大部分電解仍然采用傳統(tǒng)電解。提高產能以適應消費需求已成為一種趨勢，擴大生產規(guī)模，提高技術裝備水平符合這種趨勢。反映在銅電解上就是逐漸改造舊工藝。有條件地采用不銹鋼陰極技術，實現(xiàn)自動化，提高生產效率。盧森堡保爾沃特公司創(chuàng)新ＭＥＴＲＯ理念。因地制宜，優(yōu)化設計。最大限度地提高設備利用率，勞動生產率。其經驗可以為鑒。課題研究目標、內容、方法和手段：研究目標：設計一座年產26萬噸銅電解精煉車間研究內容：1.設計說明書；應包含如下內容：設計概述；廠址的選擇與論證；工藝流程的選擇與論證；技術條件的選擇與論證；經濟指標的選擇與論證；冶金計算；主要設備的選擇與計算；車間環(huán)保與三廢處理、技術經濟的簡要分析。2.圖紙；繪制車間平面配置和立面配置圖(0#圖紙)、設備連接圖（1#圖紙），電解槽結構圖（1#圖紙）。3．翻譯外文資料一篇。4.小論文一篇。研究方法和手段：1.現(xiàn)場車間考察，并通過和工人師傅的了解使自己對整個現(xiàn)場車間有比較充分的認識和掌握，并適當提出自己的改進意見2.通過各種途徑查詢資料，例如上網和圖書館查詢，3.將收集到的數(shù)據(jù)和資料分析匯總，并計算得到自己想要的結果4.設計自己目標車間，使之翔實科學并具有可行性設計（論文）提綱及進度安排：設計提綱：第一章概述1.1銅的性質1.2純銅及其合金的用途1.3銅的電解精煉概述1.4電解精煉中雜質的行為和影響第二章廠址的選擇與論證2.1廠址的選擇依據(jù)2.2廠址選擇與論證第三章電解精煉及凈化流程的選擇與論證3.1銅電解精煉流程簡述3.2銅電解精煉的理論基礎3.3電解液的凈化第四章銅電解精煉技術條件的選擇與論證4.1電解液的組成4.2添加劑4.3電解液溫度4.4電解液循環(huán)4.5電流密度4.6同極中心距4.7陽極壽命和陰極周期第五章技術經濟指標的選擇與論證5.1電流效率5.2殘極率5.3銅電解回收率5.4槽電壓5.5直流電能單位消耗5.6硫酸單位消耗5.7蒸汽單位消耗第六章冶金計算6.1銅電解精煉物料平衡計算6.2銅電解精煉熱平衡計算6.3電解液凈化及硫酸鹽生產冶金計算第七章主要設備的選擇和計算7.1電解槽各有關設備選擇和計算7.2整流器及導電銅材料的計算7.3電解液循環(huán)系統(tǒng)設備及管道計算7.4車間運輸設備計算及選擇7.5其他設備及設施7.6粗硫酸銅的生產主要設備計算選擇7.7脫銅電解主要設備計算選擇7.8粗硫酸鎳的主體設備計算以及選擇第八章車間環(huán)保與安全生產8.1環(huán)境保護8.2安全生產第九章設備明細表第十章車間平面配置與安排10.1車間配置的基本原則10.2車間的具體配置第十一章技術經濟分析與評價11.1車間定員11.2項目成本評價11.3項目收益評價11.4綜合效益評價參考文獻附錄（含外文資料和中文譯文）致謝小論文進度安排：第4周查閱文獻資料，翻譯一篇英文資料，寫出文獻綜述第5周提交開題報告，確定合理工藝流程，應用相關知識進行必要計算第6周完成概述和廠址的選擇與論證第7周完成工藝流程、技術條件和經濟技術指標的選擇與論證第8周完成電解和凈液工段的冶金計算及物料衡算第9周完成主要設備選型計算和車間配置與安排第10周完成車間環(huán)保和技術經濟分析與評價第11周完成工藝流程圖或設備連接圖和電解槽結構圖第12周完成車間平面和立面配置圖第13周初步完成設計說明書第14周修改設計說明書、編輯論文第15周老師評閱設計、學生準備答辯第16周畢業(yè)答辯參考文獻和書目：[1]朱祖澤、賀家齊.現(xiàn)代銅冶金學[M].北京：科學出版社，2003[2]陳國發(fā).重金屬冶金學[M].北京：冶金出版社，2010[3]陳維東.銅電解精煉中陽極雜質的行為[J].1993,4（20）：56~60[4]《重有色金屬冶煉設計手冊》編寫組.重有色金屬冶煉設計手冊（銅鎳卷）[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996[5]姚素平.永久陰極銅電解技術述評[J].2000,3(20):12~18[6]趙欣.銅電解新技術的應用[J].2008,29(4):9[7]蔡祺風.有色冶金工廠設計基礎[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1991：65~71[8]程彤.降低陰極銅電單耗生產實踐[J].2010,(4):50~51[9]李公建.淺談銅電解生產過程中降低槽電壓的途徑[J]，2010,29（3）：71~72[10]劉道德.大學生畢業(yè)設計指導教程（冶金、選礦、化工分冊）[M].長沙：中南大學出版社，2004[11]邱棟良.冶金起重機選用指南[J].[12]張文毓.鈦制板式換熱器在海水淡化中的應用[J].2009，26（1）：32[13]《有色金屬冶煉設備》編委會編.濕法冶金設備[M].北京：冶金工業(yè)出版社1993[14]姜國民.淺談ISA法陰極銅加工機組[J].2005,42(2):42[15]成大先.機械設計手冊（常用工程材料）[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004[16]袁一.化學工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999[17]劉會巨.銅電解車間的防腐[J].2009,5(13):12~16[18]李著華.論銅電解車間的采暖通風[J].2001,2:47~48[19]《化學工程師手冊》編寫組.化學工程師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998[20]師利熙.有色金屬工業(yè)項目技術經濟分析[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1998[21]郭鴻發(fā)等.冶金工程設計第1冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006[22]云正寬等.冶金工程設計第2冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2006指導老師審核意見：指導教師簽字：年月日摘要本設計為年產26萬噸電解銅的電解車間設計，根據(jù)設計任務書的要求，對年產26萬噸電解銅的電解車間進行了模擬工程設計。主要內容包括概述、廠址的選擇與論證、工藝流程選擇與論證、冶金計算、主要設備計算與選型、環(huán)保措施、技術經濟指標選擇與論證等部分。以各銅電解廠參數(shù)為參考依據(jù)進行選取工藝流程，依據(jù)物料衡算數(shù)據(jù)進行凈化與硫酸鹽的冶金計算。列出設備明細表，對車間平面進行配置與安排，最終進行技術經濟分析與評價，得出本設計的最后結果。關鍵詞：粗銅；電解；參數(shù)；指標；衡算；選擇論證ABSTRACTThedesignfortheelectrolysisworkshopdesignannualproductioncapacityof260000tonsofelectrolyticcopper,accordingtothedesignrequirementsofthetask,weresimulatedinengineeringdesignofelectrolysisworkshopwithanannualoutputof260000tonsofelectrolyticcopper.Themaincontentsincludeintroduction,siteselectionanddemonstration,processselectionanddemonstration,metallurgicalcalculation,calculationandselectionofmainequipment,environmentalprotectionmeasures,technicalandeconomicindicatorsselectionanddemonstrationetc.Inthecopperelectrolysisplantparametersfortheselectedprocessreference,onthebasisofthematerialbalancedatacalculationandsulfatepurificationofmetallurgical.Listtheequipmentlist,configurationandarrangementoftheworkshopplane,thefinalanalysisandevaluationoftechnologyandeconomy,Finally,gettheresultsofthisdesign.Keywords:thick；copper；Electrolysis；Parameter；index；Calculation

目錄第一章概述……………………11.1銅的性質……………………11.2純銅及其合金的用途………41.3銅的電解精煉概述…………41.4電解精煉中雜質的行為和影響……………7第二章廠址的選擇與論證……102.1廠址的選擇依據(jù)……………102.2廠址選擇與論證……………11第三章電解精煉及凈化流程的選擇與論證…133.1銅電解精煉流程簡述………133.2銅電解精煉的理論基礎……153.3電解液的凈化………………18第四章銅電解精煉技術條件的選擇與論證…194.1電解液的組成………………194.2添加劑………204.3電解液溫度…………………204.4電解液循環(huán)…………………214.5電流密度……………………214.6同極中心距…………………214.7陽極壽命和陰極周期………22第五章技術經濟指標的選擇與論證…………235.1電流效率……………………235.2殘極率………245.3銅電解回收率………………245.4槽電壓………245.5直流電能單位消耗…………255.6硫酸單位消耗………………255.7蒸汽單位消耗………………25第六章冶金計算………………266.1銅電解精煉物料平衡計算…………………266.2銅電解精煉熱平衡計算……296.3電解液凈化及硫酸鹽生產冶金計算………32第七章主要設備的選擇和計算………………387.1電解槽各有關設備選擇和計算……………387.2整流器及導電銅材料的計算………………397.3電解液循環(huán)系統(tǒng)設備及管道計算…………417.4車間運輸設備計算及選擇…………………447.5其他設備及設施……………457.6粗硫酸銅的生產主要設備計算選擇………467.7脫銅電解主要設備計算選擇………………477.8粗硫酸鎳的主體設備計算以及選擇………50第八章車間環(huán)保與安全生產…………………518.1環(huán)境保護……………………518.2安全生產……………………51第九章設備明細表……………53第十章車間平面配置與安排…………………5510.1車間配置的基本原則………5510.2車間的具體配置……………57第十一章技術經濟分析與評價………………5811.1車間定員……………………5811.2項目成本評價………………5811.3項目收益評價………………6111.4綜合效益評價………………61參考文獻……………63附錄（含外文資料和中文譯文）………………64致謝…………………77小論文…………78江西理工大學2013屆本科生畢業(yè)設計（論文）第一章概述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10830C。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5000104t，主要儲于智利、美國、俄羅斯、利比亞、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(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10～35%。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Cu20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6.3～6.4。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(SO4)、(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Fe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+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純銅及其合金的用途(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/(Ωmm2)。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。1.3銅的電解精煉概述1.3.1銅電解精煉現(xiàn)狀銅的火法精煉一般能產出含銅99.0%～99.8%的粗銅產品，但仍然不能滿足電氣工業(yè)對銅的性質的要求，其他工業(yè)也需要使用精銅。因此，現(xiàn)代幾乎所有的粗銅都經過電解精煉，以除去火法精煉難以出去的雜質。銅的電解精煉，是將火法精煉的銅澆鑄成陽極板，用純銅薄片作為陰極片。相間地裝入電解槽中，用硫酸銅和硫酸的水溶液作電解液，在直流電的作用下，陽極上的銅和電位較負的賤金屬溶解進入溶液，而貴金屬和某些金屬（如硒、碲）不溶，成為陽極泥沉于電解槽底。溶液中的銅在陰極上優(yōu)先析出，而其他電位較負的賤金屬不能在陰極上析出，留于電解液中，待電解液定期凈化時除去。這樣，陰極上析出的金屬銅純度很高，稱為陰極銅或電解銅，簡稱電銅。含有貴金屬和硒、碲等稀有金屬的陽極泥，作為銅電解的一種副產品另行處理，以便從中回收金、銀、硒等元素。在電解液中逐漸積累的賤金屬雜質，當其達到一定的濃度后，會妨礙電解過程的正常進行。例如，曾加電解液的電阻和密度，使陽極泥沉降速度減慢，甚至在陰極上與銅一起放電，影響陰極銅的質量，因此必須定期定量地抽出凈化，并相應地向電解液中補充新水和硫酸。抽出的電解液在凈化過程中，常將其中的銅、鎳等有價元素以硫酸鹽的形態(tài)產出，硫酸則返回電解系統(tǒng)重復使用。在電解車間，通常設有幾百個甚至幾千個電解槽，每一個直流電源串聯(lián)其中的若干個電解槽成為一個系統(tǒng)。所有的電解槽中的電解液必須不斷循環(huán)，使電解槽內的電解液成分均勻。在電解液循環(huán)系統(tǒng)中，通常設有加熱裝置，以將電解液加熱至一定的溫度。近十年來，我國銅電解精煉操作技術有很大改進，操作電流密度大幅度提高【5】，使生產得到強化。進行了周期反向電流電解試驗，操作電流密度達到400A/m2。1.3.2銅電解精煉的基本原理傳統(tǒng)的銅電解精煉是采用純凈的電解銅薄片作陰極，陽極銅板含有少量雜質（一般為0.3%～1.5%）。電解液主要為含有游離硫酸的硫酸銅溶液。由于電離的緣故，電解液中的各組分按下列反應生成離子：CuSO4=Cu2++SO42-H2SO4=2H++SO42-H2O=H++OH-在未通電時，上述反應處于動態(tài)平衡。但在直流電通過電極和溶液的情況下，各種離子作定向運動，在陽極上可能發(fā)生下列反應：種板陽極初始片陽極種板槽種板槽電解精煉凈化初始片殘極陽極泥電解液電解液電銅陽極泥殘極送電解返火法送陽極送陽極返火法精煉精煉泥處理泥處理精煉再生銅粗硫酸鎳結晶硫酸銅粗硫酸返火法精煉生產精制硫酸鎳返回電解精煉圖1.1銅電解精煉一般工藝流程圖式中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SO42-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。此外，楊的析出還具有相當大的超電位。因此，在銅電解精煉過程中不可能發(fā)生水放電，只有當銅離子的濃度達到極高或電解槽內陽極嚴重鈍化，使精煉電壓升高至1.7V以上時才可能有氧在陽極上放出。至于SO42-離子的放電反應，因為其電位更正，故在銅電解精煉過程中式不能進行的。在陰極上可能發(fā)生下列反應：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：表1-2上式在不同溫度下的平衡數(shù)據(jù)溫度（℃）1016050403021KCu1.6×1034.2×1041.0×1052.5×1057.0×1052.0×106綜上所述，銅電解精煉過程，主要是在直流電的作用下，銅在陽極上失去電子后以Cu2+的形態(tài)溶解，而Cu2+在陰極上得到電子以金屬銅的形態(tài)析出的過程。除此之外，還不可避免地有Cu2+的產生，并引起一系列的副反應，使電解過程復雜化。根據(jù)以上情況，可以認為銅電解精煉時較有利的工作條件是：電解液中含有足夠高的游離硫酸和二價銅離子；電解液的溫度不宜過高；采用足夠高的電流密度；盡量減少電解液與空氣的接觸[6]。1.4銅電解精煉中雜質的主要行為和影響在電解精煉過程中，陽極銅中的各種雜質的行為，按其電位序可分為四類：（1）比銅更負電性的元素。如：錫、鋅、鐵和鎳，大部分進入電解液，并在電解液中積累，需定期凈化除去；當陽極溶解時，以金屬形態(tài)存在的該類雜質均電化溶解，并以二價離子形態(tài)進入溶液，其中鉛、錫由于產生難溶的鹽類或氧化物，大部分轉入陽極泥，其余則在電解液中積累。共同特點是：消耗溶液中的硫酸，增加溶液的電阻。鋅、鐵和錫都是在火法精煉中容易除去的雜質，在陽極中含量很低。鋅在陽極溶解時，全部成為硫酸鋅進入電解液；鐵以Fe2O3形式存在于銅晶體間的縫隙中，陽極溶解時絕大部分以二價形式進入電解液；錫在陽極溶解時最終水解為溶解度不大的堿式鹽，沉入槽底成為陽極泥。鉛主要生成PbSO4進入陽極泥。鎳是火法精煉時難以除去的雜質。為了提高冶煉流程中鎳的綜合利用率，火法精煉時，力求將鎳最大限度地以金屬鎳的形式保存在陽極泥中，即調銅保鎳。實踐表明，鎳在陽極上的溶解與陽極含氧量有很大的關系。陽極含氧量低，鎳絕大部分進入溶液；陽極含氧量高，則鎳很大部分進入陽極泥。（2）比銅更正電性的元素。如：金、銀、鉑和鈀，一般以金屬狀態(tài)進入陽極泥；銀、金和鉑族元素比銅具有較大的正電性，但他們通常只以很小的濃度與銅形成固溶體，若濃度較高，則形成過飽和溶體。對陽極泥進行的物相分析結果發(fā)現(xiàn)，陽極泥中絕大部分的銀以硫酸銀形式存在，少量以氯化銀存在，以金屬銀形式存在的更少，而且氯化銀相與硫酸銀相混合；而金幾乎100%地進入陽極泥，陰極銅含有極微量的金，是陽極泥的機械粘附所引起的。（3）電位接近于銅的元素。如：砷、銻和鉍，電解時呈三價離子形式進入電解液，是電解過程中最有害的雜質。這類雜質應盡量在火法精煉時除去，其在電解液中的含量也應適當控制。砷、銻、鉍的電位與銅比較接近，在正常的電解過程中，一般很難在陰極析出。陽極溶解時，這些元素成為離子進入溶液，大部分水解成為固態(tài)氧化物，一部分則在電解液中積累。為了避免陽極銅中的雜質砷、銻、鉍進入陰極，保證電解過程能產出合格的陰極銅特別是高純陰極銅，應采取如下措施：1)粗銅在火法精煉時，應盡可能地將這些雜質除去；2)控制電解液中適當?shù)乃岫群豌~離子濃度，防止雜質的水解和抑制雜質離子的放電。3)維持電解液有足夠高的溫度（60～650C）以及適當?shù)难h(huán)速度和循環(huán)方式。4)電流密度不能過高。目前采用的常規(guī)電解方法，電解密度以不能超過300A/m2為宜。5)加強電解液的凈化，保證電解液中較低的砷、銻、鉍濃度。一般維持電解液中砷為1～5g/L，最高不超過13g/L；銻為0.2～0.5g/L，不超過0.6g/L；鉍一般為0.01～0.3g/L，不超過0.5g/L。6)加強電解液的過濾。實踐證明，保證電解液中漂浮陽極泥含量低于20～30mg/L，有利于高純陰極銅的正常生產。7)向電解液中添加配比適當?shù)奶砑觿ＷC陰極銅表面光滑、致密，減少漂浮陽極泥或電解液對陰極銅的污染。（4）其他雜質陽極銅中的氧通常與硫、硒、碲、硅等元素形成化合物存在，這些化合物大部分是難溶于電解液的，在電解過程中它們主要進入陽極泥。前已述及，NiO的行為對電解過程有很大的影響。隨陽極銅中氧含量增加，鎳進入陽極泥的分配率隨之增大的同時，也常在陽極表面形成不易脫落的化合物薄膜，引起陽極電位升高，槽電壓增大，嚴重時甚至造成陽極鈍化。因此，粗銅火法精煉時，應該把陽極銅中的含氧量控制在低限內，以消除上述不利影響，保證電解生產地正常進行。陽極銅中的硫大多以CuS的形態(tài)存在。國內外現(xiàn)行的火法精煉技術都能使陽極銅中的硫含量低至0.01%以下，因此對電解過程的影響很小。陽極銅中的硫大多以Cu2Se顆粒夾雜于Cu2O之間。在電解過程中，硒化物、碲化物并不溶解，而在陽極上形成程度不同的松散外殼或從陽極表面脫落，沉入電解槽底，成為陽極泥。通常，硅在陽極銅中的含量是很小的，在銅電解精煉過程中，存在的硅量也并不多，但它也有可能影響陽極鈍化。電解過程中，一部分富銅的硅酸鹽包裹物溶解形成硅膠，但大部分仍被帶入陽極銅中。而陽極銅中的硅酸鹽不溶解，從陽極能夠脫落后進入陽極泥[7]。第二章廠址選擇與論證2.1廠址的選擇依據(jù)廠址選擇要根據(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，解約資源；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、水災、地震等條件及較好的協(xié)作條件等。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）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、農牧漁業(yè)及旅游勝地、自然資源保護區(qū)等問題。（2）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1km，就需增加外部高壓輸電線投資3～4萬元，如自行建設火電站，每千瓦的投資達1000元以上，這不僅大大增加投資，而且影響建設進度，所以冶金企業(yè)應盡可能選擇在供電網經濟供電半徑之內。（3）原材料供應及交通運輸條件有色金屬冶煉是連續(xù)性的，物料吞吐量一般較大，大型冶煉廠每晝夜要處理千噸物料，產出數(shù)百噸至上千噸產品，若不及時“吞吐”，勢必影響生產，因此在選擇廠址時，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，應使廠址盡可能接近原材料基地和銷售市場。我國銅、鉛、鋅、錫的生產，50%以上的產量靠近原料基地，有的還組成了采、選、冶聯(lián)合企業(yè)。（4）工業(yè)布局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)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。（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147.1～196.1kPa，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=3\*ROMANIII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)，廠址底下不宜有用礦物藏或以開采的礦坑和溶洞等。冶煉廠一般是機械化自動話水平比較高的現(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)摹?.2廠址選擇與論證擬設計一銅電解精煉車間，年產量26萬t/a，冶煉廠也江西銅業(yè)集團貴溪冶煉廠，廠址為江西省貴溪市。江銅集團貴溪冶煉廠是國內規(guī)模最大技術最先進的閃速煉銅工廠，經過20年的消化吸收、跟蹤發(fā)展和創(chuàng)新突破，不僅成為了國內最大煉銅廠，而且生產規(guī)模已經進入世界前10強，生產成本達到了世界最低。江銅貴溪冶煉廠是國家"六五"期間22個成套引進項目之一，它的成功引進一舉縮小了與世界先進煉銅國家20年的技術差距。截至到2005年12月31日，20年來，貴溪冶煉廠安全生產7924天，共生產陰極銅311.1萬噸，黃金94.9噸，白銀1735.1噸，硫酸1110.8萬噸，三氧化二砷6533.88噸。貴溪市位于江西省東北部，信江中游。區(qū)位優(yōu)越，交通便利，其境內浙贛、皖贛、鷹廈三條鐵路橫穿東西，縱貫南北，15個火車站連珠成串，境內營運里程達156.3公里。公路四通八達，320、206國道縱橫境內，上海至瑞麗高速公路穿境而過，高速掛線一期工程已建成通車，乘車貴溪至南昌1.5小時，達上海5.5小時，到杭州4小時。廠址接近原材料基地和銷售市場，符合工業(yè)布局總體規(guī)劃及城市建設規(guī)劃的要求，并考慮廠址附近居民點、城市發(fā)展規(guī)劃、農牧漁業(yè)及旅游勝地、自然資源保護區(qū)等問題。更有火力發(fā)電站以供應26萬噸/年電解銅生產的需要。全市水運通暢，千里信江直通鄱陽湖。它位于擁有豐富的銅礦石資源的德興、鉛山、東鄉(xiāng)三者的中心地帶，距離三者的路程的總和最短。同時，貴溪還擁有華東地區(qū)重要的火電廠之一的貴溪火電廠。

通過對貴溪的介紹與了解，因而可以得出，江銅集團將冶煉廠選址在貴溪市是合理且科學的，其具備以下優(yōu)勢：

(1)交通優(yōu)勢，貴溪擁有便利的交通，這樣就有利于基建時的設備運輸和建成投產后的原材輸送與產品的銷售。有利于產品生產與市場的銷售的對接。

(2)地利優(yōu)勢，貴溪處于中國最的露天銅礦——德興銅礦等三大銅礦的中心地帶，又有便利的交通與之相接，非常便于銅精礦的運輸且節(jié)約運輸成本。

(3)水資源優(yōu)勢，貴溪境內河流縱橫，境內擁有江西第三大河流——信江橫貫東西，為貴溪冶煉廠的生產提供了非常豐富的水資源支持。

（4）豐富的電力優(yōu)勢，我們知道銅冶煉是一個非常耗電的領域，特別是銅的電解工序。因此，擁有豐富的電力資源是必不可少的，而處于貴溪市的貴溪火電廠就為其提供了豐富的電力資源來保障貴溪冶煉廠的正常生產。

綜合整體來看，貴溪冶煉廠選址貴溪是一個科學的選址，它節(jié)約了投資成本，整合優(yōu)化了資源的配置，為我國的銅行業(yè)的健康發(fā)展做出了重大的貢獻。但是，它也存在一些問題，例如環(huán)保方面，由于其處于信江的中游的沿江地帶，如果一旦發(fā)生事故，造成重金屬泄露勢必會造成非常嚴重的重金屬污染。第三章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99．2～99．7％，其中還含有0．3～0．8％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，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、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220～280A／m2。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300～350A／m2。，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。20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t／a。（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(CoppeirefinetiesplyLtd．CRL)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，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99．5%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因此本設計采用的是艾薩(ISA)電解法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SO42-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）×25551000.3160.3550.3531.0371.0041.0033.78934227011.2257.30.012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+O2+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+O2+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。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)冷凍結晶，產出硫酸銅。將中和液蒸發(fā)濃縮為高溫（80～90℃）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40～50g/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7～10g/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。第四章銅電解精煉技術條件的選擇與論證銅電解精煉通常包括陽極加工，始極片制作、電解、凈液及陽極泥處理等工序。其一般的生產流程圖如圖1-1所示。在改進的永久性陰極工藝中，就免去了始極片的制作。在實際生產中，首先是在種板槽中用火法精煉產出的陽極銅作為陽極，用純銅板或鈦母板（現(xiàn)在普遍采用鈦母板）作為陽極，通以一定電流密度的直流電，使陽極的銅電化學溶解，并在母板上析出純銅薄片（稱之為始極片）。將其從母板上剝離下來后，經過整平，壓紋，釘耳等加工后即可作為生產槽所用的陰極。然后，在生產槽中，用同樣的陽極板和種板槽生產出來的始極片進行電解，產出最終的產品—陰極銅（或稱之為電銅）。電解液需要定期定量經過凈液系統(tǒng)，以除去電解液中不斷升高的銅離子，并脫除過高的雜質Ni2+和砷、銻、鉍等。4.1電解液的組成銅電解精煉所用的電解液為硫酸和硫酸銅組成的水溶液。這種溶液導電性好，揮發(fā)性小，且比較穩(wěn)定，使電解過程可以在較高的溫度和酸度下進行。另外，硫酸銅的分解電壓較低，砷、銻、鉛等在硫酸溶液中能生成難溶化合物，因而雜質對陰極質量的影響相對較小，而且貴金屬在硫酸溶液中也能得到較完全的分離。這些都使得以硫酸溶液作為銅電解液，比采用其他溶液如鹽酸溶液、硝酸溶液、銨鹽溶液等具有較大的優(yōu)越性。電解液為硫酸銅的硫酸溶液，其組成的選擇與陽極成分、電流密度和電解的技術條件等因素有關，一般波動在含銅40～50g/L、硫酸180～210g/L。電解液的電阻隨酸度的增加而降低，隨含銅量的增加而升高。為節(jié)約電能，以采用高酸低銅的電解液組成較為有利，但必須同時對陰極及電解液純度提出較高的要求，操作的電能密度也不能過高，以免影響陰極銅質量。電解液中的硫酸含量也不能提得過高，因硫酸銅的溶解度隨著硫酸濃度的增加而降低，因此硫酸的含量最高不宜大于230g/L。當陽極和電解液純度較低時，硫酸含量還應適當降低。生產實踐表明，電解液中有害雜質允許含量列于表4-1[11]。表4-1銅電解液中有害雜質允許含量（g/L）元素CuNiAsSbBi含量<50<20<7<0.6<0.5本設計采用的電解液含Cu50g/L、H2SO4180g/L、Ni19.8g/L、As3g/L；Sb0.47g/L、Bi0.14g/L。4.2添加劑為了獲得致密、平整的陰極銅，在電解銅過程中除嚴格控制各工序的技術條件外，還應加入適量的膠狀物質和表面活性物質以改善陰極表面。一般采用的添加劑有：動物膠、硫脲、干酪素和鹽酸等，其作用分述如下：明膠明膠是電解作業(yè)的主要添加劑之一，其作用是使析出的陰極沉積物細致光潔，改善陰極表面的物理狀態(tài)。陽極銅雜質含量高，且電解電流密度也高，加入量要稍高。硫脲硫脲是一種表面活性物質，單獨使用時作用不明顯，通常與動物膠混合使用，能促使陰極銅表面細化、光滑、質地致密。硫脲一般加入量20～50g/t。干酪素干酪素與動物膠混合使用，能抑制陰極表面粒子的生長和改變粒子的形狀等作用。一般用量為15～40g/t。鹽酸入鹽酸用來維持電解液中氯離子的含量。電解液中的氯離子可以使溶入電解液中的鉛、銀離子生成沉淀，同時還可以防止陽極鈍化、防止陰極產生樹枝狀結晶。但氯離子過多時，陰極上會產生針狀結晶。鹽酸的一般用量為300～500ml/t。添加劑的加入方法一般是將動物膠、硫脲、干酪素充分溶于水后混合加入電解液回流管進入環(huán)槽，鹽酸則單獨加入回流管或回流槽。表4-2常用添加劑種類和用量g/t電銅種類明膠硫脲干酪素鹽酸ml/t電銅用量25-5020-5015-40300-500本設計采用的添加劑為：骨膠317kg/d，硫脲45.3kg/d，HCl95.6kg/d4.3電解液溫度提高電解液溫度，有利于降低電解液的粘度，使漂浮的陽極泥溶液沉降，增加各種離子的擴散速度，減少電解液的電阻，從而提高電解液的導電率、降低電解槽的電壓降，以減少銅電解生產地電能消耗。經試驗測定，電解液在550C時的導電率幾乎為250C時的2.5倍；在50～600C時，溫度每升高10C，電解液的電阻減少約為0.7%。提高電解液溫度，有利于消除陰極附近銅離子的嚴重貧化現(xiàn)象，從而使銅在陰極上能均勻地析出，并防止雜質在陰極上放電的可能性。目前，一般保持電解液的溫度為58～650C。過高的電解液溫度也會給電解生產帶來不利的方面：1）隨溫度升高，添加劑明膠和硫脲的分解速度加快，使添加劑的消耗量增加。2）溫度升高，使電解液中的含銅濃度上升，同時也加劇了銅在電解液中的化學溶解，使電解液中的含銅濃度更進一步地提高。3）電解液的蒸發(fā)損失增大，會使車間的勞動條件惡化，同時增加蒸汽的消耗。本設計采用電解液溫度600C4.4電解液循環(huán)電解液循環(huán)可促使電解液的組成和溫度均勻一致，降低濃度極化，改善陰極銅質量。電解液的循環(huán)方式有兩種：下進液、上出液和上進液、下出液。上述兩種循環(huán)方式各有優(yōu)缺點。下進液、上出液的循環(huán)方式有利于溶液充分混合，但與陽極泥沉降方向相反，造成陽極泥沉降困難。上進液、下出液的循環(huán)方式對陽極泥沉降有利，但電解液上下層濃度差較大。目前國內工廠采用上進液、下出液的循環(huán)方式較多。循環(huán)主要決定于操作電流密度，當操作電流密度較高時，必須采用較大的循環(huán)量以減少濃度差極化。循環(huán)量一般為18～25L/min槽。本設計采用循環(huán)量20L/min,，采用的循環(huán)方式是下進上出。4.5電流密度電流密度一般是指陰極電流密度，即：單位陰極板面積上通過的電流強度。工廠中采用的電流密度單位是A/m2。電流密度是銅電解精煉中最重要的技術經濟指標之一，也是影響金屬沉積物結構和性質的一個主要因素。提高電流密度是增產挖潛的好辦法。但但隨著電流密度的增大，槽電壓上升，電流效率下降，電能消耗也相應增大。槽電壓上升，電流效率下降，電能消耗也相應增大。此外，損失于陰極銅中的貴金屬也有相應增加。因此，一般以采用220～240A/m2為宜。近年來，一些工廠為了挖掘生產潛力，在普通電解槽中采用300～350A/m2電流密度進行生產，在加強管理的情況下，也能產出合格的陰極銅。本設計采用電流密度為230A/m24.6同極中心距極間距離通常以同名電極之間的距離來表示，即同極中心距。同極中心距對電解過程的技術經濟指標以及電解銅的質量，都有很大的影響。同極中心距的確定與極板的尺寸和加工精度等因素有關?？s短同極中心距，可以降低電解液電阻，即降低槽電壓和電解銅的直流電耗。表位槽電壓與極距的關系。由于極間距的縮短，可以增加電解槽內的極片數(shù)量，從而提高設備的生產效率。但是，極距的縮短，會使陽極泥在沉降過程中附著在陰極表面的可能性增加，造成貴金屬損失的增加，并使陰極銅質量降低。此外，極距的縮短，也會使極間的短路接觸增多，引起電流效率下降；為了消除短路，必須消耗大量的勞動。因此，極間距的縮短是對陰、陽極板的加工精度和垂直懸掛毒提出了更加嚴格的要求?？紤]上述因素，一般同極中心距以采用80～110mm為宜。本設計采用同極中心距為100mm4.7陽極壽命和陰極周期陽極壽命根據(jù)電流密度、陽極重量和殘極率來確定，一般在18～21天內選擇。當電流密度采用30A/m2時，陽極壽命應縮短為12～14天。陰極周期與電銅質量、電流密度和勞動組織等因素有關，陰極周期一般為陽極壽命的1/3。表4-3槽電壓與極距的關系項目123極距/mm100901009010090槽電壓/mV320280383329300280本設計采用的陽極壽命為18天，陰極周期為7天第五章技術經濟指標的選擇與論證5.1電流效率電流效率是指銅電解精煉過程中，陰極實際析出量與理論析出量的百分比。由于陽極溶解時，小部分的銅以一價銅離子的形態(tài)進入溶液，故按二價銅來計算的電流效率一般都比陰極電流效率高0.2%～1.7%，因而使電解液中的含銅量不斷增長。影響電流效率的主要因素有：(1)短路陰、陽極間短路的主要原因是由于陽極物理規(guī)格不好，有凹凸不平或飛邊毛刺，始極片有彎曲、卷角現(xiàn)象，陰極析出粗糙、長粒子凸瘤等原因所致。加強電解槽的槽上管理工作，是提高電流密度的關鍵所在。先進的現(xiàn)代工廠安裝有槽電壓的掃描監(jiān)控系統(tǒng)，利用計算機對極間短路、槽電壓的異常變化甚至陽極壽命都進行監(jiān)控和探測。目前，對短路和燒板（由于電極接觸不良，無電流通過，引起化學溶解）檢查，國內一般都使用手拖式的短路探測器來進行探查。國外很多廠家都相繼使用高斯計、紅外線掃描儀、熱跟蹤槍、手提式熱電極探測器和短路探測器等多種儀器來檢查短路現(xiàn)象。還有的工廠使用電流分布計來測量單根陰極的電流強度，通過檢測和調整，可以保證每塊陰極電流分布均勻，是每塊陰極銅質量均勻、穩(wěn)定。此外，還設置計算機對整個生產系統(tǒng)進行監(jiān)控，對電解液溫度、流量和液位等主要工藝參數(shù)和重要設備實現(xiàn)自動控制。(2)漏電設備的漏電包括電解槽和循環(huán)系統(tǒng)的漏電。電解槽漏電時通過彼此臨近的電解槽間或通過電解槽的絕緣體到地面漏電。循環(huán)系統(tǒng)的漏電主要通過電解液循環(huán)流動至集液槽與地面構成了電路，從而產出漏電。為了防止或減少漏電，應該加強電解槽間、溶液循環(huán)系統(tǒng)和對地的絕緣。電解槽之間應留有足夠的間隙（一般20～50mm），加強電解槽與梁、柱、地間的絕緣性能，在槽體與梁間用絕緣瓷磚、橡皮或塑料隔開，采用PVC或其他塑料來作為溶液的輸送管道，以玻璃銅或塑料作為槽子的襯里，以及在循環(huán)系統(tǒng)中安裝斷流裝置措施等。此外，生產人員必須經常檢查設備的絕緣和漏電情況，杜絕電解液的跑、冒、滴、漏，維持車間內的清潔和干燥，盡量減少設備的對地漏電。(3)化學溶解陰極銅在硫酸中的化學溶解速度決定于溶液溫度、硫酸濃度、銅離子濃度、三價鐵離子濃度、溶液氧含量以及陰極在電解液中沉浸的時間長短。為此，為減少陰極的復溶，電解液不宜維持過高的溫度，并盡可能與空氣隔絕，以減少溶液中的含氧量。此外，在提高電流密度的條件下，單位時間內電解銅析出量增加，使陰極在電解液中的沉浸時間相對減少，有利于減少陰極的化學復溶。通常銅的化學溶解能使電流效率降低0.25%～0.75%。電解過程中的副反應，有氫離子在陰極還原析出H2、三價鐵離子的還原等。然而在銅電解生產條件下，電解液中含銅高、含鐵低，進行上述副反應的可能性都很小，因而對電流效率的影響是很小的。除上述因素外，由于采用高電流密度操作，陽極含雜質較高等因素，也可能使電流效率降低。設計一般選擇電流效率為96%～97%。本設計采用電流效率95%5.2殘極率殘極率是指產出殘極量占消耗陽極量的百分比。殘極率低可以減少重熔的費用和金屬損失，提高直接回收率；但是，殘極率過低又會造成槽電壓升高，電能消耗增加，電能效率降低，甚至還會使殘疾碎片跌落槽底，損壞槽襯。因此，殘極率以選擇14～16%為宜。本設計采用殘極率為15%5.3銅電解回收率銅電解回收率反應銅電解過程中銅的回收程度，其計算方法如下：回收品是指殘極、銅屑、碎銅，制取硫酸銅溶液及陽極泥等含銅物料（若陽極泥含銅本企業(yè)不能回收，則按損失處理）。銅電解回收率一般為99.8%左右。本設計采用銅電解回收率為99.8%5.4槽電壓槽電壓是影響電解銅電能消耗的重要因素，它比電流效率的影響尤為顯著。電流效率往往只下降百分之幾，然而只要操作或技術條件的控制稍微不當，槽電壓就可能會上升百分之幾十甚至成倍上升。槽電壓由下列各項電位降組成：電解液的電位降、各接觸點和克服陽極泥電阻的電位降、濃度極化所引起的電極電位降等項相加所得之和。工廠普通電解槽的槽電壓一般為0.2～0.3V。為了降低槽電壓，應當采取如下措施：1）改善陽極質量，力求將粗銅中的雜質在火法精煉中脫除，以降低陽極電位，防止陽極泥殼的生成，同時還可以減少雜質對電解液的污染。2）不必要求過低的殘極率，一般在18%～22%范圍內。過低的殘極率會引起陽極在工作地末期，槽電壓急劇升高。3）陰、陽極、導電棒、導電板之間的接觸點應經過清洗擦拭，以保持接觸良好。4）電解液成分，硫酸含量宜保持在160～210g/L，含銅濃度維持在40～50g/L，并盡可能地降低其他雜質的含量和膠的加入量。電解液的溫度應維持在60～680C。5）盡可能地維持較短的極間距離[12]。本設計采用普通電解槽的槽電壓一般為0.3V5.5直流電能單位消耗每噸電解銅的直流電能消耗，實踐中使用的計算方法如下：消耗的直流電量包括普通電解槽、種板電解槽、脫銅電解槽、再用電解槽及線路損失等全部直流電消耗量。一般的電能單位消耗為220～240度/噸。本設計采用電能單位消耗230度/噸。5.6硫酸單位消耗硫酸單位消耗量一般為4～8kg/t。本設計采用的硫酸單位消耗為7.3kg/t。5.7蒸汽單位消耗近年來，國內大多數(shù)銅精煉廠已采用石墨熱交換器代替鉛蛇形管加熱，熱利用率有所提高。如采用鉛蛇形管加熱的工廠，蒸汽單位消耗量為1.5～2t/t，而