年产5万吨电解铜的电解车间的设计本科论文.doc

火法炼铜毕业设计任务书
（铜电解精炼）

一、设计题目
1. 设计一个年产5万吨电解铜的电解车间。
要求：（1）包括金属铜的基本用途及提取方法；
（2）厂址选择的基本要求；
（3）铜电解的基本原理，工艺等相关内容；
（4）冶金计算部分；
（5）设备选择及一览表
3. 设计计算内容包括
（1）冶金计算：包括合理成分计算、物料平衡、热平衡的计算。
（2）设备设计计算：确定主要设备的主要尺寸、主要附属设备的选择与计算

二、原始数据
表4-1 阳极成分（％）
元素
Cu
As
Sb
Ni
Bi
Se
Pb
Fe
Te
Au
Ag
S
Zn
含量
99.5
0.05
0.028
0.146
0.007
0.055
0.034
0.002
0.05
0.00487
0.062
0.0061
0.0018

表4-2 铜电解过程中各元素的分配率（％）
元素
进入溶液
加入阳极泥
加入阴极
金
－
99.0
1
银
－
98
2
铜
1.93
0.07
98
硒和碲
－
98
1
铅
－
98
1
镍
90
20
<0.5
砷
70
30
微量
锑
40
66
微量
硫
－
95
3
铁
75
10
15
锌
93
4
3
铝
75
20
5
二氧化硅
－
100
－
铋
20
80
微量

表4-3 铜电解液中有害杂质允许含量（克 / 升）
元素
Ni
As
Fe
Sb
Bi
含量
14
5
5.3
0.7
0.5

表4-4 假设数据
电解铜回收率
99.7％
电解铜品位
99.93％
残极率
18％
镍进入电解液的百分数
91％
砷进入电解液的百分数
72％
锑进入电解液的百分数
38％
室温
25℃

三、 设计的内容及要求
（一） 编写设计说明书
1.概述
1）简述铜的性质、用途及在国民经济中的地位和作用。
2）铜的资源及消费情况。
3）铜冶金的基本冶炼方法。
4）本设计的指导思想
2. 车间地址的选择与论证
从国家建设规划方面，应服从工业规划、城市规划，应节约土地，节约投资，从工厂本身，应从气候、水文、地质、交通、资源、环境等多方面综合论证，要是具备尽可能好的“三通一平”条件，且工厂的生产对周边环境无大的影响。
3. 工艺流程的选择与论证
选择本设计的工艺流程
论述所选工艺流程的可行性、经济性、先进性，并说明工艺流程在机械化、自动化、劳动条件等方面的情况。
4. 冶金计算
（1）铜电解精炼物料平衡计算
（2）铜电解精炼槽热平衡计算
（3）铜电解精炼主要设备的选择与计算
1）电解槽的选择和计算
2）阳极、阴极尺寸的选择
5.主、辅设备一览表
6.电解车间酸雾防治
7.主要参考书目
（二） 绘制图纸
主体设备三视图一张（A2图纸绘制）

四、 设计时间与安排
由3013年12月2日至2014年1月3日，共5周。
1.文献资料的查询和收集，时间1周
2.文献资料的收集和整理，冶金计算，时间1周
3.论文初步撰写 时间1.5周
4.设备图、车间平面布置图绘制，论文进一步修改和完善 时间1周
5.答辩准备及答辩 时间0.5周

五、 设计评分标准及说明
设计说明书30%，图纸30%，答辩20%，平时考勤20%。要求学生课内时间在教室完成设计任务，每天有本组组长考勤，无故缺勤3次按不及格论处。

六、 设计推荐参考书目
1.《重金属冶金学》
2.《有色冶金工厂设计基础》 陈枫主编 中南工大出版社
3.《铜铅锌冶炼设计参考手册》
4.《工业炉设计参考手册》
5.《有色重金属冶炼设计手册》
6.《铜冶金学》
7.《铜冶炼技术》

七、 指导教师：------

目录
摘要.......................................................................................1
前言.......................................................................................2
1.绪论.....................................................................................3
1.1铜的性质及用途.........................................................................3
1.1.1 铜的物理性质......................................................................3
1.1.2 铜的化学性质......................................................................3
1.1.3 铜的用途..........................................................................4
1.2铜在国民经济中的地位和作用.............................................................5
1.3铜的资源及消费情况.....................................................................6
1.3.1 国内铜矿产资源状况 ...............................................................6
1.3.2 国内市场生产状况..................................................................9
1.3.3 国内市场消费状况..................................................................9
1.3.4 国际铜市场生产状况...............................................................10
1.3.5 国际铜市场消费状况...............................................................11
1.4铜的冶炼工艺..........................................................................11
1.4.1火法冶炼..........................................................................12
1.4.2湿法冶炼..........................................................................12
2 厂址选择...............................................................................14
2.1 厂址选择原则........................................................................14
2.2 厂址地点---中国山东 临沂市 兰山区..................................................14
2.2.1 交通运输条件.....................................................................15
2.2.2 气候特征.........................................................................17
2.2.3 土地资源、水资源和电力资源.......................................................19
2.2.4 矿产资源........................................................................20
2.2.5 消费市场.........................................................................21
2.2.6 选择原由.........................................................................21
3 火法—铜电解精炼........................................................................22
3.1 铜电解精炼原理 .......................................................................22
3.2 电解精炼工艺..........................................................................23
3.3 铜电解精炼的分类.....................................................................23
3.3.1 常规电解.........................................................................24
3.3.2 周期反向电流电解.................................................................25
3.3.3 永久阴极电解.....................................................................25
3.3 铜电解电解液成分.....................................................................25
3.4 电解液的循环.........................................................................28
3.5 铜电解液的净化......................................................................29
4 计算....................................................................................30
4.1 铜电解精炼物料平衡计算...............................................................30
4.2 电解槽热平衡计算.....................................................................33
4.2.1 热收入...........................................................................33
4.2.2 热支出...........................................................................33

4.3 铜电解精炼电解槽的计算...............................................................36
4.3.1 阴、阳极的选择...................................................................36
4.3.2 电解槽数量及尺寸计算.............................................................36
5 主要设备的选择..........................................................................39
5.1 电解槽...............................................................................39
5.1.1电解槽分类........................................................................39
5.1.2电解槽进出液方式..................................................................41
5.2 阴、阳极加工设备.....................................................................41
5.3电解液循环设备........................................................................42
5.3.1电解液加热器......................................................................42
5.3.2电解液循环泵......................................................................42
5.4 运输设备.............................................................................43
5.5供电设备..............................................................................43
5.6主、辅设备一览表......................................................................44
6 酸雾治理................................................................................45
6.1酸雾成因..............................................................................45
6.2酸雾种类..............................................................................45
6.3酸雾的危害............................................................................46
6.4酸雾处理方法..........................................................................46
7 三废处理................................................................................49
7.1 三废的危害...........................................................................49
7.2 废水处理.............................................................................49
7.3 废渣处理.............................................................................50
7.4 废气处理.............................................................................50
结论......................................................................................52
总结与体会................................................................................53
谢辞......................................................................................54
参考文献..................................................................................55

摘要
本文主要设计了一座年产5万吨铜的铜电解精炼车间及电解工艺。通过搜集相关资料，熟悉了电解精炼工艺及车间布置。根据已知条件，选定操作技术条件。在物料平衡和热平衡计算的基础上，根据给定的条件选择合适的工艺流程和主辅设备。对年产5万吨铜的铜电解精炼槽进行了槽型设计，并且进行了铜电解精炼车间的技术经济指标的核算。绘制出铜电解精炼电解槽车间平面图、俯视图、侧视图一张。
关键字：铜 性质 火法 湿法 计算 三废 厂址选择 电解设备
铜电解精炼 酸雾 物料平衡 热平衡

前言
设计是国家基本建设的一个重要环节，工业生产中的先进经验、先进技术以及科学研究中的最新成果，都是通过设计加以推广和运用的。毕业设计更是大学教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。
目前，我国铜电解厂的生存与发展存在以下问题：
　　一、 生产规模偏小，缺乏规模效益。我国电解铜生产能力在20万吨以上的企业有铜陵有色金属集团、江西铜业集团、云南铜业集团、金川集团、大冶有色集团，其他大多数企业生产能力较低，生产规模较小。
　　二、 技术装备水平低。目前我国电解作业仍较多的使用铜始极片，国外已开始普遍使用不锈钢永久阴极母板，而且用量不断增加。国内除贵冶、金隆等少数几个厂采用了大电解槽，机械化程度较高外，其他普遍水平都不高。
虽然国有骨干的大型电解厂的技术水平和产品质量已达到国际先进水平，在国际市场具有一定竞争能力，但总体来讲，我国电解铜厂小型多、分散、技术装备水平落后。要解决上述问题，铜电解企业必须依靠科技创新，采用先进技术，使生产向大型化、自动化方向发展。认真处理好原料、电力的供应以及市场需求等之间的关系，只有这样，才能使铜电解产业成为一个稳定和谐、可持续发展的优势产业。
因此设计一个好的电解车间非常重要。
1 绪论
1.1铜的性质及用途
铜是仅次于银的优良导电导热体，常温下铜的导电率为银的94％，导热率为银的73.2%。
1.1.1 铜的物理性质
铜具有许多可贵的物理化学特性，例如其热导率和电导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，具有抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。铜能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金。
密度(20℃ ) 8.96％ g／cm3
熔点 1083.4 ℃
沸点 2560 ℃
平均比热(0～100℃) 386.0 J／(kg·K)
熔化热 13.02 kJ／mol
汽化热 304.8 kJ／mol
热导率(0～100℃ ) 397 W／(m·K)
电阻率(20℃) 1.694 μΩ·cm
1.1.2 铜的化学性质
铜在干燥空气中不氧化，在含有二氧化碳的湿空气中表面形成一层铜绿；与碱溶液反应很慢，但易与氨形成络合物。铜不能置换酸溶液中的氢，但溶于有氧化作用的酸中。铜的标准电极电位为+0.337伏，二价铜的电化当量为1.186克／(安培·小时)。
铜原子容易失去一个电子形成亚铜离子(Cu+)或失去两个电子形成铜离子(Cu2+)，故铜形成化合物是以呈现一价或二价的氧化状态进行，但由正二价氧化状态形成的化合物比由正一价氧化状态形成的化合物稳定。
1.1.3 铜的用途
古往今来，铜都是用途较为广泛的有色金属。1998年世界铜产量为1400万吨，为有色金属产量第二位。据预测美国2000年铜的消费量为350.5万～500万吨，其中电气工业占71.4％，建筑设备占10.3％，机械装备占9.1％，运输设备占4.1％，军用品占1.1％，装饰、颜料、货币等占4.0％。
利用铜的良好导电性制成的导线广泛地应用于电力和电子工业，做输入导线。含铜99.99%以上的高纯铜用于制造高导电性的铜材铜线和需导电的零部件。电子计算机的集成线路和大规模集成线路的印刷线路板就是铜镀在高分子材料上的复合板制成的。铜还可制成耐高温的航天航空导线。
铜还可做成各种各样的铜合金，依照传统分类方法可分为紫铜、黄铜(铜锌合金)、白铜(铜镍合金)和青铜(铜锡合金)四大类，主要用于导电、导热、弹性、耐蚀、装饰造币等方面。
铜有多种化合物，但其用量很少，只占铜消费量的1％左右，主要用于化工、医药、农药、冶金等。如硫酸铜(CuSO4·5H2O)主要用于电镀工业镀铜及各种铜盐生产的原料，化工催化剂，选矿浮选的活化剂，医药及农药的消毒，杀虫剂，动物饲料添加剂。
1.2铜在国民经济中的地位和作用
铜铅锌矿产资源是我国重要的战略性矿产资源。就目前和未来我国铜消费的发展趋势而言，我国铜资源满足不了其消费的最低需求，必须加强地质找矿工作。根据铜产量低于铜消费量的实际情况，为了满足铜金属消费的需要，必须大量进口铜金属及其铜矿产品。又因为我国铜资源潜力远低于铅锌资源潜力，所以，应重视再生铜的回收工作。因此，应及时采取措施，提高铜铅锌资源对国民经济建设的保障程度，促进我国国民经济的可持续发展。  
  矿产资源具有地质、经济和环境三重属性，它是人类社会赖以生存和发展的基础，特别是战略性矿产资源，更是影响人类社会实现可持续发展的关键因素之一。所以，战略性矿产资源的可供性和资源的安全性历来是各国政府关注的重要问题。  
  尽管目前国际上没有统一的“战略性矿产资源”定义，但我们认为战略性矿产资源必须具备战略资源和矿产资源双重特征。因此，从国家资源安全与可供性的角度，我们把关系到一个国家的国防、经济、人民生活和社会经济可持续发展安全，具有平时维持价格稳定、突发事件发生时能起到保障供应作用，目前又存在供应危机的那些矿产，称之为战略性矿产资源。
铜铅锌在我国国民经济和国防建设中用途广泛、地位重要，铜铅锌矿产资源是我国重要的战略性矿产资源，其可供性和安全性直接关系到国家的国防、经济、人民生活和社会经济可持续发展的安全。有必要摸清我国铜铅锌矿产资源的家底，掌握其生产和供应能力，准确推算出其缺口，以便采取相应对策。

1.3铜的资源及消费情况
1.3.1 国内铜矿产资源状况
（一）累计查明资源储量
  据国土资源部全国矿产储量数据库2008年的统计数据，建国以来至2007年底，全国累计查明铜资源储量8972万吨。1985年至2000年查明资源储量增长缓慢，15年间增加了约1000万吨。2000年后恢复快速增长趋势。 

（二）查明资源储量
  截至2007年底，全国查明铜矿区1426处（其中有共伴生矿区187处）,查明资源储量7157万吨。查明资源储量中基础储量2932万吨（其中储量1504万吨），资源量4225万吨。
（三）查明资源储量的分布
  铜查明资源储量最多的三个省（区）为：江西1282万吨（基础储量733万吨）、云南省1052万吨（基础储量253万吨）、西藏1148万吨（基础储量220万吨）；三省（区）查明资源储量合计占全国的48.6%，基础储量合计占全国的41.1%，详见图2和图3。在查明资源储量中，以斑岩型矿床为主，占查明资源储量的42.2%。余下依次为：矽卡岩型矿床占22.4%，海相火山岩型矿床占14.6%，砂页岩型矿床占11.7%，铜镍硫化物型矿床占6.2%，其他类型矿床占2.9%（图4）。

（四） 资源远景
  中国地质调查局对我国以往矿产资源勘查、矿产评价预测成果、以及地质大调查开展以来取得的资源调查评价成果进行了全面分析，初步定量预测，我国铜矿资源(小于500米垂深)的潜力大于1.8亿吨。成矿远景区域主要分布在西南三江地区、西藏一江二河地区、藏东地区、青海东昆仑～可可西里地区、东天山地区、北天山地区。

1.3.2 国内市场生产状况
　　从中国铜相关品种的供给量来看，中国的精炼铜产量、铜管产量及铜棒与合金产量均维持了较好的增长势头。就精铜产量来看，CRU统计今年中国精铜产量同比增加了12.4%，由09年的402万吨上涨至10年的452万吨。而安泰科的数据则预计全年精炼铜产量由09年的412万吨增长10.4%至455万吨。铜管及铜棒与合金方面，CRU预计中国铜管产量同比增加18.2%，而铜棒与合金产量同比上涨27.9%。尽管铜管在年内维持了高生产态势，但2010年9月美国商务部对无缝精炼铜管的反倾销终裁还是会影响到后期国内铜管的产量。根据美国联邦公报，中国一共8家企业所征税率由11.25%至60.85%不等，其中金龙精密铜管集团股份有限公司税率为11.25%，而浙江海量及海量铜贸易公司则为60.85%，另有5家中国企业被征收36.05%的反倾销税。故预计在后期向美国输出铜管受阻的情况下，国内铜管产量或不会维持高增长态势。

1.3.3 国内市场消费状况
中国精铜需求维持着稳定的增长势头。2010年中国全年铜消费量近700万吨，同比上涨幅度超过11%。若回顾历史，中国的精铜需求自2000年以来平均增长速度达到15%（而全球精铜需求增长率仅为2%），这带动了中国的年度需求总量由2000年的188万吨大幅上涨至今年的700万吨，拉动中国铜消费占世界消费比例由12%升至37%。中国铜需求的大幅扩张在一定程度上反映了全球生产力由成熟经济体向中国的转移，“世界工厂”对“中国需求”具有部分提振作用。
除了国际生产力资本的输入外，中国自身经济的快速发展亦对铜消费起到决定性作用。中国铜消费的增长点比较特别，其很大程度上取决于国家基础设施的建设。电力行业、建筑行业及交通运输业合计对中国铜消费的贡献率超过70%，而家用电器、电子消费品亦占国内铜消费的一席之地。
1.3.4 国际铜市场生产状况
全球精炼铜产量在2010年维持了扩张态势，但产能利用率却有所回落。2010年全球精铜产量整体增幅为1.4%，其中非洲产能增长迅速，同比增长22.7%，这主要源于刚果及赞比亚高速的冶炼扩张计划。亚洲整体增幅达7.1%，其中中国、哈萨克斯坦及土耳其同比增幅较大，但由于土耳其的低基数效应（去年同期为4.1万吨），对铜市场的影响相对有限。欧洲方面，各个主要欧盟国家的精铜产能均维持了扩张态势，但瑞典是个意外，其产能环比下滑了-14.5%。北美的加拿大和墨西哥产能同比分别增加了4.8%及1.4%，但美国的精铜产出却下降了-9.8%。南美的智利和秘鲁因为自然因素及罢工事件使得产能同比出现回撤，智利产能降幅-1.6%而秘鲁降幅则至-5.8%。在产能利用率方面，自2008年其全球产能利用率出现了缓慢回落的局面，其中产能利用率由08年的73.1%下降至09年的69.1%，而后至10年回落到68.3%。尽管现阶段产能利用率并没有恢复到金融危机爆发前的水平，但未来随着新的冶炼技术的不断推广（如闪速冶炼技术等）及随着铜价走高带来的利润效应，相信产能利用率在2011-2014年会缓慢上涨。

1.3.5 国际铜市场消费状况
全球精炼铜的需求在近3年里已逐渐走出金融危机的晦影，呈现出先低后高的态势，而后期全球精铜消费有望延续扩张。08年发生的次贷危机对全球精铜消费起到较为严重的打压，其中欧洲及北美受灾严重区回撤迹象明显。这种消费的不景气在09年出现了集中释放，欧洲精铜消费同比下降22.8%，北美消费同比下滑22.3%，而全球除中国外的精通消费量回撤幅度高达16.3%。转至2010年，随着全球经济的逐渐企稳，精铜消费亦出现了回暖迹象。欧洲及北美的精铜需求分别同比增加了4.7%及2.1%，而亚洲需求则冲至9.5%的历史新高。在亚洲需求增长的强劲带动下，全球精铜消费出现了7.6%的年增长率。从历史数据可以看出，全球精铜需求的寒冬正逐渐过去。

1.4铜的冶炼工艺
铜冶金技术的发展经历了漫长的过程，但至今铜的冶炼仍以火法治炼为主，其产量约占世界铜总产量的85%，现代湿法冶炼的技术正在逐步推广，湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。
1.4.1火法冶炼
火法冶炼一般是先将含铜百分之几或千分之几的原矿石，通过选矿提高到20－30％，作为铜精矿，在密闭鼓风炉、反射炉、电炉或闪速炉进行造锍熔炼，产出的熔锍(冰铜)接着送入转炉进行吹炼成粗铜，再在另一种反射炉内经过氧化精炼脱杂，或铸成阳极板进行电解，获得品位高达99.9％的电解铜。该流程简短、适应性强，铜的回收率可达95％，但因矿石中的硫在造锍和吹炼两阶段作为二氧化硫废气排出，不易回收，易造成污染。近年来出现如白银法、诺兰达法等熔池熔炼以及日本的三菱法等、火法冶炼逐渐向连续化、自动化发展。

火法炼铜工艺流程

1.4.2湿法冶炼
现代湿法冶炼有硫酸化焙烧－浸出－电积，浸出－萃取－电积，细菌浸出等法，适于低品位复杂矿、氧化铜矿、含铜废矿石的堆浸、槽浸选用或就地浸出。湿法冶炼技术正在逐步推广，预计本世纪末可达总产量的20%，湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。

氧化铜矿酸浸—萃取—电积提铜流程

2 厂址选择
2.1 厂址选择原则
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。
2.2 厂址地点---中国山东 临沂市 兰山区
临沂，地处山东东南，东近黄海，南邻江苏连云港、徐州，东接港城日照，西接枣庄、济宁、泰安，北靠淄博、潍坊。是滑水运动之都，坐拥全国最大的市场集群，被誉为“物流之都，商贸名城”，是海关特批实行“旅游购物商品通关方式”的城市。临沂是中国市场贸易博览会、书圣国际文化节的永久举办地。

临沂市土地总面积为1718992.74 公顷 ，占全省10.93%。西部、北部为山区，东部为丘陵，中南部为平原。山地、丘陵、平原各占总面积三分之一。

其中兰山区位于山东省东南部，东经118°，北纬35°，是中共临沂市委、市政府所在地，是鲁东南的政治、经济、文化、商贸中心。全区总面积590平方公里，辖4个街道办事处、9个镇，400多个村居、社区，总人口88万，流动人口30万（2010年）。

2.2.1 交通运输条件
兰山区的地理位置优越，交通四通八达。京沪高速公路与亚欧大陆桥铁路在这里交汇。日东高速公路和东部沿海铁路穿越区境。205国道、327国道和数条省际干道纵横相连。距日照、岚山、连云港三大港口100多公里。距青岛港200多公里，距临沂飞机场仅5公里，现已开通20多个城市的航班。具有立体化的海陆空交通优势。兰山区委、区人民政府驻地临沂城，东西长6.5公里，南北长6.3公里，面积41平方公里。是沂蒙山区政治、经济、文化中心，省级历史文化名城，国务院批准的对外开放城市，也是临沂市委、市人民政府所在地。

2.2.2 气候特征
属暖温带季风区半湿润大陆性气候，光照充足，雨量充沛，气候适宜，四季分明。春季回暖迅速，少雨多风，空气干燥。夏季温高湿大，雨量集中，为全年降水最多季节。秋季气温下降迅速，降水变率较大。冬季寒冷干燥，雨雪稀少，严寒期较长。年均降水量790-920毫米。气温历年平均13.3℃，7月最高，1月最低。地面温度历年均为15.3℃，日照时数为2357.5小时，日照百分率为55%。无霜期平均202天。春季多东北风，秋与冬季多北、东北风，夏季多东、东南风。
气压：月平均最高气压为1018百帕（1月），最低气压为994.5百帕（7月）。累年极端最高气压为1037.9百帕（1970年1月5日），极端最低气压为981.5百帕（1963年6月25日）。
风率：本区春季多东北风，最大风速4.6米/秒，为年平均风速最大季节；夏季多东风、东南风，风速偏小；秋、冬两季多北风。风力大于8级者，累年平均20天左右。

由上山东省闪电活动空间分布图可知，从胶东半岛到山东内陆，闪电活动逐渐呈递增趋势。在山东烟台及呈山头附近，闪电活动密度最小。青岛，崂山和胶州湾附近的闪电密度与成山头的密度相当，山东省内闪电活动最多的区域为山东济南和玉皇项附近。
下图为山东省各站雷暴日数的多年平均分布图，由图可知，山东半岛和山东西部雷暴日数较少，鲁北的东营、滨州、鲁中山区、和鲁南的沂蒙山区雷暴日数较多，最大值重新在莱芜。