年产5万吨电解铜的电解车间毕业设计样本.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5万吨电解铜电解车间。
要求：（1）包含金属铜基础用途及提取方法；
（2）厂址选择基础要求；
（3）铜电解基础原理，工艺等相关内容；
（4）冶金计算部分；
（5）设备选择及一览表
3. 设计计算内容包含
（1）冶金计算：包含合理成份计算、物料平衡、热平衡计算。
（2）设备设计计算：确定关键设备关键尺寸、关键隶属设备选择和计算

二、原始数据
表4-1 阳极成份（％）
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许可含量（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％
镍进入电解液百分数
91％
砷进入电解液百分数
72％
锑进入电解液百分数
38％
室温
25℃

三、 设计内容及要求
（一） 编写设计说明书
1.概述
1）简述铜性质、用途及在国民经济中地位和作用。
2）铜资源及消费情况。
3）铜冶金基础冶炼方法。
4）本设计指导思想
2. 车间地址选择和论证
从国家建设计划方面，应服从工业计划、城市计划，应节省土地，节省投资，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，要是含有尽可能好“三通一平”条件，且工厂生产对周围环境无大影响。
3. 工艺步骤选择和论证
选择本设计工艺步骤
叙述所选工艺步骤可行性、经济性、优异性，并说明工艺步骤在机械化、自动化、劳动条件等方面情况。
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）铜电解精炼关键设备选择和计算
1）电解槽选择和计算
2）阳极、阴极尺寸选择
5.主、辅设备一览表
6.电解车间酸雾防治
7.关键参考书目
（二） 绘制图纸
主体设备三视图一张（A2图纸绘制）

四、 设计时间和安排
由3012月2日至1月3日，共5周。
1.文件资料查询和搜集，时间1周
2.文件资料搜集和整理，冶金计算，时间1周
3.论文初步撰写 时间1.5周
4.设备图、车间平面部署图绘制，论文深入修改和完善 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，天天有本组组长考勤，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、 指导老师：------

目录
摘要.......................................................................................1
序言.......................................................................................2
1.绪论.....................................................................................3
1.1铜性质及用途.........................................................................3
1.1.1 铜物理性质......................................................................3
1.1.2 铜化学性质......................................................................3
1.1.3 铜用途..........................................................................4
1.2铜在国民经济中地位和作用.............................................................5
1.3铜资源及消费情况.....................................................................6
1.3.1 中国铜矿产资源情况 ...............................................................6
1.3.2 中国市场生产情况..................................................................9
1.3.3 中国市场消费情况..................................................................9
1.3.4 国际铜市场生产情况...............................................................10
1.3.5 国际铜市场消费情况...............................................................11
1.4铜冶炼工艺..........................................................................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 厂址选择标准........................................................................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 铜电解电解液成份.....................................................................25
3.4 电解液循环.........................................................................28
3.5 铜电解液净化......................................................................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 铜电解精炼电解槽计算...............................................................36
4.3.1 阴、阳极选择...................................................................36
4.3.2 电解槽数量及尺寸计算.............................................................36
5 关键设备选择..........................................................................39
5.1 电解槽...............................................................................39
5.1.1电解槽分类........................................................................39
5.1.2电解槽进出液方法..................................................................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酸雾危害............................................................................46
6.4酸雾处理方法..........................................................................46
7 三废处理................................................................................49
7.1 三废危害...........................................................................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
总结和体会................................................................................53
谢辞......................................................................................54
参考文件..................................................................................55

摘要
本文关键设计了一座年产5万吨铜铜电解精炼车间及电解工艺。经过搜集相关资料，熟悉了电解精炼工艺及车间部署。依据已知条件，选定操作技术条件。在物料平衡和热平衡计算基础上，依据给定条件选择适宜工艺步骤和主辅设备。对年产5万吨铜铜电解精炼槽进行了槽型设计，而且进行了铜电解精炼车间技术经济指标核实。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

序言
设计是国家基础建设一个关键步骤，工业生产中优异经验、优异技术和科学研究中最新结果，全部是经过设计加以推广和利用。毕业设计更是大学教育培养目标实现关键阶段，是毕业前综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学关键过程,是对大学期间所学专业知识全方面总结。
现在，中国铜电解厂生存和发展存在以下问题：
　　一、 生产规模偏小，缺乏规模效益。中国电解铜生产能力在20万吨以上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，其它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。现在中国电解作业仍较多使用铜始极片，国外已开始普遍使用不锈钢永久阴极母板，而且用量不停增加。中国除贵冶、金隆等少数多个厂采取了大电解槽，机械化程度较高外，其它普遍水平全部不高。
即使国有骨干大型电解厂技术水平和产品质量已达成国际优异水平，在国际市场含有一定竞争能力，但总体来讲，中国电解铜厂小型多、分散、技术装备水平落后。要处理上述问题，铜电解企业必需依靠科技创新，采取优异技术，使生产向大型化、自动化方向发展。认真处理好原料、电力供给和市场需求等之间关系，只有这么，才能使铜电解产业成为一个稳定友好、可连续发展优势产业。
所以设计一个好电解车间很关键。
1 绪论
1.1铜性质及用途
铜是仅次于银优良导电导热体，常温下铜导电率为银94％，导热率为银73.2%。
1.1.1 铜物理性质
铜含有很多可贵物理化学特征，比如其热导率和电导率全部很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，含有抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细铜丝，制成很薄铜箔。铜能和锌、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 铜化学性质
铜在干燥空气中不氧化，在含有二氧化碳湿空气中表面形成一层铜绿；和碱溶液反应很慢，但易和氨形成络合物。铜不能置换酸溶液中氢，但溶于有氧化作用酸中。铜标准电极电位为+0.337伏，二价铜电化当量为1.186克／(安培·小时)。
铜原子轻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展现一价或二价氧化状态进行，但由正二价氧化状态形成化合物比由正一价氧化状态形成化合物稳定。
1.1.3 铜用途
古往今来，铜全部是用途较为广泛有色金属。1998年世界铜产量为1400万吨，为有色金属产量第二位。据估计美国铜消费量为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％，军用具占1.1％，装饰、颜料、货币等占4.0％。
利用铜良好导电性制成导线广泛地应用于电力和电子工业，做输入导线。含铜99.99%以上高纯铜用于制造高导电性铜材铜线和需导电零部件。电子计算机集成线路和大规模集成线路印刷线路板就是铜镀在高分子材料上复合板制成。铜还可制成耐高温航天航空导线。
铜还可做成多种多样铜合金，依据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，关键用于导电、导热、弹性、耐蚀、装饰造币等方面。
铜有多个化合物，但其用量极少，只占铜消费量1％左右，关键用于化工、医药、农药、冶金等。如硫酸铜(CuSO4·5H2O)关键用于电镀工业镀铜及多种铜盐生产原料，化工催化剂，选矿浮选活化剂，医药及农药消毒，杀虫剂，动物饲料添加剂。
1.2铜在国民经济中地位和作用
铜铅锌矿产资源是中国关键战略性矿产资源。就现在和未来中国铜消费发展趋势而言，中国铜资源满足不了其消费最低需求，必需加强地质找矿工作。依据铜产量低于铜消费量实际情况，为了满足铜金属消费需要，必需大量进口铜金属及其铜矿产品。又因为中国铜资源潜力远低于铅锌资源潜力，所以，应重视再生铜回收工作。所以，应立即采取方法，提升铜铅锌资源对国民经济建设保障程度，促进中国国民经济可连续发展。  
  矿产资源含有地质、经济和环境三重属性，它是人类社会赖以生存和发展基础，尤其是战略性矿产资源，更是影响人类社会实现可连续发展关键原因之一。所以，战略性矿产资源可供性和资源安全性一向是各国政府关注关键问题。  
  尽管现在国际上没有统一“战略性矿产资源”定义，但我们认为战略性矿产资源必需含有战略资源和矿产资源双重特征。所以，从国家资源安全和可供性角度，我们把关系到一个国家国防、经济、人民生活和社会经济可连续发展安全，含有平时维持价格稳定、突发事件发生时能起到保障供给作用，现在又存在供给危机那些矿产，称之为战略性矿产资源。
铜铅锌在中国国民经济和国防建设中用途广泛、地位关键，铜铅锌矿产资源是中国关键战略性矿产资源，其可供性和安全性直接关系到国家国防、经济、人民生活和社会经济可连续发展安全。有必需摸清中国铜铅锌矿产资源家底，掌握其生产和供给能力，正确推算出其缺口，方便采取对应对策。

1.3铜资源及消费情况
1.3.1 中国铜矿产资源情况
（一）累计查明资源储量
  据国土资源部全国矿产储量数据库统计数据，建国以来至底，全国累计查明铜资源储量8972万吨。1985年至查明资源储量增加缓慢，间增加了约1000万吨。后恢复快速增加趋势。 

（二）查明资源储量
  截至底，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）查明资源储量分布
  铜查明资源储量最多三个省（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）查明资源储量累计占全国48.6%，基础储量累计占全国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%，其它类型矿床占2.9%（图4）。

（四） 资源远景
  中国地质调查局对中国以往矿产资源勘查、矿产评价估计结果、和地质大调查开展以来取得资源调查评价结果进行了全方面分析，初步定量估计，中国铜矿资源(小于500米垂深)潜力大于1.8亿吨。成矿远景区域关键分布在西南三江地域、西藏一江二河地域、藏东地域、青海东昆仑～可可西里地域、东天山地域、北天山地域。

1.3.2 中国市场生产情况
　　从中国铜相关品种供给量来看，中国精炼铜产量、铜管产量及铜棒和合金产量均维持了很好增加势头。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402万吨上涨至452万吨。而安泰科数据则估计整年精炼铜产量由412万吨增加10.4%至455万吨。铜管及铜棒和合金方面，CRU估计中国铜管产量同比增加18.2%，而铜棒和合金产量同比上涨27.9%。尽管铜管在年内维持了高生产态势，但9月美国商务部对无缝精炼铜管反倾销终裁还是会影响到后期中国铜管产量。依据美国联邦公报，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税率为11.25%，而浙江海量及海量铜贸易企业则为60.85%，另有5家中国企业被征收36.05%反倾销税。故估计在后期向美国输出铜管受阻情况下，中国铜管产量或不会维持高增加态势。

1.3.3 中国市场消费情况
中国精铜需求维持着稳定增加势头。中国整年铜消费量近700万吨，同比上涨幅度超出11%。若回顾历史，中国精铜需求自以来平均增加速度达成15%（而全球精铜需求增加率仅为2%），这带动了中国年度需求总量由188万吨大幅上涨至今年700万吨，拉动中国铜消费占世界消费百分比由12%升至37%。中国铜需求大幅扩张在一定程度上反应了全球生产力由成熟经济体向中国转移，“世界工厂”对“中国需求”含有部分提振作用。
除了国际生产力资本输入外，中国本身经济快速发展亦对铜消费起到决定性作用。中国铜消费增加点比较尤其，其很大程度上取决于国家基础设施建设。电力行业、建筑行业及交通运输业累计对中国铜消费贡献率超出70%，而家用电器、电子消费品亦占中国铜消费一席之地。
1.3.4 国际铜市场生产情况
全球精炼铜产量在维持了扩张态势，但产能利用率却有所回落。全球精铜产量整体增幅为1.4%，其中非洲产能增加快速，同比增加22.7%，这关键源于刚果及赞比亚高速冶炼扩张计划。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，但因为土耳其低基数效应（去年同期为4.1万吨），对铜市场影响相对有限。欧洲方面，各个关键欧盟国家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%。北美加拿大和墨西哥产能同比分别增加了4.8%及1.4%，但美国精铜产出却下降了-9.8%。南美智利和秘鲁因为自然原因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，自其全球产能利用率出现了缓慢回落局面，其中产能利用率由73.1%下降至69.1%，以后至回落到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水平，但未来伴随新冶炼技术不停推广（如闪速冶炼技术等）及伴随铜价走高带来利润效应，相信产能利用率在-会缓慢上涨。

1.3.5 国际铜市场消费情况
全球精炼铜需求在近3年里已逐步走出金融危机晦影，展现出先低后高态势，以后期全球精铜消费有望延续扩张。发生次贷危机对全球精铜消费起到较为严重打压，其中欧洲及北美受灾严重区回撤迹象显著。这种消费不景气在出现了集中释放，欧洲精铜消费同比下降22.8%，北美消费同比下滑22.3%，而全球除中国外精通消费量回撤幅度高达16.3%。转至，伴随全球经济逐步企稳，精铜消费亦出现了回暖迹象。欧洲及北美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%历史新高。在亚洲需求增加强劲带动下，全球精铜消费出现了7.6%年增加率。从历史数据能够看出，全球精铜需求寒冬正逐步过去。

1.4铜冶炼工艺
铜冶金技术发展经历了漫长过程，但至今铜冶炼仍以火法治炼为主，其产量约占世界铜总产量85%，现代湿法冶炼技术正在逐步推广，湿法冶炼推出使铜冶炼成本大大降低。
1.4.1火法冶炼
火法冶炼通常是先将含铜百分之几或千分之几原矿石，经过选矿提升到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，产出熔锍(冰铜)接着送入转炉进行吹炼成粗铜，再在另一个反射炉内经过氧化精炼脱杂，或铸成阳极板进行电解，取得品位高达99.9％电解铜。该步骤简短、适应性强，铜回收率可达95％，但因矿石中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。多年来出现如白银法、诺兰达法等熔池熔炼和日本三菱法等、火法冶炼逐步向连续化、自动化发展。

火法炼铜工艺步骤

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、含铜废矿石堆浸、槽浸选择或就地浸出。湿法冶炼技术正在逐步推广，估计本世纪末可达总产量20%，湿法冶炼推出使铜冶炼成本大大降低。

氧化铜矿酸浸—萃取—电积提铜步骤

2 厂址选择
2.1 厂址选择标准
应符合工业布局及区域性总体计划和城市建设计划要求；要尽可能利用城镇设施，节省资源；要靠近原材料、水、电供给充足和产品销售便利地方，有很好交通运输条件；要注意节省用地，尽可能不占或少占农田，留有发展余地；要有合适自然地形和适宜工程地质、水文、地震等级条件及很好协作条件等。
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。是滑水运动之全部，坐拥全国最大市场集群，被誉为“物流之全部，商贸名城”，是海关特批实施“旅游购物商品通关方法”城市。临沂是中国市场贸易博览会、书圣国际文化节永久举行地。

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。

其中兰山区在山东省东南部，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、小区，总人口88万，流感人口30万（）。

2.2.1 交通运输条件
兰山区地理位置优越，交通四通八达。京沪高速公路和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多个城市航班。含有立体化海陆空交通优势。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，国务院同意对外开放城市，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。春季回暖快速，少雨多风，空气干燥。夏季温高湿大，雨量集中，为整年降水最多季节。秋季气温下降快速，降水变率较大。冬季严寒干燥，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，秋和冬季多北、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，闪电活动逐步呈递增趋势。在山东烟台及呈山头周围，闪电活动密度最小。青岛，崂山和胶州湾周围闪电密度和成山头密度相当，山东省内闪电活动最多区域为山东济南和玉皇项周围。
下图为山东省各站雷暴日数多年平均分布图，由图可知，山东半岛和山东西部雷暴日数较少，鲁北东营、滨州、鲁中山区、和鲁南沂蒙山区雷暴日数较多，最大值重新在莱芜。

2.2.3 土地资源、水资源和电力资源
土地资源
全市土地总面积为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；棕壤、褐土、 潮土、砂姜黑土、水稻土较为丰富。
水体资源
水资源丰富，水质优良，符合人畜饮水和工农业用水标准。年平均年降水量824.8毫米，多年平均年地表水资源量51.6亿立方米，水资源总量59.6亿立方米。 平均年水资源总量54.7亿立方米， 枯水年水资源总量38.2亿立方米，特枯水年水资源总量 22.1亿立方米，现有水利工程平水年可供水量31.8亿立方米，其中地表水可供水量25亿立方米。
电力资源
临沂供电企业是隶属山东电力集团企业国有大二型企业，担负着临沂市九县三区和3个开