年产25万吨电铜的铜电解精炼车间工艺设计已处理.docx
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年产25万吨电铜的铜电解精炼车间工艺设计已处理
年产25万吨电铜的铜电解精炼车间工艺设计
西安建筑科技大学华清学院
毕业设计（论文）任务书
题目:
25万吨/年电铜的铜电解精炼车间工艺设计
院（系）:
冶金工程学院
专业:
冶金工程
学生姓名:
学号:
指导教师:
一、毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数）
1、查阅有关铜电解精炼技术等方面的文献,写出文献综述;说明设计的任务和目的,铜在国民经济建设及有色金属工业的发展概况。
2、根据给定铜阳极成份,设计年产25万吨电铜的铜电解精炼车间,年工作日360天。
铜阳极成份如下表:
元素CuAuAgAsSbNiBiPb
含量%99.30.0620.080.010.0110.1780.0020.032
元素SeTeFeZnSnSO其他
含量%0.0420.050.0010.0030.0040.00150.050.1735
3、工艺计算及主要设备设计计算。
包括工艺流程的选择与论证;按冶炼过程各阶段编制物料平衡表,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,硫酸耗量,电解槽热平衡及蒸汽消耗等;主要设备及辅助设备的计算与选择。
4、绘制工艺流程图及主要设备简图。
5、撰写本科毕业论文。
二、毕业设计（论文）题目应完成的工作（含图纸数量）
1.查阅相关中、英文文献资料不少于15篇（本）;
2.按学校毕业设计规范提交完整的毕业设计说明书1份;
3.绘制工艺流程图1张（1#）,主要设备简图2张（2#）;
4.翻译相关外文资料1篇（约3000字左右）。
三、毕业设计（论文）进程的安排
序号设计（论文）各阶段任务日期备注
1毕业实习3.1~3.14
2查阅相关文献资料,完成文献综述3.15~3.28
3铜电解精炼工艺流程的确定3.29~4.4
4详细工艺计算及主要设备设计计算4.5~5.19
5撰写设计说明书,绘制相应图纸5.20~5.30
6检查、完善设计说明书及图纸,准备答辩5.31~6.11四、主要参考资料及文献阅读任务（含外文阅读翻译任务）
1.阅读有铜电解精炼方面的文献（其中英文文献不少于3篇）;
2.主要参考资料:
朱祖泽,贺家齐.现代铜冶金学,北京:
科学出版社,2003,1.
罗孝玲,Jules.中国铜工业存在的问题及对策探讨.技术经济,2002,12:
7-8.
于润沧.再议我国铜工业发展的若干战略问题.铜工业工程,2001,17:
7-10
曹异生.世界铜工业进展及前景展望.世界有色金属,1997,4:
17-21.
黄海根,余斌,张绍才.铜工业的近来走势与发展对策探讨.矿产保护与利用,2004,42:
8-12.
五、审核批准意见教研室主任签（章）
25万吨/年电铜的铜电解精炼车间工艺设计
专业:
冶金工程
学生:
朱浪涛
指导教师:
张秋利
设计总说明
铜电解精炼过程,主要是在直流电的作用下,铜在阳极上失去电子后以铜离子的形态溶解,而铜离子在阴极上得到电子以金属铜的形态析出的过程。
目前世界铜冶炼厂使用的主要熔炼工艺为闪速熔炼和熔池熔炼,其中熔池熔炼包括诺兰达连续炼铜法、艾萨熔炼法、瓦纽科夫法。
本设计为年产25万吨电铜的铜电解精炼车间,铜的电解精炼是以火法精炼产出的精铜为阳极,以电解产出的薄铜（始极片）作阴极,以硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液。
在直流电的作用下,阳极铜进行电化学溶解,纯铜在阴极中沉积,杂质则进入阳极泥和电解液中,从而实现了铜与杂质的分离,确定了铜电解过程中的主要技术经济指标。
本设计还进行了物料平衡、热平衡、水平衡、主要设备及辅助设备的计算与选择。
进一步提高铜电解精炼的技术水平,从而达到对铜电解精炼技术有更深刻了解的目的。
关键字:
铜;电解精炼;平衡计算;设计
TheProcessDesignofElectrolyticRefiningWorkshopwithAnnualOutput250,000TonsElectrolyticCopper
Specialty:
Metallurgicalengineering
Name:
Zhulangtao
Tutor:
Zhangqiuli
DesignDescription
Thecopperelectrolysisfiningprocessismainlyunderthedirectcurrentfunction,copperlosestheelectronaftertheanodebycupricionshapedissolution,butthecupricionobtainstheelectrononthenegativepolebythemetalcoppershapeseparationprocess.Atpresenttheworldcopperrefineryusemainsmeltingcrafttododgethefastsmeltingandthemoltenbathsmelts,themoltenbathsmeltsincludingtheLandacontinualcoppersmelting,Isasmelts,NiuShinaosmelts.
Originallydesignedtoproduceper250,000thefirstelectrolyticcopperrefinetheworkshop,refiningtheprecisecopperproducedelectrolyticallyandconciselyasthepositivepolewithfirelawofcopper,takecoppersulficacidandaqueoussolutionofthesulfuricacidastheelectrolyticliquidverymuchwiththeelectrolyticthincopperbeginningthatproduces.Underthefuncitionofthedirectcurrent,positivepolecoppercarriesonelectrochemistrytodissolve,purecopperisdepositedinthenegativepole,theimpurityisenteredinpositivepolemudandelectrolyticliquid,thusrealizedtheseparationofthecopperandimpurity,haveconfirmedthemaintechnicalandeconomicindexintheelectrolyticcourseofcopper.Haveoriginallydesignedandalsocarriedonsuppliesequilibrating,calculationandchoiceofthethermalbalance,horizontalweighingapparatus,capitalequipmentandauxiliaryequipment.Furtherimprovethestandardoftheelectrolyticrefiningandreachedfortherefinementoftheelectrolytictechnologyisaprofoundunderstandingofpurpose.
Keywords:
Copper;Electrorefining;balancedcomputing;design
1文献综述6
1.1铜的简介6
1.2铜生产技术7
1.2.1传统炼铜技术7
1.2.2现代炼铜技术7
1.2.3冰铜吹炼7
1.2.4铜的精炼7
1.2.5湿法炼铜8
1.3铜的电解精炼9
1.3.1铜电解精炼现状9
1.3.2铜电解精炼的基本原理9
1.3.3铜电解精炼中杂质的主要行为11
2设计原则及要求14
2.1设计原则14
2.2设计要求14
2.3主要设备及辅助设备的计算与选择14
2.4冶金计算15
2.5制图内容和要求15
3主要设备的计算与选择16
3.1电解槽16
3.1.1电解槽的材质16
3.1.2电解槽的构造16
3.1.3电解槽衬里的材质17
3.1.4电解槽的安装17
3.1.5阳极18
3.1.6阴极19
3.1.7种板19
3.2电解槽各有关设备选择和计算20
3.3整流器的选材及计算22
3.4车间运输设备的选择与计算22
3.5车间及跨的选择23
3.6极板作业机组23
4主要技术经济指标的论证与选择25
4.1主要技术条件25
4.1.1电解液的组成25
4.1.2添加剂26
4.1.3电解液温度26
4.1.4电解液循环27
4.1.5电流密度27
4.1.6同极中心距27
4.1.7阳极寿命和阴极周期27
4.2主要经济指标28
4.2.1电流效率28
4.2.2残极率29
4.2.3铜电解回收率29
4.2.4槽电压29
4.2.5直流电能单位消耗30
4.2.6硫酸单位消耗30
4.2.7蒸汽单位消耗30
5冶金计算31
5.1铜电解精炼物料平衡计算31
5.1.1阳极泥率和阳极泥成分计算31
5.1.2电解精炼物料计算32
5.2铜电解精炼热平衡计算34
5.2.1计算电解槽液面水蒸发热损失35
5.2.2电解槽液面的辐射与对流的热损失35
5.2.3电解槽壁的辐射与对流热损失36
5.2.4管道内溶液热损失36
5.2.5电流通过电解液所产生的热量36
5.2.6全车间需要补充热量37
5.3电解液净化及硫酸盐生产冶金计算37
5.3.1净液量计算37
5.3.2硫酸铜的物料平衡计算38
5.3.3脱铜电解物料平衡计算40
5.3.4粗硫酸镍生产计算41
5.4电解循环系统设备及管道计算42
5.4.1循环贮槽材质及容积确定42
5.4.2高位槽43
5.4.3阳极泥贮槽43
5.4.4电解液循环泵43
5.4.5电解液加热器43
6厂址选择46
6.1厂址的选择依据46
6.2厂址选择47
7环保与安全48
7.1环境保护48
7.2安全生产48
致谢50
参考文献51
附:
专题52
1文献综述
1.1铜的简介
铜是人类最早发现和应用的金属之一,据考证,西亚地区是世界上最早应用铜并掌握炼铜技术的地区。
在靠近西亚的土耳其南部的查塔尔萤克发现的含有铜粒的炉渣距今已有8000~9000年的历史。
我国是世界四大文明古国之一,大批出土文物表明,我国在夏代就进入了青铜时期,在甘肃马家窑文化遗址发现的青铜刀,距今已达5000年,湖北大冶铜绿山矿附近的古矿冶遗址距今已达2500~2700年。
该矿址已出土8座竖炉,炉周边堆放着大量炼铜炉渣和金属铜。
19世纪后期转炉的出现引发了炼铜工艺大改革。
用转炉吹炼铜硫,简化了流程,缩短了周期。
1865年欧洲出现了电解精炼,从而使铜的纯度大大提高。
上世纪20年代以前,火法熔炼大多采用鼓风炉,到70年代则以反射炉熔炼为主。
自上世纪60年代以来,以闪速熔炼为代表的一批强化冶炼新工艺,逐渐取代了反射炉熔炼。
我国虽然很早就生产和应用铜,但直到1949年新中国建立前,我国炼铜工业一直处于落后地位,全国仅有几个小的再生铜冶炼厂。
新中国成立后我国整个工业水平迅速提高,从上世纪50年代后期开始,我国逐渐建立起几座现代化炼铜厂,近20年来,几乎世界上的各种先进炼铜工艺都在我国得到应用,近年来我国的铜产量已跃居世界前列。
现行炼铜方法分为火法和湿法两大类。
火法炼铜的简要流程为“熔炼?
?
吹炼?
?
火法精炼?
?
电解精炼”;湿法炼铜的简要流程为“焙烧?
?
侵出?
?
电积”。
近年来,尽管湿法炼铜,尤其是细菌侵出炼铜方面发展很快,但目前世界上所产的铜仍有80%以上来自火法工艺,在我国更是高达95%以上。
铜电解精炼得到的产品称为阴极铜。
阴极铜中含有一定量的杂质时,铜的电导性、可塑性变差,影响铜加工产品的使用性能,因此工业上要求阴极铜中的杂质含量要低。
随着铜矿的逐步开发,原料品味逐渐下降,杂质的含量不断升高（尤其是砷锑）,但在铜冶炼过程中,火法冶金不能有效除去As、Sb、Bi等杂质,产出阳极铜的杂质含量往往比较高。
这些杂质必须经过电解精炼才能有效除去[1]。
由于铜的优良传导性,机械强度大,延展性好,鲜艳的金属光泽等,使铜一度成为有色金属之首。
1.2铜生产技术
1.2.1传统炼铜技术
中世纪末,德国和英国发明了从硫化矿中生产铜,采用小型鼓风炉熔炼。
约在1700年英国创立了反射炉熔炼,进入20世纪,相继出现了大型鼓风炉和反射炉炼铜,随后又出现了电炉炼铜。
（1）鼓风炉熔炼。
鼓风炉适宜处理块状物料,因其生产效率低和环境污染等问题,现已逐步被淘汰。
（2）反射炉熔炼。
20世纪初随着粉状铜精炼大量出现,反射炉逐渐成为主要炼铜手段。
后来,由于石油危机和环境压力,污染严重和高能耗的反射炉逐渐被一些现代炼铜工艺所取代。
少数反射炉经富氧和炉子结构现代化改造保留了下来。
（3）电炉熔炼。
在电价便宜或精矿含高熔点物料时适宜电炉熔炼,首先在北欧国家应用。
1.2.2现代炼铜技术
为节能和减轻环境污染,半个世纪来相继研制和创立了许多新的炼铜工艺,统称为现代炼铜技术,其共同特点是:
为节能和减轻污染,将焙烧和熔炼作业合并到一个反应器中完成;
不断提高燃料空气中氧量,甚至采用纯氧;
余热利用以及采用预热鼓风;
不用或仅用少量辅助燃料。
这些措施导致:
生产效率高;能耗低;烟气SO2浓度高。
普遍缺点是:
渣含铜量高,需要进一步处理。
闪速熔炼的主要方法有:
诺兰达法;三菱法;瓦钮可夫法;艾萨法[2]。
1.2.3冰铜吹炼
传统的冰铜吹炼设备是卧式转炉,现在全世界有上1000台这种转炉在操作。
比利时霍波肯公司开发了一种虹吸式转炉,由于炉子特殊结构和作业,是转炉烟气SO2浓度达到12%,环境污染大大减轻。
上述提到的许多现代化火法炼铜工艺本身也包括冰铜吹炼过程,而且许多还是连续吹炼,如诺兰达法、三菱法等。
新近开发的闪速熔炼-闪速吹炼,已在其他铜厂应用。
1.2.4铜的精炼
传统的铜精炼大致为三个过程:
火法精炼;点解;阴极重熔和铸锭。
（1）间歇式火法精炼。
主要设备有发射炉、阳极转炉和阳极鼓风炉（用于固体料）,还原剂有各种碳质还原剂、天然气、石油气以及氨等。
（2）连续火法精炼
1）HCCR法。
由Humboldt公司开发。
第一室加入液态或固态粗铜;第二室用氧气氧化;第三室用甲烷或丙烷还原。
2）Contimelt法。
由北德精炼公司和霍波肯公司联合开发。
由鼓风炉和圆筒炉用溜槽相连组成。
鼓风炉加料、融化和氧化;圆筒炉还原。
阳极浇铸:
传统的圆盘浇铸还在许多中小铜厂应用。
点解:
世界80%以上精铜由电解法产出。
3电极制备和处理的全机械化,在奥托昆普公司,霍波肯公司等广泛应用。
4）巨型电解槽应用。
1972年首先在小名兵精炼厂应用,巨型槽有效使用容积式普通槽20倍,阴、阳极周期相同,为10天,极距10毫米,电解液与电极表面呈不平行流动。
5）艾萨电解法。
由艾特公司开发,首先汤斯韦尔铜精炼厂应用。
工艺特点是采用不锈钢阴极,并由锌生产中移植机械化阴极剥离技术,电流密度和电流效率都比一般铜电解高,并节省劳力,世界已有30几家铜精炼厂应用[3]。
1.2.5湿法炼铜
目前,世界湿法炼铜约占铜的大部分,主要产品是电解铜或置换铜。
（1）浸出方法主要有:
1）就地浸出,处理零星矿或残矿;
2）块矿堆浸出或堆摊浸出;
3）细矿槽浸出或渗滤浸出;
4）加压浸出。
采用的浸出剂有“三酸”、三价铁盐、氧-铵溶液、CuCl2、二价铬酸盐等。
细菌浸出主要有铁氧杆菌等,也获得了广泛应用。
（2）溶剂萃取。
这是从稀铜浸出液中富集铜最普遍应用的方法。
当前有两种最重要的铜萃剂系列:
德国汉高公司的LIX系列和美国阿希兰德公司的Kelex系列。
新近开发的新萃取剂增加了溶剂萃取的重要性。
（3）固体离子交换。
虽不像溶剂萃取那么广泛应用,但在溶液净化、废水处理等方面亦有应用。
（4）置换。
加铁从铜溶液中置换铜是很古老的方法,一般铜回收率是60%~90%,置换铜多用火法精炼,少数较纯置换铜用于生产硫酸铜。
（5）电积。
电积与容积萃取配套,是当今湿法炼铜应用最广泛的工艺。
电积电耗一般2000~2600kWh/tCu,通常采用铅-锑不溶阳极。
智利丘基卡马塔用Chilex阳极;新进出现了钛阳极,表面有一层铂族涂层。
钛有抗腐蚀、节能和阳极不会被铜污染等优点[4]。
1.3铜的电解精炼
1.3.1铜电解精炼现状
铜的火法精炼一般能产出含铜99.0%~99.8%的粗铜产品,但仍然不能满足电气工业对铜的性质的要求,其他工业也需要使用精铜。
因此,现代几乎所有的粗铜都经过电解精炼,以除去火法精炼难以出去的杂质。
铜的电解精炼,是将火法精炼的铜浇铸成阳极板,用纯铜薄片作为阴极片。
相间地装入电解槽中,用硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液,在直流电的作用下,阳极上的铜和电位较负的贱金属溶解进入溶液,而贵金属和某些金属（如硒、碲）不溶,成为阳极泥沉于电解槽底。
溶液中的铜在阴极上优先析出,而其他电位较负的贱金属不能在阴极上析出,留于电解液中,待电解液定期净化时除去。
这样,阴极上析出的金属铜纯度很高,称为阴极铜或电解铜,简称电铜。
含有贵金属和硒、碲等稀有金属的阳极泥,作为铜电解的一种副产品另行处理,以便从中回收金、银、硒等元素。
在电解液中逐渐积累的贱金属杂质,当其达到一定的浓度后,会妨碍电解过程的正常进行。
例如,曾加电解液的电阻和密度,使阳极泥沉降速度减慢,甚至在阴极上与铜一起放电,影响阴极铜的质量,因此必须定期定量地抽出净化,并相应地向电解液中补充新水和硫酸。
抽出的电解液在净化过程中,常将其中的铜、镍等有价元素以硫酸盐的形态产出,硫酸则返回电解系统重复使用。
在电解车间,通常设有几百个甚至几千个电解槽,每一个直流电源串联其中的若干个电解槽成为一个系统。
所有的电解槽中的电解液必须不断循环,使电解槽内的电解液成分均匀。
在电解液循环系统中,通常设有加热装置,以将电解液加热至一定的温度。
近十年来,我国铜电解精炼操作技术有很大改进,操作电流密度大幅度提高[5],使生产得到强化。
进行了周期反向电流电解试验,操作电流密度达到400A/m2。
1.3.2铜电解精炼的基本原理
传统的铜电解精炼是采用纯净的电解铜薄片作阴极,阳极铜板含有少量杂质（一般为0.3%~1.5%）。
电解液主要为含有游离硫酸的硫酸铜溶液。
由于电离的缘故,电解液中的各组分按下列反应生成离子:
CuSO4Cu2++SO42-
H2SO42H++SO42-
H2OH++OH-
在未通电时,上述反应处于动态平衡。
但在直流电通过电极和溶液的情况下,各种离子作定向运动,在阳极上可能发生下列反应:
种板阳极初始片阳极
初始片残极阳极泥电解液电解液电铜阳极泥残极
送电解返火法送阳极送阳极返火法
精炼精炼泥处理泥处理精炼
再生铜粗硫酸镍结晶硫酸铜粗硫酸
返火法精炼生产精制硫酸镍返回电解精炼
图1.1铜电解精炼一般工艺流程图
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。
此外,杨的析出还具有相当大的超电位。
因此,在铜电解精炼过程中不可能发生水放电,只有当铜离子的浓度达到极高或电解槽内阳极严重钝化,使精炼电压升高至1.7V以上时才可能有氧在阳极上放出。
至于SO42-离子的放电反应,因为其电位更正,故在铜电解精炼过程中式不能进行的。
在阴极上可能发生下列反应:
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:
表1-1上式在不同温度下的平衡数据
温度（℃）1016050403021
KCu1.6×1034.2×1041.0×1052.5×1057.0×1052.0×106
综上所述,铜电解精炼过程,主要是在直流电的作用下,铜在阳极上失去电子后以Cu2+的形态溶解,而Cu2+在阴极上得到电子以金属铜的形态析出的过程。
除此之外,还不可避免地有Cu2+的产生,并引起一系列的副反应,使电解过程复杂化。
根据以上情况,可以认为铜电解精炼时较有利的工作条件是:
电解液中含有足够高的游离硫酸和二价铜离子;电解液的温度不宜过高;采用足够高的电流密度;尽量减少电解液与空气的接触[6]。
1.3.3铜电解精炼中杂质的主要行为
在电解精炼过程中,阳极铜中的各种杂质的行为,按其电位序可分为四类:
（1）比铜更负电性的元素。
如:
锡、锌、铁和镍,大部分进入电解液,并在电解液中积累,需定期净化除去;当阳极溶解时,以金属形态存在的该类杂质均电化溶解,并以二价离子形态进入溶液,其中铅、锡由于产生难溶的盐类或氧化物,大部分转入阳极泥,其余则在电解液中积累。
共同特点是:
消耗溶液中的硫酸,增加溶液的电阻。
锌、铁和锡都是在火法精炼中容易除去的杂质,在阳极中含量很低。
锌在阳极溶解时,全部成为硫酸锌进入电解液;铁以Fe2O3形式存在于铜晶体间的缝隙中,阳极溶解时绝大部分以二价形式进入电解液;锡在阳极溶解时最终水解为溶解度不大的碱式盐,沉入槽底成为阳极泥。
铅主要生成PbSO4进入阳极泥。
镍是火法精炼时难以除去的杂质。
为了提高冶炼流程中镍的综合利用率,火法精炼时,力求将镍最大限度地以金属镍的形式保存在阳极泥中,即调铜保镍。
实践表明,镍在阳极上的溶解与阳极含氧量有很大的关系。
阳极含氧量低,镍绝大部分进入溶液;阳极含氧量高,则镍很大部分进入阳极泥。
（2）比铜更正电性的元素。
如:
金、银、铂和钯,一般以金属状态进入阳极泥;银、金和铂族元素比铜具有较大的正电性,但他们通常只以很小的浓度与铜形成固溶体,若浓度较高,则形成过饱和溶体。
对阳极泥进行的物相分析结果发现,阳极泥中绝大部分的银以硫酸银形式存在,少量以氯化银存在,以金属银形式存在的更少,而且氯化银相与硫酸银相混合;而金几乎100%地进入阳极泥,阴极铜含有极微量的金,是阳极泥的机械粘附所引起的。
（3）电位接近于
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