年产16万吨阴极铜铜电解车间设计大学论文.docx
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年产16万吨阴极铜铜电解车间设计大学论文
本科毕业设计（论文）
冶金与化学工程学院冶金工程专业级（2013届）班学生
题目：
年产16万吨电铜电解车间设计
原始依据：
本设计是在原贵溪冶炼厂三系统ISA电解精炼铜车间的基础上设计，利用实习期间所搜集到数据以及厂内教员的指导，根据冶金物料平衡计算设计一座年产16万吨电解车间。
查阅一些有关车间设计以及冶金方面的资料。
原始数据:
产量要求：
年产量为16万吨
阳极成分（表1）：
表1阳极成分表
元素
Cu
As
Sb
Bi
Ni
Fe
Pb
含量
99.41
0.035
0.035
0.01
0.245
0.004
0.09
元素
Se
Te
Au
Ag
S
Zn
其它
含量
0.045
0.043
0.002
0.067
0.003
0.001
电解铜回收率：
99.8%；
电铜品位：
99.9935%；
残极率：
15%
主要内容和要求：
1.设计说明书；应包含如下内容：
设计概述；厂址的选择与论证；工艺流程的选择与论证；技术条件的选择与论证；经济指标的选择与论证；冶金计算；主要设备的选择与计算；车间环保与三废处理、技术经济的简要分析。
2.图纸；绘制车间平面配置和立面配置图（0#图纸）、设备连接图（1#图纸），电解槽结构图（1#图纸）。
主要（技术）要求：
1．写实习报告一份。
2．用CAD绘制设备图和至少一张手工图纸。
3．完成设计说明书一篇。
4．翻译外文资料一篇。
5.小论文一篇。
日程安排：
第4周查阅文献资料，翻译一篇英文资料，写出文献综述
第5周提交开题报告，确定合理工艺流程，应用相关知识进行必要计算
第6周完成概述和厂址的选择与论证
第7周完成工艺流程、技术条件和经济技术指标的选择与论证
第8周完成电解和净液工段的冶金计算及物料衡算
第9周完成主要设备选型计算和车间配置与安排
第10周完成车间环保和技术经济分析与评价
第11周完成工艺流程图或设备连接图和电解槽结构图
第12周完成车间平面和立面配置图
第13周初步完成设计说明书
第14周修改设计说明书、编辑论文
第15周老师评阅设计、学生准备答辩
第16周毕业答辩
主要参考文献：
[1]朱祖泽、贺家齐.现代铜冶金学[M].北京：
科学出版社，2003
[2]蔡祺风.有色冶金工厂设计基础[M].北京：
冶金工业出版社，1991：
65～71
[3]陈国发.重金属冶金学[M].北京：
冶金出版社，2010
[4]《重有色金属冶炼设计手册》编写组.重有色金属冶炼设计手册（铜镍卷）[M].北
京：
冶金工业出版社，1996
[5]姚素平.永久阴极铜电解技术述评[J].2000，3（20）:
12～18
[6]赵欣.铜电解新技术的应用[J].2008，29（4）:
9
[7]李公建.浅谈铜电解生产过程中降低槽电压的途径[J]，2010，29（3）：
71～72
[8]刘道德.大学生毕业设计指导教程（冶金、选矿、化工分册）[M].长沙：
中南大学出
版社，2004
[9]邱栋良.冶金起重机选用指南[J].
[10]张文毓.钛制板式换热器在海水淡化中的应用[J].2009，26
（1）：
32
[11]《有色金属冶炼设备》编委会编.湿法冶金设备[M].北京：
冶金工业出版社1993
[12]姜国民.浅谈ISA法阴极铜加工机组[J].2005，42
（2）:
42
[13]成大先.机械设计手册（常用工程材料）[M].北京：
化学工业出版社，2004
[14]袁一.化学工程师手册[M].北京：
机械工业出版社，1999
[15]刘会巨.铜电解车间的防腐[J].2009，5（13）:
12～16
[16]李著华.论铜电解车间的采暖通风[J].2001，2:
47～48
[17]《化学工程师手册》编写组.化学工程师手册[M].北京
[18]师利熙.有色金属工业项目技术经济分析[M].北京：
冶金工业出版社，1998
[19]郭鸿发等.冶金工程设计第1册[M].北京：
冶金工业出版社，2006
[20]云正宽等.冶金工程设计第2册[M].北京：
冶金工业出版社，2006
本科毕业设计（论文）开题报告
冶金与化学工程学院冶金工程专业级（2013届）班学号学生
设计题目：
年产16万吨电铜电解车间设计
本课题来源及研究现状：
1.本课题来源
随着社会的发展，人类对资源的需求越来越高。
比如铜资源。
截至2006年底，我国铜矿查明资源储量7048万吨，其中，基础储量3070万吨，占43.6%。
我国铜矿类型繁多，主要类型有斑岩型、砂页岩型、黄铁矿型、硅卡岩型和铜镍硫化物型等五大类，分别占总资源储量的44.4%、23.5%、11.9%、11.8%和6.7%，合计占总资源储量的98.3%。
国家统计局数据显示，中国铜精矿产量2008年为93.57万吨，2009年为101.35万吨，2010年为126.1万吨，2011年截止到5月份累计铜精矿产量50.7万吨，去年同期为46.7万吨，产量同比增加8.56%。
但是，经过多年的开采，7大铜业基地现大多已进入中晚期，并出现了不同程度的资源危机。
在7大铜矿基地中，除江西铜基地的资源相对充足外，白银铜基地资源已经枯竭；云南铜基地的易门、牟定已列入关闭矿山，东川、大姚保有储量严重不足；中条山铜基地已经“三矿变一矿”，其中蓖子沟、胡家峪铜资源已经枯竭，铜矿峪资源虽保有一定储量，但品位太低；大冶铜基地的5座铜矿山中，有两座资源已经枯竭；铜录山、丰山洞等矿山也已出现资源危机。
资源是有限，只有优化生产方法，提高资源利用率，才是目前急需解决的问题。
应要求现需设计一个年产16万吨铜电解精炼车间。
2.研究现状
现今铜电解精炼的方法主要有传统法和ISA法电解精炼。
其中ISA法为主要电解方法，以不锈钢板为阴极，用硫酸和硫酸铜的水溶液座位电解液，在直流电的作用下，阳极上的铜溶解进入溶液，溶液中的铜离子在阴极上析出。
当前国际市场上包括伦敦金属交易所，对电铜质量要求愈来愈高。
各国现行的电铜质量标准及国际标准ISO已不能全面反映电铜质量特性。
阳极铜的物理质量和化学质量，对电铜质量影响很大，尤其是阳极中所含的各种元素，对阳阳极泥的生成结构与阳极钝化有着十分密切的关系，并受电解条件的制约。
目前开采化学成份复杂的贫矿，大量增加多种精矿的购买量，所有这些原因均会造成铜电解系统杂质含量
课题研究目标、内容、方法和手段：
目标：
了解铜电解精炼的原理及电解车间的运作过程。
通过在贵溪冶炼厂实习，理论结合实践，将实习期间所获取的技术参数与设备技术指标应用于设计电解车间当中。
对ISA电解精炼了解更加的更加深刻，对生产的流程、工作条件、注意事项、应急措施、不足之处等都有了新的认识。
内容：
将收集的数据对电解车间进行设计，画出车间平面布置图。
方法和手段：
使用AutoCAD制图软件绘图。
设计（论文）提纲及进度安排：
设计提纲：
进度安排：
第4周查阅文献资料，翻译一篇英文资料，写出文献综述
第5周提交开题报告，确定合理工艺流程，应用相关知识进行必要计算
第6周完成概述和厂址的选择与论证
第7周完成工艺流程、技术条件和经济技术指标的选择与论证
第8周完成电解和净液工段的冶金计算及物料衡算
第9周完成主要设备选型计算和车间配置与安排
第10周完成车间环保和技术经济分析与评价
第11周完成工艺流程图或设备连接图和电解槽结构图
第12周完成车间平面和立面配置图
第13周初步完成设计说明书
第14周修改设计说明书、编辑论文
第15周老师评阅设计、学生准备答辩
第16周毕业答辩
参考文献和书目：
[1]朱祖泽、贺家齐.现代铜冶金学[M].北京：
科学出版社，2003
[2]蔡祺风.有色冶金工厂设计基础[M].北京：
冶金工业出版社，1991：
65～71
[3]陈国发.重金属冶金学[M].北京：
冶金出版社，2010
[4]《重有色金属冶炼设计手册》编写组.重有色金属冶炼设计手册（铜镍卷）[M].北
京：
冶金工业出版社，1996
[5]姚素平.永久阴极铜电解技术述评[J].2000，3（20）:
12～18
[6]赵欣.铜电解新技术的应用[J].2008，29（4）:
9
[7]李公建.浅谈铜电解生产过程中降低槽电压的途径[J]，2010，29（3）：
71～72
[8]刘道德.大学生毕业设计指导教程（冶金、选矿、化工分册）[M].长沙：
中南大学
出版社，2004
[9]邱栋良.冶金起重机选用指南[J].
[10]张文毓.钛制板式换热器在海水淡化中的应用[J].2009，26
（1）：
32
[11]《有色金属冶炼设备》编委会编.湿法冶金设备[M].北京：
冶金工业出版社1993
[12]姜国民.浅谈ISA法阴极铜加工机组[J].2005，42
（2）:
42
[13]成大先.机械设计手册（常用工程材料）[M].北京：
化学工业出版社，2004
[14]袁一.化学工程师手册[M].北京：
机械工业出版社，1999
[15]刘会巨.铜电解车间的防腐[J].2009，5（13）:
12～16
[16]李著华.论铜电解车间的采暖通风[J].2001，2:
47～48
[17]《化学工程师手册》编写组.化学工程师手册[M].北京
[18]师利熙.有色金属工业项目技术经济分析[M].北京：
冶金工业出版社，1998
[19]郭鸿发等.冶金工程设计第1册[M].北京：
冶金工业出版社，2006
[20]云正宽等.冶金工程设计第2册[M].北京：
冶金工业出版社，2006
指导老师审核意见：
指导教师签字：
年月日
摘要
本文主要要是设计一座年产16万吨电解铜精炼车间设计，在工艺上选择了先进的ISA法铜电解精炼工艺。
根据已有的数据，进行了厂址的选择、物料平衡计算、热平衡计算和设备选型的计算，在计算的基础上设计出电解槽的槽型，并完成了设备的选型和车间布局的设计，最后对本项目的经济效益进行了概算。
绘制出电解槽的结构图，工艺流程图以及车间平面图、立剖图。
本设计所生产的电铜纯度为99.9935%，电解过程所使用电流强度为25000A，槽电压为0.3V，电流密度为320A/m2，电解液温度是60℃，电解液循环速度为30L/min，电解槽设计内尺寸为4495×1110×1320/1503mm，电解槽数为740个，车间采用双跨布置。
关键词：
铜电解精炼；工艺设计；电解槽；物料平衡；设备选型；车间布置
ABSTRACT
Themaincontentsaredesignedannualproductioncapacityof160,000tonsofelectrolyticcopperrefiningadesignworkshop.Accordingtotheexistingdatatocompletethematerialbalancecalculations,thermalbalancecalculationandequipmentselectioncalculations.Basedonthecalculation,designedelectrolyzertanktype,andcompletedtheselectionoftheequipmentandthedesignofworkshoplayout,finallyestimatestheeconomicbenefitsofthisproject.Mapoutthestructureofthecelldiagram,processflowdiagramandworkshopplanandverticalsection.Thedesignoftheproductionofelectricalcopperpurityof99.9935%,theelectrolysiscurrentintensityisusedas25000A,Cellvoltagewas0.3V,acurrentdensityof320A/m2,electrolytetemperatureis60℃,electrolytecirculationrateof30L/min,theinnerdimensionofcelldesign4495×1110×1320/1503mm,cellnumberis740,workshopwithdoublecrosslayout.
Keywords:
Electrolyticrefiningofcopper;technologicalprocessdesign;electrolyzer；Materialbalance;EquipmentSelection;plantlayout
第一章概述
1.1铜的性质
铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。
铜原子量63.54，密度8.92，熔点1083℃，沸点2567℃。
纯铜呈浅玫瑰色或淡红色，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫铜色。
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。
1.2铜的用途
铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛应用于电气、电子、机械制造、建筑、国防等工业领域。
铜及其合金的消费量仅次于钢铁和铝。
铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，发电机的线圈、电线、电缆等都是用铜制造的。
铜用于制造各种子弹、枪炮和飞机、舰艇的热交换器等部件，还用于制造轴承、活塞、开关、阀门及高压蒸汽设备等，其他热工技术、冷却装置、民用设备等也广泛使用铜和铜合金。
1.3铜资源的分布及开采进展
铜资源广泛分布在世界各个国家和地区，其中储量最多的是智利和美国，分别占世界铜储量基础的24.6%和13.8%。
其它储量较多的国家还有秘鲁、中国、波兰、赞比亚、俄罗斯、墨西哥、印度尼西亚、加拿大、哈萨克斯坦、刚果（金）和菲律宾等。
我国铜矿分布广泛，江西、西藏和云南的储量最多，这3个省区的储量占全国铜矿储量的47.1%，铜储量较多的还有甘肃、安徽、内蒙古、山西、湖北、黑龙江等6省区。
以上9省区的储量合计占全国铜矿总储量的80%。
我国已开发的铜矿主要分布在自然地理条件较好、经济较发达、地质勘查工作相对集中的东部、中部和南部各省（区），在这些省（区）内，已探明的大中型铜矿床，凡其矿区建设、水、电和交通运输等外部条件较优越，开采技术条件和矿石选冶技术条件较好的绝大多数矿床都已开发，并形成了江西、铜陵、大冶、白银、中条山、云南、东北7大铜业基地。
但是，经过多年的开采，7大铜业基地现大多已进入中晚期，并出现了不同程度的资源危机。
在7大铜矿基地中，除江西铜基地的资源相对充足外，白银铜基地资源已经枯竭；云南铜基地的易门、牟定已列入关闭矿山，东川、大姚保有储量严重不足；中条山铜基地已经“三矿变一矿”，其中蓖子沟、胡家峪铜资源已经枯竭，铜矿峪资源虽保有一定储量，但品位太低；大冶铜基地的5座铜矿山中，有两座资源已经枯竭；铜录山、丰山洞等矿山也已出现资源危机。
近几年来随着铜矿找矿、勘探需求的增长，地质工作的机制也在发生变化，如有的企业对矿山二轮找矿给予吨金属级补贴，或与地勘队伍建立双赢的长期合作机制，对有前景的区域投资组织专家进行区域地质论证和技术攻关，大的矿山和冶炼企业逐步成为铜资源勘探投资的主体。
1.4铜的消费现状
1998年中国开放铜民用消费市场以来，精铜消费量逐年不断增加，年平均增长率约为13.7%。
2002年，中国超过美国成为世界上精铜消费量第一大国，之后一直保持“霸主”地位。
据安泰科07年3月提供的数据，2006年全球精铜消费量达到1766.1万吨，而中国精铜消费量为380万吨，约占全球消费总量的21.52%。
但由于铜价的大幅上扬，在汽车运输、家电、建筑等行业，铜需求受到一定程度的抑制甚至替代，从而使得2006年国内铜消费增长速度继续放缓。
有色金属工业协会的数据显示，2006年中国铜加工材产量为506.5万吨，同比增长8.51%，增幅较05年同期的12.70%继续回落。
2006年中国精铜消费量同比增长5.56%，增幅也低于05年的9.1%。
中国铜矿产量不是特别高，但精铜产量上升很快，1998～2006年年平均增长率约为11.56%。
精铜产量位世界第二，仅次于智利。
2006年全球精铜产量为1743.7万吨，而中国精铜产量为292.5万吨，约占全球产量的16.77%。
这主要是由于铜价的上涨，国内几乎所有主要的铜生产企业产量都有所增长。
中国的进口量和出口量也是逐年增加，在库存释放、产量快速增加、需求增速回落等多种因素的共同影响下，2006年国内精铜进口出现大幅降落，据中国海关总署统计，2006年国内精铜进口量为82.7万吨，同比大幅减少了32.3%。
受铜价大幅上涨的刺激，2006年中国的铜精矿含铜产量增幅继续扩大，达到75.5万吨，居世界第6位，比05年同比增长了15.98%，成为近年来增幅最大的一年。
铜精矿产量的增长主要来自铜陵有色集团公司、金川集团公司、新疆阿舍勒铜业公司、云南楚雄矿冶公司和巴彦二淖尔西部铜业公司，这些公司2006年的铜精矿含铜产量分别比上年增长了24.1%、14.3%、99.0%、20.6%和49.0%，达到4.64万吨、3.43万吨、3.00万吨、2.89万吨和2.15万吨，总计增加产量4.02万吨，为2006年中国铜精矿产量增长贡献了大部分力量。
2006年，精铜产量达到20万吨的企业数量由2005年的3家（铜陵、江铜、云铜）增加为5家（铜陵、江铜、云铜、大冶、金川）。
10万吨以上的企业数量也从6家增至7家。
铜陵有色集团精铜产量突破50万吨至54.48万吨，占全国总产量的18.17%，居全国铜生产企业精铜产量之首。
产量超过20万吨的5家企业产量占全国总产量58.42%。
产量超过10万吨的7家企业总产量占全国总产量的67.2%。
表中所列的14家企业除白银有色和上海大昌2家企业06年的产量较05年有小幅减少外，其他12家企业均增加了产量。
14家06年产量超过5万吨的企业产量之和占全国总产量的比例也从05年的82.49%上升到了06年的85.28%。
1.5铜冶炼技术
1.5.1世界铜冶炼发展
自20世纪60年代以来，世界铜冶炼【1】技术有了长足的进步，主要表现在：
（1）传统的冶炼工艺迅速的被新的强化冶炼工艺所取代，到目前为止世界上大约有110座大型冶炼厂，其中采用传统工艺的冶炼厂仅剩下1/3，其余2/3的工厂已采用新的强化工艺进行铜的生产。
现在，奥托昆普闪速熔炼和各种熔池熔炼工艺，已经成为主流炼铜工艺。
（2）氧气利用更为广泛，富氧浓度大大提高。
（3）各炼铜厂的装备水平和自动化水平都大大提高。
（4）计算机DCS集散控制系统已为更多的冶炼厂采用，使得冶炼工艺的控制更为精准。
（5）冶金工艺参数的测定更为先进，测定的数据更为可靠，如艾萨炉熔池，温度直接连续测定的实现可使熔池温度控制在±5℃左右。
有价金属的综合回收率进一步提高，综合能耗进一步降低，劳动生产率进一步提高，冶金环境进一步改善。
（6）湿法炼铜工艺有了更大的发展。
1.5.2我国铜冶炼技术发展现状
近几十年来我国的铜工业发生了翻天覆地的变化，火法冶炼的技术得到了迅速的发展。
贵溪冶炼厂和金隆公司的闪速熔炼炉在经过改造，技术水平有了很大的提高。
云铜已采用艾萨法代替电炉熔炼，金昌冶炼厂和侯马冶炼厂已采用奥斯迈特法生产铜，特别是艾萨法一次顺利投产成功，各项指标均达到世界同类工艺的先进水平。
葫芦岛东方铜业用浸没顶吹熔炼工艺代替密封鼓风炉熔炼工艺，我国自行开发的白银炼铜法也取得较大的进展，大冶的诺兰达炉自投产以来，运转一直正常。
除了火法冶炼外，近年来我国湿法冶炼也取得较大的进展。
从1983年我国建成第一座萃取电积工厂以来，现在已有200个工厂采用萃取电积工艺处理铜矿或铜精矿生产阴极铜，德兴铜矿用细菌浸出废铜矿石产出高纯阴极铜，为我国低品位硫化矿的处理闯出了一条新路。
废铜冶炼技术方面，经过十年的艰辛努力，四川德阳东方电工机械有限责任公司技术人员于2000年推出了我国第一条UL+Z－1800+255/14型全废铜连铸连轧机组生产线，该条生产线结合了美国、法国、意大利等公司的先进经验，一经推出即制造出了符合国家相关标准的低氧光亮铜杆，年产量可达5万吨，此生产线将我国100%废铜料加工成高质量光亮铜杆的梦想变成了现实。
中国铜冶炼技术改造步伐明显加快，装备水平大幅提高。
江西铜业集团公司、铜陵有色金属集团公司、云南铜业集团公司等骨干铜冶炼企业，先后引进了奥托昆普闪速熔炼、诺兰达熔炼等一批先进工艺和装备，使得中国铜冶炼行业综合能耗呈现下降。
目前，中国铜行业的经济实力不断提高。
2000年，中国铜冶炼企业（含矿山、冶炼联合企业和独立冶炼企业）实现产品销售收入337亿元人民币。
2005年，中国铜企业已实现销售收入1098.6亿元人民币。
在中国国内铜产品需求增长和产量增加的带动下，中国铜产品进口快速增长。
其中铜原料部分增加显著，特别是铜精矿和阴极铜的进口量增幅很大，2000年～2005年两者净进口量平均分别增长了17.49%和12.86%。
在中国政府的大力支持下，中国铜工业在国际化经营和境外投资取得初步进展。
截至2005年，在国内4家铜企业4个牌号的精炼铜产品已在伦敦金属交易所（LME）注册，成为国际认可的品牌。
中国在境外已获得投资权益铜金属基础储量约650万吨，形成了近8万吨/年的铜精矿（金属量）产能。
铜在火法精炼产出的精铜品位一般为99.2%～99.7%，另外还含有0.3%～0.8%的杂质，使其满足不了工业对铜的性质的要求。
电解精炼的目的就是进一步脱除火法精炼难以除去的、对铜的导电性能和机械性能有损害的杂质，将铜的品位提高到99.95%以上，并且回收火法精炼铜中的有价元素，特别是贵金属、铂族金属和稀散金属。
铜的电解精炼是将火法精炼铜铸成阳极板，以电解产出的薄铜片（始极片）作为阴极，二者相间地装入盛有电解液（硫酸铜与硫酸的水溶液）的电解槽中，在直流电的作用下，阳极铜进行电化学溶解，阴极上进行纯铜的沉积。
由于化学性质的差异，贵金属和部分杂质进人阳极泥，大部分杂质则以离子形态保留在电解液中，从而实现了铜与杂质的分离。
20世纪70年代以来，铜电解精炼技术进展很大。
除周期反向电流（PRC）电解，永久性不锈钢阴极－ISA法和KIDD法等新工艺外，在出装槽自动化、检侧和大功率可控硅整流设备方面都有相当的进步，使过程向大型化、高效率和低消耗方面发展。
永久性不锈钢阴极技术在铜电精炼过程中的应用，不再用种板槽生产始极片而全部用来生产阴极铜，以及避免了由于各种原因造成始极片变形引起极间短路的可能，使得极间距可以进一步减小，从而提高了电流密度和电解槽的利用率；永久性不锈钢阴极的应用也为进一步提高出装槽的自动化程度创造了条件。
KIDD工艺是对ISA法的继承与发展，与ISA相比KIDD的最大不同点在于阴极底部不涂蜡，消除了涂蜡的不良影响，减少运行成本，不会使表面粘附阳极泥和长粒子，
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