1、年产 7 万吨高纯阴极铜（GB/T 467 1997）的电解车间传统法摘要目录第一章 总论1.1 概述设计任务下达：本次设计的任务由昆明理工大学材料与冶金工程学院下达。论文的题目：“设计年产 7 万吨高级阴极铜（GB/T 4671997）的电解车间”明钢铁股份有限公司。本设计采用传统的始极片电解法。设计思想：要因地制宜，对原料的适应要强。由于年产量比较小，所以采用工艺比较成熟的传统的方法。考虑到中国劳动力市场情况，如果机械化程度过高，那么总投资费用比较高，这从经济效益方面考虑是不合算，资金的回收期将会更加的长。设计特点：1.2 建立铜电解车间的必要性铜的历史：铜具有美丽的紫血颜色，优良的导电、
2、导热、耐蚀性能，危害人类健康的许多病菌在铜的表面不能存活,铜的提取、加工、回收并不困难，因此，从人类原始社会一直到科学技术高度发达的今天，铜一直伴随着人类的沧桑岁月，为人类的进步作出了重大贡献。考古资料证实，铜是人类认识、开采、加工、使用最早的金属，远在一万年以前，西亚就用铜来制作装饰品，古埃及人在象形文字中，用“”表示铜，其含义是“永恒的生命”，在公元前 2750 年的基厄普斯金字塔内发现了铜制水管；公元前 2500 铜锡青铜的开发，使铜的硬度大为提高，为铜的使用打开了广阔的空间 。中华民族在铜的开发中作出了重要的贡献，中国的青铜时代闪跃着中华民族创造智慧的光芒，青铜被广泛的用来制作生活用具
3、、兵器、乐器、钱币、工艺品等，其种类、数量、制作水平远远超过世界其它地区，商王文丁为祭祀后所铸造的“司母戊”鼎，重达 875 公斤，花纹流畅、文字清晰、形象优美，堪称世界之最。中国宋代已经开始使用铜镍锌白铜制作生活用具，是世界上最早的仿银合金；湖北大冶铜录山是世界上 的竖炉炼铜工场之一。 当人类进入 21 世纪的时候，铜的开采、冶炼、加工已经高度现代化、自动化、铜及铜合金已达 250 多件，分别具有高强度、高导电、高导热、高耐蚀等优秀性能，铜及铜合金加工已形成现代重要工业体系，分别以板带、箔、管、杆、型、线等多种形式供国民经济和国防工业各部门需要，从高新技术直至人们日常生活、从微电子技术到空调
4、、冰箱、彩电，到处都有铜的身影，铜无处不在，铜与人类共舞，铜是人类的朋友。今天，中国铜工业生产和技术已相当发达和进步，铜加工材产量已居世界第二位，中国空调中用高效散热管的制作技术和产品水平已走在世界前列，具有久远历史的工艺品制作技术也进一步发扬光大，中国洛阳铜加工集团，建造的普陀山南海观音铜像，总高 20 米，总重 57 吨，是世界上第一座仿金合金铜像，自 1997 年起已矗立在中国东海之滨。 铜的用途：铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。 (1) 铜在电力工业中的应用 电力输送 线电缆、汇流排、变
5、压器、开关、接插元件和连接器等。 电机制造 定子、转子和轴头、中空导线等。 通讯电缆及住宅电气线路需使用大量的铜导线。 (2) 铜在电子工业中的应用 电真空器件 高频和超高频发射管、渡导管、磁控管等，它们需要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。 印刷电路 铜印刷电路需要大量的铜箔和铜基钎焊材料。 集成电路 以铜代替硅芯片中的铝作互连线和引线框架，可以获得 30 的效能增益。 (3) 铜在能源及石化工业中的应用 能源工业 火力发电厂的主拎凝器管板和冷凝管均使用黄铜、青铜或白铜制造。每万千瓦装机容量需要 5t 冷凝管。太阳能加热器也常使用铜管制造。 石化工业 铜和许多铜合金，大量用于制造接触腐蚀性介质的
6、各种容器、管道系统、过滤器、泵和阀门、各种蒸发器、热交换器和冷凝器等。 海洋工业 由于铜不但耐海水腐蚀，而且溶入水中的铜离子有杀菌作用，可以防止海洋生物污损，因此，铜及其铜合金是海洋工业中十分重要的材料，业已在海水淡化工厂、海洋采油采气平台以及其他海岸和海底设施中广泛应用。例如，海水淡化过程中使用的管路系统、泵和阀门以及采油采气平台上使用的设备，包括飞溅区和水下用的螺栓、抗生物污损包套、泵阀和管路系统等。 (4) 铜在交通工业中的应用 船舶 铜合金，包括铝青铜、锰青铜、铝黄铜、炮铜 ( 锡锌青铜 ) ，白铜以及镍铜合金 ( 蒙乃尔合金 ) ，是造船的标准材料之一。在军舰和商船的自重中铜和铜合金
7、一般占 2 3 ，如铝青铜螺旋浆、螺栓、铆钉、冷凝管、含铜包覆油漆等。 汽车 铜和铜合金主要用于散热器、制动系统管路、液压装置、齿轮、轴承、刹车摩擦片、配电和电力系统、垫圈以及各种接头、配件和饰件等，每辆汽车用铜 10 20kg ，小轿车用铜约占自重的 6 9 。 铁路 列车上的电机、整流器以及控制、制动、电气和信号系统等都要依靠铜和铜合金来工作。此外，铁路的电气化对铜和铜合金的需要量很大，每公里的架空导线需用 2t 以上的异型铜线。 飞机 飞机中的配线、液压、冷却和气动系统需使用铜材，轴承保持器和起落架轴承采用铝青铜管材，导航仪表应用抗磁铜合金。 (5) 铜在机械和冶金工业中的应用 机械工程
8、 除了电机、电路、油压系统、气压系统和控制系统中大量用铜以外，各种传动件和固定件，如缸套、齿轮、蜗轮、蜗杆、连接件、紧固件、扭拧件、螺钉、螺母等，都需要以铜或铜合金减磨和润滑。 冶金设备 连续铸造技术中的关键部件?结晶器。大都采用铬铜、银铜等高强度和高导热性的铜合金制造，电冶金中的真空电弧炉和电渣炉水冷坩埚使用铜管材制造，各种感应加热的感应线圈都是用铜管或异型铜管绕制而成，内中通水冷却。 合金添加剂 铜是钢铁和铝等合金中的重要添加元素。少量铜（ 0.2 0.5 ）加入低合金结构用钢中，可以提高钢的强度及耐大气和海洋腐蚀性能。在耐蚀铸铁和不锈钢中加入铜，可以进一步提高它们的耐蚀性。含铜 30 左
9、右的高镍合金是著名的高强度耐蚀“蒙乃尔合金”，在核工业中广泛使用。 轻工业中，铜及铜合金可用于制造空调器的热交换器、钟表机芯、造纸机的网布、辊轮、印刷铜版、发酵罐内衬、蒸馏锅、建筑装饰构件等。 铜不但在传统工业中有广泛应用，而且在新兴产业以及高科技领域中也发挥着重要作用，例如超导合金的包套、超低温介质的容器与管路、火箭发动机的冷却内村、高能加速器的磁体绕组等。 从铜的总体应用来看，电气、机械工业和建筑业是铜的消费大户。据统计，美国、日本和西欧国家 20 世纪 80 年代中期的精铜消费中，电气工业占 47.8% ，机械制造业占 23 8 ，建筑业占 15. 8 ，运输业占 8 .8 ，其他占 8
10、 。 20 世纪 90 年代后，西方国家铜消费的行业分布发生了巨大变化。以美国为例， 1998 年铜消费中，建筑业占 41. 4 ，电器电子产品占 26 .0 ，运输设备 12 .4 ，机械制造 11. 2 ，其他 9 .0 。 与发达国家相比，我国的电子、电气行业与机械制造业消费的铜占总消费的比例偏高，而建筑业及交通运输业消费铜相对较少。 2002 年，中国的铜消费量达到了 250 万吨，占全球铜消费量的 17 ，从而取代美国，成为世界第一大铜消费国。世界铜资源的分布: 目前已探明的世界铜矿资源约为 3.5-5.7 亿吨，从地区分布看，全球铜蕴藏量最丰富的地区共有五个：(1)南美洲秘鲁和智利
11、境内的安第斯山脉西麓；(2)美国西部的洛杉矶和大坪谷地区；(3)非洲的刚果和赞比亚；(4)哈萨克斯坦共和国；(5)加拿大东部和中部。从国家分布看，世界铜资源主要集中在智利、美国、赞比亚、独联体和秘鲁等国。其中，智利是世界上铜资源最丰富的国家，探明铜金属储量达 1.5 亿吨，占世界储量的 l/4；美国铜金属探明储量 9100 万吨，居世界第二；赞比亚和中国的铜储量分别居世界第三、第四位。全球矿产品平均品位为 1，其中南美和非洲的铜矿品位较高，智利为 1.5，赞比业为 3。世界铜资源的储量:全球的铜资源很丰富，据美国地质调查局 2004 年元月的资料公布，2003 年全球铜储量为 4.7 亿吨，储
12、量基础为 9.4 亿吨。但资源的分布却很不平衡，其中美洲国家的存储量占世界铜储量的 60%，非洲和欧洲占 14%，资源最多的是智利 1.5 亿吨。美国地质调查局重新修订了一些国家的储量和储量基础数据，这些数据较 2001 年以前有较大变化。 2003 年世界铜储量基础和储量（万吨）国家名称 储量 储量基础 国家名称 储量 储量基础 世界合计 47000 94000 墨西哥 2700 4000 智利 15000 36000 印度尼西亚 3200 3800 美国 3500 7000 赞比亚 1900 3500 中国 2600 6300 俄罗斯 2000 3000 秘鲁 3000 6000 加拿大
13、700 2000 波兰 3000 4800 哈萨克斯坦 1400 2000 澳大利亚 2400 4300 其他国家 6000 11000 我国铜资源分布：我国探明的铜资源储量为6752.17 万吨，储量主要分布在江西、云南、湖北、西藏、甘肃、安徽、山西、黑龙江8 省。2000 年以来，我国自产铜精矿含铜量徘徊在56-60万吨。铜的生产：我国虽然铜资源贫乏，但却是世界主要的精炼铜生产国之一。以下为我国 2010 年铜产量。2010 年 1-11 月中国铜金属产量数据统计（分省市）表 1-2-1省市 产品（吨） 11 月 1-11 月总计 铜金属含量 122685.51 1156698.2河北省
14、铜金属含量 60.42 811.36山西省 铜金属含量 2117.31 23309内蒙古自治区 铜金属含量 22988.33 199438.66辽宁省 铜金属含量 758.5 9846.7吉林省 铜金属含量 1921.94 13452.52江苏省 铜金属含量 25 217浙江省 铜金属含量 2674.53 11165.85安徽省 铜金属含量 11917.95 116070.01福建省 铜金属含量 72 1668江西省 铜金属含量 18803.4 216752.85山东省 铜金属含量 798.44 8653.95河南省 铜金属含量 1413 5548湖北省 铜金属含量 4013.02 49604
15、.45湖南省 铜金属含量 639.5 5046.25广东省 铜金属含量 598.49 8114广西壮族自治区 铜金属含量 1146.15 5217.54四川省 铜金属含量 5962.82 66241.11云南省 铜金属含量 25284.97 184766.68西藏自治区 铜金属含量 391.28 4191.74陕西省 铜金属含量 1553.86 6612.02甘肃省 铜金属含量 7613.98 78278.3青海省 铜金属含量 4198.05 37668.82新疆维吾尔自治区 铜金属含量 7732.57 104023.392011 年铜的消费及市场预测： 2011 年的铜供应似乎仍将偏紧，因铜
16、生产行业在弥补铜矿品位的不断下降以及满足不断增长的市场需求方面非常吃力，那 2011 年铜的价格走势是怎样的呢?下面我们来看一下 2011 年铜价格走势图。2010 年电解铜生产保持高速增长。2010 年国内电解铜生产保持高速增长，全年产量达479.3 万吨，同比增长 12.2%。从环比来看，电解铜产量呈逐月上升的态势，下半年电解铜月产量基本维持在 40 万吨以上，特别是进入 11 月份后，受铜价上涨的刺激，电解铜产量增速明显加快。国内电解铜消费仍有较大缺口依赖进口满足。2010 年虽然国内电解铜产量增速较快，但进口电解铜数量仍高达 290 多万吨，占国内电解铜消费总量的 40%，显示国内电解
17、铜市场仍有需求缺口。我们认为 2011 年国内电解铜产量仍将维持高速增长的态势，预计 2011 年-2012 年电解铜产量增速仍可维持 10%以上。而进口电解铜数量有望明显下降，特别是由于近期人民币升值加快，进口电解铜套利空间缩窄，导致贸易商进口铜意愿明显减弱。所以 2011 年铜有很好的市场，建立铜电解车间将有利可图。1.3 厂址的选择及论证 确定厂址铜电解精炼已有120多年的发展历史。世界上第一家铜电解精炼厂是英国于1869年建成的埃尔金顿（Elkington）工厂。到20世纪80年代，全世界铜电解精炼能力已达1200万t/a，年产量和消费量在1000万 t左右。自20世纪50年代以来，由
18、于大功率可控硅整流器和始极片加工机组的开发，以及自动控制和电子计算机技术在铜电解中的推广应用，铜电解精炼向大型化、机械化和自动化方向发展的步伐加快，现世界年产电解铜能力达到40万t每年的工厂有5家（1992年统计），年产电解铜能力超过15万t的工厂有30多家（1992年统计）。中国西南铜生产中心，在全国铜行业位居第三位，与江西、安徽形成中国铜业三分天下的局面。目前我省铜矿山生产能力9万t，居全国第二。尤其2003年以来，云铜集团先后对迪庆羊拉铜矿、普朗铜矿，思茅景谷地区铜矿进行地质勘探，成果喜人，仅羊拉铜矿就探明铜金属量50万t，远景100万t以上，普朗铜矿首采矿段探明铜金属量78万t，控制铜
19、资源3OO万t以上，远景500万t以上。且云南省地处祖国西南边陲，与越南、老挝、缅甸等国接壤，待开发市场前景巨大。云南省是水力资源丰富大省，从云南丰富的铜资源，丰富的水力资源，地理位置来看，可见，云南省铜产业竞争优势明显，应抓住时机坚定不移做大做强铜产业。本设计根据以上情况分析，将厂址选在曲靖市。 厂址说明云 南 第 二 大 城 市 曲 靖 市 ， 位 于 云 南 省 东 部 。 曲 靖 市 是 中 国 第 三 大 江 、 南 方 第 一大 江 珠 江 的 发 源 地 ， 因 此 也 被 称 为 珠 江 源 头 第 一 城 。 曲靖位于云南省东北部，东与贵州省、广西毗邻，南与文山州、红河州接壤
20、，西与昆明市、东川市连接，北靠昭通地区和贵州毕节市，是边疆中的内地。素有“滇黔锁钥”、 “云南咽喉 ”之称的曲靖，距省会昆明市135公里。设计电解车间占地约80亩。电解所需原料从昆明西郊王家桥的云南铜业股份有限公司运输。交通十分方便。厂址选择符合国家工业布局的要求。 当地气象条件表1-3当地气象条件名称 具体情况年平均气温14.5最热月平均气温19.57最冷月平均气温6 极端最高气温35.7气温极端最低气温16.2 气压 年平均气压81.27 KPa年最大降雨量1850 mm年最小降雨量750 mm年平均降雨量1000mm降雨量最大日降雨量165.3 mm年平均蒸发量1940.9 mm蒸发量月
21、平均最大蒸发量287.8 mm年平均相对湿度75 %年平均最大相对湿度85 %湿度年平均最小相对湿度54 %冰雪 最大积雪厚度9.1常年主导风向 西南偏西年平均风速3.1 m/s风年最大风速14.0 m/s1.3.2.2 交通条件曲 靖 交 通 快 捷 ， 通 迅 方 便 。 云 南 第 一 条 高 速 公 路 ， 第 一 条 铁 路 ， 第 一 条 电 气化 铁 路 ， 第 一 条 城 际 列 车 线 路 都 诞 生 于 曲 靖 。 曲 靖 西 距 省 会 昆 明 135km， 距昆 明 新 机 场 有 80多 公 里 ， 未 来 时 速 350KM的 沪 昆 高 铁 也 将 经 过 曲 靖
22、 。 全 市 境内 有 贵 昆 、 南 昆 ， 内 昆 等 铁 路 干 支 线 穿 境 而 过 ， 全 市 除 了 会 泽 一 个 县 外 ， 均有 铁 路 通 过 （ 会 泽 铁 路 也 在 规 划 中 ） 。 1.3.2.3 水利及电力资源曲 靖 市 地 域 广 阔 ， 资 源 丰 富 ， 是 一 块 具 有 广 阔 开 发 前 景 的 资 源 宝 地 。 境 内 江 河 纵 横 ，南 盘 江 、 北 盘 江 、 珠 江 源 牛 栏 江 、 小 江 等 河 流 分 属 长 江 和 珠 江 两 大 水 系 ， 水 能 资 源 理论 蕴 藏 量 406.28 万 千 瓦 ， 可 开 发 300
23、.31 万 千 瓦 ， 开 发 潜 力 巨 大 。 宣威煤田片多面广，煤炭储量丰富，保有探明和预测储量 21.78 亿吨，主要分布于宝山、卡居、阿直、倘塘、来宾、谷兴、羊场、德来等 8 个矿区。曲靖的电力，煤，水力资源丰富能满足电解的需求。1.3.2.4 技术条件曲 靖 市 是 云 南 省 唯 一 一 个 少 数 民 族 比 率 低 于 全 国 的 市 ， 主 要 分 布 为 汉 、 彝 、 回 、苗 、 壮 、 布 依 、 水 、 瑶 等 民 族 。 截 至 2007年 末 ， 全 市 年 籍 总 人 口 603.04万 人 ， 其 中非 农 业 人 口 75.3万 人 。 从 劳 动 力
24、情 况 来 看 ， 农 村 人 口 较 多 ， 劳 动 力 非 常 丰 富 。从以上种种条件可以看出，安宁地区无论气候、地理、气象、交通、电力、水文、技术等方面都对铜冶炼厂、铜电解车间的建设和生产提供了有利的保证。1.4 设计规模及产品方案设计规模：根据设计任务书，设计规模为：年产7万吨高纯阴极铜。本设计的主要产品是高级阴极铜。此外，还产出阳极泥，硫酸铜，电积脱铜还产出合格电铜，而阳极泥送往稀贵车间可回收金、银等贵金属。根据中华人民共和国国家标准（GB/T 467-1997），阴极铜按化学成分分为高纯阴极铜（Cu-CATH-1）和标准阴极铜（Cu-CATH-2）两个牌号。本设计产品符合高纯阴极
25、铜国家标准。表1-4 高纯阴极铜（Cu-CATH-1）化学成分，%元素组 杂质元素 含量，不大于 元素组总含量，不大于Se 0. 000200.00020 0.0003010.000200.0003Cr -Mn -Sb 0.0004Cd -As 0.00052P -0.00153 Pb 0.0005 0.00054 S 0.00151) 0.0015Sn -Ni -Fe 0.0010Si -Zn -5Co -0.00206 Ag 0.0025 0.0025需在铸件上测定1.5 综合技术指标1.6 存在的问题和建议第二章 铜电解工艺流程简述2.1 工艺流程简述铜电解工艺有三种方案可供选用，即传统
26、电解法、永久阴极电解法和周期反向电流电解法。传统的铜电解法用纯铜薄片作为阴极片，这种方法历史悠久，工艺成熟。20世纪70年代以来，相继出现了几种新的电解生产技术。1963年，周期反向电流电解技术首次应用于工业规模的生产。永久性不锈纲阴极电解分为ISA法和KIDD法，艾萨法是由澳大利亚Mount lsa公司在1978年研制成功并投入生产，KIDD法是加拿大鹰桥公司在1986年开发成功。下面分别对这几种电解方法进行简要的简述和比较。周期反向电流电解法周期反向电流电解法是随着高电流密度电解的成功使用应运而生的，是强化生产的有效措施。常规电解法中，在电流密度高于250A/m 2时，阳极钝化和电铜质量恶
27、化现象就较为明显。通过整流器产生的周期反向电流可以消除由于电流密度提高而带来的阳极钝化的影响，从而达到强化生产、保证电铜质量的目的。与传统电解法比较，在相同的生产能力下电解槽少、厂房面积小、投资省、蒸汽单耗降低。其缺点是随着电流密度的提高，电能消耗增加（据统计，约增加30%），电流效率降低，整流设备成本高。1962年保加利亚铜精练厂成功地进行了周期反向电流电解的工业试验。采用周期反向电流电解，阳极钝化现象在电流密度高达550650 A/m2时才开始出现。此后这个方法在国外铜电解精练生产中得到了一定程度的发展。根据生产实践，一般认为350 A/m2的电流密度是周期反向电流电解的最佳电流密度。高于
28、此值时，电铜的化学组分虽可符合标准，但表现不好。周期反向电流电解的优点为：（1）因电流密度高，同样的生产规模，所需电解槽数及厂房面积均相应减少，可节省建设投资。处于生产中的铜积压量较少，占用流动资金少，资金周转快。（2）特别适用于对常规电解精练工厂挖潜增产，在已有的工厂对电解供电系统作必要改造，即可大幅度提高生产能力。由于电流密度高，槽电压一般高于常规电解法。此外，电流效率也略低于常规电解法。因此，周期反向电流电解的电能消耗要比常规电解高出30%左右。表2-1 电解精练主要技术经济指标指标名称 单位 传统法 周期反向电解 永久阴极电解电流密度 A/m2 220250 300400 280330
29、电流效率 % 9697 9095 9598直流电耗 KWh/t铜 250280 360500 260280硫酸消耗 Kg/t铜 410 410 410蒸汽消耗 t/t铜 0.51 0.2 0.20.4水耗 t/t铜 23 - 1.5残极率 % 1820 1820 1618永久阴极电解法（ISA）永久阴极电解法是针对传统电解法需要生产并加工始极片的缺点而研制开发的，并得到了快速发展，目前该法生产的电解铜已占世界总产量的30%。其主要优点是。（1）由于使用永久不锈钢阴极，省去了始极片的生产制作及相应的组装阴极作业，使生产工序简化。（2）由于永久阴极强度高、平直度好，可缩短同极距，减少短路，提高电流密度。因此，既可保证产品质量，又能提高电铜产量。（3）阴极周期短，铜的积压量少，加快资金周转。（4）机械化程度高，操作人员少。由于使用不锈钢永久阴极，且机械化程度高，因此，一次性投资较大。ISA法电解由于电流密度高，极距小，从而可以减少电解槽数量和厂房面积。但是永久性不锈钢阴极价格昂贵，一次性投资大。因此总的基建投资将略高于常规电解的投资。永久性不锈钢阴极的极板用316-L不锈钢板制作，厚度3.25mm，其表面粗糙度为2B。用304不锈钢异型钢管焊接在钢板上，然后镀上2.5mm厚的铜，代替传统电解法的阴极导电棒，
