1、 本科毕业设计论文年产 35 万吨电解铜的铜电解车间设计第 I 页目 录1 前言 .11.1 铜的性质 .11.1.1 铜的物理性质 .11.1.2 铜的化学性质 .31.1.3 铜的主要化合物的性质 .31.2 铜的用途 .41.3 铜资源状况 .51.3.1 世界铜资源 .51.3.2 中国资源 .71.4 中国铜的生产状况和消费 .81.4.1 中国铜的生产状况 .81.4.2 铜的消费 .91.5.1 铜的湿法冶金 .91.5.1 铜的火法冶金 .101.6 铜的新技术 .121.6.1 一种采用溶剂萃取净化铜电解液的方法本 .121.6.2 分散强化型电解铜箔及其制造方法 .121.
2、6.3 硫化矿细菌浸出 .121.7 设计的内容 .121.7.1 冶金计算 .13第 II 页1.7.2 重要设备及辅助设备计算 .131.7.3 制图内容和要求 .132 厂址选择 .143.1 铜电解精炼流程简述 .163.2 铜电解精炼的理论基础 .183.2.1 阳极过程 .183.2.2 阴极过程 .183.2.3 阳极上杂质 .193.3 电解液的净化 .204 铜电解精炼的主要设备选择 .215 铜电解技术指标 .245.1 铜电解的条件 .245.1.1 电解液组成 .245.1.2 添加剂 .245.1.3 电解液温度 .255.1.4 电解液循环 .255.1.5 电流密
3、度 .255.1.6 同极中心距 .265.2 阳极寿命和阴极周期 .266 主要经济技术指标 .276.1 电流效率 .27第 III 页6.2 残极率 .276.3 铜电解回收率 .276.4 槽电压 .276.5 直流电能电位消耗 .286.6 硫酸单位消耗 .286.7 蒸汽单位消耗 .287 电解精炼冶金计算 .297.1 电解槽设计计算 .297.1.1 商品电解槽总数 .297.1.2 电解槽的极板数 .297.1.3 每槽阳极片数 .307.1.5 种板电解槽数 .307.2 物料平衡计算 .317.3 铜电解精炼热平衡计算 .347.3.1 热收入 .357.3.2 热支出
4、.355.4 净液量的计算 .377.5 硫酸盐生产物料平衡计算 .387.5.1 计算铜料加入量 .385.5.2 计算硫酸铜产品产量 .395.5.3 一次母液体积 .39第 IV 页5.6 脱铜电解物料平衡计算 .407.7 粗硫酸镍生产计算 .408 铜电解精炼的主要生产设备的选用 .428.1 整流器及导电铜材料的计算 .428.1.1 直流电源 .428.1.2 槽边导电排 .448.1.3 槽间导电板 .458.1.4 短路棒 .468.2 电解液循环系统设备及管道计算 .468.2.1 集液槽 .468.2.2 电解液循环泵 .468.2.3 高位槽 .478.2.4 加热器
5、.478.2.5 供液管 .488.2.6 电解液循环管 .488.2.7 阳极片剥机 .498.3 车间运输设备计算及选择 .498.3.1 起重机 .498.3.2 叉车 .498.4 其他设备及设施 .508.4.1 各种辅助槽子 .50第 V 页8.4.2 阳极泥放出与收集 .509 环保措施 .529.1 环境保护 .529.2 安全生产 .5210 车间定员 .54附图 .56参考文献 .61专题：铜阳极钝化机理及影响因素 .62致 谢 .68第 1 页1 前言1.1 铜的性质1.1.1 铜的物理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。自然界中的铜分为自
6、然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上 80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在 2-3%左右。金属铜，元素符号 Cu，原子量 63.54,比重 8.92，熔点1083Co。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色。铜具有许多可贵的物理化学特性，例如其热导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，且抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金。铜在地壳中的克拉克值为0.01%，世界铜储量约500010 4t，主要储于智利、美国
7、、俄罗斯、利比亚、加拿大、秘鲁、波兰、菲律宾等国家。此外洋底锰結核中亦有丰富的铜。全球主要产铜国家是智利、美国、俄罗斯。已知的含铜矿物有250多种，1主要工业矿物如下表，其中最重要的是黄铜矿、斑铜矿和辉铜矿。第 2 页表1-1 含铜主要供应矿物名称 矿物种类 分子式 含铜量(%)自然元素 自然铜 Cu 100硫化物 黃铜矿 CuFeS2 34.5斑铜矿 Cu5FeS2 63.3辉铜矿 Cu2S 79.8铜 蓝 CuS 66.4硫砷化物和 硫砷铜矿 Cu3AsS4 48.3硫锑化物 砷黝铜矿 (Cu9Fe)12As4S13 57.0黝铜矿 (Cu9Fe)12Sb4S13 52.1氧化物 赤铜矿
8、Cu2O 88.8黑铜矿 CuO 79.8碳酸盐 孔雀石 CuCO3Cu(OH)2 57.3蓝铜矿 2CuCO3Cu(OH)2 55.1硫酸盐 铜靛岩 CuSO4胆矾 CuSO45H2O铜叶绿矾 CuFe4+3(SO4)6(OH)22H2O硅酸盐 硅孔雀石 CuSiO32H2O 36.0除了主要矿物外，铜矿中还含有少量的其他金属，如铅、锌、镍、铁、砷、锑、铋、硒、锑、钨、钼、钴、锰等，并含有金银等贵金属和稀有金属，它们在冶炼过程中分别进入不同的产品中，所以炼铜工厂通常设有综合回收这些金属的车间。进入冶炼厂的铜矿都为浮选产出的铜精矿，品位 1035%。硫化铜精矿是炼铜的主要原料。有时也处理自然铜
9、精矿，但很次要。氧化矿可与硫化矿一起处理。未经选矿的氧化矿可直接用湿法或离析法等方法处理。第 3 页我国铜资源分布很广，几乎遍及全国各地。一般来说，我国硫化矿的品味较低。矿物的性质也比较复杂，原生矿与次生矿交错混乱，并有大量多金属伴生，处理也比较复杂，且需特别重视综合回收问题。铜的蒸汽压很小，在熔点温度下仅为 910-5Pa。高温下，液体铜能溶解、氧、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等气体。凝固时，溶解的气体又从铜中放出，造成铜铸件内带有气孔，影响铜的机械性能和电工性能。1.1.2 铜的化学性质铜在干燥的空气中不起变化，但在含有二氧化碳的潮湿空气中则能氧化形成碱式碳酸铜（铜绿）的有毒薄膜。加热至
10、150，铜在空气中开始氧化，高于 350氧化生成 Cu20 和 CuO。因铜为正电性元素，故不能置换酸（盐酸和硫酸）中的氢，而仅能溶于有氧化作用的酸如硝酸和有氧化剂存在时的硫酸中。铜能溶于氨水及与氧、硫、卤素等化合。1.1.3 铜的主要化合物的性质(1) 化铜 CuS，天然硫化铜为绿色或棕黑色无定形不稳定化合物铜蓝，比重为 4.68，中性或还原性气氛中加热即分解为 Cu2S 和 S2。Cu 2S 不溶于水、稀硫酸和苛性钠中，但能溶于氰化钾和热硝酸中。(2) 化亚铜 Cu2S，天然的硫化亚铜为辉铜矿，蓝黑色无定形或结晶形，比重为 5.76，熔点为 1135.它在高温下稳定或氧化成金属铜，常温下不
11、被空气氧化，430-680下则氧化放出 SO2。赤热 Cu2S 的可逐渐被 CO2 氧化和缓慢地但能完全的被 H2 分解。CO 能氧化 Cu2S。以 Cu2S 和 FeS 为主的共熔体称为冰铜。由于铜对硫的亲和力大，故在冰铜吹炼时 FeS 先氧化造渣，剩下的 Cu2S（称白铍）被吹炼成粗铜。Cu2S 不溶于水和几乎不溶于稀硫酸，与浓硫酸作用生成 CuSO4、CuS 和SO2，溶解于浓盐酸时放出 H2S。Cu 2S 可溶于 NH4OH、HNO 3、Fe 2(SO4)、FeCl3、 CuCl2 中。(3) 氧化铜 CuO，天然氧化铜为黑色无光泽的黑铜矿，比重为 6.36.4。它不稳定，遇热即分解。
12、CuO 易被 H2、C、CO、 CxHy 和较负电性的Zn、Fe 、Ni 等所还原。它不溶于水，但可溶于FeCl2、 FeCl3、NH 4OH、Fe 2(SO4)、(NH 4)2CO3 及各种稀酸中。(4) 氧化亚铜 CuO、CuO 2，天然氧化亚铜称为赤铜矿，比重为 6.11，熔点为 1235。它高温稳定，在 2200以上才完全分解，在 1060以下时则部分或全部变为。CuO 2 也易被 H2、C、CO、C xHy 和 Zn、Fe 或其它对氧亲和力强的元素所还原。高温时进行的反应：2Cu 2O+Cu2S=6Cu+ SO2 是冰铜吹炼成粗铜的理论基础。该反应在 450开始至 1100完成。吹炼
13、时，由于铜对硫的亲和第 4 页力大于铁，而铁对氧的亲和力大于铜，是反应 CuO2+FeS=Cu2S+FeO 向右进行到底。因此在冰铜中的 未完全氧化造渣以前，理论上 Cu2S 是不会被氧化的。FeSCuO2 也不溶于水，但溶于 HCl、H 2SO4、FeCl 2、FeCl 3、Fe 2(SO4)、NH4OH、等溶剂中，这些反应为湿法冶金所应用。(5) 硅酸铜 xCunySi2zH2O 自然界中的硅酸铜有硅孔雀石 CuOSiO2H2O和透视石 CuOSiOH2O。它们在高温下分解成稳定的 2Cu2OSiO2，后者易被H2、C 、CO 等还原，也易被 FeO、CaO 等强碱性氧化物和铜、铁硫化物分
14、解，并能溶于浓硝酸、稀醋酸、盐酸和硫酸中。(6) 硫酸铜 CuSO4，自然界的硫酸铜为天蓝色三斜晶体系结晶的胆矾。无水硫酸铜为白色粉末，加热时分解成 CuO 和 SO3(SO2+O2)。硫酸铜易溶于水,铁、锌等可从硫酸铜中置换出铜。(7) 氯化铜 CuCl2，氯化铜无天然矿物，人造氯化铜为褐色粉末。熔点为498。沸点低，易挥发，也溶于水。氯化铜不稳定，加热至 340即分解生成白色粉末的氯化亚铜：CuCl 2=Cu2Cl2+Cl2。1.2 铜的用途(1) 铜的导电性铜最重要的特性之一便是其具有极佳的导电性，其电导率为 58m/(mm2)。这一特性使得铜大量应用于电子、电气、电信和电子行业。铜的这
15、种高导电性与取原子结构有关；当多个单独存在的铜原子结合成铜块时，其价电子将不再局限于铜原子之中，因而可以在全部的固态铜中自由移动，其导电性仅次于银。铜的导电性国际标准为：长 1m 重 1g 的铜在 20时的导电量公认为 100%。现在的铜炼技术已经可以生产出同品级铜的导电量比这个国际标准高出 4%5% 。(2) 铜的导热性 固体铜中含有自由电子所产生的另一重要效应就是其拥有极高的导热性，其热导性为 386W/(m.k)，导热性仅次于银。加之铜比金、银储量更丰富,价格更便宜，因此被制成电线电缆、接插件端子、汇流排、引线框架等各种产品，广泛用于电子电气、电讯和电子行业。铜还有各种换热设备如热交换器、冷凝器、散热器的关键材料，被广泛应用于电站辅机、空调、制冷、汽车水箱、太阳能集热器栅板、海水淡化以及医药、化工、冶金等各种换热场合。(3) 铜的耐蚀性
