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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date铜电解精炼设计说明书法计算机法硫酸钾肥料卡缩减理发匠三磷矿粉降落伞咖啡碱离开撒酒疯离开所捐款录放机阿森录放机阿苏林西安建筑科技大学华清学院本科毕业设计（论文）任务书题 目：年产5万吨电解铜的铜精炼车间工艺设计院（系）：材料与冶金工程系专 业：冶金工程专业学生姓名：小 新学 号：指导教师（签名）：主管院长（主任）（签名）：时 间：2011年 02 月 18 日 -一、毕
2、业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数）毕业设计主要内容包括：根据设计题目进行毕业实习，收集有关资料，熟悉铜电解精炼过程的工作原理及生产过程，为铜电解精炼工艺的设计打下基础；铜电解精炼车间总体设计方案的制定；铜电解精炼操作技术条件的选择；完成物料平衡、热平衡计算； 生产工艺的设计；车间工艺的布置；主要设备包括电解槽、阳极、阴极的设计，辅助设备的选型；主要技术经济指标的确定。使学生能够理论联系实际，掌握流态化焙烧工艺设计的基本过程，为今后从事相关的技术工作奠定基础。二、毕业设计（论文）题目应完成的工作（含图纸数量）1 完成毕业实习报告，并收集有关资料，进行技术准备；2 完成设计说明书1份；3
3、绘出车间平面图、剖面图、电解槽安装图各一张；4 完成与设计内容相关的专题1篇，不少于5000字；5 翻译与本专业相关的外文技术资料1篇，中文不少于4000字。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资料收集与整理，毕业实习，完成实习报告2.213.142专题及英文翻译3.15.3.273设计相关物料平衡及热平衡计算3.304.244主体设备及生产工艺设计 4.275.205绘图，撰写设计说明书5.216.106准备答辩6.106.20四、主要参考资料及文献阅读任务（含外文阅读翻译任务）1 邱竹贤编，冶金学（有色金属冶金），冶金工业出版社，20012 重有色金属冶炼
4、设计手册（铜镍卷），冶金工业出版社，19963有色金属冶炼设备，有色金属冶炼设备编委会，冶金工业出版社，19944有色冶金炉设计手册，有色冶金炉设计手册编委会，冶金工业出版社，20005有色冶金原理，傅崇说主编，冶金工业出版社，19986有色冶金过程污染治理，陈拂顺主编，冶金工业出版社，19987 李进，王碧侠编，Metallurgical Engineering English，西安建筑科技大学，20048朱祖泽，贺家齐编， 现代铜冶金学， 科学出版社，20039 阅读并翻译与设计内容相关的英文资料一份。10 根据设计进度随时查阅相关的文献资料。 六、审核批准意见 教研室主任签（章） 年产5
5、万吨铜的铜电解精炼工艺设计 专 业：冶金工程姓 名：胡 波指导教师：马红周本文主要设计了一座年产5万吨铜的铜电解精炼车间及电解工艺。通过毕业实习并搜集相关资料，熟悉了电解精炼工艺及车间布置。根据已知条件，选定操作技术条件。在物料平衡和热平衡计算的基础上，根据给定的条件选择合适的工艺流程和主辅设备。对年产5万吨铜的铜电解精炼槽进行了槽型设计及车间布局设计，并且进行了铜电解精炼车间的技术经济指标的核算。绘制出铜电解精炼电解槽安装图、车间平面图及车间立剖图各一张。最后以“铜电解液净化方法的研究进展”专题展开论述。关键词：铜电解精炼，工艺设计，车间布置，物料平衡，热平衡Technological pr
6、ocess design for electrolytic refining of copper with the production of 50,000 tons copper a yearSpecialty: Metallurgy EngineeringName: Instructor: SynopsisThe paper aims at designing the technological process and one copper electrolytic refining plant, which could produce 50,000 tons of copper each
7、 year. Before the design, the electrolytic refining technology of copper and the arrangement of the electrolytic refining plant were known through practice and theory. The material balance and heat balance were carried out according to the give condition, then the proper technological process, the m
8、ain and auxiliary device were chosen. After that, the style of copper electrolytic refining cell was designed, the electrolytic plant was arranged, and the technical and economic target of the copper refining plant was calculated. The result of this design was shown in three drawing, which are reefi
9、ng cell installation plan, the ichnography and cutaway view of the plant respectively. At last, the paper gave specific discussion about the copper electrolyte purification system”.Key words： Electrolytic refining of copper, technological process design, plant arrangement, material balance, heat bal
10、ance目录年产5万吨铜的铜电解精炼工艺设计1SPECIALTY: METALLURGY ENGINEERING2目录3绪论51 概述61.1 电解精炼的基本原理及电极反应61.2 铜电解工艺流程81.3本次设计中的一些参数92 厂址选择103 原料铜阳极114 技术操作条件134.1 商品电解槽134.1.1 电解液组成134.1.2 添加剂144.1.3 电解液温度154.1.4 电解液的循环154.1.5 电流密度164.1.6 同极中心距164.1.7 阳极寿命、阴极寿命174.1.8 沈冶和贵冶技术操作条件事例174.2 种板电解槽175 产物185.1电解铜185.2 阳极泥196
11、 技术经济指标196.1 铜电解回收率196.2 劳动生产率206.3 直流电能单位消耗206.4 蒸汽单位消耗量206.5 硫酸单位消耗206.6 水单位消耗量206.7 电流效率206.8 残极率216.9 槽电压217 主要设备的选择与计算217.1 电解槽217.1.1 电解槽材质217.1.2 电解槽的构造227.1.3 电解槽衬里材质227.1.4 电解槽进出液方式237.1.5 铜电解槽的安装237.1.6 电解槽的计算237.2 起重机297.3 车间及跨的选择317.4 循环液贮槽317.5 电解液加热器327.6 电解液循环泵337.7 阳极泥过滤设备337.8 槽边导电排
12、、槽间导电板、阴极导电板347.9 出装槽短路器367.10 极板作业机组368 铜电解精炼的冶金计算378.1 铜电解精炼的物料平衡计算378.2 铜电解精炼热平衡计算408.2.1 计算电解槽液面水蒸发热损失408.2.2 电解槽液面的辐射与对流的热损失418.2.3 电解槽壁的辐射与对流热损失418.2.4 管道内溶液热损失428.2.5 电流通过电解液所产生的热量428.2.6 全车间需要补充热量：428.3 电解液净化及硫酸盐生产冶金计算438.3.1 净液量计算43结语45参考文献46专题47绪论铜的火法精炼一般能产出铜99.0%99.8%的粗铜产品，但仍然不能满足电气工业对铜的性
13、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，以除去火法精炼难于除去的杂质，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，碲等元素
14、。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，会防碍电解过程的正常进行。例如，增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共同放电，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。在铜电解车间，通常设有几百个甚至上千个电解槽，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，以将电解液加热一定的温度。 1 概述1.1 电解精炼的基
15、本原理及电极反应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： CuSO4=Cu2+ H2SO4=2H+ H2O=H+OH-在未通电时，上述反应处于动态平衡。但是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：Cu-2e=Cu2+=+0.34VH2O-2e=1/2O2+2H+=+1.23V-2e=SO2+1/2O2=+2.42VH2O和的标准电位很大，在正常的情况下，它们不可能在铜阳极上发生放电作用。此外，氧的析出还具有相当大的超
16、电压（25时，若电流密度为200A/m2,则氧在铜上析出的超电压为0.605V）。因此，在铜电解精炼过程中不可能发生反应式（1.5），只有当铜离子的浓度达到极高或电解槽内阳极严重钝化，使槽电压升高到1.7V以上时才可能有氧在阳极上放出。至于离的放电反应，因为其电位更正，故在铜电解精炼过程中是不能进行的。在阴极上可能发生下列反应： Cu2+2e=Cu =+0.34V 2H+2e=H2=0V铜的析出电位较氢为正，加之氢在铜上析出的超电压值又很大（当25及电流密度为100 A/m2时，电压为0.584V），故只有当阴极附近的电解液中铜离子浓度极低，并由于电流密度过高而发生严重的浓差极化时在阴极上才可
17、能析出氢气。综上很述，铜电解精炼过程中，在两极上的主要反应是粗铜在阳极上的溶解和铜离子在阴极上的析出。但是实际电解时，阳极铜除了以二价铜离子的形式溶解外，还会以一价铜离子的形态溶解，即：Cu-2e=Cu2+ 生成的一价铜离子在有金属铜存在的情况下，和二价铜离子产生下列平衡： 2Cu+=Cu2+Cu该反应的平衡常数为： 在一定温度下有一定的平衡常数，且随着温度的升高而向生成Cu2+的方向进行，在含Cu2+64g/L和H2SO450g/L的溶液中，平衡常数与温度的关系为：温度1016050403021KCu1.61034.21041.01052.51057.01052.0106但是，在一般的电解条
18、件下，一价离子Cu+和平衡浓度还是很小的，例如在含H2SO450g/L和Cu2+32g/L的溶液中，50时Cu2+的含量约为0.143g/L。 在生产过程中，Cu+和Cu2+之间的平衡常常不断地受到破坏，其主要原因有两个； 1）Cu+被氧化成Cu2+ 这一反应的速度随温度的升高及与空气接触程度的增加而加快，结果消耗了溶液中的硫酸，并使溶液中的Cu2+浓度增加。2）Cu+分解而析出铜粉 析出的铜粉进入阳极泥，使阳极泥中的贵金属含量降低，并造成铜的损失。上述两个原因都使得Cu+的浓度往往稍低于藕色平衡浓度，这又促使反应（1.9）和（1.10）向着生成Cu+的方向进行，使阳极的电流效率提高，阴极的电
19、流效率降低，并导致溶液中的Cu2+的浓度不断增加。Cu+分解和氧化的结果，使电解液中游离硫酸含量减少和CuSO4的浓度增加。阳极中的铜和Cu2O以用阴极铜的化学溶解（称为反溶）也会使电解液中的含铜量增加，即此外，溶液中的游离硫酸浓度的降低，还可以导致CuSO4的水解，即 进一步破坏了Cu2+与Cu+之间的平衡，并增多阳极泥中的铜量。假若电解过程使用的电流密度太小时，Cu2+在阴极上的放电可能变得不完全，而按下式进行一还原生成Cu+ ：Cu2+e=Cu+同时，铜在阳极上随即按式Cu+-e=Cu2+ 而氧化，从而导致电流效率的下降。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
20、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Cu+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。1.2 铜电解工艺流程铜的电解精炼是以火法精炼产出的精铜为阳极，以电解产出的薄铜片为（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，阳极铜电化学溶解，纯铜在阴极上沉积，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，铜精炼工艺流程如下图 铜电解精炼
21、一般流程图1.3本次设计中的一些参数表一 电解槽的计算已知条件项目已知条件年产电解铜（一级铜）50kt年工作日360t电解槽作业率96%电流效率98%电流强度12000A始极片尺寸10501000mm表二 阳极成分元素CuAsSbNiBiPbSeTeAuAgFeSZn含量%99.480.1810.0210.1030.0060.0310.0480.0470.00460.06210.00660.00570.0040表三 铜电解过程元素分配表元素进入电解液（%）进入阳极泥（%）进入电铜（%）Cu1.910.0998As6535微量Sb4060微量Ni8020微量Bi5050微量Pb964Se982T
22、eAu98.51.5Ag973Fe75817S964Zn9343Al75205SiO2100表四 铜电解技术经济指标项目指标电解铜回收率（%）99.7电解铜品位（%）99.99残极率（%）15阳极泥率（对电铜）（%）0.65电解车间温度（）25电解槽外壁温度（）352 厂址选择厂址的选择对企业长远的经济发展有着十分重要的意义。选择厂址的原则为：1）距离原料场地较近；2）交通运输方便；3）气象、地理条件优越；4）技术协作便利；5）能源、水源丰富；6）有利于职工文化、生活福利；7）建设挖运土方量小，尽量不占用农田等。3 原料铜阳极铜阳极的物理规格和化学成分影响电解过程的技术经济指标和阴极铜的质量，
23、所以生产中应尽量获得质量良好的阳极铜板同样极板的物理形状要求平整无飞边、无毛刺、无夹渣等。为了在铜电解中获得良好的技术经济指标，通常采用含铜在99%以上的火法精炼铜作为阳极材料。下面介绍沈冶、贵冶铜阳极板尺寸及铜阳极化学成分（见表31，2，3）。表31沈、贵冶铜阳极尺寸工厂名称阳极长宽高，mm重量，/块沈冶720620（3842）145148贵冶100096045370380表32 沈、贵冶铜阳极尺寸精度项目单位沈冶贵冶阳极板公称尺寸，LWmm720620（3842）100096045长度公差mm510厚度公差毛刺，鼓泡55耳部下支持面至极板上缘距离mm655支耳总长mm9505130010板
24、面挠曲mm55耳面挠曲mm6其他板表面黑皮面积1/4，耳部不得有冷隔层和折损表33铜阳极化学成分的一般要求元素CuAsSbBiNiO2SnFePb含量990.200.030.030.30.20.0750.010.2铜电解精炼的阳极板是一种含有多种元素的合金，除表中所列元素外，在阳极铜中大都还含有Cd、Hg、In、Tl、Mn和铂族元素，其含量为0.0011ppm。在阳极铜中的杂质有两种形式，即金属铜基体中的固溶体和晶粒间不连续夹杂。在电解过程中，所有这些杂质都出现强烈的化学和物理变化，这对阳极钝化、阴极质量、电解液净化以及从阳极中回收有价元素均有很大影响。一般说来，从相图中可知阳极中存在各种杂质
25、的形式，但有些元素则于相图不一致。在氧作为杂质看待时，阳极铜的含氧量低，镍以连续的固溶体出现，而砷、锑和银在铜基体中呈固溶体。铋、铅、硒和硫沿铜粒子外围分别呈金属铋、铅或呈Cu2Se和CuS2形式沉淀。有些氧化物如NiO、Bi2O3、Sb2O3和PbO或Cu3As也在结构中部分地沉淀。随着氧含量增高，这些氧化物颗粒就变大，圆形的Cu2S颗粒很粗。当贱金属于铜一起溶于电解液时，贵金属或化合物则在电解液中沉淀。于铜一起呈固溶体存在的许多杂质表现出惰性性质，电解时在阳极表面形成阳极泥。由于电解液存在着微量的溶解氧（一般为1.82.0ppm），而使各种杂质在电解液中溶解后其离子具有几种化合价，结果使阳
26、极泥形成它们本身的电位及在电解液中的溶解度。由杂质元素行为决定的在各电解产物（电解液、阴极铜、阳极泥）间的分布关系，还与它们在阳极中的含量、氧的含量和电解技术等条件有关。通常将阳极铜中的杂质分为以下四类：1）比铜显著负电性的元素，如锌、铁、锡、铅、钴、镍。2）比铜显著正电性的元素，如银、金、铂族元素。3）电位接近铜但较铜负电性的元素，如砷、锑、铋。4）其他杂质，如氧、硫、硒、碲、硅。铜电解精炼过程中，阳极杂质的行为影响到阳极泥的形成、阳极钝化和精炼操作。“钝化”就是失去活性或活动能力的意思，电解过程中的金属钝化，是指作为电极的金属在电流的作用下某种程度地失去转入溶液的能力。发生钝化的电极，它们
27、所具有的电极电位，就不是该金属所固有的电位，而接近于另一种电性更正的金属的电位。就化学反应来说，处于钝化状态的金属，就失去了被氧化，特别是被溶解的能力。随着阳极含氧量的增加、电流密度的升高以及电解液中溶解氧和杂质离子浓度的增加，阳极钝化的可能性也明显地增大。与阳极钝化有关的因素如图31所示。这些因素包括阳极泥数量、阳极泥吸附以及浓差极化。影响阳极泥数量的内部因素有阳极结构、杂质的含量和存在形式；外部因素包括电解液中溶解氧、电流密度和电解液中共存杂质离子。阳极泥吸附受阳极泥的结构和形态的影响。阳极钝化阳极泥数量阳极泥吸附（阳极泥形成机理）浓差极化阳极泥结构阳极泥形态内部因素（阳极结构）内部因素（
28、阳极结构）杂质元素杂质含量元素存在形式溶解的氧离子浓度电流密度图31 阳极钝化的因素4 技术操作条件4.1 商品电解槽4.1.1 电解液组成铜电解精炼所用的电解液为含硫酸铜的硫酸水溶液。这种溶液导电性好，发挥性小，且比较稳定，使电解过程可以在较高的温度和酸度下进行。另外，硫酸铜的分解电压较低，砷、锑、铅等在硫酸溶液中能生成难溶化合物，因而杂质对阴极质量的影响相对较小，而且贵金属在硫酸溶液中也能得到叫完全的分离。这些都使得以硫酸溶液作为铜电解液，比采用其他溶液如盐酸溶液、硝酸溶液、氨盐溶液等具有较大的优越性。一般含铜4050/L，含游离硫酸180210g/L。由于电解液的电阻值随着酸度的增加而降
29、低（其关系如下表41所示），随着含铜量的增加而升高。表41酸度对百分电阻的影响（65）硫酸的浓度（g/L）100150175200250电解液百分电阻14010088.980.970.8这是因为H+浓度越高，电解液的离子浓度相应越大，当量电导随之增加。但过高的含酸浓度在其它条件不变时，会使电解液粘度增加，使电解液的传质发生困难。另外含酸量越高，硫酸铜在电解液中的溶解度降低，温度稍有降低，就会导致电解槽内硫酸铜析出。电解液中铜离子浓度和酸度的相互影响关系由 表42所示。表42 25时硫酸铜的溶解度与硫酸含量的关系H2SO4含量/（g/L）406090100150180Cu含量78.7374.82
30、69.6167.3358.5152.22电耗是随电解液中酸含量的增加而降低，所以为了降低电耗，一般采用高酸低铜的电解液组分较为有利。电解液中的杂质对电解的进行十分有害。特别是Ni、As、Sb、Bi、Fe等。这些杂质的存在不仅使溶液的电导降低，粘度增大，使硫酸铜在电解液中的溶解度降低，从而使单位电耗增加，铜离子在溶液中的迁移速度下降，给传质带来困难。更为重要的是，一些杂质还有可能从阴极上析出，使阴极质量不能保证，所以对电解液的杂质有所要求。铜电解液中有害杂质含量如下表。表43铜电解液有害杂质允许含量（g/L）元素NiAiSbBiFe含量1570.60.56010530表47 沈冶和贵冶商品电解槽
31、技术操作条件（2）名称公司循环方式阳极寿命（d）阴极周期（d）明胶（ g/L）硫脲（ g/L）干酪素（ g/L）沈冶上进下出15465010050703070贵冶槽中央底部进液上部出液181210030402030表47 沈冶和贵冶商品电解槽技术操作条件（3）（ g/L）电解液成分公司CuH2SO4NiAsSbFeBiCl-沈冶4048175210153.50.61.50.060.03贵冶421884.5290.581.881.030.064.2 种板电解槽为使获得致密、平整的阴极铜，始极片必须结构致密、表面光滑。所以种板电解槽技术条件控制比商品电解槽更严，为此大中型电解厂种板槽的电解液循环系
32、统计添加剂加入装置和直流供电装置宜单独设置。通常认为种板槽应控制较低的电流密度，如240A/m3 左右，只宜偏低，不宜偏高。但大型电解铜厂为了生产0.71.0始极片，可以适当升高。种板槽使用的阳极，应当力求杂质含量较低，表面光洁平整，重量均匀，以减少杂质对电解液的污染和防止极间短路现象。阳极在种板槽内，只使用到正常周期的1/2或2/3即行更换，以保证阳极工作面积不至于显著缩小，引起电流密度的升高和异极距的增加，以致电压升高。种板槽内换出的阳极尚有一定的厚度，须装入商品槽中再用，直至达到固定周期为止。5 产物5.1电解铜表51粗铜和表52产物的电解铜等级、杂质含量规定（国标）表51 粗铜化学成分
33、（国标）产品名称铜不少于%杂质不于执行标准砷锑铋铅杂质总量粗铜一级99.30.10.060.010.030.7YB740-82二级990.150.130.0130.061三级98.50.20.180.30.151.5四级97.50.320.220.80.222.5五级960.80.70.120.84表52电解铜化学成分（国标）产品名称代号铜+银不少%杂质不大于砷锑铋铁铅锡电解铜一号99.950.0020.0020.0010.0040.0030.002二号99.90.0020.0020.0010.0050.0050.005镍锌硫磷总和执行标准电电解铜一号0.0020.0030.0040.0010.05YB740-82二号0.0020.0040.0040.0010.015.2 阳极泥阳极泥的产出率和成分变化与阳极铜的成分和电解技术条件有关。铜阳极泥的产出率一般为电解铜量的0.40.8%，本设计的铜阳极泥的产出率为0.65%（对电铜）。下表是沈冶