毕业设计-年产7.5万t的isa法铜电解精炼车间设计

摘要本设计的任务是设计一个年产75万T的ISA法铜电解精炼车间。原料为含铜9948的火法精炼阳极铜，要求电解精炼后使铜的含量达到9995以上的一级铜。通过综合考虑交通、气象、地理、供水、供电、原料供应等多方面的因素，确定了建厂地址。通过查阅文献了解ISA法电解铜的诸多优点，并根据已经确定的条件，进行了电解过程的物料平衡、热量平衡和电解液净化的有关计算。并进行了主要设备的计算和选型。然后，由前面得出的结论绘出了车间的设备连接图及车间平面布置图。在对车间生产的污染源作出分析后，给出了三废处理、劳动卫生与安全的具体解决方案。最后，本设计还进行了车间定员和财务分析。关键词电解精炼；ISA法铜电解；电解槽；极板处理机组ABSTRACTTHETASKISTODESIGNACOPPERREFININGPLANTWHICHCANPRODUCE75000TELECTROLYTICCOPPERPERYEARBYTHEWAYOFISALAWTHERAWMATERIALSCONTAINING9948PERCENTOFTHECOPPERISPRODUCEDINFIREREFININGPROCESSANDREQUESTFORATLEAST9995PERCENTOFTHECOPPERINTHEPRODUCTAFTERELECTRICREFININGCONSIDERTHEADOPTIONOFTRANSPORTATION,METEOROLOGY,GEOGRAPHY,WATER,ELECTRICITY,RAWMATERIALSSUPPLYANDMANYOTHERFACTORSTODETERMINETHELOCATIONOFTHESITEACCORDINGTOTHEESTABLISHEDCONDITIONSFORTHEELECTROLYSISPROCESSTOCALCULATETHEMATERIALBALANCE,HEATBALANCEANDELECTROLYTEPURIFICATIONINADDITION,ITHAVECALCULATEDANDSELECTEDTHEMAJOREQUIPMENTTHEN,BYTHECONCLUSION,ITHASDRAWNTHEPICTUREABOUTTHECONNECTIONOFEACHEQUIPMENTAFTERANANALYSISOFTHESOURCESOFPOLLUTION,ITHASGIVENTHESPECIFICSOLUTIONSOFWASTES,INDUSTRIALHEALTHANDSAFETYFINALLY,THEDESIGNALSOHADAWORKSHOPABOUTTHESTAFFINGANDFINANCIALANALYSISKEYWORDSCOPPERELECTROWINNINGISALAWELECTROBATHELECTRODEPROCESSMACHINE目录摘要IABSTRACTII目录III第一章绪论1第二章文献综述221铜元素的介绍2211铜的物理性质2212铜的化学性质3213铜矿资源的分布4214铜以及其铜合金的应用5215铜的产能与消费622铜的生产方法9221火法炼铜9222湿法炼铜2123中国铜工业的现状与发展26231概述26232我国铜资源总体状况27233我国铜冶炼工业现状28234我国铜资源开发利用的技术现状29235我国铜工业入世后之变化3024对于我国铜工业发展的建议32第三章厂址的选择与论证3331厂址选择的一般原则3332厂址选择要求3333厂址的选择与论证34第四章生产工艺、技术经济指标的选择与论证364常规法电解铜36411电解液的成分、净化和循环36412添加剂40413电解铜的阳极、种板与阴极42414电解温度43415电流密度4342永久阴极法电解铜44421永久阴极法铜电解概况44422工程设计4643周期反向电流法电解4944工艺的选择与技术指标的确定50441工艺的选择50442技术指标的确定50第五章冶金计算5351铜电解精炼物料平衡计算53511计算条件53512计算过程5452铜电解精炼热平衡计算56521计算条件56522热收入56523热支出5653电解液净化及硫酸盐生产冶金计算58531净液量的计算58532硫酸盐生产物料平衡计算60第六章主要设备选择6461电解槽64611电解槽的材质64612电解槽的构造64613电解槽衬里材质64614电解槽的进出液方式65615铜电解槽的安装65616电解槽的相关计算6762起重机7363循环液贮槽7464高位槽7465阳极泥贮槽7566电解液加热器7567电解液循环泵7668极板作业机组7769设备清单79第七章车间配置80第八章环境保护与劳动安全及卫生8181环保设计依据8182设计原则8183污染源8184三废处理81841废气81842废水82843废渣82844环境绿化82845环境监测、管理及投资8285劳动保护83851增加设备防护措施83852加强个体保护83853切实执行工业卫生法规83第九章劳动定员8491管理系统8492劳动定员84第十章财务估算86101投资估算861011固定投资估算861012流动资金估算87102产品成本计算871021原材料和辅助材料费871022燃料费871023水费881024生产工人工资及工资附加费881025车间经费881026期间费用88103清偿能力及盈利能力891031产品销售利润891032所得税891033年折旧费891034贷款偿还期891035投资回收期89总结91参考文献92致谢94附录外文翻译及原文95第一章绪论铜是人类最早发现和使用的金属。约一万年前，人们就把自然铜加工成针、珠和锥等，迄今发现人类最早炼制的铜器当推伊朗境内泰配海亚出土的刮刀、凿子和锥子等，年代约为公元前3800年。据考古表明，公元前3000年塞浦路斯（CYPRUS）命名的，写成CYPRIUM,随后派生出铜的名词有COPPER、KUPFER1。中国是世界上最早使用铜器的国家之一。1978年在甘肃东乡马家窑遗址中出土的锡青铜小刀，是迄今中国发现的最早青铜器件，其年代约为公元前2750年。中国最早在公元前770年就掌握了竖炉炼铜技术，宋元丰年（1078年）铜产量达到7300T，铜冶金技术一大相当水平1。因铜具有许多优良的物理和化学性质高的热导率和电导率、强的化学稳定性、大的抗拉强度、易熔接、具抗蚀性、可塑性、延展性；能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，所以金属铜及其合金广泛用于电器工业、交通运输、建筑物及其构件、机械制造等方面2。目前，炼铜的方法主要分为火法和湿法两大类2，其中80用火法冶炼生产，约20用湿法冶炼生产1。湿法冶炼通常用于处理氧化铜矿2，低品位废矿，坑内残矿和难选复合矿等。火法炼铜主要用于处理硫化铜矿的各种精矿。铜火法精炼一般能产出含铜990998的粗铜产品，但其质量仍然不能满足电器和其他工业的要求。为了达到纯度4N（9999）以上的工业应用，还需要对火法精炼的粗铜进行电解精炼。70年代以来，铜电解精炼技术有了很大的发展。出现了周期反向电流（PRC）电解，永久性不锈钢阴极（ISA）电解等新工艺；极板作业机组、多功能专用吊车、短路自动检测装置、大型可控硅整流器等设备。铜电解精炼生产趋向于大型化、高效率、低能耗的目标发展。本设计的任务是以含铜9948的铜阳极为原料设计一个用艾萨法年产75万吨的铜电解精炼车间。第二章文献综述21铜元素的介绍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80009000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，我国在夏代就进入青铜时代，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25002700年。211铜的物理性质铜是玫瑰红色的金属，固体铜具有良好的展性和延性，可拉成00799毫米的细丝，或加工成00799毫米的薄片。液态铜能溶解许多气体，如H2、O2、SO2、CO2、CO和水蒸气，因此铜精矿在铸锭之前，要突出溶解的气体，否则铜锭会有气孔。铸铜含氧应维持003005。铜的导电和导热性仅次于银2，如以银的导电和导热性为100，则铜分别为93和732。铜的导电性受杂质的影响很大，例如砷含量为00013时，可使其导电率降低1。铜的机械加工性能优于铝，例如，当铜和铝丝每单位长度电阻相同时，以铜的截面积、直径、重量和破坏强度相应为1时，则铝的分别为161，127，0488和064。可见，虽然铝丝重量减轻一半，但由于其强度差，尺寸大，故使电机和马达的体积相应增大。铜与其他金属互溶性好，很容易与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金。（主要分成三类黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金和铜铝合金，白铜是铜钴镍合金）铜在熔点（1083C）时的蒸气压低于13101PA，因此在冶炼温度下，铜几乎不挥发。表21列出了铜的一些物理性质。表21铜的物理性质原子量6354熔点T/C10836熔化热Q/（KJMOL1）130沸点T/C2567铜液的蒸气压/PA11411142C12721273C2207C1310113013104汽化热Q/（KJMOL1）3067比热容/JG1CCP038959100105TT100600C铜液密度/GCM393510996103TT12501650C线膨胀系数T/K1165106T293K电阻率/M1673103T293K热导率/WM1K1401300K莫氏硬度/KGMM24250212铜的化学性质金属铜，元素符号CU，位于周期表中第IB族元素，原子量为6354，电子结构为AR3D104S1，有两种不同的化合价1、2。铜的化学性质不活泼，在干燥空气和水中无反应，与含有二氧化碳是空气接触时表面积逐渐形成绿色的铜锈。2CUO2CO2H2OCUOH2CUCO3CU（）具有D10结构，所以它具有相对的稳定性。在干燥状态下，CU（）化合物是比较稳定的，但在晶体与溶液中。铜离子与介质的相互作用主要是静电作用，CU（）离子之间的相互作用能常常大于两个CU（）离子之间的作用能。以至其稳定性与在气相时相反1。铜在空气中加热至185以上便开始氧化，表面产生一层暗红色的铜氧化物，但温度高于350时，铜的颜色逐渐由玫瑰色变为黄铜色，最后变为黑色氧化铜外层，中间层为氧化亚铜。铜与硫蒸汽反应3，能形成硫化铜CUS、硫化亚铜CU2S或非化学计量的硫化铜。铜在常温下与卤素有反应；与氮气即使在高温下也无反应；在加热情况下与氧化二氮、氧化氮作用形成CU2O；与二氧化氮作用形成CUO1。213铜矿资源的分布铜在地壳中的蕴藏量约百万分之七。从国家分布来看4，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（见表22）。智利是世界上铜资源最丰富的国家1，探明储量达15亿吨，约占世界储量的1/4；美国探明储量9100万吨，居第二；赞比亚居第三，我国也属于铜资源丰富的国家之一。世界上约85的铜资源集中在美国和北美苏必利尔湖、加拿大西部、秘鲁和智利的安第斯山脉、赞比亚相扎尔的中非地带、前苏联哥萨克地区的乌拉尔山脉。目前世界上开采铜矿的国家大约有60多个，但矿产铜产量在100万吨以上的只有智利、美国和前苏联。智利是全世界铜产量最高的国家，占全球总产量的23，美国的产量居第二，占世界总产量的21。按照美国地质勘查局（USGS）提供的数据，2003年全球陆地铜储量达47亿吨，储量基础94亿吨。表221994年世界铜储量和储量基础（金属量）（万T）1国家储量储量基础国家储量储量基础智利880014000澳大利亚7002100美国45009000哈萨克斯坦14002000波兰20003600印尼11001700赞比亚12003400菲律宾7001100俄罗斯20003000中国300800刚果（金）10003000其他国家550010000秘鲁7002500加拿大11002300世界总计3100059000海底结核与海底沉积层中也蕴藏有大量铜。结核中电信含铜品味为1。金属铜总量约有1亿吨。储量诱人。但开采与提取海底铜的难度很大，目前尚未计入世界铜资源总量中。1993年11约，在澳大利亚新南威尔土州的北帕克斯又发现了两个金铜新矿体（E48、E26矿体）。据查表明，E48的储量为1900万吨。钳舱位为2（含铜量约为23万吨）。金品味为07（含金量约为13吨）。该矿体以澳大利亚NBHP矿山公司为主进行开发，住友金属矿山公司拥有20的权益，预订从1997年开始每年认购3万吨铜精矿。在E26矿体中储量为6800万吨，铜品位值为126（含铜量约为86万吨），金品味为0658（含金量约为44T）。由于新矿体的发现，被帕克斯金铜矿山的寿命将从21年延长到26年。我国铜矿资源具有以下特点11,16全国铜矿资源分布较广，人均占有率低；矿床类型较全，易采易选矿少；贫矿多富矿少，小矿多大矿少；单一矿床少，复杂伴生矿多。截至2005年，我国已探明铜矿产地约985处，铜矿资源基础储量约为6300万吨，占世界总储量的617，居世界第五位。可供经济利用的储量只有1915万吨，矿床多为多金属矿共生，伴生元素多。主要矿区分布在江西（1265万吨）、湖北、安徽（346万吨）、云南（693万吨）、四川、甘肃（346万吨）和山西等省及西藏东部（952万吨）。我国矿山规模一般不大，比较分散，矿石含铜一般低于1。214铜以及其铜合金的应用铜及铜合金的性质相差悬殊，这就决定它在各种工业上的实际应用也不大相同1。19世纪后期，电器工业发展对铜应用的需求在继续增加，特别是今年来，铜及铜合金在电机工程、建筑物和构件、运输工具、一般工程、船舶上的应用，都有不同程度的变化，现分别叙述如下（1）电机工程由于电的用途扩大，在低压架空线与地下电缆、远距离通讯网络和电话机设备、马达和变压器、家用电线、汇流排和开关机械等方面，铜的消耗量大幅度增加。未来陆路运输的新设备，例如线性马达和制导监控系统，似乎也更依赖于铜。在远距离通讯波导管、防火保护装置和报警系统上所用的铜也在不断增加。未来的低温技术中，特别是对具有工业实用价值的超导体新型设备，将大大影响铜大体的应用。实际上，在冷却设备无法使温度低到410K的临界值时，超导体就要用到铜。（2）建筑物与构件在民用建筑中，铜的最大用途是在热水容器、自来水和煤气管、暖气和下水道设备方面，连同电线总计在一起，在英国每间住房大约需要100120KG铜。商用建筑除上述设备外，还有大型热风机、空间对流加热韶、冷藏和空调设备，因此铜的需要量更多。例如，拥有500多个房间的旅馆，仅供水的设备就需要铜管20吨。在英国，铜屋顶的薄板每年总计需要大约2000吨。可见铜材在建筑行业的消费量是相当大的，而且有增无减。（3）交通运输工具在车辆中，用于发动机和变速箱的铜合金零件、燃油泵、化油器、小齿轮和轴瓦、垫圈和火花塞、散热器和加热器等部件，通常是由铜管和铜箔制成的。还有黄铜型轮胎阀门、制动器等。同时，由于电气比道路运输工具的发展，铜的需要量可能增加。铜在汽车电线铺设方面仍居统治地位。现有14种新型的轿车和轻型卡车仍在使用铜和黄铜散热器，在美国散热器市场仍占48，而日本站87。日本商选择铜是因为设计了一种效率较高的“分离片”式散热芯。1990年世界汽车散热器和加热器芯部铜和黄铜的消费总量为34万吨，其中大约17万吨是制作翅片用的带材及管材。飞机上各种各样的配线系统、液压线和气动线、发动机和热交换器零件、起落轮上的盘式制动器、紧密导航设备和仪表操纵的起落设备，都要用到铜，因此可以说飞机是铜的主要使用者。（4）一般工程种类繁多的齿轮、轴承、轴瓦、泵体、压缩机及类似的部件都是用黄铜、青铜或铝青铜制造的。气阀、连接管及其它气密铸件可以用炮铜、黄铜或铝青铜来制造。而各种用途的弹簧则是用铜、黄铜、磷青铜、镍银、白钢以及铰铜合金的线材或带材制成的。铜也作为重要的合金元素应用于钢铁工业。少量铜（005050）可以大大降低低碳钢生锈的趋势。在20世纪50年代末出现了一种新钢种铬铜钢。由于铬铜钢表面腐蚀时，生成铁钢复杂氧化物的深褐色薄膜，有极强的抗腐蚀作用。大量的铜用于各种盐类和更复杂的化合物中。农业和园艺业中，与杀菌剂有关的其它一些行业（如木材腐蚀）中，铜的应用也很广泛。215铜的产能与消费在历史上，铜是仅次于铁的最重要的功能性金属。铜主要用于电气、水管、热交换器，其消耗量是衡量一个国家生活水平高低的标志。在美国和其他发达国家，人均用铜量为10KG，中国为06KG，印度为02KG（1990年的数据），全球人均年用铜量为2KG。为使世界其他国家达到发达国家的生活水平，在不明显提高资源生产率（每单位金属提供的服务）的情况下，全球目前的生产恩那个李至少要提高将近400。20世纪初和工业革命中期，全世界的年产铜量仅为50万吨。1929年，产铜量翻了四番，达到200万吨，1950年略增加到250万吨。此后的40年里，精铜消费量再度翻了四番，1990年高达1100万吨，2002年世界铜产量估计为15028万吨，2003年世界铜产量可达15067万吨。20世纪后50年人类所消耗的铜比过去60个世纪的总消耗量还要多。统计数据显示，在2007年前3季度，矿山产量为1140万吨，同比增长3。精炼铜产量增长24至1322万吨16。中国铜产量增长301,000吨，印度、日本和智利产量分别增长92,000吨、48,000吨和90,000吨。赞比亚产量下滑19,000吨。全球产量的增量中国所占的比重加大，占约30的份额。CRU预期全球的铜产量同比增长44，约为75万吨，达到1795万吨3。我国的冶炼产能增长很快，目前我国在建、拟建铜冶炼项目达18个，总产能约205万吨，是2004年全国产能的13倍3。2007年国内精炼产能出现较大的提高导致产量出现很大的增幅，110月份国内精铜产量达到285万吨的水平，同比增长157。祥光铜业、云铜赤峰和江西铜业约55万吨新增（年）产能在68月的产能投产后导致8月份以后国内的精铜产量迈进30万吨的水平线3。在2007年的增产大潮中，我国的各大冶炼企业均有不俗的表现，江西铜业、云南铜业和铜陵有色做为中国铜冶炼企业的三强，也是增产的三强。冶炼厂产能扩张使得我国国内原材料自给率降低，我国铜精矿自给率2001年为46，而目前国内铜矿自给率仅为20至30，2007年前10个月，我国精炼铜产量为285万吨，国内矿山产量为64万吨。2007年前10个月，铜精矿和矿石进口为375万吨，同比增长289，预计年度进口量约450万吨。2007年前11个月，废铜进口约为514万吨，同比增长14816。我国2006年的铜产量为293万吨，较2005年增加了178。2006年12月的铜产量为248,500吨，同比增加21。2007年我国的表观消费同比增长16，中国以外的其他地区消费整体增长05。2007年我国铜的消费又进入一个快速增长的时期，根据国家统计局公布的数据预测，2007年我国铜材产量有望实现同比120万吨增长。110月的表观消费量达到394万吨，同比增长28，全年的表观消费可达到477万吨。铜的价格在2001年大部分时间一直在下降，并且在9月上旬突破了两年的新低，直到2002年形势好转。AMEMINERALECONOMICS公司预测铜的年消费量到2006年将逐步增加到1820万。从2000年开始，年平均增长率为3。这会回调到上5年的增长率，但仍高于前30年的平均值。1、欧洲需要持续下降据英国商品研究机构2003年4月份的月刊报道，欧洲半成品铜制造商受到企业产能过剩和利润下降的双重压力。多数欧洲国家需求疲弱，竞争异常激烈。虽然铜需要量年比持稳，这从某种程度上说明2003年第一季欧洲铜需求增长疲弱。欧洲的交易仍然非常清淡，没有任何升温的迹象。许多黄铜轧制品厂仍苦于利润微薄，而且2002年年底的疲弱持续至今，许多产品的生意一直不景气。德国2002年精铜消费下降了51，在目前的淡季里，需求仍然有限。德国冬季寒冷，使德国营建业铜需求雪上加霜，德国汽车业铜需求增长也开始放缓。这一方面是德国经济增长疲弱，另一方面是塑料及环保型建材挤占了铜消费市场。据美国商品研究机构分析，虽然2月底，欧洲市场的铜需求显露出一丝希望之光。德国的漆包线工业和电缆生产最先显示增长迹象，同时汽车业的需求保持稳定。但是，在黄铜轧制品部分却看不到上述温和的成长信号。黄铜制品严重依赖于建筑业，而目前德国的建筑业已连续第八个年头出现下滑。最近德国政府宣布计划给住宅营建业月150亿欧元的预算支持，预期将大大推动德国营建业的增长。西班牙的情况要好得多，国内亚特兰大铜业（ATANTICCOPPER）的CORDABA线棒厂正以满负荷产能运转，2003年的线棒产量将超过17万吨。HALCO正在索菲亚建造一座铜板片生产厂，并计划于9月份开工，这将推动保加利亚的铜需求。法国LONGUEVILLE管道提前关闭，在管道重复铺设的情况下，对铜市场需求影响甚微。2003年，欧洲的铜需求因各国具体情况不同而有所区别，整体来讲，欧洲的铜消费适中，预计2003年的整体需求增幅只有15。2、美国需求下降2003年年初，美国铜需求增长放缓。最近的数据显示，1月份美国铜线需求年比下降114，含金铜棒销售年比下降33，铜棒销售年比下降11，铜及合金铜板消费年比基本持平。1月份铜管销售年比增长5。最近美国新屋开工率下降、汽车减产更打击了铜的消费信心。3、日本需求正在复苏最近的数据显示日本电缆销售7月份增长35。日本铜制品生产开始增长，来自汽车工业的订单已经排到了2003年年中。据美国商品研究机构分析，日本铜及黄铜协会（JAPANCOPPERANDBRASSASSOCIATION）的最新统计数据显示，铜带和铜板市场在2003年初的两个月里已接近复苏，并且这一势头将持续下去。4、中国需求旺盛谈到中国的铜消费。无论对于国外还是国内铜企业，这种事一个令人倍受鼓舞的话题。进入20世纪90年代，中国经济进入发展的快速时期，由于国民经济基本保持两位数的增长速度。铜的消费也随之保持快速的增长速度，从1995年起中国精铜的消费量平均增长速度在10以上，特别是从1999年开始。年平均增长率在15以上。自2002年开始，中国的精铜消费量已经超过美国而成为世界精铜消费的第一大国，并且仍然保持快速增长。根据有关部门的统计数据，中国目前精铜消费的主要领域是电力、轻工、机械制造、交通运输以及邮电行业。并且这几个行业仍有发展空间。同时，我国其他一些领域发展潜力巨大，如建筑领域。它包括供水管道、燃气管道以及采暖铜管。另外，汽车和空调制冷行业仍有较大发展空间。可以预见，在未来510年中，中国的精铜消费仍会保持平均8左右的增长速度，到2010年，预计中国的精铜消费量可达到450万吨以上。表23和表24分别为20002003年国内精铜供需平衡表和世界精铜供需平衡表。表23我国精铜供需平衡表（单位万吨）32000年2001年2002年2003年2004年2005年2006年2007年110月供应量19242307175426503246369235834027消费量18002200250027003300360038503534供需平衡124107254505692267393表24世界精铜供需平衡表（单位万吨）2000年2001年2002年2003年1季度西供应量119712285114732923方消费量1259411311114432798国供需平衡6249733124家全球供应量1458915295150323875市消费量1509314288148753674场供需平衡504100715620122铜的生产方法目前，炼铜的方法主要分为火法和湿法两大类。火法炼铜是生产铜的主要方法，它适合处理硫化铜精矿，现今世界上矿铜产量的8590是从硫化铜矿用火法炼铜生产出来的。活法处理硫化铜精矿的主要优点是适应性强，冶炼速度快，能充分利用硫化铜中的硫，能耗低。火法炼铜一般包括浮选铜精矿的焙烧或烧结；铜精矿或焙烧矿的造锍熔炼；铜锍吹炼成粗铜；粗铜火法精炼；阳极铜电解精炼得电解铜4。湿法炼铜主要用来处理氧化铜矿。氧化铜矿一般不易用选矿方法富集，而多用稀硫酸溶液直接浸出，所得溶液一般含铜15G/L，然后用萃取电积法提取铜。湿法炼铜的步骤一般包括用对铜有选择性的萃取剂萃取铜；用高浓度的H2SO4溶液反萃取，得到含铜约50G/L的溶液；电解沉积硫酸铜溶液得到电铜7。221火法炼铜火法炼铜的原则流程图如图21所示7。2211熔炼熔炼是火法炼铜最重要的冶炼过程，它的目的是将铜精矿中的铜形成含铜、硫、铁及贵金属等的铜锍，然后吹炼成粗铜；铜精矿中的脉石成分与熔剂形成含铜尽可能低的炉渣，直接废弃或回收铜以后废弃；熔炼排出的SO2用以制造硫酸或其它硫制品1,4。近半个世纪以来，铜熔炼（包括吹炼）技术的变革是有色金属火法冶金领域发展中最活跃的部分。火法炼铜中的造锍熔炼的方法有多种,可分为传统方法和现代方法两种。传统方法主要包括反射炉、鼓风炉和电炉熔炼工艺。现代方法主要包括闪速熔炼、诺兰达熔炼、澳斯麦特熔炼、艾萨炉熔炼，以及三菱法熔炼与白银法熔炼等11。传统熔炼方法在能耗、环保方面存在着严重的缺陷，现已逐渐被淘汰。近三四十年来，不少的强化熔炼工艺已在工业上推广应用，归纳起来有两大类1,41、闪速熔炼法闪速熔炼是芬兰的奥托昆普公司HARJAVALTA炼铜厂在1949年首先采用闪速熔炼铜精矿的。近年来，闪速熔炼炉由于自动化程度高而得以迅速发展。到1999年的不完全统计全世界有27国家已建成或将建成闪速炉共56座，其中奥托昆普型炼铜炉41台，INCO型炼铜炉7台。炼铜厂采用闪速炉熔炼的生产能力约占粗铜生产能力的50。在技术上有了很大的进展，热风温度已从400500提高到8001000；富氧鼓风已得到普遍推广，送风氧浓度已提高到80左右，从而使炼出的铜锍品味提高到6070；并已在个别工厂直接炼出粗铜。一致认为闪速炉是现在取代反射炉等传统炼铜法的最完善方法。闪速熔炼是用富氧空气或热风，将干精矿喷入闪速炉的反应塔空间，使精矿粒子悬浮在高温氧化性氧流中进行氧化反应。由于精矿颗粒与气流之间的热和质传递条件优越，使硫化矿物的氧化反应迅速进行并放出大量的热。这些放出的热能加热、溶化和过热炉料。所以闪速熔炼的能耗低。闪速炉根据不同炉型的工作原理可以分为两种类型（1）奥托昆普闪速熔炼此类闪速熔炼是采用热风或富氧空气，将干精矿垂直喷入靠闪速炉一段的反应塔中进行氧化，熔体落于沉淀池中完成最终造渣与造锍反应，然后澄清分层分别放出，烟气从沉淀池的另一端的上升烟道排出。此种类型的炉子结构在许多工厂中已作了许多改进，但炉体的基本部分仍然差别不大。我国贵溪冶炼厂的铜闪速炉即为此类闪速炉熔炼方式。（2）INCO闪速熔炼此类熔炼是用工业氧将干精矿和熔剂从熔池两端的喷枪喷在熔池上的空间进行氧化反应，烟气从靠近炉子中央的烟道排出。过程完全是自热进行。（炉渣贫化回收铜）图21火法炼铜原则流程图2、熔池熔炼法工业上已采用的熔池熔炼方法有反射炉熔炼、电炉熔炼、诺兰达法、白银法、三菱法、TENIENTE法、瓦纽柯夫法、奥斯麦特艾萨法等2,6。熔池熔炼法是国外所采用的一种自热熔炼工艺，是在广泛研究熔体物理化学性能、硫化物氧化机理和动力学以及熔炼中形成的相分离规律的基础上研制出来的。他们在近10年时间内进行了试验研究和设计，使这一高效率新工艺得以确定。在诺里尔期克矿冶公司建立并投产了第一座工业规模的熔池熔炼炉。前苏联已把熔池熔炼作为改造铜冶炼的新方向。美国根据该方法所具有的特点，在2005年，60的铜用自热熔炼法生产，40的铜改用连续吹炼。（1）反射炉熔炼第一台炼铜反射炉始于1879年，此后反射炉炼铜迅速发展，在20世纪60年代达到顶峰，其产量占世界铜总量的70。但反射炉熔炼有它难以克服的缺点，如能耗高、环境污染严重等，这些缺点制约了它的发展。到20世纪70年底，以闪速炉为代表的低能耗、高效率、低污染的现在熔炼方法迅速崛起，致使反射炉熔炼逐渐被新的炼铜方法取代。（2）诺兰达法诺兰达法从1964年开始研究，1974年工业应用，80年代末该方法所用的炉子生产能力已达15万T/A，炉子寿命超过1年。70年代中后期美国肯尼阿待公司建成3台52213M（高）诺兰达炉，熔炼铜精矿生产白冰铜。到1988年澳大利亚南方铜公司为改造肯布拉港冶炼厂，选择了诺兰达炉取代原有的反射炉，建成由45173M（高）诺兰达炉一座，年产铜6万吨，加拿大弗林弗隆冶炼厂宣称，该厂铜系统将采用诺兰达炉代替原有反射炉。中国炼铜界，期望着诺兰达炼铜法在大冶冶炼厂技术改造中取得成功可望将生产能力扩大到粗铜10万T/A，能耗由现在的134吨标煤每吨铜降到0536吨标煤每吨铜，硫利用率从目前的60提高到95。经国家批准合资兴建的天津诺兰达法炼铜厂也正在积极筹备中，该厂规模是7万T/A。一年前该新建炉子投产，石阶上诺兰达将增加到8台，年产铜可达70万吨。2212铜电解精炼纯铜具有高导电性，广泛应用于电缆和各种电气设备的制作。但少量的杂质元素的存在，会降低其导电率。因此，粗铜火法精炼后还必须进行电解精炼，进一步除去其中的杂质，使铜的纯度达到9995以上。同时，在电解精炼过程中，电解槽底泥状沉积物阳极泥富集了炼铜原料中的贵金属，为回收贵金属提供了高品位的原料3。电解前，待精炼的铜浇铸成一定形状的极板，和电源的正极相连，称之为阳极板；阴极板则为种板电解槽生产的始极片或不锈钢板，和电源的负极相接，称之为阴极板。电解精炼时，在外部电源的作用下，阳极溶解，溶解的铜离子在电解液中迁移至阴极在阴极沉积，当沉积到一定厚度时，将其取出即为阴极铜3。阳极和阴极铜的成分波动范围如表25所示。铜的电解精炼是利用阳极铜的电解溶解，借助于电解液，铜再沉积在阴极上，即CU（阳极铜）CU（阴极铜）1基于有电流通过时的电势值的不同（亦即平衡电势和极化的不同），在阳极溶解时，较正电势的元素（AG,AU,PT等）不至于溶出而进入阳极泥而分离出去；而在阴极析出时，较负电势的元素（ZN,CO,NI等）不析出，在电解液中借助净液过程而分离出去。同时还利用在所使用的电解液中杂质离子生成难溶盐（如PBSO4、BIOCL、AGCL）进入阳极泥，从而提高了沉积在阴极上铜的纯度。2213铜电解精炼的技术进展铜电解精炼工艺自1869年首次在工业上应用至今，最重要的变革就是永久不锈钢阴极板技术的开发。进几十年来，铜电解精炼的发展，越来越趋向于大规模、高效率、自动化作业和低成本、高质量、高强度生产。伴随着这一点，ISA法电解以其简短的流程、高效的自动化控制、优良的经济技术指标和高品质的阴极质量很好的适应了这一潮流11,16。表25电解精炼厂的阳极和阴极成分（）1阳极阴极元素国内国外国内国外CU9929979949989959999S000240015000100030000000400007O0040201030002NI0090150050002微量00007FE00010002000300050000200006PB001004001000500005AS002005003000200001SB001803003000200002BI0002600010002微量00003SE00170025000200001TE00001微量00001AG005801微量01000050001AU00030070000500000011、1995年前永久阴极电解技术的技术进展永久不锈钢阴极板铜电解去除了传统的始极片生产，直接以不锈钢电极作为阴极，与阳极放在电解槽后，一次性生产出商品阴极铜。这项技术是1978年有澳大利亚汤斯威尔PTY有限公司铜冶炼厂IJPERRY等人开发的，19781979年这项新技术将汤斯威尔的一个20多年的老厂的传统工艺成功替代，1980年汤斯威尔PTY有限公司铜冶炼厂的母公司MIM股份公司决定将这项技术命名为“ISA法”。ISA法不锈钢阴极详细图解见图22。图22ISA不锈钢阴极的结构11ISA法的阴极由母板、导电棒以及绝缘边三部分组成。母板由316L不锈钢制造，极板厚度3375MM，以325MM居多，极板底边为V形，表面光洁度为2B（04506M）。导电棒由两种导电棒界面为中空长方形，两端封闭，材质为304L不锈钢，与槽间导电板接触的底边被加工成圆弧形，焊接在阴极母板上，并镀上铜，镀层厚度为1325MM，以25MM为最佳，镀层覆盖全部焊缝，并延伸至阴极板面，使导电棒由良好的导电性和延伸性；导电棒为304L不锈钢挤压成工字形，并将工字形底边改成圆弧形，底边圆弧半径80MM（另有一种为50MM），镀铜层后25MM。上述两种导电棒的阴极板在电解槽中会自然垂直，而与槽间导电排呈线性接触，底边和导电棒中心线误差不超过5MM，紧靠导电棒在阴极板面开有两个方形窗口，供阴极起吊时吊钩用。11随后在1986年加拿大鹰桥公司的KIDDCREEK冶炼厂也开发了另一种不锈钢阴极，称为KIDD法11。KIDD法不锈钢阴极的详细结构如图23所示。图23KIDD法不锈钢阴极11该阴极板也由母板、导电棒和绝缘边撒把部分组成。母板材料为316L不锈钢板，厚度为325MM，表面光洁度为2B，导电棒为纯铜棒，与不锈钢阴极之间用双面连续焊接，导电性比ISA法更好。KIDD法不锈钢阴极的底边开有90的V形槽，入槽前底边不蘸蜡。所以KIDD法工艺剥离下的两块铜底边呈W形相连，目的是捆扎时可以压紧。两种工艺开发背景都是为了寻求平直的、垂直度好的阴极，从而消除因为始极片弯曲不平给产品质量带来的影响。虽然对始极片进行压纹处理也能在一定程度上提高阴极平直度和垂直度，但效果都不太理想。最终用不锈钢阴极，成功代替了传统工艺使用的铜始极片。虽然两种永久阴极电解技术有所不同，但由于共同的有点使得它们在世界上的铜电解精炼厂和浸出萃取电积工厂中得到了迅速的推广。2、19952005年ISA电解技术进展ISA法铜电解新工艺自其投入工业化大生产开始，工艺本身的不断完善进步和围绕用户的需求、降低生产成本的脚步从未停止过。1）ISA2000的开发应用ISA工艺为达到一块阴极上的两块铜分离的目的，开始用的是底边涂蜡技术；但涂蜡技术较难掌握，蜡很容易黏附到阴极铜边缘、进入电解液循环系统从而使得厂房很脏，因此在1999年，澳大利亚的TOWNSVILLE的CRL工厂通过改进阴极底边开V形槽和在剥片机组增设两块相连的铜从底部拉开的功能，使得阴极铜仍是单块。这一方法被命名为ISA200011,16,24。ISA2000最先于2001年1月由美国PHELPSDODGE公司位于MORENCI的STARGO铜电积工厂成功应用，2002年12月日本的日立工厂（HITACHIREFINERYNIPPONMINING周期反向电流电解技术因有效电流效率低、电耗高等原因,从20世纪90年代以后,没有得到进一步的发展。大极板长周期常规电解和永久不锈钢阴极电解近年来得到迅速发展33。同时，综合前面所述的三种电解工艺传统大极板法、永久不锈钢阴极法以及周期反向电解法的各自的优缺点和本设计题的要求，最终选择永久不锈钢电解法中的ISA法进行电解得到所要求的阴极铜。442技术指标的确定4421铜电解回收率4110电铜含铜量T回收品含铜量T铜电解回收率装入原料含铜量T回收品指残极、铜屑、碎铜、送净液硫酸铜溶液和阳极泥等含铜物料（若阳极泥含铜本企业不能回收，则按损失处理）。铜电解回收率一般为996998。本设计取998。4422直流电能单位消耗每吨电解铜的直流电能消耗可按下式计算42消耗直流电量直流电能单位消耗电铜产量直流电能消耗包括商品电解槽、种板电解槽、脱铜电解槽及电路损失等全部直流电能消耗量，一般直流电能消耗为230280KWH/T电铜1。本设计取直流电能消耗为260KWH/T电铜。4423蒸汽单位消耗蒸汽单位消耗与电解槽及各种贮槽的表面覆盖和槽壁保温措施有关。在无措施的情况下一般为1015T/T电铜，当电解槽面采用覆盖槽壁及管道采取保温措施并各贮槽带盖的情况下，消耗一般为0206T/T电铜1,37。为降低电解过程的蒸汽单位消耗，电解槽与各贮槽以及管道均采取保温措施，故本设计的单位蒸汽消耗取04T/T电铜。4424硫酸单位消耗硫酸单位消耗一般为410KG/T电铜1。本设计取7KG/T电铜。4425水单位消耗水的单位消耗一般为35M3/T电铜1。本设计取4M3/T电铜。4426电流效率电流效率是指铜电解精炼过程中，实际析出的金属量与理论析出量的百分比。理论析出量即平均电流强度（A）实际开动槽数和开动时数电化当量（1186106）1。本指标包括商品槽、种板槽和脱铜电解槽的全部电流效率。一般为9699。本设计取98。影响电流效率的主要因素有1短路阴极和阳极板不平整或悬挂不垂直，以及在阴极板边缘生成树枝状铜结晶都会导致极间短路。2漏电电解槽与带你节操之间电解槽与地面之间、各贮槽与地面之间以及电解液循环系统的绝缘不良等引起的漏电。3化学溶解电解液中存在的氧和三价的铁离子能使阴极铜反溶，电解液的温度、游离硫酸浓度及铜离子浓度均能影响阴极铜反溶，通常由此使电流效率降低025075。除上述因素外过高的电流密度、阳极含杂质较高等也可降低电流效率。4427残极率残极率是指产出残极量占投入阳极量的百分比，残极率低可减少重熔费和金属损失，提高直收率。但残极率过低会造成槽电压升高，电耗增加，甚至残极碎落损坏槽衬，一般残极率取1518。本设计取残极率为15。4428槽电压槽电压是影响电耗的重要因素，槽电压由电解液电位降、金属导体（包括导电板、阳极、阴极等）电位降、接触点电位降、克服阳极泥电阻的电位降、浓差极化引起的电极电位降等组成。槽电压随电流密度的提高而上升。商品电解槽槽电压一般为0203V；种板槽槽电压一般为03804V1。由于本设计采用的是ISA法电解，故没有种板槽，而商品槽的槽电压取025V。国内外铜电解技术经济指标实例见表43、44。表43国内铜电解技术经济指标实例项目单位上冶沈冶白银云冶贵冶株冶总收率999099939955998399609990直收率81825767888756直流电耗KWH/T电铜2602802602592312362675蒸汽单耗T/T电铜1085120890596122硫酸单耗KG/T电铜3196682399975电流效率9797979733978397残极率171724205185622槽电压V030350320240260302502803表44国外铜电解主要技术经济指标实例项目单位东予厂玉舒厂韦尔瓦厂北德厂小名滨厂沃尔索尔厂电解方式常规PRCPRCISA常规常规残极率1515201625314电流效率9896595989690槽电压MV280350400330320500直流电耗KWH/T电铜295380400300253500蒸汽消耗KG/T电铜80154750因此，由上述所确定的本设计的各个技术经济指标可列成下表45。表45本设计的技术经济指标电解回收率直流电耗蒸汽单耗硫酸单耗电流效率残极率槽电压（）（KWH/T电铜）（T/T电铜）（KG/T电铜）（）（）V9982600479615025第五章冶金计算51铜电解精炼物料平衡计算511计算条件艾萨法年产75万吨铜阳极成分见表51表51阳极成分CUAGAUASSBPBFEBINIOS其它994801600060063003400350004000601300500060056假设下列原始数据电解铜回收率998电解铜品位9995残极率15阳极泥率06（对电铜）铜电解过程元素分配表见表52表52铜电解过程元素分配，1元素进入电解液进入阳极泥进入电解铜CU19300798AG979823AU98599115AS60802040微量SB10604090微量PB959915FE755151020BI20604080微量NI7510002505S959723SE989912TE989912AL755151020ZN9343SIO2100512计算过程（1）1T阴极铜需要溶解阳极量（19995）/（1994898）10252T（2）阳极实际需要量（1025275000）/0998（1015）90640T/A（3）实际溶解阳极量1025275000/099877044T/A（4）阳极的含铜量9064099489016867T/A（5）残极量906401513596T/A（6）残极含铜量135969948135253T/A（7）计算阳极泥量7500006450T/A根据阳极成分和表52计算的阳极泥中各元素量及成分见表53（8）阳极泥含铜量90640（115）99480075365T/A（9）电解液中铜量90640（115）9948193147922T/A表53阳极泥中各元素质量及百分比元素进入阳极泥的量（T/A）阳极泥成分（）元素进入阳极泥的量（T/A）阳极泥成分（）CUAS77044099480000753657704400006303014561192324AGFE77044000160981208770440000040100312684007续表53SBNIBIPBAU77044000034065173770440001302200377044000060627777044000035097261677044000006099458384445062581102OS其他共计77044000051385277044000006096444146884508560993264100经过上述计算，将铜电解精炼的物料平衡列于表53。表54铜电解精炼物料平衡表物料量CUASNIAUAG物料名称T/AT/AT/AT/AT/AT/A装入阳极906409948901686700635710006311783000654401614502合计901686757101178354414502产出电解铜7500099957496250045288残极铜13596994813525300638570063176700060820162175阳极泥450119253653251456324200310245826841208电解液19314792239979426损失及计算误差148614130005041合计901686757101178354414502注表中未计入净液和阳极泥处理车间的返回物料52铜电解精炼热平衡计算521计算条件设定电解槽内尺寸4000MM1165MM1440MM外尺寸4200MM1365MM1540MM电解槽数335个电流强度24000A槽电压025V电解液温度60电解车间室温24电解槽外壁的温度35电解液循环速度25L/MIN槽522热收入热收入为电流通过电解液时所产生的热51341802910QEITN式中E消耗于克服电解液阻力的槽电压，V，为槽电压的50左右；I电流强度，A；T时间，为3600S；N电解槽数。所以，热收入为Q41802390255024000360030010332368248KJ/H523热支出A电解