年产6万吨铜电解槽设计

年产6万吨铜电解槽设计摘要本文主要设计了一座年产6万吨铜的铜电解精炼电解槽及电解工艺。根据已知条件，选定操作技术条件、经济技术指标、主体设备设计及冶金计算等内容。根据已知条件及结合铜电解槽工艺的实际条件，通过计算得出本设计共需要660个电解槽，38个阳极板，尺寸为1000960MM2，37个阴极板，尺寸为10201000MM2，电解槽尺寸为400011201320MM2等主体电解槽数据。然后根据冶金计算得出铜电解槽的阳极泥成分、阴极铜的成分、物料平衡、有害杂质在电解液中的允许含量以及净化过程中杂质的脱除效率及热平衡等重要数据。绘制出铜电解精炼电解槽安装图。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；物料平衡；热平衡ABSTRACTMYTHESISPROJECTSTHECOPPERELECTROLYTICCELLOFSIXTYTONVOLUMEOFPRODUCTIONANDISELECTROLYSISPROCESSIAMACCORDINGTOTHEGIVENCONDITIONS,SELECTOPERATIONTECHNOLOGYCONDITIONS,TECHNICALANDECONOMICINDEXES,THEMAINEQUIPMENTDESIGNANDMETALLURGICALCALCULATION,ETCIWASACCORDINGTOTHEKNOWNCONDITIONANDCOMBINEDWITHTHEACTUALCONDITIONSOFTHECOPPERCELLTECHNOLOGYTHROUGHTHECALCULATIONTHEDESIGNNEEDS660CELL、38ANODEPLATES、37CATHODEBOARDSTHESIZEOFANODEPLATESIS1000960MM2THESIZEOFCATHODEBOARDIS10201000MM2THESIZEOFCELLIS400011201320MM3ANDTHENCALCULATEDBASEDONMETALLURGICALELECTROLYTICCELLCOPPERANODESLIMECOMPOSITION,CATHODECOPPERTHECOMPOSITION,THEMATERIALBALANCE,HARMFULIMPURITIESINELECTROLYTEPURIFICATIONPROCESSANDALLOWSCONTENTOFIMPURITIESINTHEREMOVALEFFICIENCYANDTHERMALEQUILIBRIUM,ANDOTHERIMPORTANTDATAANDITDRAWSINSTALLATIONDRAWINGOFTHECOPPERELECTROLYTICCELLONTHE“COPPERELECTROLYTEPURIFICATIONMETHODRESEARCHPROGRESSOF“SPECIALDISCUSSEDKEYWORDSELECTROLYTICREFININGOFCOPPER,；TECHNOLOGICALPROCESSDESIGN,；MATERIALBALANCE；HEATBALANCE年产6万吨铜电解槽设计IABSTRACTII1绪论111铜的性质112铜的用途1121铜的导电性1122铜的导热性1123铜的耐蚀性213铜工业的现状214铜市场分析及展望215铜的冶炼方法316铜的电解精炼3161铜电解精炼概述3162铜电解精炼的目的3163铜电解精炼的化学反应317电解铜的工艺流程418本设计的内容及意义5181本设计的内容5182本设计的意义52技术条件及经济技术指标的选择621操作技术条件6211电流密度6212电解液成分6213电解液温度7214电解液循环7215添加剂8216极距8217阳极寿命和阴极周期922铜电解精炼经济技术指标9221电流效率9222残极率9223铜电解回收率9224槽电压10225直流单耗10226蒸汽单位消耗10227硫酸单耗10228水单耗103设备的主体设计1131电解槽材质1132电解槽总数1133阳极、阴极和种板和始极板与计算11331阳极、阴极和种板的尺寸11332电解槽中阴极、阳极的片数12333电解槽尺寸的确定12334种板槽数的确定13335脱铜槽数的确定13336槽边导电排、槽间导电板、阴极导棒134冶金计算1541物料平衡计算1542净量液的计算1843槽电压组成计算1944电解槽热平衡计算19441热支出20442热收入21443全车间需补充的热量225专题铜冶炼工艺研究进展2251概述2252闪速炉熔炼的特点23521生产能力大23522环境保护好23523自热熔炼23524生产稳炉龄长24525闪速吹炼24526一步炼铜2453COMOP工艺25531工艺特点25532优点2554用碳酸钠作助熔剂的粗铜精炼新方法25541工业应用潜力26542与传统火法精炼比较26543还需研究的问题2755不锈钢阴极电解技术2756因泰克炼铜工艺28561工艺过程描述28562经济分析28致谢30参考文献311绪论11铜的性质铜在元素周期表中，原子序数为29，属第一副族，元素符号CU，原子量6354，比重892G/CM3，熔点1083。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色。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。铜热导率高，抗张强度大，易熔接，且抗蚀性强，可塑性、延展性好。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。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150，铜在空气中开始氧化，高于350氧化生成CU2O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6。12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。根据铜不同的物化性质，用途不同。121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。铜的这种高导电性与其原子结构有关；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8。122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/MK，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8。123铜的耐蚀性铜具有良好的耐蚀性能，优于普通钢材，在碱性气氛中优于铝。铜的电位序中是034V，比氢高，是电位较正的金属。铜在淡水中的腐蚀速度也很低（约005MM/A）。并且铜管用于运送自来水时，管壁不沉积矿物质，这点是铁制水管所远不能及的。正因为这一特性，高级卫浴给水装置中大量使用铜制水管、龙头及有关设备。铜极耐大气腐蚀，其在表面可形成一层主要有碱式硫酸铜组成的保护薄膜，即铜绿，其化学成分为CUSO4CUOH2及CUSO43CUOH2。因此铜材被用于建筑屋屋面板、雨水管、上下管道、管件；化工和医药容器、反应釜、纸浆滤网舰船设备、螺旋桨、生活和消防管网；冲制种类硬币耐腐蚀性、装饰、奖牌、奖杯、雕塑和工艺品耐蚀性色泽典雅等8。13铜工业的现状铜是国民经济发展的重要原材料，特别是在电气工业方面应用更是广泛。2005年，在中国消费快速增长的带动下，世界铜矿和精铜的产量均出现了一定的增长，产量分别为1498万T和1634万T，增幅均为31。中国铜产量和消费量均出现了快速的增长，2005年中国铜产量为253万T，同比增长23。2006年，中国铜产量为290万T左右，由此可见，中国铜工业在飞速发展。【11】2000年底中国精炼铜产量为13711万吨，2005年达26004万吨，5年间增长100余万吨以上，居世界第二位；阴极铜消费量也呈快速增长态势，2000年阴极铜消费量为190万吨，2005年达到368万吨，居世界第一位。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10。14铜市场分析及展望2011年中国铜冶炼行业新开工项目投资额比上年同期小幅回落，主要因新开工高峰期主要发生在前两年；而同期已完成固定资产投资额同比大幅增长，主要因前两年的新建产能已经开始逐步投产和达产，且预计这种国内铜冶炼投产进入高峰期情况将延续至2013年。据安泰科测算，2011年国内新增的铜冶炼和精炼产能分别为60万吨/年和115万吨/年。冶炼和精炼产能的扩张，成为推动国内精铜产量增长的主要驱动力以及压制铜精矿加工费的重要因素。预计2012年中国铜实际需求总量增加7左右。考虑到2012年国内精铜产量增长将加快，2012年中国净进口需求将不会明显提高，预计在215万吨水平9。15铜的冶炼方法火法炼铜是将铜矿（或焙砂、烧结块等）和溶剂一起在高温下熔化，或直接炼成粗铜，或先炼成冰铜（铜、铁、硫为主的熔体）然后在炼成粗铜。该法除部分预备作业及电解精炼作业外，均在高温下进行。湿法炼铜一般适于低品位的氧化铜矿，生产出的阴极铜称为电积铜。湿法炼铜目前主要用于处理氧化铜矿。有氧化铜矿直接酸浸和氨浸（或还原焙烧后氨浸）等法；酸浸应用较广，氨浸限于处理含钙镁较高的结合性氧化矿3。16铜的电解精炼161铜电解精炼概述铜的火法精炼一般能产出含铜990998的粗铜产品。铜的电解精炼，是将火法精炼的铜浇铸成阳极板，用纯铜薄片作为阴极片，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。162铜电解精炼的目的电解精炼的目的是1降低铜中的杂质含量，从而提高铜的性能，使其达到各种应用的要求；2回收其中的有价金属，尤其是贵金属和稀散金属。电解过程中，溶液中的铜在阴极上优先析出，而其它电位较负的贱金属不能在阴极上析出，留于电解液中，待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1。163铜电解精炼的化学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0315）。电解液主要为含有游离硫酸的硫酸铜溶液。阳极上进行的是铜和一些杂质的氧化反应。CU2ECU2034V2/CUEH2O2E1/2O22H123V/OH2ESO21/2O2242V4SO24/S式中M为FE、NI、PB、AS、SB等比CU更负电性的元素。这些元素在铜中的含量低，其电极电位更负，因此将优先溶解进入电解液，同时铜也不断地溶解到电解液中。水和硫酸根离子的氧化电位比铜正得多，其反应不可能进行。金、银和铂族金属的电位更正，不能被氧化进入电解液，最后进入阳极泥中。阴极上进行的是铜的还原反应。CU22ECU034V2/CUE2H2EH20V2/H氢的标准电极电位比铜负，且在铜阴极上的超电位，使氢的电极电位更负，所以在正常电解条件下不会析出氢。电极电位比铜负的元素，也不能在阴极上析出4。164阳极上杂质行为根据阳极上杂质在电解时的行为，可将它们分为三类1、正电性金属和以化合物存在的元素金银和铂族金属为正电性金属，它们不进行电化学溶解而落入槽底。阴极铜中含有这些金属是由于阳极泥机械夹带来的结果。AG2SO4可溶于电解液中，但当加入少量氯离子（以HCL形式存在）时，则形成AGCL进入阳极泥。氧、硫、硒、碲、为稳定化合物存在的元素。它们以CU2S、CU2O、CU2TE、CU2SE、AG2SE、AG2TE等存在阳极板内，电解时亦进入阳极泥中。2、负电性的镍、铁、锌火法精炼很容易将铁和锌脱除，一般阳极铜中的铁和锌的含量仅00010003，阳极中的铁以FE2形式进入电解液，在电解过程中部分被氧化成FE3进而降低阳极电流效率。当FE3移向阴极时，又被还原成FE3，降低阴极电流效率。铁在阴阳极间发生氧化还原反应使电流效率下降。同时，锌和铁在阳极的溶解会增加硫酸消耗，在电解液中积累导致电解液电阻增大，还会增大电解液的粘度。铅在阳极溶解时形成不容性的PBSO4沉淀。阳极中的锡首先以SN2形式进入电解液，之后逐渐被氧化成四价锡，再水解生成溶解度较小的碱式盐沉入槽底成为阳极泥。，4244205SNOHSNOH422424SNOHSNOHS阳极含氧量对镍的溶解有很大影响阳极含氧低，则镍绝大部分溶解进入电解液阳极含氧高，则由于生成难溶化合物，镍很大一部分进入阳极泥。3、电位与铜相近的砷、锑、铋电解时，它们可能在阴极上析出。它们还生成极细的絮状SBASO4和BIASO4砷酸盐，漂浮在电解液中，机械地粘附在阴极上，其粘附量相当于砷锑放电析出的两倍，而且锑进入阴极的数量比砷大，因此锑的危害更为突出。17电解铜的工艺流程火法精炼产出的阴极铜品位一般为992997，其中还含有0308的杂质。为了提高铜的性能，使其达到各种应用的要求，同时回收其中的有价金属，特别是贵金属、铂族金属和稀散金属，必须对其进行电解精炼。粗铜电解精炼是以铜阳极板为阳极，纯铜始极片或不锈钢板为阴极，以硫酸铜和硫酸溶液为电解液，将极板按一定的极距相间排列于电解槽内，通入直流电，阳极不断溶解，便在阴极上析出电解铜。电解过程中，阳极铜中的贵金属和硒、碲等有价元素进入阳极泥，沉积于电解槽底，定期排出，送阳极泥车间提取贵金属。镍、砷、锑、铋等杂质大部分进入电解液，需从循环液中抽取一部分进行净化处理。工艺流程包括电解精炼和电解液净化两部分。以纯铜始极片为阴极，电源为恒向直流电，电流密度为220280A/M2。该法在世界各国均已有多年生产历史，工艺成熟可靠，电耗低。特别是采用了机械化、自动化水平高的阴阳极加工机组，并采用新技术适当提高了阴阳极板的垂直度以后，阴极铜产品质量得到显著的改善。是传统法的始极片制作工艺复杂，不仅需要独立的生产系统，而且制作过程中劳动强度过大。除此之外，这种工艺流程自身还存在两个难以克服的缺点（L）电解精炼过程中存在“极限电流密度”，电解精炼时的实际电流密度必须低于极限电流密度，否则就会使阴极铜沉积表面粗糙，甚至形成“枝晶”，造成电解槽短路，使电解过程能耗大大增加，并且影响正常生产过程和产品质量。（2）容易形成“阳极钝化”，在正常电压下阳极不能溶解，必须提高电压使钝化膜在更高的电压下被破坏并溶解，不仅影响正常生产，还会造成电能浪费和阴极铜的化学成分不稳定，进而影响产品的质量和物理性能。图11电解铜的工艺流程18本设计的内容及意义181本设计的内容本设计的内容包括电解工艺的确定，铜电解精炼冶金计算，主要设备结构图的绘制等。铜电解精炼工艺流程的确定通过比较，选择先进、经济、合理的铜电解精炼的工艺流程。冶金计算铜电解精炼冶金计算包括电解过程金属平衡和物料平衡。重要设备尺寸计算及选择根据工艺流程各个主要过程，合理地选择主要冶炼设备和确定个数、容量、对其主要尺寸加以计算。主要设备结构图的绘制铜电解精炼车间设计的图纸主要为电解槽构造图。182本设计的意义本设计通过电解槽主体设计和冶金计算，结合实际情况提高对知识的运用以及生产中的各项技术条件及经济技术指标。了解铜电解精炼的工艺流程，以及对铜电解槽的物料平衡、有害杂质在电解液中的允许含量以及净化过程中杂质的脱除效率及热平衡等内容的计算，对主体设备进行设计和绘图。最终得到完整的设计方案，对于建设新铜电解车间及提高铜电解的效率有很大的帮助。2技术条件及经济技术指标的选择21操作技术条件铜电解精炼技术条件的控制，对操作过程的正常进行，技术经济指标的改善和保证电铜的质量都具有决定性的意义。211电流密度提高电流密度可以提高电解槽的生产能力。随着电流密度的提高，电解过程中电流产生的热量增加，因而用来加热电解液的蒸汽耗量可相对减少。然而，随着电流密度的提高，槽电压上升，电能消耗也相应增大。如果电流密度过高，有可能引起电流效率下降、贵金属损失增加一级影响电铜质量。电流密度的大小可根据具体情况加以确定，电流密度范围为200360A/M2。随着生产技术和管理水平的提高，各厂家采用的电流密度有提供的趋势。周期反向电流电解，有效地解决了由于高电流密度而出现的阳极钝化问题，因而，采用周期反向电流电解技术的厂家都选用较高的电流密度。212电解液成分电解液成分主要由硫酸和硫酸铜水溶液组成。一般含铜4050G/L，含硫酸180240G/L。实际电解液中铜和硫酸的含量应视电流密度，阳极成分和电解液的纯净度等条件而定。由于电解液的电阻随着酸度的增加而降低，随含铜量的增加而升高，所以，为了降低电耗，一般采用高酸低铜电解液组分比较有利。然而，由于硫酸铜的溶液浓度随着硫酸浓度的增加而降低，如果硫酸含量过高，硫酸铜含量过高，硫酸铜容易从电解液中结晶析出，同事加剧了阳极钝化。随着阳极的溶解，电解液中的杂质不断积累，杂质的积累使硫酸铜的溶解度降低。因此在杂质含量高的电解液中，硫酸含量也应适当减小。电解液中铜含量的不断上升和下降，都是不希望的现象。含铜量不断上升，电解液的电阻不断增加。当铜量超过其溶解度时，或因电解液的温度下降是，硫酸铜会从溶液中结晶析出，从而使电解作业不能正常进行。电解液的含铜量不断下降，则杂质可能在阴极上析出，故必须根据各种具体条件加以掌握，以控制电解液的含铜量处于规定的范围。镍、铁、砷、锑、铋等杂质浓度过高会增大电解液的电阻和浓度，降低硫酸铜的溶解度，且砷、锑和铋浓度过高造成的漂浮阳极泥会严重影响阴极铜的质量。元素NIASSBBIFE含量/（G/L）15706053表21铜电解液中有害杂质允许含量213电解液温度电解液温度是影响电解过程技术经济指标和产品质量的因素。实验证明，提高电解液的温度可使电解液粘度大幅度下降，电解液中悬浮的微粒得以沉降，保证不和阴极铜机械吸附。同时电解液的温度越高CU2的迁移速度大大增加；有利于CU2的传质，使阳极钝化和阴极区CU2浓度的贫化明显消除，从而使铜在阴极上均匀析出（如图22）。温度（）455055606570百分电阻108210381000966940914表22温度对电解液百分电阻的影响（硫酸200G/L）但温度过高，蒸汽的耗量却异常地增加。累计总能偏高，从而使经济效益降低。更重要的是，车间酸的蒸发量增加，使操作环境恶化。同时铜的化学溶解速度显著增加CU2浓度增大，影响CU2和CU的平衡，相应铜粒子的数量增加。其次，对设备、厂房的腐蚀加重，对塑料设备的老化影响更大。我国一般将电解液温度控制在5860。214电解液循环电解液的循环可使电解液的组成和温度均匀一致，降低浓差极化，改善阴极铜质量。电解液的循环方式有两种下进上出和上进下出。这两种方式各有优缺点下进上出方式有利于溶液的充分混合，但与阳极泥沉降方向相反，造成阳极泥沉降困难。上进下出方式对阳极泥沉降有利，但对电解液混合不利，电解液上下层浓差较大。电解液循环量过大，不仅增加动力消耗，而且影响电解液中悬浮杂质和阳极泥离子的下沉，甚至冲起阳极泥，影响电铜质量，增加贵金属的损失。循环量的选择主要取决于循环方式、电流密度、电解槽容积、阳极成分等。当操作电流密度高时，必须采用较大的循环量，以减少浓差极化。一般中小型电解槽循环量取2030L/（MIN槽）。215添加剂为了获得优质的阳极铜，除了严格控制各工序电解技术条件外，还应添加适量胶质物质和表面活性物质，以改善阳极表面质量。一般采用的添加剂及其作用分述如下。1动物胶。动物胶是铜电解精炼过程中的主要添加剂。加入适量的动物叫能使析出的阴极沉积物致密光洁，改善阴极表面的物理状态。阳极铜杂质含量高，且电流密度也高时，加入动物胶量要稍多些。但加入量过多时，电解液的电阻增大，阳极铜易产生分层，质脆现象。2硫脲。硫脲是表面活性物质，与动物胶混合使用，可在高电流密度下获得结构致密的阴极铜。当加入量过高时，硫脲会促进疙瘩的形成和粗糙的沉积。有研究认为，硫脲可能与同生成化合物，造成电铜含硫过高。3干酪素。干酪素与动物胶混合使用，能抑制阴极表面粒子的生长和改善粒子的形状。4盐酸。盐酸用来维持电解液中氯离子的含量。电解液中的氯离子可使溶入电解液中的银生成氯化银沉淀，降低银的损失。氯离子的存在有利于消除阳极钝化，有利于消除阴极树枝状结晶，降低阴极沉积的内应力。阴极中砷锑过高时，电铜发脆，氯离子的存在有抑制作用。电解液中氯离子浓度过高时，阴极上会产生针状结晶。添加剂对改善阴极表面质量有明显的作用，但加入量过多会产生副作用。必须根据阳极铜成分、电流密度、电解液杂质含量等条件选用合适的和适量的添加剂。种类动物胶硫脲干酪素盐酸ML/T电铜用量/G/T电铜255020501540300500表22常用添加剂种类和用量216极距极距一般指同极中心距。缩短极距能降低槽电压，减小电能消耗，还能提高电解槽利用系数，提高劳动生产率。但极距过小会引起阳极短路及阳极泥对阴极的污染，使电铜表面粗糙，贵金属损失增加。如管理不善，还会降低电流效率。极距的大小与极板的尺寸、加工精度有关，小型极板的同极中心距一般为7590MM，大型极板则为100110MM。217阳极寿命和阴极周期阳极寿命根据电流密度、阳极质量及残极率来确定，一般为1824天。阴极周期与电流密度、阳极寿命及劳动组织等因素有关，一般为阳极寿命的1/3为获得致密、平整的阴极铜，始极片必须结构致密，表面光滑。所以种板电解槽的技术条件控制比普通电解槽更为严格，为此，大、中型电解厂种板槽的电解液循环系统及添加剂加入装置和直流供电装置宜单独设置。22铜电解精炼经济技术指标221电流效率电流效率是指铜电解精炼过程中，阴极实际析出量与理论析出量的百分比。铜电解精炼的电流效率一般为9498左右。影响电流效率的主要因素有1、短路。由于电极放置不正或阴极上产生树枝状结晶而引起短路。2、漏电。由于电解槽与电解槽之间、电解槽与地之间、溶液循环系统等绝缘不良而引起的漏电。3、化学溶解。阴极铜在硫酸中的化学溶解速度决定于溶液温度、硫酸浓度、铜离子浓度、三价铁离子浓度以及溶液氧含量。由于上述因素的影响，通常铜的化学溶解能使电流效率降低025075。222残极率残极率是指生产出残极量占消耗阳极量的百分比。残极率低可以减少重熔的费用和金属损失，提高直接回收率；但是，残极率过低又会造成槽电压升高，电能消耗增加，电能效率降低，甚至还会使残极碎片跌落槽底，损坏槽衬。因此，残极率以选择1418为宜。223铜电解回收率铜电解回收率反映铜电解过程中铜的回收程度，其计算方法如下铜电解回收率（）电铜含铜量（装入原料含铜量回收品含铜量）回收品是指残极、铜屑、碎铜、制取硫酸铜溶液及阳极泥等含铜物料铜电解回收率一般为996998左右。224槽电压槽电压由下列各项电位降组成电解液的电位降、各接触点和克服阳极泥电阻的电位降、浓差极化所引起的电极电位降等项相加所得之和。工厂普通电解槽的槽电压一般为0203伏，种板电解槽则稍高一般为0304伏。225直流单耗直流单耗是指生产一吨电铜所消耗的直流电量。消耗的直流电量包括普通电解槽、种板电解槽、脱铜电解槽及线路损失等全部直流电流消耗量。一般的直流单耗为230280KWH/T。226蒸汽单位消耗蒸汽单耗为生产一吨电铜所消耗的蒸汽量。蒸汽单耗与电解液温度，电流密度及电解槽覆盖等保温措施有关。近年来，随着节能措施的采用，铜电解精炼过程的蒸汽单耗大幅度的下降。降低蒸汽单耗的措施主要包括电解槽覆盖，电解槽体、高位槽、供液箱及管道保温，选用先进的加热器等。在无保温措施的条件下，蒸汽单耗一般为115T/T电铜；在现代有保温措施的的铜电解过程中，蒸汽单耗一般为0206T/T电铜。227硫酸单耗生产一吨电铜消耗的硫酸量一般为410KG/T电铜228水单耗生产一吨电铜消耗的水量一般为35M3/T电铜3设备的主体设计31电解槽材质现在普通采用的钢筋混凝土槽体,内衬造价低廉、耐热、耐腐蚀和电绝缘性能良好的材料，一般为铅或含锑36的铅锑合金板、软板聚氯乙烯和玻璃钢。新建工厂及老长的改造中逐渐推广使聚氯乙烯衬里和玻璃钢衬里。通常电解槽由长方形槽体和附设的供液管，排液斗，出液斗的液面调节堰板等组成。槽底部通常做成一端向另一端或由两端向中央倾斜，倾斜度3，最低处开设排泥孔，较高处有清槽用的放液孔，分别供刷槽时排放阳极泥和电解液用。此外，钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔，以观察内衬是否破损。钢筋混凝土电解槽壁厚一般为80120MM。电解槽安装在钢筋混凝土横梁上，槽底四角以橡胶板（或塑料板）和瓷砖，用以绝缘。两个相邻电解槽之间留2030MM的空隙，用以槽间绝缘。钢筋混凝土电解槽内衬选择原则造价低廉、耐高温、耐腐蚀和电绝缘性能良好的材料，一般为铅或含锑36的铅锑合金板、软板聚氯乙烯和玻璃钢、铅衬厚一般为35MM；聚氯乙烯衬里通常为二层，每层厚45MM；内层塑料衬里一般不正槽铺设；玻璃钢衬里一般为610层，厚约35MM。32电解槽总数电解槽总数包括普通电解槽、种板电解槽。电解槽总数可按下式计算（31）IMN18523506式中N电解槽总数，个；M年产电解铜量，T；350年工作日，日；335日通电时数，H；电流效率，；I电流强度，A；1186铜的电化当量，G/（AH）。641个根据实际情况取660个10968512350N33阳极、阴极和种板和始极板与计算331阳极、阴极和种板的尺寸阳极尺寸的选择与生产规模，操作的机械化程度及其他一些技术条件有关。机械化程度较高的大型工厂采用大型阳极板，其质量范围一般在300KG以上。中、小型工厂，机械化程度较低，常采用小型阳极板。因此，本结合本设计的实际情况阳极板的尺寸为1000960MM。2为了避免阴极边缘生产树枝状结晶，通常阴极尺寸比阳极稍大，宽度大约为3555MM。比阳极长2545MM。本设计阴极板的尺寸为10201000MM。2332电解槽中阴极、阳极的片数每槽阴极片数（3CKCFNDI2）式中每槽阴极片数，片；CI电流强度，A；电解槽电流密度，A/K每片始极板的面积，。CF每槽阳极数为1这种情况下，电解槽两端放阳极，每槽内阳极比阴极多一片、在采CN用铅板做槽衬时，为了防止电解槽两端结铜，也可在电解槽两端结铜，也可以在电解槽两端放阴极。此时每槽阴极片数为1，阳极片数为。本设计电流密度取260A/CNCN。2M38个016NC因此，本设计两端放阳极板，阴极板比阳极板多一片，所以阳极板为37片。333电解槽尺寸的确定电解槽长度设电解槽两端各留一定距离A（一般A取100150MM），则电解槽长度为阳极片数（或阴极片数）极距2A3810021004000MM电解槽的宽度设阴极两侧距槽边各留一定距离BB一般取5055，则电解槽宽度为阴极长度2B10202501120MM电解槽的深度设阴极下端距槽底各留一定距离C（C一般取250300MM），阴极上端距槽底各留一定距离D（一般D取50100MM），则电解槽深度为阴极长度CD10202001001320MM334种板槽数的确定铜点解精炼过程所需种板槽数可按以下式计算（3AN2CPABCNX2）式中X种板电解槽数，个；N车间电解槽总数；NC一个商品电解槽的阴极数；P一个阴极所需始极片量，取106；A种板周期；A阴极周期；B一个种板电解槽的种板数,片57个10638957620X335脱铜槽数的确定在铜电解精炼过程中，电解液中的铜离子浓度会不断上升。为了保持铜离子浓度的稳定，可采用脱铜措施。脱铜有两个途径，一是每天抽取一定的电解液，由净液过程脱除一部分；二是在普通电解槽系统设置脱铜槽。脱铜槽中的电解过程属于电解提取过程，槽电压为20V左右，电流效率一般在9095范围之内。本设计电流效率定位95336槽边导电排、槽间导电板、阴极导棒槽边导电排与整流机供电导线相连，通过的电流为电解槽的总电流。导电排的允许电流密度可取111A/；对小型精炼厂，由于电流强度不大，导电排的允许密2M度还可适当提高到1416A/。导电排截面积可按下式计算（31DAF3）式中F1导体截面积，；A总电流，A；D1允许电流强度，A/。本设计电流密度取1A/M220/M导电排的温度不应高于周围空气40，当计算出导体截面积后，还应用下式进行温升演算34SNKIQ2式中Q导体与周围空气温度差，K散热系数，在露天取25，在室内取85；I电流强度，A；导体比电阻，铜为00175；2Q/MS导体横断面积，；N导体断面的周长，MM。导电排通常采用多块铜板叠成，每块尺寸10010MM。槽间导电板由紫铜制作，其断面一般采用圆形、半圆形、三角形等，使接触点保持清洁；槽间导电板允许电流密度可取0309A/，2M其截面积可按下式计算352NDAF式中槽间导电板的截面积，；22MA总电流，A；N每槽阴极数；槽间导电体允许电流强度，A/22结合实际取05A/2D23262F50381阴极导电棒一般以紫铜制作，其断面有方形、圆形、中空方形及钢芯铜皮方形等，视阴极的大小和重量决定。考虑到强度及加工的方便，中、小极板一般选用中空方形导电棒；大极板则选用钢芯包铜方形导电棒。阴极导电棒允许电流密度可取1125A/。结合实际取1A/其截面积可按公式计算。中空方形导电棒的壁厚通常采2M2M用4MM。2633NDAF24冶金计算41物料平衡计算1电解过程中阳极中各元素的分配。铜电解精炼过程中阳极所含个元素在阴极铜阳极泥和电解液三者之间的分配主要取决于阳极的化学组成和一些技术条件。根据有关文献资料，表41给出了阳极中各元素分配率的范围。2阳极泥率和阳极成分的计算。根据所给阳极成分和电解过程中个元素的分配率，计算出阳极泥率和阳极泥成分。3阴极铜化学成分的计算。根据所给阳极成分和确定个元素的分配率，计算出阴极铜的化学组成。4物料平衡表。根据铜的回收率、残渣率和以上计算结果，计算和编制出铜的物料平衡表。阳极铜成分级阳极中各元素的分配率见表41和表42所示计算条件年产电解铜6万吨电流效率96残极率16铜电解回收率995年工作日350D日通电时数235H电解槽作业率955始极片尺寸0780732电流强度10000A元素CUNIPBASSBBIZNFESNOAUAG其他含量/994010100160040003000100040001002000300850227表41阳极成分元素进入溶液进入阳极泥进入阴极CU19300798AU991AG982AS63307SB256510BI15805PB96535SN58510FE721018NI8951004ZN9343S964O100其他5905表42电解过程中各元素的分配率元素进入阳极泥的量占阳极溶解量的百分数阳极泥成分CU99400007006958133AU000309900029705AG008509800833159AS001603000048009SB004065002650BI00030800002405PB01096500965185SN000108500008502FE00040100000401NI0101000119ZN00010040000401S000209600019203O0021000238其他0227090204339阳极泥率0523100表43阳极泥率和阳极泥成分计算元素阴极析出量占阳极溶解量百分比阴极铜成分CU994098974129998973AU0003001000001000008AG008500200017000174AS0016007000112000115SB004010001000102BI0003005000015000015PB01003500035000359SN00010100001000010FE0004018000072000073NI01000400004000041ZN0001003000003000003S0002004000008000008其他022700050001135000117合计97422100表44阴极铜成分计算（1）1T阴极铜需要溶解阳极量6000099989599934T（2）阳极实际需要量599934/995602948T（3）实际溶解阳极量602948/9800743068T（4）阳极泥量43068/133323820T5生产60000T电铜要进入溶液中的铜量599934/9819311815T6生产60000T电铜所需阳极的数量（6029484306811815）/84994787859T阳极含铜量787859994789132T（7）残极量78785916126057T残极含铜量126057994125301T用上述结果编制物料平衡表进料物料名称数量/T铜含量/纯铜量/T阳极铜787859T994789132合计789132出料物料名称数量/T铜含量/纯铜量/T阴极铜6000099989599934残极126057994125301阳极泥32382013343068电解液11815损失15013合计780268表45物料平衡表42净量液的计算净液量是根据阳极铜成分，各种杂质进入电解液的百分数、有害杂质在电解液中的允许含量以及净化过程中杂质的脱除效率。计算需要以下数据生产60000T电铜需要789132T阳极铜，其中残极量为126057T。阳极铜中铜及主要杂质含量CU994,NI01,AS0016,SB004,BI0003进入溶液的百分数CU13,NI896,AS63,SB25,BI15电解液中铜和杂质的允许含量（G/L）CU45,NI15,AS7,SB06,BI05；采用冷却结晶法生产粗硫酸镍，这几种物质的脱除率CU98，NI75，AS85，SB85，BI85。按主要元素分别计算净液量如下18645/A98451031230783CUQ3M5276/A76NI1122/A851030123783AS39386/A62495SBQ701/A85010312783BI3M从计算结果来看，需净液最大的是铜元素，其次是镍。铜的脱除采用在电解工序电解槽中增加不溶阳极的方法脱除，故净液量以镍元素为所需量计算，取5276/A。3M净液量确定以后根据已知电流效率96，电流强度10000A，年工作日350D，日通电时数235H。所需脱铜脱除的铜量为（186455276）456016T310所需脱铜槽数64个9610352186确定脱铜槽数为7个。43槽电压组成计算铜电解精炼电解槽的槽电压一般为0203V。槽电压主要由阴阳极电位差，电解液电阻产生的电压降以及导体、接点和阳极泥电阻产生的电压降三部分组成，其计算公式如下41R1IREVCA式中V槽电压，V；阳极电位，V；AE阴极电位，V；CI电流强度，A；电解液电阻，LRR导电棒，电极，阳极泥及接点电阻，1阴阳极电位差。铜电解精炼过程的阴阳极电位差主要是由于浓差极化造成的。浓差极化的程度与电流密度、电解液搅拌强度、电解液温度、电解液含铜量和含酸量以及添加剂浓度等因素有关。2电解液压降。电解液压降是指电流通过电解液时，由于电解液电阻造成的电压降。电解液电阻与电解液中的酸、铜和杂质有关。也与电解液温度和添加剂量有关。阴阳极间电解液电阻可按下式求出42SRL式中R阴阳极间电解液的电阻，阴阳极间电解液的比电阻，ML阴阳极极间距离S电流由阳极到阴极通过的面积3导体、接点和阳极泥降压。导体主要指导电棒和电极。导电棒和电极的电阻引起的电压降很小，而且变化不大。接点电阻主要与接点处接触面积大小、接触处压紧程度及接触处是否清洁等因素有关。44电解槽热平衡计算在电解过程中，电解液的热损失主要包括四部分电解槽液面水分蒸发的热损失；电解液面辐射液对流的热损失；电解槽壁的辐射与对流的热损失；。电解过程中的热收入只有电流通过电解液所产生的热量。设定电解槽尺寸400011201320，壁厚100MM；电解槽总数660个；电流强度10000A；槽电压028V电解液循环速度20槽）MIN/L电解槽电解温度63CO室温25O槽壁温度35441热支出（1）电解槽液面水蒸气蒸发热损失。对于无覆盖电解槽，电解液面水分蒸发量可根据表46和表47数据来确定。室温相对温度电解液温度/CO/CO/48550051553555057060065022800760835084089510911513317424700740840855090110116513517626650755083084089108114132173表46电解槽水分蒸发量本设计电解槽水分蒸发量为21KG/。HM2电解槽总表面积411266029568MM60水的气化热为235842KJ/KGCO则电解槽液面水蒸发热损失为295682123584214644090KJ/H1Q2电解槽液面辐射与对流热损失。电解槽液面的辐射与对流损失可用傅里叶公式计算；43TQ212KF式中K辐射与对流联合给热系数，KJ/CO2HMF传热表面积，M电解液温度，1TCO车间空气温度，2联合给热系数K可按下式求出444/122144T03T）（式中和分别为和的绝对温度，所以12T4011KJ/4/144256356307073）（）（）（KCO2HM4506695KJ/H2563012402Q3电解槽壁的辐射与对流损失。槽壁的辐射与对流热损失的计算方法与槽液面的辐射与对流热损失一样。这里辐射与对流联合给热系数为3494KJ/4/122140）（）（）（TTKCO2HM电解槽壁的总面积为F4012112012240121320121120121320166014006M电解槽壁的辐射与对流热损失为）（213TQKF349414006（3525）4893696KJ/H4管道内溶液热损失。管道内溶液热损失可由下式计算TQ4PCQ式中电解液循环量，；H/M3电解液密度，KG/电解液比热容，P/CKGJO电解液在循环管内的温度降，T可由每个电解槽的循环量求得2063160192/HQ3103可由下式求出4558041372452401R23TASFENISOHCU这里取CU4,185,NI15,FE05,AS35,以上单位均为G/L。ST63O则635018031220KG/M3762471U610423TFENISOHCCP349KJ/KGO可根据车间的大小取24，结合实际本设计取3TOCO管道内溶液热损失为129122034932452943KJ/HTQ4PQ所以全车间热支出为43211464409045066954893696245294326497424KJ/H442热收入热收入为电流通过电解液时所产生的热，可用下式计算463510T23904QNEI式中电流所生的热量，KJ/HE电流通过电解液的电压，V；I电流强度,AT时间，3600S；N电解槽数。这里电流强度取10000A，根据槽电压组成计算E取0145V，电解槽数N660。351063104523904Q3458291KJ/H443全车间需补充的热量全车间需补充的热量热支出热收入26497424345829123039133KJ/H根据以上计算结果热平衡。热收入KJ/H电流通过电解液产生34582911305加热器补充230391338695合计26497424100热支出KJ/H电解槽液面水蒸发热损失146440905527电解槽液面辐射与对流热损失45066951700电解槽外壁辐射与对流热损失48936961847循环管道内溶液热损失2452943926合计26497424100表47铜电解精炼热平衡5专题铜冶炼工艺研究进展51概述随着世界经济的全球化，铜冶炼厂面临着更严峻的竞争和挑战，其焦点仍然是产品的质量和成本。各铜冶炼厂面对国际和国内市场的竞争，都在努力寻求适合自己实情的技术改造方案，希望通过改扩建，大幅度提高技术和装备水平，环保达标，能耗和成本大幅度降低。同时，各地的冶金机构和有关企业都在进行着深入的研究。52闪速炉熔炼的特点闪速熔炼自1949年芬兰奥托昆普问世以来经过不断改进、完善和发展，逐步取代了反射炉和鼓风炉的地位。今天它已成为当今铜冶金所采用最具有竞争力的熔炼技术被普遍认为是标准的清洁炼铜工艺。521生产能力大闪速熔炼是一种悬浮熔炼，气一液一固三相在反应塔内12S就完成一系列反应过程，富氧的应用更加快了反应的速度，所以闪速炉特点是生产能力大。目前，全世界有闪速炉36台，平均每台年生产能力约1710T。美国的BHP公司单台闪速炉能力已达3010TA，日本佐贺关冶炼厂单台闪速炉能力1999年突破了4510T。闪速炉问世至今，生产规模基本是每10年以510T的速度在增长，而且这种增长还在持续。预计未来5年，单台闪速炉最大生产能力将达到5010T。这种能力优势是任何其它冶炼炉无法比拟的。随着不断改进和发展，闪速炉生产潜力到底有多大尚且无法估量。现在，世界上已提出未来百万吨闪速炼铜厂的设计构想2。522环境保护好闪速熔炼是一个连续稳定的过程，SO2浓度高，烟气成分平稳，有利于制酸和S的回收。目前，闪速熔炼工艺S的回收率基本达到95以上，优于其它冶炼工艺，但尚有5的潜力，不少闪速炼铜厂目前正在积极采取有效措施，进一步提高S的回收率，以适应未来更加严格的环保要求。闪速熔炼提高S的回收率关键不在于闪速炉本身，而在后续流程转炉和硫酸系统，其主要进展一是PS转炉吹炼一连续转炉一闪速吹炼法；二是硫酸工序采用了动力波洗涤新技术；三是环集集烟系统完善和尾气处理技术。523自热熔炼闲速熔炼最大的优点之一是充分利用了铜精矿的巨大表面能，即最大限度地利用了精矿的自身反应热。随着闪速熔炼向高投料量、高球铜品位、高富氧浓度、高热负荷的“四高”方向发展，闪速炉自热熔炼已逐渐成为现实，这将大大减少能源消耗，目前世界上已有几家闪速炼铜厂实现了自热熔炼。此外，由于闪速炉富氧可以在2195浓度范围内灵活方便的使用，不仅可以大大降低能源消耗和提高生产能力，而且减少了烟气量。这样，可以减少烟气处理设备废热锅炉、电收尘、制酸等的投资。有关资料表明L3J，对一个年产1010T铜的新厂来说，富氧含量每增加L0，则可节省投资200万美元。524生产稳炉龄长自动化程度高、生产稳定是闪速熔炼特点之一。目前世界上所有闪速炉基本都实现了工艺过程计算机在线控制，从而保证了闪速炉生产高质量稳定运行所以，闪速炉作业率明显高于其它工艺。此外，闪速炉的炉龄较长，一般立体冷却的闪速炉炉龄至少都在L0年以上，即闪速炉在此期间内不需进行停炉冷修。同闪速熔炼相比，熔池熔炼艾萨炉、诺兰达炉、瓦纽可夫炉等主要不足之一就是耐火砖损耗严重，炉寿命短，一般每年至少都需停炉大修一次；闪速炉炉龄目前正在朝1520年方向前进。525闪速吹炼火法炼铜一般分为三个过程首先将铜精矿熔炼成冰铜，然后将冰铜吹炼成粗铜，最后将粗铜精炼成阳极铜。90年代前，炼铜技术的进步