【正文】 計(jì) (論文) 開(kāi) 題 報(bào) 告冶金與化學(xué)工程學(xué)院 冶金工程專業(yè) 級(jí)（2013屆） 班 學(xué)號(hào) 學(xué)生 設(shè)計(jì)題目：年產(chǎn)16萬(wàn)噸電銅電解車間設(shè)計(jì)本課題來(lái)源及研究現(xiàn)狀：隨著社會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)資源的需求越來(lái)越高。截至2006年底，我國(guó)銅礦查明資源儲(chǔ)量7048萬(wàn)噸，其中，基礎(chǔ)儲(chǔ)量3070萬(wàn)噸，%。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，中國(guó)銅精礦產(chǎn)量2008 萬(wàn)噸，2009 萬(wàn)噸， 萬(wàn)噸，2011 年截止到5 萬(wàn)噸， 萬(wàn)噸，%。在7大銅礦基地中，除江西銅基地的資源相對(duì)充足外，白銀銅基地資源已經(jīng)枯竭；云南銅基地的易門、牟定已列入關(guān)閉礦山，東川、大姚保有儲(chǔ)量嚴(yán)重不足；中條山銅基地已經(jīng)“三礦變一礦”，其中蓖子溝、胡家峪銅資源已經(jīng)枯竭，銅礦峪資源雖保有一定儲(chǔ)量，但品位太低；大冶銅基地的5座銅礦山中，有兩座資源已經(jīng)枯竭；銅錄山、豐山洞等礦山也已出現(xiàn)資源危機(jī)。應(yīng)要求現(xiàn)需設(shè)計(jì)一個(gè)年產(chǎn)16萬(wàn)噸銅電解精煉車間。其中ISA法為主要電解方法，以不銹鋼板為陰極，用硫酸和硫酸銅的水溶液座位電解液，在直流電的作用下，陽(yáng)極上的銅溶解進(jìn)入溶液，溶液中的銅離子在陰極上析出。各國(guó)現(xiàn)行的電銅質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO已不能全面反映電銅質(zhì)量特性。目前開(kāi)采化學(xué)成份復(fù)雜的貧礦，大量增加多種精礦的購(gòu)買量，所有這些原因均會(huì)造成銅電解系統(tǒng)雜質(zhì)含量課題研究目標(biāo)、內(nèi)容、方法和手段：目標(biāo)：了解銅電解精煉的原理及電解車間的運(yùn)作過(guò)程。對(duì)ISA電解精煉了解更加的更加深刻，對(duì)生產(chǎn)的流程、工作條件、注意事項(xiàng)、應(yīng)急措施、不足之處等都有了新的認(rèn)識(shí)。方法和手段：使用Auto CAD制圖軟件繪圖。根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，進(jìn)行了廠址的選擇、物料平衡計(jì)算、熱平衡計(jì)算和設(shè)備選型的計(jì)算，在計(jì)算的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出電解槽的槽型，并完成了設(shè)備的選型和車間布局的設(shè)計(jì)，最后對(duì)本項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了概算。%，電解過(guò)程所使用電流強(qiáng)度為25000A，電流密度為320A/m2，電解液溫度是60℃，電解液循環(huán)速度為30L/min，電解槽設(shè)計(jì)內(nèi)尺寸為449511101320/1503mm，電解槽數(shù)為740個(gè)，車間采用雙跨布置。 technological process design。 Equipment Selection。熔點(diǎn)1083℃，沸點(diǎn)2567℃。銅具有許多可貴的物理化學(xué)特性，例如其熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都很高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，抗張強(qiáng)度大，易熔接，具有抗蝕性、可塑性、延展性。銅能與鋅、錫、鉛、錳、鈷、鎳、鋁、鐵等金屬形成合金。銅及其合金的消費(fèi)量?jī)H次于鋼鐵和鋁。銅用于制造各種子彈、槍炮和飛機(jī)、艦艇的熱交換器等部件，還用于制造軸承、活塞、開(kāi)關(guān)、閥門及高壓蒸汽設(shè)備等，其他熱工技術(shù)、冷卻裝置、民用設(shè)備等也廣泛使用銅和銅合金。其它儲(chǔ)量較多的國(guó)家還有秘魯、中國(guó)、波蘭、贊比亞、俄羅斯、墨西哥、印度尼西亞、加拿大、哈薩克斯坦、剛果（金）和菲律賓等。以上9省區(qū)的儲(chǔ)量合計(jì)占全國(guó)銅礦總儲(chǔ)量的80%。但是，經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)采，7大銅業(yè)基地現(xiàn)大多已進(jìn)入中晚期，并出現(xiàn)了不同程度的資源危機(jī)。近幾年來(lái)隨著銅礦找礦、勘探需求的增長(zhǎng)，地質(zhì)工作的機(jī)制也在發(fā)生變化，如有的企業(yè)對(duì)礦山二輪找礦給予噸金屬級(jí)補(bǔ)貼，或與地勘隊(duì)伍建立雙贏的長(zhǎng)期合作機(jī)制，對(duì)有前景的區(qū)域投資組織專家進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)論證和技術(shù)攻關(guān)，大的礦山和冶煉企業(yè)逐步成為銅資源勘探投資的主體。2002年，中國(guó)超過(guò)美國(guó)成為世界上精銅消費(fèi)量第一大國(guó)，之后一直保持“霸主”地位。但由于銅價(jià)的大幅上揚(yáng)，在汽車運(yùn)輸、家電、建筑等行業(yè)，銅需求受到一定程度的抑制甚至替代，從而使得2006年國(guó)內(nèi)銅消費(fèi)增長(zhǎng)速度繼續(xù)放緩。%，%。精銅產(chǎn)量位世界第二，僅次于智利。這主要是由于銅價(jià)的上漲，國(guó)內(nèi)幾乎所有主要的銅生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量都有所增長(zhǎng)。受銅價(jià)大幅上漲的刺激，2006年中國(guó)的銅精礦含銅產(chǎn)量增幅繼續(xù)擴(kuò)大，居世界第6位，%，成為近年來(lái)增幅最大的一年。2006年，精銅產(chǎn)量達(dá)到20萬(wàn)噸的企業(yè)數(shù)量由2005年的3家（銅陵、江銅、云銅）增加為5家（銅陵、江銅、云銅、大冶、金川）。%，居全國(guó)銅生產(chǎn)企業(yè)精銅產(chǎn)量之首。%。%%?，F(xiàn)在，奧托昆普閃速熔煉和各種熔池熔煉工藝，已經(jīng)成為主流煉銅工藝。（3）各煉銅廠的裝備水平和自動(dòng)化水平都大大提高。（5）冶金工藝參數(shù)的測(cè)定更為先進(jìn)，測(cè)定的數(shù)據(jù)更為可靠，如艾薩爐熔池，溫度直接連續(xù)測(cè)定的實(shí)現(xiàn)可使熔池溫度控制在177。有價(jià)金屬的綜合回收率進(jìn)一步提高，綜合能耗進(jìn)一步降低，勞動(dòng)生產(chǎn)率進(jìn)一步提高，冶金環(huán)境進(jìn)一步改善。 我國(guó)銅冶煉技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀近幾十年來(lái)我國(guó)的銅工業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，火法冶煉的技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。云銅已采用艾薩法代替電爐熔煉，金昌冶煉廠和侯馬冶煉廠已采用奧斯邁特法生產(chǎn)銅，特別是艾薩法一次順利投產(chǎn)成功，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到世界同類工藝的先進(jìn)水平。除了火法冶煉外，近年來(lái)我國(guó)濕法冶煉也取得較大的進(jìn)展。廢銅冶煉技術(shù)方面，經(jīng)過(guò)十年的艱辛努力，四川德陽(yáng)東方電工機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)人員于2000年推出了我國(guó)第一條UL+Z－1800+255/14型全廢銅連鑄連軋機(jī)組生產(chǎn)線，該條生產(chǎn)線結(jié)合了美國(guó)、法國(guó)、意大利等公司的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，一經(jīng)推出即制造出了符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的低氧光亮銅桿，年產(chǎn)量可達(dá)5萬(wàn)噸，此生產(chǎn)線將我國(guó)100%廢銅料加工成高質(zhì)量光亮銅桿的夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。江西銅業(yè)集團(tuán)公司、銅陵有色金屬集團(tuán)公司、云南銅業(yè)集團(tuán)公司等骨干銅冶煉企業(yè)，先后引進(jìn)了奧托昆普閃速熔煉、諾蘭達(dá)熔煉等一批先進(jìn)工藝和裝備，使得中國(guó)銅冶煉行業(yè)綜合能耗呈現(xiàn)下降。2000年，中國(guó)銅冶煉企業(yè)(含礦山、冶煉聯(lián)合企業(yè)和獨(dú)立冶煉企業(yè))實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品銷售收入337億元人民幣。在中國(guó)國(guó)內(nèi)銅產(chǎn)品需求增長(zhǎng)和產(chǎn)量增加的帶動(dòng)下，中國(guó)銅產(chǎn)品進(jìn)口快速增長(zhǎng)。在中國(guó)政府的大力支持下，中國(guó)銅工業(yè)在國(guó)際化經(jīng)營(yíng)和境外投資取得初步進(jìn)展。中國(guó)在境外已獲得投資權(quán)益銅金屬基礎(chǔ)儲(chǔ)量約650萬(wàn)噸，形成了近8萬(wàn)噸/年的銅精礦(金屬量)產(chǎn)能。電解精煉的目的就是進(jìn)一步脫除火法精煉難以除去的、對(duì)銅的導(dǎo)電性能和機(jī)械性能有損害的雜質(zhì)，%以上，并且回收火法精煉銅中的有價(jià)元素，特別是貴金屬、鉑族金屬和稀散金屬。由于化學(xué)性質(zhì)的差異，貴金屬和部分雜質(zhì)進(jìn)人陽(yáng)極泥，大部分雜質(zhì)則以離子形態(tài)保留在電解液中，從而實(shí)現(xiàn)了銅與雜質(zhì)的分離。除周期反向電流（PRC）電解，永久性不銹鋼陰極－ISA法和KIDD法等新工藝外，在出裝槽自動(dòng)化、檢側(cè)和大功率可控硅整流設(shè)備方面都有相當(dāng)?shù)倪M(jìn)步，使過(guò)程向大型化、高效率和低消耗方面發(fā)展。KIDD工藝是對(duì)ISA法的繼承與發(fā)展，與ISA相比KIDD的最大不同點(diǎn)在于陰極底部不涂蠟，消除了涂蠟的不良影響，減少運(yùn)行成本，不會(huì)使表面粘附陽(yáng)極泥和長(zhǎng)粒子，不會(huì)在陰極上形成薄膜。在銅電解過(guò)程中，電解液中銅和雜質(zhì)含量逐漸增加，添加劑含量不斷積累，而硫酸的含量則逐漸減少，從而使電解液成分偏離所需的條件控制范圍。常規(guī)凈化方法有：（1）加銅中和或直接濃縮法生產(chǎn)硫酸銅；（2）電解沉積法；（3）中和、濃縮生產(chǎn)硫酸銅，電解法除As、 Sb，冷凍結(jié)晶生產(chǎn)硫酸鎳；（4）高酸結(jié)晶法生產(chǎn)硫酸銅，電解除As、Sb、Bi，電熱蒸發(fā)生產(chǎn)粗硫酸鎳。新的凈化方法有：（1）滲析法（陰離子交換膜）；（2）萃取法；（3）共沉淀法：（4）氧化法除As、Sb、Bi。廠址選擇適當(dāng)與否，對(duì)企業(yè)的建設(shè)速度、建廠投資、生產(chǎn)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)及工農(nóng)關(guān)系等會(huì)帶來(lái)重大影響。在進(jìn)行廠址選擇時(shí)，應(yīng)根據(jù)有色生產(chǎn)的特點(diǎn)，應(yīng)充分論證以下幾個(gè)問(wèn)題： 建設(shè)一座有色冶金廠，對(duì)全國(guó)的工業(yè)布局、一個(gè)區(qū)或一個(gè)城市的合理發(fā)展、各個(gè)工業(yè)區(qū)之間的經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)以及農(nóng)業(yè)發(fā)展等起著重要的作用，應(yīng)根據(jù)工業(yè)布局“大分散，小集中、多搞小城鎮(zhèn)”的方針，按“工農(nóng)結(jié)合，城鄉(xiāng)結(jié)合，有利生產(chǎn)，方便生活”的原則，進(jìn)行廠址選擇和居住區(qū)規(guī)劃，使之符合工業(yè)布局總體規(guī)劃及城市建設(shè)規(guī)劃的要求。因此在進(jìn)行廠址選擇時(shí)必須充分考慮交通運(yùn)輸問(wèn)題。、供電條件 有色冶煉廠一般是大量用水和耗電多的企業(yè)。以供電為例，廠址距離電源每增加一公里，就需增加外部高壓輸電線投資3～4萬(wàn)元，這不僅大大增加投資，而且影響建設(shè)進(jìn)展，所以冶金企業(yè)盡可能的選擇在供電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)供電半徑之內(nèi)是至關(guān)重要的。 冶煉廠的土建投資是相當(dāng)大的，廠址地震等級(jí)的不同會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)以及基礎(chǔ)工程的投資帶來(lái)很大影響，所以廠址不能選在發(fā)震斷層地區(qū)和基本裂度為9級(jí)以上的地震區(qū)。 冶煉廠一般是機(jī)械化自動(dòng)化水平比較高的現(xiàn)代化企業(yè)，為保證企業(yè)生產(chǎn)順利進(jìn)行，必須有充足的設(shè)備及備品備件供應(yīng)，要有強(qiáng)有力的機(jī)械加工和維修能力。工廠在建設(shè)過(guò)程中的施工條件諸如磚瓦、砂石、石灰、水泥、木材等能否就地取材，施工力量和施工場(chǎng)地是否具備等，都對(duì)建設(shè)進(jìn)度起著一定的作用。本次設(shè)計(jì)課題是設(shè)計(jì)一個(gè)年產(chǎn)16萬(wàn)噸銅電解車間，根據(jù)上述廠址選擇原則，考慮眾多因素，決定把這次廠址設(shè)置于江西鷹潭貴溪?，F(xiàn)為“全國(guó)文化先進(jìn)市”、“全國(guó)科技先進(jìn)市”、“全國(guó)全民健身先進(jìn)市”，被譽(yù)為“銅都銀鄉(xiāng)”。土地肥沃，農(nóng)業(yè)資源豐富，是全國(guó)商品糧基地、南方最大早熟梨基地、江西省重點(diǎn)產(chǎn)材基地、長(zhǎng)江防護(hù)林基地、國(guó)家儲(chǔ)備糧基地。已探明儲(chǔ)量的有金、銀、鉛、鋅、鈾、瓷土、石膏、硅石、花崗巖等30余種，其中冷水銀礦儲(chǔ)量為全國(guó)之最。境內(nèi)地形復(fù)雜，地域性氣候差異較大。貴溪市季節(jié)氣候特點(diǎn)，可概括為：春季溫和，陰雨連綿；夏季炎熱，汛旱分明；秋季溫涼，降水稀少；冬季較長(zhǎng)，初雪偏早。表21為貴溪?dú)夂蚍治霰怼：０?2m空運(yùn)：南昌昌北機(jī)場(chǎng)，位于江西省南昌市昌北新區(qū)，與昌九高速公路相連，貴溪至昌北機(jī)場(chǎng)約180公里，貴溪至臺(tái)北直線距離約560公里。是國(guó)內(nèi)重要的交通樞紐，也是華東地區(qū)最大的鐵路貨運(yùn)編組站，鐵路密度和火車站密度居全國(guó)前列。公路四通八達(dá)，3206國(guó)道縱橫境內(nèi)，上海至瑞麗高速公路穿境而過(guò)，高速掛線一期工程已建成通車，到杭州4小時(shí)，市、鄉(xiāng)、村公路網(wǎng)絡(luò)相通。海港：鷹潭（貴溪）的銅產(chǎn)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì)基地“貴溪港”項(xiàng)目正式運(yùn)營(yíng)，并在積極籌建鐵路專用線。土地肥沃，農(nóng)業(yè)資源豐富。工業(yè)發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力雄厚。全市地方工業(yè)迅速崛起。其中，南方照明公司、竹輝公司被列入國(guó)家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)企業(yè)，一批名、優(yōu)、特、高、精、新產(chǎn)品打入國(guó)際市場(chǎng)。具有工業(yè)、交通、商貿(mào)、信息、旅游等諸多優(yōu)勢(shì)和較強(qiáng)輻射功能，是贛東北地區(qū)中心城市。全市河流眾多，水量充沛。綜上所述，將廠址設(shè)在貴溪合理。H2O和SO42失去電子的反應(yīng)由于其電位比銅正，故在正常情況下不會(huì)發(fā)生。 陰極反應(yīng)：Cu2+＋2e＝Cu =+ (35) 2H++2e=H2 =0V (36)Me2＋＋2e＝Me E0Me/Me2＋＞0. 34V (37)在這些反應(yīng)中，具有標(biāo)準(zhǔn)電位比銅正、濃度高的金屬離子才可能在陰極上被還原，但它們?cè)陉?yáng)極不溶解，因此只有銅離子還原是陰極的主要反應(yīng)。表31 的平衡數(shù)據(jù)溫度/℃Ek(v)Cu/()/ gl1253342255527010089可見(jiàn)，平衡的Cu+濃度是很小的。在電極與電解液界面上還進(jìn)行銅的化學(xué)溶解反應(yīng)： (39)銅電解工藝有三種方案可供選用，即傳統(tǒng)電解法、永久陰極電解法和周期反向電流電解法。20世紀(jì)70年代以來(lái)，相繼出現(xiàn)了幾種新的電解生產(chǎn)技術(shù)。永久性不銹綱陰極電解分為ISA法和KIDD法，艾薩法是由澳大利亞Mount ISA公司在1978年研制成功并投入生產(chǎn)，KIDD法是加拿大鷹橋公司在1986年開(kāi)發(fā)成功。周期反向電流電解法【6】是隨著高電流密度電解的成功使用應(yīng)運(yùn)而生的，是強(qiáng)化生產(chǎn)的有效措施。通過(guò)整流器產(chǎn)生的周期反向電流可以消除由于電流密度提高而帶來(lái)的陽(yáng)極鈍化的影響，從而達(dá)到強(qiáng)化生產(chǎn)、保證電銅質(zhì)量的目的。其缺點(diǎn)是隨著電流密度的提高，電能消耗增加（據(jù)統(tǒng)計(jì)，約增加30%），電流效率降低，整流設(shè)備成本高。采用周期反向電流電解，陽(yáng)極鈍化現(xiàn)象在電流密度高達(dá)550～650 A/m2時(shí)才開(kāi)始出現(xiàn)。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐，一般認(rèn)為350A/m2的電流密度是周期反向電流電解的最佳電流密度。周期反向電流電解的優(yōu)點(diǎn)為：（1）因電流密度高，同樣的生產(chǎn)規(guī)模，所需電解槽數(shù)及廠房面積均相應(yīng)減少，可節(jié)省建設(shè)投資。（2）特別適用于對(duì)常規(guī)電解精練工廠挖潛增產(chǎn)，在已有的工廠對(duì)電解供電系統(tǒng)作必要改造，即可大幅度提高生產(chǎn)能力。此外，電流效率也略低于常規(guī)電解法。表32 電解精練主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)指標(biāo)名稱單位傳統(tǒng)法周期反向電解永久陰極電解電流密度A/m2220～250300～400280～330電流效率%96～9790～9595～98直流電耗kw以純銅始極片為陰極，電源為恒向直流電，電流密度為220～280A/m2。特別是采用了機(jī)械化、自動(dòng)化水平高的陰陽(yáng)極加工機(jī)組，并采用新技術(shù)適當(dāng)提高了陰陽(yáng)極板的垂直度以后，陰極銅產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著的改善。圖32 常規(guī)電解精煉工藝但是傳統(tǒng)法的始極片制作工藝復(fù)雜，不僅需要獨(dú)立的生產(chǎn)系統(tǒng)，而且制作過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度過(guò)大。（2）容易形成“陽(yáng)極鈍化”，在正常電壓下陽(yáng)極不能溶解，必須提高電壓使鈍化膜在更高的電壓下被破壞并溶解，不僅影響正常生產(chǎn)，還會(huì)造成電能浪費(fèi)和陰極銅的化學(xué)成分不穩(wěn)定，進(jìn)而影響產(chǎn)品的質(zhì)量和物理性能。此外，種板槽及其單獨(dú)的循環(huán)系統(tǒng)，使廠房面積加大，建筑費(fèi)用提高。在高雜質(zhì)、高陽(yáng)極率情況下，陰極銅板面質(zhì)量控制難度較大。（ISA）永久陰極電解法是針對(duì)傳統(tǒng)電解法需要生產(chǎn)并加工始極片的缺點(diǎn)而研制開(kāi)發(fā)的，并得到了快速發(fā)展，目前該法生產(chǎn)的電解銅已占世界總產(chǎn)量的30%。（1）由于使用永久不銹鋼陰極，省去了始極片的生產(chǎn)制作及相應(yīng)的組裝陰極作業(yè)，使生產(chǎn)工序簡(jiǎn)化。因此，既可保證產(chǎn)品質(zhì)量，又能提高電銅產(chǎn)量。（4）機(jī)械化程度高，操作人員少。（6）電銅單塊質(zhì)量輕，相同重量ISA銅表面積是傳統(tǒng)法的3倍，加大了表面粘附雜質(zhì)對(duì)銅質(zhì)量的影響。ISA法電解由于電流密度高，極距小，從而可以減少電解槽數(shù)量和廠房面積。因此總的基建投資將略高于常規(guī)電解的投資。用304不銹鋼異型鋼管焊接在鋼板上，代替?zhèn)鹘y(tǒng)電解法的陰極導(dǎo)電棒，起到吊掛陰極并導(dǎo)電的作用。既能使沉積的電銅不會(huì)從陰極上掉落于電解槽內(nèi)，又可以容