【正文】 ｓａ公司的Ｔｏｗｎｓｖｉｌｌｅ冶煉廠在１９７８年研制成功并投入生產(chǎn)，稱之 為艾薩（ＩＳＡ）電解法。目前還有奧圖泰（Ｏｕｔｏｔｅｃ，原奧托昆普），三并（ＭＥＳＣＯ）也在研究開(kāi)發(fā)和推廣該項(xiàng)技術(shù)。由于具有顯著的優(yōu)越性，從其問(wèn)世伊始，就引起了銅冶金行業(yè)的巨大關(guān)注。全球使用該項(xiàng)技術(shù)生產(chǎn)的銅量接近５０％：近年來(lái)中國(guó)永久不銹鋼陰極技術(shù)的應(yīng)用也得到了迅速推廣，如江西銅業(yè)（Ｉｓａ法），銅陵金?。ǎ耍椋洌浞ǎ?，山東祥光（ＯＴ?shī)W圖泰法）。提高產(chǎn)能以適應(yīng)消費(fèi)需求已成為一種趨勢(shì)，擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，提高技術(shù)裝備水平符合這種趨勢(shì)。有條件地采用不銹鋼陰極技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率。因地制宜，優(yōu)化設(shè)計(jì)。其經(jīng)驗(yàn)可以為鑒。 ；繪制車間平面配置和立面配置圖 (0圖紙 )、設(shè)備連接圖（ 1圖紙），電解槽結(jié)構(gòu)圖（ 1圖紙）。 4. 小論文一篇。 主要內(nèi)容包括概述 、 廠址的選擇與論證、 工藝流程選擇與論證、冶金計(jì)算、主要設(shè)備計(jì)算與選型、環(huán)保措施 、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)選擇與論證等部分。列出設(shè)備明細(xì)表，對(duì)車間平面進(jìn)行配置與安排，最終進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析與評(píng)價(jià)，得出本設(shè)計(jì)的最后結(jié)果。自然界中的銅分為自然銅、氧化銅礦和硫化銅礦。金屬銅，元素符號(hào) Cu，原子量 ,比重 ，熔點(diǎn) 10830C。銅具有許多可貴的物理化學(xué)特性，例如其熱導(dǎo)率都很高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，抗張強(qiáng)度大，易熔接，且抗蝕性、可塑性、延展性。能與鋅、錫、鉛、錳、鈷、鎳、鋁、鐵等金屬形成合金，形成的合金主要分成三類：黃銅是銅鋅合金，青銅是銅錫合金，白銅是銅鈷鎳合金。此外洋底錳結(jié)核中亦有豐富的銅。已知的含銅礦物有250 多種 [1]，主要工業(yè)礦物如下表，其中最重要的是黃銅礦、斑銅礦和輝銅礦。Cu(OH)2 藍(lán)銅礦 2CuCO35H2O 銅葉綠礬 CuFe4+3(SO4)6(OH)22H2O 除了主要礦物外，銅礦中還含有少量的其他金屬，如鉛、鋅、鎳、鐵、砷、銻、鉍、硒、銻、鎢、鉬、鈷、錳等，并含有金銀等貴金屬和稀有金屬，它們?cè)谝睙掃^(guò)程中分別進(jìn)入不同的產(chǎn)品中，所以煉銅工廠通常設(shè)有綜合回收這些金屬的車間。硫化銅精礦是煉銅的主要原料。氧化礦可與硫化礦一起處理。 我國(guó)銅資源分布很廣，幾乎遍及全國(guó)各地。礦物的性質(zhì)也比較復(fù)雜，原生礦與次生礦 交錯(cuò)混亂，并有大量多金屬伴生，處理也比較復(fù)雜，且需特別重視綜合回收問(wèn)題。高溫下，液體銅能溶解、氧、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等氣體。 銅的化學(xué)性質(zhì) 銅在干燥的空氣中不起變化，但在含有二氧化碳的潮濕空氣中則能氧化形成堿式碳酸銅（銅綠）的有毒薄膜。因銅為正電性元素，故不能置換酸（鹽酸和硫酸）中的 氫，而僅能溶于有氧化作用的酸如硝酸和有氧化劑存在時(shí)的硫酸中。 江西理工大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 銅的主要化合物的性質(zhì) (1) 化銅 CuS，天然硫化銅為綠色或棕黑色無(wú)定形不穩(wěn)定化合物銅藍(lán)，比重為 ，中性或還原性氣氛中加熱即分解為 Cu2S 和 S2。 (2) 化亞銅 Cu2S，天然的硫化亞銅為輝銅礦，藍(lán)黑色無(wú)定形或結(jié)晶形，比重為 ，熔點(diǎn)為 1135℃ .它在高溫下穩(wěn)定或氧化成金屬銅，常溫下不被空氣氧化，430680℃下則氧化放出 SO2。 CO 能氧化 Cu2S。由于銅對(duì)硫的親和力大，故在冰銅吹煉時(shí) FeS 先氧化造渣，剩下的 Cu2S（稱白鈹）被吹煉成粗銅。 Cu2S可溶于 NH4OH、 HNO Fe2(SO4)、 FeCl CuCl2中。它不穩(wěn)定，遇熱即分解。它不溶于水，但可溶于 FeCl FeCl NH4OH、 Fe2(SO4)、 (NH4)2CO3 及各種稀酸中。它高溫穩(wěn)定，在 2200℃以上才完全分解，在 1060℃以下時(shí)則部分或全部變?yōu)?。高溫時(shí)進(jìn)行的反應(yīng)： 2Cu2O+Cu2S=6Cu+ SO2是冰銅吹煉成粗銅的理論基礎(chǔ)。吹煉時(shí)，由于銅對(duì)硫的親和力大于鐵，而鐵對(duì)氧的親和力大于銅，是反應(yīng) CuO2+FeS=Cu2S+FeO 向右進(jìn)行到底。 CuO2也不溶于水，但溶于 HCl、 H2SO FeCl FeCl Fe2(SO4)、 NH4OH、等溶劑中，這些反應(yīng)為濕法冶金所應(yīng)用。 ySi2 SiO SiO它們?cè)诟邷叵路纸獬煞€(wěn)定的 2Cu2O (6) 硫酸銅 CuSO4，自然界的硫酸銅為天藍(lán)色三斜晶體系結(jié)晶的膽礬。 硫酸銅易溶于水 ,鐵、鋅等可從硫酸銅中置換出銅。熔點(diǎn)為江西理工大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 498℃。氯化銅不穩(wěn)定，加熱至 340℃即分解生成白色粉末的氯化亞銅： CuCl2=Cu2Cl2+Cl2。這一特性使得銅大量應(yīng)用于電子、電氣、電信和電子行業(yè)。銅的導(dǎo)電性國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)為：長(zhǎng) 1m重 1g 的銅在 20℃時(shí)的導(dǎo)電量公認(rèn)為 100%。 (2) 銅的導(dǎo)熱性 固體銅中含有自由電子所產(chǎn)生的另一重要效應(yīng)就是其擁有極高的導(dǎo)熱性，其熱導(dǎo)性為 386W/()，導(dǎo)熱性僅次于銀。銅還有各種換熱設(shè)備如熱交換器、冷凝器、散熱器的關(guān)鍵材料，被廣泛應(yīng)用于電站輔機(jī)、空調(diào)、制冷、汽車水箱、太陽(yáng)能集熱器柵板、海水淡化以及醫(yī)藥、化工、冶金等各種換熱場(chǎng)合。銅的電位序中是 +，比氫高，是電位較正的金屬。并且銅管用于運(yùn)送自來(lái)水時(shí)，管壁不沉積礦物質(zhì)，這點(diǎn)是鐵制水管所遠(yuǎn)不能及的。銅極耐大氣腐蝕，其在表面可形成一層主要有堿式硫酸銅組成的保護(hù)薄膜，即銅綠，其化學(xué)成分為 CuS04 3Cu(OH)2?；ず歪t(yī)藥容器、反應(yīng)釜、紙漿濾網(wǎng) 。 銅的電解精煉概述 銅電解精煉現(xiàn)狀 銅的火法精煉一般能產(chǎn)出含銅 %～ %的粗銅產(chǎn)品，但仍然不能滿足電氣工業(yè)對(duì)銅的性質(zhì)的要求，其他工業(yè)也需要使用精銅。銅的電解精煉，是將火江西理工大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 法精煉的銅澆鑄成陽(yáng)極板，用純銅薄片作為陰極片。溶液中的銅在陰極上優(yōu)先析出，而其他電位較負(fù)的賤金屬不能在陰極上析出，留于電解液中，待電解液定期凈化時(shí)除去。 含有貴金屬和硒、碲等稀有金屬的陽(yáng)極泥，作為銅電解的一種副產(chǎn)品另行處理，以便從中回收金、銀、硒等元素。例如，曾加電解液的電阻和密度，使陽(yáng)極泥沉降速度減慢，甚至在陰極上與銅一起放電，影響陰極銅的質(zhì)量，因此必須定期定量地抽出凈化，并相應(yīng)地向電解液中補(bǔ)充新水和硫酸。 在電解車間，通常設(shè)有幾百個(gè)甚 至幾千個(gè)電解槽，每一個(gè)直流電源串聯(lián)其中的若干個(gè)電解槽成為一個(gè)系統(tǒng)。在電解液循環(huán)系統(tǒng)中，通常設(shè)有加熱裝置，以將電解液加熱至一定的溫度。進(jìn)行了周期反向電流電解試驗(yàn)，操作電流密度達(dá)到 400A/m2。電解液主要為含有游離硫酸的硫酸銅溶液。但在直流電通過(guò)電極和溶液的情況下，各種離子作定向運(yùn)動(dòng)，在陽(yáng)極上可能發(fā)生下列反應(yīng)： ??? 22 CueCu VE CuCu / 2 ?? ??? 239。 MeM VE MM 39。 2 ?? 江西理工大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 22 2122 OHeOH ??? ? VE OOH / 22 ? 2324 212 OSOeSO ???? VE OSO / 224 ?? 種板 陽(yáng)極 初始片 陽(yáng)極 初始片 殘極 陽(yáng)極泥 電解液 電解液 電銅 陽(yáng)極 泥殘極 送電解 返火法 送陽(yáng)極 送陽(yáng)極 返火法 精煉 精煉 泥處理 泥處理 精煉 再生銅 粗硫酸鎳 結(jié)晶硫酸銅 粗硫酸 返火法精煉 生產(chǎn)精制硫酸鎳 返回電解精煉 圖 銅電解精煉一般工藝流程圖 式中 M′只指 Fe、 Ni、 Pb、 As、 SB 等比 Cu 更負(fù)電性的金屬。由于陽(yáng)極主要成分是銅，所以陽(yáng)極的主要反應(yīng)將是銅溶解形成 Cu2+的反應(yīng)。另外，如Ag、 Au、 Pt 等電位更正貴金屬、鉑族金屬和稀有金屬，更是不能溶解，而落到電解槽底部。因此，在銅電解精煉過(guò)程中不可能發(fā)生水放電，只有當(dāng)銅離子的濃度達(dá)到極高或電解槽內(nèi)陽(yáng)極嚴(yán)重鈍化，使精煉電壓升高至 以上時(shí)才可能有氧在陽(yáng)極上放出。 在陰極上可能發(fā)生下列反應(yīng)： VECueCu CuCu 0 /2 2 ??? ?? VEHeH HH 022 0 /2 2 ??? ?? 種板槽 電解精煉 凈 化 江西理工大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 39。 0 39。2 2 VEMeM MM ??? ?? 氫的標(biāo)準(zhǔn)電位較銅負(fù)，且在銅陽(yáng)極上的超電壓使使氫的電極電位更負(fù)，所以在正常的電解精煉條件下，陰極不會(huì)析出氫，而只有銅的析出。 電解過(guò)程中還形成一價(jià)銅離子 Cu+并建立下列平衡： 22 /2 2 ????? ?? CuCu CCKCuCuCu 表 12 上式在不同溫度下的平衡數(shù)據(jù) 溫度（ ℃ ） 101 60 50 40 30 21 KCu 103 104 105 105 105 106 綜上所述，銅電解精煉過(guò)程，主要是在直流電的作用下，銅在陽(yáng)極上失去電子后以 Cu2+的形態(tài)溶解，而 Cu2+在陰極上得到電子以金屬銅的形態(tài)析出的過(guò)程。 根據(jù)以上情況，可以認(rèn)為銅電解精煉時(shí)較有利的工作條件是：電解液中含有足夠高的游離硫酸和二價(jià)銅離子；電解液的溫度不宜過(guò)高；采用足夠高的電流密度；盡量減少電解液與空氣的接觸 [6]。如：錫、鋅、鐵和鎳，大部分進(jìn)入電解液，并在電解液中積累，需定期凈化除去；當(dāng)陽(yáng)極溶解時(shí)，以金屬形態(tài)存在的該類雜質(zhì)均電化溶解，并以二價(jià)離子形態(tài)進(jìn)入溶液，其中鉛、錫由于產(chǎn)生難溶的鹽類或氧化物，大部分轉(zhuǎn)入陽(yáng)極泥 ，其余則在電解液中積累。 鋅、鐵和錫都是在火法精煉中容易除去的雜質(zhì)，在陽(yáng)極中含量很低。鉛主要生成 PbSO4進(jìn)入陽(yáng)極泥。為了提高冶煉流程中鎳的綜合利用率，火江西理工大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 法精煉時(shí)，力求將鎳最大限度地以金屬鎳的形式保存在陽(yáng)極泥中，即調(diào)銅保鎳。陽(yáng)極含氧量低，鎳絕大部分進(jìn)入溶液；陽(yáng)極含氧量高，則鎳很大部分進(jìn)入陽(yáng)極泥。如：金、銀、鉑和鈀，一般以金屬狀態(tài)進(jìn)入陽(yáng)極泥；銀、金和鉑族元素比銅具有較大的正電性，但他們通常只以很小的濃度與銅形成固溶體，若濃度較高，則形成過(guò)飽和溶體。 （ 3）電位接近于銅的元素。這類雜質(zhì)應(yīng)盡量在火法精煉時(shí)除去，其在電解液中的含量也應(yīng)適當(dāng)控制。陽(yáng)極溶解時(shí)，這些元素成為離子進(jìn)入溶液，大部分水解成為固態(tài)氧化物，一部分則在電解液中積累。 3)維持電解液有足夠高的溫度（ 60～ 650C）以及適當(dāng)?shù)难h(huán)速度和循環(huán)方式。目前采用的常規(guī)電解方法，電解密度以不能超過(guò) 300A/m2為宜。一般維持電解液中砷為 1～ 5g/L，最高不超過(guò) 13g/L；銻為 ～ ，不超過(guò) ；鉍一般為 ～ ，不超過(guò) 。實(shí)踐證明，保證電解液中漂浮陽(yáng)極泥含量低于 20～30mg/L，有利于 高純陰極銅的正常生產(chǎn)。 （ 4）其他雜質(zhì) 陽(yáng)極銅中的氧通常與硫、硒、碲、硅等元素形成化合物存在，這些化合物大部分是難溶于電解液的，在電解過(guò)程中它們主要進(jìn)入陽(yáng)極泥。隨陽(yáng)極銅中氧含量增加，鎳進(jìn)入陽(yáng)極泥的分配率江西理工大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 隨之增大的同時(shí)，也常在陽(yáng)極表面形成不易脫落的化合物薄膜，引起陽(yáng)極電位升高，槽電壓增大，嚴(yán)重時(shí)甚至造成陽(yáng)極鈍化。 陽(yáng)極銅中的硫大多以 CuS 的形態(tài)存在。 陽(yáng)極銅中的硫大多以 Cu2Se 顆粒夾雜于 Cu2O之間。 通常，硅在陽(yáng)極銅中的含量是很小的，在銅電解精煉過(guò)程中，存在的硅量也并不多，但它也有可能影響陽(yáng)極鈍化。而陽(yáng)極銅中的硅酸鹽不溶解，從陽(yáng)極 能夠脫落后進(jìn)入陽(yáng)極泥 [7]。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： （ 1）環(huán)境保護(hù)和節(jié)約用地問(wèn)題 有色冶金生產(chǎn)特點(diǎn)之一是無(wú)一例外地產(chǎn)出大量造成環(huán)境污染的“三廢”物質(zhì)，除必須有完善的“三廢”治理工程設(shè)計(jì)外，在選擇廠址時(shí)，必須盡量考慮在主導(dǎo)風(fēng)向和主要水流的下游位置，安排好“三廢”處理場(chǎng)地和廢渣堆放場(chǎng)地，要有良好的自然通風(fēng)條件，并應(yīng)考慮廠址附近居民點(diǎn)、城市發(fā)展規(guī)劃、農(nóng)牧漁業(yè)及旅游勝地、自然資源保護(hù)區(qū)等問(wèn)題。以供電為例，廠址距離電源每增加 1km，就需增加外部高壓輸電線投資 3～ 4 萬(wàn)元，如自行建設(shè)火電站，每千瓦的投資達(dá) 1000 元以上，這不僅大大增加投資，而且影響建設(shè)進(jìn)度，所以冶金企業(yè)應(yīng)盡可能選擇在供電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)供電半徑之內(nèi)。為了減少運(yùn)輸費(fèi)用，在保證良好的運(yùn)輸條件下，應(yīng)使廠址盡可能接近原材料基地和銷售市場(chǎng)。 （ 4）工業(yè)布局 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)布局江西理工大學(xué) 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 “大分散、小集中、多搞小