年产16万吨阴极铜铜电解车间设计

本 科 毕 业 设 计（论文） 冶金与化学工程学院 冶金工程专业 级（2013届） 班 学生 题 目：年产16万吨电铜电解车间设计 原始依据： 本设计是在原贵溪冶炼厂三系统ISA电解精炼铜车间的基础上设计，利用实习期间所搜集到数据以及厂内教员的指导，根据冶金物料平衡计算设计一座年产16万吨电解车间。查阅一些有关车间设计以及冶金方面的资料。 原始数据: 产量要求：年产量为16万吨 阳极成分（表1）： 表1 阳极成分表 元素 Cu As Sb Bi Ni Fe Pb 含量 99.41 0.035 0.035 0.01 0.245 0.004 0.09 元素 Se Te Au Ag S Zn 其它 含量 0.045 0.043 0.002 0.067 0.003 0.001 电解铜回收率：99.8%； 电铜品位：99.9935%； 残极率：15% 主要内容和要求： 1.设计 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 书；应包含如下内容：设计概述；厂址的选择与论证；工艺流程的选择与论证；技术条件的选择与论证；经济指标的选择与论证；冶金计算；主要设备的选择与计算；车间环保与三废处理、技术经济的简要分析。 2.图纸；绘制车间平面配置和立面配置图(0#图纸)、设备连接图（1#图纸），电解槽结构图（1#图纸）。 主要（技术）要求： 1．写实习报告一份。 2．用CAD绘制设备图和至少一张手工图纸。 3．完成设计说明书一篇。 4．翻译外文资料一篇。 5. 小论文一篇。 日程安排： 第4周 查阅文献资料，翻译一篇英文资料，写出文献综述 第5周 提交开题报告，确定合理工艺流程，应用相关知识进行必要计算 第6周 完成概述和厂址的选择与论证 第7周 完成工艺流程、技术条件和经济技术指标的选择与论证 第8周 完成电解和净液工段的冶金计算及物料衡算 第9周 完成主要设备选型计算和车间配置与安排 第10周 完成车间环保和技术经济分析与评价 第11周 完成工艺流程图或设备连接图和电解槽结构图 第12周 完成车间平面和立面配置图 第13周 初步完成设计说明书 第14周 修改设计说明书、编辑论文 第15周 老师评阅设计、学生准备答辩 第16周 毕业答辩 主要参考文献： [1] 朱祖泽、贺家齐.现代铜冶金学[M]. 北京：科学出版社，2003 [2] 蔡祺风.有色冶金工厂设计基础[M].北京：冶金工业出版社，1991：65～71 [3] 陈国发.重金属冶金学[M].北京：冶金出版社，2010 [4] 《重有色金属冶炼设计手册》编写组.重有色金属冶炼设计手册（铜镍卷）[M]. 北 京：冶金工业出版社，1996 [5] 姚素平.永久阴极铜电解技术述评[J].2000，3(20):12～18 [6] 赵欣. 铜电解新技术的应用[J].2008，29(4):9 [7] 李公建. 浅谈铜电解生产过程中降低槽电压的途径[J]，2010，29（3）：71～72 [8] 刘道德.大学生毕业设计指导教程（冶金、选矿、化工分册）[M].长沙：中南大学出 版社，2004 [9] 邱栋良.冶金起重机选用指南[J]. [10] 张文毓. 钛制板式换热器在海水淡化中的应用[J].2009，26（1）：32 [11] 《有色金属冶炼设备》编委会编.湿法冶金设备[M].北京：冶金工业出版社1993 [12] 姜国民. 浅谈ISA法阴极铜加工机组[J].2005，42(2):42 [13] 成大先.机械设计手册（常用工程材料）[M].北京：化学工业出版社，2004 [14] 袁一.化学工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1999 [15] 刘会巨.铜电解车间的防腐[J].2009，5(13):12～16 [16] 李著华.论铜电解车间的采暖通风[J].2001，2:47～48 [17] 《化学工程师手册》编写组.化学工程师手册[M].北京 [18] 师利熙.有色金属工业项目技术经济分析[M].北京：冶金工业出版社，1998 [19] 郭鸿发等.冶金工程设计第1册[M].北京：冶金工业出版社，2006 [20] 云正宽等. 冶金工程设计第2册[M].北京：冶金工业出版社，2006 指导教师签字： 年 月 日 xxx 本 科 毕 业 设 计 (论文) 开 题 报 告 冶金与化学工程学院 冶金工程专业 级（2013届） 班 学号 学生 设计题目：年产16万吨电铜电解车间设计 本课题来源及研究现状： 1.本课题来源 随着社会的发展，人类对资源的需求越来越高。比如铜资源。截至2006年底，我国铜矿查明资源储量7048万吨，其中，基础储量3070万吨，占43.6%。我国铜矿类型繁多，主要类型有斑岩型、砂页岩型、黄铁矿型、硅卡岩型和铜镍硫化物型等五大类，分别占总资源储量的44.4%、23.5%、11.9%、11.8%和6.7%，合计占总资源储量的98.3%。国家统计局数据显示，中国铜精矿产量2008 年为93.57 万吨，2009 年为101.35 万吨，2010年为126.1 万吨，2011 年截止到5 月份累计铜精矿产量50.7 万吨，去年同期为46.7 万吨，产量同比增加8.56%。 但是，经过多年的开采，7大铜业基地现大多已进入中晚期，并出现了不同程度的资源危机。在7大铜矿基地中，除江西铜基地的资源相对充足外，白银铜基地资源已经枯竭；云南铜基地的易门、牟定已列入关闭矿山，东川、大姚保有储量严重不足；中条山铜基地已经“三矿变一矿”，其中蓖子沟、胡家峪铜资源已经枯竭，铜矿峪资源虽保有一定储量，但品位太低；大冶铜基地的5座铜矿山中，有两座资源已经枯竭；铜录山、丰山洞等矿山也已出现资源危机。 资源是有限，只有优化生产方法，提高资源利用率，才是目前急需解决的问题。应要求现需设计一个年产16万吨铜电解精炼车间。 2.研究现状 现今铜电解精炼的方法主要有传统法和ISA法电解精炼。其中ISA法为主要电解方法，以不锈钢板为阴极，用硫酸和硫酸铜的水溶液座位电解液，在直流电的作用下，阳极上的铜溶解进入溶液，溶液中的铜离子在阴极上析出。当前国际市场上包括伦敦金属交易所，对电铜质量要求愈来愈高。各国现行的电铜质量 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 及国际标准ISO已不能全面反映电铜质量特性。阳极铜的物理质量和化学质量，对电铜质量影响很大，尤其是阳极中所含的各种元素，对阳阳极泥的生成结构与阳极钝化有着十分密切的关系，并受电解条件的制约。目前开采化学成份复杂的贫矿，大量增加多种精矿的购买量，所有这些原因均会造成铜电解系统杂质含量 课题研究目标、内容、方法和手段： 目标：了解铜电解精炼的原理及电解车间的运作过程。通过在贵溪冶炼厂实习，理论结合实践，将实习期间所获取的技术参数与设备技术指标应用于设计电解车间当中。对ISA电解精炼了解更加的更加深刻，对生产的流程、工作条件、注意事项、应急措施、不足之处等都有了新的认识。 内容：将收集的数据对电解车间进行设计，画出车间平面布置图。 方法和手段：使用Auto CAD制图软件绘图。 设计（论文）提纲及进度安排： 设计提纲： 第一章 概述 1.1铜的性质 1.2铜的用途 1.3铜资源的分布及开采进展 1.4铜的消费现状 1.5铜冶炼技术 第二章 厂址选择 2.1厂址选择原则 2.2厂址的确定 第三章 电解精炼及净化流程的选择与论证 3.1铜电解精炼原理 3.2工艺流程概述 第四章 铜电解精炼技术条件的选择与论证 4.1电解液的组成 4.2阳极板规格 4.3添加剂 4.4电解液温度 4.5电解液循环 4.6电流密度 4.7同极中心距 4.8阳极寿命和阴极周期 第五章 技术经济指标的选择与论证 5.1电流效率 5.2残极率 5.3铜电解回收率 5.4槽电压 5.5直流电能消耗 5.6硫酸单位消耗 5.7蒸汽单位消耗 5.8铜电解精炼的技术经济指标实例 5.9劳动生产率 第六章 产物 6.1电解铜 6.2阳极泥 第七章 冶金计算 7.1计算条件 7.2物料平衡计算 7.3净液量的计算 7.4电解脱铜计算 7.5硫酸盐生产物料平衡计算 第八章 主要设备的选择和计算 8.1电解槽 8.2电解槽设计计算，以年产铜量为设计基础 8.3脱铜槽 8.4电解槽附属设备 8.5起重机 8.6净化中的主要设备 8.7电解精炼的热平衡 8.8附属槽体的选择和设计 8.9 附属设备的选择和设计 8.10极板作业机组的计算及选型 8.11管道的设计及计算 第九章 车间环保和安全生产 9.1环境保护 9.2车间防腐 9.3采暖通风 9.4安全生产 9.5安全管理 第十章 设备明细表 第十一章 车间平面配置与安排 11.1车间配置的基本原则 11.2车间的具体配置 第十二章 经济技术分析与评价 12.1车间定员 12.2项目成本评价 12.3项目收益评价 主要参考文献 外文资料 外文中文翻译 致谢 小论文 进度安排： 第4周 查阅文献资料，翻译一篇英文资料，写出文献综述 第5周 提交开题报告，确定合理工艺流程，应用相关知识进行必要计算 第6周 完成概述和厂址的选择与论证 第7周 完成工艺流程、技术条件和经济技术指标的选择与论证 第8周 完成电解和净液工段的冶金计算及物料衡算 第9周 完成主要设备选型计算和车间配置与安排 第10周 完成车间环保和技术经济分析与评价 第11周 完成工艺流程图或设备连接图和电解槽结构图 第12周 完成车间平面和立面配置图 第13周 初步完成设计说明书 第14周 修改设计说明书、编辑论文 第15周 老师评阅设计、学生准备答辩 第16周 毕业答辩 参考文献和书目： [1] 朱祖泽、贺家齐.现代铜冶金学[M]. 北京：科学出版社，2003 [2] 蔡祺风.有色冶金工厂设计基础[M].北京：冶金工业出版社，1991：65～71 [3] 陈国发.重金属冶金学[M].北京：冶金出版社，2010 [4] 《重有色金属冶炼设计手册》编写组.重有色金属冶炼设计手册（铜镍卷）[M]. 北 京：冶金工业出版社，1996 [5] 姚素平.永久阴极铜电解技术述评[J].2000，3(20):12～18 [6] 赵欣. 铜电解新技术的应用[J].2008，29(4):9 [7] 李公建. 浅谈铜电解生产过程中降低槽电压的途径[J]，2010，29（3）：71～72 [8] 刘道德.大学生毕业设计指导教程（冶金、选矿、化工分册）[M].长沙：中南大学 出版社，2004 [9] 邱栋良.冶金起重机选用指南[J]. [10] 张文毓. 钛制板式换热器在海水淡化中的应用[J].2009，26（1）：32 [11] 《有色金属冶炼设备》编委会编.湿法冶金设备[M].北京：冶金工业出版社1993 [12] 姜国民. 浅谈ISA法阴极铜加工机组[J].2005，42(2):42 [13] 成大先.机械设计手册（常用工程材料）[M].北京：化学工业出版社，2004 [14] 袁一.化学工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1999 [15] 刘会巨.铜电解车间的防腐[J].2009，5(13):12～16 [16] 李著华.论铜电解车间的采暖通风[J].2001，2:47～48 [17] 《化学工程师手册》编写组.化学工程师手册[M].北京 [18] 师利熙.有色金属工业项目技术经济分析[M].北京：冶金工业出版社，1998 [19] 郭鸿发等.冶金工程设计第1册[M].北京：冶金工业出版社，2006 [20] 云正宽等. 冶金工程设计第2册[M].北京：冶金工业出版社，2006 指导老师审核 意见 文理分科指导河道管理范围浙江建筑工程概算定额教材专家评审意见党员教师互相批评意见 ： 指导教师签字： 年 月 日 摘 要 本文主要要是设计一座年产16万吨电解铜精炼车间设计，在工艺上选择了先进的ISA法铜电解精炼工艺。根据已有的数据，进行了厂址的选择、物料平衡计算、热平衡计算和设备选型的计算，在计算的基础上设计出电解槽的槽型，并完成了设备的选型和车间布局的设计，最后对本项目的经济效益进行了概算。绘制出电解槽的结构图，工艺流程图以及车间平面图、立剖图。本设计所生产的电铜纯度为99.9935%，电解过程所使用电流强度为25000A，槽电压为0.3V，电流密度为320A/m2，电解液温度是60℃，电解液循环速度为30L/min，电解槽设计内尺寸为4495×1110×1320/1503mm，电解槽数为740个，车间采用双跨布置。 关键词：铜电解精炼；工艺设计；电解槽；物料平衡；设备选型；车间布置 ABSTRACT The main contents are designed annual production capacity of 160,000 tons of electrolytic copper refining a design workshop. According to the existing data to complete the material balance calculations,thermal balance calculation and equipment selection calculations.Based on the calculation, designed electrolyzer tank type, and completed the selection of the equipment and the design of workshop layout, finally estimates the economic benefits of this project. Map out the structure of the cell diagram, process flow diagram and workshop plan and vertical section. The design of the production of electrical copper purity of 99.9935%, the electrolysis current intensity is used as 25000A, Cell voltage was 0.3V ,a current density of 320A/m2, electrolyte temperature is 60 ℃, electrolyte circulation rate of 30L/min, the inner dimension of cell design 4495 × 1110 × 1320/1503mm, cell number is 740, workshop with double cross layout. Key words: Electrolytic refining of copper; technological process design; electrolyzer；Material balance; Equipment Selection; plant layout 目 录 1 第一章 概述 1 1.1铜的性质 1 1.2铜的用途 1 1.3铜资源的分布及开采进展 2 1.4铜的消费现状 3 1.5铜冶炼技术 6 第二章 厂址选择 6 2.1厂址选择原则 7 2.2厂址的确定 10 第三章 电解精炼及净化流程的选择与论证 10 3.1铜电解精炼原理 11 3.2工艺流程概述 20 第四章 铜电解精炼技术条件的选择与论证 20 4.1电解液的组成 20 4.2阳极板规格 20 4.3添加剂 21 4.4电解液温度 21 4.5电解液循环 22 4.6电流密度 22 4.7同极中心距 22 4.8阳极寿命和阴极周期 23 第五章 技术经济指标的选择与论证 23 5.1电流效率 23 5.2残极率 23 5.3铜电解回收率 23 5.4槽电压 24 5.5直流电能消耗 24 5.6硫酸单位消耗 24 5.7蒸汽单位消耗 24 5.8铜电解精炼的技术经济指标实例 24 5.9劳动生产率 25 第六章 产物 25 6.1电解铜 25 6.2阳极泥 26 第七章 冶金计算 26 7.1计算条件 26 7.2物料平衡计算 28 7.3净液量的计算 29 7.4电解脱铜计算 30 7.5硫酸盐生产物料平衡计算 33 第八章 主要设备的选择和计算 33 8.1电解槽 35 8.2电解槽设计计算，以年产铜量为设计基础 37 8.3脱铜槽 39 8.4电解槽附属设备 41 8.5起重机 43 8.6净化中的主要设备 45 8.7电解精炼的热平衡 47 8.8附属槽体的选择和设计 50 8.9 附属设备的选择和设计 52 8.10极板作业机组的计算及选型 58 8.11管道的设计及计算 60 第九章 车间环保和安全生产 60 9.1环境保护 62 9.2车间防腐 63 9.3采暖通风 65 9.4安全生产 65 9.5安全管理 66 第十章 设备明细表 68 第十一章 车间平面配置与安排 68 11.1车间配置的基本原则 69 11.2车间的具体配置 71 第十二章 经济技术分析与评价 71 12.1车间定员 71 12.2项目成本评价 74 12.3项目收益评价 76 主要参考文献 77 外文资料 82 外文中文翻译 86 致 谢 87 小论文 第一章 概述 1.1铜的性质 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。铜原子量63.54，密度8.92，熔点1083℃，沸点2567℃。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫铜色。铜具有许多可贵的物理化学特性，例如其热导率和电导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，具有抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。铜能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金。 1.2铜的用途 铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛应用于电气、电子、机械制造、建筑、国防等工业领域。铜及其合金的消费量仅次于钢铁和铝。铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，发电机的线圈、电线、电缆等都是用铜制造的。铜用于制造各种子弹、枪炮和飞机、舰艇的热交换器等部件，还用于制造轴承、活塞、开关、阀门及高压蒸汽设备等，其他热工技术、冷却装置、民用设备等也广泛使用铜和铜合金。 1.3铜资源的分布及开采进展 铜资源广泛分布在世界各个国家和地区，其中储量最多的是智利和美国，分别占世界铜储量基础的24.6%和13.8%。其它储量较多的国家还有秘鲁、中国、波兰、赞比亚、俄罗斯、墨西哥、印度尼西亚、加拿大、哈萨克斯坦、刚果（金）和菲律宾等。我国铜矿分布广泛，江西、西藏和云南的储量最多，这3个省区的储量占全国铜矿储量的47.1%，铜储量较多的还有甘肃、安徽、内蒙古、山西、湖北、黑龙江等6省区。以上9省区的储量合计占全国铜矿总储量的80%。 我国已开发的铜矿主要分布在自然地理条件较好、经济较发达、地质勘查工作相对集中的东部、中部和南部各省（区），在这些省（区）内，已探明的大中型铜矿床，凡其矿区建设、水、电和交通运输等外部条件较优越，开采技术条件和矿石选冶技术条件较好的绝大多数矿床都已开发，并形成了江西、铜陵、大冶、白银、中条山、云南、东北7大铜业基地。 但是，经过多年的开采，7大铜业基地现大多已进入中晚期，并出现了不同程度的资源危机。在7大铜矿基地中，除江西铜基地的资源相对充足外，白银铜基地资源已经枯竭；云南铜基地的易门、牟定已列入关闭矿山，东川、大姚保有储量严重不足；中条山铜基地已经“三矿变一矿”，其中蓖子沟、胡家峪铜资源已经枯竭，铜矿峪资源虽保有一定储量，但品位太低；大冶铜基地的5座铜矿山中，有两座资源已经枯竭；铜录山、丰山洞等矿山也已出现资源危机。 近几年来随着铜矿找矿、勘探需求的增长，地质工作的机制也在发生变化，如有的企业对矿山二轮找矿给予吨金属级补贴，或与地勘队伍建立双赢的长期合作机制，对有前景的区域投资组织专家进行区域地质论证和技术攻关，大的矿山和冶炼企业逐步成为铜资源勘探投资的主体。 1.4铜的消费现状 1998年中国开放铜民用消费市场以来，精铜消费量逐年不断增加，年平均增长率约为13.7%。2002年，中国超过美国成为世界上精铜消费量第一大国，之后一直保持“霸主”地位。据安泰科07年3月提供的数据，2006年全球精铜消费量达到1766.1万吨，而中国精铜消费量为380万吨，约占全球消费总量的21.52%。但由于铜价的大幅上扬，在汽车运输、家电、建筑等行业，铜需求受到一定程度的抑制甚至替代，从而使得2006年国内铜消费增长速度继续放缓。有色金属工业协会的数据显示，2006年中国铜加工材产量为506.5万吨，同比增长8.51%，增幅较05年同期的12.70%继续回落。2006年中国精铜消费量同比增长5.56%，增幅也低于05年的9.1%。 中国铜矿产量不是特别高，但精铜产量上升很快，1998～2006年年平均增长率约为11.56%。精铜产量位世界第二，仅次于智利。2006年全球精铜产量为1743.7万吨，而中国精铜产量为292.5万吨，约占全球产量的16.77%。这主要是由于铜价的上涨，国内几乎所有主要的铜生产企业产量都有所增长。中国的进口量和出口量也是逐年增加，在库存释放、产量快速增加、需求增速回落等多种因素的共同影响下，2006年国内精铜进口出现大幅降落，据中国海关总署统计，2006年国内精铜进口量为82.7万吨，同比大幅减少了32.3%。 受铜价大幅上涨的刺激，2006年中国的铜精矿含铜产量增幅继续扩大，达到75.5万吨，居世界第6位，比05年同比增长了15.98%，成为近年来增幅最大的一年。铜精矿产量的增长主要来自铜陵有色集团公司、金川集团公司、新疆阿舍勒铜业公司、云南楚雄矿冶公司和巴彦二淖尔西部铜业公司，这些公司2006年的铜精矿含铜产量分别比上年增长了24.1%、14.3%、99.0%、20.6%和49.0%，达到4.64万吨、3.43万吨、3.00万吨、2.89万吨和2.15万吨，总计增加产量4.02万吨，为2006年中国铜精矿产量增长贡献了大部分力量。 2006年，精铜产量达到20万吨的企业数量由2005年的3家（铜陵、江铜、云铜）增加为5家（铜陵、江铜、云铜、大冶、金川）。10万吨以上的企业数量也从6家增至7家。铜陵有色集团精铜产量突破50万吨至54.48万吨，占全国总产量的18.17%，居全国铜生产企业精铜产量之首。产量超过20万吨的5家企业产量占全国总产量58.42%。产量超过10万吨的7家企业总产量占全国总产量的67.2%。表中所列的14家企业除白银有色和上海大昌2家企业06年的产量较05年有小幅减少外，其他12家企业均增加了产量。14家06年产量超过5万吨的企业产量之和占全国总产量的比例也从05年的82.49%上升到了06年的85.28%。 1.5铜冶炼技术 1.5.1世界铜冶炼发展 自20世纪60年代以来，世界铜冶炼【1】技术有了长足的进步，主要表现在： （1）传统的冶炼工艺迅速的被新的强化冶炼工艺所取代，到目前为止世界上大约有110座大型冶炼厂，其中采用传统工艺的冶炼厂仅剩下1/3，其余2/3的工厂已采用新的强化工艺进行铜的生产。现在，奥托昆普闪速熔炼和各种熔池熔炼工艺，已经成为主流炼铜工艺。 （2）氧气利用更为广泛，富氧浓度大大提高。 （3）各炼铜厂的装备水平和自动化水平都大大提高。 （4）计算机DCS集散控制系统已为更多的冶炼厂采用，使得冶炼工艺的控制更为精准。 （5）冶金工艺参数的测定更为先进，测定的数据更为可靠，如艾萨炉熔池，温度直接连续测定的实现可使熔池温度控制在±5℃左右。有价金属的综合回收率进一步提高，综合能耗进一步降低，劳动生产率进一步提高，冶金环境进一步改善。 （6）湿法炼铜工艺有了更大的发展。 1.5.2 我国铜冶炼技术发展现状 近几十年来我国的铜工业发生了翻天覆地的变化，火法冶炼的技术得到了迅速的发展。贵溪冶炼厂和金隆公司的闪速熔炼炉在经过改造，技术水平有了很大的提高。云铜已采用艾萨法代替电炉熔炼，金昌冶炼厂和侯马冶炼厂已采用奥斯迈特法生产铜，特别是艾萨法一次顺利投产成功，各项指标均达到世界同类工艺的先进水平。葫芦岛东方铜业用浸没顶吹熔炼工艺代替密封鼓风炉熔炼工艺，我国自行开发的白银炼铜法也取得较大的进展，大冶的诺兰达炉自投产以来，运转一直正常。 除了火法冶炼外，近年来我国湿法冶炼也取得较大的进展。从1983年我国建成第一座萃取电积工厂以来，现在已有200个工厂采用萃取电积工艺处理铜矿或铜精矿生产阴极铜，德兴铜矿用细菌浸出废铜矿石产出高纯阴极铜，为我国低品位硫化矿的处理闯出了一条新路。 废铜冶炼技术方面，经过十年的艰辛努力，四川德阳东方电工机械有限责任公司技术人员于2000年推出了我国第一条UL+Z－1800+255/14型全废铜连铸连轧机组生产线，该条生产线结合了美国、法国、意大利等公司的先进经验，一经推出即制造出了符合国家相关标准的低氧光亮铜杆，年产量可达5万吨，此生产线将我国100%废铜料加工成高质量光亮铜杆的梦想变成了现实。 中国铜冶炼技术改造步伐明显加快，装备水平大幅提高。江西铜业集团公司、铜陵有色金属集团公司、云南铜业集团公司等骨干铜冶炼企业，先后引进了奥托昆普闪速熔炼、诺兰达熔炼等一批先进工艺和装备，使得中国铜冶炼行业综合能耗呈现下降。目前，中国铜行业的经济实力不断提高。2000年，中国铜冶炼企业(含矿山、冶炼联合企业和独立冶炼企业)实现产品销售收入337亿元人民币。2005年，中国铜企业已实现销售收入1098.6亿元人民币。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。其中铜原料部分增加显著，特别是铜精矿和阴极铜的进口量增幅很大，2000年～2005年两者净进口量平均分别增长了17.49%和12.86%。 在中国政府的大力支持下，中国铜工业在国际化经营和境外投资取得初步进展。截至2005年，在国内4家铜企业4个牌号的精炼铜产品已在伦敦金属交易所(LME)注册，成为国际认可的品牌。中国在境外已获得投资权益铜金属基础储量约650万吨，形成了近8万吨/年的铜精矿(金属量)产能。 铜在火法精炼产出的精铜品位一般为99.2%～99.7%，另外还含有0.3%～0.8%的杂质，使其满足不了工业对铜的性质的要求。电解精炼的目的就是进一步脱除火法精炼难以除去的、对铜的导电性能和机械性能有损害的杂质，将铜的品位提高到99.95%以上，并且回收火法精炼铜中的有价元素，特别是贵金属、铂族金属和稀散金属。 铜的电解精炼是将火法精炼铜铸成阳极板，以电解产出的薄铜片（始极片）作为阴极，二者相间地装入盛有电解液（硫酸铜与硫酸的水溶液）的电解槽中，在直流电的作用下，阳极铜进行电化学溶解，阴极上进行纯铜的沉积。由于化学性质的差异，贵金属和部分杂质进人阳极泥，大部分杂质则以离子形态保留在电解液中，从而实现了铜与杂质的分离。 20世纪70年代以来，铜电解精炼技术进展很大。除周期反向电流（PRC）电解，永久性不锈钢阴极－ISA法和KIDD法等新工艺外，在出装槽自动化、检侧和大功率可控硅整流设备方面都有相当的进步，使过程向大型化、高效率和低消耗方面发展。 永久性不锈钢阴极技术在铜电精炼过程中的应用，不再用种板槽生产始极片而全部用来生产阴极铜，以及避免了由于各种原因造成始极片变形引起极间短路的可能，使得极间距可以进一步减小，从而提高了电流密度和电解槽的利用率；永久性不锈钢阴极的应用也为进一步提高出装槽的自动化程度创造了条件。KIDD工艺是对ISA法的继承与发展，与ISA相比KIDD的最大不同点在于阴极底部不涂蜡，消除了涂蜡的不良影响，减少运行成本，不会使表面粘附阳极泥和长粒子，不会在阴极上形成薄膜。永久阴极铜电解技术的工业应用至今已有20余年历史，到1998年，使用永久阴极铜电解技术生产的精铜产量已占世界总产量的40%以上。 在铜电解过程中，电解液中铜和杂质含量逐渐增加，添加剂含量不断积累，而硫酸的含量则逐渐减少，从而使电解液成分偏离所需的条件控制范围。所以必须定时定量地抽取电解液进行净化处理，并用等量的新液替换，调整电解液组成；同时也回收有价金属杂质。常规净化方法有：（1）加铜中和或直接浓缩法生产硫酸铜；（2）电解沉积法；（3）中和、浓缩生产硫酸铜，电解法除As、 Sb，冷冻结晶生产硫酸镍；（4）高酸结晶法生产硫酸铜，电解除As、Sb、Bi，电热蒸发生产粗硫酸镍。一般需大量生产硫酸铜时用（1）、（2）和（3）；不需大量生产时，可用（4），小厂以（2）法为宜。新的净化方法有：（1）渗析法（阴离子交换膜）；（2）萃取法；（3）共沉淀法：（4）氧化法除As、Sb、Bi。 第二章 厂址选择 2.1厂址选择原则 厂址选择【2】要根据国民经济建设计划和工业布局的要求进行。厂址选择适当与否，对企业的建设速度、建厂投资、生产发展、经济效益、环境保护及工农关系等会带来重大影响。 厂址选择的一般原则是：应符合工业布局及区域性总体规划和城市建设规划的要求；要尽可能利用城镇设施，节约资源；要靠近原材料、水、电供应充足和产品销售便利的地方，有较好的交通运输条件；要注意节约用地，尽量不占或少占农田，留有发展余地；要有适当的自然地形和适宜的工程地质、水文、地震等级条件及较好的协作条件等。 在进行厂址选择时，应根据有色生产的特点，应充分论证以下几个问题： 2.1.1工业布局问题 建设一座有色冶金厂，对全国的工业布局、一个区或一个城市的合理发展、各个工业区之间的经济协调以及农业发展等起着重要的作用，应根据工业布局“大分散，小集中、多搞小城镇”的方针，按“工农结合，城乡结合，有利生产，方便生活”的原则，进行厂址选择和居住区规划，使之符合工业布局总体规划及城市建设规划的要求。 2.1.2原材料供应及交通运输条件 有色金属冶炼是连续性的，物料吞吐量一般很大。因此在进行厂址选择时必须充分考虑交通运输问题。为了减少运输费用，在保证良好的运输条件下，进行厂址尽可能接近原材料基地和销售市场。 2.1.3供水、供电条件 有色冶炼厂一般是大量用水和耗电多的企业。因此希望厂址附近有充分的水源和电源。以供电为例，厂址距离电源每增加一公里，就需增加外部高压输电线投资3～4万元，这不仅大大增加投资，而且影响建设进展，所以冶金企业尽可能的选择在供电网经济供电半径之内是至关重要的。 2.1.4环境保护和节约用地问题 有色冶金生产特点之一是无一例外地产出大量造成环境污染的“三废”物质，除必须有完善的“三废”治理工程设计外，在选择厂址时，必须尽量考虑在主导风向和主要水流的下游位置，安排好“三废”处理场地和废渣堆放场地，要有良好的自然通风条件，并应考虑厂址附近居民点、城市发展规划、农木渔业及旅游胜地、自然资源保护区等问题。 2.1.5厂址的工程地质及水文地质条件 冶炼厂的土建投资是相当大的，厂址地震等级的不同会对建筑结构以及基础工程的投资带来很大影响，所以厂址不能选在发震断层地区和基本裂度为9级以上的地震区。 此外，所选厂址的地耐力应不低于147.1～196.1kPa，地下水位最高也要低于基础地面0.5m，厂址最低洼处要高于历年最高洪水位0.5m以上；不能选在厚度较大的Ⅲ级自重湿陷性黄土地区和有泥石流或滑坡等危害的山区，厂址底下不宜又有用矿物矿藏或以开采的矿坑和溶洞等。 2.1.6厂址的协作条件 冶炼厂一般是机械化自动化水平比较高的现代化企业，为保证企业生产顺利进行，必须有充足的设备及备品备件供应，要有强有力的机械加工和维修能力。若厂址附近具备这些条件，便可发挥专业协作的优越性，减少辅助设施投资和降低生产成本。工厂在建设过程中的施工条件诸如砖瓦、砂石、石灰、水泥、木材等能否就地取材，施工力量和施工场地是否具备等，都对建设进度起着一定的作用。在厂址选择时，应充分考虑厂址附近是否具备这些条件，那种片面强调“小而全”不重视专业化协作的做法是不恰当的，甚至是错误的。 2.2厂址的确定 本次设计课题是设计一个年产16万吨铜电解车间，根据上述厂址选择原则，考虑众多因素，决定把这次厂址设置于江西鹰潭贵溪。 贵溪位于江西省东北部、信江中游，“东连江浙、南控瓯闽”。现为“全国文化先进市”、“全国科技先进市”、“全国全民健身先进市”，被誉为“铜都银乡”。区位优越，陆路交通便利，水运通畅。土地肥沃，农业资源丰富，是全国商品粮基地、南方最大早熟梨基地、江西省重点产材基地、长江防护林基地、国家储备粮基地。矿藏资源丰富，品位极高。已探明储量的有金、银、铅、锌、铀、瓷土、石膏、硅石、花岗岩等30余种，其中冷水银矿储量为全国之最。 2.2.1贵溪气候分析 贵溪地属中亚热带温湿气候区，气温高，光照充足，雨量丰沛，无霜期长。境内地形复杂，地域性气候差异较大。3月中下旬至5月下旬为春季，约70天；自5月下旬至9月下旬为夏季，约120天；自9月下旬11月下旬为秋季，约60天；自11月下旬3月中下旬为冬季，约110天。贵溪市季节气候特点，可概括为：春季温和，阴雨连绵；夏季炎热，汛旱分明；秋季温凉，降水稀少；冬季较长，初雪偏早。贵溪的常年平均温度为18.3℃，年降水总量1900mm左右。 表2-1为贵溪气候分析表。 表2-1 贵溪气候分析表 月份 1月 3月 4月 5月 6月 8月 9月 10月 11月 12月 平均温度(℃) 6.2 11.8 17.9 22.7 26.2 29.2 25.2 20.1 14.0 8.5 平均最高温度(℃) 10.1 15.7 22.3 27.2 30.4 34.1 29.8 24.8 18.8 13.3 极端最高温度(℃) 26.6 35.0 34.8 36.9 37.9 40.0 38.7 35.7 32.6 25.8 平均最低温度(℃) 3.3 8.7 14.5 19.1 22.8 25.4 21.8 16.5 10.4 5.0 极端最低温度(℃) -6.1 -0.6 4.5 10.7 14.5 19.5 13.1 3.1 -1.7 -9.3 平均降水量（mm） 88.5 207.3 261.1 271.4 381.5 134.8 90.0 60.6 65.3 55.4 降水天数(d) 14.4 19.7 18.8 17.5 16.9 12.7 9.9 9.3 8.6 8.9 平均风速（m/s） 1.7 2.0 2.0 1.9 1.9 1.8 1.9 1.9 1.7 1.5 气象站位置：北纬28.2°，海拔52m   2.2.2区位优越，交通便利。 空运：南昌昌北机场，位于江西省南昌市昌北新区，与昌九高速公路相连，贵溪至昌北机场约180公里，贵溪至台北直线距离约560公里。 铁路：浙赣、皖赣、鹰厦、杭昌长高速铁路客运专线四条铁路纵横境内，纵贯南北，15个火车站连珠成串，境内营运里程达156.3公里。是国内重要的交通枢纽，也是华东地区最大的铁路货运编组站，铁路密度和火车站密度居全国前列。　 公路：320、206国道纵横境内，沪昆、济广高速公路横贯东西、通达南北，公路交通网络密集。公路四通八达，320、206国道纵横境内，上海至瑞丽高速公路穿境而过，高速挂线一期工程已建成通车，乘车贵溪至南昌1.5小时，达上海5.5小时，到杭州4小时，市、乡、村公路网络相通。全市水运通畅，千里信江直通鄱阳湖。 海港：鹰潭（贵溪）的铜产业循环经济基地“贵溪港”项目正式运营，并在积极筹建铁路专用线。进口原料主要经九江口岸入港，也可经上海、宁波、厦门口岸入港，与主要出口海港将实现海铁联运。土地肥沃，农业资源丰富。 2.2.3矿藏资源丰富，品位极高 已探明储量的有金、银、铅、锌、铀、瓷土、石膏、硅石、花岗岩等30余种，其中冷水银矿储量为全国之最，雷溪石膏矿为华东之冠，上祝瓷土矿储量、品位列江西省之最，花岗岩品种繁多，储量达64万立方米。工业发达，经济实力雄厚。驻有中央、省属10多家大中型企业，有中国300强工业企业之一的江西铜业集团公司；有亚洲最大、世界排名第十位、中国现代化程度最高的铜冶炼厂——贵溪冶炼厂，阴极铜产量达40万吨，享誉“中国铜都”之称；有装机容量50万千瓦的华东电网主力电厂——贵溪电厂，2004年11月已开工建设投资27亿元、装机容量60万千瓦的二期工程；有全国四大磷胺厂之一，年产24万吨复合化肥厂；有银锌储量“华东之最”的银矿及国家大型建筑企业首钢四建，中国有色十五冶等。全市地方工业迅速崛起。按照“五高”要求规划建设了10平方公里贵溪市工业园，已投产企业35家，形成了铜材、光电子、建材、化工、医药食品等五大支柱产业。其中，南方照明公司、竹辉公司被列入国家高新技术产业企业，一批名、优、特、高、精、新产品打入国际市场。城市优美，人居环境适宜。具有工业、交通、商贸、信息、旅游等诸多优势和较强辐射功能，是赣东北地区中心城市。城市基础设施完善，道路循环互通；城市空气清新，主要指标达标；完成了老城区主要街道改造和城南区开发，已初步形成“显山、露水、绿色”的生态城市。 2.2.4水利资源 全市河流众多，水量充沛。我市现有山塘水库10236座，其中中型水库6座，小（一）型水库18座，小（二）型水库126座，境内除信江干流外，流域面积在50平方公里以上的主要支流有11条，全市水能源蕴藏量23万千瓦，可开发量11万千瓦。 综上所述，将厂址设在贵溪合理。 第三章 电解精炼及净化流程的选择与论证 3.1铜电解精炼原理 铜电解精炼的原理【6】如下： 图3-1 铜电解精炼原理 阳极反应： Cu-2e＝Cu2+ ＝+0.34V； (3-1) H2O-2e＝1/2O2+2H+ ＝+1.23V； (3-2) -2e＝SO2+1/2O2 ＝+2.42V； (3-3) Me－2e＝Me2+ E0Me/Me2＋＜0.34V； (3-4) 式中Me代表Fe、Ni、Pb、As、Sb等比Cu更负电性的金属，它们从阳极上溶解进入溶液。H2O和SO42-失去电子的反应由于其电位比铜正，故在正常情况下不会发生。贵金属的电位更正，不溶解，而进入阳极泥。 阴极反应：Cu2+＋2e＝Cu =+0.34V (3-5) 2H++2e=H2 =0V (3-6) Me2＋＋2e＝Me E0Me/Me2＋＞0. 34V (3-7) 在这些反应中，具有标准电位比铜正、浓度高的金属离子才可能在阴极上被还原，但它们在阳极不溶解，因此只有铜离子还原是阴极的主要反应。 电解过程中还形成一价铜离子Cu+并建立下列平衡： (3-8) 上式在不同温度下的平衡数据列在表3-1中。 表3-1 的平衡数据 温度/℃ Ek(v)Cu/(0.5molCuSO4) / g·l-1 / g·l-1× 25 0.316 1.037 3 342 25 55 0.355 1.004 3.7 270 7.3 100 0.353 1.00 89 11.2 0.012 可见，平衡的Cu+浓度是很小的。但是它的存在，与硫酸作用进行Cu2SO4+1/2O2+H2SO4=2CuSO4+H2O反应，结果使电解液中的H2SO4不断减少，而Cu2+又不断增加，并按Cu2SO4= CuSO4+Cu反应生成铜粉进入阳极泥，使其中的贵金属含量下降。 在电极与电解液界面上还进行铜的化学溶解反应： (3-9) 3.2工艺流程概述 3.2.1电解工序的流程选择与论证 铜电解工艺有三种方案可供选用，即传统电解法、永久阴极电解法和周期反向电流电解法。 传统的铜电解法用纯铜薄片作为阴极片，这种方法历史悠久，工艺成熟。20世纪70年代以来，相继出现了几种新的电解生产技术。1963年，周期反向电流电解技术首次应用于工业规模的生产。永久性不锈纲阴极电解分为ISA法和KIDD法，艾萨法是由澳大利亚Mount ISA公司在1978年研制成功并投入生产，KIDD法是加拿大鹰桥公司在1986年开发成功。下面分别对这几种电解方法进行简要的简述和比较。 3.2.1.1周期反向电流电解法 周期反向电流电解法【6】是随着高电流密度电解的成功使用应运而生的，是强化生产的有效措施。常规电解法中，在电流密度高于250A/m2时，阳极钝化和电铜质量恶化现象就较为明显。通过整流器产生的周期反向电流可以消除由于电流密度提高而带来的阳极钝化的影响，从而达到强化生产、保证电铜质量的目的。与传统电解法比较，在相同的生产能力下电解槽少、厂房面积小、投资省、蒸汽单耗降低。其缺点是随着电流密度的提高，电能消耗增加（据统计，约增加30%），电流效率降低，整流设备成本高。 1962年保加利亚铜精练厂成功地进行了周期反向电流电解的工业试验。采用周期反向电流电解，阳极钝化现象在电流密度高达550～650 A/m2时才开始出现。此后这个方法在国外铜电解精练生产中得到了一定程度的发展。根据生产实践，一般认为350A/m2的电流密度是周期反向电流电解的最佳电流密度。高于此值时，电铜的化学组分虽可符合标准，但表现不好。 周期反向电流电解的优点为： （1）因电流密度高，同样的生产规模，所需电解槽数及厂房面积均相应减少，可节省建设投资。处于生产中的铜积压量较少，占用流动资金少，资金周转快。 （2）特别适用于对常规电解精练工厂挖潜增产，在已有的工厂对电解供电系统作必要改造，即可大幅度提高生产能力。 由于电流密度高，槽电压一般高于常规电解法。此外，电流效率也略低于常规电解法。因此，周期反向电流电解的电能消耗要比常规电解高出30%左右。 表3-2 电解精练主要技术经济指标 指标名称 单位 传统法 周期反向电解 永久阴极电解 电流密度 A/m2 220～250 300～400 280～330 电流效率 % 96～97 90～95 95～98 直流电耗 kw·h/t Cu 250～280 360～500 260～280 硫酸消耗 kg/t Cu 4～10 4～10 4～10 蒸汽消耗 t/t Cu 0.5～1 0.2 0.2～0.4 水耗 t/t Cu 2～3 - 1.5 残极率 % 18～20 18～20 16～18 3.2.1.2传统电解法 传统电解法目前在多数电解铜厂使用。以纯铜始极片为阴极，电源为恒向直流电，电流密度为220～280A/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。常规电解精炼工艺流程见图3-2。 图3-2 常规电解精炼工艺 但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几个难以克服的缺点： （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。 （3）始极片的生产与制作工作量占整个电解工作量的一半，又由于始极片薄软，平直度难以保证，电解工程易造成短路，只得采用较大的同极距和较底的电流密度，从而影响生产能力。此外，种板槽及其单独的循环系统，使厂房面积加大，建筑费用提高。 （4）作业时需要打排列、拍片子、照缸、提放液位等操作，出装槽作业自动化程度低，需大量的手工操作，操作工的劳动强度较大。在高杂质、高阳极率情况下，阴极铜板面质量控制难度较大。 （5）阴极悬垂度受始极片生产、加工、装槽质量影响较大，环节多、与人员关系非常密切，悬垂度较差，且阴极周期长。 3.2.1.3永久阴极电解法（ISA） 永久阴极电解法是针对传统电解法需要生产并加工始极片的缺点而研制开发的，并得到了快速发展，目前该法生产的电解铜已占世界总产量的30%。其主要优点是。 （1）由于使用永久不锈钢阴极，省去了始极片的生产制作及相应的组装阴极作业，使生产工序简化。 （2）由于永久阴极强度高、平直度好，可缩短同极距，减少短路，提高电流密度。因此，既可保证产品质量，又能提高电铜产量。 （3）阴极周期短，铜的积压量少，加快资金周转。 （4）机械化程度高，操作人员少。 （5）采用较高的电流密度（320A/m2）和较小的极距（105mm）进行生产，单位面积产能高，因此，电解槽数、厂房面积及防腐面积比传统电解法少30%左右，配套设备也少。 （6）电铜单块质量轻，相同重量ISA铜表面积是传统法的3倍，加大了表面粘附杂质对铜质量的影响。 由于使用不锈钢永久阴极，且机械化程度高，因此一次性投资较大。 ISA法电解由于电流密度高，极距小，从而可以减少电解槽数量和厂房面积。但是永久性不锈钢阴极价格昂贵，一次性投资大。因此总的基建投资将略高于常规电解的投资。 永久性不锈钢阴极的极板用316-L不锈钢板制作，厚度3.25mm，其表面粗糙度为2B。用304不锈钢异型钢管焊接在钢板上，然后镀上2.5mm厚的铜，代替传统电解法的阴极导电棒，起到吊挂阴极并导电的作用。不锈钢表面有一层永久性的很薄的氧化层，可以很好地解决沉积铜的粘附性和剥离性之间的矛盾。既能使沉积的电铜不会从阴极上掉落于电解槽内，又可以容易地从阴极上剥离下来。 不锈钢板的两个侧边用聚氯乙稀的挤压件包边，并用高熔点的蜡密封其间的缝隙。不锈钢板的底边则用高熔点蜡蘸边。 从永久阴极上剥取电解铜，日本三井金属矿业公司MESCO公司开发了专门用于ISA法电解的阴极剥离机组。其功能包括受板、洗涤、剥片、电解铜堆垛、称重、打字、捆包、阴极侧边喷蜡，阴极底边蘸蜡，阴极排板等。 ISA电解法自1979年首次在澳大利亚汤斯维尔PTY精练有限公司用于工业生产以来，发展甚快，目前已在30余家工厂推广应用。其约有1/3的工厂用于电解精炼，2/3的工厂用于电解沉积。表3-2为ISA电解精炼工厂生产数据。 表3-3 ISA电解精炼工厂生产数据 工厂名称 澳大利亚汤斯维尔公司 美国铜山公司白松冶炼厂 奥地利布利赫勒格冶炼厂 德国北德精炼公司 精炼能力/kt·a-1 192 50 50 320 电解槽数量/个 1024 278 156 1080 每槽阳极数 44 57 57 57 阳极重量/Kg 315 285 280 350 阳极寿命/d 21 21 14 22 每槽阴极数 43 56 56 56 阴极周期/d 7 7 7 6～8 阴极重量/kg 43×2 42×2 55×2 50×2 极距/mm 95 99 100 95 电流密度/A·m-2 260 226 304 315 电流效率/% 95 94～96 96 98 槽电压/mV 260～320 300～400 350 330 残极率/% 18 14 18 12～16 电耗/kw·h·t-1 Cu 290 321 330 300 鉴于上述所说，可以得出以下结论： （1）ISA法电解比传统法电解工艺流程简化，生产环节少，手工操作少，便于生产管理。 （2）ISA法电解可以采用较高的电流密度和较小的极距进行生产，单位面积产能高，厂房面积占地小、电解槽数少、防腐面积少，配套设备也少。 （3）在低杂质情况下，ISA法阴极铜的质量更具优越性。 （4）在高杂质情况下，夹边条上会粘附具有导电性能的结垢，造成阴极铜边缘长粒子，对阴极铜的整体质量影响较大。但高杂质情况下老电解阴极铜的板面质量也难控制，板面粒子多。 （5）两种工艺生产运行成本基本相当。ISA法综合能耗低、维修费低、人员少，但绝缘边消耗量大备件费用高。 （6）ISA法电解金属在制品占用率低。 故在本次设计当中我选用ISA电解精炼法生产阴极铜。 3.2.1.4 ISA电解精炼工艺流程图 图3-3是ISA电解精炼工艺流程 图3-3 ISA电解精炼工艺流程 3.2.2净液工序的流程选择与论证 在铜电解过程中，电解液中铜和杂质含量逐渐增加，添加剂含量不断积累，而硫酸的含量则逐渐减少，从而使电解液成分偏离所需的条件控制范围。所以必须定时定量地抽取电解液进行净化处理，并用等量的新液替换，调整电解液组成；同时也回收有价金属杂质。常规净化方法【3】有：（1）加铜中和或直接浓缩法生产硫酸铜；（2）电解沉积法；（3）中和、浓缩生产硫酸铜，电解法除As、Sb，冷冻结晶生产硫酸镍；（4）高酸结晶法生产硫酸铜，电解除As、Sb、Bi，电热蒸发生产粗硫酸镍。一般需大量生产硫酸铜时用（1）、（2）和（3）；不需大量生产时，可用（4），小厂以（2）法为宜。新的净化方法有：（1）渗析法（阴离子交换膜）；（2）萃取法；（3）共沉淀法：（4）氧化法除As、Sb、Bi。 图3-4为目前净液主要流程。 图3-4 净液流程 3.2.2.1净化主要工序 （1）硫酸铜工序 它是用铜粉中和电解液中的硫酸以产出硫酸铜： 其工艺流程图为图3-5。 图3-5 硫酸铜工序 蒸发：通过对电解液不断加热，提高其中的铜、酸、及其它杂质浓度，为下面的工序创造必需的条件。本设计使用真空蒸发法，在真空状态下，电解液的沸点降低到80℃左右，电解液经加热装置不断加热至沸腾，蒸发掉其中的水分，当电解液的比重达到要求，液即放出。使用两台蒸发器串连，蒸发器进出液流量均采用自动化仪表控制，保持进液、出液连续不间断。 结晶：使硫酸铜从蒸发后液中析出，得到固液混合形态的结晶后液，为下道工序－过滤创造条件。根据溶解度原理：温度越低硫酸铜溶解度越小。将蒸发后液冷却到40℃以下，硫酸铜以结晶形态析出 过滤：将结晶态硫酸铜从溶液中分离出来，获得滤液作为脱铜电解的原料 。本设计使用真空过滤，在滤布下方通过真空泵产生负压来实现固液分离。 （2）脱铜电解工序 硫酸铜结晶后的母液用不溶阳极电积产出黑铜粉。同时也再生了硫酸。 至电解后期，Cu2+低至8g/L下时，砷、锑、铋与铜一起放电得含砷黑铜，并有大量氢放出。黑铜可返回到火法精炼中处理。 其工艺流程图为图3-6。 图3-6 脱铜电解工序 （3）生产粗硫酸镍 脱铜和脱砷锑铋的母液含有40～50g/L Ni和约300g/L H2SO4，再经蒸发浓缩使NiSO4达饱和，然后冷却结晶分离。结晶后液含7～10g/L Ni和约400g/L H2SO4，若杂质含量低时，可将其加热和过滤，然后返回电解车间使用；若含砷锑等杂质高，则须再蒸发浓缩，使其以无水硫酸盐析出，分离后溶液返回电解车间使用。脱铜后的溶液生产粗硫酸镍结晶，可选用蒸发浓缩法或冷冻结晶法，蒸发浓缩法镍的脱除率高，但硫酸损失大，劳动条件差，一般适用于规模小的工厂；冷冻结晶法无废气排放，但投资较大，适于规模大的工厂选用。本设计采用冷冻结晶法生产硫酸镍。 3.2.2. 净液工艺流程图 图3-7为净液流程图 图3-7 净液工艺流程 第四章 铜电解精炼技术条件的选择与论证 4.1电解液的组成 电解液为硫酸铜的硫酸溶液，其组成的选择与阳极成分，电流密度和电解的技术条件等因素有关，一般含铜40～50g/L，硫酸180～210g/L。电解液的电阻随酸度的增加而降低，随含铜量的增加而升高。为节约电能，以采用高酸低铜的电解液组成较为有利，但必须同事对阳极及电解液纯度提出较高的要求，操作的电流密度也不能过高，以免影响阴极铜质量，因此硫酸的含量也不能提得过高，因硫酸铜的溶解度随着硫酸浓度的增加而降低，因此硫酸的含量不宜大于230g/L。当阳极和电解液纯度较低时，硫酸含量还应适当降低。生产实践表明，电解液中有害杂质允许含量列于表4-1。 表4-1 铜电解液中有害杂质允许含量/% 元素 Ni As Fe Sb Bi 含量 15 5 5 0.8 0.5 4.2阳极板规格 （1）阳极板尺寸： 长：1000±10mm 宽：970±10mm(板面) 1300±10mm(耳部) 厚：48±5mm(板面) 毛刺、飞边≤10mm 耳部歪斜≤±10mm 鼓泡高度≤10mm 顶针凹陷、凸起≤10mm （2）阳极板单重：360kg(重量可以按电解需要进行调整) 阳极下槽后可用热酸将其表面粉末状氧化铜洗净，尤其是放置时间过长、表面发黑的阳极板，在装槽时需用热酸冲洗。 4.3添加剂 为了获得致密、平整的阴极铜，在电解过程中了除严格控制各工序的技术条件外，还应加入适量的胶状物质和表面活性物质以改善阴极表面。一般采用的添加剂有：骨胶、硫脲、干酪素和盐酸等；其作用分别如下： （1）骨胶。动物胶是铜电解精炼过程中的主要添加剂，它能细化结晶，改善阴极表面的物理状态，一般加入量为25～50 g/t Cu，加入量过多时，电解液的电阻增大，阴极铜分层、质脆。本设计中骨胶用量为50 t/a。 （2）硫脲。硫脲是一种表面活性物质，单独使用时作用不明显，通常与动物胶混合使用，能促使阴极铜表面细化、光滑、质地致密。硫脲一般加入量为20～50 g/t Cu。本设计中硫脲用量为7.7 t/a。 （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变粒子的形状等作用。一般用量为15～40 g/t Cu。本设计中干酪素用量为5.8 t/a。 （4）盐酸。加入盐酸用来维护电解液中氯离子的含量。电解液中的氯离子可以使溶入电解液中的铅、银离子生产沉淀，同时还可以防止阳极钝化、防止阴极产生树枝状结晶。但氯离子过多时，阴极上会产生针状结晶。本设计中盐酸用量为16 t/a。 4.4电解液温度 提高电解液温度能增加铜离子、硫酸根离子的扩散速度。减少极化。电解液的导电率随温度升高而增大，溶液温度升高，槽电压下降，对降低电能消耗有利。但溶液温度过高，会使蒸汽消耗量增大，车间酸雾增多。操作环境恶化。所以电解液温度一般控制在58～62℃为宜，当采用300 A/m2以上的电流密度操作时电解液温度还可以适当提高至63～65℃。本设计中电解液温度为60℃。 4.5电解液循环 在电解进行过程中电解液按一定速度不停地经电解槽流过的方法和形式。电解液之所以需要循环，是为了使其槽内组成和温度均一，减小电极界面扩散层厚度；而在槽外补充电解质和添加剂，进行加热或冷却，沉淀杂质离子和悬浮固体微粒等。选择正确的电解液循环方式是使阳极溶解均匀，提高阴极沉积质量，以及保证其他技术经济指标符合要求的重要措施。电解液的循环方式有两种：下进液、上出液和上进液、下出液。上述两种循环方式各有优缺点。下进液、上出液的循环方式有利于溶液充分混合。但与阳极泥沉淀方向相反，造成阳极泥沉淀困难。在高电流密度电解场合，由于存在严重浓差极化倾向，必须更强烈而均匀地搅拌电解液。上进液、下除液的循环方式对阳极泥沉淀有利，但电解液上下层浓差较大。本设计属于大型电解槽、极间距小及电流密度较高，因此采用下进液、上出液的循环方式（图4-1）。该循环方式不仅有利于阴极附近离子的扩散，降低浓差极化，而且减少了对阳极泥的冲击和搅拌。此外，中间进液，一端出液，有利于电解液浓度、温度以及添加剂的均匀分布，有利于阴极质量。此方法能仿止阳极泥上浮循环量主要决定于操作电流密度，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。循环量一般为30～35L/(min·槽)。本设计槽循环量为30 L/(min·槽)。 SHAPE \* MERGEFORMAT 图4-1 下进液、上出液的循环方式 4.6电流密度 提高电流密度是增产挖潜的好办法。但随着电流密度的增大，槽电压上升，电流效率下降，电能消耗也相应增大。此外，损失于阴极铜上的贵金属也有相应增加。因此，一般宜采用 220～270A/m2。近年来，一些工厂为了挖掘生产潜力，在普通电解槽中采用300～350A/m2电流密度进行生产，在加强管理的情况下，也能产出合格的阴极铜。表4-2为某厂电流密度、电流效率和电能消耗的实测数据。本设计电流密度为320A/m2。 表4-2 电流密度、电流效率和电能消耗的实测数据 年份 1965 1966 1971 1972 1973 电流密度/A·m-2 247 257 305 312 331 电流效率/% 98.4 98.7 92.73 93.9 95.35 电能消耗/度·t-1 188 199 256 259 274.74 4.7同极中心距 缩短同极中心距能降低槽电压，减少电能消耗，还能提高劳动生产率。但极距过小会引起阳极泥对阴极的污染，电铜表面粗糙，贵金属的损失有所增加，管理不善还会降低电流效率。考虑上述因素。一般同极中心局以采用80～110mm为宜。本设计同极中心距为105mm。 4.8阳极寿命和阴极周期 阳极寿命一般由电流密度、阳极重量和残极率来确定，一般在18～21天内选择。当电流密度采用300A/m2时，阳极寿命应缩短为12～14天。阴极周期与电铜质量、电流密度和劳动组织等因素有关，阴极周期一般为阳极寿命的1/2。 第五章 技术经济指标的选择与论证 5.1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96%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0.25～0.75%。 除上述因素外，由于采用高电流密度操作，阳极含杂质较高等原因，也可能使电流效率降低。设计一般选择电流效率为96～97%。本设计电流效率为97%。 5.2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14～16%为宜。本设计中残极率取15%。 5.3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： 式中 n——铜电解回收率，%； m′——电铜含铜量，t； m1——原料含铜量，t； m1——回收物料含铜量，t 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（若阳极泥含铜本企业不能回收，则按损失处理）。本设计铜电解回收率为99.8%。 5.4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0.2～0.3V。本设计槽电压取0.3V。 5.5直流电能消耗 每吨电解铜的直流电能消耗，实践中使用的计算方法如下： 式中 w——直流电能消耗，度/t； q——消耗直流电量，度； m——电铜产量，t 消耗的直流电量包括普通电解槽、种板电解槽、脱铜电解槽、再用残极槽及线路损失等全部直流电消耗量。一般的电能单耗为220～240度。 5.6硫酸单位消耗 硫酸单位消耗量一般为4～6 kg/t Cu。 5.7蒸汽单位消耗 近年来，国内大多数铜精炼厂已采用石墨热交换器代替铅蛇行形管加热器，热利用率有所提高。如采用铅蛇形管加热的工厂，蒸汽单位消耗量为1.5～2 t/tCu，而某厂改用石墨热交换器以后，蒸汽单位消耗量已降至1 t/tCu左右。 5.8铜电解精炼的技术经济指标实例 表5-1为各厂铜电解精炼的技术经济指标 表5-1 铜电解精炼的技术经济指标 名称 单位 厂别 1 2 3 4 5 6 电流效率 % 95-97 95-97 96 95 95 94-96 残极率 % 14-16 13.5-14 18 18-25 13 18 电解直接回收率 % 85 — — 82 86 — 电解回收率 % 99.9 99.8 99.9 — 99.8 99.6 直流电能单耗 度/t 230-260 230 320 260-270 350 380 硫酸单耗 kg/t 4-5 3.2 6.7 5-10 5 12-17 蒸汽单耗 t/t 1.6-2.0 0.9-1.0 — — 1.8 1.2-1.8 槽电压 V 0.2-0.35 0.25 0.25-0.3 0.25-0.3 0.3 0.3-0.4 5.9劳动生产率 电解精炼车间实际劳动生产率计算如此下： 第六章 产物 6.1电解铜 电解铜质量符合Cu-CATH-1的规定。表6-1为一些冶炼厂生产的电解铜化学成分实例。 表6-1 电解铜化学成分实例 元素 厂别 1 2 3 4 5 Cu 99.96-99.97 99.96-99.98 99.96-99.97 99.98 99.98 Bi 0.0001 0.000 0.0003 0.0001 ＜0.0005 Sb 0.0001 0.000 0.0007 0.0001 ＜0.0006 As 0.0005 0.000 0.0008 0.0004 ＜0.0006 Fe 0.0005-0.0012 0.000 0.0008 0.0003 0.0007 Ni 0.0005-0.0008 0.000 0.0008 0.0002 0.0004 Pb 0.0005 0.000 0.0003 0.0001 0.0005 Sn 0.0005-0.0006 0.000 0.0003 0.0006 0.0004 S 0.0022-0.0027 0.001-0.003 0.0003 — — Zn 0.0005 0.000 0.0008 0.0001 ＜0.0005 P 0.0001 — 0.0003 — — 本设计电铜含量为99.9935%。 6.2阳极泥 阳极泥的产出率与阳极铜成分和电解条件有关，一般为阳极溶解量的0.4～0.8%。表6-2为各厂的阳极泥率级化学成分实例。 表6-2 阳极泥率级化学成分实例 厂别 阳极泥率 （%） 化学成分（%） Cu Au Ag Se 1 0.4-0.8 20-21 0.4-0.6 10-15 3-5 2 1.0 9.54 0.8 18.84 1.25 3 1-1.5 15 0.3-0.5 12-19 2-6 4 — 12.8 0.17-0.21 17.54 2.09 5 0.5 18-20 0.5-0.7 10-20 4-6 6 0.4-1.1 28-30 0.6 14 12.75 第七章 冶金计算 7.1计算条件 年产电解铜16万吨，设计年工作日为350天。表7-1为本设计的阳极成分。 表7-1 阳极成分/% 元素 Cu As Sb Bi Ni Fe Pb 含量 99.41 0.035 0.035 0.01 0.245 0.004 0.09 元素 Se Te Au Ag S Zn 其它 含量 0.045 0.043 0.002 0.067 0.003 0.001 电解铜回收率：99.8%； 电铜品位：99.9935%； 残极率：15%； 电流效率：97%。 表7-2为铜电解过程中个元素的分配率。 表7-2 铜电解过程中个元素的分配率(%) 元素 进入溶液 进入阳极泥 进入阴极 Au — 98.5 1.2 Ag — 97.5 2.5 Cu 1.93 0.07 98 Se/Te — 98 1.5 Pb — 97 3.5 Ni 85 18 微量 As 70 35 微量 Sb 45 65 微量 S — 96 4 Fe 75 10 16 Zn 93 4 3 Al 75 20 5 SiO2 — 100 — Bi 20 80 微量 7.2物料平衡计算 应用表7-1和表7-2的数据计算阳极泥率和阳极泥成分，表7-3为其计算结果。 （1）生产1吨阴极铜需要的阳极数量 （2）计算阳极铜实际需要量 表7-3 阳极泥率和阳极泥成分计算 元素 进入阳极泥的量占阳极溶解量的百分数/% 阳极泥成分/% Au 0.002×0.985=0.00197 0.5 Ag 0.067×0.975=0.06533 16.3 Cu 99.41×0.0007=0.06959 17.4 Se 0.045×0.98=0.0441 11 Te 0.043×0.98=0.04214 10.5 Pb 0.09×0.97=0.0873 21.8 Ni 0.245×0.18=0.0441 11.0 As 0.035×0.35=0.01225 3.0 Sb 0.035×0.65=0.02275 5.7 S 0.003×0.96=0.0029 0.7 Fe 0.004×0.10=0.0004 0.1 Zn 0.001×0.04=0.00004 — Bi 0.01×0.80=0.008 2.0 阳极泥率 0.401 100.0 （3）计算阳极铜含铜量 193516.4×99.41%=192374.7t （4）计算残极数量 193516.4×15%=29027.5t （5）计算残极含铜量 29027.5×99.41%=28856t （6）计算阳极泥数量 193516.4×（1－15%）×0.401%=660t （7）计算阳极泥含铜量 660×17.4%=114.8t （8）计算电解液中含铜量 193516.4×（1－15%）×99.41%×1.93%=3156t 表7-4为铜电解精炼物料平衡表 表7-4 铜电解精炼物料平衡表 物料名称 物料量 Cu As Ni t % t % t % t 装入 阳极 193516.4 99.41 192374.7 0.035 67.7 0.245 474 合计 192374.7 67.7 474 产出 电解铜 160000 99.9935 159989.6 — — — — 残极铜 29027.5 99.41 28856 0.035 10.2 0.245 71 阳极泥 660 17.4 114.8 3.0 19.8 11.0 72.6 电解液 3156 40.3 346.6 损失及误差 258.3 2.6 16.2 合计 192374.7 67.7 474 物料名称 物料量 Au Ag — t % t % t 装入 阳极 193516.4 0.002 3.9 0.067 129.66 合计 3.9 129.66 产出 电解铜 160000 0.04 2.76 残极铜 29027.5 0.002 0.58 0.067 19.45 阳极泥 660 0.5 3.3 16.3 107.58 电解液 — — 损失及误差 -0.02 -0.13 合计 3.9 107.58 7.3净液量的计算 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所选择的净液流程进行计算。送去净化的电解液量，应保证电解液用水稀释至原有体积时，其组成不变。如果送去净化的电解液所含的杂质量，等于溶解的阳极所带入的杂质量，那么就达到了这个目的。 假设下列原始数据： 杂质在溶液中的极限含量：镍15g/L；砷5g/L；锑0.8g/L；铜50g/L，铋0.3g/L。 杂质进入溶液的百分数：镍85%；砷70%；锑45%；铜1.93%。 采用冷冻结晶法生产粗硫酸镍，镍的脱除效率为75%，砷、锑、铋的脱除效率为85%。 按主要元素分别计算净液量如下： （1）按铜计算所需的净液量 （2）按镍计算所需的净液量 （3）按砷计算所需的净液量 （4）按锑计算所需的净液量 （5）按铋计算所需的净液量 根据上述计算结果，需净液量最大的元素是铜，其次是锑。铜的出去可以采用电积脱铜法去除，故净液量按锑元素所需的量计算，取40000 m³/a。 按40000 m³/a的净液量可推算出电解液的实际成分（g/L）：Cu 50，Ni 11.4，As 1.18，Sb 0.76，Bi 0.22，H2SO4 200。 7.4电解脱铜计算 莆田商品槽系统需要设置一定数量的电解沉积槽来脱除净液需要的铜。电解液中每天增加的铜量： 净液带走的铜量： 电解沉积槽需要脱除的铜量： 每个电解沉积槽的脱铜能力： 式中 m0——昼夜析出铜量，t/d； t——昼夜实际通电时间； n1——电流效率，%，一般为45%～89%，取85%； I——电流强度，25000A。 则 需设置脱铜槽个数： 考虑到槽体维修更换，设置8个电解沉积槽。 7.5硫酸盐生产物料平衡计算 采用真空蒸发，水冷结晶生产硫酸铜。中和终液含铜120g/L，结晶液体收缩率70%，电解液含铜量50g/L，硫酸铜平均结晶率50%，硫酸铜含铜24.4%，铜的回收率为98%，黑铜板、粉平均含铜70%，一次母液含铜25g/L，二次母液含铜0.5g/L，二级电铜含铜99.9%。 7.5.1计算铜料加入量 结晶洗水体积先按22400 m³/a计算，成分根据经验取Cu40 g/L，H2SO450 g/L，则进中和过程的混合溶液成分： 加入铜料量（按纯铜计） 加入铜料耗酸： 中和终液体积： 中和终液溶液含酸： 7.5.2计算硫酸铜产品产量 根据实践，硫酸铜结晶的洗水量为每吨0.75～1m³（这里取0.8），洗水含酸约50g/L，含铜约40g/L，则洗水量为10741×0.8=8592.8 m³/a。 洗水带走铜量：8592.8×40×10-3=343.7t 硫酸铜产品产量： 黑铜板、粉量： 黑铜板、粉杂质质量： 脱铜电解过程增加的酸：(50-0.5)×98÷63.5=76.4g/L 脱铜最后过滤含酸：76.4+286=362.4g/L 7.5.3冷冻结晶相硫酸镍物料平衡 在硫酸铜生产过程中镍的回收率为98%。 粗硫酸镍含Ni 23.5%，回收酸含Ni 6g/L。 进入粗硫酸镍生产过程中的Ni的量为：456×98%＝446.9t/a 忽略蒸发过程的酸损失不计，回收酸的体积应为： 粗硫酸镍产量为 净液过程主要物料平衡见表7-5 表7-5 净液过程主要物料平衡表 序号 物料名称 物料量 Cu Ni As % t/a % t/a % t/a 进入 不洁电解液 40000m3/a 50g/l 2000 11.4g/l 456 1.18 g/l 47.2 加入铜料 2346.2t/a 99.42% 2332.6 小计 4332.6 456 47.2 产出 二级电铜 686.7 t/a 99.9% 686 硫酸铜 9117.6 t/a 24.4% 2224.7 粗硫酸镍 1643 t/a 23.5% 386 黑铜板、粉 840.4 t/a 70% 588.3 4.77% 40.1 回收酸 10147.2m3 /a 0.3g/l 3 6g/l 60.8 1.1g/l 11.2 损失误差 830.9 9.2 -4.1 小计 4332.6 464 47.2 序号 物料名称 物料量 Sb Bi % t/a % t/a 进入 不洁电解液 40000m3/a 0.76 g/l 30.4 0.22 g/l 8.8 加入铜料 2346.2 t/a 小计 30.4 8.8 产出 二级电铜 686.7 t/a 硫酸铜 9117.6 t/a 粗硫酸镍 1643 t/a 黑铜板、粉 840.4 t/a 3.1% 26.1 0.89% 7.5 回收酸 10147.2m3/a 0.39 g/l 4 0.14 g/l 1.4 损失误差 0.3 -0.1 小计 30.4 8.8 第八章 主要设备的选择和计算 8.1电解槽 8.1.1电解槽材质 （1）电解槽槽体材质 铜电解精炼槽的构造，要求结构简单、造价低廉，耐温、抗腐蚀和绝缘性能良好。电解槽的结构一般以钢筋混泥土为槽体，内衬以各种不同防腐蚀材料，有少数工厂正在试用无防腐蚀衬里的辉绿岩耐酸混凝土捣制和花岗岩质电解槽。 电解槽有成列就地捣制，单槽整体预制，近代又发展到预制板拼装式槽体。整列就地捣制施工快、造价低，单检修更换不便，绝缘处理难，易漏电。而单槽整体预制，搬运、安装、检修、更换方便，绝缘好，漏电少。我国一些工厂采用辉绿岩耐酸混凝土单个捣制槽和花岗岩单个整体槽，这些槽耐酸，绝缘较好。但辉绿岩易渗漏，花岗岩槽价格贵，运输不便，切易产生暗缝渗漏，仅适合小型切能就地取材的工厂采用。多数工厂采用的是单槽整体预制。预制板拼装式电解槽搬运、安装，更换方便，造价低，节省车间面积，为国外一些新建工厂采用。 （2）电解槽衬里材质 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3～6%的铅锑合金板、软板聚氯乙烯和玻璃钢、铅衬厚一般为3～5mm；聚氯乙烯衬里通常为二层，每层厚4～5mm；内层塑料衬里一般不正槽铺设；玻璃钢衬里一般为6～10层，厚约3～5mm。表8-1为电解槽材质优缺点比较表。 表8-1 为电解槽材质优缺点比较表 槽体材料 衬里材料 优点 缺点 钢筋混凝土 铅板 耐酸、耐温性能好； 施工简单 价格昂贵； 铅的机械性能和绝缘性能不好 钢筋混凝土 软聚氯乙烯塑料 绝缘和绝热性能好； 价格较廉 耐热性能较差； 机械性能随温度上升二降低； 易老化 钢筋混凝土 玻璃钢 耐腐蚀； 绝热、绝缘性能好； 价格比衬铅低廉 树脂材质要求严； 施工技术要求高 辉绿岩耐酸混凝土捣制 无 耐酸、耐热性能好； 价格较亷； 机械强度高 不易施工； 容易渗漏 花岗岩 无 耐酸性能好 价格较贵； 运输不便 国内大部分铜电解工厂的电解槽衬铅。但在新建工厂及老厂的改造中逐渐推广使用聚氯乙烯衬里和玻璃钢衬里。本设计采用钢筋混凝土为槽体，玻璃钢做衬里的电解槽，玻璃钢厚5mm，槽壁和衬的厚度为100mm。 8.1.2电解槽的构造 通常电解槽由长方形槽体和附设的工业管，排液斗、出液斗的液面调节堰板等组成。槽体底部常做成由一端向另一端或两端向中央倾斜，倾斜度3%，最低处开设排泥孔，较高处有清槽用放液孔，放液排泥孔配有耐酸陶瓷或嵌有橡皮圈的硬铅制作的塞子，防止漏液。此外在钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔，以观察内衬是否破坏，钢筋混凝土电解槽壁厚一般为80～120mm。 本设计电解槽为长方形的槽子，其中依次更迭的吊挂着阳极和阴极。电解槽内附设有供液管、排液管(斗)、出液斗的液面调节器等。槽体底部由一端向另一端倾斜，倾斜度大约3%，最低处开设排泥孔，较高处有清槽用的放液孔。放液排泥孔配嵌有橡胶圈的硬铅制作的塞子，防止漏液。此外，在钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔，以观察内衬是否破坏。图8-1为钢筋混凝土构筑的典型电解槽结构。 图8-1 铜电解槽 1.进液管 2.阳极 3.阴极 4.出液管 5.放液管 6.放阳极泥管 8.1.3铜电解槽的安装 铜电解槽安装在钢筋混凝土横梁上。为防止电解液滴在横梁上造成腐蚀，在横梁上首先铺设厚3～4mm，比横梁每边宽出200～300mm的软聚氯乙烯保护板，然后在槽底四角垫以瓷砖及橡胶板用以绝缘。通常由多个电解槽排成一列，两个相邻电解槽要留20～30mm的空隙。槽侧壁顶面覆以塑料（或硬橡胶板、瓷板和沥青油毛毡等）垫层，装设槽间导电板、绝缘分隔板，以支承阳极挂耳和阴极导电棒；阴阳极按规定极距均匀相间，悬垂排列阴极边缘与槽侧壁应保持50～80mm空隙，以便电解液均匀流动和防止极板碰壁；电极下缘至槽底应有200～400mm空间作为阳极泥的沉积用。本设计中相邻两电解槽相隔20mm，电极下端至槽底最高点的距离为250mm。 8.1.4电极的选择 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。一般大型厂机械程度高的，可以采用重量较大的阳极，其重量范围一般有300kg以上。阳极寿命根据电流密度、阳极重量和残极率来确定，一般为18～21天。大耳阳极的尺寸的范围是：长800～1000mm，宽600～900mm，后35～45mm，中150～400kg。 为了避免阴极边缘生成树枝状结晶，通常阴极板尺寸比阳极板宽35-55mm，长25-45mm。阴极周期与电铜质量、电流密度和劳动组织等因素有关，约为阳极周期的1/2。本设计的工艺流程为ISA电解精炼铜，故阴极采用不锈钢阴极。表8-2为各厂阳极板、始极片规格实例。 本设计阳极尺寸为：1000×960mm；厚度为45mm；周期为18天。如图8-2。 本设计阴极尺寸为：1020×1000mm；厚度为3.5mm，周期为9天。 图8-2 阳极板 表8-2 各厂阳极板、始极片规格实例 名称 单位 上冶 沈冶 云冶 贵冶 株冶 阳 极 长度 mm 740 720 850 1000 750 宽度 mm 700 620 810 960 740 厚度 mm 35-40 38-42 33-38 45 30-35 重量 kg 155-165 145 210-260 398 130-150 始 极 片 长度 mm 770 740 860 1020 780 宽度 mm 740 670 840 1000 760 厚度 mm 0.4-0.6 0.45-0.5 0.4 0.6 0.3-0.5 重量 kg 2-3 1.9-2.3 2.6 6.01 - 8.2电解槽设计计算，以年产铜量为设计基础 已知条件： 年产电解铜160000t 年工作日350天 商品电解槽电流密度320A/m2 电解槽作业率96% 电流效率97% 同极中心距105㎜ 始极片尺寸1020×1000mm 电流强度25000A 商品电解槽总数计算公式为： 式中 N——商品电解槽总数，个； M——年产电解铜量，t； 350——年工作日，d； 23.5——日通电时数，h； η——电解槽作业率，%，为96%； I——电流强度，A，为25000A； μi——电流效率，%，为97%； 1.186——铜的电化当量，g/(A·h)。 P——电解槽备用系数，取5%。 则 本设计车间电解槽按5列横向排列。每列148槽。 确定电解槽尺寸： 电流密度为320A/m2，电解槽同极中心距为105mm，采用的阴极尺寸： 长×宽=1020×1000mm （1)每片阴极有效面积：2×1020×1000×10-6＝2.04m2 （2)每槽阴极片数 式中 n0——每槽阴极片数，片； I——电流强度，A，为25000A； De——商品槽电流密度，A/m2，为320 A/m2； fe——每片阴极的面积，m2，2.05m2。 则 即每槽阴极片数为39片。 （3）本设计中阳极块数比阴极多一块，故阳极为39+1=40块。 （4）电解槽长度、宽度、深度： 两端阳极表面与槽壁的间隙取200mm，阴极两侧与槽壁的间隙取80mm，电解液面至槽面距离取50mm，阴极底边至槽底最高点水平距离为250mm，槽底坡度i=0.03。 电解槽内部尺寸： 长：39×105＋200×2＝4495mm 宽：1000+55×2＝1110mm 深：浅处 1020＋250＋50＝1320mm 深处 1320＋6095×0.03＝1503mm 电解槽外尺寸： 长：4495＋2×100＝4695mm 宽：1110＋2×100＝1310mm 高：1503＋100＝1603mm 电解槽名义容积： 8.3脱铜槽 8.3.1一次脱铜需要的槽数 一次脱铜需要的槽数按下式计算； 式中 M——需要脱除的铜量，kg/d，为 t——昼夜通电时间，h，为23.5h； η——脱铜槽平均电流效率，%，取90%； k——脱铜槽作业率，%，为95%； I——通电电流，A，为20000A。 则一次脱铜需要的槽数： 故设置19个一次脱铜槽。 8.3.2诱导脱砷需要的槽数 诱导脱砷所需要槽数是按下式计算： 式中 Q——需要脱除的砷量，kg/d，为 η——脱铜槽平均电流效率，%，取90%； t——昼夜通电时间，h，为23.5h； K——脱铜槽作业率，%，为95%； I——通电电流，A，为20000A。 则诱导脱砷所需要的槽数： 故只需设置1个脱砷槽。 在一个脱砷槽中能脱除的铜量按下式计算： 式中 N2——脱砷槽个数，1个； η——脱铜槽脱铜时的平均电流效率，%，取80%； K——脱铜槽作业率，%，为95%； t——昼夜通电时间，h，为23.5h； I——通电电流，A，为25000A。 则脱铜槽中能脱除的铜量： 8.3.3脱除剩余铜需要的槽数 脱除剩余的铜需要的脱槽数按下式计算： 式中 M——需要脱除的铜量，kg/d，为M＝9017kg/d； m——脱砷槽能脱除的铜量，kg/d，为529.5kg/d； η——单纯脱铜时的平均电流效率，%，取97%； K——脱铜槽作业率，%，为95%； t——昼夜通电时间，h，为23.5h； I——通电电流，A，为20000A。 则脱除剩余的铜需要的脱铜槽数为： 个 故需设置16个槽来脱除剩余的铜。 从而，共需要设置脱铜槽的数目为N=19+1+16=36个。考虑按4列排布的合理性，设置40个脱铜槽，脱铜槽采用电压为2.20V。 8.4电解槽附属设备【4】 8.4.1槽边导电排 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1～1.1A/mm2；对小型精炼厂，由于电流强度不大，导电排的允许密度还可适当提高到1.4～1.6A/mm2。本设计导电排允许电流密度为1.1 A/mm2。导电排截面积可按下式计算： 式中 F——导体截面积，mm2； I——总电流，A，为25000A； D1——允许电流强度，A/mm2，为1.10 A/mm2。 则导电排截面积： 贵溪冶炼厂所使用的导电排规格为200×10mm，共10块。本设计采用铜质板，每块尺寸200×20mm，共6块。 导电排的温度不应高于周围空气20～40℃，当计算出导体截面积后，还应用下式进行温升演算： 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； ρ——导体比电阻，Ω/(m·mm2)，铜为0.0175Ω/(m·mm2)； S——导体横断面积，mm2； n——导体断面的周长，mm。 大型电解槽电流强度大，截面积过大的导电排难于在槽边安装，故不宜采用组合式的槽边导电排直接安装槽边，而是采用单片式导电排，沿槽边长度方向由多个接点自供电母线接入电流。 8.4.2槽间导电板 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0.3～0.9 A/mm2， 其截面积可按下式计算： 式中 F2——导电板的截面积，mm2； A——总电流，A，为25000A； n——每槽阴极片数，为39片； D2——导电体允许电流强度，A/mm2，为1.0 mm2。 则槽间导电板截面积： 图8-3为贵冶槽间导电板截面图 本设计采用截面为半圆形的导电板，可求得其半径R＝14.3mm。 图8-3 导电板 8.4.3阴极导电棒 永久性不锈钢阴极的极板用316-L不锈钢板制作，用304不锈钢异型钢管焊接在钢板上，然后镀上2.55mm厚的铜，替代传统电解法的阴极导电棒，起到吊挂阴极并导电的作用。不锈钢板表面有一层永久性的氧化薄层，可以很好地解决沉积铜的粘附性和剥离性之间的矛盾。既能使沉积的电铜不会从阴极上掉落于电解槽内，又可以容易地从阴极上剥离下来。 阴极导电棒一断面有方形、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；大极板选用钢芯包铜方形导电棒。阴极导电棒允许电流密度可取1～1.25 A/mm2，其计算公式为： 式中 F2——槽间导电板的截面积，mm2； A——总电流，A，25000A； n——每槽阴极数，片，为39片； D2——槽间导电体允许电流强度，A/ mm2，为1.2A/mm2。 则阴极导电棒截面积： 图8-4为贵冶阴极导电棒截面图。本设计选用中空方形 导电棒。厚度为2mm 的304不锈钢，外镀2mm铜。导电棒 外尺寸为30×30×1300mm。 单根阴极导电棒重量为： 图8-4 阴极导电棒截面图 8.4.4出装槽短路器 电解槽出装槽时，需要短路断电。断电方式目前有两种，一为横铜棒断电，人工操作；一为采用遥控短路开闭器，即可在仪表室操纵，也可在现场手动操作，国内一般小型工厂操作电流强度小，可用单槽人工横棒短路断电；而大、中型工厂，采用大极板、大电解槽工厂，操作电流强度大，应采用遥控短路开闭器断电，以减轻劳动强度和保护槽面的绝缘电板。 8.5起重机 电解铜起重机【9】是针对电解铜生产工艺二开发设计的专用起重设备，通过针对阴阳极板放置位置、形式而设计的专用吊具能高效率地将阴阳极装入或吊出电解槽。送入下一工序。电解铜起重机的开发、设计、制造填补了国内这一领域的空白，并具有较高的经济效益。 电解铜起重设备自动定位电解铜因其生产工艺的特殊性，对起重机的吊具提出了特别的要求。其专用吊具的使用将可极大地提高电解铜的生产效率，电解铜起重机就是针对电解铜生产工艺而开发设计的专用起重设备.在电解槽中，阴阳极板交替放置，通常极距为105mm。电解铜起重机的功能就是通过其针对阴阳极板放置位置，形式而设计的专用吊具高效率地将阴阳极板出装槽。目前，最先进的电解铜起重机通过大小车自动定位系统，吊具定位装置进一步提高了起重机的工作效率。 8.5.1起重机荷重的确定 起重机【9】荷重应考虑车间最大操作荷重。通常为吊架加起吊极板的总重量。 一般中、小型厂均为单极出装槽，起重机的最大荷重应取一槽阳极和吊架重量之和；大型铜电解车间的极板加工排列多以实现了机械化，出装槽操作采用可双极起吊的专用吊架，起重机的最大荷重应取一槽阳极和一槽始极片之和。 （1）单块阳极重量 单片阳极重量按下式计算： 式中 t——昼夜通电时间，h，为23.5h； ——电流效率，%，为96%； T——阳极周期，d，为18d； N——单片阳极片数，为40片； P——残极率，%，为15%； 则单块阳极重量： 于是可以确定阳极板厚度： 式中 m——单片阳极重量，kg，为354.13kg; ——阳极铜密度，8.96kg/cm3 f——阳极溶解部分的面积，cm2，为100 96=960cm2 则阳极板厚度： 103=4.117cm=41.17mm （2）单片阴极板和成品阴极铜重量 阴极板用316-L不锈钢制造，查得其密度为7.89 kg/cm3.。取定阴极板尺寸为1020×1000×3.5mm。 于是其重量为m0=1020×1000×3.5×7.89=28.167kg. 成品阴极板按其两面发生通常沉积的阴极来计算： Mk= + m0kg 式中 Mk——成品阴极板重量，kg； I——通电电流，A，为25000A； t——昼夜通电时间，h，为23.5h； ——电流效率，%，为97%； tk——阴极周期，d，为9d； Nk——单槽阴极片数，为39片； m0——不锈钢阴极板重量，kg，为2.8167kg。 则成品阴极板重量： （3）确定载荷 双极起吊的最大重量发生在阳极片和始极片同时装槽过程中，故而应按阳极和始极片等的重量来设计载荷，并假设双极起吊时预留30%的过载系数。 单槽阴极导电棒重量：39×5.882=229.4kg； 单槽阴极片重量：39×28.167＝1098.513kg； 单槽阳极重：40×354.13=14165.2kg； 假设专用吊架自重为1000kg，则起重机载荷： M0=(14.1652+1.0985+0.2294+1)×(1+30%)=21.44t 故采用载荷为30t的专用桥式起重机。 8.5.2起重机跨度 设电解槽按5列排列，两列之间留1m行走通道，靠外边的一列与墙体的距离为2m，则其跨度Lk=4.7×5+1×4+2×2=31.5m 8.5.3起重机台数 起重机台数要根据电解槽数量、阴极、阳极周期及车间配置等因素确定。一般年产10000t以下电铜的小型工厂配置一台起重机即可满足商品槽及种板槽的生产要求。大、中型工厂商品槽及种板槽的起重机应分别设置。 对大阳极板、大电解槽、大跨度单跨厂房布置的工厂，当机械化自动化程度高且采用双极起吊的专用吊架，商品槽系统设置一台起重机即可满足生产要求，其他情况则视车间电解槽数、极板处理机械化程度等因数酌情选择。由于采用双跨配置，故需要设计2台起重机。 8.6净化中的主要设备 8.6.1真空蒸发器 真空蒸发器【11】为外加热自然循环式，采用列管加热器和板式加热器。以前列管加热器多为石墨制作，因其质脆，结垢不易处理，现一般改用钛材制作。真空蒸发器的蒸发室用钛材制造，但由于蒸发室溶液介面区域存在气液相介面腐蚀，在介面部分需用硬铅制作。用水喷射真空泵代替液环式真空泵。 图8-5为真空蒸发器组的结构图。 图8-5真空蒸发器 1-盖板；2-汽体出口管；3-上筒体；4-进液口；5-下筒体；6-竖管；7-重度测量口；8-球阀； 9-弯管；10-出液口；11-冷凝水出口；12钛管换热器；13-蒸汽入口管；14-T型管；15-放气管； 16-视镜；17-测压口；18-捕沫器 真空蒸发器的选择计算可按下列公式： 式中 W——蒸发水量，kg/h； V——蒸发前液体体积，m³，4.76m³； X1——蒸发前液含酸，150g/L； X2——蒸发后液含酸，300g/L； t——蒸发周期，h，为6h。 则 加热器加热面积： 式中 F——加热器加热面积，m2； W——蒸发水量，kg/h； Q——蒸发能力，kg/(m2·h)。 蒸发能力Q与加热器的材质、加热所用蒸汽的温度系统的真空度等有关。用钛管加热器时，一般取蒸发能力为30 kg/(m2·h)。 则 蒸发室的直径和高度之比可取1︰2～4，液面上部的蒸气室高度不宜小于2m。 8.7电解精炼的热平衡 已知下列数据： 电解槽内尺寸：4495×1110×1411mm 电解槽外尺寸：4695×1310×1603mm 通电电流：25000A 槽电压：0.3V 电解液温度：60℃ 电解液循环速度：30L/min 车间温度24℃，空气湿度70%； 槽外壁温度：35℃。 8.7.1 热收入Q收 热收入即电流通过电解液时产生的热量。产生的热量按下式计算： Q收=4.18×0.239×EITN×10-3 (8-16) 式中 Q收——热收入 E——消耗于克服电解液阻力得到槽电压，V，大约为槽电压的50%左右，为0.3×50%=0.15V； I——电流强度，A，为25000A； T——1小时的秒数，3600s； N——电解槽数，为740个。 则热收入：Q收=4.18×0.239×0.15×25000×3600×740×10-3=9.98×106kJ/h 8.7.2 热支出 （1）电解槽液面水蒸发的热损失Q1 电解槽液面水蒸发的热损失Q1按下式计算： Q1=Fm0k (8-17) 式中 F——电解槽液面的总表面积，m2，为F=4.495×1.11×740=3692.19m2 m0——每平方电解槽液面在五覆盖时的水分蒸发量，kg/(m2·h)。查表得 1.73kg/(m2·h)。 K——水气化热，kJ/kg。查得60℃水的气化热为2357.5kJ/kg。 则电解槽液面水蒸发的热损失： Q1=3692.19×1.73×2357.5=1.51×107kJ/h （2）电解槽液面辐射与对流热损失为Q2 根据傅立叶公式： Q2=K(t1-t2)F (8-18) 式中 K——辐射与对流联合导热系数，kJ/ (m2·h·℃)，取39.35kJ/(m2·h·℃)； (t1-t2)——电解液与车间空气温度差，℃，为(60-24)℃； F——总传热面积，m2，为3692.19m2。 则电解槽液面辐射与对流热损失 Q2=39.35×(60-24)×3692.19=5.23×106kJ/h （3）电解槽外壁的辐射与对流热损失为Q3 根据傅立叶公式： Q3=K(t1-t2)F总 (8-19) 式中 K——钢筋混泥土槽壁的辐射与对流联合导热系数，kJ/（m2·H·℃），当槽壁温度为35℃，车间室温为24℃时，取35.17 kJ/(m2·h·℃)； (t1-t2) ——槽壁与车间温度差，℃，为(35-24)℃； 电解槽槽壁总面积F总： F总=740×(4.695×1.31+4.695×1.603×2+1.31×1.603×2)=19059.57m2 则电解槽外壁的辐射与对流热损失： Q3=35.17×(35-24)×19059.57 =7.37×106kJ/h （4）循环管道内溶液热损失为Q4 循环管道内的电解液的热损失Q4按下式计算： Q4=VrCp▽t (8-20) 式中 V——电解液循环量，m3/h，为30×60×740×10-3=1332 m3/h； r——电解液密度，kg/m3，为1250 kg/m3； Cp——电解液热容量，kJ/(kg· ℃)，为3.43 kJ/(kg· ℃)； ▽t——电解液在循环管道内的温度降，℃，根据车间规模大小取2～4℃，本设计取4℃。 则循环管道内溶液热损失：Q4=1332×1250×3.43×4=2.28×107kJ/h 全车间需补充热量为▽Q： ▽Q=Q1+Q2+Q3+Q4-Q收 =1.51×107+5.23×106+7.37×106+2.28×107-9.98×106 =4.052×107 kJ/h 8.7.3热平衡表 表8-3为电解精炼的热平衡表 表8-3 电解精炼的热平衡表 热收入 热支出 名称 热量/107kJ·h-1 % 名称 热量/107kJ·h-1 % 电流发热 0.998 19.76 槽面蒸发热损失 1.51 30 外部补充热 4.052 80.24 槽面对流热损失 0.523 10.36 槽壁散热 0.737 14.59 管道热损失 2.28 45.15 合计 5.05 100 合计 5.05 100 8.8附属槽体的选择和设计 8.8.1循环液贮槽 （1）循环液贮槽材质 贮液槽一般为钢筋混凝土制作，内衬铅板或软聚氯乙烯板。相邻槽共用槽避，槽壁设有连通管，以便轮换检修；槽面用薄软聚氯乙烯塑料的木板覆盖，以防酸雾逸散。有的铜电解车间采用了带盖的圆柱型全玻璃钢贮液槽，绝缘、密封性能好、造价低、易修补，使用效果较好。钢筋混凝土衬贮液槽的缺点是散热损失大，结构重、造价高、易漏液、漏电，并且施工有铅毒危险。 本设计采用带盖的矩形贮液槽，材质为FRP。 （2）循环液贮槽的确定 根据实践，循环贮液槽（包括事故贮槽）的容积约为电解槽内电解液总量的20%左右，装满系数一般为85%。循环液贮槽容积按下式计算： (8-21) 式中 V0——单槽电解液（出去阳极极板）的体积，m³， N——车间总电解槽数，为740个； α——贮槽与总体积的设计比值，%，为20% k——装满系数，%，为85%。 则循环液贮槽容积： 设计循环液贮槽尺寸为： 壁厚：200mm； 内尺寸：15000×6500×3000mm； 单个容量为292.5m3； 外尺寸：15200×6700×3200mm。 一共设置7个（2个用以贮存电解槽上清液，5个用作电解液循环槽），总容积为2047.5m3。 8.8.2 高位槽 高位槽容量可按5～10min车间电解液循环量计算，充满程度为80%～85%，由于配置在高处，应有足够的强度，故一般采用钢筋混凝土内衬铅板。计算中，设高位槽可容纳5min的循环电解液，其容积按下式计算： （8-22） 式中 ——电解液循环速度，L/min，为30L/min； t——设计贮槽时间，min，为5min； N——商品电解槽总数，为740个； ——装满系数，%，为85%。 则高位槽容积： 设计高位槽尺寸为：内：7000×5000×4500mm，单槽容积为157.5m3； 外：7200×5200×4700mm。 一共设置1个，材质为钢筋混凝土制作，内衬铅板，总容积为157.5m3。 8.8.3阳极泥贮槽 阳极泥槽一般用混凝土砌成，内衬铅皮或5mm硬聚氯乙烯塑料。槽壁厚200mm左右，沿长度用厚100mm隔离板分为三个沉淀室。沉淀室底液用离心机过滤，滤液及上清液返回电解液物集槽，滤饼送金银车间处理。 从电解槽放出阳极泥常用两种方法，一种是从槽底的开孔放入流槽中，另外一种是用泵产生的吸力将阳极泥吸至密闭罐，然后再从罐中放入阳极泥槽。这里采用第一种方法：从底槽的放阳极泥孔放出阳极泥。 阳极泥流槽的容积可按下式计算： 式中 4——考虑到澄清时间和洗水，废水数量后，采用的系数； AB——电解槽内部的长度和宽度，m，分别为6.095m和1.11m； h——放出清亮电解液后，洗槽前后在槽中阳极泥浆高度，m，一般取20mm； n1——每昼夜洗槽数目，为740÷20=37，取25槽； n2——阳极泥槽数，一般取2，这里取2； K——阳极泥槽充满系数，%，为85%。 则阳极泥贮槽容积：V=4×6.095×1.11×0.02×(37+2)÷0.85=24.83m3 设计阳极泥贮槽采用矩形槽体，内衬5mm铅皮，槽壁厚200mm，中间用100mm隔板分成3个沉降室，其尺寸为： 内：5000×2500×2500mm，单槽容积为31.25m3； 外：5600×2900×2700mm。 设置1个即可，总容积31.25m3。 另外分别设置溶解槽和计量槽。溶解槽设置分为H2SO4溶解（配酸）槽6600×3000mm，添加剂溶解槽1000×1000mm，HCl中间槽2000×2000mm。计量槽设置分为H2SO4计量槽2000×2000mm，添加剂计量槽1000×1000mm，HCl计量槽2000×2000mm。 8.8.4其他辅助槽 为保证车间正常生产，还需设置一下几个辅助槽： （1）冷凝水贮槽：为接蓄换热器的冷凝水，设置2个冷凝水贮槽，圆柱形，材质为混凝土。内尺寸设计为×3000mm，单槽容积为21.195m³，总容积为43.39m³。 （）冷凝水高位槽：为重新利用冷凝水，用水泵将冷凝水贮槽的水抽至冷 凝水高位槽，之后又高位槽接至极板作业机组的用水点或者洗槽。内尺寸设计为×2500mm，设置2个，材质为混凝土。 （）SO4贮槽：用以贮存SO4，由阀门连接至SO4溶解槽。圆柱形，材质为不锈钢，设置1个，内尺寸为×2000mm，容积为6.28m³。 （4）HCl贮槽：用以贮存HCl，有阀门连接至HCl中间槽。圆柱形，材质为FRP。设置1个，内尺寸为×2000mm，容积为6.28m³。 （5）SO4溶解槽：用以溶解SO4，有阀门连接至SO4计量槽。圆柱形，材质为不锈钢。设置1个，内尺寸为×1000mm，容积为1.327m³。 （6）HCl中间槽：用以溶解HCl，由阀门连接至HCl计量槽。圆柱形，材质为FRP。设置1个，内尺寸为×1000mm，单个容积为0.6359m³。 （7）添加剂溶解槽：用以溶解添加剂，由阀门连接至添加剂计量槽。圆柱形，材质为不锈钢。设置1个，内尺寸为×1000mm，单槽容积为1.327m³。 （8）SO4计量槽：用以计量加入的SO4，由阀门连接至循环液贮槽。圆柱形，材质为Q235-A，设置1个，内尺寸为×1000mm，容积为1.327m³。 （）HCl计量槽：用以计量加入的HCl，由阀门连接至循环液贮槽。圆柱形，材质为FRP。设置1个，内尺寸为×1000mm，容积为1.327m³。 （）添加剂计量槽：用以计量加入的添加剂，由阀门连接至循环液贮槽。圆柱形，材质为PVC。设置1个，内尺寸为×1000mm，容积为1.327m³。 （11）电解液分配槽：用以将电解液分配至各列的进液分管，材质为混泥土和内衬5mm玻璃钢。设置2个，内尺寸为mm。 （12）压滤液贮槽：用以贮存压滤机滤出液。设置4个，内尺寸为×3000mm，单槽容积为47.69m³，总容积为190.76m³。 （13）阳极泥箱：用以贮存干阳极泥，设置2个，内尺寸为1000×1000×1000mm。 以上各槽均配置槽盖，溶解槽均设置搅拌设备，各槽出口都设置流量计。 8.9 附属设备的选择和设计 8.9.1直流电源 生产中一般通过砖整流器或可控硅整流器获得点解精炼需要的直流电。目前一般中、小型铜电解厂采用硅整流器。但可控硅整流器的电压可以有级调也可连续调以达到稳压操作；直流输出电流波动范围小，可达到稳定操作；通过两套极性相反的并联可控硅整流装置可以达到快速切换电流方向，满足周期反向电流电解的要求，其性能明显优于硅整流器。虽然设备价格较高，在老厂技术改造及新建大型工厂时，考虑企业提高电流密度、增产及分系列投产的需要，扔多采用可控硅整流器。硅整流器和可控硅整流器的规格与台数根据电流、电压等条件进行选择。 这里选用可控硅整流器。如前所述，生产槽电压为0.30V，740个；脱铜槽电压为2.20V，18个。如果设置20%的余量，导线、母线等的电压损失系数为1.15，则 额定电压：E=(0.30×740+2.20×36)×1.15 =346.4V。 额定电流：I=25000×1.15=28750A。 故采用整流电压360V，额定电流30000A的可控硅谷整流器。设置2台。 8.9.2电解液加热器 电解液加热多数采用列管换热器或钛板换热器【10】，部分厂仍用浮头列管式不透性石墨热交换器。钛板式换热器阻力大，应设于电解液循环泵与漓位与漓位槽之间，石墨管受震动易受损坏，不宜直接与电解液循环泵相连，而应位于高位槽之后，本设计选用钛板式换热器。 加热器传热面积可用下式计算： 式中 F——加热器总传热面积，m2； Q——电解液应补充的热量，kJ/h，为4.781×107 kJ/h； K——传热系数，W/(m2·℃)，对于钛板，为1890W/(m2·℃)； ——平均温度差，℃。 假设蒸汽温度t进=120℃；蒸汽冷凝水温度t出=90℃； 电解液进口温度t进´=55℃；电解液出口温度t出´=62℃； 计算总传热面积： 所以选用60m2钛板式热交换器3台。设备型号为：AK20－FGL【17】。单重1400kg。 8.9.3电解液循环泵 泵的流量根据车间的电解液每小时循环量来确定，泵的扬程由电解液输送的垂直高度和阻力损失来确定。为了保证电解液正常循环，循环泵一台设置备用。其选择按下式： (8-25) (8-26) 式中 Q——电解液循环泵的流量，m³/h； V——电解液循环速度，为30L/min； N——商品电解槽总数，740个； H——泵扬程，m； H0——高位槽槽面高度，取9m； ρ——电解液密度，kg/L，为1.250 kg/L。 则：电解液循环泵设计流量为 。 电解液循环泵扬程：H=9×1.250=11.25 m 考虑到酸泵的效率及扬程保险，选用5台JBY200-400【17】型酸泵，其中一台备用。泵的扬程为20m，泵流量为360m3/h。单重2000kg。 8.9.4 叉车 阳极、阴极成品和残极的的厂内运输可使用叉车【19】，其运输能力可按下式确定： 式中 a——叉车每次载重量 Q——叉车每次载重量t，常以大搬动阳极重表示； t1——叉车平均工作时数，一般取6小时/日； t2——运物往返一次所需时间，视车间与阳极车间、仓库等的距离而定，取20min。 设计采用载重5t的叉车，单片阳极质量354.13kg，则一台叉车可以运载的最大阳极片数为5000÷354.13=14.12片，故最大运输14片， 其总重量为：354.13×14=4.96t 运输能力：a=60×4.96×6÷20=89.28t/台·d 叉车台数:N=89.28÷4.79=19台，考虑到维修备用，配置20台5吨叉车。 8.9.5 净化过滤机 将循环电解液的30%进行净化，即1332×30%=399.6m³/h。 过滤机的处理量为0.8 m³/h，在1～2h完成。 采用2台过滤面积为400 m2的过滤机。 8.9.6板框压滤机 为对阳极泥进行过滤，设置2台BA60/800-25型的板框压滤机。其主要参数：过滤面积为60m2，框内尺寸800×800mm，室容积745L，额定过滤压力0.7Pa。 8.9.7相关配套设备 为保证生产正常进行，还需要设置相关配套设备如下： （1）阳极泥泵：用以将阳极泥贮槽的阳极泥抽吸至板框压滤机处理。设置4台，1台备用，设备型号为ASP11-50，规格为Q=40m3/h ，h=30m。 （2）压滤泵：用以将循环液贮槽和上清液贮槽的电解液输送至净化过滤机。设置4台，设备型号为APP33-125，规格为Q=250m3/h，h=20m。 （3）浓密机：设置2台，用以电解液与阳极泥分离使得压滤效果更好，其主要参数：处理量可达50-2000m3/h·台，底流浓度>500g/L，溢流水浓度小于1g/L。 （4）隔膜泵：用以把浓密机底部的阳极抽出送到自动压滤机过滤，设置4台，设备型号为ODS-80，主要参数：流量Q=20m3/h，气压0.55mpa，扬程h=45m。 （5）输液泵：用以压滤液贮槽的液体输至压滤机清洗。设置4台，设备型 号为IH80-50-315，尺寸规格为Q=25m3/h，H=32m。 8.10极板作业机组的计算及选型 现代铜电解生产向着大极板、长周期、高电流密度、高品质发展，因此，拥有完整的自动化极板作业机组是实现生产高效率、高质量的前途。完整的极板作业机组主要包括阳极板准备机组、阴极板准备机组、电铜洗涤堆垛机组、残极洗涤堆垛机组、导电棒贮运机组等。其配置图如图8-6。 图8-6 极板作业机组配置图 1-阳极板准备机组 2-阴极板准备机组3-电铜洗涤堆垛机组 4-残极洗涤堆垛机组5-导电棒贮运机组 6-专用吊车 8.10.1阳极准备机组 阳极板准备机组主要包括板面平整、挂耳矫正、铣削等间距排列和浸泡等工序，按工艺要求选用不同功能组合的机组。 单层布置的阳极板矫耳一排列机组适用于板面质量好、但挂耳变形较大或挂耳拨模斜度对极板垂置有影响时，通过水平和垂直矫正，可将挂耳在水平、垂直和扭转的变形予以矫正。 双层布置的阳极板平整--矫正--铣耳--排列机组，适用于板面及挂耳的变形都较大的情况，但结构也较复杂。图8-7为阳极板平整--矫正--铣耳--排列机组图。 设一天工作时间为T=8h，一天最大出装槽数为N1=740/20=37，取40槽，每槽阳极数为N0=40片。 则机组工作能力：N=N1×N0/T=37×40÷8=185片/h 这里选用1台双层布置的阳极板平整--矫正--铣耳--排列机组，工作能力为300片/h。其各参数见表8-4。 表8-4 设备参数表 机组名称与集成功能 极板尺寸 B×H×/mm 极板重量/kg 生产能力 片/h 电机总功率/kw 机组数量 /台 机组尺寸/m 设备总重 /t 阳极板平整--矫正--铣耳--排列机组 1000×960×45 354.13 300 162 1 95 电铜受板-洗涤-密集-多根抽棒-翻板-称量-输出机组 1020×1000×（15～20） 184.137 500 103 2 36 残极受板-洗涤-拖平-堆垛-称量-输出机组 1000×960 50～100 500 52 1 34 导电棒输入-立式链式贮存-转运-给出机组 35×20×1300 5.506 500 5.5 2 9.5 阴极剥片机组 1020×1000×（15～20） 184.137 500 图8-7 阳极板平整--矫正--铣耳--排列机组 8.10.2阴极板准备机组 阴极板制备主要包括始极片的供给并整形、吊耳的供给、导电棒的供给、导电棒穿入吊耳、吊耳一与始极片的铆接装置以及排序等工序。生产中按工艺需要选用不同功能组合的机组。 阴极板制备机组【12】的任务是对种板进行平整、矫直和压纹，将周边剪齐，用圆盘钢刷清刷，用对辊碾压细瘤，使细瘤脱落或被碾平以便改善其表面质量。种板板纹的形式有直纹，斜纹、圆环纹、人字纹和特殊纹。图8-8为阴极板制备机组。 设一天工作时间为T=8h，一天最大出装槽数为N1=740/8=92.5，取93槽，每槽阴极片数为N0=39片。 则机组工作能力：N=N1×N0/T=93×39÷8=453.375片/h 故需设置1台阴极板准备机组，工作能力500片/h。其相关参数见表8-4。 图8-8 阴极板制备机组 8.10.3 电铜洗涤堆垛机组 电铜洗涤堆垛机组是进行电解铜出槽，洗涤、导电棒抽出、电解铜堆垛以及称量等作业的专用设备。生产中按工艺需要选用不同功能组合的机组。图8-9为电铜洗涤堆垛机组。 设一天工作时间为T=8h，一天最大出装槽数为N1=740/8=92.5，取93槽，每槽阴极数为N0=39片。 则机组工作能力： =93×39÷8=453.375。 故需设置1台电铜洗涤堆垛机组，工作能力500片/h。 图8-9 电铜洗涤堆垛机组 8.10.4残极洗涤堆垛机组 残极洗涤堆垛机组是进行吊起残阳极，并洗涤、逐块堆垛转向、自动称量以及输送等作业的设备。图8-10为残极洗涤堆垛机组。 设一天工作时间为T=8h，一天最大出装槽数为N1=740/20=37，取37槽，每槽阳极数为N0=40片。 则机组工作能力 : =37×40÷8=185片/h 设置1台残极洗涤堆垛机组，工作能力500片/h。其相关参数见表8-4。 8.10.5阴极剥片机组 阴极剥片机组是对电积、电解永久阴极板上的铜板进行洗涤，铜与不锈钢母板剥离，按设定块数堆垛，称重、自动打包的全自动永久阴极电积、电解的专用设备。图8-11为阴极剥片机组。 阴极剥片机组由接受装置、阴极铜洗涤装置、阴极铜移载装置、绕曲装置、阴极铜剥离装置、阴极铜输送装置、阴极铜堆垛装置、永久阴极板移载装置、不合格永久阴极板拒收装置、合格永久阴极板排列装置、称重和自动打包装置、阴极铜输出装置等部分组成。集液压、气动、电动、 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 及程序控制技术为一体。过程实现全自动控制，安全可靠稳定高效。是永久阴极大电积、电解工艺首选装备。 目前世界上的ISA法电解工厂一般采用一种由锌阴极剥离机移植研制而成，大多数的规格有三种：大型（500块/h）；中型（250块/h）；小型（60块/h)。本设计年产电解铜160000吨，所以采用一台大型剥片机就可以。 图8-10 残极洗涤堆垛机组 设一天工作时间为T=8h，一天最大出装槽数为N1=740/8=92.5，取93槽，每槽阴极数为N0=39片。 则机组工作能力： =93×39÷8=454片/h 故需设置1台大型阴极剥片机组，每台工作能力500片/h.其相关参数见表8-4。 图8-11 阴极剥片机组 8.10.6导电棒贮运机组 导电棒贮运机组主要包括导电棒抽取，转运，贮存和给出等工序。图8-12为具有导电棒输入、贮存.转运和给出功能的导电棒贮运机组。该机组的结构与动作较复杂，但其布置紧凑与前(电钏洗涤—堆垛机组)，后(始极片制备机组)的配合非常灵活。设置2台导电棒贮运机组，其主要技术参数见表8-4。 图8-12 导电棒贮运机组 8.11管道的设计及计算 8.11.1供液管 供液管是用来将加热器电解槽连接起来，用来减少电解中空气气泡，消除阴极成品表面麻点现象。供液管只起中间过道作用，一个供液管可以向一列、两列或整个车间供液，以车间模式而定。 本设计取3个分配槽，其出液口高出，电解槽0.3m，每个供液管分别向一列电解槽供液，由进液分管连接。 8.11.2电解液循环管 循环管的直径可按下式计算： 式中 q——电解液流量，m³/s； v——电解液流速，m/s。对进液支管可取0.5m/s～0.63m/s，对进液管或出液的分管及汇流管可取1.5m/s～1.6m/s。 为了减少通过电解液的漏电损失，出液分管应做的大些，程度约为70%。 （1）进出液分管： 每列电解槽的电解液循环量为148×30＝4440L/min，即0.074m³/s，进液分管中的电解液温度约为60℃，工厂经验表明硬聚氯乙烯管是可以耐受的。取电解液流速为1.6m/s， 则 所以选用mm硬聚氯乙烯管(PVC-U)。按照进液分管直径，根据经验出液分管mm。 （2）进出液支管： 对于进出液支管，流量为30L/min，即0.0005m³/s。流速选定为0.63m/s。 则直径 选用进液支管内径mm，出液支管内径mm。 电解槽的进出液支管，参照经验及标准硬聚氯乙烯(PVC-U)管规格。 （3）汇流管： 车间出液总流量最大为0.074×5＝0.37m³/s。假设流速为1.5m/s，充满程 度为50%。 流槽内断面积 选用15mm厚硬聚氯乙烯板焊制，内宽为500mm，高为500mm，内加钢丝拉紧。 第九章 车间环保和安全生产 在电解铜生产过程中，车间内不时有酸雾产生，这些酸雾会严重侵蚀厂房屋顶结构及四周钢筋混凝土墙面。其次，电解槽内的电解液由于冒、漏而产生的废水，集液槽渗漏的电解液都会严重腐蚀车间地面。为此，很有必要对所设计的车间提供必要的措施及防腐要求作以简述。 本设计按国家规定的“三同时”原则，为保护环境，对主要污染物采取有效的治理措施，实现污染物达标排放。 9.1环境保护 9.1.1废水处理 工业工厂污水的有效治理应遵循如下原则： （1）最根本的是改革生产工艺，尽可能在生产过程中杜绝有毒有害工厂污水的产生。如以无毒用料或产品取代有毒用料或产品。  （2）在使用有毒原料以及产生有毒的中间产物和产品的生产过程中，采用合理的工艺流程和设备，并实行严格的操作和监督，消除漏逸，尽量减少流失量。  （3）含有剧毒物质工厂污水，如含有一些重金属、放射性物质、高浓度酚、氰等工厂污水应与其他工厂污水分流，以便于处理和回收有用物质。  （4）一些流量大而污染轻的工厂污水如冷却工厂污水，不宜排入下水道，以免增加城市下水道和工厂污水处理厂的负荷。这类工厂污水应在厂内经适当处理后循环使用。  为减少新水用量和废水排放量，将电解系统整流器的冷却水系统由原来的直流供水方式改为循环供水方式，可节约用水。 生产废水处理系统：酸雾净化塔排出的碱性废水通过管道沿厂区桥架架空输送至污水处理站中和处理，经污水处理站后达标的废水排放至厂区排水管。由于污水中的污染物主要是NaOH，而废水处理站的水偏酸性，正好进行部分中和。 生活污水处理系统：生活污水进入生活污水处理系统，经化粪池和地埋式生活污水处理装置处理达标后排入河流。 9.1.2废气处理 废气污染物主要为生产过程产生的硫酸雾，排放浓度和排放速率应小于《大气污染物综合排放标准》二级标准要求，对周边环境空气影响要求尽量减至最小。 （1）尽量采用厂房长轴方向和主导方向垂直，这样有利于四面通风，减少酸雾侵蚀。 （2）厂房屋顶增设大页窗，以加强对流通风。 （3）在厂房屋面增设气窗，以排除有害气体。 （4）岗位吹风和通风换气。 9.1.2.1电解工段废气治理措施 为防止含酸雾废气逸出，影响车间环境，对槽内抽风，是槽内形成负压，排出含酸雾废气，先由玻璃钢酸雾废净化回收器过滤处理，再采用玻璃钢酸雾净化塔净化处理达标后排放。净化效率大于94%。 （1）阳极泥储槽和浓密机合为1个酸雾净化系统，排风量11000m³/h，选用1台BNG—Ⅱ—12.5型玻璃钢酸雾净化塔和1台BF4—72NO.8D型玻璃钢离心风机。 （2）4个生产循环槽合为1个酸雾净化系统，排风量23000m³/h，选用1台BNG—Ⅱ—25型玻璃钢酸雾净化塔和1太BF4—72NO.8D型玻璃钢离心风机。 （3）2个上清液槽和生产高位槽合为1个酸雾净化系统，排风量15000m³/h，选用1台BNG—Ⅱ—15.5型玻璃钢酸雾净化塔和1台BF4—72NO.8D离心风机。 另外对生产过程中循环区域产生的浓度较小且不易捕集的含酸雾气图采用全面机械通风换气，换气次数6次/时，选用8台FBT35—11NO.5.6型玻璃钢轴流风机，每台风量7101m³/h。 9.1.2.2净液工段废气治理措施 脱铜电解槽在生产过程中产生的含酸雾废气处理方法与电解工段相同。32个脱铜电解槽采用6个5680mm×3500mm×600mm可移动式玻璃钢密闭罩组成2个酸雾净化系统，每个净化系统排风量18000m³/h，选用2台BNG—Ⅱ—20型玻璃钢酸雾净化塔和2台BF4—72型NO.8D玻璃钢离心风机（钛叶轮）。风管机密闭罩材料采用玻璃钢，酸雾净化系统风机与整流器联锁。 9.1.3噪声治理措施 通过对生产现场调查和临床观察证明：无防护措施的生产性强噪声对人体能产生多种不良影响。噪声会造成听觉位移、噪声聋；头痛，头晕，记忆力减退，睡眠障碍等神经衰弱综合征；改变心率和血压；引起食欲不振、腹胀等胃肠功能紊乱；对视力、血糖也有影响。 在我国目前的经济条件下，要达到预防和控制ⅱ级以上噪声性耳聋的目标，应采取两级预防措施。 一级预防主要是改进工艺，改造机械结构，提高精密度。对室内噪声，可采用多孔吸声材料（玻璃纤维、矿渣棉、毛毡等），使用得当可降低噪声5分贝～10分贝。装置中心控制室采用双层玻璃隔声，加大压缩机机座重量，对机泵、电机等设备设计消声罩。另外，用橡胶等软质材料制成垫片或利用弹簧部件垫在设备下面以减振，也能收到降低噪声效果。同时，也要研制、推广实用舒适的新型个人防护用品，如：耳塞、耳罩、防噪声头盔，实行噪声作业与非噪声作业轮换制度。   二级预防就是对接触噪声的作业工人定期进行听力检查，《职工安全卫生 管理制度 档案管理制度下载食品安全管理制度下载三类维修管理制度下载财务管理制度免费下载安全设施管理制度下载 》规定：接触90分贝～100分贝噪声的工人每2年进行一次听力检查，接触大于100分贝噪声的工人1年检查一次。 电解车间噪音源主要是水泵和排风机。为降低其噪音，应尽量选用低噪声设备，其次采用消音、隔声、屏蔽等措施。 9.1.4节能降耗 电解过程中，由于槽面、槽壁、管道等处散热，电解液发生降温。为了维持正常的电解液温度条件，需用蒸汽加热补充热量。采取适当的保温措施可以显著地降低蒸汽消耗。据测定实行槽面覆盖可减少50%蒸汽消耗，槽壁温度可节约蒸汽消耗17%。 技术改造过程中，由于槽面、槽壁、管道等处散热，槽壁喷涂厚20～25mm的发泡聚胺脂，循环液管道采用环氧树脂复合管，蒸汽消耗可以下降至国内其他厂平均的40%～50%；改善电解工艺，降低浓差极化现象的危害程度，提高电流效率；尽量避免电解槽的漏电现象而造成电能的损失；厂房应增大采光，节约电能。 9.2车间防腐【15】 铜电解的目的是通过电解精炼来提高铜的纯度、回收贵金属和有价金属。铜电解液中含硫酸15%～25%，温度60～65℃，硫酸是一种强腐蚀剂，加之温度也较高，因此铜电解车间从建构筑物到设备、管道均需作防腐处理，也就是常说的要进行全方位防腐。下面就从建构筑物、电解槽及电解液输送管道等方面的防腐设计、施工要点和使用情况等作一简述。 9.2.1建构筑物 铜电解厂房围护结构主要受到电解槽挥发出来含硫酸酸雾气相腐蚀，因此选用耐腐蚀涂料进行防腐为主。厂房外砖墙内面、混凝土楼板及屋面板底采用氯磺化聚乙烯防腐涂料防腐；钢屋架和其他钢结构采用PF-01防腐涂料防腐，基体喷砂除锈；PF-01防腐涂料为聚氯乙烯萤丹涂料，其中萤丹是一种无机氟磷铁复合颜料，聚氯乙烯涂料加入萤丹后，在钢铁表面微水的作用下能与铁和微锈进行化学反应形成钝化、磷化膜，该膜质密、屏蔽性强、附着力好，因此与钢铁表面有很好的结合力，同时也具有优良耐腐蚀、耐水性能。 铜电解厂房楼、地面主要受到设备、管道冲洗和跑、冒、滴、漏等腐蚀性液体的腐蚀，同时还受到设备检修和操作所引起的冲击，所以楼、地面防腐考虑其耐腐蚀性同时要考虑抗冲击性。地面在混凝土垫层上砌筑耐腐蚀花岗岩，混凝土垫层与花岗岩之间设置PSQ或SBS(PSQ、SBS均为有机化合物，具有高弹性、整体性和耐腐蚀性能)隔离层，花岗岩采用KP1(钾水玻璃)砂浆砌筑及X42树脂胶泥勾缝。为了保证混凝土垫层整体性，避免由于不均匀性沉降，导致花岗岩灰缝开裂，混凝土垫层最好配置钢筋。地沟由于长期接触腐蚀性液体，，除混凝土垫层配置钢筋外，隔离层还采用加厚耐腐蚀玻璃钢或铅板进行重点防护。地坑考虑到长期盛有腐蚀性液体和贵重金属，并且经常清理，为此进行了重点防护：钢筋混凝土基层上衬耐酸瓷砖，底厚65mm，侧壁厚113mm，用酚醛胶泥砌筑，中间隔离层采用铅板，并用铆钉固定。 电解槽下混凝土支架梁、柱主要受气相腐蚀，偶尔也有液相腐蚀，选用二层（每层厚0.2mm）环氧树脂玻璃钢防腐，面层胶料中加入颜料，以改善观感。 9.2.2电解槽 本设计铜电解槽采用钢筋混凝土为槽体，内衬耐腐蚀玻璃钢防腐。钢筋混凝土槽体优点整体性好、强度高、成本低、电绝缘性好。耐腐蚀玻璃钢具有优良的耐腐蚀性、优良的电绝缘性、良好的设计性和施工工艺性，但刚度较差、价格高;铜电解槽采用钢筋混凝土为槽体，内衬玻璃钢防腐，正是利用它们各自的优点。 铜电解槽内衬耐腐蚀玻璃钢树脂选用综合性能好的MFE-2型乙烯基不饱和树脂(乙烯基树脂的大分子中既有环氧树脂分子的主链结构，又含有带不饱和双键的聚酯结构，因此，乙烯基树脂既有环氧树脂的良好粘接性和机械强度，又具有不饱和聚酯树脂的良好施工和固化性能)；打底采用粘接力好、收缩率小的环氧树脂稀胶料，以增强玻璃钢与槽体间的结合力。 9.2.3电解液输送管道 回液、上液管道输送电解液成分和温度同电解槽内介质，其数量大、规格多，为了降低成本，本设计均采用硬聚氯乙烯塑料(UPVC)外包玻璃钢增强的复合管，由于UPVC材料相对于钢的强度和热变形温度要低得多，而玻璃钢具有较高的强度和热变形温度，为此用外包玻璃钢来增强UPVC管的强度，这样UPVC管主要承担抗渗性和耐腐蚀性能，强度主要由外包玻璃钢层承担，而且UPVC管使用温度能提高10℃左右，这种复合既发挥了UPVC管优良的抗渗性和耐腐蚀性优点，又发挥了玻璃钢强度高的优点，克服了UPVC和玻璃钢自身的缺点，同时价格也比同等级的防腐管道便宜，是一种经济实惠的复合方法。 9.3采暖通风【16】 9.3.1电解工段 （1）采暖：室内采暖温度20℃。屋面保温层的厚度，可按室内允许相对湿度为75%计算出建筑材料的热阻来确定。采暖热媒可用2.0表压的高压蒸汽或不低于110℃的高温热水。散热器可用铸铁翼型或钢制排管，但应注意防腐蚀，且不应采用室内循环空气的热风采暖。 （2）通风：为消除电解槽等等设备散发至厂房内余热、酸雾和水蒸气，可以采用有组织的自然通风在排除余热的同时来排除酸雾和水蒸气。在国内的一些电解车间里，凡是自然通风处理得好（有足够的和可调节的进、排风窗孔，装设了避风天窗），车间内的劳动条件就比较好。许多电解厂的实践经验证明，采用有组织的自然通风，基本上是能够满足操作条件的要求。 图9-1 铜电解车间自然通风 1-避风天窗；2-进风侧窗；3-电解槽；4-楼板缝 冬季需要集中采暖的地区，用自然通风补进没有加热的冷空气，当它与车间 中的热、湿空气相混合时，局部地区将会出现“雾化”，并在墙壁、顶棚。特别是玻璃等的冷表面上产生结雾和地税的现象。为解决这个问题，本设计中采用集中送风装置。经过加热的室外空气，一部分用送风管道沿车间纵轴方向的两边或中间均匀的送入；另一部分有送风地沟送入车间的底层，把该层空间当做一个大静压箱，利用电解槽与楼板间的缝隙作为送风口，其速度约为1～1.2m/s，使气流均匀的送至整个车间。 9.3.2净液工段 （1）采暖：净液工段的室内采暖温度为15℃，脱铜电解作业场为18℃，其屋面保暖层的厚度，可按室内允许相对湿度为75%计算出建筑材料的热阻，采暖热媒可用2.0表压的高压蒸汽或不低于110℃的高温热水。散热器可用铸铁翼型或钢制排管，但应注意防腐蚀，且不应采用室内循环空气的热风采暖。 （2）通风：在净液工段，脱铜电解等地，除采用侧窗、天窗进行全面通风外，在散发水蒸气及酸雾的中和槽、蒸发槽的上方，应设有局部排风罩，将有害气体直接排至室外。 为排除净液工段工艺设备散出的余湿，除设有局部密闭罩直接排出外，尚需进行全面通风，共排风量可根据消除余热余湿计算得出有，或按换气4～5次/小时采取。为了减少脱铜槽上蒸发的酸雾，还可采用豆饼粉末作为液面覆盖物，它比皂根水的效果好，每加一次豆饼粉末（加入数量为每平方米电解液面0.4公斤），能在液面上形成非常紧密和持久的泡沫层，对防止酸雾和砷化氢气体的逸出更为有效，并可减少电解液的表面散热。根据生产测定，当使用豆饼粉末后，脱铜槽中溶液温度提高20%，而且对脱铜液没有稀释作用。 9.4安全生产 为保证安全生产，设置下列规定： （1）认真仔细的编写操作规程，所有员工必须严格遵守操作规程，穿戴劳保用品进行生产。 （2）身背备份：需要设备必须设置备用设备，并定期检查，及时更换换失效设备。 （3）设备预警提醒：对于各种悬置（起重机等）和电器设备，设置安全提醒和警报装置，定期检查更换。 （4）预防有害气体：电解、净化车间内有少量酸雾产生，主要以天窗自然排风为主，并在相对密闭的空间内设置排风机，以保证车间有良好的操作环境。 （5）防腐蚀：电解、净化车间均作防腐处理，对于气相腐蚀部位采用防腐涂料进行防护对于液相腐蚀部位铺设耐酸瓷砖。 9.5安全管理 设计中严格遵守有关的安全技术规程、规范。对劳动安全卫生采取严格的防范措施。对可能产生的噪声、酸雾毒害、机械伤害等，在设计中考虑针对性的技术措施。 （1）安全警示：凡易发生事故、危及人生安全和健康的地方及设备，均设置安全标志，标出走向。 （2）安全教育培训：定期开展安全教育以及进行分批次轮调提高员工的安全意识，加强应对突发安全事故的处置能力。 （3）事故处置预案：对生产各个环节编制事故处理预案，各级员工必须 认真学习熟练掌握，并定期进行演练。 （4）总结同行安全经验。 第十章 设备明细表 根据上述可以编制设备明细表10-1。 表10-1 设备明细表 设备名称 规格 型号 数量 材质/备注 电解槽 4495×1110×1320/1503mm 740 钢筋混凝土槽体，内衬玻璃钢厚5mm 净化脱铜槽 4495×1110×1320/1503mm 36 钢筋混凝土槽体，内衬玻璃钢厚5mm 电解沉积槽 4495×1110×1320/1503mm 8 钢筋混凝土槽体，内衬玻璃钢厚5mm 槽间导电排 200×10mm 10 铜质 槽间导电板  736 304L不锈钢，中空富余10% 阴极导电棒 30×30×1300mm 28860 铜质 桥式起重机 载荷30t，跨度39.5m 2 全自动、双极起吊 可控硅整流器 额定电压360V，额定输出电流30000A 2 板式换热器 F＝60m2 AK20－FGL 3 复合钛 循环液贮槽 15000×6500×3000mm 5 钢筋混凝土为槽体，内衬铅板 上清液贮槽 15000×6500×3000mm 2 钢筋混凝土为槽体，内衬铅板 高位槽 7000×5000×4500mm 1 钢筋混凝土为槽体，内衬铅板 阳极泥贮槽 5000×2500×2500mm 1 钢筋混凝土为槽体，内衬铅皮 冷凝水贮槽 ×3000mm 2 混凝土 冷凝水高位槽 ×2500mm 2 FRP H2SO4贮槽 ×2000mm 1 不锈钢 HCl贮槽 ×2000mm 1 FRP H2SO4溶解槽 ×1000mm 1 不锈钢 HSO4计量槽 ×1000mm 1 不锈钢 HCl中间槽 ×1000mm 2 FRP HCl计量槽 ×1000mm 1 FRP 添加剂溶解槽 ×1000mm 1 不锈钢 添加剂计量槽 ×1000mm 1 PVC 压滤机贮液槽 ×3000mm 4 钢筋混凝土为槽体，内衬铅板 电解液分配槽 mm 2 钢筋混凝土槽体，内衬5mm玻璃钢 电解液循环泵 Q=360m³/h， H=20m JBY200-400 5 为酸泵，一台备用 压滤泵 Q=250m3/h， H=20m APP33-125 4 一台备用 阳极泥泵 Q=40m3/h， H=30m ASP11-50 4 一台备用 隔膜泵 Q=20m3/h， H=45m ODS-80 4 一台备用 浓密机 最大处理量2000m3/h·台 2 阳极泥箱 1000×1000×1000mm 2 净化过滤机 F=400m2 E14/36-2 2 板框压滤机 F=60m2 BA60/800-25 2 叉车 额载5t 20 阳极板准备机组 工作能力K=300片/h 1 阴极准备机组 工作能力K=500片/h 1 电铜洗涤堆垛机组 工作能力K=500片/h 1 残极洗涤堆垛机组 工作能力K=500片/h 1 导电棒贮运机组 工作能力K=500片/h 2 阴极剥片机组 工作能力K=500片/h 1 进液分管 mm PVC-U 出液分管 mm PVC-U 进液支管 mm PVC-U 出液支管 mm PVC-U 第十一章 车间平面配置与安排 11.1车间配置的基本原则 11.1.1车间内设备配置原则 （1）确保生产线路合理性的原则： ①充分利用物料自重，实现工序间自流送，结合工艺路线与建筑经济性，做到综合设计车间内平面与立体生产线路。 ②彼此衔接工序设备间应尽量靠近（取并列或上、下重叠配置），力争线路顺直、短捷，以减少运输设备及管道阻力，便于对堵塞物料的清理；统筹组织车间内人流与物流线路，避免混杂交叉。 ③设备的配置应保证便于工人操作、检修及保障人员的安全。即应有足够的通道（合理利用下的）和拆卸、检修设备所需的空间；提供人员操作的平台、通道、栏杆及防滑措施等。  （2）设备布置对车间土建的要求 根据车间工艺布置及设备安装的特殊要求，应酌情对土建提出下列有关要求： ①预留孔（提升装置、各类管道用）。 ②厂房结构（包括防火等级）、采光与天窗类型、自然通风的条件。 ③大型设备基础及特殊建筑处理（遮阳板。防风门洞、车轮清洗水槽等）。 ④车间之间人行道、物料运输通道、门、过桥、楼梯布置等。 ⑤楼面、平台面荷重要求及需要借助房架或构筑物提吊重物的工艺方面要求（注明提吊最大重量及挂钩要求）等。 11.1.2平面的布置原则 （1）工厂总平面布置的基本原则 ①按工艺流程进行车间布置，使运输线最短，平面不交叉往返；合理组织人流与物流。 ②符合防火、防爆等要求，在满足采光、环境卫生标准及通风条件下，厂房与各类建筑物应力求紧凑。陶瓷工厂建筑系数一般在30-40%的范围内。 ③按功能划分为生产区、厂前区（办公楼及福利设施）及生活区。厂前区宜布置在生产区与生活区之间，并面向生产区主干道；工厂出、入口应靠近城镇道路及公共汽车站。 ④生产区车间应根据防火、防爆、卫生与工艺性质的不同，按性质分区布置，避免不同功能车间的相互干扰。 ⑤原料堆场、化验室、厂前区和生活区应布置在主导风向上风侧；煤场、 扬尘及产生有害气体的车间（如锅炉房、煤气站等）应靠下风侧布置，以便分区工艺卫生标准的实施。 ⑦工厂电源、水源、动力车间（如压缩空气站）应就近负荷大的车间加 以布置。 ⑧纵向长度大的厂房建筑物、构筑物应按高线的方向布置。 ⑨土质地耐力较差及填土地区，宜布置负荷较小的车间。 ⑩地下、半地下的工程建筑物，应尽量安排到地下水位低的地方。 （2）厂区建筑的主要原则 ①布置厂区内建筑物构筑物时，应与地形地势相协调，厂前区、主要道 路、建筑物、构筑物的正立面应适当注重建筑装饰，并与城镇规划相一致。 ②正确选择建筑形式。建筑物主体及平面结构的决定（例如，厂房的集 中式或分散式布置，联合单层式或是多层楼房式厂房的选择），应考虑到产品品种变换、设备及工艺线重新调整的可能与变通的经济性（建筑物本身不需作重大改变的伸缩性）。 ③建筑物布置时，其中心线应互相平行或垂直，道路径直，厂房外型（最 少有一侧）应按建筑红线排列以利管线的敷设。 ④厂区的计划标高，应根据以下要求来确定： <1>高于最高洪水位5℃m以上；     <2>尽可能保持原来的地形； <3>总土方工程量应取最小限度；     <4>运输路线和地下管线的标高与厂区已建部分的计划标高取得一致。 <5>应保证地面水的排除。 ⑤油库、贮油罐应距厂外道路15m以上，并布置在距离主要车间50m以 外的区域。否则，应按有关规定作特殊土建或防火设施（如挡土墙的设置）的设计。     （3）厂区道路设置要点 ①厂区物流大的车道应与城镇街道和公路相衔接，或尽量靠近，以减少道路 施工及被征用土地费。 ②厂区主要进出口道路、厂内主干道及易燃、易爆车间外的道路，应满 足消防车行驶的条件。当采用尽头式车道时，应在尽头留出场地以备倒车所用。 ③厂区道路一般选用3.5m和5m两种宽度。 11.2车间的具体配置 （1）电解槽的配置 根据循环方式的不同，电解槽有两种配置方式：一级循环式和二级循环式。一级循环式即将电解槽配置在同一标高上，二级式即将电解槽配置在两个不同标高的平面上。目前，国内大多数工厂都采用一级循环式配置。 本设计电解槽采用一级循环式配置。5列横向排列，每列148槽。 （2）洗槽的配置 阴极洗槽、残极洗槽和阳极酸洗槽，对于大、中型工厂，车间跨度较长，每一跨间内又有两台起重机。因而洗槽应配置在车间中部为宜，可缩短起重机的运距。 （3）厂房的高度和跨度 电解车间的猪厂房一般为两层，楼上配置电解槽，楼下配置循环管道、阳极泥流槽和支撑电解槽的梁柱。楼面的高度一般在3米以上，视车间长度与阳极泥流槽的坡度等因素决定。在大、中型工厂楼面高度有在3.5米以上的。主厂房的高度根据起重机轨面标高确定，确定起重机轨面标高时应考虑电解槽面的高度、极板的长度和吊架本身所占有的高度等因素。电解槽面一般高出楼面200～400mm，有利于工人操作。 电解车间主厂房的跨度根据电解槽配置的列数和通道的宽度而定，在确定靠两侧墙的通道宽度时，应考虑起重机的吊钩行走的极限距离。 （4）作业场地 由火法精炼炉送来的阳极需在电解车间平整和排板，成品电解铜的计量和堆垛亦需一定作业场地。作业场地配置与循环系统配置的位置有关，当循环系统配置在厂房的一端时，则阳极与成品铜的作业场地配置在另一端；当循环系统配置在厂房一侧时，则阳极与成品铜的作业场地可分开，分别配置在车间两端。作业场地的宽度与厂房跨度相同，长度为9～12米，依生产规模，电解槽数量等因素而定。 （5）循环系统的配置 铜电解液循环系统的配置主要有两种方式：一是配置在两个跨间中部，这种配置方式的优点是循环系统靠近大部分电解槽，循环管路较短。另一种是将循环系统配置在车间的一端，另一端为作业场地。本设计采用将循环系统配置在车间两端，中间座位作业场地。 第十二章 经济技术分析与评价 12.1车间定员 车间生产的工作人员配置原则如下：对生产岗位的定员主要是指岗位的性质和劳动数量来选定。不同素质的劳动人员应有不同的岗位配置，做到用其所长，避其所短，优化组合。 铜电解车间工人大部分在酸雾重，闷湿的环境下工作，一般采取三班制，每天每班工作8小时。 由于ISA电解工艺具有较高的自动化水平，可大幅降低工人人数和劳动强度。本设计确定电解车间的全员劳动生产率为4000吨/年人。本设计为年产16万吨高纯阴极铜电解车间，故车间定员人数为160000/4000=40人。技术管理人员为6人。 岗位分类与定员详见表12-1. 表12-1 岗位分类与定员 岗位 人数 班次 备注 酸泵班长 1 1 负责酸泵员工的日常生产的组织和管理工作 酸泵班员 8 3 负责酸泵的日常操作 槽面班长 2 3 负责酸泵员工的日常生产的组织和管理工作 槽面班员 15 负责槽面工作 行车司机 4 1 负责行车运行 设备维修员 5 1 负责设备检修与维护 装边班员 1 1 负责装边 办公财务人员 3 1 负责办公、财务工作 安全技术员 1 1 负责安全生产 12.2项目成本评价【18】 总成本费用的构成：  总成本费用由生产成本和期间费用两部分构成    12.2.1生产成本的构成  生产成本亦称制造成本，是指企业生产经营过程中实际消耗的直接材料、直接工资、其他直接支出和制造费用。    （1）直接材料  它包括企业生产经营过程中实际消耗的原材料、辅助材料、设备配件、外购半成品、燃料、动力、包装物、低值易耗品以及其他直接材料。    （2）直接工资    包括企业直接从事产品生产人员的工资、奖金、津贴和补贴。    （3）其他直接支出    包括直接从事产品生产人员的职工福利费等。    （4）制造费用    制造费用是指企业各个生产单位(分厂、车间)为组织和管理生产所发生的各项费用(包括生产单位附厂、车间)、管理人员工资、职工福利费、折旧费、维简费、修理费、物料消耗、低值易耗品摊销、劳动保护费、水电费、办公费、差旅费、运输费、保险费、租赁费(不包括融资租赁费)、设计制图费、试验检验费、环境保护费以及其他制造费用。 12.2.2期间费用的构成  期间费用是指在一定期间发生的与生产经营没有直接关系和关系不密切的管理费用、财务费用和销售费用。期间费用不计入产品的生产成本，直接体现为当期损益。    （1）管理费用是指企业行政管理和组织经营活动发生的各项费用  包括：公司经费(工厂总部管理人员工资、职工福利费、差旅费、办公费、折旧费、修理费、物料消耗、低值易耗品摊销以及其他公司经费)、工会经费、职工教育经费、劳动保险费、董事会费、咨询费、顾问费、交际应酬费、税金(指企业按规定支付的房产税、车船使用税、土地使用税、印花税等)、土地使用费(海域使用费)、技术转让费、无形资产摊销、开办费摊销、研究发展费以及其他管理费用等。    （2）财务费用  财务费用是指企业为筹集资金而发生的各项费用，包括企业生产经营期间的利息净支出(减利息收入)、汇兑净损失、调剂簿记手续费、金融机构手续费以及筹资发生的其他财务费用等。    （3）销售费用  销售费用是指企业在销售产品、自制半成品和提供劳务等过程中发生的各项费用以及专设销售机构的各项经费，摊销以及其他经费包括应由企业负担的运输费、包装费、委托代销费、广告费、展览费、租赁费(不包括融资租赁费)和销售服务费用、销售部门人员工资、职工福利费、差旅费、办公费、折旧费、修理费、物料消耗、低值易耗品等。 由上述可以制作项目建设投资估算表（单位，万元），如表12-2。 表12-2 项目建设投资估算表/万元 建 筑 工 程 建筑工程 装备设备 安装工程 其他 合计 电解车间 12100 21990 7000 41090 工艺管道 450 650 1100 辅助项目 3000 4000 300 7300 公用 工程 供水 2500 500 80 3080 供电 2880 3520 6400 供气 900 960 100 1960 其他项目 9500 2500 100 12100 其 他 费 用 工程建设监理费 400 400 员工培训费 320 320 联合试生产费 450 450 工具及帮设备费用 350 350 勘察费 200 200 设计费 3200 3200 专利费 4500 4500 预备 费用 工程预备费 22000 22000 价差预备费 43000 43000 建设期利息 17500 17500 合计 28450 32830 11750 91920 164950 可知，本项目总投资约为16.495亿元。 12.2.3产品生产成本估算 （1）原材料费：包括原料及主要材料费用，某一原材料费用=消耗量×材料价格。 材料单价指材料的入库价，入库价=采购价+途耗+库耗。途耗指原材料采购后运进企业仓库前运输途中的损耗，库耗是企业所需原材料入库和出库间的差额。 （2）燃料费用：燃料费用的计算与原料费用相同。 外购燃料动力成本的估算：燃料动力成本＝全年产量×单位产品燃料动力成本 （3）动力费用：有外购和自产两种情况。 （4）工资及福利费的估算  工资及福利费包括在制造成本、管理费用和销售费用之中。为便于计算和进行项目评估，需将工资及福利费单独估算。    ①工资的估算    工资的估算可采取以下两种方法  <1>按项目定员数和人均年工资数计算    年工资总额＝项目定员数×人均年工资数 人均年工资数＝人均月工资×12个月 <2>按照不同的工资级别对职工进行划分，分别估算同一级别职工的工资，然后再加以汇总。一般可分为五个级别，即高级管理人员、中级管理人员、一般管理人员、技术工人和一般工人等。若有国外的技术和管理人员，要单独列出    ②福利费的估算 职工福利费主要用于职工的医药费、医务经费、职工生活困难补助以及按国家规定开支的其他职工福利支出，不包括职工福利设施的支出。一般可按照职工工资总额的14%计提。 （5）联产、副产品费用：化工生产中常有联产品、副产品与生产品按一定的比例系数产生出来。联产品的成本分摊多采用系数法。系数是折算各项实物产品为统一标准的比例数。副产品的费用通常可用副产品的固定价格乘以副产品的数量从主产品的成本中扣除。 单位产品生产成本可由上述费用之和扣除副产品回收费估算。由此可以制生产成本估算表，如表12-3。 表12-3 生产成本估算表 项目 单价，万元 数量 总价，万元 原料费用 铜阳极板 4.8 193516.4吨 928878.72 硫酸 0.045 1000吨 45 干酪素 4.5 5.8吨 26.1 盐酸 0.07 16吨 1.12 骨胶 0.8 50吨 40 动力费用 水 0.00017 100000吨 17 电 0.000078 40000000吨 3120 气 0.02 100000吨 2000 员工工资 工资 8 40人 320 福利 2 40人 80 制造费用 折旧费 4175 修理费 3760 总计 942462.94 可知年生产成本约为94.246294亿元。 12.3项目收益评价 12.3.1销售收入估算 本车间的主要产品为高纯阴极铜，硫酸铜，硫酸镍，残极等。由于金银等贵金属不方便计算加工费用，简单的按照其价值的1/15的计算加工费。编制年销售收入表12-4。 12-4 年销售收入表 产品 单价，万元 数量，吨 总价，万元 高纯阴极铜 5.5 160000 880000 硫酸铜 1.65 9117.6 15044.04 硫酸镍 3 1643 4929 残极 4.95 29027.5 143686.1 阳极泥 0.21 660 138.6 总计 1043797.74 可知年生产收入约为104.379774亿元。 12.3.2综合效益评价 （1）项目经济效益评价 由以上各估算表，可以估算出： 该项目年收益=104.379774-94.246294=10.13348亿元。 设工厂税收按17%计算，则年税收=10.13348×17%=1.7226916亿元。 实际年收益=10.13348-1.7226916=8.4107884亿元。 本设计工厂寿命为30年，总收益约为： 8.4107884×30-16.495=235.828652亿元。 （2）项目的社会效益 到2009年底，我国十种常用有色金属产量达到2681万吨，消费量达到2517万吨，十年分别平均增长16.4%和18.2%，已成为全球最大的有色金属生产和消费国。 本设计的实现能在一定程度上缓解我国严重依赖进口纯铜的压力，并且对当地的业发展其到了积极的作用。在生产工艺上采用的是当前先进的ISA电解铜精炼法，有效的提高了生产率和资源利用率。 因此，本设计在多方面都具有积极的意义，可以实施。 主要参考文献 [1] 朱祖泽、贺家齐.现代铜冶金学[M]. 北京：科学出版社，2003 [2] 蔡祺风.有色冶金工厂设计基础[M].北京：冶金工业出版社，1991：65～71 [3] 陈国发.重金属冶金学[M].北京：冶金出版社，2010 [4] 《重有色金属冶炼设计手册》编写组.重有色金属冶炼设计手册（铜镍卷）[M]. 北京： 冶金工业出版社，1996 [5] 姚素平.永久阴极铜电解技术述评[J].2000，3(20):12～18 [6] 赵欣. 铜电解新技术的应用[J].2008，29(4):9 [7] 李公建. 浅谈铜电解生产过程中降低槽电压的途径[J]，2010，29（3）：71～72 [8] 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Napara-Volgina UDC 621.762 The wide use of copper-alloyed steels in powder metallurgy is the result of the low costof copper in comparison with other alloy elements and its relatively low melting point, which makes it possible to sinter in the presence of liquid phase.The capacity of iron-copper alloys toward dispersion hardening, that is, toward precipitation of the e-phase from the solid solution supersaturated with copper, and the possibility of controlling production conditions makes it possible to change the mechanical properties and structure of these steels within significant limits. Powder metallurgy steels containing from 1.5 to 3.0% copper, which are produced by simultaneous pressing and sintering, are most commonly produced in industry.Copper steels produced by hot forming are significantly less common. Such steels, primarily low-carbon ones, were produced for the first time in Novocherkassk Polytechnic institute [1, 2]. Hot-formed copper steels with different carbon contents were investigated for the purpose of optimization of their compositions and study of the properties with different hot-forming conditions, in the preliminary stage of the investigation it was necessary to determine how the copper content influences the characteristics of hot formed carbon-free steels produced under similar production conditions. The mechanical properties of hot-formed steels containing from 2 to 8% copper and 0.01-0.02% carbon prepared from mixtures of type PZhE3 sprayed iron powder (GOST 9849-74) and type PMS-2 electrolytic copper powder (GOST 4960-75) were studied. The investigations were made on 10x10x55-mm specimens formed at 1100-1150^ preliminarily sintered at 950-1000~ and aged at 450~ .Tensile test specimens were cut from the pieces obtained by machining. It was established that materials, in which the average copper content is 4-5%, possess the optimum combination of mechanical properties.With a lower content of it the effect of dispersion hardening is insignificant and with a content as high as 8% loss of strength of the hot-formed steel caused by flow of molten copper through the iron particle bondaries during rapid heating for hot forming occurs. Therefore, subsequently steel with 5% copper,the properties of which many be varied within broad limits with a change in temperatures of preliminary sintering of the porous parts and forming, was investigated.in this case, the maximum elongation corresponds to the maximum sintering temperature of the porous blanks andthe minimum temperature of forming of them in the α-phase area and the greatest strength to the maximum in both temperatures. It is possible to increase the mechanical properties of hot-formed copper steels by adding carbon to their composition.The relationships of mechanical properties of hot formed steels with 5% copper to carbon content for two different forming conditions are shown in Figs. 1 and 2. The strength of steels formed at high temperatures depends little upon their carbon content (Fig. 1, curve 1), which may be explained by the effect of natural aging of low-carbon compositions spontaneously appearing after forming in the austenitic area at 1130-!180~ and expressed in precipitation of g-phase from copper supersaturated austenite, the centers of origin of which are the multitude of crystalline lattice defects occurring informing and subsequent rapid cooling of the specimens (Fig. 3). in low-carbon steels formed at low temperatures in the area of existence of α-ferrite this effect may not occur and therefore they have significantly less strength (compare curves 1 in Figs. 1 and 2). Subsequent hardening from the austenitic area and tempering at 450。C accompanied by the maximum aging effect [i, 2] significantly change the properties of iow-carbon steels formed at low temperatures (Fig. 2) and very insignificantly those at high temperatures (Fig.1）, Fig. 1 Fig. 2 Fig. 1. The change in mechanical properties of steel with 5% copper after forming in the 1130-1180°C(1-3)and 800-850°C (4, 5) ranges in relation to copper content. Fig. 2. The relationships of the mechanical properties of steel with 5% copper after forming in the 800-850℃ range to carbon content. that is, for the latter artificial aging including hardening from the austenitic area and tempering at 450℃ may not be done specially. The effect of natural aging of low-carbon steels occurring directly after forming is completely eliminated as the result of high-temperature tempering at 550℃ which is expressed in a reduction in their strength from 900-1000 to 500-600 MPa, that is, almost in half, and in a significant increase in plasticity （Fig.1). In this case it must be noted that the maximum carbon content with which a decrease in strength and an increase in plasticity is observed after high-temperature tempering is about 0.30-0.35%. On the other hand, for steels with a higher carbon content an increase in strength occurs, which is the normal result of hardening of them with subsequent tempering. Therefore, it may be concluded that natural aging occurring directly after high-temperature forming is characteristic primarily of low-carbon steels primarily with a maximum carbon content up to 0.30-0.35%. in order to determine more accurately the maximum carbon content up to which the process of aging of hot-formed copper-containing materials produced by different methods actively appears, the hardnesses of steels with 5% copper and different carbon contents directly after forming, oil hardening, and also hardening and tempering（aging) were compared. The maximum carbon content at which the aging effect, expressed in an increase in hardness after hardening and tempering at 450℃ is about 0.3% for all of the production methods for the material (Fig. 4). With higher carbon contents the hardness of the steels after tempering is significantly lower than directly after hardening, that is, artificial aging consisting of hardening and tempering at 450℃ appears significantly only with a carbon content no more than 0.3%. Therefore, the range of properties of hot-formed copper steels is very broad and depends upon the method of their production and the copper and carbon contents. Materials with 5% copper and different carbon contents may be divided into aging with a maximum content of 0.3% and heat treatable by hardening and tempering with a higher carbon content. The aging process consisting of precipitation from the copper-supersaturated solid solution of E-phase may occur either naturally or artificially. Fig. 3 Fig. 4 Fig. 3. Microstructure of steel with 5% copper and 0.2%carbon after forming in the 1130-1180°C range. Fig. 4. Relationships of the hardness of hot-formed steel with 5% copper after forming (1), oil hardening from 950°C(2), and oil hardening from 950°C and tempering at 450°C(3) to carbon content. Production method: a, c) high-temperature forming in the austenitic area of blanks sintered at 950-1000°C and 1100-1150°C respectively; b) low-temperature forming in the ferritic area of blanks sintered at 1100-1150°C. Natural aging of low-carbon steels may occur spontaneously after high-temperature forming of them in the austenitic area and artificial after low-temperature forming in the area of existence of ferrite, subsequent hardening with separate heating from the austenitic area, and tempering at medium temperatures. Low-carbon aging steel containing 5% copper and not more than 0.3% carbon possesses the optimum combination of mechanical properties. The strength of such a steel directly after forming from the austenitic area of after low-temperature forming with subsequent artificial aging reaches 900-1050 MPa and the elongation 10-12%. The strength of this steel is at least that of high-carbon copper steels and the plastic properties are significantly better. It is desirable to use the steels developed for production of highly loaded constructional parts. LITERATURE CITED [1] Yu. G. Dorofeev, V. i. Ustimenko, and L. G. Marinenko, "The structure and properties of high-density alloyed powder metallurgy materials," in: Powder Metallurgy [in Russian],Lat. inst. Nauch. Tekh. Inf., Riga（1975），pp. 161-164. [2]Yu.G.Dorofeev,Dynamic Hot Pressing of Porous Powder Metallurgy Blanks ,Metaiiurgiya, Moscow (1977). 外文中文翻译 粉体材料，部件和涂料 ----热形成的铜粉末冶金钢 S. G. Napara-Volgina UDC621.762 铜合金钢由于低成本的原因在粉末冶金技术被广泛使用，与其他的合金元素相比它熔点比较低，这使得它可以在液相中烧结。铁铜硬质合金有向弥散硬化转变的能力，也就是说从铜的过饱和固溶体中析出ε-固相，控制可能的生产条件使得有可能改变这些钢的机械性能和结构的显著限制。 铜粉末冶金钢含铜 1.5 %- 3.0%，在工业上最常用的生产方法是压制和烧结。使用热成型的方法来生产铜合金钢明显是不常见的。这种合金钢主要是低碳钢，最早是在新切尔卡斯克理工学院所生产出的[1, 2]。 对含碳量不同的热轧铜合金钢进行研究的目的是优化它们的组成和研究在不同热成形条件下的性质，研究的初步阶段，确定铜含量对在相同条件下生产的热成型无碳钢的性质的影响是必要的。对含铜2%-8%和含碳0.01%-0.02%的热成型钢混合了PZhE3型喷洒铁粉以及PMS-2型的电解铜粉(GOST 4960-75)进行了研究。在1100-1150℃条件下生产的10×10×55mm样品，对该样本进行烧结研究，烧结温度为950-1000℃，最终放在450℃的条件下进行保温。拉伸该样品，通过机械加工得到切片。 若将其用于材料，平均含铜量为4%-5%所具有的机械性能最佳。低含铜量对弥散强化的效果影响是微不足道，由于熔融铜通过铁粒子边界流动加快热成型产生导致高达8%的强度损失。因此，钢中含有5%的铜，研究发现，热成型钢很多属性在较宽的烧结初始温度限制下发生变化，从而产生多孔部件。在这种情况下，最大伸长率对应的最高烧结温度所产生的多孔坯和形成它们中的α-相的区域的最低温度，并在这两个温度中最高烧结温度所产生的的强度最大。 在热成型铜钢中增加含碳量来提高其机械性能是可能的。含铜量为5%的热成型铜钢在不同的成型条件下碳含量与机械性能的关系示于图-1和图-2. 钢在高温时的强度与碳含量的关系不是很大（图-1中的曲线-1），其中的原因可以这样解释，当温度在1130-1180℃之间，热成型钢中低碳成分出现自然老化后形成了奥氏体区，并表现出从铜的过饱和奥氏体中析出G-相沉淀，其中的原有是在样品成型并快速冷却时中心产生了大量的晶格缺陷（图-3）。低碳钢在低温条件下成型时α-铁素体的效果在该区域可能不会发生，因此强度明显比较差(比较图-1和图-2中的曲线-1)。也就是说，对于包括从奥氏体区和在450℃的回火硬化效果可能无法进行特别是后者的人工老化。 图-1 图-2 图-1是含铜5%的热成型钢在1130-1180℃（1-3）和800-850℃ （4,5）温度范围内其机械性质随铜含量的变化曲线。图-2是含铜 5％的热成型钢在800-850℃范围内的碳含量和钢的机械性能的关 系曲线。 在550℃的高温回火的结果后直接形成的低碳钢的自然老化的影响完全消失，这就表示少了它们900-1000到500-600兆帕的强度，也就是说，增加了近一半的塑形（图-1）。必须指出的是在这种情况下，它的强度下降和可塑性增加是在高温回火后观察到的，并且其最大碳含量约为0.30-0.35％。另一方面，具有较高碳含量的钢的强度增加时，这与随后回火硬化他们的结果是相同的。 因此，可以得出结论，低碳钢在高温成型之后主要特性是直接发生自然老化，其最高含碳量高达0.30-0.35%。为了更准确地确定的最大的碳含量，老化的过程中热成型含铜材料的不同生产方法将会积极的出现。对含铜5%和含碳量不同的钢进行直接热成型后油淬火，并且硬化和回火（老化）的钢的硬度进行了比较。 图-3 图-4 图-3是含铜5%和含碳0.2%的材料在1130-1180°C热 成型后钢的显微组织结构图。图-4是含铜5%%的热成 型钢的硬度和含碳的关系（曲线-1），从950℃油淬火 （曲线-2），从950℃的油淬火到450℃的回火（曲线-3）。 生产方法：（a，c）为高温成型的奥氏体区的毛坯在 950-1000°C和 1100-1150°C烧结区别；（b）为低 温成型的铁素体区的毛坯在1100-1150°C.烧结。 衰老的效果，体现在淬火和回火后的钢硬度增加，在450℃的时最大碳含量约为0.3％，所有的材料（图-4）的生产方法。高碳钢回火后的硬度明显低于直接硬化后的硬度，也就是说，钢经过淬火和回火之后在450℃出现人工老化，含碳含量不超过0.3％。 因此，热成型铜钢的属性范围非常广泛，它的属性取决于其生产方法以及其铜和碳的含量。 用含铜5%和含碳量不同的材料可以划分为最大含量为0.3％的老化和较高碳含量的淬火和回火的可热处理的老化。从铜的过饱和熔体中析出ε-相固体沉淀的过程中发生自然老化和人为老化都是有可能的。低碳钢经过高温成型后在奥氏体区可能发生自然老化，低碳钢经过低温成型后在铁素体区可能形成人工老化，随后单独对奥氏体区进行加热硬化，在介质温度中进行回火。 低碳老化钢中含铜5%和含碳不超过0.3%，此时钢的机械性能最佳。钢在低温成型后形成奥氏体，随后的人工老化直接打到900-1050MPa，拉伸率可达10-12%。这种钢高碳铜钢的强度和塑性明显更好。 这种钢是生产和发展高负荷结构零件理的想材料。 参考文献 [1]Yu. G. Dorofeev, V. i. Ustimenko, and L. G. Marinenko, "The structure and properties of high-density alloyed powder metallurgy materials," in: Powder Metallurgy [in Russian],Lat. inst. Nauch. Tekh. Inf., Riga（1975），pp. 161-164. [2]Yu.G.Dorofeev, Dynamic Hot Pressing of Porous Powder Metallurgy Blanks ,Metaiiurgiya, Moscow (1977). 致 谢 历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和郭年祥老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！  感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多帮助，还在论文的撰写和排版的过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师评和指正！ 小论文 年产16万吨电铜电解车间设计 （xxx） 摘要：本文主要要是设计一座年产16万吨电解铜精炼车间设计，在工艺上选择了先进的ISA法铜电解精炼工艺。根据已有的数据，进行了厂址的选择、物料平衡计算、热平衡计算和设备选型的计算，在计算的基础上设计出电解槽的槽型，并完成了设备的选型和车间布局的设计，最后对本项目的经济效益进行了概算。绘制出电解槽的结构图，工艺流程图以及车间平面图、立剖图。本设计所生产的电铜纯度为99.9935%，电解过程所使用电流强度为25000A，槽电压为0.3V，电流密度为320A/m2，电解液温度是60℃，电解液循环速度为30L/min，电解槽设计内尺寸为4495×1110×1320/1503mm，电解槽数为740个，车间采用双跨布置。 关键字：铜电解精炼；工艺设计；电解槽；物料平衡；设备选型；车间布置 An annual output of 160，000 tons of copper electrolytic plant design Liwenjiang (Jiangxi University of Science and Technology Ganzhou 341000) Abstract: The main contents are designed annual production capacity of 160,000 tons of electrolytic copper refining a design workshop. According to the existing data to complete the material balance calculations,thermal balance calculation and equipment selection calculations.Based on the calculation, designed electrolyzer tank type, and completed the selection of the equipment and the design of workshop layout, finally estimates the economic benefits of this project. Map out the structure of the cell diagram, process flow diagram and workshop plan and vertical section. The design of the production of electrical copper purity of 99.9935%, the electrolysis current intensity is used as 25000A, Cell voltage was 0.3V ,a current density of 320A/m2, electrolyte temperature is 60 ℃, electrolyte circulation rate of 30L/min, the inner dimension of cell design 4495 × 1110 × 1320/1503mm, cell number is 740, workshop with double cross layout. Key words: Electrolytic refining of copper; technological process design; electrolyzer；Material balance; Equipment Selection; plant layout 前言 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。铜原子量63.54，密度8.92，熔点1083℃，沸点2567℃。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色，表面形成氧化铜膜后，外观呈紫铜色。铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛应用于电气、电子、机械制造、建筑、国防等工业领域。铜及其合金的消费量仅次于钢铁和铝。铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，发电机的线圈、电线、电缆等都是用铜制造的。铜用于制造各种子弹、枪炮和飞机、舰艇的热交换器等部件，还用于制造轴承、活塞、开关、阀门及高压蒸汽设备等，其他热工技术、冷却装置、民用设备等也广泛使用铜和铜合金。 我国已开发的铜矿主要分布在自然地理条件较好、经济较发达、地质勘查工作相对集中的东部、中部和南部各省（区），在这些省（区）内，已探明的大中型铜矿床，凡其矿区建设、水、电和交通运输等外部条件较优越，开采技术条件和矿石选冶技术条件较好的绝大多数矿床都已开发，并形成了江西、铜陵、大冶、白银、中条山、云南、东北7大铜业基地。 铜的电解精炼是将火法精炼铜铸成阳极板，以电解产出的薄铜片（始极片）作为阴极，二者相间地装入盛有电解液（硫酸铜与硫酸的水溶液）的电解槽中，在直流电的作用下，阳极铜进行电化学溶解，阴极上进行纯铜的沉积。由于化学性质的差异，贵金属和部分杂质进人阳极泥，大部分杂质则以离子形态保留在电解液中，从而实现了铜与杂质的分离。 1厂的选择 厂址选择【1】要根据国民经济建设计划和工业布局的要求进行。厂址选择适当与否，对企业的建设速度、建厂投资、生产发展、经济效益、环境保护及工农关系等会带来重大影响。 厂址选择的一般原则是：应符合工业布局及区域性总体规划和城市建设规划的要求；要尽可能利用城镇设施，节约资源；要靠近原材料、水、电供应充足和产品销售便利的地方，有较好的交通运输条件；要注意节约用地，尽量不占或少占农田，留有发展余地；要有适当的自然地形和适宜的工程地质、水文、地震等级条件及较好的协作条件等。 江西贵溪区位优越，陆路交通便利，水运通畅。土地肥沃，农业资源丰富，是全国商品粮基地、南方最大早熟梨基地、江西省重点产材基地、长江防护林基地、国家储备粮基地。矿藏资源丰富，品位极高。已探明储量的有金、银、铅、锌、铀、瓷土、石膏、硅石、花岗岩等30余种，其中冷水银矿储量为全国之最。考虑众多因素，本设计将厂址选择在贵溪适宜。 2艺流程的选择【2】 2.1铜电解精炼原理 铜的电解精炼是将火法精炼铜铸成阳极板，以电解产出的薄铜片（始极片）作为阴极，二者相间地装入盛有电解液（硫酸铜与硫酸的水溶液）的电解槽中，在直流电的作用下，阳极铜进行电化学溶解，阴极上进行纯铜的沉积。由于化学性质的差异，贵金属和部分杂质进人阳极泥，大部分杂质则以离子形态保留在电解液中，从而实现了铜与杂质的分离。 解精炼的原理如下： 阳极反应： Cu-2e＝Cu2+ ＝+0.34V； H2O-2e＝1/2O2+2H+ ＝+1.23V； SO42--2e＝SO2+1/2O2 ＝+2.42V； Me－2e＝Me2+ Eo(Me/Me2＋)＜0. 34V； 式中Me代表Fe、Ni、Pb、As、Sb等比Cu更负电性的金属，它们从阳极上溶解进入溶液。H2O和SO42－失去电子的反应由于其电位比铜正，故在正常情况下不会发生。贵金属的电位更正，不溶解，而进入阳极泥。 阴极反应： Cu2+＋2e ＝Cu =+0.34V 2H++2e=H2 =0V Me2＋＋2e＝Me EΘ(Me/Me2＋)＞0. 34V 在这些反应中，具有标准电位比铜正、浓度高的金属离子才可能在阴极上被还原，但它们在阳极不溶解，因此只有铜离子还原是阴极的主要反应。 2.2工艺流程的选择 铜电解工艺有三种方案可供选用，即传统电解法、永久阴极电解法和周期反向电流电解法。 本设计采用ISA电解精炼法【5】生产阴极铜，其优势在于： （1）ISA法电解比传统法电解工艺流程简化，生产环节少，手工操作少，便于生产管理。 （2）ISA法电解可以采用较高的电流密度和较小的极距进行生产，单位面积产能高，厂房面积占地小、电解槽数少、防腐面积少，配套设备也少。 （3）在低杂质情况下，ISA法阴极铜的质量更具优越性。 （4）在高杂质情况下，夹边条上会粘附具有导电性能的结垢，造成阴极铜边缘长粒子，对阴极铜的整体质量影响较大。但高杂质情况下老电解阴极铜的板面质量也难控制，板面粒子多。 （5）两种工艺生产运行成本基本相当。ISA法综合能耗低、维修费低、人员少，但绝缘边消耗量大备件费用高。 （6）ISA法电解金属在制品占用率低。 图2-1为ISA电解精炼工艺流程图。 图2-2为净液工序工艺流程图 图2-1 电解精炼工艺流程 图2-2 净液工序工艺流程 3冶金计算【3】 3.1计算条件 年产电解铜16万吨，设计年工作日为350天。表3-1为本设计的阳极成分。 表3-1 阳极成分/% 元素 Cu As Sb Bi Ni Fe Pb 含量 99.41 0.035 0.035 0.01 0.245 0.004 0.09 元素 Se Te Au Ag S Zn 其它 含量 0.045 0.043 0.002 0.067 0.003 0.001 电解铜回收率：99.8%； 电铜品位：99.9935%； 残极率：15%； 电流效率：97%。 电解过程所使用电流强度为25000A，电流密度为320A/m2，电解液温度是60℃，电解液循环速度为30L/min。 表3-2为铜电解过程中个元素的分配率。 表3-2 铜电解过程中个元素的分配率(%) 元素 进入溶液 进入阳极泥 进入阴极 Au — 98.5 1.2 Ag — 97.5 2.5 Cu 1.93 0.07 98 Se/Te — 98 1.5 Pb — 97 3.5 Ni 85 18 微量 As 70 35 微量 Sb 45 65 微量 S — 96 4 Fe 75 10 16 Zn 93 4 3 Al 75 20 5 SiO2 — 100 — Bi 20 80 微量 3.2物料平衡计算 3.2.1铜电解物料平衡 表3-3为铜电解精炼物料平衡表 表3-3 铜电解精炼物料平衡表 物料名称 物料量 Cu As Ni 吨 % 吨 % 吨 % 吨 装入 阳极 193516.4 99.41 192374.7 0.035 67.7 0.245 474 合计 192374.7 67.7 474 产出 电解铜 160000 99.9935 159989.6 — — — — 残极铜 29027.5 99.41 28856 0.035 10.2 0.245 71 阳极泥 660 17.4 114.8 3.0 19.8 11.0 72.6 电解液 3156 40.3 346.6 损失及误差 258.3 2.6 16.2 合计 192374.7 67.7 474 物料名称 物料量 吨 Au Ag % 吨 % 吨 装入 阳极 193516.4 0.002 3.9 0.067 129.66 合计 3.9 129.66 产出 电解铜 160000 0.04 2.76 残极铜 29027.5 0.002 0.58 0.067 19.45 阳极泥 660 0.5 3.3 16.3 107.58 电解液 — — 损失及误差 -0.02 -0.13 合计 3.9 107.58 3.2.2净液过程物料平衡 假设下列原始数据： 杂质在溶液中的极限含量：镍15 g/L；砷5 g/L；锑0.8 g/L；铜50g/L，铋0.3g/L。 杂质进入溶液的百分数：镍85%；砷70%；锑45%；铜1.93%。 采用冷冻结晶法生产粗硫酸镍，镍的脱除效率为75%，砷、锑、铋的脱除效率为85%。 净液过程主要物料平衡见表3-4 表3-4 净液过程主要物料平衡表 序号 物料名称 物料量 Cu Ni As % t/a % t/a % t/a 进入 不洁电解液 40000m3/年 50g/l 2000 11.4g/l 456 1.18 g/l 47.2 加入铜料 2346.2吨/年 99.42% 2332.6 小计 4332.6 456 47.2 产出 二级电铜 686.7吨/年 99.9% 686 硫酸铜 9117.6吨/年 24.4% 2224.7 粗硫酸镍 1643吨/年 23.5% 386 黑铜板、粉 840.4吨/年 70% 588.3 4.77% 40.1 回收酸 10147.2m3/年 0.3g/l 3 6g/l 60.8 1.1g/l 11.2 损失误差 830.9 9.2 -4.1 小计 4332.6 464 47.2 序号 物料名称 物料量 Sb Bi % t/a % t/a 进入 不洁电解液 40000m3/年 0.76 g/l 30.4 0.22 g/l 8.8 加入铜料 2346.2吨/年 小计 30.4 8.8 产出 二级电铜 686.7吨/年 硫酸铜 9117.6吨/年 粗硫酸镍 1643吨/年 黑铜板、粉 840.4吨/年 3.1% 26.1 0.89% 7.5 回收酸 10147.2m3/年 0.39 g/l 4 0.14 g/l 1.4 损失误差 0.3 -0.1 小计 30.4 8.8 4主要设备的选择计算【6】 4.1电解槽 本设计电解槽为长方形的槽子，其中依次更迭的吊挂着阳极和阴极。电解槽内附设有供液管、排液管(斗)、出液斗的液面调节器等。槽体底部由一端向另一端倾斜，倾斜度大约3%，最低处开设排泥孔，较高处有清槽用的放液孔。放液排泥孔配嵌有橡胶圈的硬铅制作的塞子，防止漏液。此外，在钢筋混凝土槽体底部还开设检漏孔，以观察内衬是否破坏。图4-1为钢筋混凝土构筑的典型电解槽结构。 图4-1 铜电解槽 1-进液管 2-阳极 3-阴极 4-出液管 5-放液管 6-放阳极泥管 4.1.1极板的选择 本设计阳极尺寸为：1000×960mm；厚度为45mm；周期为18天。 本设计阴极尺寸为：1020×1000mm；厚度为3.5mm，周期为9天。 4.1.2电解槽设计【10】 电解槽内部尺寸： 长：39×105＋200×2＝4495mm 宽：1000+55×2＝1110mm 深：浅处 1020＋250＋50＝1320mm 深处 1320＋6095×0.03＝1503mm 电解槽外尺寸： 长：4495＋2×100＝4695mm 宽：1110＋2×100＝1310mm 高：1503＋100＝1603mm 电解槽名义容积： 4.2起重机 电解铜起重机【4】是针对电解铜生产工艺二开发设计的专用起重设备，通过针对阴阳极板放置位置、形式而设计的专用吊具能高效率地将阴阳极装入或吊出电解槽。送入下一工序。电解铜起重机的开发、设计、制造填补了国内这一领域的空白，并具有较高的经济效益。 双极起吊的最大重量发生在阳极片和始极片同时装槽过程中，故而应按阳极和始极片等的重量来设计载荷，并假设双极起吊时预留30%的过载系数。 单槽阴极导电棒重量：39×5.882=229.4kg； 单槽阴极片重量：39×28.167＝1098.513kg； 单槽阳极重：40×354.13=14165.2kg； 假设专用吊架自重为1000kg，则起重机载荷 M0=（14.1652+1.0985+0.2294+1） （1+30%）=21.44t 故采用载荷为30t的专用桥式起重机。设计2台起重机。设电解槽按5列排列，两列之间留1m行走通道，靠外边的一列与墙体的距离为2m，则其跨度Lk=6.3 5+1 4+2 2=39.5m。 4.3热平衡表 表4-1为电解精炼的热平衡表 表4-1 电解精炼的热平衡表 热收入 热支出 名称 热量/107kJ·h-1 % 名称 热量/107kJ·h-1 % 电流发热 0.998 17.27 槽面蒸发热损失 2.03 35.13 外部补充热 4.781 82.73 槽面对流热损失 0.705 12.2 槽壁散热 0.764 13.22 管道热损失 2.28 39.45 合计 5.779 100 合计 5.779 100 4.4工作机组【7】的规格参数表 表4-2 设备参数表 机组名称与集成功能 极板尺寸 B×H×/mm 极板重量/kg 生产能力 片/h 电机总功率/kw 机组数量 /台 机组尺寸/m 设备总重 /t 阳极板平整--矫正--铣耳--排列机组 1000×960×45 354.13 300 162 1 95 电铜受板-洗涤-密集-多根抽棒-翻板-称量-输出机组 1020×1000×（15～20） 184.137 500 103 2 36 残极受板-洗涤-拖平-堆垛-称量-输出机组 1000×960 50～100 500 52 1 34 导电棒输入-立式链式贮存-转运-给出机组 35×20×1300 5.506 500 5.5 2 9.5 阴极剥片机组 1020×1000×（15～20） 184.137 500 5备明细表 表5-1 设备明细表 设备名称 规格 型号 数量 材质/备注 电解槽 4495×1110×1320/1503mm 740 钢筋混凝土槽体，内衬玻璃钢厚5mm 净化脱铜槽 4495×1110×1320/1503mm 36 钢筋混凝土槽体，内衬玻璃钢厚5mm 电解沉积槽 4495×1110×1320/1503mm 8 钢筋混凝土槽体，内衬玻璃钢厚5mm 槽间导电排 200×10mm 10 铜质 槽间导电板  736 304L不锈钢，中空富余10% 阴极导电棒 30×30×1300mm 28860 铜质 出装槽短路器 12000×40×50 40 铜棒 桥式起重机 载荷30t，跨度39.5m 2 全自动、双极起吊 可控硅整流器 额定电压360V，额定输出电流30000A 2 板式换热器 F＝60m2 AK20－FGL 3 复合钛 循环液贮槽 15000×6500×3000mm 5 钢筋混凝土为槽体，内衬铅板 上清液贮槽 15000×6500×3000mm 2 钢筋混凝土为槽体，内衬铅板 高位槽 7000×5000×4500mm 1 钢筋混凝土为槽体，内衬铅板 阳极泥贮槽 5000×2500×2500mm 1 钢筋混凝土为槽体，内衬铅皮 冷凝水贮槽 ×3000mm 2 混凝土 冷凝水高位槽 ×2500mm 2 FRP H2SO4贮槽 ×2000mm 1 不锈钢 HCl贮槽 ×2000mm 1 FRP H2SO4溶解槽 ×1000mm 1 不锈钢 HSO4计量槽 ×1000mm 1 不锈钢 HCl中间槽 ×1000mm 2 FRP HCl计量槽 ×1000mm 1 FRP 添加剂溶解槽 ×1000mm 1 不锈钢 添加剂计量槽 ×1000mm 1 PVC 压滤机贮液槽 ×3000mm 4 钢筋混凝土为槽体，内衬铅板 电解液分配槽 mm 2 钢筋混凝土槽体，内衬5mm玻璃钢 电解液循环泵 Q=360m³/h， H=20m JBY200-400 5 为酸泵，一台备用 压滤泵【9】 Q=250m3/h， H=20m APP33-125 4 一台备用 阳极泥泵 Q=40m3/h， H=30m ASP11-50 4 一台备用 隔膜泵 Q=20m3/h， H=45m ODS-80 4 一台备用 浓密机 最大处理量2000m3/h·台 2 阳极泥箱 1000×1000×1000mm 2 板框压滤机 F=60m2 BA60/800-25 2 叉车 额载5t 20 阳极板准备机组 工作能力K=300片/h 1 阴极准备机组【7】 工作能力K=500片/h 1 电铜洗涤堆垛机组 工作能力K=500片/h 1 残极洗涤堆垛机组 工作能力K=500片/h 1 导电棒贮运机组 工作能力K=500片/h 2 阴极剥片机组 工作能力K=500片/h 1 进液分管 mm PVC-U 出液分管 mm PVC-U 进液支管 mm PVC-U 出液支管 mm PVC-U 6济技术分析与评价【10】 6.1车间定员 岗位分类与定员详见表6-1： 表6-1 岗位分类与定员 岗位 人数 班次 备注 酸泵班长 1 1 负责酸泵员工的日常生产的组织和管理工作 酸泵班员 8 3 负责酸泵的日常操作 槽面班长 2 3 负责酸泵员工的日常生产的组织和管理工作 槽面班员 15 3 负责槽面工作 行车司机 4 1 负责行车运行 设备维修员 5 1 负责设备检修与维护 装边班员 1 1 负责装边 办公财务人员 3 1 负责办公、财务工作 安全技术员 1 1 负责安全生产 6.2建设投资估算表 表6-2 项目建设投资估算表/万元 建 筑 工 程 建筑工程 装备设备 安装工程 其他 合计 电解车间 12100 21990 7000 41090 工艺管道 450 650 1100 辅助项目 3000 4000 300 7300 公用 工程 供水 2500 500 80 3080 供电 2880 3520 6400 供气 900 960 100 1960 其他项目 9500 2500 100 12100 其 他 费 用 工程建设监理费 400 400 员工培训费 320 320 联合试生产费 450 450 工具及帮设备费用 350 350 勘察费 200 200 设计费 3200 3200 专利费 4500 4500 预备 费用 工程预备费 22000 22000 价差预备费 43000 43000 建设期利息 17500 17500 合计 28450 32830 11750 91920 164950 可知，本项目总投资约为16.495亿元。 6.3产品成本估算表 表6-3 生产成本估算表 项目 单价，万元 数量 总价，万元 原料费用 铜阳极板 4.8 193516.4吨 928878.72 硫酸 0.045 1000吨 45 干酪素 4.5 5.8吨 26.1 盐酸 0.07 16吨 1.12 骨胶 0.8 50吨 40 动力费用 水 0.00017 100000吨 17 电 0.000078 40000000吨 3120 气 0.02 100000吨 2000 员工工资 工资 8 40人 320 福利 2 40人 80 制造费用 折旧费 4175 修理费 3760 总计 942462.94 可知年生产成本约为104.379774亿元。 6.4综合效益评价 6.4.1经济效益评价 由以上各估算表，可以估算出： 该项目年收益=104.379774-94.246294=10.13348亿元。 设工厂税收按17%计算，则年税收=10.13348×17%=1.7226916亿元。 实际年收益=10.13348-1.7226916=8.4107884亿元。 本设计工厂寿命为30年，总收益约为： 8.4107884×30-16.495=235.828652亿元。 6.4.2项目的社会效益 到2009年底，我国十种常用有色金属产量达到2681万吨，消费量达到2517万吨，十年分别平均增长16.4%和18.2%，已成为全球最大的有色金属生产和消费国。 本设计的实现能在一定程度上缓解我国严重依赖进口纯铜的压力，并且对当地的业发展其到了积极的作用。在生产工艺上采用的是当前先进的ISA电解铜精炼法，有效的提高了生产率和资源利用率。在铜冶炼工艺不断进步，炼铜厂效益不断提高的同时，应以环境为本，本着保护环境的原则，进行工艺的改进和车间的改造。只有这样，才能有经济，技术的可持续发展。 7 结论 本设计为年产16万吨铜电解精炼车间设计，所选的工艺为当前世界先进的ISA电解精炼法产阴极铜，从而提高了生产效率和资源利用率，在盈利的同时也保护了环境。经过冶金物料平衡计算，热平衡计算，设备选型的计算以及经济效益的估算与评价，得出本设计在各个方面都能起到积极的作用，本设计可以进行投产。项目的顺利建成能在一定程度上环节社会对高纯铜需求的压力。 参考文献 [1] 朱祖泽、贺家齐.现代铜冶金学[M]. 北京：科学出版社，2003 [2] 蔡祺风.有色冶金工厂设计基础[M].北京：冶金工业出版社，1991：65～71 [3] 《重有色金属冶炼设计手册》编写组.重有色金属冶炼设计手册（铜镍卷）[M]. 北京：冶金工业出版社，1996 [4] 邱栋良.冶金起重机选用指南[J]. 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