年产5万吨电解铜工艺设计.docx
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年产5万吨电解铜工艺设计
西安建筑科技大学华清学院
本科毕业设计（论文）任务书
题目：
年产5万吨电解铜的铜精炼
车间工艺设计
院（系）：
材料与冶金工程系
专业：
冶金工程专业
学生姓名：
小新
学号：
指导教师（签名）：
主管院长（主任）（签名）：
时间：
2011年02月18日
一、毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数）
毕业设计主要内容包括：
根据设计题目进行毕业实习，收集有关资料，熟悉铜电解精炼过程的工作原理及生产过程，为铜电解精炼工艺的设计打下基础；铜电解精炼车间总体设计方案的制定；铜电解精炼操作技术条件的选择；完成物料平衡、热平衡计算；生产工艺的设计；车间工艺的布置；主要设备包括电解槽、阳极、阴极的设计，辅助设备的选型；主要技术经济指标的确定。
使学生能够理论联系实际，掌握流态化焙烧工艺设计的基本过程，为今后从事相关的技术工作奠定基础。
二、毕业设计（论文）题目应完成的工作（含图纸数量）
1完成毕业实习报告，并收集有关资料，进行技术准备；
2完成设计说明书1份；
3绘出车间平面图、剖面图、电解槽安装图各一张；
4完成与设计内容相关的专题1篇，不少于5000字；
5翻译与本专业相关的外文技术资料1篇，中文不少于4000字。
三、毕业设计（论文）进程的安排
序号
设计（论文）各阶段任务
日期
备注
1
资料收集与整理，毕业实习，完成实习报告
2.21－3.14
2
专题及英文翻译
3.15－.3.27
3
设计相关物料平衡及热平衡计算
3.30－4.24
4
主体设备及生产工艺设计
4.27－5.20
5
绘图，撰写设计说明书
5.21－6.10
6
准备答辩
6.10－6.20
四、主要参考资料及文献阅读任务（含外文阅读翻译任务）
1邱竹贤编，《冶金学（有色金属冶金）》，冶金工业出版社，2001
2重有色金属冶炼设计手册（铜镍卷），冶金工业出版社，1996
3《有色金属冶炼设备》，有色金属冶炼设备编委会，冶金工业出版社，1994
4《有色冶金炉设计手册》，有色冶金炉设计手册编委会，冶金工业出版社，2000
5《有色冶金原理》，傅崇说主编，冶金工业出版社，1998
6《有色冶金过程污染治理》，陈拂顺主编，冶金工业出版社，1998
7李进，王碧侠编，MetallurgicalEngineeringEnglish，西安建筑科技大学，2004
8朱祖泽，贺家齐编，现代铜冶金学，科学出版社，2003
9阅读并翻译与设计内容相关的英文资料一份。
10根据设计进度随时查阅相关的文献资料。
六、审核批准意见
教研室主任签（章）
年产5万吨铜的铜电解精炼工艺设计
专业：
冶金工程
姓名：
胡波
指导教师：
马红周
本文主要设计了一座年产5万吨铜的铜电解精炼车间及电解工艺。
通过毕业实习并搜集相关资料，熟悉了电解精炼工艺及车间布置。
根据已知条件，选定操作技术条件。
在物料平衡和热平衡计算的基础上，根据给定的条件选择合适的工艺流程和主辅设备。
对年产5万吨铜的铜电解精炼槽进行了槽型设计及车间布局设计，并且进行了铜电解精炼车间的技术经济指标的核算。
绘制出铜电解精炼电解槽安装图、车间平面图及车间立剖图各一张。
最后以“铜电解液净化方法的研究进展”专题展开论述。
关键词：
铜电解精炼，工艺设计，车间布置，物料平衡，热平衡
Technologicalprocessdesignforelectrolyticrefiningofcopperwiththeproductionof50,000tonscopperayear
Specialty:
MetallurgyEngineering
Name:
Instructor:
Synopsis
Thepaperaimsatdesigningthetechnologicalprocessandonecopperelectrolyticrefiningplant,whichcouldproduce50,000tonsofcoppereachyear.Beforethedesign,theelectrolyticrefiningtechnologyofcopperandthearrangementoftheelectrolyticrefiningplantwereknownthroughpracticeandtheory.Thematerialbalanceandheatbalancewerecarriedoutaccordingtothegivecondition,thenthepropertechnologicalprocess,themainandauxiliarydevicewerechosen.Afterthat,thestyleofcopperelectrolyticrefiningcellwasdesigned,theelectrolyticplantwasarranged,andthetechnicalandeconomictargetofthecopperrefiningplantwascalculated.Theresultofthisdesignwasshowninthreedrawing,whicharereefingcellinstallationplan,theichnographyandcutawayviewoftheplantrespectively.Atlast,thepapergavespecificdiscussionaboutthecopperelectrolytepurificationsystem”.
Keywords：
Electrolyticrefiningofcopper,technologicalprocessdesign,plantarrangement,materialbalance,heatbalance
绪论
铜的火法精炼一般能产出铜99.0%~99.8%的粗铜产品，但仍然不能满足电气工业对铜的性质的要求，其他工业也需要使用精铜。
因此，现代几乎所有的粗铜都经过电解精炼，以除去火法精炼难于除去的杂质，铜的电解精炼，是将火法精炼的铜浇铸成阳极板，用纯铜薄作为阴极片，相间地装入电解槽中，用硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液，在直流电的作用下，阳极上的铜和电位较负的贱金属溶解进入溶液，而贵金属和某些金属（如硒，碲）不溶，成为阳极泥沉于电解槽底。
溶液中的铜在阴极上优先析出，而其他电位较负的贱金属不能在阴极上析出。
留于电解液定期净化时除去，这样，阴极上析出的金属铜纯度很高，称为阴极铜或电解铜，简称电铜。
含有贵金属和硒，碲等稀有金属的阳极泥，作为铜电解的一种副产品另行处理，以便从中回收金，银，硒，碲等元素。
在电解液中逐渐积累的贱金属杂质，当其达到一定的浓度后，会防碍电解过程的正常进行。
例如，增加电解液的电阻和密度，使阳极泥沉降速度减慢，甚至在阴极上与铜一起共同放电，影响阴极铜的质量，因此必须定期定量地抽出净化，并相应地向电解液中补充新水和硫酸。
抽出的电解液在净化过程中，常将其中的铜，镍等有价元素以硫酸盐的形态产出，硫酸则返回电解系统重复使用。
在铜电解车间，通常设有几百个甚至上千个电解槽，每一个直流电源串联其中的若干个电解槽成为一个系统。
所有的电解槽中的电解液必须不断循环，使电解槽内的电解液成分均匀。
在电解液循环系统中，通常设有加热装置，以将电解液加热一定的温度。
1概述
1.1电解精炼的基本原理及电极反应
传统的铜电解精炼是采用纯净的电解铜薄片作阴极，阳极铜板含有少量杂质（一般为0.3%~1.5%），电解液主要为含有游离硫酸的硫酸铜溶液。
由于电离的缘故，电解液中的各组分按下列反应生成离子：
CuSO4=Cu2++
H2SO4=2H++
H2O=H++OH-
在未通电时，上述反应处于动态平衡。
但是直流电通过电极和溶液的情况下，各种离子作定向运动，在阳极上可能发生下列反应：
Cu-2e=Cu2+
=+0.34V
H2O-2e=1/2O2+2H+
=+1.23V
-2e=SO2+1/2O2
=+2.42V
H2O和
的标准电位很大，在正常的情况下，它们不可能在铜阳极上发生放电作用。
此外，氧的析出还具有相当大的超电压（25℃时，若电流密度为200A/m2,则氧在铜上析出的超电压为0.605V）。
因此，在铜电解精炼过程中不可能发生反应式（1.5），只有当铜离子的浓度达到极高或电解槽内阳极严重钝化，使槽电压升高到1.7V以上时才可能有氧在阳极上放出。
至于
离的放电反应，因为其电位更正，故在铜电解精炼过程中是不能进行的。
在阴极上可能发生下列反应：
Cu2++2e=Cu
=+0.34V
2H++2e=H2
=0V
铜的析出电位较氢为正，加之氢在铜上析出的超电压值又很大（当25℃及电流密度为100A/m2时，电压为0.584V），故只有当阴极附近的电解液中铜离子浓度极低，并由于电流密度过高而发生严重的浓差极化时在阴极上才可能析出氢气。
综上很述，铜电解精炼过程中，在两极上的主要反应是粗铜在阳极上的溶解和铜离子在阴极上的析出。
但是实际电解时，阳极铜除了以二价铜离子的形式溶解外，还会以一价铜离子的形态溶解，即：
Cu-2e=Cu2+
生成的一价铜离子在有金属铜存在的情况下，和二价铜离子产生下列平衡：
2Cu+=Cu2++Cu
该反应的平衡常数为：
在一定温度下有一定的平衡常数，且随着温度的升高而向生成Cu2+的方向进行，在含Cu2+64g/L和H2SO450g/L的溶液中，平衡常数与温度的关系为：
温度
101
60
50
40
30
21
KCu
1.6×103
4.2×104
1.0×105
2.5×105
7.0×105
2.0×106
但是，在一般的电解条件下，一价离子Cu+和平衡浓度还是很小的，例如在含H2SO450g/L和Cu2+32g/L的溶液中，50℃时Cu2+的含量约为0.143g/L。
在生产过程中，Cu+和Cu2+之间的平衡常常不断地受到破坏，其主要原因有两个；
1）Cu+被氧化成Cu2+
这一反应的速度随温度的升高及与空气接触程度的增加而加快，结果消耗了溶液中的硫酸，并使溶液中的Cu2+浓度增加。
2）Cu+分解而析出铜粉
析出的铜粉进入阳极泥，使阳极泥中的贵金属含量降低，并造成铜的损失。
上述两个原因都使得Cu+的浓度往往稍低于藕色平衡浓度，这又促使反应（1.9）和（1.10）向着生成Cu+的方向进行，使阳极的电流效率提高，阴极的电流效率降低，并导致溶液中的Cu2+的浓度不断增加。
Cu+分解和氧化的结果，使电解液中游离硫酸含量减少和CuSO4的浓度增加。
阳极中的铜和Cu2O以用阴极铜的化学溶解（称为反溶）也会使电解液中的含铜量增加，即
此外，溶液中的游离硫酸浓度的降低，还可以导致CuSO4的水解，即
进一步破坏了Cu2+与Cu+之间的平衡，并增多阳极泥中的铜量。
假若电解过程使用的电流密度太小时，Cu2+在阴极上的放电可能变得不完全，而按下式进行一还原生成Cu+：
Cu2++e=Cu+
同时，铜在阳极上随即按式
Cu+-e=Cu2+
而氧化，从而导致电流效率的下降。
综上所述，铜电解精炼过程，主要是在直流电的作用下，铜在阳极上失去电子后以Cu2+的形态溶解，而Cu2+在阴极上得到电子以金属铜的形态析出的过程。
除此之外，还不可避免地有Cu+的产生，并引起一系列的副反应，使电解过程复杂化。
根据以上情况，可以认为铜电解精炼时较有利的工作条件是：
电解液中含有足够高的游离硫酸和二价铜离子，电解液的温度不宜过高，采用足够高的电流密度，尽量减少电解液与空气的接触。
1.2铜电解工艺流程
铜的电解精炼是以火法精炼产出的精铜为阳极，以电解产出的薄铜片为（始极片）作阴极，以硫酸铜和硫酸的水溶液作电解液。
在直流电的作用下，阳极铜电化学溶解，纯铜在阴极上沉积，杂质则进入阳极泥和电解液中，从而实现了铜与杂质的分离，铜精炼工艺流程如下图
铜电解精炼一般流程图
1.3本次设计中的一些参数
表一电解槽的计算已知条件
项目
已知条件
年产电解铜（一级铜）
50kt
年工作日
360t
电解槽作业率
96%
电流效率
98%
电流强度
12000A
始极片尺寸
1050×1000mm
表二阳极成分
元素
Cu
As
Sb
Ni
Bi
Pb
Se
Te
Au
Ag
Fe
S
Zn
含量%
99.48
0.181
0.021
0.103
0.006
0.031
0.048
0.047
0.0046
0.0621
0.0066
0.0057
0.0040
表三铜电解过程元素分配表
元素
进入电解液（%）
进入阳极泥（%）
进入电铜（%）
Cu
1.91
0.09
98
As
65
35
微量
Sb
40
60
微量
Ni
80
20
微量
Bi
50
50
微量
Pb
96
4
Se
98
2
Te
Au
98.5
1.5
Ag
97
3
Fe
75
8
17
S
96
4
Zn
93
4
3
Al
75
20
5
SiO2
100
表四铜电解技术经济指标
项目
指标
电解铜回收率（%）
99.7
电解铜品位（%）
99.99
残极率（%）
15
阳极泥率（对电铜）（%）
0.65
电解车间温度（℃）
25
电解槽外壁温度（℃）
35
2厂址选择
厂址的选择对企业长远的经济发展有着十分重要的意义。
选择厂址的原则为：
1）距离原料场地较近；
2）交通运输方便；
3）气象、地理条件优越；
4）技术协作便利；
5）能源、水源丰富；
6）有利于职工文化、生活福利；
7）建设挖运土方量小，尽量不占用农田等。
3原料—铜阳极
铜阳极的物理规格和化学成分影响电解过程的技术经济指标和阴极铜的质量，所以生产中应尽量获得质量良好的阳极铜板同样极板的物理形状要求平整无飞边、无毛刺、无夹渣等。
为了在铜电解中获得良好的技术经济指标，通常采用含铜在99%以上的火法精炼铜作为阳极材料。
下面介绍沈冶、贵冶铜阳极板尺寸及铜阳极化学成分（见表3—1，2，3）。
表3—1沈、贵冶铜阳极尺寸
工厂名称
阳极长×宽×高，mm
重量，㎏/块
沈冶
720×620×（38～42）
145～148
贵冶
1000×960×45
370～380
表3—2沈、贵冶铜阳极尺寸精度
项目
单位
沈冶
贵冶
阳极板公称尺寸，
L×W×δ
mm
720×620×（38～42）
1000×960×45
长度公差
mm
<5
±10
厚度公差
毛刺，鼓泡<5
±5
耳部下支持面至极板上缘距离
mm
65±5
支耳总长
mm
950±5
1300±10
板面挠曲
mm
<±5
<5
耳面挠曲
mm
<±6
其他
板表面黑皮面积<1/4，耳部不得有冷隔层和折损
表3—3铜阳极化学成分的一般要求
元素
Cu
As
Sb
Bi
Ni
O2
Sn
Fe
Pb
含量
＞99
＜0.20
＜0.03
＜0.03
＜0.3
＜0.2
＜0.075
＜0.01
＜0.2
铜电解精炼的阳极板是一种含有多种元素的合金，除表中所列元素外，在阳极铜中大都还含有Cd、Hg、In、Tl、Mn和铂族元素，其含量为0.001～1ppm。
在阳极铜中的杂质有两种形式，即金属铜基体中的固溶体和晶粒间不连续夹杂。
在电解过程中，所有这些杂质都出现强烈的化学和物理变化，这对阳极钝化、阴极质量、电解液净化以及从阳极中回收有价元素均有很大影响。
一般说来，从相图中可知阳极中存在各种杂质的形式，但有些元素则于相图不一致。
在氧作为杂质看待时，阳极铜的含氧量低，镍以连续的固溶体出现，而砷、锑和银在铜基体中呈
固溶体。
铋、铅、硒和硫沿铜粒子外围分别呈金属铋、铅或呈Cu2Se和CuS2形式沉淀。
有些氧化物如NiO、Bi2O3、Sb2O3和PbO或Cu3As也在结构中部分地沉淀。
随着氧含量增高，这些氧化物颗粒就变大，圆形的Cu2S颗粒很粗。
当贱金属于铜一起溶于电解液时，贵金属或化合物则在电解液中沉淀。
于铜一起呈固溶体存在的许多杂质表现出惰性性质，电解时在阳极表面形成阳极泥。
由于电解液存在着微量的溶解氧（一般为1.8～2.0ppm），而使各种杂质在电解液中溶解后其离子具有几种化合价，结果使阳极泥形成它们本身的电位及在电解液中的溶解度。
由杂质元素行为决定的在各电解产物（电解液、阴极铜、阳极泥）间的分布关系，还与它们在阳极中的含量、氧的含量和电解技术等条件有关。
通常将阳极铜中的杂质分为以下四类：
1）比铜显著负电性的元素，如锌、铁、锡、铅、钴、镍。
2）比铜显著正电性的元素，如银、金、铂族元素。
3）电位接近铜但较铜负电性的元素，如砷、锑、铋。
4）其他杂质，如氧、硫、硒、碲、硅。
铜电解精炼过程中，阳极杂质的行为影响到阳极泥的形成、阳极钝化和精炼操作。
“钝化”就是失去活性或活动能力的意思，电解过程中的金属钝化，是指作为电极的金属在电流的作用下某种程度地失去转入溶液的能力。
发生钝化的电极，它们所具有的电极电位，就不是该金属所固有的电位，而接近于另一种电性更正的金属的电位。
就化学反应来说，处于钝化状态的金属，就失去了被氧化，特别是被溶解的能力。
随着阳极含氧量的增加、电流密度的升高以及电解液中溶解氧和杂质离子浓度的增加，阳极钝化的可能性也明显地增大。
与阳极钝化有关的因素如图3—1所示。
这些因素包括阳极泥数量、阳极泥吸附以及浓差极化。
影响阳极泥数量的内部因素有阳极结构、杂质的含量和存在形式；外部因素包括电解液中溶解氧、电流密度和电解液中共存杂质离子。
阳极泥吸附受阳极泥的结构和形态的影响。
图3—1阳极钝化的因素
4技术操作条件
4.1商品电解槽
4.1.1电解液组成
铜电解精炼所用的电解液为含硫酸铜的硫酸水溶液。
这种溶液导电性好，发挥性小，且比较稳定，使电解过程可以在较高的温度和酸度下进行。
另外，硫酸铜的分解电压较低，砷、锑、铅等在硫酸溶液中能生成难溶化合物，因而杂质对阴极质量的影响相对较小，而且贵金属在硫酸溶液中也能得到叫完全的分离。
这些都使得以硫酸溶液作为铜电解液，比采用其他溶液如盐酸溶液、硝酸溶液、氨盐溶液等具有较大的优越性。
一般含铜40～50ｇ/L，含游离硫酸180～210g/L。
由于电解液的电阻值随着酸度的增加而降低（其关系如下表4—1所示），随着含铜量的增加而升高。
表4—1酸度对百分电阻的影响（65℃）
硫酸的浓度（g/L）
100
150
175
200
250
电解液百分电阻
140
100
88.9
80.9
70.8
这是因为H+浓度越高，电解液的离子浓度相应越大，当量电导随之增加。
但过高的含酸浓度在其它条件不变时，会使电解液粘度增加，使电解液的传质发生困难。
另外含酸量越高，硫酸铜在电解液中的溶解度降低，温度稍有降低，就会导致电解槽内硫酸铜析出。
电解液中铜离子浓度和酸度的相互影响关系由表4—2所示。
表4—225℃时硫酸铜的溶解度与硫酸含量的关系
H2SO4含量/（g/L）
40
60
90
100
150
180
Cu含量
78.73
74.82
69.61
67.33
58.51
52.22
电耗是随电解液中酸含量的增加而降低，所以为了降低电耗，一般采用高酸低铜的电解液组分较为有利。
电解液中的杂质对电解的进行十分有害。
特别是Ni、As、Sb、Bi、Fe等。
这些杂质的存在不仅使溶液的电导降低，粘度增大，使硫酸铜在电解液中的溶解度降低，从而使单位电耗增加，铜离子在溶液中的迁移速度下降，给传质带来困难。
更为重要的是，一些杂质还有可能从阴极上析出，使阴极质量不能保证，所以对电解液的杂质有所要求。
铜电解液中有害杂质含量如下表。
表4—3铜电解液有害杂质允许含量（g/L）
元素
Ni
Ai
Sb
Bi
Fe
含量
<15
<7
<0.6
<0.5
<3
4.1.2添加剂
为了获得致密、平整、光滑的优质阴极铜，除了严格控制各工序电解技术条件外，还应添加适量胶状物质和表面活性物质，以改善阴极表面质量。
但是添加剂用量并非多多益善，添加剂用量原则用量是在保证阴极质量的前提越少越好。
因为添加剂会污染电解液使电解液的性质变坏。
一般采用添加剂及其作用如下：
（1）明胶
明胶是电解作业的主要添加剂之一，作用是使析出的阴极沉积物细致光洁，改善阴极表面的物理状态。
明胶的加入量与电流密度和阳极成分有关。
适量的加入明胶，能提高电流密度，防止固体颗粒机械附着于阴极表面，提高电铜质量创造条件，当加明胶过量时，会使电解液粘度增加，槽电压升高。
明胶溶解于水加入电解液后，吸附在阴极晶粒表面上。
当阴极上部晶粒长大时，由于其表面吸附有一层不导电的胶膜，使得该突出的表面导电性比其它地方差，阻止了该突出晶粒的生长，引起更多晶粒形成，最终使阴极表面平滑且坚硬但由于胶稍微引起阴极化，使槽电压增加0.03～0.05V，引起电耗增加，通常叫的添加量为每吨30～100g。
在种板槽内，为了得到更加光滑及有韧性，适合切割及冲孔的始极片，添加剂用量甚至高达商品槽的7倍。
（2）硫脲
硫脲往往与明胶配合使用。
它是一种表面活性物质。
与明胶混合后，可使阴极铜的含气量大大降低，电流效率提高3～4%，结晶后致密程度和结晶的平均直径改善一倍左右。
根据沈冶和贵冶的经验，硫脲加入量为50～70g/t铜。
（3）干酪素
干酪素是一种复杂的蛋白质，它易溶于酸和水溶液中。
他也与明胶组成混合添加剂。
干酪素在阴极表面的尖端突起点和长粒子的活性区，由于局部电流密度显著偏高，电力线集中，不仅可吸附胶质离子，使胶膜变得更致密。
还可干酪素在酸性电解液中显碱性离解的阴离子，使胶膜变得更致密。
干酪素起的是抑制粒子生长，改变离子形状的作用，而硫脲则细化了电铜表面的条纹，干酪素一般按每吨铜20～70g加入。
该类添加剂称为补充添加剂。
补充添加剂起缓冲作用，它不会使结晶颗粒变细，从而改善胶的作用，减少胶的极化性能，轻微降低曹电压，避免胶加入过量引起的阴极过硬及长芽现象。
（4）盐酸
盐酸用来维持电解液中氯离子的含量。
电解液中氯离子可使溶入电解液中的银生成氯化银沉淀，有利于降低银的损失，还可抑制砷、锑、铋离子的活性，防止阴极产生树枝状结晶；同时还可消除阴极因含铅过高引起的钝化。
加入量一般按每吨铜250g加入。
添加剂的加入方法：
一般是降明胶、硫脲、干酪素充分溶解于
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