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1、电解铜的铜电解车间设计 目 录1 前言11.1铜的性质11.1.1铜的物理性质11.1.2铜的化学性质31.1.3铜的主要化合物的性质31.2铜的用途41.3铜资源状况51.3.1世界铜资源51.3.2中国资源71.4中国铜的生产状况和消费81.4.1中国铜的生产状况81.4.2铜的消费91.5.1铜的湿法冶金91.5.1铜的火法冶金101.6铜的新技术121.6.1一种采用溶剂萃取净化铜电解液的方法本121.6.2分散强化型电解铜箔及其制造方法121.6.3硫化矿细菌浸出121.7设计的内容121.7.1冶金计算131.7.2重要设备及辅助设备计算131.7.3制图内容和要求132 厂址选择
2、143.1铜电解精炼流程简述163.2铜电解精炼的理论基础183.2.1阳极过程183.2.2阴极过程183.2.3阳极上杂质193.3电解液的净化204 铜电解精炼的主要设备选择215 铜电解技术指标245.1铜电解的条件245.1.1电解液组成245.1.2添加剂245.1.3电解液温度255.1.4电解液循环255.1.5电流密度255.1.6同极中心距265.2阳极寿命和阴极周期266 主要经济技术指标276.1电流效率276.2残极率276.3铜电解回收率276.4槽电压276.5直流电能电位消耗286.6硫酸单位消耗286.7蒸汽单位消耗287 电解精炼冶金计算297.1电解槽设计
3、计算297.1.1商品电解槽总数297.1.2电解槽的极板数297.1.3每槽阳极片数307.1.5种板电解槽数307.2物料平衡计算317.3铜电解精炼热平衡计算347.3.1热收入357.3.2热支出355.4净液量的计算377.5硫酸盐生产物料平衡计算387.5.1计算铜料加入量385.5.2 计算硫酸铜产品产量395.5.3一次母液体积395.6脱铜电解物料平衡计算407.7粗硫酸镍生产计算408 铜电解精炼的主要生产设备的选用428.1整流器及导电铜材料的计算428.1.1直流电源428.1.2槽边导电排448.1.3槽间导电板458.1.4短路棒468.2电解液循环系统设备及管道计
4、算468.2.1集液槽468.2.2电解液循环泵468.2.3高位槽478.2.4加热器478.2.5供液管488.2.6电解液循环管488.2.7阳极片剥机498.3车间运输设备计算及选择498.3.1起重机498.3.2叉车498.4其他设备及设施508.4.1各种辅助槽子508.4.2阳极泥放出与收集509 环保措施529.1环境保护529.2安全生产5210 车间定员54附图56参考文献61专题：铜阳极钝化机理及影响因素62致 谢68 1 前言1.1铜的性质1.1.1铜的物理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。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。
5、自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在2-3%左右。金属铜，元素符号Cu，原子量63.54,比重8.92，熔点1083Co。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色。铜具有许多可贵的物理化学特性，例如其热导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，且抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是铜锌合金，青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金。铜在地壳中的克拉克值为0.01%，世界铜储量约5000104t，主要储于智利、美国、俄罗斯、利比亚、加拿大、秘鲁、波兰、
6、菲律宾等国家。此外洋底锰結核中亦有丰富的铜。全球主要产铜国家是智利、美国、俄罗斯。已知的含铜矿物有250多种，1主要工业矿物如下表，其中最重要的是黄铜矿、斑铜矿和辉铜矿。表1-1 含铜主要供应矿物名称矿物种类分子式含铜量(%)自然元素自然铜Cu100硫化物黃铜矿CuFeS234.5斑铜矿Cu5FeS263.3辉铜矿Cu2S79.8铜 蓝CuS66.4硫砷化物和硫砷铜矿Cu3AsS448.3硫锑化物砷黝铜矿(Cu9Fe)12As4S1357.0黝铜矿(Cu9Fe)12Sb4S1352.1氧化物赤铜矿Cu2O88.8黑铜矿CuO79.8碳酸盐孔雀石CuCO3Cu(OH)257.3蓝铜矿2CuCO3
7、Cu(OH)255.1硫酸盐铜靛岩CuSO4胆矾CuSO45H2O铜叶绿矾CuFe4+3(SO4)6(OH)22H2O硅酸盐硅孔雀石CuSiO32H2O36.0除了主要矿物外，铜矿中还含有少量的其他金属，如铅、锌、镍、铁、砷、锑、铋、硒、锑、钨、钼、钴、锰等，并含有金银等贵金属和稀有金属，它们在冶炼过程中分别进入不同的产品中，所以炼铜工厂通常设有综合回收这些金属的车间。进入冶炼厂的铜矿都为浮选产出的铜精矿，品位1035%。硫化铜精矿是炼铜的主要原料。有时也处理自然铜精矿，但很次要。氧化矿可与硫化矿一起处理。未经选矿的氧化矿可直接用湿法或离析法等方法处理。我国铜资源分布很广，几乎遍及全国各地。一
8、般来说，我国硫化矿的品味较低。矿物的性质也比较复杂，原生矿与次生矿交错混乱，并有大量多金属伴生，处理也比较复杂，且需特别重视综合回收问题。铜的蒸汽压很小，在熔点温度下仅为910-5Pa。高温下，液体铜能溶解、氧、二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等气体。凝固时，溶解的气体又从铜中放出，造成铜铸件内带有气孔，影响铜的机械性能和电工性能。1.1.2铜的化学性质铜在干燥的空气中不起变化，但在含有二氧化碳的潮湿空气中则能氧化形成碱式碳酸铜（铜绿）的有毒薄膜。加热至150，铜在空气中开始氧化，高于350氧化生成Cu20和CuO。因铜为正电性元素，故不能置换酸（盐酸和硫酸）中的氢，而仅能溶于有氧化作用的酸如硝酸
9、和有氧化剂存在时的硫酸中。铜能溶于氨水及与氧、硫、卤素等化合。1.1.3铜的主要化合物的性质(1) 化铜CuS，天然硫化铜为绿色或棕黑色无定形不稳定化合物铜蓝，比重为4.68，中性或还原性气氛中加热即分解为Cu2S和S2。Cu2S不溶于水、稀硫酸和苛性钠中，但能溶于氰化钾和热硝酸中。(2) 化亚铜Cu2S，天然的硫化亚铜为辉铜矿，蓝黑色无定形或结晶形，比重为5.76，熔点为1135.它在高温下稳定或氧化成金属铜，常温下不被空气氧化，430-680下则氧化放出SO2。赤热Cu2S的可逐渐被CO2氧化和缓慢地但能完全的被H2分解。CO能氧化Cu2S。以Cu2S和FeS为主的共熔体称为冰铜。由于铜对
10、硫的亲和力大，故在冰铜吹炼时FeS先氧化造渣，剩下的Cu2S（称白铍）被吹炼成粗铜。Cu2S不溶于水和几乎不溶于稀硫酸，与浓硫酸作用生成CuSO4、CuS和SO2，溶解于浓盐酸时放出H2S。Cu2S可溶于NH4OH、HNO3、Fe2(SO4)、FeCl3、CuCl2中。(3) 氧化铜CuO，天然氧化铜为黑色无光泽的黑铜矿，比重为6.36.4。它不稳定，遇热即分解。CuO易被H2、C、CO、CxHy和较负电性的Zn、Fe、Ni等所还原。它不溶于水，但可溶于FeCl2、FeCl3、NH4OH、Fe2(SO4)、(NH4)2CO3及各种稀酸中。(4) 氧化亚铜CuO、CuO2，天然氧化亚铜称为赤铜矿
11、，比重为6.11，熔点为1235。它高温稳定，在2200以上才完全分解，在1060以下时则部分或全部变为。CuO2也易被H2、C、CO、CxHy和Zn、Fe或其它对氧亲和力强的元素所还原。高温时进行的反应：2Cu2O+Cu2S=6Cu+ SO2是冰铜吹炼成粗铜的理论基础。该反应在450开始至1100完成。吹炼时，由于铜对硫的亲和力大于铁，而铁对氧的亲和力大于铜，是反应CuO2+FeS=Cu2S+FeO向右进行到底。因此在冰铜中的未完全氧化造渣以前，理论上Cu2S是不会被氧化的。CuO2也不溶于水，但溶于HCl、H2SO4、FeCl2、FeCl3、Fe2(SO4)、NH4OH、等溶剂中，这些反应
12、为湿法冶金所应用。(5) 硅酸铜xCunySi2zH2O自然界中的硅酸铜有硅孔雀石CuOSiO2H2O和透视石CuOSiOH2O。它们在高温下分解成稳定的2Cu2OSiO2，后者易被H2、C、CO等还原，也易被FeO、CaO等强碱性氧化物和铜、铁硫化物分解，并能溶于浓硝酸、稀醋酸、盐酸和硫酸中。(6) 硫酸铜CuSO4，自然界的硫酸铜为天蓝色三斜晶体系结晶的胆矾。无水硫酸铜为白色粉末，加热时分解成CuO和SO3(SO2+O2)。硫酸铜易溶于水,铁、锌等可从硫酸铜中置换出铜。(7) 氯化铜CuCl2，氯化铜无天然矿物，人造氯化铜为褐色粉末。熔点为498。沸点低，易挥发，也溶于水。氯化铜不稳定，加
13、热至340即分解生成白色粉末的氯化亚铜：CuCl2=Cu2Cl2+Cl2。1.2铜的用途(1) 铜的导电性 铜最重要的特性之一便是其具有极佳的导电性，其电导率为58m/(mm2)。这一特性使得铜大量应用于电子、电气、电信和电子行业。铜的这种高导电性与取原子结构有关；当多个单独存在的铜原子结合成铜块时，其价电子将不再局限于铜原子之中，因而可以在全部的固态铜中自由移动，其导电性仅次于银。铜的导电性国际标准为：长1m重1g的铜在20时的导电量公认为100%。现在的铜炼技术已经可以生产出同品级铜的导电量比这个国际标准高出4%5% 。(2) 铜的导热性 固体铜中含有自由电子所产生的另一重要效应就是其拥有
14、极高的导热性，其热导性为386W/(m.k)，导热性仅次于银。加之铜比金、银储量更丰富,价格更便宜，因此被制成电线电缆、接插件端子、汇流排、引线框架等各种产品，广泛用于电子电气、电讯和电子行业。铜还有各种换热设备如热交换器、冷凝器、散热器的关键材料，被广泛应用于电站辅机、空调、制冷、汽车水箱、太阳能集热器栅板、海水淡化以及医药、化工、冶金等各种换热场合。(3) 铜的耐蚀性 铜具有良好的耐蚀性能，优于普通钢材，在碱性气氛中优于铝。铜的电位序中是+0.34V，比氢高，是电位较正的金属。铜在淡水中的腐蚀速度也很低(约0.05mm/a)。并且铜管用于运送自来水时，管壁不沉积矿物质，这点是铁制水管所远不能及的。正因为这一特性，高级卫浴给水装置中大量使用铜制水管、龙头及有关设备。铜极耐大气腐蚀，其在表面可形成一层主要有碱式硫酸铜组成的保护薄膜，即铜绿，其化学成分为CuS04*Cu(OH)2及CuSO4*3Cu(OH)2。因此铜材被用于建筑屋屋面板、雨水管、上下管道、管件;化工和医药容器、反应釜、纸浆滤网;舰船设备、螺旋桨、生活和消防管网；冲制种类硬
