三万吨铜电解车间设计

年产3万吨电解铜电解车间设计学院:冶金材料学院班级:冶金1028班姓名:杨天发学号:1000000330指导教师:黄卉年产3万吨电解铜电解车间设计第一章：绪论1.1铜的性质及发展史铜是人类最早发现和使用的有色金属之一。大约在公元钱4000年，波斯人就已经掌握了炼铜技术。公元3000年，埃及印度等地区已出现较高水平的炼铜业。欧洲在公元2000年采用硫化铜炼铜。我国新石器时代后期开始使用铜夏代即开始进入青铜器时代；在商周时期（公元前16世纪）青铜的冶炼和铸造技术已经很发达。在湖北大冶县境内发现铜绿山矿冶遗址始于西周末年，是我国目前发下规模最大，保存最完整的古代铜矿遗址。铜冶炼技术发展是一个漫长的过程，铜的冶炼至今乃以火法为主，其产量占世界铜产量的80％。摘《重金属冶金学》1.1.1铜的化学性质铜的原子序数是29，相对原子质量：63.546（中学阶段计算题取64)铜位于元素周期表第四周期，IB族。是一种过渡金属。铜呈紫红色光泽的金属，常见化合价+1和+2。铜和它的一些合金有较好的耐腐蚀能力，在干燥的空气里很稳定。但在潮湿的空气里在其表面可以生成一层绿色的碱式碳酸铜Cu2（OH）2CO3，这叫铜绿。可溶于硝酸和热浓硫酸，略溶于盐酸。容易被碱侵蚀。铜是不太活泼的重金属元素。在常温下不与干燥空气中的氧反应。但加热时能与氧化合成黑色的氧化铜；继续在很高的温度下燃烧就生成红色的氧化亚铜Cu2O，Cu2O有毒，广泛应用于船底漆，防止寄生的动植物在船底生长。在潮湿的空气里，铜的表面慢慢生成一层绿色的铜锈，其成分主要是碱式碳酸铜；在电位顺序中，铜在氢之后，所以铜不能与稀盐酸或稀硫酸作用放出氢气。但在空气中铜可以缓慢溶解于稀酸中生成铜盐；铜容易被硝酸或热浓硫酸等氧化性酸氧化而溶解；常温下铜就能与卤素直接化合，加热时铜能与硫直接化合生成硫化铜。此外，铜还能与三氯化铁作用。在无线电工业上，常利用FeCl3溶液来刻蚀铜，以制造印刷线路。1.1.2铜的物理性质铜的密度8.92克/立方厘米。熔点1083.4±0.2℃，沸点2567℃。电离能7.726电子伏特。铜是人类发现最早的金属之一，也是最好的纯金属之一，稍硬、极坚韧、耐磨损。还有很好的延展性。导热和导电性能较好。1.1.3铜矿资源简介在有色金属中，铜的产量和耗用量仅次于铝，居第二位。主要铜矿物介绍：a.斑铜矿铜和铁的硫化物（Cu5FeS4）矿物，含铜量63.3%，提炼铜的主要矿物原料之一。为等轴晶系，其高温变体为等轴晶系，称等轴斑铜矿。表面易氧化呈蓝紫斑状的锖色，因而得名。新鲜断面呈暗铜红色，金属光泽，莫氏硬度3，比重4.9～5.0。常呈致密块状或分散粒状见于各种类型的铜矿床中，并常与黄铜矿共生。也形成于铜矿床的次生富集带，但不稳定，而被次生辉铜矿和铜蓝置换。在地表易风化成孔雀石和蓝铜矿。中国云南东川等铜矿床中有大量的斑铜矿。世界代表性产地是美国蒙大那州的比尤特，墨西哥卡纳内阿和智利丘基卡马塔等。化学组成：Cu5FeS4,Cu63.33%,Fe11.12%,S25.55%。由于斑铜矿经常含有黄铜矿，辉铜矿显微包裹体，其实际成份变动很大；因为在高温时（400℃）斑铜矿与黄铜矿，辉铜矿呈固溶体，低温时发生固溶体离溶;黝铜矿b.黝铜矿是一种铜、锑的硫化物矿物，通常产在矿脉中，与铜、银、铅和锌的矿物共生，黝铜矿常含有一些砷，并随砷的含量增加，向砷黝铜矿过渡，砷黝铜矿是固溶体的砷端成员。这两个矿物的产状、四面体的晶体外形和物理性质都很相似，以至不用化学方法就不能区别它们。虽然，铜是主要的金属，但是，铁和锌常替代铜。在含银的变种，银黝铜矿中，银含量可高达18%，使这矿物成为一个有价值的银的矿石矿物。化学成分：黝铜矿的化学成分为Cu12Sb4S13、晶体属等轴晶系的硫盐矿物。单晶体常呈四面体(tetrahedron),英文名即由此而来。c.黑铜矿黑铜矿（黑铜矿变种与硅孔雀石半生）矿物概述：化学组成：CuO;Cu79.89%,O20.11%鉴定特征：显微镜下具有强非均质性。d.黄铜矿（chalcopyrite)是一种铜铁硫化物矿物。化学式：CuFeS2，常含微量的金、银等。正方晶系，晶体相对少见，为四面体状；多呈不规则粒状及致密块状集合体，也有肾状、葡萄状集合体。黄铜黄色，时有斑状锖色。条痕为微带绿的黑色。黄铜矿是一种较常见的铜矿物，几乎可形成于不同的环境下。但主要是热液作用和接触交代作用的产物，常可形成具一定规模的矿床。产地遍布世界各地。世界铜资源：世界铜矿山产量1352.56万吨。世界市场供大于求。2003年，世界铜探明储量为47000万吨，其中，智利16000万吨、美国3500万吨、秘鲁3500万吨、波兰3100万吨、印度尼西亚2800万吨、墨西哥2700万吨、中国2600万吨、俄罗斯21300万吨、赞比亚1900万吨。储量基础94000万吨（中国6300万吨、智利36000万吨、美国7000万吨、秘鲁6000万吨、澳大利亚4300万吨、印度尼西亚3800万吨、赞比亚3500万吨等）。世界铜金属储量超过500万吨的超大型铜矿有50多处。据美国地质调查局估计，世界陆地铜资源量为16亿吨，深海底和海山区的锰结核中的铜资源量为7亿吨。此外，洋底或深海多金属硫化物矿床，也含有大量的铜资源1.2.1铜的用途及国际国内铜的消费结构：在电器、输电和电子工业中用量最大，据统计，世界上生产的铜，近一半消耗在电器工业中。军事上用铜制造各种子弹、炮弹、舰艇冷凝管和热交换器以及各咱仪表的弹性元件等。还可用来制作轴承、轴瓦、油管、阀门、泵体，以及高压蒸汽设备、医疗器械、光学仪器、装饰材料及金属艺术品和各种日用器具等。国内铜消费结构大致如下：电力53%、电子6%、交通运输9%、建筑2%、空调10%、冰箱2%，其他18%。据世界矿产资源年评，2002年世界精炼铜消费量为1495.7万吨，用于建筑业44%，电器和电子工业25%，机械制造工业10%，运输设备11%，日用消费10%。同年，世界精炼铜的产量为1534万吨，回收铜废料557.5万吨，占精炼铜总产量的36.3%。1.2.2国内现状铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝1.2.3铜在电力工业中的应用电力输送线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和连接器等。电机制造定子、转子和轴头、中空导线等。通讯电缆及住宅电气线路需使用大量的铜导线。1.2.4铜在电子工业中的应用电真空器件高频和超高频发射管、渡导管、磁控管等，它们需要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。印刷电路铜印刷电路需要大量的铜箔和铜基钎焊材料。集成电路以铜代替硅芯片中的铝作互连线和引线框架，可以获得30％的效能增益。1.2.5铜在交通工业中的应用船舶铜合金，包括铝青铜、锰青铜、铝黄铜、炮铜(锡锌青铜)，白铜以及镍铜合金(蒙乃尔合金)，是造船的标准材料之一。在军舰和商船的自重中铜和铜合金一般占2％～3％，如铝青铜螺旋浆、螺栓、铆钉、冷凝管、含铜包覆油漆等。汽车铜和铜合金主要用于散热器、制动系统管路、液压装置、齿轮、轴承、刹车摩擦片、配电和电力系统、垫圈以及各种接头、配件和饰件等，每辆汽车用铜10～20kg，小轿车用铜约占自重的6％～9％。铁路列车上的电机、整流器以及控制、制动、电气和信号系统等都要依靠铜和铜合金来工作。此外，铁路的电气化对铜和铜合金的需要量很大，每公里的架空导线需用2t以上的异型铜线。飞机飞机中的配线、液压、冷却和气动系统需使用铜材，轴承保持器和起落架轴承采用铝青铜管材，导航仪表应用抗磁铜合金。1.2.6铜在机械和冶金工业中的应用机械工程除了电机、电路、油压系统、气压系统和控制系统中大量用铜以外，各种传动件和固定件，如缸套、齿轮、蜗轮、蜗杆、连接件、紧固件、扭拧件、螺钉、螺母等，都需要以铜或铜合金减磨和润滑。冶金设备连续铸造技术中的关键部件??结晶器。大都采用铬铜、银铜等高强度和高导热性的铜合金制造，电冶金中的真空电弧炉和电渣炉水冷坩埚使用铜管材制造，各种感应加热的感应线圈都是用铜管或异型铜管绕制而成，内中通水冷却。合金添加剂铜是钢铁和铝等合金中的重要添加元素。少量铜（0.2％～0.5％）加入低合金结构用钢中，可以提高钢的强度及耐大气和海洋腐蚀性能。在耐蚀铸铁和不锈钢中加入铜，可以进一步提高它们的耐蚀性。含铜30％左右的高镍合金是著名的高强度耐蚀“蒙乃尔合金”，在核工业中广泛使用。轻工业中，铜及铜合金可用于制造空调器的热交换器、钟表机芯、造纸机的网布、辊轮、印刷铜版、发酵罐内衬、蒸馏锅、建筑装饰构件等。铜不但在传统工业中有广泛应用，而且在新兴产业以及高科技领域中也发挥着重要作用，例如超导合金的包套、超低温介质的容器与管路、火箭发动机的冷却内村、高能加速器的磁体绕组等。从铜的总体应用来看，电气、机械工业和建筑业是铜的消费大户。据统计，美国、日本和西欧国家20世纪80年代中期的精铜消费中，电气工业占47.8%，机械制造业占23．8％，建筑业占15.8％，运输业占8.8％，其他占8％。20世纪90年代后，西方国家铜消费的行业分布发生了巨大变化。以美国为例，1998年铜消费中，建筑业占41.4％，电器电子产品占26.0％，运输设备12.4％，机械制造11.2％，其他9.0％。与发达国家相比，我国的电子、电气行业与机械制造业消费的铜占总消费的比例偏高，而建筑业及交通运输业消费铜相对较少。2002年，中国的铜消费量达到了250万吨，占全球铜消费量的17％，从而取代美国，成为世界第一大铜消费国。1.3铜在国民经济中的地位和作用1.4铜冶金的基本方法分为火法冶炼和湿法冶炼1.4.1铜的火法冶炼铜冶炼技术的发展经历了漫长的过程,但至今铜的冶炼仍以火法冶炼为主,其产量约占世界铜总产量的85%硫化铜精矿处理有两种工艺,一是硫化精矿先经过死焙烧，再还原熔炼得到粗铜；其二是硫化精矿经过造锍熔炼得到铜锍，再将铜锍吹炼成粗铜。世界上一般采用造锍熔炼-铜锍吹炼来处理硫化精矿。1.4.1.1铜的造锍熔炼现在造锍熔炼是在1150-1250的高温下。是硫化精矿和溶剂在熔炼炉内进行熔炼。炉料中的铜.硫与硫化铁形成液态铜锍。铜锍是以FeS-Cu2S为主，熔有金属金，银，铂族金属及其他少量的金属硫化物共熔体。在进行造锍熔炼时候投入熔炼炉内的炉料有硫化铜精矿，各种返料以及溶剂。这些炉料在路内发生一系列的物理化学变化，最终形成烟气以及互不相容的铜锍和炉渣。发生的反应有：A高价硫化物分解反应B硫化物氧化反应C造锍反应D造渣反应工业上常用的铜熔炼方法：铜的闪速熔炼铜的熔池熔炼1.4.1.2铜锍的吹炼造锍过程完成了大部分铜与铁的分离，欲获得粗铜还得对铜锍进行吹炼，以除去铜锍中的铁，硫以及其他杂质。在吹炼过程中，金，银，铂族元素全部富集于粗铜中，为有效的提取这些金属创造了有利条件。目前铜锍的吹炼绝大多数是在卧式侧吹转炉内进行。转炉吹炼是间歇式周期性作业，整个过程分为两个阶段（或周期）：（1）造渣期（2）造铜期1.4.1.3铜的火法精炼铜锍吹炼产出的粗铜中，含有铜98.5-99.5%.含杂质0.5-1.5%。还有一定数量的具有回收有价值的金属。杂质主要是镍，铅，砷，锑，铋，硫和氧，需要除去稀贵金属需要回收。所以对粗铜必须进行精炼。基本过程：铜火法精炼包括氧化脱硫等杂质和还原脱氧两个基本过程。氧化过程又称氧化精炼期，主要是脱除粗铜中的硫、铁、铅、锌、镍、砷、锑、锡和秘等杂质。熔池中待精炼熔体质量的98%以上是铜，所以氧化过程一开始，首先是铜被鼓入熔池的空气中的氧所氧化:4Cu+O2一2Cu2O生成的Cu2O溶解于铜液中，在操作温度1373一1523K条件下，CuZO在铜中溶解度为6%一13%。铜中杂质金属(Me‘)遇溶解在铜液中的Cu2O时便发生反应:Cu2O+Me，一Me，O十2Cu由于M日O在铜中溶解度很小，而铜的浓度在杂质氧化时几乎不发生变化，可视为常数，上式的反应平衡常数为:K‘=〔Cu2O〕〔Me，〕K‘或〔Me‘〕〔Cu2O〕式中表明，Cu2O的浓度越高，杂质金属