铜
第一部分：铜的基本知识介绍
一、铜的发展史
铜是一种传统而又现代的重要金属材料。在人类使用的所有材料中，铜对人类文明的影响最显著。从人类文明的初期直到当今进入公元第三个千年，铜对于社会的不断进步业已做出并将继续做出重大贡献。
铜是人类最早认识和使用的金属，也是人类用以制造工具的第一种金属。考古资料证实，远在一万年以前，在西亚就用铜来制作装饰件等物品。古埃及人在象形文字中，用带圈的十字架表示铜，含义是“永恒的生命”，赞誉了它经久耐用和可以重复再生使用的特性。人类从居无所定到定居，以及到从事农业生产和饲养牲畜，一直在使用铜。随着铜在生产和生活中的日益广泛应用，人类文明从石器时代步入了铜器时代。据记载，在阿纳托尼亚发现了公元前5000多年前人类社会最早的铜器，公元前 3000-4000年,西班牙韦尔瓦地区的工匠们就在提炼铜。在中东地区的西奈荒漠中出土了公元前3500年前的最早的铜炉。在埃及，公元前2750年的基厄普斯金字塔内发现了铜水管，说明当时铜在工程上已得到重要应用。约在公元前2500年，发现了铜与锡形成的合金，生产出比纯铜更坚硬耐用的青铜器和青铜工具，进入了青铜器时代。公元前一世纪罗马人开始使用铜与锌的合金——黄铜，扩大了铜合金的品种和应用范围。
在中国，4000多年前的夏禹时代就有了青铜器。距今3000－3500年的商、周年代达到了鼎盛时期。青铜器的种类、数量和制造水平远远超过了世界其它地区的任何文明。它们充分展现了中国古代社会的发达程度和中华民族先辈的高度智慧。例如，铸钟技术起源于当时的中国，从设计到制作工艺都很精细，反映了当时社会发展的水平。此后，该技术逐步传入西方，最后到达英国。英国的考古发现，铸钟出现在公元1000年左右。同时，中国也是使用金属货币最早的国家，而金属货币中，历代又以铜币为主。所以，中国古代的货币史，实际上就是铜币史。
18世纪末和19世纪初发现了电和磁，利用了铜的优异导电性能，使电的应用得以实现，促进了工业革命，并推动铜进入了一个新纪元。 随着人类社会向电气化、自动化、信息化和网络化的方向迈进，铜在生产建设、人民生活以及高新技术上的重要作用日益明显。当前微电子工业中“铜芯片”革命的兴起，以及采用xDSL (数字用户专线)技术使标准铜电话线同时运载高速数据得以实现，就是很好的例证。确实，铜不仅是一种传统的非常有用的金属，而且还是重要的现代高新技术材料。 二、铜的自然属性及特性 1、铜的自然属性
金属铜，元素符号Cu，原子量63.54，比重8.92，熔点1083℃。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。
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％。
1）火法冶炼一般是先将含铜百分之几或千分之几的原矿石，通过选矿提高到20一30％，作为铜精矿，在密闭鼓风炉、反射炉、电炉或闪速炉进行造梳熔炼，产出的熔梳（冰铜）接着送入转炉进行吹炼成粗铜，再在另一种反射炉内经过氧化精炼脱杂，或铸成阳极板进行电解，获得品位高达99．9％的电解铜。该流程简短、适应性强，铜的回收率可达95％，但因矿石中的硫在造铣和吹炼两阶段作为二氧化硫废气排出，不易回收，易造成污染。近年来出现如白银法、诺兰达法等熔池熔炼以及日本的三菱法等、火法冶炼逐渐向连续化、自动化发展。
2）现代湿法冶炼有硫酸化焙烧--->浸出--->电积，浸出--->萃取--->电积，细菌浸出等法，适于低品位复矿、氧化铜矿、含铜废矿石的堆浸、槽浸选用或就地浸出。湿法冶炼技术正在逐步推广，预计本世纪末可达总产量的20%，湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。 2、铜的特性
塑性好 易加工 良导体 无磁性 优良的合金化特性 重要的营养素和抑菌作易切削成型 铜 耐腐蚀性强 经久耐用可以再生
优良的导热体 铜的简要特性示于上图
铜与金和银在元素周期表中同属一族，因而具有与贵金属相似的优异物理和化学性能。它塑性好、易加工、耐腐蚀、无磁性、美观耐用。特别是，铜的导电和导热性除略逊于银以外，是所有金属中最好的。由于银比较昂贵，因而铜是被广泛应用的最佳导电体和导热体。工程上，把退火纯铜的导电性规定为100％,其它材料与它对比进行标定，称为IACS值（国际退火铜标准值）。因为铜的导电性对微量杂质 很敏感，所以在生产上可以用IACS值作为铜纯度的一个指标。高纯铜的IACS值可达 101.5％。高纯铝（99.996％）和工业纯铝（99.5％）的IACS值分别为64.94％和 59％。也就是说，在电气工程应用中，铜材的导电性比铝材高35％以上。
铜能与其它许多金属形成合金。例如，铜与锌的合金称为黄铜，铜与镍的合金称为白铜，铜与铝、锡等元素形成的合金称为青铜等等。铜中加入合金元素，可以提高其强度、硬度、弹性、易切削性、耐磨性以及抗腐蚀等方面的性能，用以满足不同的使用要求。 3、铜的再生性能
在所有金属中，铜的再生性能最好。废铜是铜工业的一个重要原料来源。在1997年世界铜消费量中，有37％来自再生铜。
铜的再生流程如左图所示。
冶炼厂和精炼厂 消费者 废铜按其来源有两类。一类是新废铜，它是铜工业生产过程中产生的废料。另 一类是旧废铜，它是使用后被废弃的物品。铜和铜基材料，不论处于裸露状态，还是被包在最终产品里，在产品寿命周期的各个阶段都可回收再生。一般来说，用于再生的废铜中新废铜占
废品回收 一半以上。
实际上所有的废铜都可以再生。再生工艺很简单。首先把收集的废铜进行分拣。没有受污染的废铜或成分相同的铜合金，可以回炉熔化后直接利用；被严重污染的废铜要进一
半成品加工厂 加工厂 步精炼处理去除杂质；对于相互混杂的铜合金废料，则需熔化后进行成分调整。通过这样的再生处理，铜的物理和化学性质不受损害，使它得到完全的更新。
由于废铜可以再生,从而有较高的价值。例如，清洁的1级废铜的价格可以达到新精炼铜价格的90％以上；黄铜新废料的价格也可达到相应黄铜价格的80％以上。 对于铜制品厂，由于能够收回生产过程中铜废料的价值，可使成本显著降低。
某些国家对铜的需求在很大程度上要依靠再生铜来满足国内需要。例如，美国的铜消费量居世界首位，在1976到1996年的20年间，由废铜再生提供的铜占每年铜消费量的比例在44％至54.7％。在欧洲，铜矿资源缺乏，除大量进口铜精矿外，还要依赖废铜作重要补充。据统计，1997年再生铜占总原料的42.6％。其中废铜直接利用的为22.4％，经再次精炼的为20.2％。
从矿石开采到生产出精铜，需要经历许多耗能的生产过程，能量消费大。用废铜回收生产铜，不但经济而且节能,与原生铜的生产相比可以节能80-90％。铜的再生利用不但可以有效地利用自然资源，而且有利于环境保护。影响铜再生利用的因素很多，主要有：废物收集系统的效率、技术经济因素、产品设计、社会价值以及政府的重视程度等等。对材料的合理设计、使用、再生和废弃，是保持社会可持续发展的重要内容。 4.铜与可持续发展
人类今天如何开发利用它的资源，同时又要保证明天的需要不受危害，这是保持社会可持续发展的一个重要问题。铜和铜合金在人们多姿多彩的生活中有着广泛的应用。它的生产和应用能够连续不断地进行下去，对社会发展十分重要。
铜对于发达国家和发展中国家国民经济的发展壮大起重要作用。采矿、 加工、再生，并生产出大量产品，不但创造了财富，而且提供了就业机会。 这些活动为建设一个国家的基础设施，以及创造贸易和投资机遇，做出了贡献。对于欠发达国家，为了提高生活水平，这是特别重要的。
铜以各种形式和不同的浓度分布在地壳和海洋中，形成了铜的整个资源基础。在当前的技术经济条件下，一般只有当铜矿床的含铜量超过0.5％ 时才有开采价值。这个含量会随着铜矿的处理方法和铜的提取技术的改进而降低。经常有关于某个金属“世界储量”的资料。储量指的是在所测定的当时，能够经济地提取这种材料的数量。改进提取技术和工艺，新的勘探发现，贫化以及经济条件的变化，都会引起储量水平发生变化。例如，世界铜的储量在1950年时为9000万吨，到1970和1998年时则分别跃升到 2.8亿吨和3.4亿吨。
铜的优良再生利用特性使它成为一种可以反复利用的资源。据估计，从古至今已开采出约3.5亿吨铜,其中绝大部分仍在不断地反复使用。在铜的消费中再生铜约占40％。铜基产品的使用寿命有很大差异，用于电子设备短到只有几年;在建筑上应用则可以长达超过100年。假设大多数产品的平均寿命是30年，铜的真实回收率则为85％。
总之，通过发现新矿床、技术进步、改进设计以及铜的再生利用等措施，可以不断地满足社会持续发展对铜的需求。此外，各种材料之间的竞争以及供、需原则都会影响材料的经济和有效的使用。铜必将对今后社会的发展不断做出贡献。 三、铜及铜产品分类
1、 按自然界中存在形态分类
自然铜------铜含量在99％以上，但储量极少 氧化铜矿-----为数也不多
硫化铜矿-----含铜量极低，一般在2--3%左右，世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的。 2、按生产过程分类
铜精矿----冶炼之前选出的含铜量较高的矿石。 粗铜------铜精矿冶炼后的产品，含铜量在95－98％。
纯铜------火炼或电解之后含量达99％以上的铜。火炼可得99－99.9％的纯铜，电解可以使铜的纯度达到99.95-99.99％。 3、按主要合金成份分类 黄铜-----铜锌合金
青铜-----铜锡合金等(除了锌镍外，加入其他元素的合金均称青铜) 白铜-----铜钴镍合金
4、按产品形态分类：铜管、铜棒、铜线、铜板、铜带、铜条、铜箔等
第二部分：铜的应用和消费结构
一、铜的主要用途
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。
铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上。用于各种电缆和导线，电机和变压器的绕阻，开关以及印刷线路板等。
在机械和运输车辆制造中，用于制造工业阀门和配件、仪表、滑动轴承、模具、热交换器和泵等。 在化学工业中广泛应用于制造真空器、蒸馏锅、酿造锅等。
在国防工业中用以制造子弹、炮弹、枪炮零件等，每生产100万发子弹，需用铜13--14吨。 在建筑工业中，用做各种管道、管道配件、装饰器件等。 二、铜的应用和消费结构 1、应用概貌
人类应用钢己有数千年的历史。墓葬考古发现，早在6000年前的史前时期，埃及人就使用铜器。铜是人类祖先最早应用的金属。它具有许多优异的特性和奇妙的功能，不但为人类社会的进步作出了不可磨灭的贡献；而且随着人类文明的发展不断开发出新的用途。铜既是一个古老的金属，又是一个充满生机和活力的现代工程材料。当前人类步入了丰富多彩的，以电气化和电子信息为特征的，高度文明的社会，为铜的应，用开辟了更为广阔的大地。铜以品种繁多的金属、合金和化合物的形式被人们利用，业已深深地渗入了生产和生活的各个方面，成为人类跨入21世纪取得飞速发展的一个不可缺少的重要金属。在分别介绍铜在各主要工业部门中的应用情况之前，让我们首先从铜的性能、消费结构等诸方面来看一看铜的现代应用状况 1)、铜性能的应用