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来源: 更新时间: 2020-04-02

一、铜的性质
      铜的化学符号是Cu(拉丁语:Cuprum),相对原子质量:63.546,是一种过渡金属。铜是呈紫红色光泽的金属,密度8.96克/立方厘米,熔点1083.4±0.2℃,沸点2567℃。铜是优良的导电体和导热体,电导率为银的94%,电阻率(20℃)1.75×10-8Ω.m,热导率(0~100℃)397W/(m•K),为银的73.2%,所以在电力行业和空调制冷行业得到广泛应用(如图2-1)。铜在干燥空气中不氧化,在含有二氧化碳的潮湿空气里表面生成一层绿色的碱式碳酸铜Cu2(OH)2CO3,叫铜绿。
二、铜的主要用途
      古往今来,铜都是用途较为广泛的有色金属。铜可以与锌、铅、镍、铝和钛组合成合金。铜及其合金被广泛地应用于电器、机械、车辆、船舶工业和民用器具等方面,是现代工业、农业、国防和科学技术不可缺少的金属。据中国有色金属工业协会(以下简称“有色协会”,英文简称“CNIA”)统计,2010年中国铜消费量680万吨,主要的用铜行业为电力、电子通讯、日用消费品、机械制造等。
      1.电力行业:由于铜具有良好的导电性,制作电线电缆耗铜量约占电力行业的80%~85%,其余的用于制造发电设备、电动机、变压器、电工器件等。电气行业年均耗铜量占中国铜消费量的40%左右,是中国最大的铜消费行业,这与西方发达国家以建筑行业为主不同。
      2.电子通讯:电子行业是中国新兴产业,包括广播通讯、电视、电子计算机、雷达、电子元器件等行业,使用大量精细的铜、铜合金及加工材,耗铜量增长迅速。电子行业年均耗铜量占16%左右,是中国第二大的铜消费行业。
      3.日用消费品:包括冰箱、空调、洗衣机、电风扇及小家电等家用电器制造;炊具、门锁、水具、文教体育用品、工艺美术品、衡器、小工具等家用五金制造;玩具制造;家具制造;自行车及其零配件制造;服饰装饰制造等。日用消费品年均耗铜量占15%左右,是中国第三大的铜消费行业。
      4.机械制造业:铜及铜合金是机械制造业的基础材料,广泛应用于工程农业机械、仪器仪表、石油化工、机械、机床工具、通用基础件、食品及包装机械、民用机械等行业。应用形式有常用的铜合金、铸造用铜合金及各种铜加工材。机械制造业年均消耗铜量占全国铜消费量的10.25%,是中国第四大的铜消费行业。
      5.交通运输业:交通运输是中国重点发展的行业,尤以汽车工业最为突出,目前每生产一辆汽车平均耗铜量约24kg。中国汽车产量增长速度很快,耗铜量也相对增加;铁路、船舶、航空等部门也是耗铜大户。交通运输业年均耗铜量占全国铜消费量的7%左右。
     6.建筑业:包括建筑用水管、装饰材料、结构材料等,年均耗铜量占中国铜消费量的3.12%,远低于美国和日本的铜消费水平。
     7.其他行业:航天、兵器、核工业及军需品制造等。
三、铜的资源
      铜矿石,是铜矿中开采出来的矿石,能经过选矿成为含铜品位较高的铜精矿或者说是铜矿砂,铜精矿需要经过冶炼提纯,才能成为精铜及铜制品。自然界中含铜的矿物有280多种,其中工业矿物12种,最常见的只有6~7种,铜矿石种类主要有:自然铜、黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿、蓝铜矿、铜蓝等。
      应用领域:铜矿石主要应用于冶金行业,作为冶金行业的原材料。比较重要的工业类型有斑岩铜矿、砂(页)岩铜矿、含铜黄铁矿、铜镍硫化矿、脉状铜矿、矽卡岩铜矿及碳酸岩铜矿。
      其中居第一位的斑岩型铜矿,其储量占世界总储量的53.5%左右,矿床规模大、品位低、埋藏浅,多数可露天开采;常含金和钼等伴生金属,可综合回收;矿石含铜0.3%~1.5%,钼0.001%~1.03%,原生矿品位偏低,次生富集带中品位较高;最大的成矿带为环太平洋成矿带,铜储量占该类型铜储量的90%以上,其中重要的成矿区有秘鲁-智利成矿区、美国-墨西哥成矿区、加拿大成矿区和菲律宾-新几内亚岛成矿区,其次为地中海-亚洲成矿带和哈萨克斯坦-蒙古成矿带。
居第二位的是沉积及沉积变质型铜矿,其储量占总储量的31%,矿床一般规模大、品位高,含钴、金、银等伴生有用组分,选矿回收率高;最大铜矿区是非洲铜矿带,其次是俄罗斯的乌多坎铜矿区、美国的怀特派恩矿区等。
居第三位的是火山岩黄铁矿型铜矿,其储量占总储量的9%,矿床规模以中、小型为主,少数也有大型,多数矿石含铜大于1%;常含不等量的钴、锌、铅、金、银等伴生有益组分,可综合回收。岩浆型矿床规模以中小型为主,少数为大型,含镍、钴和铂族金属等伴生有益组分,主要分布在俄罗斯、加拿大、美国、南非及澳大利亚等地。矽卡岩型铜矿床在世界总储量中所占比重不大,但对于日本、俄罗斯等国显得重要。
     中国是世界上铜矿较多的国家之一。据国土资源部储量通报,2009年中国铜查明资源储量8000多万吨。铜矿分布广泛,除天津、香港外,包括上海、重庆、台湾在内的全国各省(市、区)皆有产出(如图3-3所示),已探明储量的矿区有910处。江西铜储量位居全国榜首,占20.8%,西藏次之,占15%;再次为云南、甘肃、安徽、内蒙古、山西、湖北等省区,各省区铜储量均在300万吨以上。从矿床类型看,以斑岩型铜矿为主,如江西德兴特大型斑岩铜矿和西藏玉龙大型斑岩铜矿;其次为铜镍硫化物矿床(如甘肃自家嘴子铜镍矿),夕卡岩型铜矿(如湖北铜绿山铜矿、安徽铜官山铜矿),火山岩型铜矿(如甘肃白银厂铜矿等);沉积岩中层状铜矿(如山西中条山铜矿、云南东川式铜矿),陆相砂岩型铜矿(如云南六直铜矿)以及少量热液脉状铜矿等。从铜矿形成时代来看,从太古宙至第三纪皆有铜矿形成。但从储量规模和矿床数量来看,则主要集中在中生代和元古宙。中生代铜矿多与侵位浅的中酸性岩浆活动有关,如德兴铜矿;元古宙铜矿多与海相火山岩浆活动有关,如甘肃白银厂铜矿;两者相比,又以中生代斑岩型铜矿最为重要。
      资源特点:(1)可供开发建设的大型铜矿少。现在全球探明铜储量超过500万吨的超大型铜矿有60个,中国只有江西德兴铜矿(524万吨)、西藏玉龙矿床(650万吨)、西藏驱龙铜矿(截至2007年底累计探明储量突破1000万吨)3个铜矿。中国大型铜矿(铜储量>50万吨),在已勘查的1113处矿产地中仅占3%,中小型矿床占97%以上。(2)矿石品位低,富矿大部分已利用。中国铜矿平均品位为0.87%,品位高于1%的储量占全国铜总储量的32.4%。就矿床类型而言,富矿(品位>1%)矿床主要是矽卡岩型铜矿和火山岩型块状硫化物矿床。贫矿(品位<0.4%)的矿床主要是一些斑岩型铜钼矿和伴生在其他金属矿床的矿石,在目前铜价较高的情况下,0.4%以上的贫矿储量基本上具备开采价值。在查明资源储量中,以斑岩型矿床为主,占查明资源储量的42.2%。余下依次为:矽卡岩型矿床占22.4%,海相火山岩型矿床占14.6%,砂页岩型矿床占11.7%,铜镍硫化物型矿床占6.2%,其他类型矿床占2.9%。(3)坑采矿多、露采矿少。目前,大中型铜矿山多数是地下采矿,适合露天开采的矿床很少,仅有江西德兴铜矿、永平、湖北铜录山、铜山口、四川拉拉铜厂矿等少数矿床可以露天开采。
       中国铜矿资源开发优势不足,从而导致较长时期内矿产铜产量一直徘徊不前。在2000年-2010年期间,中国铜精矿产量平均增长速度为5%左右,是一个增长较快的时期,但远低于精铜产量增长速度。特别在2000年-2003年期间,国内外市场铜价低位运行,使国内铜精矿年产量(金属含量)一直在60万吨以下徘徊。虽然近年来中国加大了矿业开发的力度,但仍远不能满足国内对铜的需求。铜原料供应短缺,已经成为制约中国铜工业发展的瓶颈。
目前中国所有的铜冶炼厂均存在原料自给率明显不足的情况,资源矛盾尤为突出。根据目前中国铜矿储量和地质勘查进展情况,近两年国内新开发矿山只有西藏玉龙、西藏甲玛铜矿、青海德尔尼、黑龙江多宝山、江西德兴富家坞等矿山,可增加铜精矿金属含量生产能力约14万吨/年,扣除老矿山下降的生产能力,2010年国内矿山铜原料供应能力为115万吨/年。根据有关资料显示,全国资源储量大于50万吨(铜金属量)的矿产地40处,其中生产和基建34处,计划近期开发3处,几乎没有可供近期建设大型新矿山的后备资源储量基地了。
四、铜的提取与制备
       目前,中国勘探和开采的铜或铜多金属矿床,大部分铜矿石都要经过选矿富集成铜精矿才能冶炼成铜金属。
       1.铜矿开采
       铜矿主要开采方式分两种:露天开采和地下开采。除了这两种方法外,还有溶浸采矿。
       2.铜矿选矿
选矿是利用物理或化学方法将矿物原料中的有用矿物和无用脉石(或有害矿物)分开,或将多种有用矿物分离开的工艺过程。选矿过程主要由解离和选别两部分组成。解离包括破碎、磨矿、筛分、分级、洗矿等作业。选别方法分浮选、重选、电选、拣选、化学选矿等。辅助作业包括脱水、干燥及选矿过程自动控制。目前应用最广的是浮选,利用各种矿物原料颗粒表面对水的润湿性(疏水性或亲水性)的差别而进行分离。为正确选用各种选矿方法和合理制定选矿工艺流程,需要事先研究矿床物质成分,查明矿石自然类型,鉴定矿石物质组成、结构构造、嵌布粒度和矿物可选性能以及有益有害元素赋存状态等。
选矿流程主要包括破碎、筛分流程,磨矿、分级流程,分选流程和脱水流程等。
      3.铜的冶炼
     (1)火法炼铜
       火法炼铜是将铜精矿和熔剂一起在高温下熔化,先炼成铜锍(又称冰铜)然后再炼成粗铜或直接炼成粗铜,粗铜再经过精炼得到精炼铜(或称电铜)。目前世界上80%以上的铜是由火法炼得,中国也多用此法。该法除部分预备作业及电解精炼作业外,均在高温下进行。
火法流程最大的优点是适应性广,对各种不同的铜精矿均能处理,特别是对一般硫化矿和富氧化矿很适用。
自20世纪60年代以来,世界火法铜冶炼技术有了长足的发展,传统的冶炼工艺(反射炉、电炉、鼓风炉等)正迅速被新的强化冶炼工艺所取代,到目前为止世界上绝大部分铜冶炼企业采用了新工艺进行生产。这些新的强化工艺包括:奥托昆普闪速熔炼、“双闪”冶铜以及熔池熔炼工艺(澳斯麦特/艾萨法、诺兰达法、三菱法),还有中国自主创新炼铜新工艺,氧气底吹熔炼炼铜工艺。
火法炼铜工艺包括原料制备、熔炼、吹炼、精炼等工序。
熔炼:熔炼其目的是使铜精矿中的部分铁氧化,并与脉石、熔剂等造渣除去,产出含铜较高的铜锍(xCu2S•yFeS)。铜锍中铜、铁、硫的总量常占93%~97%,炉料中的贵金属,几乎全部进入铜锍。
       铜锍含铜量取决于熔炼进行的程度,世界铜锍品位一般含铜30%~70%。生产高品位铜锍,可更多地利用硫化物反应热,还可缩短下一工序的吹炼时间。熔炼炉渣含铜与铜锍品位有关,弃渣含铜一般在0.4%~0.5%。熔炼过程主要反应为:
2CuFeS2→Cu2S+2FeS+S
Cu2O+FeS→Cu2S+FeO
2FeS+3O2+SiO2→2FeO•SiO2+2SO2
2FeO+SiO2→2FeO•SiO2
        新建的现代化大型炼铜厂多采用闪速炉、澳斯麦特/艾萨炉、诺兰达炉、三菱炉等。
        铜锍吹炼:利用硫化亚铁比硫化亚铜易于氧化的特点,在卧式转炉中,往熔融的铜锍中鼓入空气,使硫化亚铁氧化成氧化亚铁,并与加入的石英熔剂造渣除去,同时部分脱除其他杂质,而后继续鼓风,使硫化亚铜中的硫氧化进入烟气,得到含铜96%~98%的粗铜,贵金属也进入粗铜中。
        一个吹炼周期分为两个阶段:
        第一阶段,即造渣期,将FeS氧化成FeO,造渣除去,得到铜锍(Cu2S)。冶炼温度1150℃~1250℃。主要反应是:
2FeS+3O2→2FeO+2SO2
2FeO+SiO2→2FeO•SiO2
        第二阶段,造粗铜期,冶炼温度1200℃~1280℃,将铜锍按以下反应吹炼成粗铜:
2Cu2S+3O2→2Cu2O+2SO2
Cu2S+2Cu2O→6Cu+SO2
        铜锍吹炼是放热反应,可自热进行,通常还须加入部分冷料吸收其过剩热量。吹炼后的炉渣含铜较高,一般为2%~5%,返回熔炼炉或以选矿、电炉贫化等方法处理。吹炼烟气含SO2浓度较高,一般为8%~12%,可以制酸。吹炼一般用卧式转炉,间断操作。表压约1kgf/cm2的空气通过沿转炉长度方向安设的一排风眼鼓入熔体,加料、排渣、出铜和排烟都经过炉体上的炉口。其他吹炼方法有闪速吹炼、三菱法吹炼和顶吹浸没吹炼等。
粗铜精炼:分火法精炼和电解精炼。火法精炼是利用某些杂质对氧的亲和力大于铜,而其氧化物又不溶于铜液等性质,通过氧化造渣或挥发除去。其过程是将液态铜加入精炼炉升温或固态铜料加入炉内熔化,然后向铜液中鼓风氧化,使杂质挥发、造渣;扒出炉渣后,大部分运用无烟精煤和天然气等方法还原其中的氧化铜。还原过程中用木炭或焦炭覆盖铜液表面,以防再氧化。精炼后可铸成电解精炼所用的铜阳极或铜锭。精炼炉渣含铜较高,可返回吹炼炉处理。精炼作业在反射炉或回转精炼炉内进行。
火法精炼的产品叫火精铜,一般含铜99.5%以上。火精铜中常含有金、银等贵金属和少量杂质,通常要进行电解精炼。若金、银和有害杂质含量很少,可直接铸成商品铜锭。
         电解精炼是以火法精炼的铜为阳极,以铜始极片或不锈钢板作为阴极,在含硫酸铜的酸性溶液中进行。电解产出含铜99.95%以上的电铜,而金、银、硒、碲等富集在阳极泥中。
        (2)湿法炼铜
        湿法炼铜是在常温、常压或高压下用溶剂使铜从矿石中浸出,然后从浸出液中除去各种杂质,再将铜从浸出液中用萃取-电积法提取出来。当前世界上铜产量约有15%由该法制得。对氧化铜矿和自然铜矿,大多数可用溶剂直接浸出;而硫化铜矿则一般先经焙烧,然后溶浸,或用高压浸出。如图4-9所示为氧化铜矿湿法生产铜的原理流程。
火法炼铜与湿法炼铜的根本差别,在于湿法浸出时,只有铜和少数其他成分溶解,绝大多数的脉石成分和杂质仍留在浸出渣中。湿法过程可在常温下进行,不需要更多的燃料;不造渣;产品输送方便;劳动条件较好;无烟害。从今后铜资源的变化情况看,铜矿日益贫化,将会遇到低品位难选复合矿处理的问题更多,这会促使湿法冶金向前发展。然而,湿法炼铜发展至令,尚有其不足之处,诸如适用范围还不如火法炼铜广,一般硫化矿用溶剂浸出比较困难,溶剂对设备有腐蚀,堆浸和地下浸出要特别注意浸出液泄漏污染问题。
总之,火法和湿法炼铜都各有利弊,选用哪种方法,应根据矿物的特点、当地的经济情况、交通运输情况、地理条件、气候条件,特别是应根据矿物特点(化学成分、物相组成、含铜量、脉石组成等)和当地经济条件(燃料、水、电、耐火材料等)而定。   
       五、铜的深加工及其应用
       中国铜加工技术与装备总体评价是:先进与落后并存。中铝洛阳铜业公司、宁波金田铜业公司、金龙精密铜管等大型企业,技术与装备已进入世界先进行列。但是多数中小企业,技术与装备还相当落后,产品质量不稳定、环境污染,由此形成了中国铜加工业大而不强的现状,尚未从根本上改变国内高、精、尖铜加工产品仍然依靠进口的被动局面。不过,当前中国铜加工业生产技术及装备正在以较快的速度提高,涉及范围包括产品开发、技术和工艺创新、装备的研制等众多方面,特别是在节能、节材、缩短工艺流程、降低生产成本、增加产品品种、提高产品质量等方面取得重要进展,使中国铜加工业整体竞争力得到明显提升。
       铜及合金加工包括合金制备、熔炼铸造、压力加工等重要工序,铜经过加工可以获得不同性能、不同颜色、不同形状的各种材料,用于国民经济和人民生活各方面;铜的加工已从原始个体劳动、简单火法熔炼、工具锤打等落后生产方式发展到今天高度现代化、微机控制、高度机械化的大工业。以压力加工为例,已形成感应电熔炼、连续铸锭、高精度热的铜制品有板、带、条、箔、管、棒、型、线等;为进一步提高生产效率、节省能源、节省金属损耗、保护环境,铜及合金熔炼及压力加工中采用了保护气体熔炼、无氧化加热、保护气体退火、无酸洗生产、板带材卷式生产法、管样材盘式生产法、线材连铸连轧法等,已成为重要的生产技术;进一步压缩热加工工序,实现铜材生产从原料直至加工材成品的连续化生产是今后铜加工的发展目标。
       中国铜及合金分类习惯于按着色泽分类,一般分为四大类:
             紫铜:系指纯铜,主要品种有无氧铜、紫铜、磷脱氧铜、银铜;
             黄铜:系指铜与锌为基础的合金,又可细分为简单黄铜和复杂黄铜,复杂黄铜中又以第三组元冠名,如镍黄铜、硅黄铜等;
             青铜:系指除铜—镍、铜—锌合金以外的铜基合金,主要品种有锡青铜、铝青铜、特殊青铜(又称高铜合金);
             白铜:系指铜镍系合金。
             铜加工产品包括板、带、条、箔、管、棒、型、线等。
       铜及铜合金产品生产技术主要是指合金熔炼、铸锭、板带材、管棒材和线材的加工制造技术。随着科学技术的进步,铜及铜合金产品生产已高度现代化和自动化,成为现代大工业生产的重要组成部分。铜加工技术正沿着高效、节能、环保、自动化、连续化方向迅速发展,与之相适应的现代加工装备和在线产品检测技术也有很大发展。
       六、再生铜技术
       再生铜产业是铜产业链中十分重要的环节,不仅可以缓解铜精矿供应压力,而且还可有效降低能源消耗及污染物排放,促进铜工业节能减排、清洁生产和碳排放。近几年中国再生铜产业得到快速发展,再生铜产量增长较快。
再生铜原料主要是报废的含铜废件,生产铜、铜合金及其机械加工过程中的废料、铜渣和烟尘等。
工业发达国家如美、德、奥地利、日本等国,从废料中回收的铜占铜总消耗量的40%~50%。国外对废杂铜的回收拆解是一个相当成熟的产业,从金属拆解、分选、打包、运输,全部为自动化的机械设备。对废杂铜的利用主要以直接利用为主,约占一半以上,其次是通过精炼生成精铜。
铜废料有两种再生利用途径,即生产再生精铜和直接熔炼成铜合金使用。此外采用湿法冶金从铜废料中生产铜的化工产品,也很值得重视。当用火法冶金处理铜废料时,首先要将铜废料进行严格分类,高品位纯铜料或牌号明确的废铜合金料,可直接冶炼成铜锭或相应铜合金。较单纯的杂铜废料可熔炼成合金或铜阳极进行电解精炼得电解铜;品质复杂的废铜料可用熔炼炉—吹炼炉—阳极炉—电解精炼流程生产铜。目前国际上比较先进的再生铜生产工艺是卡尔多炉、艾萨/澳斯麦特炉、倾动炉、永久阴极电解的废杂铜处理工艺流程       含铜废料的湿法冶金处理,也需要仔细备料,将铜废料进行严格分类处理。根据不同情况采用化学溶解铜废料(酸溶解、氨溶解、氯盐溶解等)以及电化学(电解溶解)溶解。溶解后溶液经净化脱除杂质后得到纯铜溶液用以制取金属铜或铜工产品。采用湿法冶金处理铜废料,流程较简单,金属分离效果好,金属回收率高,工艺适应性强,环境保护好,规模可大可小,投资省,经济效益高,因而应加强研究和大力推广。
        七、主要铜企业

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