铜的基本知识.doc
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1、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,
2、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30003500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
3、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
4、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,
5、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999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
6、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、铜的特性优良的合金化特性铜良导体无磁性塑性好易加工易切削成型优良的导热体经久耐用可以再生耐腐蚀性强重要的营养素和抑菌作用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
7、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。冶炼厂和精炼厂废品回收半成品加工厂加工厂消费者3、铜
8、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。 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步精炼处理去除杂质;对于相互混杂的铜合金废料,则需熔
9、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
10、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
11、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。
12、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
13、。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9598。纯铜-火炼或电解之后含量达99以上的铜。火炼可得9999.9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
14、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13-1
15、4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
16、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(饼形公布图)铜和铜合金主要性能的应用比例为什么要用铜,主要利用它哪些性能?调查的结果示于上图。铜具有优良的导电和导热性,居所有工程金属材料之冠,这是它在当前电气化和电子信息社会中产生举足轻重作用的主要依据。铜还有许多优异的综合性能:它对大气、海水、土壤以及许多化学介质有很强的耐蚀性;它用在结构上刚柔并济,富有弹性,耐摩擦,抗磨损;它具有多彩的外观,是人们钟爱的、古朴典雅的象征。除了上述众多的使用性能外,它还有一系列良好的加工、铸造、焊
17、接、易切削等工艺性能,从而使它获得了经济和广泛的应用。2)、铜的消费结构美国的铜消费结构(1983-1988年平均)中国的铜消费结构(1986-1990年平均)美国从 1983年到 1988年铜的消费量从201万吨增加到221万吨。六年间铜在各行业应用的平均比例示于上图。可见电气和电子工业消费铜最多。它由1960年的52上升到1988年的70。这是和电气化、自动化、信息化及整个社会现代化程度的提高密切相关的。铜在建筑上的应用,在欧美等发达国家中已比较普遍,占有相当大的比例。图中给出我国在1986到1990年的相应时间内,铜的消费结构。由于统计行业的分类方式有所差异,不能把两国直接进行比较。在中
18、国如果把电气、电子、邮电以及轻工中家电产品部分中铜的应用加在一起,作为电气和电子行业来计算,估计在60左右。与欧美等国相比,我国钢在建筑上的应用,近年来才刚刚起步,存在着巨大的潜在市场。据统计,美国铜在住宅中的应用,每户用量1970年为120公斤,到1996年增加到200公斤。汽车平均每辆用铜,1950年为10公斤,到1996年上升到19公斤,电动汽车则需每辆用铜25到40公斤。 上图示出了世界铜市场在各个建设部门中应用的分配情况:- 房屋建设占48% 包括:管道系统(水,热,气,防火喷淋等) 房屋设施(空调,冰箱等) 建筑装修(屋顶,流槽,装饰等) 通讯线路(声、像、数据等) 电源系统 -
19、装备生产占 41% 包括:工业装备(电机,变压器等) 交通工具(汽车,铁路,飞机等) 电子器件 轻工业品(家用电器,仪表,工具等) - 基本设施占11% 包括:大型工程(交通设施,石化工业,采冶工业等) 电力事业(输电,配电等) 通信网络 值得注意的是,房屋建设与人们生产水平的提高直接相关,铜在这方面的应用占有最大的比重;特别是我国将住宅建设作为拉动整个国民经济发展的一个重要环节,由此可见,积极推广铜的应用对国计民生的重要作用。第三部分:铜的市场分布状况一、国际市场1、铜的主要产地从地区分布看,全球铜蕴藏最丰富的地区共有五个:1)、南美洲秘鲁和智利境内的安第斯山脉西麓;2)、美国西部的洛杉矶和
20、大坪谷地区;3)、非洲的刚果和赞比亚;4)、哈萨克斯坦共和国;5)、加拿大东部和中部。从国家分布看,世界铜资源主要集中在智利、美国、赞比亚、独联体和秘鲁等国。智利是世界上铜资源最丰富的国家,其铜储量约占世界总储量的四分之一,2000年智利铜精矿和精铜的产量分别为460.2万吨和266.8万吨,分别占全世界产量的34.6%和18%,是世界最大的铜生产国和出口国,智利的国营铜业公司(简称Codelco)也是世界上最大的铜企业;美国、日本是主要的精练铜生产国,赞比亚和扎伊尔是非洲中部的主要产铜国,其生产的铜全部用于出口,德国和比利时是利用进口铜精矿和粗铜冶炼铜矿的生产国。此外,秘鲁、加拿大、澳大利亚
21、、巴布亚新几内亚、波兰、前南斯拉夫等也均是重要的产铜国。2、铜的产量人类炼铜的历史悠久,但长期以来,由于炼铜方法原始,铜的产量一直很低,17世纪出现现代炼铜法后,铜产量才有明显增加。1928年,世界精铜产量为167万吨。战后世界冶炼工业发展较快,1950年全世界精铜产量只有315万吨,1992年已达到1100万吨。不同年代的生产发展速度不同,50年代铜生产发展速度为年均递增4.7%,60年代年均增速为4.2%,70年代则为2.07%,80年代进一步降为1.5% 。90年代初、中期随着生产成本的不断降低和较高铜价的刺激,铜的产量大幅增长。2001年全世界年产铜达1534.1万吨,主要生产国和地区
22、的产量分别为:智利288.2万吨,美国179.5万吨,日本142.6万吨,中国142.7万吨,西欧189.4万吨。3、铜的消费铜的消费集中在发达工业国。2001年全球消费铜约1461万吨,较2000年下降了3.6%,这是继1985年以来,全球首次出现的铜消费量下降。美国是最大的铜消费国,但其消费量占世界铜消费量的比例呈下降趋势。2001年消费了260万吨,约占18%,其次是中国208万吨,日本118万吨,西欧385.8万吨。从行业看,消费铜最多的八十年代是电气工业部门,九十年代是建筑业。据统计,美国、日本和西欧国家八十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
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