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铜和铜合金的性能与应用

铜和铜合金的性能与应用

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

一.铜的自然属性
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。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。
铜能与锌、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。
纯铜是一种坚韧、柔软、富有延展性的紫红色而有光泽的金属,1克的铜可以拉成3000米长的细丝,或压成10多平方米几乎透明的铜箔。纯铜的导电性和导热性很高,仅次于银,但比银要便宜得多。
铜的颜色很像金,但发红,铜离子的颜色为蓝色。有剧毒,不过,用特定加工法加工的铜没有毒。
铜在干燥空气中安定,可保持金属光泽。但在潮湿空气中,表面会生成一层铜绿(碱式碳酸铜),保护内层的铜不再被氧化。

二.铜的冶炼
含铜的矿物比较多见,大多具有鲜艳而引人注目的颜色,例如:金黄色的黄铜矿CuFeS2,鲜绿色的孔雀石CuCO3Cu(OH)2,深蓝色的石青2CuCO3Cu(OH)2,赤铜矿Cu2O,辉铜矿Cu2S等,把这些矿石在空气中焙烧后形成氧化铜CuO,再用碳还原,就得到金属铜。另外,斑铜矿也是很常见的铜矿石。
从铜矿中开采出来的铜矿石,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成,才能成为精铜及铜制品。

  1. 铜矿石的加工
    工业上使用的铜有电解铜(含铜99.9%~99.95%)和精铜(含铜99.0%~99.7%)两种。前者用于电器工业上,用于制造特种合金、金属丝及电线。后者用于制造其他合金、铜管、铜板、轴等。
    • 铜矿石的分类及属性:
      炼铜的原料是铜矿石。铜矿石可分为三类:
      ·硫化矿-----如黄铜矿(CuFeS2)、斑铜矿(Cu5FeS4)和辉铜矿(Cu2S)等。
      ·氧化矿-----如赤铜矿(Cu2O)、孔雀石[CuCO3Cu(OH)2]、蓝铜矿[2CuCO3Cu(OH)2]、硅孔雀石(CuSiO32H2O)等。
      ·自然铜-----铜矿石中铜的含量在1%左右(0.5%~3%)的便有开采价值,因为采用浮选法可以把矿石中一部分脉石等杂质除去,而得到含铜量较高(8%~35%)的精矿砂.
    • 铜矿石的冶炼过程:
      从铜矿石冶炼铜的过程比较复杂。以黄铜矿为例,首先把精矿砂、熔剂(石灰石、砂等)和燃料(焦炭、木炭或无烟煤)混合,投入“密闭”鼓风炉中,在1000℃左右进行熔炼。于是矿石中一部分硫成为SO2(用于制硫酸),大部分的砷、锑等杂质成为AS2O3、Sb2O3等挥发性物质而被除去:2CuFeS2+O2=Cu2S+2FeS+SO2↑。一部分铁的硫化物转变为氧化物:2FeS+3O2=2FeO+2SO2↑。Cu2S跟剩余的FeS等便熔融在一起而形成“冰铜”(主要由Cu2S和FeS互相溶解形成的,它的含铜率在20%~50%之间,含硫率在23%~27%之间),FeO跟SiO2形成熔渣:FeO+SiO2=FeSiO3。熔渣浮在熔融冰铜的上面,容易分离,借以除去一部分杂质。然后把冰铜移入转炉中,加入熔剂(石英砂)后鼓入空气进行吹炼(1100~1300℃)。由于铁比铜对氧有较大的亲和力,而铜比铁对硫有较大的亲和力,因此冰铜中的FeS先转变为FeO,跟熔剂结合成渣,而后Cu2S才转变为Cu2O,Cu2O跟Cu2S反应生成粗铜(含铜量约为98.5%)。2Cu2O+Cu2S=6Cu+SO2↑,再把粗铜移入反射炉,加入熔剂(石英砂),通入空气,使粗铜中的杂质氧化,跟熔剂形成炉渣而除去。在杂质除到一定程度后,再喷入重油,由重油燃烧产生的一氧化碳等还原性气体使氧化亚铜在高温下还原为铜。得到的精铜约含铜99.7%。
    • 铜的冶炼工艺
      铜治金技术的发展经历了漫长的过程,但至今铜的冶炼仍以火法治炼为主,其产量约占世界铜总产量的85%,现代湿法冶炼的技术正在逐步推广,湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。 火法冶炼与湿法冶炼(SX-EX)。
      • 火法炼铜:
        通过熔融冶炼和电解精火炼生产出阴极铜,也即电解铜,一般适于高品位的硫化铜矿。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20-30%,作为铜精矿,在密闭鼓风炉、反射炉、电炉或闪速炉进行造锍熔炼,产出的熔锍(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锍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。
        除了铜精矿之外,废铜做为精炼铜的主要原料之一,包括旧废铜和新废铜,旧废铜来自旧设备和旧机器,废弃的楼房和地下管道;新废铜来自加工厂弃掉的铜屑(铜材的产出比为50%左右),一般废铜供应较稳定,废铜可以分为:裸杂铜:品位在90%以上;黄杂铜(电线):含铜物料(旧马达、电路板);由废铜和其他类似材料生产出的铜,也称为再生铜。
      • 湿法炼铜:
        一船适于低品位的氧化铜,生产出的精铜称为电积铜。 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,适于低品位复杂矿、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。
      • 火法和湿法两种工艺的特点 比较火法和湿法两种铜的生产工艺,有如下特点:
        (1)后者的冶炼设备更简单,但杂质含量较高,是前者的有益补充。
        (2)后者有局限性,受制于矿石的品位及类型。
        (3)前者的成本要比后者高。
      • 可见,湿法冶炼技术具有相当大的优越性,但其适用范围却有局限性,并不是所有铜矿的冶炼都可采用该种工艺。不过通过技术改良,这几年已经有越来越多的国家,包括美国、智利、加拿大、澳大利亚、墨西哥及秘鲁等,将该工艺应用于更多的铜矿冶炼上。湿法冶炼技术的提高及应用的推广,降低了铜的生产成本,提高了铜矿产能,短期内增加了社会资源供给,造成社会总供给的相对过剩,对价格有拉动作用。

        三.铜的生产和消费

        1. 铜资源分布:
          世界铜矿资源主要分布在北美、拉丁美洲和中非三地,目前全世界已探明的储量共3.5亿万吨,其中智利占24%,美国占16.9%,独联体占10.15%,扎伊尔占7.39%,赞比亚占4.55%,秘鲁占3.41%,美洲占了世界储量的60%。 我国铜生产地集中在华东地区,该地区铜生产量占全国总产量的51.84%,其中安徽、江西两省产量约占30%。铜的主要消费地则在华东和华南地区,二者消费量约占全国消费总量70%。
        2. 铜的主要用途:
          铜是一种红色金属,同时也是一种绿色金属。说它是绿色金属,主要是因为它耐用,容易再溶化、再冶炼,因而回收利用相当地便宜。
          在二十世纪60年代, 铜最大的使用市场是电器和电子市场,约占总数的28%。1997年,这两个市场成为铜消耗的第二大终端用户,拥有25%的股份。在许多电器产品中,(例如:电线、母线、变压器绕组、重型马达、电话线和电话电缆)铜的使用寿命都相当地长,只有经过20到50年以后,里面的铜才可以进行回收利用。其他含铜的电器和电子产品(比如:小型电器和消费电子产品)使用寿命则比较短,一般是5-10年。商业性电子产品和大型电器产品通常要回收的,因为它们除含有铜以外,还有其他珍贵的金属。尽管如此,小型的电子消费产品的回收率还是相当低的,因为它们里面几乎没有多少铜元素。
          随着电子领域科学技术的快速发展,一些陈旧的含铜产品越来越过时了。比如,在二十世纪80年代,电话转换站和中央营业所是铜和铜合金碎屑的主要来源,但是数字转换的出现使得这些笨重的、金属密集的东西变得越来越过时了。
          交通设备是铜的第三大市场,约占总数的13%,与二十世纪60年代基本相同。尽管交通的重要性没有改变,但是铜的使用形式却发生了很大的变化。许多年来,自动散热器是这方面最重要的终端用户;然而,铜在自动电器和电子产品中的使用飞速增长,而在热交换器市场中的使用则有所下降。小轿车的平均使用寿命是10-15年,几乎所有的铜(包括散热器和配线)都是在它的整体拆卸和回收前来进行回收的。
          工业机器和设备是另外一个主要的应用市场,在当中铜往往有比较长的使用寿命。然而,铜在这一市场中的使用并没有增长,现在只占总使用量的12%,而60年代则是21%。消费产品和一般性产品的相对重要性也从60年代的13%降到70年代的9%。硬币和军火是这方面主要的终端用户。子弹很少回收,一些硬币可以熔化,而还有许多则由收藏者或储蓄者保存,不可以进行回收。
        3. 铜资源的回收
          铜是相当耐用的。它具有导电性,通常不会随着时间的推移而腐蚀或恶化。因而铜经常用于生产使用寿命比较长的产品。1997年建筑业对铜的消耗量大约占全美国铜消耗量的42%,比1960年增长22%。现在家中对铜的使用也比过去50年或100年前明显增多了。
          一个建筑的基础设施可以扩大或现代化,但是家居或办公室中的铜线、铜管和黄铜配件则几乎不需要替换。因为铜的使用寿命比较长,并且家居中所包含的铜要比现在建筑结构中所包含的要少,所以建筑和建设行业里只有少量的铜碎屑。
          对于建筑铜线、铜管和铜配件来说, 旧铜屑的回收率(即旧铜屑的消耗量与铜的消耗总量的比值)与钢、铝和塑料相比是比较低的。其原因是包装产品(都是钢、铝和塑料的主要终端用户)只有长达几星期的周期,可以在一年内回收好几次。但是从另一个角度讲,铜制产品一般使用寿命比较长。这就影响了用来回收的铜屑的供应量。
        4. 附:美国市场铜回收状况
          铜和铜合金回收起来很容易。1997年,从美国加工的碎屑中回收了145万吨铜,也就在同一年美国还出口了379,000吨的铜和铜合金。美国从国内矿藏和国外原料中所提取的初级精铜总量20吨。大约2/3的含铜碎屑都是新碎屑,而1/3是旧碎屑。
          美国拥有发达的基础设施,可以将铜屑提供给熔炼厂、冶炼厂、轧铜厂、铸造厂、铸锭厂和其他地方。这些加工厂需要铜屑来进行加工或是为了节约成本。1997年大约19%的铜是用熔炉加工的。在美国熔炼的铜大部分来自与采矿作业相联系的初级冶炼厂。这些工厂中的大部分并不使用铜屑,尽管有一些会使用少量的铜屑来控制转换器中熔化铜的温度。在美国,有两个中级冶炼厂,在Illinois州的Chemetco 厂和在乔治州的南方电力设备厂,这个厂主要加工铜屑。这些厂的原料都是没有杂质的旧铜屑,在进行回收之前,这些旧铜屑必须得升级。
          美国的大部分初级精炼厂都依赖初级冶炼厂的泡铜和正电极作为它们主要的原料供应来源。不过,还是有一小部分精炼厂加工高级的一号铜屑或收购铜屑中的泡铜或正电极。一般来说,用火冶炼的铸块或是从二级原料中获得的负电极并不是可以用于任何地方。这些原料的大部分都用在轧铜厂。二次阴极可能不适合用于细线的生产,所以它最初只是用于往宅线的生产。一些二次阴极还与来自初级冶炼厂的阴极混合,用于其他电线和电缆的生产中。
          南方电缆厂利用高级铜屑来生产阴极,这种阴极与购买的负电极一同用于电线和电缆的生产中。Warrenton精炼厂是另一个铜屑加工厂,它主要生产火法精炼的铸块。Reading工业和Cerro铜业经营管理为制管厂提供原料的铜屑加工厂。加拿大的Noranda和Asarco在它们的初级冶炼厂中都使用高级铜屑。美国的精炼厂加工的铜屑占全美回收铜的10%左右。
          轧铜厂是美国最大的铜屑消费者,约占全美铜屑消费总量的50%以上。这些轧铜厂既使用铜屑,也使用合金铜屑。这些原料必须是高级的,因为它只是要再冶炼一次,并不进行任何精炼。其中的许多铜屑都是新的。比如,在合金棒磨机厂所使用的铜屑很大一部分是来自消费者的回炉废铜。回炉废铜也是条铜和片铜生产商的一个主要原料供应源,但是制管厂都是用买来的铜,而不是上税的铜。碎屑中平均约含有56%全美轧铜厂所需原料。铸锭生产厂和铸造厂都依靠碎屑来获得铜,在1997年,铜屑占他们铜需求量的93%。生产铸造产品对这种原料的要求一般来说没有生产包金铂产品或绘制产品的要求苛刻,因此铸块生产商和铸造厂就可以用低级的铜和铜合金碎屑来进行生产。
          铜有很高的内在价值,它使铜的回收变得相当地经济。碎屑收藏者、交易者、加工者和消费者所需要的基本设施都没有得到市政府的支持,也没有任何报酬项目。
          当轧铜厂将铜屑从消费者那儿回收来的时候,这些铜屑的价格只是铜屑中金属价格的90%。例如,当铜棒磨厂调整它们的价格时,他们就会规定一个“pk10投注平台金属价值销售价”和一个“向消费者回收的回收价” 在美国的期货市场上,铜屑的售价一般要比Comex 交易市场上规定的铜价略低一些。
        5. 四.影响铜价格的因素

          • 国际经济形势。商品市场与经济形势的相关之处是显而易见的,尤其是当今世界经济日趋全球化,商品市场与经济有着更多的关联性,因此铜的价格与经济形势密切相关。铜的消费主要集中在发达工业国家,这些国家如美国、日本、西欧等国的经济状况对铜价影响更大,一般来说,经济形势好,铜的需求增加,价格上升,反之则下降。
          • 生产国的生产状况。智利是铜资源最丰富和世界最大的铜出口国,非洲中部的赞比亚和扎伊尔也是重要的产铜国,它们生产的铜几乎全部用于出口,它们的生产状况对国际铜市场影响很大。这三个国家的政治局势一直不太稳定,劳资纠纷也时常爆发,这对铜价也产生直接影响。
          • 季节性影响。铜价的季节性波动较明显,每年的一月份为低谷,八月份创高价。
          • 产业政策的影响。由于铜主要用在电气、电子、建筑、机械及运输业,所以国家对这些行业的产业政策对铜价有着更重要影响。
          • 替代品的价格。在电讯工业中,铜一直是重要原料,但由于光导纤维技术的推广与应用,对铜的地位提出挑战,同时,铝等金属材料与铜有着同等属性,在大部分使用领域中也代替了铜。
          • 库存量的影响。库存量是影响铜价的重要因素之一。企业在不同的市场情况下,会采取不同的措施增加或减少库存。以保证生产所需原料或加快资金流转,政府在不同时期也会利用吞吐储备来稳定铜市。
          • 其它政策、法规的影响。由于铜市场是一个国际性市场,国际贸易量很大,所以增加有关国家的进出口政策、汇率体系、打击走私的力度等方面因素的变化,对铜价也会产生影响 。

            五.国内铜价格趋势的特点
            国内自1993年3月11日正式推出铜期货交易,是国内比较规范,比较成熟的交易品种之一,其价格已成为国内铜现货交易的重要指导价格,纵观几年来的走势,国内铜期货价格有以下一些特点:

            • 上海金属交易所与伦敦金属交易所(LME)两个市场趋势相同,彼此互为影响;
            • 上海金交所又有自己的技术特点,并没有丧失其独立性:
            • 相对其它品种,期铜价格振荡相对较小很难发生大户操纵市场,恶性逼仓等。

              六.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。黄铜的机械性能和耐磨性能都很好,可用于制造精密仪器、船舶的零件、枪炮的弹壳等。黄铜敲起来声音好听,因此锣、钹、铃、号等乐器都是用黄铜制做的。铜与锌、锡的合金,抗海水侵蚀,可用来制作船的零件、平衡器。
                • 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) 。青铜一般具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、铸造性和优良的机械性能。用于制造精密轴承、高压轴承、船舶上抗海水腐蚀的机械零件以及各种板材、管材、棒材等。青铜还有一个反常的特性——“热缩冷胀”,用来铸造塑像,冷却后膨胀,可以使眉目更清楚。铜与锡、磷的合金,坚硬,可制弹簧。
                • 白铜-----铜钴镍合金。其色泽和银一样,银光闪闪,不易生锈。常用于制造硬币、电器、仪表和装饰品。
              4. 按产品形态分类:铜管、铜棒、铜线、铜板、铜带、铜条、铜箔等。
 
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