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铜(copper)
元素周期表第4周期ⅠB族元素，一种最重要的重有色金属。元素符号Cu，原子序数29，相对原子质量63．546。铜在常温下为固体，新断面呈紫红色。
铜是人类最早发现和使用的金属。约一万年前，人们就把自然铜加工成针、珠和锥等。迄今发现人类最早炼制的铜器当推伊朗境内泰佩海亚出土的刮刀、凿子和锥子等，年代约为公元前3800年。1978年在甘肃省东乡马家窑类型遗址中出土的锡青铜小刀，是迄今中国发现的最早青铜器件，其年代约为公元前2750年，这表明中国是世界最早使用铜器的国家之一。中国早在公元前770年就掌握了竖炉炼铜技术，宋元丰元年(1078年)铜产量达到7300t，铜冶金技术已达相当水平。
性质 铜原子的外电子层构型为，[Ar]3d104s1。铜在形成化合物时可失去4s轨道的1个电子，也可同时失去3d轨道中的1个电子，所以铜主要有+1和+2两种价态。常温下铜的氧化态以+2价为主，高温时低价态化合物稳定。
铜有63Cu和65Cu两个稳定的天然同位素，63Cu含有29个质子和34个中子，65Cu含有29个质子和36个中子。已知铜有9个不稳定的同位素。
铜在室温的干燥空气中能稳定存在，但长期放置在含CO2的潮湿空气中时，会生成绿色的碱性碳酸铜，俗称铜绿。
2价铜的电化当量为0.329mg／C。铜不能置换酸性水溶液中的氢，也不溶于盐酸和没有溶解氧的硫酸中，但可溶于具有氧化作用的硝酸中。铜与碱溶液作用很慢，但易与氨水反应，形成配合物。铜易溶于醋酸等有机酸中。可溶铜盐一般都具有毒性。
铜的晶体结构为面心立方晶格。纯铜具有十分良好的延展性，可加工成很细的丝和很薄的片。铜又是优良的导电和导热体，其导电和导热能力在金属中仅次于银。微量杂质的存在都会使铜的导电能力大为降低。铜的主要物理性质列于表1。
化合物 铜的化合物有数百种，但以工业规模生产的不多，其中最重要的是五水硫酸铜，或称胆矾(CuSO4•5H2O)，其次有波尔多液(Cu(OH)2•CuSO4)、偏亚砷酸铜(Cu(AsO2)2)、醋酸铜[Cu(CH3COO)2]的复合物、氰化亚铜(CuCN)、氯化铜(CuCl2)、氧化亚铜(Cu2O)、氧化铜(CuO)、碱性碳酸铜和环烷酸铜等。
用途 由于铜具有许多优异性能，在各工业部门中得到广泛应用。直到20世纪60年代，铜的重要性和消费量仅次于铁。20世纪60年代后，才让位给资源更丰富、价格更便宜的铝，退居第三位。20世纪80年代后期中国铜消费比例列于表2。就世界范围而言，铜产量半数以上用于电力和电子工业，如制造电缆、电线、电机及其他输电和电讯设备。20世纪80年代后，铜在电信上的部分用途被光导纤维所代替。铜也是国防工业的重要材料。
铜能与锌、锡、铝、镍、铍等形成多种重要合金。黄铜(铜锌合金)、青铜(铜锡合金)用于制造轴承、活塞、开关、油管、换热器等。铝青铜(铜铝合金)抗振能力很强，可用以制造需要强度和韧性的铸件。铜镍合金中的蒙奈尔合金以抗蚀性著称，多用于制造阀、泵、高压蒸汽设备。铍青铜(含铍铜合金)的力学性能超过高级优质钢，广泛用于制造各种机械部件、工具和无线电设备。
铜的化合物是农药、杀菌剂、颜料、电镀、原电池、染料和触媒的重要原料。
炼铜原料 铜的地壳丰度为68×10-4％，海水含铜约3×10-7％。自然界发现的铜矿物约有165种，除少见的自然铜外，主要有原生硫化铜矿物和次要的次生氧化铜矿物(表3)。铜矿物中以黄铜矿为最多，约占铜矿的2／3。世界原生铜产量的90％左右来自硫化矿。硫化矿中铜的含量较低，典型的硫化铜矿含铜由0．5％(露天开采)到l％～2％(坑下开采)。因此铜矿石必须经过破碎、浮选富集，产出含铜较高的精矿，才能作为冶炼原料。20世纪80年代用于炼铜的铜精矿90％以上粒度小于0.074mm，含铜在20％～30％之间，一般还含有数量与铜大抵相当的硫和铁。典型的铜精矿化学成分变动范围如表4。铜矿物常伴生有黄铁矿、闪锌矿、方铅矿、镍黄铁矿及含钴矿物，贵金属、稀有金属和半金属也是常见的伴生组分。在冶炼时，必须回收铜精矿中的有价组分，以提高资源的综合利用程度和消除对环境的污染；同时也要注意利用铜精矿的巨大反应表面和熔炼反应热，以强化生产和节约能源。氧化铜矿难于选矿富集，一般用湿法冶金或其他方法处理。
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成分 |
Cu |
Fe |
S |
SiO2 |
CaO |
Au |
Ag |
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含量(质量 |
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由于铜的自然资源日渐匮乏，能源日趋紧张，并随着世界科学技术的进步和成分、规格都比较均匀的工业杂铜的产量不断增加，杂铜已成为一种十分重要的铜资源。在工业发达国家，以它为原料的产铜量在铜的总产量中占有很大的比重。如20世纪80年代美国再生铜产量占精铜总产量的23％，英国占52％，而法国高达58％。这些国家都非常重视废杂铜的再生和利用。
产品规格和产量以硫化铜精矿为原料的炼铜厂大都以电解铜为最终产品。中国产出的电解铜质量列于表5。电解铜可进一步炼制成线锭(占铜总量的80％以上)、脱氧铜和无氧铜等。
1985～1990年主要产铜国和中国的精铜年产量，以及工业发达国家和中国的精铜年消费量列举于表6和表7。智利、赞比亚、扎伊尔、秘鲁是主要的铜输出国。
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国 家 |
1985年 |
1986年 |
1987年 |
1988年 、 |
1 1)89年 |
1990年 |
|
美国 |
143．6 |
147．6 |
160．4 |
185．7 |
195．4 |
203．5 |
| 国 家 | 1985年 | 1986年 | 1987年 | 1988年 | 1989年 | 1990年 |
| 美国 日本 联邦德国 法国 英国 意大利 中国 |
197．6 123．1 75．4 39．8 34．7 36．2 80．74 |
210．2 121．9 77．1 40．7 34 39．5 |
217．6 129．O 78．3 41．5 33 42 |
220．6 133．1 79．8 40．9 32．8 44．5 |
220．3 144．7 85．5 45．9 32．5 45．8 |
218．9 157．6 88．O 47．8 32．5 47．8 |
中国炼铜工业中国由于大而富的铜矿不多，资源比较分散，形成了以大型冶炼厂为骨干、大中小炼铜厂并存、多种冶炼方法同时采用的格局。各种炼铜法的产量比例和主要炼铜厂分别列于表9和表10。中国的几家传统方法炼铜工厂正采用先进的铜锍熔炼法代替旧工艺，以降低能耗、提高硫的利用率、减轻对环境污染和增加生产能力。
| 铜锍熔炼法 | 生产能力／万t | 比 例／％ |
| 密闭鼓风炉熔炼 闪速炉熔炼 电炉熔炼 反射炉熔炼 白银炉熔炼 氧化矿离析炼铜法 合计 |
13．1 7．3 7．O 6．7 4．5 O．8 39．4 |
33．2 18．5 17．8 17．3 11．2 2．O 100 |
| 厂 名 | 地 址 | 流 程 | 生产能力①／万t | 投产年代 |
| 沈阳冶炼厂 上海冶炼厂 铜陵第一冶炼厂 铜陵第二冶炼厂 大冶冶炼厂 白银冶炼厂 云南冶炼厂 中条山冶炼厂 金川冶炼厂 贵溪冶炼厂 柏坊冶炼厂 富春江冶炼厂 烟台冶炼厂 |
辽宁省沈阳市 上海市 安徽省铜陵市 安徽省铜陵市 湖北省大冶市 甘肃省白银市 云南省昆明市 山西省垣曲县 甘肃省金昌市 江西省贵溪县 湖南省常宁县 浙江省富阳县 山东省烟台市 |
密闭鼓风炉一转炉一精炼 杂铜、粗铜火法、电解精炼 密闭鼓风炉一转炉 密闭鼓风炉一转炉一精炼 反射炉一转炉 白银炉一转炉一精炼 电炉一转炉一精炼 密闭鼓风炉一转炉 二次铜精矿反射炉熔炼一精炼 闪速炉一转炉一精炼 密闭鼓风炉一转炉一精炼 密闭鼓风炉一反射炉吹炼一精炼 密闭鼓风炉一反射炉吹炼一精炼 |
2．7 6．7 3 4．5 5 4．5 7 1．8 1．7 7．3 O．5 O．3 O．3 |
1938 1912 1953 1978 1960 1960 1960 1976 1972 1985 1958 1959 1976 |
火法炼铜 铜精矿经过铜炉料炼前准备、铜熔炼、铜锍吹炼以及铜火法精炼、铜电解精炼等处理产出精铜的过程。现代火法炼铜流程如图1所示。
为了满足各种熔炼工艺的要求，或为了提高熔炼炉的熔炼效果，炉料大都需要经过炼前准备。铜炉料的炼前准备主要包括干燥、制团、制粒、混捏、焙烧和烧结焙烧等。
铜熔炼属于氧化造锍熔炼。基于铜对硫的亲和势大于铁；而对氧的亲和势却小于铁的性质，利用鼓风中的氧将炉料中部分铁的硫化物氧化成氧化物，随后与炉料中的脉石和熔剂造渣，使铜在一种称为铜锍的中间产物中富集。造锍所用的熔炼炉有反射炉、鼓风炉、电炉、闪速炉、诺兰达炉、瓦纽科夫炉、白银炉等炉型。20世纪60年代前，用反射炉生产的铜量占世界铜总硫化铜精矿熔剂燃料产量80％以上，后来逐渐为技术更先进的闪速炉等所代替，到20世纪80年代其产量已降至50％。
铜锍吹炼是在有石英熔剂存在下，向熔融铜锍鼓入空气，将铜锍中的铁和硫全部氧化除去的自热冶金过程。吹炼产出含铜98％以上的粗铜，个别炼铜厂以它作为最终产品。普遍使用水平式转炉进行吹炼。
铜火法精炼是使熔融粗铜经过氧化、造渣、挥发和还原等反应进一步除去杂质，产出化学成分和物理规格合乎电解精炼要求的铜阳极板的过程。铜火法精炼常在倾动式筒型精炼炉和精炼反射炉中进行。
铜电解精炼是基于铜和杂质(包括贵金属)在硫酸铜水溶液中的电极电位不同的原理，于电解槽中控制一合适槽电压，在直流电作用下除去铜火法精炼未能除去的杂质，产出电解铜的过程。在电解精炼中，贵金属富集于阳极泥中，从中予以回收。电解铜(阴极铜)通常是炼铜厂的最终产品，其纯度在99．95％以上。
在铜熔炼和吹炼中，每处理1t典型的精矿会同时产出0.5tSO2气体，其量超过了主金属。为了消除SO2烟气对环境的污染，火法炼铜厂一般都设有回收SO2的系统，产出硫酸，有条件的也可生产液体SO2和元素硫。改进冶炼工艺，提高原料中硫的利用率已成为炼锕工业一个急需解决的课题。
火法炼铜具有温度高，反应速度快，中间产物含铜量高，适于大规模工业生产，主金属产物与炉渣容易分离，不需要使用价昂的试剂，原料中金和银的回收率高，总能耗低，最终产品质量高等优点，加上技术进步，SO2烟气的污染问题正在得到解决，故火法生产的铜在世界总产量中的比重上逐年提高，已达90％以上。
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湿法炼铜 用浸出剂如H2SO4、FeCl3、CuCl2、Fe2(SO4)3、NH4OH、(NH4)2CO3及含细菌溶液等浸出含铜原料中的铜，然后用化学提取法或电解提取法从经过净化处理的浸出液中获得金属铜的过程。氧化铜矿湿法炼铜原则流程见图2。
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在浸出含铜原料时，使用浸出剂将原料中有价成分溶解出来。接着过滤使浸出液与残渣分离，并同时洗涤回收夹带于残渣中的浸出剂和金属离子。然后用溶剂萃取或沉淀法净化浸出液和富集溶液的铜。最后从纯净含铜溶液提取出金属铜，常用的方法有电解沉积、置换和加压氢气还原法等。
当前湿法炼铜多用于处理氧化矿、贫矿和残留矿。20世纪80年代末湿法炼铜的产铜量约占世界矿产铜量的10％。
铜冶金展望 在铜冶金中，以硫化矿为主要原料，采用火法炼铜为主的格局在相当长的一段时期不会改变。今后理想的炼铜方法要达到的目标是：(1)实现从精矿到产出粗铜的连续化生产过程，获得含硫在0.5％以下的粗铜，并使终渣的含铜量降至0.5％以下；(2)广泛应用氧气，节约能源；尽可能提高烟气中SO2的浓度，减少需净化和回收SO2的总烟量，从而降低烟气处理的基建费和加工费用；(3)生产过程自动控制，生产设备的密闭性好，防止空气的渗入和烟气的逸出；(4)充分利用铜精矿的巨大反应表面积和潜在热能，尽量少用或不用燃料，实现自热熔炼；(5)在保证炉子寿命的前提下尽量提高设备的单位处理能力，使基建费用和设备、劳动力的需求量减到最低。
随着自然界富集的硫化铜矿资源逐日减少，适于处理贫矿和难选复杂矿的湿法炼铜技术将会越来越会受到人们的重视。湿法炼铜的发展趋势是采用先进的浸出技术和富集技术，寻找高效价廉的浸出剂和富集剂，开发应用大型高效冶金设备以提高湿法炼铜的生产率，并降低生产成本。