銅
copper
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資源
性質和用途
火法煉銅
焙燒
熔煉
粗銅精煉
火法煉銅的其他方法
濕法煉銅
氧化銅礦酸浸法流程
硫化銅精礦焙燒浸出法
從貧礦石和廢礦中提取銅
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元素符號Cu，紫紅色金屬，在元素週期表中屬IB族，原子序數29，原子量63.546，面心立方晶體，常見化合價為+2、+1。
銅 是人類最早發現和使用的金屬之一。約在西元前第七千紀或更早，人類已認識了自然銅，並將它錘打成小錐、小釘等。稍後，又採用退火和加工硬化工 藝生產各種器物。從出土實物來看，亞洲西部今伊朗境內早在西元前第四千紀，人們已掌握了煉銅技術。美索不達米亞、埃及和印度等地區，約于西元前第三千紀中 期，也先後出現了具有較高技術水準的煉銅業。
中國在新石器時代晚期開始使用銅。甘肅的武威、永靖和河北的唐山等地的古文化遺址，均發現紅 銅器物。夏代（西元前21～前16世紀）已進入青銅 時代。迄今考古發掘所得最早的煉銅豎爐，出自湖北大冶銅綠山──春秋時期（西元前770～前476）的古礦冶遺址。這種豎爐主要以孔雀石為原料，以木炭作 燃料和還原劑，進行鼓風熔煉，得到純度較高的銅。中國又是世界上最早使用濕法（膽銅法）煉銅的國家。
歐洲在西元前第二千紀中期已採用硫化銅礦煉銅，到西元初期的羅馬帝國，即已普及。美洲印第安人在西元前第二千紀已用天然銅鍛制器件；南美的印加人在西班牙人進入之前，已懂得用硫化礦煉銅的技術。
16 世紀阿格裏科拉（G.Agricola）在《論冶金》中敘述了銅的熔煉和精煉工藝。17世紀末,英國人賴特(D.Wright)用反射爐煉 銅，或稱Waleser法。1880年開始用轉爐吹煉冰銅（銅锍），是煉銅技術的重大進步，此時發明的銅的電解精煉，也具有重要意義（見冶金史）。
資源 最主要的銅礦床有兩種：一為原生的斑岩銅礦床,約佔全部銅資源的66％,美國、智利、秘魯等國最多;一為水成岩中次生的層狀銅礦床,約佔全部銅資源的 25％，著名的尚比亞－扎伊爾銅礦帶即屬此類。已發現的銅礦物約 160多種。原生硫化礦中以黃銅礦(CuFeS2)最多，其次為斑銅礦(Cu5FeS4),次生氧化礦中主要有孔雀石[CuCO3·Cu(OH)2]、藍 銅礦[2CuCO3·Cu(OH)2]等。
70年代末全世界具有開採價值的銅礦金屬儲量約 5億噸,海底錳結核的銅儲量估計約4億噸。1979年世界各國（中國除外）礦山產銅量和儲量見表1。
為了充分利用資源，各國都非常重視雜銅的回收。1980年工業發達國家（不包括蘇聯）的雜銅回收量約佔總產銅量的15％。同年美國回收雜銅58萬噸，佔全國銅消費量的31％。
中國銅礦分佈較廣，已探明的銅礦床多為斑岩銅礦、含銅黃鐵礦、矽卡岩銅礦。(見彩圖)
性質和用途 銅是優良的導電和導熱體，僅次於銀。常溫下銅的電導率為銀的94％，熱導率為銀的73.2％。
銅在乾燥空氣中不氧化，在含有二氧化碳的濕空氣中表面形成一層銅綠；與鹼溶液反應很慢，但易與氨形成絡合物。銅的標準電極電勢為+0.337伏，銅不能置換酸溶液中的氫，但溶于有氧化作用的酸中。二價銅的電化當量為0.0003294克/庫侖。
銅和銅合金如青銅、黃銅、白銅等，廣泛用於製造電工器材、機械、建築材料和運輸工具等。
銅有多種化合物，主要用於化工、醫藥、農藥等方面。與金屬銅的用量相比，用於化合物的銅量很少，只佔銅消費量的1％左右。
美國1979年銅消費量的比例為：電氣工業58％，建築工業18％,機械製造業9％,運輸工具9％,其他6％。倫敦市場銅的平均價格為：1978年67美分/磅,1979年93美分/磅（1磅=0.4536公斤）。
煉銅原料以硫化礦為主，品位一般為1％左右,坑內採礦的邊界品位為0.4％，露天採礦可降至0.3％，採出的礦石須先經選礦得到含銅20～30％的精礦，再行冶煉。煉銅的方法分火法和濕法，以火法為主。火法生產的銅佔世界總產銅量80％以上。
火 法 煉 銅
主要原料是硫化銅精礦，一般包括焙燒、熔煉、吹煉、精煉等工序，流程見圖1。
焙 燒 分半氧化焙燒和全氧化焙燒（“死焙燒”），分別脫除精礦中部分或全部的硫，同時除去部分砷、銻等易揮發的雜質。此過程為放熱反應，通常不需另加燃料。造锍 熔煉一般採用半氧化焙燒，以保持形成冰銅時所需硫量；還原熔煉採用全氧化焙燒；此外，硫化銅精礦濕法冶金中的焙燒,是把銅轉化為可溶性硫酸鹽,稱硫酸化焙 燒。焙燒用的流態化焙燒爐（沸騰爐）見圖2。焙燒技術條件見表2。
熔煉 主要是造锍熔煉，其目的是使銅精礦或焙燒礦中的部分鐵氧化，並與脈石、熔劑等造渣除去，產出含銅較高的冰銅(x Cu2S·yFeS)。冰銅中銅、鐵、硫的總量常佔80～90％，爐料中的貴金屬，幾乎全部進入冰銅。
冰銅含量取決於精礦品位和焙燒熔煉過程的脫硫率，世界冰銅品位一般含銅40～55％。生產高品位冰銅,可更多地利用硫化物反應熱，還可縮短下一工序的吹煉時間。熔煉爐渣含銅與冰銅品位有關, 棄渣含銅一般在 0.4～0.5％。熔煉過程主要反應為：
2CuFeS2─→Cu2S＋2FeS＋S
Cu2O＋FeS─→Cu2S＋FeO
2FeS＋3O2＋SiO2─→2FeO·SiO2＋2SO2
2FeO＋SiO2─→2FeO·SiO2
造锍熔煉的傳統設備為鼓風爐、反射爐、電爐等，新建的現代化大型煉銅廠多采用閃速爐。
鼓 風爐熔煉 鼓風爐是豎式爐，中國很早就用它直接煉銅。傳統的方法為燒結塊鼓風爐熔煉。硫化銅精礦先經燒結焙燒脫去部分硫，製成燒結塊，與熔劑、焦炭等按批料呈層狀加 入爐內，熔煉產出冰銅和棄渣，此法煙氣含SO2低，不易經濟地回收硫。為消除煙害,回收精礦中的硫，20世紀50年代,發展了精礦鼓風爐熔煉法,即將硫化 銅精礦混捏成膏狀，再配以部分塊料、熔劑、焦炭等分批從爐頂中心加料口加入爐內，形成料封，減少漏氣,提高SO2濃度。混捏料在爐內經熱煙氣乾燥、焙燒形 成燒結料柱，塊狀物料也呈柱狀環繞在燒結料柱的周圍，以保持透氣性，使熔煉作業正常進行。中國瀋陽冶煉廠、富春江冶煉廠等採用此法。
反射爐熔煉 適於處理浮選的粉狀精礦。反射爐熔煉過程脫硫率低，僅20～30％，適於處理含銅品位較高的精礦。如原料含銅低、含硫高，熔煉前要先進行焙燒。反射爐生產 規模可大型化,對原料、燃料的適應性強,長期來一直是煉銅的主要設備，至80年代初，全世界保有的反射爐能力仍居煉銅設備的首位。但反射爐煙氣量大，且含 SO2僅1％左右，回收困難。反射爐的熱效率僅25～30％，熔煉過程的反應熱利用較少，所需熱量主要靠外加燃料供給。70年代以來，世界各國都在研究改 進反射爐熔煉，有的採用氧氣噴撒裝置將精礦噴入爐內，加強密封,以提高SO2濃度。中國白銀公司第一冶煉廠將銅精礦加到反射爐中的溶體內，鼓風熔煉，提高 了熔煉強度，煙氣可用於制取硫酸。
反射爐為長方形，用優質耐火材料砌築。燃燒器設在爐頭部，煙氣從爐尾排出，爐料由爐頂或側墻上部加入, 冰銅從側墻底部的冰銅口放出,爐渣從側墻 或端墻下的放渣口排出。爐頭溫度1500～1550℃,爐尾溫度1250～1300℃，出爐煙氣1200℃左右。熔煉焙燒礦時，燃料率10～15％，床能 率3～6噸/（米2·日）。銅精礦直接入爐,燃料率16～25％,床能率為2～4噸/(米2·日)，稱生精礦熔煉。中國大冶冶煉廠採用 270平方米反射爐熔煉生精礦。
電爐熔煉 煉銅採用電阻電弧爐即礦熱電爐，對物料的適應性非常廣泛，一般多用於電價低廉的地區和處理含難熔脈石較多的精礦。電爐熔煉的煙氣量較少，若控制適當，煙氣中SO2濃度可達5％左右，有利於硫的回收。
銅 熔煉電爐多為長方形，少數為圓形。大型電爐一般長30～35米，寬8～10米，高4～5米,採用六根直徑為1.2～1.8米的自焙電極，由三 台單相變壓器供電。電爐視在功率3000～50000千伏安，單位爐床面積功率100千瓦/米2左右，床能率3～6噸/(米2·日),爐料電耗 400～500千瓦·時/噸,電極糊消耗約2～3公斤/噸。中國雲南冶煉廠採用30000千伏安電爐熔煉含鎂高的銅精礦。
閃速熔煉 是將硫化銅精礦和熔劑的混合料乾燥至含水0.3％以下,與熱風(或氧氣、或富氧空氣)混合，噴入爐內迅速氧化和熔化，生成冰銅和爐渣。其優點是熔煉強度 高，可較充分地利用硫化物氧化反應熱，降低熔煉過程的能耗。煙氣中SO2濃度可超過8％。閃速熔煉可在較大範圍內調節冰銅品位,一般控制在50％左右,這 樣對下一步吹煉有利。但爐渣含銅較高，須進一步處理。
閃速爐有奧托昆普 （Outokumpu）型和國際鎳公司(International Nickel Co.）型兩種。70年代末世界上已有幾十個工廠採用奧托昆普型閃速爐，中國貴溪冶煉廠也採用此種爐型。
冰銅吹煉 利用硫化亞鐵比硫化亞銅易於氧化的特點，在臥式轉爐中，往熔融的冰銅中鼓入空氣，使硫化亞鐵氧化成氧化亞鐵,並與加入的石英熔劑造渣除去,同時部分脫除其他雜質，而後繼續鼓風，使硫化亞銅中的硫氧化進入煙氣，得到含銅98～99％的粗銅，貴金屬也進入粗銅中。
一個吹煉週期分為兩個階段：第一階段,將FeS氧化成FeO，造渣除去,得到白冰銅(Cu2S)。冶煉溫度1150～1250℃。主要反應是：
2FeS＋3O2─→2FeO＋2SO2
2FeO＋SiO2─→2FeO·SiO2
第二階段，冶煉溫度1200～1280℃將白冰銅按以下反應吹煉成粗銅：
2Cu2S＋3O2─→2Cu2O＋2SO2
Cu2S＋2Cu2O─→6Cu＋SO2
冰 銅吹煉是放熱反應,可自熱進行,通常還須加入部分冷料吸收其過剩熱量。吹煉後的爐渣含銅較高，一般為2～5％，返回熔煉爐或以選礦、電爐貧化 等方法處理。吹煉煙氣含SO2濃度較高,一般為8～12％,可以制酸。吹煉一般用臥式轉爐,間斷操作。表壓約1公斤力/釐米2的空氣通過沿轉爐長度方向安 設的一排風眼鼓入熔體，加料、排渣、出銅和排煙都經過爐體上的爐口。
粗銅精煉 分火法精煉和電解精煉。火法精煉是利用某些雜質對氧的親和力大於銅，而其氧化物又不熔于銅液等性質，通過氧化造渣或揮發除去。其過程是將液態銅加入精煉爐 升溫或固態銅料加入爐內熔化，然後向銅液中鼓風氧化,使雜質揮發、造渣；扒出爐渣後,用插入青木或向銅液注入重油、石油氣或氨等方法還原其中的氧化銅。還 原過程中用木炭或焦炭覆蓋銅液表面，以防再氧化。精煉後可鑄成電解精煉所用的銅陽極或銅錠。精煉爐渣含銅較高，可返回轉爐處理。精煉作業在反射爐或回轉精 煉爐內進行。
火法精煉的產品叫火精銅，一般含銅99.5％以上。火精銅中常含有金、銀等貴金屬和少量雜質，通常要進行電解精煉。若金、銀和有害雜質含量很少，可直接鑄成商品銅錠。
電 解精煉是以火法精煉的銅為陽極，以電解銅片為陰極，在含硫酸銅的酸性溶液中進行。電解可產出含銅99.95％以上的電銅,而金、銀、硒、碲等 富集在陽極泥中。電解液一般含銅40～50克/升，溫度58～62℃,槽電壓0.2～0.3伏,電流密度200～300安/米2,電流效率95～97％, 殘極率約為15～20％,每噸電銅耗直流電220～300千瓦小時。中國上海冶煉廠銅電解車間電流密度為 330安/米2。
電解過程中， 大部分鐵、鎳、鋅和一部分砷、銻等進入溶液，使電解液中的雜質逐漸積累，銅含量也不斷增高，硫酸濃度則逐漸降低。因此，必須定期引 出部分溶液進行凈化，並補充一定量的硫酸。凈液過程為：直接濃縮、結晶，析出硫酸銅;結晶母液用電解法脫銅,析出黑銅，同時除去砷、銻；電解脫銅後的溶液 經蒸發濃縮或冷卻結晶產出粗硫酸鎳;母液作為部分補充硫酸,返回電解液中。此外，還可向引出的電解液中加銅，鼓風氧化，使銅溶解以生產更多的硫酸銅。電解 脫銅時應注意防止劇毒的砷化氫析出（見水溶液電解）。
火法煉銅的其他方法 已應用於工業生產的方法還有：
三菱法(Mitsubishi process) 將硫化銅精礦和熔劑噴入熔煉爐的熔體內，熔煉成冰銅和爐渣，而後流至貧化爐產出棄渣，冰銅再流至吹煉爐產出粗銅。此法于1974年投入生產。
諾蘭達法(Noranda process) 制粒的精礦和熔劑加到一座圓筒型回轉爐內，熔煉成高品位冰銅。所產爐渣含銅較高，須經浮選選出銅精礦返回爐內處理。此法于1973年投入生產。
氧氣頂吹旋轉轉爐法 用以處理高品位銅精礦。將銅精礦製成粒或壓成塊加入爐內，由頂部噴槍吹氧，燃料也由頂部噴入，產出粗銅和爐渣。中國用此法處理高冰鎳浮選所得銅精礦。
離 析法 用於處理難選的結合性氧化銅礦。將含銅1～5％的礦石磨細，加熱至750～800℃後，混以2～5％的煤粉和0.2～0.5％的食鹽，礦石中的銅生成氣態 氯化亞銅(Cu3Cl3）併為氫還原成金屬銅而附著于炭粒表面，經浮選得到含銅50％左右的銅精礦，然後熔煉成粗銅。此法能耗高，很少採用。
濕 法 煉 銅
用 溶劑浸出銅礦石或精礦，而後從浸出液中提取銅。主要過程包括浸出（見浸取）、凈化、提取等工序。目前世界上濕法煉銅的產量約佔總產量的 12％。20世紀60年代以來,為了消除SO2污染，對用濕法冶煉硫化銅礦進行了許多研究，但因經濟指標尚不如火法，濕法工藝大多停留在試驗和小規模生產 階段。
氧化銅礦酸浸法流程 氧化銅礦一般不易用選礦法富集，多用稀硫酸溶液直接浸出；所得溶液含銅一般為1～5克/升,可用硫化沉澱、中和水解、鐵屑置換以及溶劑萃取－電積等方法提 取銅。近年來,萃取-電積法發展較快。其主要過程包括：①用對銅有選擇性的肟類螯合萃取劑（Lix-64N，N-510,N-530等）的煤油溶液萃取 銅，銅進入有機相而與鐵、鋅等雜質分離。②用濃度較高的H2SO4溶液反萃銅,得到含銅約50克/升的溶液。反萃後的有機溶劑，經洗滌後，返回萃取過程使 用。③電積硫酸銅溶液得電銅，電解後液返回用作反萃劑。生產流程見圖3。
硫化銅精礦焙燒浸出法 硫化銅精礦經硫酸化焙燒後浸出，得到的含銅浸出液，經電積得電銅。此法適於處理含有鈷、鎳、鋅等金屬的硫化銅精礦，但銅的回收率低，回收貴金屬較困難，電能消耗大，電解後液的過剩酸量須中和處理，所以一般不採用。
從 貧礦石和廢礦中提取銅 銅礦開採後坑內的殘留礦、露天礦剝離的廢礦石和銅礦表層的氧化礦，含銅一般較低，多采用堆浸、就地浸出和池浸等方法，浸出其中氧化形態的銅，而所含硫化銅 則利用細菌的氧化作用，使之溶解（見細菌浸取，浸取採礦法）。浸出液中的銅可用鐵置換得海綿銅,或者用溶劑萃取-電積法制取電銅。幾種貧礦石、廢礦石的浸 出條件和生產規模見表3。
參考書目 昆明工學院冶金係有色金屬冶煉教研組譯：《銅提取冶金》，冶金工業出版社，北京，1980。(A.K.Biswas,W.G.Davenport, Eхtractive Metallurgy of Copper, 1st ed., Pergamon,Oxford,1976.) 趙天從主編：《重金屬冶金學》,冶金工業出版社,北京，1981。
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銅
copper
重 要的電工材料。化學符號Cu，原子序數29。純銅又稱紫銅,密度為8.89g/cm3(20℃)，有紫紅色金屬光澤，晶體的晶格是面心立方結 構。它的電阻率低，20℃時為1.69×10-8Ω·m；導電性僅次於銀，居第二位；導熱性比金、銀差，居第三位。它的化學穩定性高，抗腐蝕性好，只在高 溫下發生強烈氧化。銅無磁性，為抗磁性材料。它的塑性好,易加工,有延展性，可製成片、箔、細絲和編織物。它易於焊接，可錫焊也可熔焊。
國 際電工委員會(IEC)規定,退火工業純銅在20℃時的電阻率0.017241Ωmm2/m為100％IACS。影響銅導電性能的主要因素是 雜質。其中磷(P)、 鐵(Fe)、硅(Si)、砷(As)等對銅的電導率的影響最大（見圖）。磷、硅、鐵等雜質還會增加銅的硬度。用於架空電力線路導線的銅，常以加入少量其他 元素來提高其抗張強度和耐熱性。銅在室溫乾燥空氣中幾乎不氧化。但100℃時表面生成黑色氧化銅(CuO)膜,300℃以上氧化加速，表面生成紅色的氧化 亞銅(Cu2O)膜，可用鍍錫、銀、鎳、鉻等金屬以防氧化。銅與大氣中硫化物作用，表面生成由CuSO4·3Cu(OH)2組成的綠色保護膜，可降低腐蝕 速度。在大量含有二氧化硫、硫化氫、硝酸等氣體的場合，能引起強烈腐蝕；大氣中的鹽霧能對銅造成細微的腐蝕斑點。
電工用銅通常為含銅量大 於99.90％的工業純銅,對於要求高精度的場合可用無磁性高純銅。工業純銅含銅量應不小于99.95％和 99.90％，含氧量不應高於0.02％和0.06％，無氧銅含銅量為99.95～99.97％，含氧不應高於0.003％。無磁性高純銅含鐵量應不大於 0.0002％，為工業純銅的十分之一。工業純銅多用於電線電纜的導電線心，電機線棒、開關和一般導電用零部件；無氧銅用於電真空器件、電子儀器零件、耐 高溫導線、真空開關、觸頭、電子管零件、超導線的複合基體和微細絲等。無磁性高純銅多用於無磁性漆包導線、高精密電工儀錶。
引用出處：
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