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          2020年02月18日  星期二
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          銅的用途
          發布時間:2012-12-31 文章來源:無 訪問數:1246

            銅是與人類關系非常密切的有色金屬,被廣泛地應用于電氣、輕工、機械制造、建築工業、國防工業等領域,在我國有色金屬材料的消費中僅次于鋁。

           

          銅在電氣、電子工業中應用最廣、用量最大,占總消費量一半以上。用于各種電纜和導線,電機變壓器的這種,開關以及印刷線路闆 在機械和運輸車輛制造中,用于制造工業閥門和配件、儀表、滑動軸承模具、熱交換器和泵等。

           

          化學工業中廣泛應用于制造真空器、蒸餾鍋、釀造鍋等。

           

          在國防工業中用以制造子彈、炮彈、槍炮零件等,每生産300萬發子彈,需用銅13-14噸。

           

          在建築工業中,用做各種管道、管道配件、裝飾器件等。
                

          電氣工業

          電力輸送

           

          電力輸送中需要大量消耗高導電性的銅,主要用于動力申.線電纜、彙流排、變壓器、開關、接插元件和聯接器等。

           

          我國在過去一段時間内,由于銅供不應求,考慮到鋁的比重隻有銅的 30%,在希望減輕重量的架空高壓輸電線路中曾采取以鋁代銅的措施。目前從環境保護考慮,空中輸電線将轉為鋪設地下電纜。在這種情況下,鋁與銅相比,存在導電性差和電纜尺寸較大的缺點,而相形見绌。

           

          同樣的原因,以節能高效的銅繞組變壓器,取代鋁繞組變壓器,也是明智的選擇。

           

          電機制造

           

          在電機制造中,廣泛使用高導電和高強度的銅合金。主要用銅部位是定子、轉子和軸頭等。在大型電機中,繞組要用水或氫氣冷卻,稱為雙水内冷或氫氣冷卻電機,這就需要大長度的中空導線。

           

          電機是使用電能的大戶,約占全部電能供應的60%。一台電機運轉累計電費很高,一般在最初工作500小時内就達到電機本易的成本,一年内相當于成本的4~16倍,在整個工作壽命期間可以達到成本的200倍。電機效率的少量提高,不但可以節能;而且可以獲得顯著的經濟效益。開發和應用高效電機,是當前世界上的一個熱門課題。由于電機内部的能量消耗,主要來源于繞組的電阻損耗;因此,增大銅線截面是發展高效電機的一個關鍵措施。近年來己率先開發出來的一些高效電機與傳統電機相比,銅繞組的使用量增加25~ 100%。目前,美國能源部正在資助一個開發項目,拟采用鑄入銅的技術生産電機轉子

           

          通訊電纜

           

          80年代以來,由于光纖電纜載流容量大等優點,在通訊幹線上不斷取代銅電纜,而迅速推廣應用。但是,把電能轉化為光能,以及輸入用戶的線路仍需使用大量的銅。随着通訊事業的發展,人們對通訊的依賴越來越大,對光纖電纜和銅電線的需求都會不斷增加。

           

          住宅電氣線路

           

          近年來,随着我國人民生活水平提高,家電迅速普及,住宅用電負荷增長很快。1987年居民用電量為 269.6億度(l度=1千瓦·小時),10後年的 1996年猛升到 1131億度,增加3.2倍。盡管如此,與發達國家相比仍有很大差距。例如,1995年美國的人均用電量是我國的14.6倍,日本是我國的8.6倍。我國居民用電量今後仍有很大發展。預計從 1996年到2005年,還要增長1.4倍。

          電子工業

          電子工業是新興産業,在它蒸蒸日上的發展過程中,不斷開發出銅的新産品和新的應用領域。目前它的應用己從電真空器件和印刷電路,發展到微電子和半導體集成電路中。

           

          電真空器件

           

          電真空器件主要是高頻和超高頻發射管、波導管、磁控管等,它們需 要高純度無氧銅和彌散強化無氧銅。

           

          印刷電路

           

          銅印刷電路,是把銅箔作為表面,粘貼在作為支撐的塑料闆上;用照相的辦法把電路布線圖印制在銅版上;通過浸蝕把多餘的部分去掉而留下相互連接的電路。然後,在印刷線路闆上與外部的連接處沖孔,把分立元件的接頭或其它部分的終端插入,焊接在這個口路上,這樣一個完整的線路便組裝完成了。如果采用浸鍍法,所有接頭的焊接可以一次完成。這樣,對于那些需要精細布置電路的場合,如無線電、電視機,計算機等,采用印刷電路可以節省大量布線和固定回路的勞動;因而得到廣泛應用,需要消費大量的銅箔。此外,在電路的連接中還需用各種價格低廉、熔點低、流動性好的銅基釺焊材料。

           

          集成電路

           

          微電子技術的核心是集成電路。集成電路是指以半導體晶體材料為基片(芯片),采用專門的工藝技術将組成電路的元器件和互連線集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化電路。這種微電路在結構上比最緊湊的分立元件電路在尺寸和重量上小成千上萬倍。它的出現引起了計算機的巨大變革,成為現代信息技術的基礎,IBM(國際商業機器公司),己采用銅代替矽芯片中的鋁作互連線,取得了突破性進展。這種用銅的新型微芯片,可以獲得30%的效能增益,電路的線尺寸可以減小到0.12微米,可使在單個芯片上集成的晶體管數目達到200萬個。這就為古老的金屬銅,在半導體集成電路這個最新技術領域中的應用,開創了新局面。

           

          引線框架

           

          為了保護集成電路或混合電路的正常工作,需要對它進行封裝;并在封裝時,把電路中大量的接頭從密封體内引出來。這些引線要求有一定的強度,構成該集成封裝電路的支承骨架,稱為引線框架。實際生産中,為了高速大批量生産,引線框架通常在一條金屬帶上按特定的排列方式連續沖壓而成。框架材料占集成電路總成本的1/3~ l/4,而且用量很大;因此,必須要有低的成本。

           

          銅合金價格低廉,有高的強度、導電性和導熱性,加工性能、針焊性和耐蝕性優良,通過合金化能在很大範圍内控制其性能,能夠較好地滿足引線框架的性能要求,己成為引線框架的一個重要材料。它是目前銅在微電子器件中用量最多的一種材料。

          能源及石化工業

          能源工業

           

          火力及原子能發電都要依靠蒸氣作功。蒸氣的回路如下:

           

          鍋爐發生蒸氣- 蒸氣推動汽輪機作功- 作功後的蒸汽送至冷凝器- 冷卻成水- 回到鍋爐重新變成蒸汽。

           

          其間主冷凝器由管闆和冷凝管組成。由于銅導熱性好并能抗水的腐蝕,所以它們均使用鍋黃銅、鋁黃銅或白銅制造。根據資料介紹,每萬千瓦裝機容量需要5噸冷凝管。一個60萬千瓦的發電廠就需要3 00噸冷凝管材

           

          太陽能的利用也要使用許多銅管。例如:英國倫敦附近某旅館的一個遊泳池,裝備了太陽能加熱器,在夏季可以将水溫保持在18~24℃。在該太陽能加熱器中含有784磅(3 56公斤)銅管。

           

          石化工業

           

          銅和許多銅合金,在水溶液、鹽酸等非氧化性酸、有機酸(如:醋酸、檸檬酸脂肪酸乳酸草酸等)、除氨以外的各種堿及非氧化性的有機化合物(如:油類、酚、醇等)中,均有良好的耐蝕性;因而,在石化工業中大量用于制造接觸腐蝕性介質的各種容器、管道系統、過濾器、泵和閥門等器件。還利用它的導熱性,制造各種蒸發器、熱交換器和冷凝器。由于銅的塑性很好,特别适合于制造現代化工工業中結構錯綜複雜、銅管交叉編制的熱交換器。此外在石油精煉工廠中都使用青銅生産工具;原回是沖擊時不迸出火花,可以防止火災發生。

           

          海洋工業

           

          海洋占地球表面面積70%以上,合理地開發利用海洋資源日益受到人們的重視。海水中含确"容易造成腐蝕的氯離子,鋼鐵、鋁、甚至不鏽鋼等許多工程金屬材料均不耐海水腐蝕。此外在這些材料,以及木材、玻璃等非金屬材料的表面上還會形成海洋生物污損。銅則一枝獨秀,不但耐海水腐蝕;而且溶入水中的銅離子有殺菌作用,可以防止海洋生物污損。因而,銅和銅合金是海洋工業中十分重要的材料,業已在海水淡化工廠、海洋采油采氣平台、以及其它海岸和海底設施中廣泛應用。例如,海水淡化過程中使用的管路系統、泵和閥門,以及采油采氣平台上使用的設備,包括飛濺區和水下用的螺栓、鑽孔日,抗生物污損包套、泵閥和管路系統等等。關于銅和銅合金在船舶中的應用情況,将在後節中介紹。

          交通工業

          船舶

           

          由于良好的耐海水腐蝕性能,許多銅合金,如:鋁青銅、錳青銅、鋁黃銅、炮銅(錫鋅青銅)、白銅以及鎳銅合金(蒙乃爾合金)己成為造船的标準材料。一般在軍艦和商船的自重中,銅和銅合金占2~3%。 軍艦和大部分大型商船的螺旋槳都用鋁青銅或黃銅制造。大船的螺旋槳每支重20~ 25噸。伊麗莎白皇後号和瑪麗皇後号航母的螺旋槳每支重達35噸。大船沉重的尾軸常用"海軍上将"炮銅,舵和螺旋漿的錐形螺栓也用同樣材料。引擎和鍋爐房内也大量用銅和銅合金。世界上第一艘核動力商船,使用了30噸白銅冷凝管。近來用鋁黃銅管作油罐的大型加熱線圈。在10萬噸級的船上就有12個這種儲油罐,相應的加熱系統規模相當大。船上的電氣設備也很複雜,發動機、電動機、通訊系統等幾乎完全依靠銅和銅合金來工作。大小船隻的船艙内經常用銅和銅合金來裝飾。甚至木制小船,也最好用銅合金(通常是矽青銅)的螺絲和釘子來固定木結構,這種螺絲可以用滾軋大量生産出來。為了防止船殼被海生物污損影響航行,過去經常采用包覆銅加以保護;現在,則普遍用刷含銅油漆的辦法來解決。二次世界大戰中,為禦防德國磁性水雷對艦船的襲擊,曾發展了抗磁性水雷裝置,在鋼船殼周圍附一圈銅帶,通上電流以中和船的磁場,這樣就可以不引爆水雷。從1944年以後,盟軍的所有船隻,共計約18,000艘,都裝上了這種去磁裝置而得到了保護。一些大型主力艦為此需用大量的銅,例如其中一艘用去銅線長 28英裡,重約 30噸。

           

          汽車

           

          汽車用銅每輛10~2I公斤,随汽車類型和大小而異,對于小轎車約占自重的6~9%%。銅和銅合金主要用于散熱器、制動系統管路、液壓裝置、齒輪、軸承、刹車摩擦片、配電和電力系統、墊圈以及各種接頭、配件和飾件等。其中用銅量比較大的是散熱器。現代的管帶式散熱器,用黃銅帶焊接成散熱器管子,用薄的銅帶折曲成散熱片。

           

          近年來為了進一步提高銅散熱器的性能,增強它對鋁散熱器的競争力,作 了許多改進。在材質方面,向銅中添加微量元素,以達到在不損失導熱性的前 提下,提高其強度和軟化點,從而減薄帶材的厚度,節省用銅量;在制造工藝 方面,采用高頻或激光焊接銅管,并用銅釺焊代替易受鉛污染的軟焊組裝散熱 器芯體。這些努力的結果示于表6.2,與釺焊鋁散熱器相比,在相同的散熱條件 下,即在相同的空氣和冷卻劑的壓力降下,新型銅散熱器的重量更輕,尺寸顯 著縮小;再加上銅的耐蝕性好、使用壽命長,銅散熱器的優勢就更明顯。

           

          鐵路

           

          鐵路的電氣化對銅和銅合金的需要量很大。每公裡的架空導線需用2 噸以上的異型銅線。為了提高它的強度,往往加入少量的銅(約1%)或銀 (約of%)。此外,列車上的電機、整流器、以及控制、制動、電氣和信 号系統等都要依靠銅和銅合金來工作。

           

          飛機

           

          飛機的航行也離不開銅。例如:飛機中的配線、液壓、冷卻和氣動系統需使用銅材,軸承保持器和起落架軸承采用鋁青銅管材,導航儀表應用抗磁銅合金,衆多儀表中使用破銅彈性元件等等。

          機械和冶金工業

          機械工程

           

          幾乎在所有的機器中都可以找到銅制品部件。除了電機、電路、油壓系統、氣壓系統和控制系統中大量用銅以外,種類繁多用黃銅和青銅制造的傳動件和固定件,如齒輪、蝸輪、蝸杆、聯結件、緊固件、扭擰件、螺釘、螺母等,比比皆是。幾乎在所有作機械相對運動的部件之間,都要使用減磨銅合金制作的軸承或軸套,特别是萬噸級的大型擠壓機、鍛壓機的缸套、滑闆幾乎都用青銅制成,鑄件重量可達數噸。許多彈性元件,幾乎都選用矽青銅和錫青銅作為材料。焊接工具、壓鑄模具等更離不開銅合金,如此等等。

           

          冶金設備

           

          冶金工業是消耗電能的大戶,素有"電老虎"之稱。在冶金廠的建設中通常必須要有一個依靠銅來進行工作的龐大的輸、配電系統和電力運轉設備。此外,在火法冶金中,連續鑄造技術已占據主導地位,其中的關鍵部件一結晶器,大都采用鉻銅、銀銅等高強度和高導熱性的銅合金。電冶金中的真空電弧爐和電渣爐水冷坩埚使用銅管材制造,各種感應加熱的感應線圈都是用銅管或異型銅管繞制而成,内中通水冷卻。

           

          合金添加劑

           

          銅是鋼鐵和鋁等合金中的重要添加元素。少量銅(0.2~0.5%)加入低合金結構用鋼中,可以提高鋼的強度及耐大氣和海洋腐蝕性能。在耐蝕鑄鐵和不鏽鋼中加入銅,可以進一步提高它們的耐蝕性。含銅30%左右的高鎳合金是著名的高強度耐蝕"蒙乃爾合金",在核工業中廣泛使用。

           

          在許多高強度鋁合金中都含有銅。通過淬火 一 時效熱處理,在合金中析出彌散分布的細小顆粒,而顯著提高其強度,稱為時效硬化鋁合金。其中著名的有杜拉鋁或稱硬鋁,它是一種含銅、錳、鎂的鋁合金,是制造飛機和火箭的重要結構材料。

          輕工業

          輕工業産品與人民生活密切相關,品種繁多、五花八門。由于銅鋼具有良好綜合性能,到處可以看到它大顯身手的蹤影。現僅舉數例如下:

           

          空調器和冷凍機

           

          空調器和冷凍機的控溫作用,主要通過熱交換器銅管的蒸發及冷凝作 用來實現。熱交換傳熱管的尺寸和傳熱性能,在很大程度上決定了整個空調機和制冷裝置的效能和小型化。在這些機器上采用的都是高導熱性能的異型銅管。利用銅的良好加工性能,最近開發和生産出帶有内槽和高翅片的散熱管,用于制造空調器、冷凍機、化工及餘熱口收等裝置中的熱交換器,可使新型熱交換器的總熱傳導系數提高到用普通管的2~3倍,和用普通低翅片管的 1.2~1.3倍,己在國内使用,可節省 40%的銅,并使熱交換器體積縮小 1/3以上。

           

          鐘表

           

          目前生産的鐘表,計時器和有鐘表機構的裝置,其中大部分的工作部件都用"鐘表黃銅"制造。合金中含1.5-2%的鉛,有良好加工性能,适合于大規模生産。例如,齒輪由長的擠壓黃銅棒切出,平輪由相應厚度的帶材沖出,用黃銅或其它銅合金制作摟刻的鐘表面以及螺絲和接頭等等。大量便宜的手表用炮銅(錫鋅青銅)制造,或鍍以鎳銀(白銅)。一些著名的大鐘都用鋼和銅合金制作。英國"大笨鐘"的時針用的是實心炮銅杆,分針用的是14英尺長的銅管。

           

          一個現代化的鐘表廠,以銅合金為主要材料,用壓力機和精确的模具加工,每天可以生産一萬到三萬隻鐘表,費用很低。

           

          造紙

           

          在當前信息萬變的社會裡,紙張消費量很大。紙張表面看來簡單,但是造紙工藝卻很複雜,需要通過許多步驟,應用很多機器,包括冷卻器、蒸發器、打漿器、造紙機等等。其中許多部件,如:各種熱交換管、輥輪、打擊棒、半液體泵和絲網等,大部分都用銅合金制作。

           

          例如,目前采用的長網造紙機,它要将制好的紙漿噴到快速運動的具有細小網孔(40~60目)的網布上。網布由黃銅和磷青銅絲編織而成,它的寬度很大,一般在20英尺(6米)以上,要求保持完全平直。網布在一系列小的黃銅或銅輥子上運動,當帶着噴附其上的紙漿通過時,濕氣從下面空吸出去。網子同時振動以使紙漿中的小纖維粘結在一起。大型造紙機的網布尺寸很大,可以達到寬26英尺8英寸( 8. l米)和長100英尺( 3 0.5米)。濕紙漿不但含水,而且含有造紙過程中使用的化學藥劑,腐蝕性很強。為了保證紙張質量,對網布材料要求很嚴,不但要有高的強度和彈性;而且要抗紙漿腐蝕,銅合金完全可以勝任。

           

          印刷

           

          印刷中用銅版進行照相制版表面抛光的銅版用感光乳膠敏化後,在它上面照相成像。感光後的銅版需加熱使膠硬化。為避免受熱軟化,銅中往往含有少量的銀或砷,以提高軟化溫度。然後,對版子進行腐蝕,形成分布着凹凸點子圖形的印刷表面。

           

          在自動排字機上,要通過黃銅字型塊的編排,來制造版型,這是銅在印刷中的另一個重要用途。字型塊通常用的是含鉛黃銅,有時也用銅或青銅。

           

          釀酒

           

          在世界的啤酒釀造中,銅起重要作用。經常用銅作麥芽桶和發酵罐的内村。在一些著名的啤酒廠中備有十餘個容量超過2萬加侖的這種大桶。在發酵缸中,為了降溫,常用銅管通水冷卻。還用銅管通水蒸汽在釀造啤酒時進行加熱,以及用銅管輸送酒液等。

           

          蒸餾威士忌和其它烈性酒時,通常用銅制蒸餾鍋。威士忌麥芽酒需蒸餾兩次,要用兩個大銅蒸餾鍋。

           

          醫藥

           

          制藥工業中,各類蒸、煮、真空裝置等都用純銅制作。在醫療器械中則 廣泛使用鋅白銅。銅合金還是眼鏡架的常用材料等等

          建築和藝術

          管道系統

           

          由于銅水管具有美觀耐用、安裝方便、安全防火、衛生保健等諸多優點,使它與鍍鋅鋼管和塑料管相比存在明顯優越的價格性能比。在住宅和公用建築中,用于供水、供熱、供氣以及防火噴淋系統,日益受到人們的青睐,成為當前的首選材料。在發達國家中,銅制供水系統己占很大比重。美國紐約号稱世界第六高樓的曼哈頓大廈,其中僅供水系統一項,就用去銅管 6萬英尺(l公裡)。在歐洲,飲水用銅管消耗量很大。英國的飲水用銅管消耗量平均每人每年1.6公斤,日本為0.2公斤。由于鍍鋅鋼管容易鏽蝕,許多國家己明令禁用。香港早于1996年 1月起禁止使用,上海也于 1998年5月起實行。我國在房屋建設中推廣使用銅管道系統,勢在必行。

           

          房屋裝修

           

          在歐洲采用銅制作屋頂和漏檐已有傳統。北歐國家中甚至用它作牆面裝飾。銅耐大氣腐蝕性能很好、經久耐用、可以回收,它有良好的加工性可以方便地制作成複雜的形狀,而且它還有美觀的色彩;因而很适合于用做房屋裝修。它在教堂等古建築物屋頂上的應用己有悠久曆史,至今仍發出誘人的光彩;而且在現代大型建築甚至公寓和住宅的建設上的應用也越來越多。例如:在倫敦,代表現代英國建築藝術的"英聯邦委員會"大廈,屋頂形狀複雜,用銅闆建造,重約 25噸;于1966年開放的水晶宮運動中心,用銅 60噸做成波浪形的屋頂等等。據統計,用做屋頂的銅闆,在德國平均每人每年消費0.8公斤,美國為0.2公斤。

           

          此外,屋内的裝修,如:門把手、鎖、百頁、按欄、燈具、牆飾以及廚房次具等等,使用銅制品不但經久耐用,消毒衛生,而且裝點出高雅的氣息,深受人們喜愛。

           

          塑像和工藝品

           

          世界上沒有哪一種金屬,能夠像銅那樣廣泛應用于制造各種工藝品,從古至今,經久不衰。今天城市建設中,各種紀念物、鑄鐘、寶鼎、雕像、佛像、仿古制品等等,大量使用鑄造銅合金。現代樂器,如長笛使用白銅制成,薩克斯管用的是黃銅材料。各種精美的藝術品,價廉物美的鍍金以及仿金、仿銀首飾也都需要使用各種成分的銅合金。

           

          1996年建成的香港天壇大佛,使用錫、鋅、鉛青銅分塊鑄造再焊接而成,高26米,重206噸。1997年建成的浙江普陀山南海觀音大佛,高20米,重 70噸,是世界上第一座使用仿金材料建成的巨型銅像。嗣後在無錫落成了高88米的青銅釋迹牟尼佛像。更高的佛像正在我國的海南島和九華山以及日本印度等地籌建中。

           

          錢币

           

          自從人類祖先使用錢币進行交易以來,就用銅和銅合金來制造錢币,曆代相傳,沿襲至今。随着現代自動投币電話、乘車和購物等利民活動的發展,造币用銅量有增無減。

           

          在銅币的應用中,除了變化尺寸以外,可以很方便地采用不同合金成分、改變合金色彩來制造和區分不同面值的貨币。常用的有含2 5%鎳的"銀币",含2 0%鋅和1%錫的黃銅币以及含少量錫(3%)和鋅(l.5%)的"銅"币。全世界每年生産銅币要消耗成千上萬噸的銅。僅倫敦皇家造币廠一家,每年生産7億個銅币,約需金屬七千噸。

          高科技

          銅不但在傳統工業中有廣泛應用,而且在新興産業以及高科技領域中也發揮着重要作用,舉例如下:

           

          中計算機

           

          信息技術是高科技的前導。它依靠的是現代人類智慧的結晶 一 計算機 這個工具,對瞬息萬變、浩如煙海的信息進行加工和處理。計算機的心髒由微處理器(包含運算器和控制器)和存儲器組成。這些基本部件(硬件)都 是大規模集成電路,在微小的芯片上分布着千萬個相互連接的晶體管、電阻。電容等元件,以進行快速的數值運算,邏輯運算和大量的信息儲存。這些集 成電路的芯片要通過引線框架和印刷電路組裝起來才能進行工作。從前面"電子工業中的應用"一章中可以看到,銅和銅合金不但是引線框架、焊料和印 刷電路版中的重要材料;而且還能夠在集成電路的微小元件互連中起重要作用。

           

          超導和低溫

           

          一般材料(除半導體以外)的電阻随溫度降低而減小,當溫度降得很低時,某些材料的電阻會完全消失,這種現象稱為超導性。出現超導性的這個最高溫度稱為該材料的超導臨界溫度。超導性的發現為電的利用打開了一個新大地。回為電阻為零,隻要施加一個很小的電壓就可以産生十分巨大(理論上是無限大)的電流,獲得巨大的磁場和磁力;或者當電流通過它時,不發生電壓的降低和電能的損耗。顯然它的實際應用将會引起人類在生産和生活上的變革,很受人們的關注。

           

          但是對通常的金屬來說,隻有當溫度降低到十分接近絕對零度(OK= -273°C)時才出現超導性,在工程上很難實現。近年來已開發出一些超導合金,它們的臨界溫度比純金屬的高,例如,Nb3Sn合金為18.1K。但是它們的應用一點也離不開銅。首先是這些合金要在超低溫下工作,要通過氣體的液化來獲得低溫,例如:液氦、液氫和液氮液化溫度分别為4K(-269℃)、20K(-253℃)和77K(-196℃)。銅在這樣低的溫度下仍有良好的韌塑性,是低溫工程中不可缺少的結構和管路輸送材料。此外,Nb3Sn、NbTi等超導合金很脆,難以加工成型材,需用銅做包套材料把它們結合起來。目前這些超導材料已用于制作強磁體,在醫療診斷的核磁共振儀以及某些礦山強力磁選機上得到了應用。正在籌劃中的,時速超過500公裡的磁浮列車,也要依靠這些超導材料磁體把列車懸浮起來,避免輪軌接觸的阻力,而實現車廂的高速運行。

           

          最近發現了一些臨界溫度更高的材料,稱為"高溫超導材料",它們大多是複合氧化物。較早發現和比較著名的一種是含鉛的銅基氧化物(YBa2Cu3O7-y),臨界溫度為90K,可以在液氮溫度下工作。目前還沒有獲得臨界溫度在室溫附近的材料;而且這些材料難于做成大塊物體,它們能通過可保持超導性的電流密度也不夠高。因此,目前還未能在強電的場合下應用,有待進一步研究開發。

           

          火箭、衛星和航天飛機中,除了微電子控制系統和儀器、儀表設備以外,許多關鍵性的部件也要用到銅和銅合金。例如:火箭發動機的燃燒室和推力室的内村,可以利用銅的優良導熱性來進行冷卻,以保持溫度在允許的範圍内。亞裡安那5号火箭的燃燒室内村,用的是銅一銀一結合金,在這個村簡内加工出360個冷卻通道,火箭發射時通入液态氫進行冷卻。

           

          此外,銅合金也是衛星結構中承載構件用的标準材料。衛星上的太陽翼闆通常是由銅與其它幾個元素的合金制成的。

           

          高能物理

           

          揭示物質結構之謎是科學家孜孜以求的重大基礎課題。對這個問題的認識每深入一步,都會給人類帶來重大的影響。當前原子能的利用就是一個例子。近代物理的最新研究業已發現,物質的最小構成單元不是分子和原子而是比它小億倍的誇克和輕子。現在對這些基本粒子的研究往往要在比原子彈爆炸時的核作用高數百倍的極高反應能下進行,稱為高能物理。這樣高的能量是通過帶電粒子在強磁場内,經過長距離加速,向固定的靶"轟擊"而獲得(高能加速器),或者兩個相反方向加速運動的粒子流互相對撞而獲得(對撞機)。為此,需要用銅作繞組構築出長距離的強磁場通道。此外,在受控熱核反應裝置中也要有類似的結構。為了降低由于通過大電流的發熱溫升,這些磁通道由中空的異型銅棒繞成,以便通入介質進行冷卻。

           

          例如:著名的歐洲盧瑟福高能物理實驗室中的質子同步加速器,它的水冷磁體由中空的銅管統成,共計使用約300噸的銅擠壓材。1984年我國建成的重粒子加速器,用去每根40米長、外矩内圓的管材共46噸。在此以後建成的正負電子對撞機中,應用這類銅管105噸。在我國研制的受控熱核反應裝置中,共有16個聚焦線圈。每個線圈用長度55米的銅條繞成。殼體用銅闆焊接而成,其上焊有冷卻水管。在該裝置上共計用銅50噸。

          銅化合物

          銅的化合物,主要有:硫酸銅(五水、一水和無水)、醋酸銅、氧化銅和氧化亞銅、氯化銅和氯化亞銅、氯氧化銅、硝酸銅、氰化銅、脂肪酸銅、環烷酸銅等,在農牧業、工業和醫療衛生等各個領域都有廣泛應用。其中應用最廣的是硫酸銅,通常是五水硫酸銅(CuSO4·5H2O),由于呈藍色,俗稱藍礬。它往往也是生産其它許多鹽類的原料。

           

          人類應用銅化合物的曆史可以追溯到五千多年前,墓葬中發現古埃及人己使用硫酸銅做染色時的媒染劑(留色飾染劑),一直沿用至今。根據統計,目前世界上生産硫酸銅的廠子超過一百家,世界年消費量約2 0萬噸,估計其中3/4用于農牧業,主要用作殺菌劑

           

          在農牧業中的應用

           

          銅的化合物是消除病蟲害的有效殺菌農藥,可以控制所有黴菌或真菌引起的病害。除直接采用硫酸銅泡種子外,在果園和農田中經常使用的是一些銅鹽混合液。最重要的有以法國著名葡萄産地命名的波爾多液石灰硫酸銅液)和伯更狄液(蘇打硫酸銅液),還有巴黎綠、菌殺特等。

           

          業已報導,用銅殺菌劑可以防治百餘種作物中經常發生的3 00多種病害。這些作物包括:

           

          -葡萄、柑桔、香蕉、蘋果、梨、桃等各種多年生的果木;

           

          -咖啡、橡膠、棉花、甜菜等經濟作物;

           

          -小麥、大米、玉米、大麥、燕麥等谷物;

           

          -豆類、西紅柿、土豆和莴苣等。

           

          ·銅是保持農作物和畜禽健康成長必須的微量營養素。通常,當農田土壤中的有效銅含量低于2ppmm(1ppmm為百分之一)時,農作物就要因缺銅而減産,嚴重時甚至顆粒不收,或者當牧場土壤中有效銅含量低于5ppmm時,牲畜就要患缺銅症。目前由于集約性的高産作業,在大量使用有化肥中不含銅或含銅量很低,引起土地瘠化,使缺銅日益成為當前世界上日益關注的問題。為了糾正和防止缺銅,要及時用銅鹽補充。可以直接加入或者和富含氮和磷的肥料一起加入;可以用來改良土壤長期起作用,或者每年噴灑在作物的幼苗上。對于畜禽,除改善牧場外,可以将銅鹽摻入飼料中或采用其它辦法直接注入有缺銅症狀的牲畜體内。·硫酸銅還是豬和雞的助長劑,可以提高它們的食欲和增進食物的轉化。在飼料中拌人0.1%的硫酸銅,能夠顯著地促進豬和肉雞的增重。

           

          ·銅離子有強烈的消毒滅菌作用,可以防止一些常見牲畜疾病的流行。例如:水中少量銅(不足lppm)就能夠消滅水中繁殖的給輸、螺和蝸牛等軟體動物,這些軟體動物是血吸蟲的寄主,因而可以防止熱帶和溫帶動物中容易出現的肝血吸蟲

           

          此外,池塘、水田、水渠和河湖中令人讨厭的綠藻污染,可以加入銅鹽來消除。 ·銅鹽可以作為防黴保鮮劑,應用于谷物、水果和蔬菜的儲藏。其中一個簡便的辦法,是用浸過銅鹽的紙進行包裝。

           

          在工業上的應用

           

          銅化合物在工業上的應用很廣,幾乎每一行業都有應用到銅的化合物

           

          ·硫酸銅是印染工藝中常用的媒染劑,以提高光澤的持久性和耐洗性,廣泛應用于紡織和皮革業。

           

          ·銅的化合物有藍、綠、紅、黑等彩色,可以用做玻璃、陶瓷、水泥、搪瓷的着色劑。它們也是某些染發劑的組成。在煙火中加入硝酸銅發綠光,等等。

           

          ·添加銅化合物的油漆有抗海水生物污損的作用。

           

          ·銅的一些有機化合物是有效的防腐劑,用于紙漿、木材、木制品和帆布等織物的防腐。

           

          ·銅的某些化合物是橡膠、石油和人造纖維生産過程中的重要化學制劑,起催化、淨化等作用。

           

          ·硫酸銅電解液,用于鍍銅、生産電解銅箔和銅的提純等。

           

          ·在采礦業中,以硫酸銅為活化劑,對鉛、鋅、鋁和金等礦物進行浮??

           

          1.銅的自然屬性

           

          銅是人類最早發現的古老金屬之一,早在三千多年前人類就開始使用銅。自然界中的銅分為自然銅、氧化銅礦和硫化銅礦。自然銅及氧化銅的儲量少,現在世界上80%以上的銅是從硫化銅礦精煉出來的,這種礦石含銅量極低,一般在2-3%左右。金屬銅,元素符号CU,原子量63.54,比重8.92,熔點1083Co。純銅呈淺玫瑰色或淡紅色。銅具有許多可貴的物理化學特性,例如其熱導率都很高,化學穩定性強,抗張強度大,易熔接,且抗蝕性、可塑性、延展性。純銅可拉成很細的銅絲,制成很薄的銅箔。能與鋅、錫、鉛、錳、钴、鎳、鋁、鐵等金屬形成合金,形成的合金主要分成三類:黃銅是銅鋅合金,青銅是銅錫合金,白銅是銅钴鎳合金。

           

          2.銅的冶煉

           

          銅礦中開采出來的銅礦石,經過選礦成為含銅品位較高的銅精礦或者說是銅礦砂,銅精礦需要經過冶煉提成,才能成為精銅及銅制品。

           

          A.銅礦石的加工

           

          工業上使用的銅有電解銅(含銅99.9%~99.95%)和精銅(含銅99.0%~99.7%)兩種。前者用于電器工業上,用于制造特種合金、金屬絲及電線。後者用于制造其他合金、銅管、銅闆、軸等。

           

          a.銅礦石的分類及屬性:

           

          煉銅的原料是銅礦石。銅礦石可分為三類:

           

          (1)硫化礦,如黃銅礦(CuFeS2)、斑銅礦(Cu5FeS4)和輝銅礦(Cu2S)等。

           

          (2)氧化礦,如赤銅礦(Cu2O)、孔雀石[Cu2(OH)2CO3]、藍銅礦[2CuCO3·Cu(OH)2]、矽孔雀石(CuSiO3·2H2O)等。

           

          (3)自然銅。銅礦石中銅的含量在1%左右(0.5%~3%)的便有開采價值,因為采用浮選法可以把礦石中一部分脈石等雜質除去,而得到含銅量較高(8%~35%)的精礦砂。

           

          b.銅礦石的冶煉過程:

           

          從銅礦石冶煉銅的過程比較複雜。以黃銅礦為例,首先把精礦砂、熔劑石灰石、砂等)和燃料(焦炭、木炭或無煙煤)混合,投入“密閉”鼓風爐中,在1000℃左右進行熔煉。于是礦石中一部分硫成為SO2(用于制硫酸),大部分的砷、銻等雜質成為AS2O3、Sb2O3等揮發性物質而被除去:2CuFeS2+O2=Cu2S+2FeS+SO2↑。一部分鐵的硫化物轉變為氧化物:2FeS+3O2=2FeO+2SO2↑。Cu2S跟剩餘的FeS等便熔融在一起而形成“冰銅”(主要由Cu2S和FeS互相溶解形成的,它的含銅率在20%~50%之間,含硫率在23%~27%之間),FeO跟SiO2形成熔渣:FeO+SiO2=FeSiO3。熔渣浮在熔融冰銅的上面,容易分離,借以除去一部分雜質。然後把冰銅移入轉爐中,加入熔劑(石英砂)後鼓入空氣進行吹煉(1100~1300℃)。由于鐵比銅對氧有較大的親和力,而銅比鐵對硫有較大的親和力,因此冰銅中的FeS先轉變為FeO,跟熔劑結合成渣,而後Cu2S才轉變為Cu2O,Cu2O跟Cu2S反應生成粗銅(含銅量約為98.5%)。2Cu2S+3O2=2Cu2O+2SO2↑,2Cu2O+Cu2S=6Cu+SO2↑,再把粗銅移入反射爐,加入熔劑(石英砂),通入空氣,使粗銅中的雜質氧化,跟熔劑形成爐渣而除去。在雜質除到一定程度後,再噴入重油,由重油燃燒産生的一氧化碳等還原性氣體使氧化亞銅在高溫下還原為銅。得到的精銅約含銅99.7%。

           

          B.銅的冶煉工藝

           

          冶金技術的發展經曆了漫長的過程,但至今銅的冶煉仍以火法治煉為主,其産量約占世界銅總産量的85%,現代濕法冶煉的技術正在逐步推廣,濕法冶煉的推出使銅的冶煉成本大大降低。 火法冶煉與濕法冶煉(SX-EX)。

           

          a.火法煉銅:

           

          通過熔融冶煉和電解精火煉生産出陰極銅,也即電解銅,一般适于高品位的硫化銅礦。火法冶煉一般是先将含銅百分之幾或千分之幾的原礦石,通過選礦提高到20-30%,作為銅精礦,在密閉鼓風爐、反射爐、電爐或閃速爐進行造锍熔煉,産出的熔锍(冰銅)接着送入轉爐進行吹煉成粗銅,再在另一種反射爐内經過氧化精煉脫雜,或鑄成陽極闆進行電解,獲得品位高達99.9%的電解銅。該流程簡短、适應性強,銅的回收率可達95%,但因礦石中的硫在造锍和吹煉兩階段作為二氧化硫廢氣排出,不易回收,易造成污染。近年來出現如白銀法、諾蘭達法等熔池熔煉以及日本的三菱法等、火法冶煉逐漸向連續化、自動化發展。

           

          生産過程大緻如圖:

           

          除了銅精礦之外,廢銅做為精煉銅的主要原料之一,包括舊廢銅和新廢銅,舊廢銅來自舊設備和舊機器,廢棄的樓房和地下管道;新廢銅來自加工廠棄掉的銅屑(銅材的産出比為50%左右),一般廢銅供應較穩定,廢銅可以分為:裸雜銅:品位在90%以上;黃雜銅(電線):含銅物料(舊馬達、電路闆);由廢銅和其他類似材料生産出的銅,也稱為再生銅

           

          b.濕法煉銅:

           

          一船适于低品位的氧化銅,生産出的精銅稱為電積銅。現代濕法冶煉有硫酸化焙燒-浸出-電積,浸出-萃取-電積,細菌浸出等法,适于低品位複雜礦、氧化銅礦、含銅廢礦石的堆浸、槽浸選用或就地浸出。濕法冶煉技術正在逐步推廣,預計本世紀末可達總産量的20%,濕法冶煉的推出使銅的冶煉成本大大降低。

           

          濕法冶煉過程為:

           

          c.火法和濕法兩種工藝的特點 比較火法和濕法兩種銅的生産工藝,有如下特點:

           

          (1)後者的冶煉設備更簡單,但雜質含量較高,是前者的有益補充。

           

          (2)後者有局限性,受制于礦石的品位及類型。

           

          (3)前者的成本要比後者高。

           

          可見,濕法冶煉技術具有相當大的優越性,但其适用範圍卻有局限性,并不是所有銅礦的冶煉都可采用該種工藝。不過通過技術改良,這幾年已經有越來越多的國家,包括美國、智利加拿大、澳大利亞、墨西哥秘魯等,将該工藝應用于更多的銅礦冶煉上。濕法冶煉技術的提高及應用的推廣,降低了銅的生産成本,提高了銅礦産能,短期内增加了社會資源供給,造成社會總供給的相對過剩,對價格有拉動作用。

           

          3.銅的生産和消費

           

          a.銅資源分布:世界銅礦資源主要分布在北美、拉丁美洲和中非三地,目前全世界已探明的儲量共3.5億萬噸,其中智利占24%,美國占16.9%,獨聯體占10.15%,紮伊爾占7.39%,贊比亞占4.55%,秘魯占3.41%,美洲占了世界儲量的60%。 我國銅生産地集中在華東地區,該地區銅生産量占全國總産量的51.84%,其中安徽、江西兩省産量約占30%。銅的主要消費地則在華東和華南地區,二者消費量約占全國消費總量70%。

           

          b.銅的主要用途:

           

          銅是一種紅色金屬,同時也是一種綠色金屬。說它是綠色金屬,主要是因為它耐用,容易再溶化、再冶煉,因而回收利用相當地便宜。


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