銅是人類最早發現的古代金屬之壹。早在3000年前,人們就開始使用銅了。自然界中的銅分為自然銅、氧化銅和硫化銅。自然銅和氧化銅的儲量很少。目前世界上80%以上的銅是從硫化銅礦中提煉出來的,這種礦石的銅含量極低,壹般在2-3%左右。金屬銅,元素符號CU,原子量63.54,比重8.92,熔點1083 Co .純銅呈淺玫瑰色或微紅色。銅具有許多有價值的物理和化學性質,如高導熱性、強化學穩定性、高抗拉強度、易焊接、耐腐蝕、可塑性和延展性。純銅可以拉成很細的銅線,做成很薄的銅箔。能與鋅、錫、鉛、錳、鈷、鎳、鋁、鐵等金屬形成合金,形成的合金主要分為三類:黃銅為銅鋅合金,青銅為銅錫合金,白銅為銅鈷鎳合金。
2.煉銅
從銅礦中開采出來的銅礦石經過選礦後成為銅精礦或銅品位高的銅礦石,銅精礦需要冶煉委托才能成為精銅和銅產品。
A.銅礦石加工
工業用銅包括電解銅(含銅99.9% ~ 99.95%)和精煉銅(含銅99.0% ~ 99.7%)。前者在電氣工業中用於制造特殊合金、電線和導線。後者用於制造其他合金、銅管、銅板、軸等。
A.銅礦石的分類和性質:
煉銅的原料是銅礦石。銅礦可以分為三類:
(1)硫化礦,如黃銅礦(CuFeS2)、斑銅礦(Cu5FeS4)和輝銅礦(Cu2S)。
(2)氧化礦物,如黃銅礦(Cu2O)、孔雀石[CuCO3Cu(OH)2]、藍銅礦[2CuCO3Cu(OH)2]、矽孔雀石(CuSiO32H2O)等。
(3)自然銅。含銅量約為1% (0.5% ~ 3%)的銅礦石具有開采價值,因為可以通過浮選除去礦石中的脈石等部分雜質,獲得含銅量較高(8% ~ 35%)的精礦。
B.銅礦的冶煉工藝;
從銅礦中提煉銅的過程很復雜。以黃銅礦為例,首先精礦砂、熔劑(石灰石、砂等。)和燃料(焦炭、木炭或無煙煤)混合後放入“密閉”高爐中,在1000℃左右進行冶煉。因此礦石中壹部分硫變成SO2(用來制硫酸),砷、銻等大部分雜質變成AS2O3、Sb2O3等易揮發物質而被脫除:2 cufs 2+O2 = cu2s+2 FeS+SO2↑。部分硫化鐵轉化為氧化物:2fes+3o2 = 2feo+2so2 ↑。Cu2S和剩余的FeS熔融在壹起形成“冰銅”(主要由Cu2S和FeS相互溶解形成,其銅含量在20% ~ 50%之間,硫含量在23% ~ 27%之間),FeO和SiO2形成熔渣:FeO+SiO 2 = FeSiO 3。熔渣漂浮在熔融冰銅上,容易分離,從而去除部分雜質。然後將冰銅移入轉爐,加入熔劑(石英砂),吹空氣吹煉(1100 ~ 1300℃)。由於鐵對氧的親和力比銅大,銅對硫的親和力比鐵大,冰銅中的FeS首先轉化為FeO,FeO與熔劑結合形成熔渣,然後Cu2S轉化為Cu2O,Cu2O與Cu2S反應生成粗銅(含銅量約98.5%)。2cu2s+3 O2 = 2cu2o+2so 2 = 2cu2o+cu2s = 6cu+SO2 = =,然後將粗銅移入反射爐,加入熔劑(石英砂),通入空氣氧化粗銅中的雜質,雜質會與熔劑形成熔渣而被除去。雜質去除到壹定程度後,註入重油,通過重油燃燒產生的壹氧化碳等還原性氣體,在高溫下將氧化亞銅還原成銅。獲得的精煉銅含有約99.7%的銅。
B.銅冶煉過程
銅金技術的發展經歷了壹個漫長的過程,但迄今為止銅的冶煉仍以火法冶煉為主,其產量約占世界銅總產量的85%。現代濕法冶金技術逐漸普及,濕法冶金的引入大大降低了銅的冶煉成本。熱解和濕法冶金(SX-EX)。
A.火法煉銅:
陰極銅,即電解銅,是通過冶煉和電解精煉生產出來的,壹般適用於高品位硫化銅礦。火法冶煉壹般是將含銅百分之幾或千分之幾的原礦經選礦提高到20-30%作為銅精礦,在密閉的高爐、反射爐、電爐或閃速爐中進行鋶冶煉,產生的鋶(鋶)再送入轉爐吹煉成粗銅,再在另壹反射爐中氧化精煉除去雜質,或流程短適應性強,銅的回收率可達95%。但礦石中的硫在造鋶和吹煉階段作為二氧化硫廢氣排放,難以回收,易造成汙染。近年來,白銀法、諾蘭達法等熔池熔煉以及日本三菱法、火法冶金法等逐漸向連續化、自動化發展。
制作過程大致如圖所示:
除銅精礦外,廢銅是煉銅的主要原料之壹,包括舊廢銅和新廢銅。舊的廢銅來自舊的設備和機器,廢棄的建築和地下管道。新增廢銅來自加工廠廢棄的廢銅(銅材產量比例約為50%),廢銅供應總體穩定。廢銅分為:裸銅:品位在90%以上;廢銅(電線):含銅材料(舊電機、電路板);由廢銅和其他類似材料生產的銅也被稱為再生銅。
B.濕法煉銅:
壹船適合低品位氧化銅,生產出來的精銅叫電積銅。現代濕法冶金包括硫酸化焙燒-浸出-電積、浸出-萃取-電積和細菌浸出,適用於低品位復雜礦石、氧化銅礦石和含銅廢礦石的堆浸、槽浸或原地浸出。濕法冶煉技術正在逐步推廣,預計到本世紀末將達到總產量的20%。濕法冶煉的引入大大降低了銅的冶煉成本。
濕法冶煉工藝如下:
C.火法冶金和濕法工藝的特征比較與火法冶金和濕法銅生產工藝相比,火法冶金和濕法銅生產工藝具有以下特征:
(1)後者的冶煉設備更簡單,但雜質含量更高,是前者的有益補充。
(2)後者有局限性,受礦石品位和類型的限制。
(3)前者的成本高於後者。
可見濕法冶煉技術具有相當的優勢,但應用範圍有限,並不是所有的銅礦都能采用該技術。然而,通過技術改進,近年來,越來越多的國家,包括美國、智利、加拿大、澳大利亞、墨西哥和秘魯,將這壹工藝應用於更多的銅冶煉。濕法冶金技術的提高及其應用的普及,降低了銅的生產成本,提高了銅礦的生產率,在短時間內增加了社會資源的供給,導致社會總供給相對過剩,對價格產生拉動作用。