旅游公共关系学论文:铜知识介绍-铜和铜合金的应用

1、铜自然属性
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。
金属铜，元素符号Cu，原子序数29，原子量63.54，比重8.92,熔点1083oC。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色,表面形成氧化铜膜后,外观呈紫铜色。铜在地壳中含量为0.007%。铜具有许多可贵的物理化学特性，例如其热导率和电导率都很高，化学稳定性强，抗张强度大，易熔接，具抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金。
铜可以作为纯“天然”金属存在于一下矿石中：硫化物（黄铜矿、辉铜矿、斑铜矿和靛铜矿等），碳酸盐矿石（蓝铜矿和孔雀石）
以及 硅酸盐矿石（黄铜矿和绿铜矿）。
2、铜及铜产品分类
① 按自然界中存在形态分类
自然铜------自然界存在的游离状态的金属铜，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
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）
白铜-----铜钴镍合金
④ 按产品形态分类：铜管、铜棒、铜线、铜板、铜带、铜条、铜箔等
3、铜的冶炼
铜冶炼技术的发展经历了漫长的过程，但至今铜的冶炼仍以火法冶炼为主，其产量约占世界铜总产量的85%。
铜矿的冶炼是一个复杂的过程，共分以下几步：
①富集。铜矿的品位都很低，冶炼前都要用浮选法进行富集。
②焙烧。目的是降低硫化物矿中硫的含量，并除去砷、锑等易挥发的杂质。由于硫化亚铁比硫化亚铜容易被氧化，所以在焙烧时，只有部分硫化亚铁被氧化为氧化亚铁。
③熔炼。将焙烧后的铜矿（含硫化亚铜、硫化亚铁、氧化亚铁）与石灰石、二氧化硅混合，在反射炉内熔炼，氧化亚铁与二氧化硅形成FeSiO3，它和硅酸钙一起形成炉渣，漂浮在上层，硫化亚铜和硫化亚铁则结合成熔体（被称为冰铜）沉到炉底，从放液口放出。
④冰铜吹炼。将冰铜送入转炉，鼓入空气，其中的硫化亚铁被氧化为氧化亚铁，与二氧化硅结合成炉渣，部分的硫化亚铜被氧化为氧化亚铜，后者与未被氧化的硫化亚铜发生反应，生成粗铜：2Cu2O＋Cu2S6Cu＋SO2粗铜在浇铸时有气体逸出，使表面起泡，所以称为泡铜。
⑤氧化精炼。将泡铜放在精炼炉中，鼓入空气，其中的杂质更易被氧化，然后造渣除去。
⑥电解精炼。用粗铜为阳极，纯铜为阴极，硫酸铜和硫酸的混合溶液为电解液。粗铜中铜和比铜活泼的金属进入溶液中，但比铜不活泼的金、银、铜等不溶解，成为阳极泥除去。溶液中只有铜离子会沉积在阴极上，比铜活泼的铁等离子留在溶液中。
铜的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。
4、铜的主要用途
铜被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。其中铜在电气、电子工业中应用最广、用量最大，占总消费量一半以上，用来生产电线和电器零件，但不少地方已被铝代替。
铜的另一用途是制造合金：①紫铜。导电性和导热性仅次于银，耐酸碱腐蚀，用于化学工业。 ②黄铜。色泽美观，做五金制品、装饰材料。 ③白铜。强度、硬度高，用于造船、仪表和医疗器械工业。 ④青铜。力学性能好，制造机械零件、弹性元件。铜的化合物（如硫酸铜、碱式碳酸铜等）主要用作杀虫剂、杀菌剂、木材防腐剂。
铜和铜合金的应用
人类应用钢己有数千年的历史。墓葬考古发现，早在6000年前的史前时期，埃及人就使用铜器。铜是人类祖先最早应用的金属。它具有许多优异的特性和奇妙的功能，不但为人类社会的进步作出了不可磨灭的贡献；而且随着人类文明的发展不断开发出新的用途。铜既是一个古老的金属，又是一个充满生机和活力的现代工程材料。当前人类步入了丰富多彩的，以电气化和电子信息为特征的，高度文明的社会，为铜的应，用开辟了更为广阔的大地。铜以品种繁多的金属、合金和化合物的形式被人们利用，业已深深地渗入了生产和生活的各个方面，成为人类跨入、ZI世纪取得飞速发展的一个不可缺少的重要金属。在分别介绍铜在各主要工业部门中的应用情况之前，让我们首先从铜的性能、消费结构等诸方面来看一看铜的现代应用状况
※ 铜性能的应用

（饼形公布图）图6.1铜和铜合金主要性能的应用比例
为什么要用铜，主要利用它哪些性能？调查的结果示于图6.1。铜具有优良的导电和导热性，居所有工程金属材料之冠，这是它在当前电气化和电子信息社会中产生举足轻重作用的主要依据。铜还有许多优异的综合性能：它对大气、海水、土壤以及许多化学介质有很强的耐蚀性；它用在结构上刚柔并济，富有弹性，耐摩擦，抗磨损；它具有多彩的外观，是人们钟爱的、古朴典雅的象征。除了上述众多的使用性能外，它还有一系列良好的加工、铸造、焊接、易切削等工艺性能，从而使它获得了经济和广泛的应用。
※ 中铜的消费量
近年来，随着全世界经济的发展，铜的消费量不断上升。如图6.2所示，从1992年到1997年的五年间，世界钢的消费量从1100.5万吨增加到 1310万吨，增长17%，年平均递增3.5%。我国近年来铜需求量，年均增加速度4～ 5%，预计到 2000将达到 125～ 13 5万吨。

 
按人平均的年消费量： 发达国家（约占人口 11亿）为 10～20公斤； 发展中国家（约占人口 49亿）为0～2公斤。发达国家的钢消费水平显著高于发展中国家。在发达国家中一个居民一生约需消费一吨钢，这个数字是相当可观的。上述两个数据的对比表明，铜的消费水平，在一定程度上反映了一个国家的发展程度。我国近年来铜的需求量虽有明显增长，但农村人日广阔，还存在一些贫困地区，按人口平均的年消费水平仅达0.l公斤左右，与印度（0.13公斤）相近，有十分广阔的发展前景。
※ 铜的消费结构

图6美国的铜消费结构（1983-1988年平均）

图6.4中国的铜消费结构（1986-1990年平均）
美国从 1983年到 1988年铜的消费量从201万吨增加到221万吨。六年间铜在各行业应用的平均比例示于图6.3。可见电气和电子工业消费铜最多。它由1960年的 52％上升到1988年的70％。这是和电气化、自动化、信息化及整个社会现代化程度的提高密切相关的。铜在建筑上的应用，在欧美等发达国家中已比较普遍，占有相当大的比例。图6.4上给出我国在1986到1990年的相应时间内，铜的消费结构。由于统计行业的分类方式有所差异，不能把图6.3和6.4 直接进行比较。在中国如果把电气、电子、邮电以及轻工中家电产品部分中铜的应用加在一起，作为电气和电子行业来计算，估计在60％左右。与欧美等国相比，我国钢在建筑上的应用，近年来才刚刚起步，存在着巨大的潜在市场。据统计，美国铜在住宅中的应用，每户用量1970年为120公斤，到1996年增加到200公斤。汽车平均每辆用铜，1950年为10公斤，到1996年上升到19公斤，电动汽车则需每辆用铜25到 40公斤。

图6.5上示出了世界铜市场在各个建设部门中应用的分配情况：
- 房屋建设占48%
包括：管道系统（水，热，气，防火喷淋等）
房屋设施（空调，冰箱等）
建筑装修（屋顶，流槽，装饰等）
通讯线路（声、像、数据等）
电源系统
- 装备生产占 41%
包括：工业装备（电机，变压器等）
交通工具（汽车，铁路，飞机等）
电子器件
轻工业品（家用电器，仪表，工具等）
- 基本设施占11%
包括：大型工程（交通设施，石化工业，采冶工业等）
电力事业（输电，配电等）
通信网络
值得注意的是，房屋建设与人们生产水平的提高直接相关，铜在这方面的应用占有最大的比重；特别是我国将住宅建设作为拉动整个国民经济发展的一个重要环节，由此可见，积极推广铜的应用对国计民生的重要作用。
<返回
※ 电力输送
电力输送中需要大量消耗高导电性的铜，主要用于动力申．线电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器等。
在电线电缆的输电过程中，由于电阻发热而白白浪费电能。从节能和经济的角度考虑，目前世界上正在推广"最佳电缆截面"标准。过去流行的标准，单纯地从降低一次按装投资的角度出发，为了尽量减小电缆截面，以在设计要求的额定电流下，不至出现危险过热，来确定电缆的最低允许尺寸。按这种标准铺设的电缆，虽然按装费低了；但是在长期使用过程中，电阻能耗却比较大。"最佳电缆截面"标准，则兼顾一次按装费用和电能消耗这两个因素，适当放大电缆尺寸，以达到节能和最佳综合经济效益的目的。按照新的标准，电缆截面往往要比老标准加大一倍以上，可以获得50%左右的节能效果。
我国在过去一段时间内，由于钢供不应求，考虑到铝的比重只有铜的 30％，在希望减轻重量的架空高压输电线路中曾采取以铝代铜的措施。目前从环境保护考虑，空中输电线将转为铺设地下电缆。在这种情况下，铝与铜相比，存在导电性差和电缆尺寸较大的缺点，而相形见绌。
同样的原回，以节能高效的铜绕组变压器，取代！日的铝绕组变压器，也是明智的选择。
※ 电机制造
在电机制造中，广泛使用高导电和高强度的铜合金。主要用铜部位是定子、转子和轴头等。在大型电机中，绕组要用水或氢气冷却，称为双水内冷或氢气冷却电机，这就需要大长度的中空导线。
电机是使用电能的大户，约占全部电能供应的60%。一台电机运转累计电费很高，一般在最初工作5 00小时内就达到电机本易的成本，一年内相当于成本的4～ 16倍，在整个工作寿命期间可以达到成本的200倍。电机效率的少量提高，不但可以节能；而且可以获得显著的经济效益。开发和应用高效电机，是当前世界上的一个热门课题。由于电机内部的能量消耗，主要来源于绕组的电阻损耗；因此，增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。近年来己率先开发出来的一些高效电机与传统电机相比，铜绕组的使用量增加25～ 100%。目前，美国能源部正在资助一个开发项目，拟采用铸入铜的技术生产电机转子。
※ 通讯电缆
80年代以来，由于光纤电缆载流容量大等优点，在通讯干线上不断取代铜电缆，而迅速推广应用。但是，把电能转化为光能，以及输入用户的线路仍需使用大量的铜。随着通讯事业的发展，人们对通讯的依赖越来越大，对光纤电缆和铜电线的需求都会不断增加。
※ 住宅电气线路
近年来，随着我国人民生活水平提高，家电迅速普及，住宅用电负荷增长很快。如图6.6所示，1987年居民用电量为 269.6亿度（ l度=1千瓦·小时），10后年的 1996年猛升到 1131亿度，增加 3.2倍。尽管如此，与发达国家相比仍有很大差距。例如，1995年美国的人均用电量是我国的14.6倍，日本是我国的8.6倍。我国居民用电量今后仍有很大发展。预计从 1996年到2005年，还要增长l．4倍。
目前，我国的住宅电气线路设计容量偏低。以两居室为例，表6.l上对比了北京、香港和日本的建筑电气设计标准。可见，香港和日本在设计中，充分考虑了居民用电增长的需求；我国住宅电气线路设计容量亟待提高。

图6.6我国居民用电量需求及预测
表6.1北京、香港和日本建筑电气设计标准
项目
北京
香港
日本
每户计算负荷（千瓦）
2
11
9
分支线路回路数
3
7
6
总计算负荷电流/开关电流（安）
10/20
60/63
40/50
电源铜质进线截面（毫米）
6
16
14
插座数量
14
19
22
<返回
 
电子工业是新兴产业，在它蒸蒸日上的发展过程中，不断开发出钢的新产品和新的应用领域。目前它的应用己从电真空器件和印刷电路，发展到微电子和半导体集成电路中。
※ 电真空器件
电真空器件主要是高频和超高频发射管、波导管、磁控管等，它们需 要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。
※ 印刷电路
铜印刷电路，是把铜箔作为表面，粘贴在作为支撑的塑料板上；用照相的办法把电路布线图印制在铜版上；通过浸蚀把多余的部分去掉而留下相互连接的电路。然后，在印刷线路板上与外部的连接处冲孔，把分立元件的接头或其它部分的终端插入，焊接在这个口路上，这样一个完整的线路便组装完成了。如果采用浸镀法，所有接头的焊接可以一次完成。这样，对于那些需要精细布置电路的场合，如无线电、电视机，计算机等，采用印刷电路可以节省大量布线和固定回路的劳动；因而得到广泛应用，需要消费大量的铜箔。此外，在电路的连接中还需用各种价格低廉、熔点低、流动性好的铜基钎焊材料。
※ 集成电路
微电子技术的核心是集成电路。集成电路是指以半导体晶体材料为基片（芯片），采用专门的工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路。这种微电路在结构上比最紧凑的分立元件电路在尺寸和重量上小成千上万倍。它的出现引起了计算机的巨大变革，成为现代信息技术的基础。目前己开发出的超大规模集成电路，在比小姆指甲还小的单个芯片面积上，能做出的晶体管数目，己达十万甚至百万以上。最近，国际著名的计算机公司IBM（国际商业机器公司），己采用钢代替硅芯片中的铝作互连线，取得了突破性进展。这种用铜的新型微芯片，可以获得30%的效能增益，电路的线尺寸可以减小到 0.12微米，可使在单个芯片上集成的晶体管数目达到200万个。这就为古老的金属铜，在半导体集成电路这个最新技术领域中的应用，开创了新局面。
※ 引线框架
为了保护集成电路或混合电路的正常工作，需要对它进行封装；并在封装时，把电路中大量的接头从密封体内引出来。这些引线要求有一定的强度，构成该集成封装电路的支承骨架，称为引线框架。实际生产中，为了高速大批量生产，引线框架通常在一条金属带上按特定的排列方式连续冲压而成。框架材料占集成电路总成本的1／3～ l／4，而且用量很大；因此，必须要有低的成本。
铜合金价格低廉，有高的强度、导电性和导热性，加工性能、针焊性和耐蚀性优良，通过合金化能在很大范围内控制其性能，能够较好地满足引线框架的性能要求，己成为引线框架的一个重要材料。它是目前钢在微电子器件中用量最多的一种材料。
<返回
 
※ 能源工业
火力及原子能发电都要依靠蒸气作功。蒸气的回路如下：
锅炉发生蒸气- 蒸气推动汽轮机作功- 作功后的蒸汽送至冷凝器- 冷却成水- 回到锅炉重新变成蒸汽。
其间主冷凝器由管板和冷凝管组成。由于钢导热性好并能抗水的腐蚀，所以它们均使用锅黄铜、铝黄铜或白铜制造。根据资料介绍，每万千瓦装机容量需要5吨冷凝管。一个60万千瓦的发电厂就需要3 00吨冷凝管材。
太阳能的利用也要使用许多铜管。例如：英国伦敦附近某旅馆的一个游泳池，装备了太阳能加热器，在夏季可以将水温保持在18～24℃。在该太阳能加热器中含有784磅（3 56公斤）铜管。
※ 石化工业
铜和许多铜合金，在水溶液、盐酸等非氧化性酸、有机酸（如：醋酸、柠檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸等）、除氨以外的各种碱及非氧化性的有机化合物（如：油类、酚、醇等）中，均有良好的耐蚀性；因而，在石化工业中大量用于制造接触腐蚀性介质的各种容器、管道系统、过滤器、泵和阀门等器件。还利用它的导热性，制造各种蒸发器、热交换器和冷凝器。由于铜的塑性很好，特别适合于制造现代化工工业中结构错综复杂、铜管交叉编制的热交换器。此外在石油精炼工厂中都使用青铜生产工具；原回是冲击时不迸出火花，可以防止火灾发生。
※ 海洋工业
海洋占地球表面面积70％以上，合理地开发利用海洋资源日益受到人们的重视。海水中含确"容易造成腐蚀的氯离子，钢铁、铝、甚至不锈钢等许多工程金属材料均不耐海水腐蚀。此外在这些材料，以及木材、玻璃等非金属材料的表面上还会形成海洋生物污损。铜则一枝独秀，不但耐海水腐蚀；而且溶入水中&