铜

在南美洲，早在公元前 500 年，秘鲁北部海岸就开始生产铜制品。 ，到 1500 年代印加帝国被征服的西班牙士兵占领时，铜冶金的发展得到了很好的发展。

在美国，第一个铜矿于 1705 年在康涅狄格州的布兰比开设，随后于 1732 年在宾夕法尼亚州的兰开斯特开设了一个。 尽管生产很早，但美国使用的大部分铜都是从智利进口的，直到 1844 年，苏必利尔湖周围大型高品位铜矿的开采开始了。 1800 年代后期更有效的加工技术的发展使得可以从美国西部的大型露天矿中开采低品位铜矿石。

今天，美国和智利是世界上最大的两个铜生产国，其次是俄罗斯、加拿大和中国。

原材料

纯铜在自然界中很少发现，但通常以铜矿石的形式与其他化学物质结合。在全球 40 个国家/地区，约有 15 种铜矿石被商业开采。最常见的是硫化矿，其中铜与硫发生化学键合。根据存在的化学物质，其他矿石被称为氧化物矿石、碳酸盐矿石或混合矿石。许多铜矿石还含有大量金、银、镍和其他有价值的金属，以及大量商业上无用的材料。在美国开采的大部分铜矿石仅含有约 1.2-1.6% 的铜（按重量计）。

最常见的硫化矿是黄铜矿，CuFeS 2 ，也称为黄铜矿或黄铜矿。辉铜矿 (Cu 2 S) 是另一种硫化矿。

赤铜矿或红铜矿石 Cu 2 O 是一种氧化物矿石。孔雀石或绿色铜矿石Cu(OH) 2 •CuCO 3 是一种重要的碳酸盐矿石，蓝铜矿或蓝色碳酸铜Cu(OH) 2 •2CuCO 3 也是一种重要的碳酸盐矿石。

其他矿石包括天南星石、硼铁矿、金红玉髓和磷灰石。

除了矿石本身，还经常使用其他几种化学品来加工和提炼铜。这些包括硫酸、氧气、铁、二氧化硅和各种有机化合物，具体取决于所使用的工艺。

制造
过程

从铜矿石中提取铜的工艺因矿石类型和最终产品所需纯度而异。每个过程包括几个步骤，其中不需要的材料被物理或化学去除，铜的浓度逐渐增加。其中一些步骤在矿场本身进行，而其他步骤可能在单独的设施中进行。

以下是用于处理美国西部常见的硫化物矿石的步骤。

挖矿

• 1 大多数硫化矿是通过使用炸药钻孔和爆破从巨大的露天矿中开采出来的。在这种类型的采矿中，位于矿石上方的物质（称为覆盖层）首先被移除以暴露埋藏的矿床。这会产生一个露天矿坑，它可能会增长到一英里或更宽。一条允许设备进入的道路沿着坑的内部斜坡向下延伸。
• 2 暴露的矿石由大型电铲铲起，一次可装载 500-900 立方英尺（15-25 立方米）。矿石被装入称为拖运卡车的巨型自卸卡车中，然后向上运出矿坑。

专注

铜矿石通常含有大量泥土、粘土和多种非含铜矿物。第一步是去除一些这种废料。这个过程称为浓缩，通常通过浮选法完成。

• 3 矿石在一系列圆锥破碎机中破碎。圆锥破碎机由一个内磨锥组成，该内磨锥在固定外锥内的偏心垂直轴上旋转。当矿石被送入破碎机顶部时，它被挤压在两个锥体之间并破碎成更小的碎片。
• 4 粉碎的矿石随后被一系列磨机磨得更小。首先，将它与水混合并放入棒磨机中，棒磨机由一个装有许多短钢棒的大圆柱形容器组成。当圆筒绕其水平轴旋转时，钢棒翻滚并将矿石破碎成直径约 0.13 英寸（3 毫米）的碎片。矿石和水的混合物在两个球磨机中进一步破碎，这与棒磨机相似，只是用钢球代替棒。从最终球磨机出来的细磨矿石浆含有直径约 0.01 英寸（0.25 毫米）的颗粒。
• 5 将浆料与各种化学试剂混合，这些化学试剂会覆盖在铜颗粒上。还添加了一种称为起泡剂的液体。松油或长链酒精通常用作起泡剂。这种混合物被泵入称为浮选槽的矩形槽中，空气通过槽底部注入泥浆中。当气泡上升到表面时，化学试剂使铜颗粒附着在气泡上。起泡器形成一层厚厚的气泡，这些气泡从罐中溢出并被收集在槽中。使气泡冷凝并排出水。由此产生的混合物称为铜精矿，含有约 25-35% 的铜以及各种铜和铁的硫化物，以及较小浓度的金、银和其他材料。罐中剩余的材料称为脉石或尾矿。它们被泵入沉淀池并晾干。

从铜矿石中提取铜的工艺因矿石种类和最终产品所需纯度而异.每个过程包括几个步骤，其中不需要的材料被物理或化学去除，铜的浓度逐渐增加。

冶炼

从矿石中物理去除废料后，剩余的铜精矿必须经过多次化学反应才能去除铁和硫。该过程称为熔炼，传统上涉及如下所述的两个熔炉。一些现代工厂使用单个熔炉，将两种操作结合​​在一起。

• 6 铜精矿与称为助熔剂的二氧化硅材料一起送入熔炉。大多数铜冶炼厂使用富氧闪蒸炉，其中预热的富氧空气被强制进入炉子与燃料油一起燃烧。铜精矿和助熔剂熔化，收集在炉底。精矿中的大部分铁与熔剂发生化学反应，形成熔渣，从熔融材料的表面撇去。精矿中的大部分硫与氧气结合形成二氧化硫，二氧化硫以气体形式从熔炉中排出，并在酸厂中进一步处理以生产硫酸。熔炉底部剩余的熔融物称为锍。它是硫化铜和硫化铁的混合物，按重量计含有约 60% 的铜。
• 7 熔化的锍从熔炉中取出并倒入称为转炉的第二个熔炉中。添加额外的二氧化硅助熔剂，并将氧气吹过熔融材料。转炉中的化学反应与闪蒸炉中的化学反应相似。二氧化硅熔剂与剩余的铁反应形成炉渣，氧气与剩余的硫反应形成二氧化硫。炉渣可被送回闪蒸炉作为助熔剂，二氧化硫通过酸厂进行处理。去除炉渣后，最后注入氧气可去除除微量硫以外的所有物质。产生的熔融材料称为泡罩，按重量计含有约 99% 的铜。

精炼

尽管粗铜是 99% 的纯铜，但它仍然含有足够高的硫、氧和其他杂质，阻碍了进一步的精炼。为了去除或调整这些材料的含量，粗铜在送入最终的电解精炼过程之前首先要经过火法精炼。

• 8 粗铜在类似于上述转炉的精炼炉中加热。空气被吹入熔泡中以氧化一些杂质。可以添加碳酸钠焊剂以去除痕量的砷和锑。抽取熔融材料的样品，经验丰富的操作员确定杂质何时达到可接受的水平。然后将纯度约为 99.5% 的熔融铜倒入模具中以形成大的电阳极，作为电解精炼过程的正极。
• 9 每个铜阳极都放置在由聚合物混凝土制成的单独罐或槽中。一次可能有多达 1,250 个坦克在运行。铜片放置在罐的另一端作为阴极或负极端子。槽中充满了酸性硫酸铜溶液，作为阳极和阴极之间的导电体。当电流通过每个槽时，铜从阳极剥离并沉积在阴极上。剩余的大部分杂质从硫酸铜溶液中脱落并在罐底形成粘液。大约 9-15 天后，关闭电流并移除阴极。阴极现在重约 300 磅（136 千克），含 99.95-99.99% 的纯铜。
• 10 收集在罐底的粘液含有金、银、硒和碲。它被收集和加工以回收这些贵金属。

铸造

• 11 精炼后，阴极铜被熔化并根据最终应用浇铸成锭、块、坯或棒。锭是矩形或梯形砖，与其他金属一起重熔，制成黄铜和青铜制品。蛋糕是约 8 英寸（20 厘米）厚、28 英尺（8.5 米）长的矩形板。它们被轧制成铜板、带材、片材和箔产品。钢坯是直径约 8 英寸（20 厘米）、几英尺（米）长的圆柱形原木。它们被挤压或拉制成铜管和管道。杆具有直径约 0.5 英寸（1.3 厘米）的圆形横截面。它们通常被浇铸成很长的长度，然后盘绕。然后将这种盘绕材料进一步拉伸以制成铜线。

质量控制

由于电气应用需要极低的杂质含量，铜是少数几种精炼至几乎 100% 纯度的常见金属之一。已证明上述方法可生产纯度非常高的铜。为了确保这种纯度，样品在不同的步骤进行分析，以确定是否需要对过程进行任何调整。

副产品/废物

铜冶炼过程中硫酸的回收不仅提供了有利可图的副产品，而且显着减少了炉排废气对空气的污染。黄金、白银和其他贵金属也是重要的副产品。

废弃产品包括采矿作业产生的表土、选矿作业产生的尾矿和冶炼作业产生的矿渣。这种废物可能含有高浓度的砷、铅和其他化学物质，对周围地区的健康构成潜在危害。在美国，一旦采矿和加工作业停止，环境保护署 (EPA) 就对此类废物的储存和该地区的修复进行监管。所涉及材料的绝对数量——在某些情况下，有数十亿吨的废物——使这项任务变得艰巨，但它也提供了一些潜在的有利可图的机会来回收这些废物中包含的可用材料。

未来

铜的需求预计将保持高位，尤其是在电气和电子行业。铜加工的当前趋势是使用更少的能源并产生更少的空气污染和固体废物的方法和设备。在美国，由于严格的环境控制和非常低浓度的铜矿石，这是一项艰巨的任务。在某些情况下，生产成本可能会显着增加。

一个令人鼓舞的趋势是回收铜的使用增加。目前，美国生产的铜有一半以上来自回收铜。 55% 的回收铜来自铜加工操作，如螺丝成型，45% 来自旧铜产品的回收，如电线和汽车散热器。随着新铜加工成本的增加，预计回收铜的百分比将增加。