铜在地壳中的含量只有0.01%,在自然界中大多以硫化物和氧化物形式存在于各种共生矿石中。铜矿石中的含铜量一般为0.4%～5%。根据矿石的类型不同,从铜矿中提取铜有火法冶金和湿法冶金两种方法。火法冶金主要用于硫化铜矿的冶炼,湿法冶金主要用于处理氧化铜矿。无论采用何种冶炼方法,冶炼前都必须对原矿进行浮选富集。富选后的铜精矿一般含铜20%～30%,含铁30%～35%,含硫30%～35%,含二氧化硅10%～15%,此外,还含有少量锑、铋、硒、碲、锗、锰、金和银等稀有和贵重金属。通过冶炼即能实现除硫、铁和各种金属的分离与回收。

1.铜精矿的火法冶金

火法炼铜的主要流程如图2-15所示。

图2-15　火法炼铜基本流程

(1)冰铜的形成

在炼铜炉的高温条件下,精铜矿中的高价硫化物将分解成简单硫化物。反应产生的硫蒸气在炉气系统中燃烧生成SO2随烟气外排,Cu2S、FeS和其他金属硫化物则混合在一起形成冰铜。一些金属氧化物和脉石结合成炉渣,从而实现金属硫化物和脉石的分离。

(2)冰铜的吹炼

冰铜吹炼是指向1150℃～1300℃的熔融冰铜中吹入压缩空气,并加入适量的石英熔剂,从而获得含铜98%以上,并含有少量稀贵金属的粗铜的工艺过程。

(3)粗铜的火法冶炼

经吹炼得到的粗铜含有0.5%～2%的氧、硫等杂质元素,此外,还含有金、银、铀等稀贵金属。因此,必须对粗铜进行精炼。粗铜火法精炼与平炉炼钢相似,即用气体或液体燃料加热,使粗铜温度维持在1150～1170℃,再通入压缩空气,使杂质元素氧化成为金属氧化物进入炉渣。精炼后铜含量可达99%～99.5%。

(4)铜的电解

将火法精炼制得的铜板作为阳极,以电解产出的薄铜片作为阴极,置两极于充满电解液的电解槽中。在两极间通以低电压大电流的直流电,在铜阳极发生电化学溶解,纯铜在阴极上沉积,稀贵金属则进入阳极泥中,杂质元素一部分进入阳极泥,大部分以离子形态保留于电解液中,从而实现铜与杂质及稀贵金属的分离。

2.铜的湿法冶金

湿法炼铜主要由下面两个基本过程组成：一是在溶剂作用下使矿石中的铜溶解进入溶液中,二是用置换、电沉积或氢还原等方法将溶液中的铜分离出来。

湿法炼铜以前主要用于处理不适合用火法冶炼的低品位氧化铜矿、废矿堆和浮选尾矿。近年来,为消除火法冶炼硫化铜对环境的危害,正在积极从湿法冶金中寻求处理硫化铜矿的新途径。

3.铜合金的冶炼

作为工程结构材料,工业上常用的是铜合金,主要有青铜和黄铜两大类。青铜的主要合金元素是锡,而黄铜的主要合金元素是锌。(www.daowen.com)

由于铜的熔点较高,所以不能用普通的电阻加热炉熔炼,通常采用感应电炉或火焰炉熔炼。熔炼中要注意的是铜合金的脱氧和除氢。

氧是影响铜各种性能的重要杂质元素,在大多数情况下,铜中的氧主要是以氧化亚铜(Cu2O)形式分布在晶粒边界上的,所以将会降低铜的塑性,使铜难以进行冷加工,且可以引起铜的“氢脆”。

氢是铜中最常见、危害最大的气体。原子状态的氢可大量溶于铜液中,体积可占金属自身体积的27%。

在真空条件下,感应熔炼能得到氢、氧含量很低的铜。但是,由于真空熔炼投资大,工艺繁杂,而且产量有限,所以工业生产仍采用非真空感应熔炼的方法,只要采用合适的净化工艺,也可以得到氢、氧含量较低的铜合金。

(1)脱氧

目前应用得较为广泛的方法是脱氧剂法。把脱氧剂加到熔池表面,脱氧反应主要在熔池的表面进行。特点是作用较为缓慢,脱氧不易彻底,但是,由于脱氧反应仅在表面进行,所以熔池内部熔体不会受到污染。如用作覆盖剂的燃烧木炭,就是一种典型的扩散脱氧剂。木炭中的碳及其所产生的一氧化碳等气体,在高温下对铜液有脱氧作用：

生成的二氧化碳气从熔体中逸出,还原出来的铜留在铜液中。

(2)除氢

①惰性气体法。主要使用的是氮气和氩气,它们既不溶于铜液,也不与铜液发生化学反应。当大量的气泡通过熔体时,随着气泡的上浮及对熔体的搅动作用,原来溶于熔体中的氢跟着上浮至液面。基于氢气在气泡内外的压力差,溶于熔体中的氢不断向气泡中扩散,并随着气泡的上升和逸出而排出到大气中,达到除气目的。通过吹氮处理铜液,不仅可以除去熔体中的氢,而且有助于熔体中其他夹杂物的上浮。气泡越小,数量越多,越有利于除氢。但是,由于气泡上浮的速度大,通过熔体的时间短,且气泡不可能均匀分布于整个熔体中,因此除氢不彻底,且随着熔体中含氢量的减少,除气效果降低。

②氧化法。溶于铜液中的氢和氧,在一定条件下可能进行下列可逆反应：

随着所生成的水蒸气的逸出,反应向右进行,降低了铜液中的氢。可利用这一原理有意识地使铜液中的含氧量增加,以降低氢的含量。

氧化方法是将压缩空气吹入铜液中使大量的铜被氧化：

生成的氧化亚铜溶于铜液中并与铜液中的氢发生反应：

结果,铜被还原,水蒸气从熔体中逸出。当上述两个反应能够连续不断地进行时,铜液中的氢逐渐减少。经氧化处理过的铜液,出炉前应该对其进行脱氧处理,以除去铜液中多余的氧化亚铜。