书城自然科学科学奥秘丛书——矿产资源
7415300000011

第11章 工业的黄金——铜

经过漫长的石器时代之后,我们的祖先在劳动中最早发现并使用的金属就是铜。人们用石斧将其砍下来,用锤打的方法把它加工成物件。于是铜器挤进了石器的行列,并且逐渐取而代之,结束了人类历史上的新石器时代。人类也就是从这时起,开始用金属来制造自己必需的武器和生产工具。由于这一时期人类使用的武器和工具主要是用铜制造的,故而我们把这一时期叫做“铜器时代”。

据考古研究发现,古埃及人早在公元前就已认识铜了。我国劳动人民也早在4000年前就已开始使用铜,是世界上最早使用铜的国家之一。由于铜器比石器好用得多,而且损坏了可以再冶炼重新制造。因而,铜器的使用标志着人类发展上的一个重大进步。

我国在距今4000年前的夏朝已经开始使用红铜,即天然铜。它的特点是锻锤出来的。1957年和1959年两次在甘肃武威皇娘娘台的遗址发掘出铜器近20件,经分析,铜器中铜含量高达99.63%~99.87%,属于纯铜。

红铜之后,发展到使用铜锡合金的青铜。相比红铜青铜熔点低,硬度大,而且又比较耐腐蚀,因此得到广泛的应用。距今两三千年前的商、周时代,我国当时已有世界上规模很大、发达的青铜器制造业。当时已不止能制造小型的器物,还能制造大型的食具、酒器和武器。如著名的“司母戊”大方鼎,高137厘米,长110厘米,宽78厘米,重875千克,造于商代后期,是我国青铜时代杰出的代表作。

据研究,商代冶炼青铜的铜矿物主要是孔雀石。这是因为孔雀石是含铜的硫化矿物在地表氧化,然后与矿物发生化学反应而形成的,常呈美丽的绿色和翠绿色,十分引人注目,同时孔雀石的熔点比较低,容易从中炼出铜,因此利用的最早。

1933年,河南省安阳县殷墟发掘中,发现重达18.8千克的孔雀石、直径在1寸以上的木炭块、陶制炼铜用的将军盔以及重21.8千克的煤渣,说明3000多年前我国古代劳动人民从铜矿取得铜的过程。

但是,炼铜制成的物件太软,容易弯曲,并且很快就钝。接着人们发现把锡掺到铜里去制成铜锡合金——青铜。青铜器件的熔炼和制作比纯铜容易得多,比纯铜坚硬(假如把锡的硬度值定为5,那么铜的硬度就是30,而青铜的硬度则是100~150),历史上称这个时期为青铜时代。

我国战国时代的著作《周礼·考工记》总结了熔炼青铜的经验,讲述青铜铸造各种不同物件采用铜和锡的不同比例:“金有六齐(方剂)。六分其金(铜)而锡居一,谓之钟鼎之齐;五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐;四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐;三分其金而锡居一,谓之大刃之齐;五分其金而锡居二,谓之削杀矢(箭)之齐;金锡半,谓之鉴(镜子)燧(利用镜子聚光取火)之齐。”这表明在3000多年前,我国劳动人民已经认识到,用途不同的青铜器所要求的性能不同,用以铸造青铜器的金属成分比例也应有所不同。

青铜由于坚硬,易熔,能很好地铸造成型,在空气中稳定,因而即使在青铜时代以后的铁器时代里,也没有丧失它的使用价值。例如在公元前约280年,欧洲爱琴海中罗得岛上罗得港口矗立的青铜太阳神,高达46米,手指高度超过成人。

我国古代劳动人民更最早利用天然铜的化合物进行湿法炼铜,这是湿法技术的起源,是世界化学史上的一项发明。

铜之所以最先被我们的祖先发现并使用,不外乎有这样几点原因:一是铜经常以自然铜状态出现。而自然铜不需冶炼就能使用,这对人类来说是很省事的;同时它的美丽的红色的灿烂的金属光泽很引人注目。二是即使不是自然铜,铜的一些氧化物也是比较容易冶炼的,而且冶炼的方法很容易发明。三是铜的硬度不大,便于加工。

西方传说,出产铜的地方是古代地中海的塞浦路斯岛是出产铜的地方,因而由此得到它的拉丁名称CUPRUM和它的元素符号Cu。英文中的COPPER,拉丁文中的CUIVRE、都源于此。

在自然界中,含铜的矿物约有170种,但现代工业用来冶炼的矿物仅12种。由于铜和硫是一对很好的朋友,常常形影不离地待在一起,因此,在自然界里,铜主要是呈硫化物产出。含铜矿物中最主要的是黄铜矿、斑铜矿、辉铜矿三种,它们的含铜量通常在35%~80%之间。

这些形形色色的铜矿物的形成,最初均与岩浆活动有关。当岩浆侵入地壳中的时候,由于温度、压力的改变,其中的铜元素结晶形成含铜的矿床;如果岩浆侵入到石灰岩或白云岩中时,炽热的岩浆往往在与石灰岩、白云岩的接触地带发生化学反应(置换反应)而生成铜矿床;有时岩浆侵入其他岩石的裂隙、孔隙或空洞中时,岩浆中的铜元素在这些裂隙、孔隙或空洞中沉淀出来也可以形成铜矿床。此外,在火山爆发时,温度极高,压力很大的岩浆也侵入地壳或喷出地表的时候,也可以形成很大的铜矿床。和其他许多矿床的形成一样,原来铜矿床如果露在地表时,在外力的作用下,也可以形成沉积铜矿床。

铜有美丽的红棕色光泽,性柔软,用小刀也能刻动它,比重很大,比同体积的水约重8~9倍。它的展性和延性都很好,能压成很薄的铜片和抽成很细的铜丝。铜的导电性仅次于银,比其他任何金属都好。因而在电机机械、电力传输线、通讯电缆等的制造业中占有重要的地位,是实现电气化必需的物质基础。此外,铜还有很强的传热性和化学稳定性,在有机化学工业中有广泛的用途。如制糖工业的真空器、制酒用的蒸馏锅、酿造锅、冷藏器、加热器等都是用铜制造的。

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,原因是冲击时不迸出火花,可以防止火灾发生。

由于良好的耐海水腐蚀性能,许多铜合金,如铝青铜、锰青铜、铝黄铜、炮铜(锡锌青铜)、白钢以及镍铜合金(蒙乃尔合金)已成为造船的标准材料。一般在军舰和商船的自重中,铜和铜合金占2%~3%。

军舰和大部分大型商船的螺旋桨都用铝青铜或黄铜制造。大船的螺旋桨每支重20~25吨。“伊丽莎白皇后”号和“玛丽皇后”号航母的螺旋桨每支重达35吨。大船沉重的尾轴常用“海军上将”炮铜,舵和螺旋桨的锥形螺栓也用同样材料。引擎和锅炉房内也大量用钢和铜合金。世界上第一艘核动力商船,使用了30吨白铜冷凝管。近来用铝黄铜管作油罐的大型加热线圈。在10万吨级的船上就有12个这种储油罐,相应的加热系统规模相当大。船上的电气设备也很复杂,发动机、电动机、通讯系统等几乎完全依靠铜和铜合金来工作。大小船只的船舱内经常用钢和铜合金来装饰。甚至木制小船,也最好用钢合金(通常是硅青铜)的螺丝和钉子来固定木结构,这种螺丝可以用滚轧大量生产出来。

以防止船壳被海生物污损影响航行,过去经常采用包覆铜加以保护;现在,则普遍用刷含铜油漆的办法来解决。

二次世界大战中,为防御德国磁性水雷对舰船的袭击,曾发展了抗磁性水雷装置,在钢船壳周围附一圈铜带,通上电流以中和船的磁场,这样就可以不引爆水雷。从1944年以后,盟军的所有船只,共计约18000艘,都装上了这种去磁装置而得到了保护。一些大型主力舰为此需用大量的铜,例如其中一艘用去铜线长28英里,重约30吨。

火箭、卫星和航天飞机中,除了微电子控制系统和仪器、仪表设备以外,许多关键性的部件也要用到铜和铜合金。例如:火箭发动机的燃烧室和推力室的内衬,可以利用铜的优良导热性来进行冷却,以保持温度在允许的范围内。“亚里安那”5号火箭的燃烧室内衬,用的是铜—银结合金,在这个衬筒内加工出360个冷却通道,火箭发射时通入液态氢进行冷却。

此外,铜合金也是卫星结构中承载构件用的标准材料。卫星上的太阳翼板通常是由铜与其他几个元素的合金制成的。

铜在地壳中的含量算不上很丰富,它只占地壳总重量的0.01%。就目前全世界铜的探明储量而言,约合金属铜3亿多吨,看来这项资源还是比较紧张的,不过由于每年都不断地发现许多新的铜矿,这又给我们增添了信心和希望。

在全世界来看,我国的铜矿资源还是比较丰富的。目前的探明储量已达5000多万吨,约占全世界总含量的13.15%,仅次于世界著名的产铜国智利、美国,居世界第三位。

新中国成立以来,由于广大地质勘探人员的辛勤劳动,在我国辽阔的大地上,发现了多处储量巨大的铜矿。例如江西的德兴,云南的东川,安徽的铜陵,湖北的大冶,甘肃的白银、金昌,西藏的昌都地区以及横断山区等地都是我国著名的铜矿基地。尤其是江西的德兴,已探明储量达900万吨,远景储量还可能进一步扩大,是世界少有的特大铜矿之一。此外,横断山区金属成矿带上,探明储量也不少,达700多万吨。西藏的昌都地区发现的特大铜矿,其探明储量也达600多万吨。所有这些铜矿床的发现和开发,对我国的电气化的实现将会做出重要的贡献。