产能最薛定谔的金属——铜，你了解多少？
发布时间：2024-11-04
国际实业INTERNATIONAL INDUSTRY
去年10月15日，据外媒消息：国际铜研究组织（ICSG）预测，2024年铜市场将从2023年的供需平衡转变为重大供应过剩，产量预计将超过使用量467,000吨，蒙特利尔银行资本市场也预计2024精炼铜将出现大量过剩。正当大家感叹铜过剩的时候，消息反转了。去年12月第一量子矿业有限公司在巴拿马的运营被终止，英美资源集团也要削减其在海外的铜产能。各大预测机构纷纷改口，蒙特利尔银行资本市场认为会出现2024铜产量将少量短缺、杰富瑞预计明年将出现严重短缺……铜不愧是产能最薛定谔的金属，今天就结合铜的特性带大家了解一下铜的开采与利用历史。
铜的使用和发展一直贯穿人类文明始终。1991年发现的史前人类奥兹冰人（Ötzi）的随身物品是一把锋利的铜斧。2024年我们爱不释手的手机中也有铜做成的电路板。古老的铜，在历经三次工业革命之后，依然是离我们人类最近的工具。
（奥兹冰人与铜斧 图源：搜狐）
自然铜的定义与特性
自然铜，化学符号Cu（源自拉语"Cuprum"），是一种具有显著特性的金属元素，位于元素周期表中的第29位，分子量63.546。在自然界中，尽管纯净的自然铜较为罕见，在地壳中的平均含量仅约为0.01%，但在特定的铜矿床中，其含量可显著提升至3%至5%。
通常，铜以铜矿石的形式存在，表现为多样的化合物状态。自然铜以其鲜明的红棕色著称，并以其卓越的导电性和导热性而受到重视，是已知的最好的几种导体之一。其结构为面心立方晶体，在纯净状态下展现出较高的塑性。然而，由于硬度较低（约在2.5到3之间），自然铜表面容易被常见硬物划伤。在物理特性方面，自然铜的熔点达到1357.77K（1083.4℃），而沸点为2835K（2562℃），表明它在极高温度下仍能保持稳定的物理状态。此外，自然铜具有良好的耐腐蚀性，使其在多种环境下均不易生锈或腐蚀。
（自然铜矿石——百度百科）
自然铜的形成与分布
在中国，大多数铜矿床是通过热液解决作用形成的。这些热液矿床通常与岩浆活动相关，尤其是花岗岩侵入体相关的热液活动(倪培 et al.)，这类矿床在中国东部的许多地区尤为常见。斑岩铜矿是另一种重要的矿床类型，也与岩浆活动有关，特别是与大型的火山-侵入岩复合体相关。虽然斑岩铜矿是全球范围内最主要的铜矿资源之一，但在中国，这种类型的矿床相对较少，主要分布在西藏、云南等地区。
倪培等. "热液矿床的成矿流体与成矿机制——以中国若干典型矿床为例.
全球自然铜的主要产区包括南美洲秘鲁和智利境内的安第斯山脉西麓、美国西部的洛杉矶和大坪谷地区、非洲的刚果和赞比亚等地区。特别是作为世界主要铜生产国的智利和秘鲁，其国内的矿业罢工事件甚至会导致全球铜价短期内波动。2017年2月，智利的Escondida铜矿开始罢工，罢工潮随后蔓延到了其他重要的铜矿，包括印尼的Grasberg铜矿和秘鲁的Cerro Verde铜矿。在2021年8月，智利国家铜业公司(Codelco)旗下安迪纳(Andina)铜矿的劳工整合工业联盟(SIIL)和统一工人工会(SUT)也宣布罢工。这两次罢工都使得全球7%~10%的铜产量面临风险。
（智利-秘鲁-刚果金矿产分布 图源：中邮证券）
自然铜与人类文明
早期文明时期
约在9000年前的新石器时代晚期，人类开始认识到自然铜的存在，并加以利用。这一时期，自然铜被加工成各种工具，如刀剑、匕首、镰刀等，成为了当时人类工具制作的理想材料。在美索不达米亚、埃及、印度河流域等早期文明中，自然铜的使用推动了农业和手工业的发展。特别是在美索不达米亚地区，自然铜的利用不仅改善了农业生产工具，还促进了城市的兴起和文明的发展。
（邓家湾遗址：冶铜业的出现（公元前3900─3500年）
图源：搜狐）
（美索不达米亚：苏美尔早王朝（公元前2500年）铜合金牛车
图源：搜狐）
铜石并用时期
随着时间的推移，人们开始意识到单一的自然铜材料的局限性，尤其是其较低的硬度和耐磨性。为了改善这一情况，人们开始尝试混合自然铜与其他元素，尤其是锡。这一时期被称为铜锡并用时期，标志着青铜时代的开始。青铜是铜与锡的合金，锡与铜形成了固溶体，使得合金的晶格结构发生了变化，从而改变了其物理和机械性质。经现代科学测定，红铜的硬度为布林氏硬度的35度，加锡5%，其硬度就提高为68度，加锡10%，其硬度会进一步提高为88度，如果经过锤炼，其硬度可继续提高。同时，锡的添加可以使得合金表面形成一层致密的氧化物膜，这种膜可以防止进一步的氧化，从而提高了青铜的抗腐蚀性。此外，青铜合金的特性还受到了热处理和工艺技术的影响。人们发现通过合适的热处理可以进一步改善青铜的性能，比如通过退火或淬火可以调整合金的晶粒大小和结构，从而影响其力学性能和耐久性。这一时期的铜石并用技术逐渐发展，人们掌握了混合不同比例铜和锡的方法，并且开始生产更加精细的青铜器物。在中东、中国、地中海地区等地，青铜器物的生产达到了顶峰，成为了当时文明发展的象征。例如，在古埃及，青铜器物的制作技术达到了相当高的水平，人们制造了精美的青铜工艺品，如雕像、饰品、器皿等，这些作品不仅在美学上十分出色，还反映了古埃及文明的宗教和社会价值观。在中国，青铜器物的制作技术也达到了巅峰，青铜器的铸造技术、表面处理技术等方面都取得了很大进展，为当时的社会和文化生活增添了光彩。在地中海地区，青铜器物成为了古希腊和古罗马文明的重要组成部分，展现了当时社会的繁荣和发展。总的来说，早期文明时期的自然铜利用不仅促进了工具制造和手工业的发展，还对文明的进步产生了深远的影响。
（古埃及鎏金铜质雕像：冥王奥西里斯
图源：PHOENIX ANCIENT ART）
（古埃及青铜银质雕像：植物神奈夫顿
图源：PHOENIX ANCIENT ART）
（兽面纹铜鬲
图源：安徽博物院）
铜的开采技术与发展
19世纪随着电力的发明和广泛应用，铜因其优良的导电性而变得极其重要。这一时期，全球铜的需求量急剧上升，促进了铜矿业的发展。特别是二战后，全球经济的快速增长和城市化进程使得对铜的需求持续增加。与此同时，技术的进步，如露天采矿技术和湿法炼铜（SX-EW）工艺的发展，极大地提高了铜的生产效率。自1900年起，当时世界铜矿产量不足50万吨铜，世界铜矿产量每年平均增长3.15%，至2022年达到2200万吨。SW-EW产量，在1960年代前几乎不存在，到2022年却达到了430万吨。
世界铜矿产量, 1900-2022
露天采矿的具体“发明者”难以追溯，因为这种采矿方法的发展是多个世纪技术进步的结果。在古代，人们就已经开始利用露天采矿的基本形式来开采金属和石材，主要依赖于人力和简单工具，如镐和铲，所以效率不高。但随着工业革命的到来，蒸汽动力和后来的内燃机技术被引入到采矿业，这使得矿石的开采和土石的移动变得更加高效。露天采矿作为一种系统化的开采技术，其在19世纪和20世纪初期随着大型机械化设备的引入而得到显著发展。
20世纪初大型挖掘机械、卡车和炸药的引入，极大地提高了露天采矿的规模和效率。机械化设备允许更深、更大规模的矿坑开采，同时减少了劳动力需求和成本。露天采矿开始采用更精细的规划和设计方法。地质勘探技术的进步（如航空摄影、地球物理和地球化学勘探方法）提高了矿床定位的准确性。进入21世纪后，自动化挖掘机、无人驾驶卡车和监控系统开始在一些大型露天矿中得到应用。这些技术不仅提高了安全性和效率，还进一步降低了成本。但是随着环境保护意识的增强和对可持续采矿实践的需求增加，露天采矿技术会导致当地水资源的破坏、土地难以复垦以及生态恢复缓慢等一系列的弊端，这也让这项技术受到了很多反对的声音。
露天采矿行业- Pixabay
另一项对铜的精炼贡献极大的工艺是湿法炼铜（Solvent Extraction-Electrowinning, SX-EW）工艺。湿法炼铜设备更简单，在矿山附近就近生产，生产成本低，不生产硫酸，无SO2污染。其过程是先使用有机溶剂从溶液中萃取铜离子，然后通过电积工艺将铜离子还原为纯铜金属。随着湿法炼铜（SX-EW）技术的出现，从浸出矿石中提炼出的精铜数量逐年增加，2020年这一比例增加到16％，但是SX-EW最大的缺点就是几乎为零的副产品收入。SX-EW矿山只生产一种主要的可销售商品-阴极铜。而火法炼铜则有硫酸以及金银等利润丰厚的副产品收入。
结语
在改变人类命运的石头中，自然铜的存在渗透于文明的每一个角落。从奥兹冰人的手中铜斧——那古朴的“凿云霞于万石”，到现代城市的铜缆——如“织细云于碧空”，这静默的守望者，以其独特的光泽承传了历史的重压，也悄然铺就了未来的径路。
—— 参考文献 ——
倪培, et al. "热液矿床的成矿流体与成矿机制——以中国若干典型矿床为例." 矿物岩石地球化学通报 37.3 (2018): 26. Print.
*本文来源石头科普工作室
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