Основные области применения меди, которые необходимо знать

Медь: Один из самых ранних металлов, обнаруженных человеком. Археологические находки в гробницах показали, что уже 6 000 лет назад египтяне использовали медные инструменты. В природе медь встречается в виде самородной меди, куприта и халькоцита. Самородная медь и куприт встречаются редко.

В настоящее время более 80% меди в мире получают из халькоцита, низкосортной руды, содержащей всего 2-3% меди. Развитие металлургии меди прошло долгий путь, но и сегодня медь выплавляется в основном методом пирометаллургии, на долю которой приходится около 80% от общего объема мирового производства меди.

Постепенно внедряются современные методы гидрометаллургии, значительно снижающие стоимость рафинирования меди.

Медь обладает многими ценными физическими и химическими свойствами, такими как высокая тепло- и электропроводность, химическая стабильность, высокая прочность на разрыв, хорошая свариваемостькоррозионная стойкость, пластичность и ковкость.

 Чистую медь можно вытянуть в очень тонкую проволоку или сделать из нее очень тонкую медную фольгу. Она может образовывать сплавы с цинком, оловом, свинцом, марганцем, кобальтом, никелем, алюминием, железом и другими металлами. Образуемые сплавы в основном делятся на три категории: латунь - медно-цинковый сплав; бронза - медно-оловянный сплав; мельхиор - медно-кобальто-никелевый сплав.

Доля основных областей применения меди и медных сплавов.

Медь - это цветной металл, который тесно связан с человеком и широко используется в электротехнике, легкой промышленности, машиностроении, строительстве, оборонной промышленности и т.д. В Китае потребление меди занимает второе место после алюминия среди цветных металлов. металлические материалы.

По среднегодовому потреблению на душу населения: в развитых странах (на которые приходится около 1,1 млрд человек) - 10-20 кг; в развивающихся странах (на которые приходится около 4,9 млрд человек) - 0-2 кг.

Уровень потребления меди в развитых странах значительно выше, чем в развивающихся. В развитых странах среднестатистическому жителю за всю жизнь необходимо потреблять около одной тонны меди, что является значительным количеством.

Сравнение двух приведенных выше данных показывает, что уровень потребления меди в определенной степени отражает уровень развития страны. Хотя спрос на медь в Китае в последние годы значительно вырос, в сельской местности все еще есть бедные районы, где среднегодовое потребление на душу населения составляет всего около 0,1 кг, что аналогично Индии (0,13 кг), что указывает на огромный потенциал развития.

Структура потребления меди в Китае:

Структура потребления меди в США:

Из приведенных выше двух рисунков видно, что в структуре потребления меди между Китаем и США существует значительная разница. Потребление электрической и электронной продукции в Китае составляет половину от общего потребления, в то время как в США - 70%.

В США потребление меди в строительной отрасли также выше, в то время как в Китае потребление меди в строительстве незначительно. По сравнению с европейскими и американскими странами, в Китае применение меди в строительстве только началось в последние годы и имеет огромный потенциал.

Согласно статистике, использование меди в жилищном строительстве в США увеличилось со 120 кг на домохозяйство в 1970 году до 200 кг в 1996 году. В среднем на автомобили расходовалось 10 кг меди в 1950 году и увеличилось до 19 кг в 1996 году. Для электромобилей необходимо увеличить использование меди с 25 кг до 40 кг на автомобиль.

Распределение использования меди в различных секторах строительства на мировом рынке меди.

Конкретное распределение использования меди в различных секторах строительства на мировом рынке меди выглядит следующим образом:

(1) Жилищное строительство, включая: системы трубопроводов (вода, тепло, газ, спринклеры и т.д.); домашнее оборудование (кондиционеры, холодильники и т.д.); отделка здания (крыши, водостоки и т.д.); линии связи (аудио, видео, данные и т.д.); системы электроснабжения.

(2) Производство оборудования, включая: промышленное оборудование (двигатели, трансформаторы и т.д.); транспорт (автомобили, железные дороги, самолеты и т.д.); электронные устройства; изделия легкой промышленности (бытовая техника, приборы, инструменты и т.д.).

(3) Базовая инфраструктура, в том числе: масштабные инженерные проекты (транспортные объекты, нефтехимическая промышленность, горнодобывающая и металлургическая промышленность и т.д.); электроэнергетика (передача, распределение и т.д.); коммуникационные сети. Стоит отметить, что жилищное строительство напрямую связано с уровнем жизни людей, и медь имеет наибольшую долю применения в этой сфере. В частности, в Китае жилищное строительство рассматривается как важная составляющая развития национальной экономики. Как видно, активное продвижение применения меди играет важную роль в экономическом и социальном развитии страны.

Применение меди в электротехнической промышленности:

(1) Передача энергии

Данные о потреблении электроэнергии в стране с 1998 по 2003 год.

На рисунке выше показана ситуация с потреблением электроэнергии в Китае с 1998 по 2003 год, причем 2003 год является прогнозируемым значением. Быстрый рост спроса на электроэнергию, вызванный экономическим развитием Китая, требует большого количества высокопроводящей меди для передачи электроэнергии, используемой в основном в силовых кабелях, шинах, трансформаторах, переключателях, разъемах и соединительных элементах. В процессе передачи энергии по проводам и кабелям электрическое сопротивление выделяет тепло и энергию.

С точки зрения энергосбережения и экономики, в настоящее время в мире продвигается стандарт "оптимального сечения кабеля". В прошлом популярный стандарт был основан исключительно на уменьшении сечения кабеля для минимизации минимально допустимого размера кабеля при номинальном токе, требуемом конструкцией, с целью снижения первоначальных затрат на установку, не вызывая опасного перегрева.

Кабели, проложенные в соответствии с этим стандартом, имеют меньшую стоимость монтажа, но потребляют относительно больше энергии из-за электрического сопротивления при длительной эксплуатации. Стандарт "оптимального сечения кабеля" учитывает как единовременные затраты на монтаж, так и потребление энергии, соответствующим образом увеличивая размер кабеля для экономии энергии и получения оптимального комплексного экономического эффекта. Согласно новому стандарту, сечение кабеля часто увеличивается более чем в два раза по сравнению со старым стандартом, что позволяет достичь эффекта экономии примерно в 50%.

В прошлом, из-за недостатка меди, Китай принял меры по замене меди алюминием в воздушных высоковольтных линиях электропередачи, учитывая, что алюминий составляет всего 30% от веса меди, и надеясь уменьшить вес. Однако с точки зрения защиты окружающей среды воздушные линии электропередач будут заменены подземной прокладкой кабелей. В таких условиях алюминий имеет такие недостатки, как плохая проводимость и больший размер кабеля по сравнению с медью, что делает его менее конкурентоспособным.

По тем же причинам замена трансформаторов с алюминиевой обмоткой на трансформаторы с медной обмоткой, которые являются энергосберегающими, также является разумным выбором.

(2) Производство двигателей

В производстве двигателей широко используются медные сплавы, обладающие высокой проводимостью и прочностью. Основными медными деталями являются статор, ротор и головка вала. В крупных двигателях обмотка должна охлаждаться водой или газообразным водородом, что называется двойным водяным внутренним охлаждением или водородным охлаждением, для которого требуются длинные полые проводники.

Двигатели являются крупными потребителями электроэнергии, на них приходится около 60% всей электроэнергии. Совокупный счет за электроэнергию при работе двигателя очень высок. Как правило, он достигает стоимости самого двигателя в течение первых 500 часов работы и в 4-16 раз превышает ее в течение года. За весь срок службы затраты могут достигать 200 раз.

Небольшое повышение эффективности двигателя может не только сэкономить энергию, но и принести значительный экономический эффект. Разработка и применение эффективных двигателей - актуальная тема в современном мире. Поскольку внутреннее потребление энергии в двигателях в основном происходит из-за потерь сопротивления обмоток, увеличение площади поперечного сечения медной проволоки является ключевой мерой для разработки эффективных двигателей. В последние годы были разработаны некоторые высокоэффективные двигатели, которые используют на 25-100% больше медных обмоток, чем традиционные двигатели. В настоящее время Министерство энергетики США финансирует проект разработки, в котором предлагается производить роторы двигателей по технологии литой меди.

(3) Кабели связи

Начиная с 1980-х годов, благодаря преимуществам большой пропускной способности оптических волоконных кабелей, они постоянно заменяют медные кабели в коммуникационных магистралях и быстро расширяют свое применение. Однако для преобразования электрической энергии в оптическую и ввода пользовательских линий по-прежнему требуется большое количество меди. С развитием коммуникационной отрасли зависимость людей от связи растет, и спрос как на оптоволоконные кабели, так и на медные провода будет продолжать увеличиваться.

(4) Электропроводка в жилых помещениях

В последние годы с повышением уровня жизни населения в Китае и быстрой популяризацией бытовой техники нагрузка на электросети жилых домов стремительно росла. Как показано на рисунке 6.6, в 1987 году потребление электроэнергии населением составляло 26,96 млрд киловатт-часов (кВт-ч), а к 1996 году оно выросло до 113,1 млрд кВт-ч, то есть в 3,2 раза.

Несмотря на этот рост, по сравнению с развитыми странами все еще сохраняется значительный разрыв. Например, в 1995 году потребление электроэнергии на душу населения в США было в 14,6 раза больше, чем в Китае, а в Японии - в 8,6 раза больше, чем в Китае. В будущем потребление электроэнергии населением Китая все еще имеет большой потенциал для роста. Ожидается, что с 1996 по 2005 год оно увеличится в 1,4 раза.

В настоящее время проектная мощность электропроводки жилых домов в Китае относительно низка. В таблице 6.l приведено сравнение стандартов архитектурного проектирования электропроводки в Пекине, Гонконге и Японии, для примера взята квартира с двумя спальнями. Видно, что Гонконг и Япония полностью учли в своих проектах потребность в увеличении потребления электроэнергии населением, в то время как китайский потенциал проектирования электропроводки в жилых домах нуждается в срочном улучшении.

Применение меди в электронной промышленности

Электронная промышленность - это развивающаяся отрасль, которая по мере своего роста продолжает разрабатывать новые медные изделия и новые области применения. В настоящее время ее применение развивается от электронных трубок и печатных схем до микроэлектроники и полупроводниковых интегральных схем.

(1) Электронные трубки

Электронные трубки в основном состоят из высокочастотных и сверхвысокочастотных передающих трубок, волноводов и магнетронных трубок, для изготовления которых требуется высокочистая бескислородная медь и дисперсионно-упрочненная бескислородная медь.

(2) Печатные схемы

Медные печатные схемы используют медную фольгу в качестве поверхности, которая наклеивается на пластиковую плату в качестве опоры. Электрическая схема печатается на медной пластине методом фотолитографии, а лишняя часть удаляется травлением, чтобы осталась взаимосвязанная схема.

Затем пробивают отверстия в местах соединения печатной платы с внешней стороной, вставляют выводы дискретных компонентов или других деталей и приваривают их по этому пути, чтобы завершить сборку полной схемы. Если используется метод погружного покрытия, все совместная сварка можно завершить сразу.

Поэтому печатные платы широко используются в ситуациях, требующих точной разводки схем, например, в радиоприемниках, телевизорах, компьютерах и т.д., что экономит много труда на разводке и креплении схем и требует большого расхода медной фольги. Кроме того, для соединения схем требуются различные недорогие, низкоплавкие и хорошо плавящиеся припои на основе меди.

(3) Интегральные микросхемы

Основой технологии микроэлектроники являются интегральные схемы. Интегральная схема - это миниатюрная схема, в которой компоненты и межсоединения, составляющие схему, интегрированы внутри, на поверхности или над подложкой из полупроводникового кристаллического материала (чип) с использованием специализированной технологии.

Микросхемы этого типа в тысячи и даже миллионы раз меньше по размерам и весу, чем самые компактные по структуре схемы на дискретных компонентах. Ее появление вызвало огромные изменения в компьютерах и стало основой современных информационных технологий.

Разработанные в настоящее время очень крупные интегральные схемы могут создавать сотни тысяч и даже миллионы транзисторов на одном кристалле площадью меньше ногтя. Недавно всемирно известная компьютерная компания IBM совершила прорыв, использовав медь вместо алюминия в качестве межсоединений в кремниевых чипах.

Этот новый тип медных микросхем позволяет достичь КПД 30%, уменьшить размеры линий схемы до 0,12 мкм и интегрировать до 2 миллионов транзисторов в один чип. Это открыло новые перспективы для древнего металла меди в новейшей технологической области полупроводниковых интегральных схем.

(4) Свинцовые рамы

Чтобы защитить нормальную работу интегральных или гибридных схем, их необходимо упаковать, а во время упаковки большое количество разъемов в схеме должно быть выведено из-под пломбы.

Эти выводы требуют определенной прочности для формирования несущего каркаса интегральной упаковочной схемы, называемого рамкой выводов.

В реальном производстве для достижения высокой скорости и крупномасштабного производства выводные рамки обычно непрерывно штампуются на металлической полосе в определенном порядке. Материал выводных рамок составляет от 1/3 до 1/4 общей стоимости интегральной схемы и широко используется, поэтому необходима низкая стоимость.

Медные сплавы отличаются низкой ценой, высокой прочностью, электропроводностью и теплопроводностью, отличными технологическими характеристиками, паяемостью и коррозионной стойкостью. Благодаря легированию их свойства можно регулировать в широких пределах, чтобы они лучше соответствовали требованиям к производительности свинцовых каркасов.

Медь стала важным материалом для изготовления свинцовых каркасов и в настоящее время является наиболее широко используемым материалом для меди в микроэлектронных устройствах.

Применение меди в энергетической и нефтехимической промышленности

(1) Энергетическая промышленность

Как в тепловой, так и в атомной энергетике для выполнения работы используется пар. Паровая схема выглядит следующим образом: в котле образуется пар - пар приводит в движение турбину - пар после работы направляется в конденсатор - охлаждается в воду - возвращается в котел, чтобы снова стать паром.

В этот период основной конденсатор состоит из трубчатых пластин и конденсаторных трубок. Для их изготовления используется медь, поскольку она обладает хорошей теплопроводностью и устойчивостью к водной коррозии. Все они изготавливаются из желтой латуни, алюминиевой латуни или белая медь.

Согласно этим данным, на каждые 10 000 киловатт установленной мощности требуется 5 тонн конденсаторных трубок. Для электростанции мощностью 600 000 киловатт требуется 3 000 тонн материала для конденсаторных трубок. Использование солнечной энергии также требует большого количества медных труб.

Например, в отеле под Лондоном, оборудованном бассейном, установлен солнечный нагреватель, который летом может поддерживать температуру воды в пределах 18-24°C. Солнечный нагреватель содержит 784 фунта (356 килограммов) медных труб.

(2) Нефтехимическая промышленность

Медь иногда используется и в нефтехимической промышленности. Одним из таких примеров является использование медно-никелевых сплавов для теплообменников на атомных электростанциях с охлаждением морской водой. Сплав обладает отличной устойчивостью к коррозии в морской воде и высоким температурам, что делает его идеальным для использования в этой области.

Медь также используется при строительстве трубопроводов и резервуаров для транспортировки нефти и газа благодаря своей высокой прочности и отличной коррозионной стойкости.

Кроме того, медь используется в катализаторах химических реакций на нефтеперерабатывающих и других химических заводах.

(2) Нефтехимическая промышленность

Медь и многие медные сплавы обладают хорошей коррозионной стойкостью в неокисляющих кислотах, таких как водные растворы, соляная кислота, органические кислоты (например, уксусная, лимонная, жирные, молочная, щавелевая и т.д.), различные щелочи, кроме аммиака, и неокисляющие органические соединения (например, масла, фенолы, спирты и т.д.).

Поэтому они широко используются в нефтехимической промышленности для производства различных емкостей, трубопроводных систем, фильтров, насосов и клапанов для контакта с агрессивными средами.

Медь также используется для производства различных испарителей, теплообменников и конденсаторов благодаря своей теплопроводности. Благодаря своей хорошей пластичности медь особенно подходит для производства теплообменников сложной структуры с переплетенными медными трубами в современной химической промышленности.

Кроме того, бронза используется для производства инструментов на нефтеперерабатывающих заводах, поскольку при ударе не возникает искр, что позволяет предотвратить пожар.

(3) Океанская промышленность

Океан покрывает более 70% поверхности Земли, и рациональное освоение и использование морских ресурсов приобретает все большую ценность. Морская вода содержит хлорид-ионы, которые легко вызывают коррозию, и многие инженерные металлические материалы, такие как медь, железо, алюминий и даже нержавеющая медь, не устойчивы к коррозии в морской воде.

Кроме того, на поверхности этих материалов может образовываться морское биообрастание, а также неметаллические материалы, такие как дерево и стекло. Медь уникальна тем, что она не только устойчива к коррозии в морской воде, но и обладает бактерицидным действием, когда ионы меди растворяются в воде, что позволяет предотвратить морское биообрастание.

Поэтому медь и медные сплавы являются очень важными материалами в океанической промышленности и широко используются в установках для опреснения морской воды, морских нефтегазовых платформах и других прибрежных и подводных объектах.

Например, трубопроводные системы, насосы и клапаны, используемые в процессах опреснения морской воды, оборудование, применяемое на нефтяных и газовых платформах, включая брызгозащитные зоны и подводные болты, бурение дни, противобиообрастающие рукава, насосы, клапаны, трубопроводные системы и т.д.

Применение меди в транспортной промышленности

(1) Корабли

Благодаря отличной устойчивости к коррозии в морской воде многие медные сплавы, такие как алюминиевая бронза, марганцевая бронза, алюминиевая латунь, пушечная бронза (оловянно-цинковая бронза), белая медь и никель-медный сплав (сплав Монель), стали стандартными материалами для судостроения. На медь и медные сплавы приходится 2-3% веса военных кораблей и большинства крупных коммерческих судов. Гребные винты военных кораблей и большинства крупных коммерческих судов изготавливаются из алюминиевой бронзы или латуни.

Винты на больших кораблях весят 20-25 тонн каждый, а на авианосцах Elizabeth Queen и Mary Queen - до 35 тонн каждый. Тяжелые хвостовые валы больших кораблей часто изготавливают из "адмиральской" пушечной стали, из этого же материала делают конические болты рулей и гребных винтов. Медь и медные сплавы также широко используются в двигателях и котельных. На первом в мире атомном торговом судне использовалось 30 тонн конденсаторных трубок из белой меди. В последнее время большие нагревательные змеевики с алюминиево-латунными трубами используются в качестве нефтяных резервуаров.

На 100 000-тонном судне 12 таких резервуаров, и соответствующая система отопления довольно велика. Электрооборудование на борту также очень сложное: двигатели, моторы, системы связи и т. д. почти полностью зависят от меди и медных сплавов.

Медь и медные сплавы часто используются для отделки кают кораблей всех размеров, и даже деревянные лодки предпочтительно скреплять шурупами и гвоздями из медного сплава (обычно кремнистой бронзы), которые можно массово изготавливать методом прокатки. В прошлом для защиты корпуса судна от обрастания медью часто использовали медную обшивку, но сейчас обычно применяют медьсодержащую краску, наносимую кистью.

Во время Второй мировой войны, чтобы предотвратить нападение немецких магнитных мин на корабли, было разработано противомагнитное минное устройство. Вокруг корпуса корабля крепилась медная полоса, через которую пропускался электрический ток, нейтрализующий магнитное поле корабля, что не позволяло минам взрываться.

С 1944 года все корабли союзников, общим числом около 18 000, были оснащены этим размагничивающим устройством для защиты. Некоторые крупные линкоры требуют для этой цели большого количества меди. Например, один из них использует 28 миль (около 45 километров) медной проволоки весом около 30 тонн.

(2) Автомобили

В каждом автомобиле обычно содержится 10-21 килограмм меди, в зависимости от типа и размера транспортного средства. Для небольших автомобилей количество используемой меди составляет 6-9% от их веса. Медь и медные сплавы в основном используются в радиаторах, трубопроводах тормозной системы, гидравлических устройствах, шестернях, подшипниках, тормозных колодках, распределительных и силовых системах, шайбах, а также в различных соединительных элементах, фитингах и декоративных деталях.

В радиаторах используется относительно большое количество меди. В современных трубчато-полосковых радиаторах латунные полоски ввариваются в трубки радиатора, а тонкие медные полоски складываются в теплоотдающие ребра. В последние годы было проведено множество усовершенствований, направленных на дальнейшее улучшение характеристик медных радиаторов и повышение их конкурентоспособности по сравнению с алюминиевыми радиаторами.

Что касается материалов, то в медь добавляют микроэлементы, чтобы повысить ее прочность и температуру размягчения без ущерба для теплопроводности, что позволяет уменьшить толщину ленты и сэкономить расход меди.

С точки зрения производственных процессов, высокочастотные или лазерная сварка медных трубок, а для сборки сердцевины радиатора вместо загрязненного свинцом мягкого припоя используется медная пайка.

Результаты этих усилий приведены в таблице 6.2. По сравнению с паяными алюминиевыми радиаторами, при одинаковых условиях теплоотдачи, то есть при одинаковом перепаде давления воздуха и охлаждающей жидкости, новые медные радиаторы имеют меньший вес и значительно меньшие размеры, а хорошая коррозионная стойкость меди и длительный срок службы делают преимущества медных радиаторов более заметными.

(3) Железные дороги

Для электрификации железных дорог требуется большое количество меди и медных сплавов. На километр воздушного провода требуется более 2 тонн медной проволоки специальной формы. Для повышения прочности в нее часто добавляют небольшое количество меди (около 1%) или серебра (около 0,5%).

Кроме того, двигатели, выпрямители, системы управления, торможения, электрооборудования и сигнализации в поездах - все это зависит от меди и медных сплавов.

(4) Самолет

Медь также необходима для эксплуатации самолетов. Например, медные материалы используются для проводки, гидравлических, охлаждающих и пневматических систем самолетов, алюминиевые бронзовые трубки применяются для фиксаторов подшипников и подшипников шасси, антимагнитные медные сплавы используются для навигационных приборов, а во многих приборах применяются упругие элементы из бериллиевой меди и т.д.

Применение меди в механической и металлургической промышленности

(1) Машиностроение

Медные компоненты можно найти практически во всех машинах. Помимо большого количества меди, используемой в электродвигателях, микросхемах, гидравлические системыМедные сплавы, пневматические системы и системы управления, разнообразные детали трансмиссии и крепежные элементы из латуни и бронзы, такие как шестерни, червячные передачи, червячные валы, соединители, крепежные элементы, торсионные элементы, винты, гайки и т.д.

Почти все детали, перемещающиеся относительно друг друга в машине, нуждаются в подшипниках или втулках из износостойких медных сплавов, особенно гильзы цилиндров и скользящие плиты крупных экструдеров и кузнечные прессыОни сделаны почти из бронзы и могут весить несколько тонн.

Многие эластичные элементы также изготавливаются из кремнистой и оловянной бронзы. Сварочные инструменты, литейные формы и многое другое изготавливается из медных сплавов.

(2) Металлургическое оборудование

Металлургическая промышленность является крупным потребителем электроэнергии и известна как "электрический тигр". При строительстве металлургического завода необходимо наличие крупномасштабной системы распределения электроэнергии и оборудования, работающего на меди.

Кроме того, в пирометаллургии преобладает технология непрерывного литья, а в качестве ключевых компонентов кристаллизатора в основном используются медные сплавы с высокой прочностью и теплопроводностью, такие как хромистая и серебристая медь.

Для электроплавки тигли с водяным охлаждением для вакуумных дуговых печей и электродуговых печей изготавливаются из медных трубок, а различные катушки индукционного нагрева наматываются на медные трубки или медные трубки специальной формы и охлаждаются водой.

(3) Добавки к сплавам

Медь является важным вспомогательным элементом в медно-железных и алюминиевые сплавы. Добавление небольшого количества меди (0,2~0,5%) в низколегированную конструкционную медь может повысить ее прочность и устойчивость к атмосферной и морской коррозии.

Добавление меди в коррозионно-стойкий чугун и нержавеющую медь может еще больше повысить их коррозионную стойкость. Высоконикелевые сплавы с содержанием меди около 30% известны своей высокой прочностью и коррозионной стойкостью, например "сплав Монель", который широко используется в атомной промышленности.

Многие высокопрочные алюминиевые сплавы также содержат медь. В результате закалки и термической обработки при старении мелкие частицы осаждаются и диффузно распределяются в сплаве, значительно повышая его прочность, что позволяет называть сплав возрастной закалкой алюминия.

Известный дюралюминий, или твердый алюминий, который является важным конструкционным материалом для производства самолетов и ракет, содержит медь, марганец и магний.

Применение меди в легкой промышленности

Продукция легкой промышленности тесно связана с жизнью людей и имеет широкое разнообразие. Благодаря хорошим комплексным характеристикам меди, ее можно увидеть повсюду в легкой промышленности. Вот несколько примеров:

(1) Кондиционеры и холодильные установки

Функция регулирования температуры в кондиционерах и холодильных установках в основном достигается за счет испарения и конденсации медных трубок в теплообменниках. Размер и теплопроводность теплообменных трубок в значительной степени определяют эффективность и миниатюрность всей машины для кондиционирования воздуха и холодильной установки. В этих машинах используются фасонные медные трубки с высокой теплопроводностью.

Недавно были разработаны и изготовлены тепловые трубы с внутренними канавками и высокими ребрами с использованием превосходных технологических свойств меди для использования в теплообменниках кондиционеров, холодильных установок, химических устройств и устройств рекуперации отработанного тепла.

Общий коэффициент теплопроводности нового теплообменника может быть увеличен в 2-3 раза по сравнению с обычными трубами и в 1,2-1,3 раза по сравнению с трубами с низким оребрением, что позволяет сэкономить 40% меди и уменьшить объем теплообменника более чем на 1/3.

(2) Часы

Большинство рабочих частей часов, таймеров и часовых механизмов, выпускаемых в настоящее время, изготавливаются из "часовой латуни". Этот сплав содержит 1,5-2% свинца и обладает хорошими технологическими свойствами, что делает его пригодным для массового производства.

Например, шестеренки вырезаются из длинных прессованных латунных прутков, а оправки - из полос соответствующей толщины. Циферблаты часов с выгравированными узорами, винты и соединения изготавливаются из латуни или других медных сплавов.

Большое количество недорогих часов изготовлено из латуни (оловянно-цинковой бронзы) или покрыто никель-серебряным напылением (белая медь). Некоторые знаменитые часы изготовлены из меди и медных сплавов. Часовая стрелка британских часов "Биг-Бен" сделана из цельного латунного стержня, а минутная - из медной трубки длиной 14 футов.

На современной часовой фабрике основными материалами являются медные сплавы, которые обрабатываются прессами и точными пресс-формами, что позволяет производить от 10 000 до 30 000 часов в день при небольших затратах.

(3) Производство бумаги

В современном быстро меняющемся обществе потребление бумаги очень велико. Поверхность бумаги выглядит просто, но процесс производства бумаги очень сложен и требует множества машин, включая охладители, испарители, взбиватели, бумагоделательные машины и многое другое.

Большинство этих компонентов, таких как различные теплообменные трубки, ролики, бильные стержни, полужидкие насосы и проволочные сетки, изготовлены из медных сплавов.

Например, используемая в настоящее время длиннопроволочная бумагоделательная машина распыляет подготовленную целлюлозу на движущуюся проволочную сетку с мелкими отверстиями (40-60 ячеек). Сетка сплетена из проволоки из латуни и фосфористой бронзы, имеет большую ширину, обычно более 20 футов (6 метров), и должна быть абсолютно прямой.

Сетка движется по ряду маленьких латунных или медных роликов, и когда влажные волокна с прикрепленной к ним целлюлозой проходят через нее, влага высасывается снизу. Сетка также вибрирует, чтобы скрепить мелкие волокна в целлюлозе. Размер сетки на крупных бумагоделательных машинах может достигать 26 футов 8 дюймов в ширину (8,1 метра) и 100 футов (30,5 метра) в длину.

Влажная целлюлоза содержит не только воду, но и агрессивные химические вещества, используемые в процессе производства бумаги. Для обеспечения качества бумаги предъявляются жесткие требования к материалу сетки, который должен обладать высокой прочностью, эластичностью и коррозионной стойкостью, что идеально подходит для медных сплавов.

(4) Печать

Медные пластины используются для фотолитографии в полиграфии. Полированные медные пластины сенсибилизируются светочувствительной эмульсией, а затем на них наносятся фотографические изображения. Сенсибилизированную медную пластину необходимо нагреть, чтобы эмульсия затвердела.

Чтобы избежать размягчения при нагревании, в медь часто добавляют небольшое количество серебра или мышьяка для повышения температуры размягчения. Затем пластина подвергается травлению для формирования печатной поверхности с распределенными вогнутыми и выпуклыми точками.

В автоматических наборных машинах медные формы для букв используются для изготовления моделей печатных форм, что является еще одним важным применением меди в полиграфии. Формы для букв обычно изготавливаются из свинцовой латуни, иногда из меди или бронзы.

(5) Фармацевтические препараты

В фармацевтической промышленности используются различные паровые, кипящие и вакуумные устройства из чистой меди. Цинковая белая медь широко используется в медицинских инструментах. Медные сплавы также широко используются для изготовления оправ для очков и многого другого.

Медь для архитектуры и искусства

(1) Система трубопроводов

Благодаря красивому внешнему виду, долговечности, простоте монтажа, безопасности, предотвращению пожаров, охране здоровья и многим другим преимуществам, медные водопроводные трубы имеют очевидное преимущество по соотношению цены и качества перед оцинкованными медными трубами и пластиковыми трубами. В жилых и общественных зданиях они все чаще становятся предпочтительным материалом для систем водоснабжения, отопления, газоснабжения и спринклерных систем пожаротушения.

В развитых странах на долю медных водопроводных систем уже приходится значительная часть. В здании Манхэттена в Нью-Йорке, которое претендует на звание шестого по высоте здания в мире, только для системы водоснабжения используется 60 000 футов (1 км) медных труб. В Европе широко используются медные трубы для питьевой воды.

Среднее потребление медных труб для питьевой воды в Великобритании составляет 1,6 кг на человека в год, а в Японии - 0,2 кг. Оцинкованные медные трубы легко подвергаются коррозии, поэтому многие страны уже запретили их использование. Гонконг запретил их использование с января 1996 года, а Шанхай - с мая 1998 года. Для Китая крайне важно поощрять использование медных трубопроводов в жилищном строительстве.

(2) Украшение дома

В Европе традиционно используют медные пластины для крыш и карнизов. В скандинавских странах ее даже используют для отделки стен. Медь обладает хорошей устойчивостью к атмосферной коррозии, долговечностью, возможностью вторичной переработки, отличной обрабатываемостью и красивым цветом, что делает ее очень подходящей для отделки домов.

Ее применение в старинных зданиях, таких как церкви, ярко сияет и сегодня, а в современных масштабных постройках, даже квартирах и домах, она используется все чаще. Например, в Лондоне здание Института Содружества, представляющее современную британскую архитектуру, имеет сложную крышу из медных пластин, которая весит около 25 тонн. Спортивный центр Crystal Palace, открытый в 1966 году, имеет волнообразную крышу из 60 тонн меди.

Согласно статистике, в Германии среднее потребление медных листов для кровли составляет 0,8 кг на человека в год, а в США - 0,2 кг. Кроме того, использование медных изделий для отделки интерьера, таких как дверные ручки, замки, петли, перила, светильники, настенные украшения и кухонная утварь, не только долговечно и гигиенично, но и придает элегантную атмосферу и пользуется глубокой любовью людей.

(3) Скульптуры и ремесла

В мире нет металла, который бы так широко использовался для изготовления различных поделок, как медь, которая не теряет своей актуальности с древних времен и по сей день. В современном городском строительстве большое количество литых медных сплавов используется для изготовления памятников, колоколов, сосудов с сокровищами, статуй, Будд и античных имитаций.

Современные музыкальные инструменты, такие как флейты из белой латуни и саксофоны из латуни, также используют медные материалы. Различные изысканные произведения искусства, дешевые и красивые позолоченные или имитирующие золото/серебро ювелирные изделия также требуют использования медных сплавов различного состава.

Будда Тянь Тань в Гонконге, строительство которого завершилось в 1996 году, изготовлен из олова, цинка и свинцовой бронзы, весит 206 тонн и имеет высоту 26 метров. Будда Гуаньинь Южного моря в горе Путуо, провинция Чжэцзян, построенный в 1997 году, имеет высоту 20 метров и весит 70 тонн. Это первая в мире гигантская медная статуя, созданная с использованием материалов, имитирующих золото.

После этого в Уси было завершено строительство бронзовой статуи Будды Сакьямуни высотой 88 метров. Более высокие статуи Будды строятся на острове Хайнань, на горе Цзю Хуа, в Индии и Японии.

(4) Монеты

С тех пор как наши человеческие предки начали использовать монеты для торговли, для изготовления монет использовалась медь и медные сплавы, которые передавались из поколения в поколение до сих пор. С развитием современных видов деятельности, таких как автоматические телефоны с монетами, транспорт и покупки, которые приносят пользу людям, использование меди для производства монет со временем увеличилось.

Помимо изменения размеров, различные составы сплавов могут быть удобно использованы для изготовления и различения валют разного номинала путем изменения цвета сплава.

Среди распространенных монет - "серебряные", содержащие 25% никеля, латунные, содержащие 20% цинка и 1% олова, и "медные", содержащие небольшое количество олова (3%) и цинка (1,5%). На производство медных монет во всем мире ежегодно расходуются десятки тысяч тонн меди.

Только Королевский монетный двор в Лондоне ежегодно выпускает семьсот миллионов медных монет, для чего требуется около семи тысяч тонн металла.

Применение меди в высоких технологиях

Медь находит широкое применение не только в традиционных отраслях промышленности, но и играет важную роль в развивающихся отраслях и сферах высоких технологий. Например:

(1) Компьютеры

Информационные технологии - это передний край высоких технологий. Она опирается на инструмент современной человеческой мудрости - компьютер - для обработки и обработки быстро меняющегося и огромного моря информации. Сердце компьютера состоит из микропроцессора (включающего арифметико-логический блок и блок управления) и памяти.

Все эти базовые компоненты (аппаратные средства) представляют собой крупномасштабные интегральные схемы с миллионами взаимосвязанных транзисторов, резисторов, конденсаторов и других устройств, распределенных по крошечным чипам для выполнения быстрых численных вычислений, логических операций и хранения огромного количества информации.

Для работы этих интегральных микросхем необходимо собрать их с помощью выводных рамок и печатных схем.

Как уже упоминалось в предыдущей главе "Применение в электронной промышленности", медь и медные сплавы являются не только важными материалами для изготовления свинцовых рамок, припоев и печатных плат, но и играют важную роль в соединении мельчайших компонентов интегральных схем.

(2) Сверхпроводимость и низкие температуры

Для большинства материалов (за исключением полупроводников) электрическое сопротивление уменьшается с понижением температуры. Когда температура падает до очень низкого уровня, сопротивление некоторых материалов может полностью исчезнуть, что называется сверхпроводимостью.

Максимальная температура, при которой появляется сверхпроводимость, называется критической температурой материала. Открытие сверхпроводимости открыло новый рубеж в использовании электроэнергии.

При нулевом электрическом сопротивлении можно генерировать очень большой (теоретически бесконечный) ток при очень малом напряжении, создавая огромные магнитные поля и силы, а при прохождении тока через него не происходит ни снижения напряжения, ни потери энергии. Очевидно, что его практическое применение приведет к изменениям в производстве и жизни человека, и он привлек к себе большое внимание.

Однако для обычных металлов сверхпроводимость проявляется только при температуре, близкой к абсолютному нулю (0K = -273°C), что труднодостижимо в инженерной практике. В последние годы были разработаны некоторые сверхпроводящие сплавы с более высокими критическими температурами, чем у чистых металлов.

Например, сплав Nb3Sn имеет критическую температуру 18,1 К. Однако их применение по-прежнему в значительной степени зависит от меди. Во-первых, эти сплавы должны работать при сверхнизких температурах, которые достигаются путем сжижения газов, таких как жидкий гелий, водород и азот, с температурами сжижения 4K (-269°C), 20K (-253°C) и 77K (-196°C) соответственно.

Медь по-прежнему обладает хорошей пластичностью и пластичностью при таких низких температурах, что делает ее незаменимым конструкционным материалом и материалом для транспортировки трубопроводов в низкотемпературном машиностроении.

Кроме того, сверхпроводящие сплавы, такие как Nb3Sn и NbTi, хрупки и трудно поддаются обработке в форме, поэтому для их соединения требуется медь в качестве плакирующего материала.

В настоящее время эти сверхпроводящие материалы используются для создания сильных магнитов в медицинских диагностических приборах, таких как МРТ, и мощных магнитных сепараторов в некоторых шахтах. Планируемые поезда маглев со скоростью более 500 км/ч также полагаются на эти сверхпроводящие материалы, чтобы подвешивать поезд и избегать сопротивления при контакте колес с рельсами, обеспечивая высокоскоростное движение вагонов.

Недавно были открыты некоторые высокотемпературные сверхпроводящие материалы, большинство из которых являются композитными оксидами.

Одним из ранних и наиболее известных является свинецсодержащий оксид меди (YBa2Cu3O7) с критической температурой 90 К, который может работать при температуре жидкого азота. В настоящее время материалы с критической температурой, близкой к комнатной, еще не разработаны, их трудно сформировать в крупные блоки, а плотность тока, поддерживающая сверхпроводимость, недостаточно высока для использования в приложениях с высоким уровнем потребления электроэнергии. Поэтому необходимы дальнейшие исследования и разработки.

(3) Космические технологии

В ракетах, спутниках и космических челноках многие критически важные компоненты также требуют использования меди и медных сплавов, в дополнение к микроэлектронным системам управления и контрольно-измерительным приборам.

Например, внутренняя обшивка камеры сгорания и камеры тяги ракетного двигателя может использовать превосходную теплопроводность меди для охлаждения, чтобы поддерживать температуру в допустимых пределах.

Во внутренней обшивке ракетного двигателя Ariane 5 используется медно-серебряный сплав для обработки 360 каналов охлаждения, которые охлаждаются жидким водородом во время запуска ракеты. Кроме того, медные сплавы являются стандартными материалами, используемыми для несущих элементов спутниковых конструкций. Солнечные панели на спутниках обычно изготавливаются из медных сплавов, содержащих несколько других элементов.

(4) Физика высоких энергий

Раскрытие тайны строения материи - важнейшая фундаментальная научная проблема, к решению которой стремятся ученые. Каждый шаг на пути к пониманию этой проблемы будет иметь значительные последствия для человечества. Примером тому служит использование атомной энергии в настоящее время.

Новейшие исследования в области современной физики обнаружили, что наименьшей единицей материи являются не молекулы и атомы, а кварки и лептоны, которые в миллиарды раз меньше. Исследования этих фундаментальных частиц часто требуют высоких энергий, в сотни раз превышающих ядерные эффекты при взрывах атомных бомб, что известно как физика высоких энергий.

Такая высокая энергия получается при ускорении заряженных частиц на больших расстояниях в сильном магнитном поле, при "бомбардировке" неподвижной мишени (ускоритель высоких энергий) или при столкновении двух потоков частиц, ускоряющихся в противоположных направлениях (коллайдер).

Для этого в качестве обмоточной структуры используется медь для создания дальнего канала сильного магнитного поля. Кроме того, подобные структуры необходимы в устройствах для управляемых термоядерных реакций. Чтобы уменьшить тепловыделение при прохождении больших токов, эти магнитные каналы наматываются из медных стержней полой формы, чтобы в них поступала охлаждающая жидкость.

Например, водоохлаждаемый магнит знаменитого протонного синхротронного ускорителя Европейской лаборатории физики элементарных частиц (CERN) состоит из около 300 тонн экструдированного медного материала, намотанного на полые медные трубки.

В ускорителе тяжелых ионов, построенном в Китае в 1984 году, использовалось в общей сложности 46 тонн труб, каждая длиной 40 метров с внешним диаметром и внутренней окружностью. В построенном впоследствии позитронно-электронном коллайдере использовались медные трубы весом 105 тонн.

В устройстве управляемой термоядерной реакции, разработанном в Китае, всего 16 фокусирующих катушек, на каждую из которых намотан медный стержень длиной 55 метров. Корпус сварен из медных пластин, к которым приварены трубы для подачи охлаждающей воды. В общей сложности на изготовление этого устройства было использовано 50 тонн меди.

Применение соединений меди

К соединениям меди относятся медный купорос (пентагидрат, моногидрат и безводный), ацетат меди, оксид меди и оксид меди, хлорид меди и хлорид меди, оксихлорид меди, нитрат меди, цианид меди, соли жирных кислот меди, циклогексанкарбоксилаты меди и др.

Они находят широкое применение в сельском хозяйстве, промышленности, медицине, здравоохранении и других областях. Среди них наиболее широко используется медный купорос, который обычно представляет собой пентагидрат медного купороса (CuSO4-5H2O), широко известный как голубой купорос из-за своего синего цвета. Он часто используется в качестве сырья для производства многих других солей.

История использования человеком соединений меди началась более 5 000 лет назад, когда древние египтяне обнаружили, что медный купорос является хорошей протравой (красящим веществом) для окрашивания.

Согласно статистике, в настоящее время в мире насчитывается более сотни заводов по производству медного купороса с годовым потреблением около 200 000 тонн, из которых три четверти используются в сельском хозяйстве и животноводстве в качестве фунгицида.

Применение соединений меди в сельском хозяйстве и животноводстве

Соединения меди - эффективные фунгициды, способные бороться со всеми болезнями, вызываемыми плесенью или грибками. Помимо непосредственного замачивания семян с медным купоросом, в садах и на полях широко используются различные смеси медных солей.

Самые важные из них - бордосская смесь (медно-сульфатно-известковая), названная в честь знаменитого французского винодельческого региона, и бургундская смесь (медно-сульфатно-содовая), а также парижская зелень, купрокилл и др.

По имеющимся данным, медные фунгициды способны предотвратить более 300 видов заболеваний, которые часто встречаются на более чем ста сельскохозяйственных культурах. К таким культурам относятся различные многолетние плодовые деревья, такие как виноград, апельсины, бананы, яблоки, груши, персики и т.д.; экономические культуры, такие как кофе, каучук, хлопок, сахарная свекла и т.д.; зерновые культуры, такие как пшеница, рис, кукуруза, ячмень, овес и т.д.; фасоль, томаты, картофель, салат-латук и так далее.

Медь также является необходимым микроэлементом для поддержания здорового роста сельскохозяйственных культур и домашнего скота. Как правило, если содержание меди в почве сельскохозяйственных угодий составляет менее 2ppmm (1ppmm - один процент), культуры будут страдать от дефицита меди, снижать урожайность или даже не расти. Аналогично, если содержание меди в пастбищной почве составляет менее 5ppmm, домашний скот будет страдать от болезни дефицита меди.

В настоящее время из-за интенсивных высокоурожайных работ широкое использование удобрений, содержащих мало меди или не содержащих ее вовсе, привело к деградации земель и росту проблемы дефицита меди во всем мире.

Чтобы исправить и предотвратить дефицит меди, необходимо своевременно вносить соли меди. Их можно добавлять непосредственно или смешивать с удобрениями, богатыми азотом и фосфором, вносить для улучшения качества почвы для долгосрочного эффекта или распылять на всходы сельскохозяйственных культур каждый год. Для животноводства, помимо улучшения пастбищ, соли меди можно подмешивать в корм или вводить непосредственно животным с симптомами дефицита меди.

Медный купорос также является стимулятором роста свиней и цыплят, который может улучшить их аппетит и способствовать конверсии корма. Добавление 0,1% медного купороса в корм может значительно способствовать увеличению веса свиней и бройлеров. Ионы меди обладают сильным дезинфицирующим и стерилизующим действием и могут предотвратить распространение некоторых распространенных болезней домашнего скота.

Например, небольшое количество меди в воде (менее lppm) может уничтожить улиток, в том числе тех, которые являются хозяевами паразита кровяного червя, тем самым предотвращая заболевание печеночным червем, которое легко распространяется среди животных в тропической и умеренной зонах. Медный купорос также можно использовать для дезинфекции загонов, чтобы предотвратить распространение ножной гнили у крупного рогатого скота и овец, а также эризипелаза свиней и дизентерия крупного рогатого скота.

Кроме того, соли меди можно добавлять для устранения надоедливых зеленых водорослей в прудах, на рисовых полях, каналах и реках. Соли меди также можно использовать в качестве ингибиторов плесени и консервантов при хранении зерна, фруктов и овощей. Один из удобных способов - обернуть их бумагой, пропитанной солью меди.

Применение соединений меди в промышленности

Соединения меди имеют широкое применение в промышленности и в той или иной степени используются практически во всех областях. Вот некоторые примеры:

Медный купорос является широко используемой протравой в процессах крашения для улучшения прочности и устойчивости к стирке блеска, и широко применяется в текстильной и кожевенной промышленности. Соединения меди имеют такие цвета, как синий, зеленый, красный, черный и т. д., и могут использоваться в качестве красителей для стекла, керамики, цемента и эмали. Они также являются компонентами некоторых красок для волос.

Нитрат меди, добавляемый в фейерверки, дает зеленый свет и т.д. Краски с добавлением соединений меди обладают противоморскими биообрастающими свойствами. Некоторые органические соединения меди являются эффективными консервантами, используемыми для предотвращения коррозии целлюлозы, древесины, изделий из дерева, холста и других тканей.

Некоторые соединения меди являются важными химическими агентами в производстве резины, нефти и синтетических волокон, играют роль в катализе и очистке.

Электролит на основе медного купороса используется для нанесения медного покрытия, производства электролитической медной фольги и очистки меди.

В горнодобывающей промышленности медный купорос используется в качестве активатора для флотации таких минералов, как свинец, цинк, алюминий и золото.

Применение соединений меди в здоровье человека

Медь - незаменимый микроэлемент для здоровья человека, который важен для кровеносной, центральной нервной и иммунной систем, развития и функционирования волос, кожи и костной ткани, а также внутренних органов, таких как мозг, печень и сердце.

Медь поступает в организм в основном через ежедневный рацион. Всемирная организация здравоохранения рекомендует взрослым для поддержания здоровья потреблять 0,03 миллиграмма меди на килограмм веса тела в день.

Беременным и маленьким детям количество меди следует увеличить вдвое. Дефицит меди может вызвать различные заболевания, поэтому для его восполнения можно принимать медные добавки и таблетки. Ионы меди способны дезинфицировать и стерилизовать, они полезны для профилактики заболеваний и гигиены.

Например, они могут уничтожить в воде такие бактерии, как кишечная палочка и дизентерия, уничтожить улиток и слизней, которые распространяют шистосомоз, и личинки комаров, которые распространяют малярию.

Их также можно использовать в плавательных бассейнах для предотвращения заражения зелеными водорослями, распространения грибка через пол и т. д. Соединения меди могут использоваться для лечения некоторых заболеваний. Известно, что ношение медного кольца может вылечить артрит.

В некоторых западных странах сульфаты меди использовались для лечения легочных заболеваний и психических расстройств, а в некоторых африканских и азиатских странах - для лечения язв и кожных заболеваний. В настоящее время ведется разработка медьсодержащих лекарств.