铜加工产品和生产技术发展方向
-----王碧文
一、前言
中国铜加工业历经近60年的创业和发展,特别是“十五”期间发展迅速,已成为世界上重要的铜材生产,消费和国际贸易大国,产量已连续七年居世界首位,铜加工材的品种不断增加、产品质量逐步提高,技术创新活跃,国产铜加工技术装备正在发挥重要作用,现代铜加工工业体系已初步建立,但是中国铜加工工业大而不强,技术经济指标不够先进,企业规模不大,产品质量不够稳定,技术水平及装备先进与落后并存,整体实力与发达国家相比还有很大差距,这些方面急待改变,隨着我国经济发展向低炭,节能,环保方向发展,中国铜加工工业也进入微利化和精细化时代,所面临的最大问题是中国铜资源短缺,铜价和人工成本不断推高、铜产品向高精尖方向发展,对此中国铜加工工业必须不断通过技术创新,发展短流程,节能,减排,自动化,连续化生产工艺,发展利用再生铜资源直接生产铜加工材技术,以确保中国铜加工工业持续,稳定的发展,促进产业升级。
1.1概述
2009年 全国铜材产量达888.42万吨,同比增长18.68%（表1、表2）再创历史新高,已连续七年居世界第一位,产量已占世界总产量的二分之一以上；2009年全行业盈利水平也大幅度提高,这表明中国铜加工业已经走上了复兴和发展的道路；取得这些成续的原因是:中央釆取以扩大内需,开拓国际市场,振兴行业等为核心的一揽子计划,它们发挥了重要作用；中国国民经济快速发展,特别是汽车工业和电网建设,为铜材生产提供了宽广的市场；中国有色金属协会对行业振兴,战胜金融危机进了有力地指导,周到地服务；全行业企业和职工付出了艰苦努力和创造性劳动
铜加工材中各品种产量列入表3,由于统计的原因2009年品种产量尚未公示,2008年与2007年相比板带材产量增长67.17%,2008年板带产量首次突破百万吨,达到154.2万吨,这是重大的历史性宊破,2009年板带产量将有进一步增长,这与近年大力发展板带产能有关,在建板带工程正相继投产,为中国铜板带生产奠定了坚实的基础；铜棒型产量也首次突破百万吨大关,达到135万吨,同比增长93.5%,这与铜加工企业普遍采用连续挤压技术和装备有重要关系；
表1、2、3、4、图1数据表明:2009年中国铜加工材进出口量继2008年之后再次下降,这表明世界经济受金融危机影响复苏步伐远后于中国,进口数量减少表明中国铜加工产品质量正不断地提高,这得益于企业技术进步和企业向做精、做专方向发展,而出口数量减少主要是国际市场萎缩所致；
铜加工材各品种进出口情况分析如下：
铜板带历来是进口的重要品种,2005年进口为27.3万吨,为历年最高数量,相当于当年板带产量的31.9%,2009年板带进口为历年最低值14.97万吨,2008年为20万吨,为当年产量的12.8%,2009年这一比值将还要下降；棒型材进口数量与产量之比也明显下降,这表明中国铜加工材中主要品种对国外进口的依存度不断下降,这是重要的进步。
管材是净出口品种,虽然出口受到国际市场萎缩和某些国家贸昜保护主义的影响,但依然保持着较高数值；
2009年中国铜加工材的消费量再创历史新高,再一次表明国民经济发展,为铜加工产业提供了宽广的内需市场,消费的主要领域仍然集中于电力、交通、电气等行业；国外发达国家铜及合金加工材在各领域的应用比例大致为电子、电力60%,建筑15%,轻工家电10%,机械5%,交通4.5%,其中电子,电力,家电,汽车,建筑用铜材正在迅速增长；我国各行业用铜材比基本与此相当（表4）。
表1 世界主要国家和地区铜加工材生产量 （万吨）
注：表中世界铜加工材产量不包括中国大陆铜加工材产量
表中数据来源于世界金属统计《WORLD METAL STATISTICS》
表2 中国铜加工材产量与消费 （万吨）
1.2铜材销费
铜材销费反映各部门对其需求比例和市场方向,当前铜材应用主要领域是电力、电子,这与发达国相当（表5、图2）
表5 2009年铜材消费结构
铜加工材消费方向%
1.3铜材生产
主要铜材产地仍然是浙江、江苏、广东等沿海地区； 全国铜材总消费量达790。33万吨,成为世界上最大的铜材市场。随着世界经济危机漫延,2009年中国铜材产量、消费量增幅有所减缓；
中国铜加工材主要产地集中于经济发达的东南沿海地区,其中浙江省一直处全国第一位,全国领军的铜加工企业也多位于此,代表企业有宁波金田铜业集团、海亮铜业集团有限公司、浙江宏磊铜业集团、宁波兴业电子铜带有限公司、绍兴力博铜材有限公司、宁波博威有色合金材料有限公司等；江苏、上海地区铜材增幅很大,該地区虽然未新建大型铜加工项目,但在原企业基础上扩产改造取得很大成功；
中国铜材产量、主要产区情况分别列入表6。表6中国铜材产地
数据来源：中国有色金属工业统计资料汇编
1.4产品质量
中国铜加工材品种已发生了巨大的变化,在紧密结合市场和科学技术发展需求中,传统铜加工材已经逐步完成了向现代铜加工材的转变,其重要特点是向高精度、高性能、环保、节能方向发展,许多产品已成为国内外知名品牌,在国内外市场上享有盛誉；产品质量已稳步提高,产品标准水平已处国际先进行列,各主要铜材生产厂家除按国家标准生产外,还可以直接接受世界主要发达国家标准订货,这表明我国铜加工材生产进一步国际化；为了满足国民经济和科学技术对铜材的多方面需求,各铜加工企业还相应制定了许多内部供货技术标准。中国铜加工产品质量现状可概括为:某些重要品种(空调管、导电铜排)质量己处世界先进水平,这两种产品生产技术处世界领先水平;而产品质量整体水平处于中等,高精尖产品高需进口;其根本原因是普遍存在重量轻质、管理粗放,对攺善产品质量的投入不足.
1.5、技经济指标
2009年铜加工技术经济指标尚未公布,2008年各项指标表明铜材综合成品率在稳步提高（表4）,能耗指标和成品率指标与世界发达国家相比差距明显。
表 7 中国铜加工技术经济指标
数据来源：中国有色金属工业统计资料汇编
二、铜材产品及发展方向
铜材是使用量最大、使用年代最悠久的功能材料,它的主要功能是导电和热交換,同时又是所有金属中唯一具有抑菌和灭菌功能的金属,因此它广泛地用于国民经济、国防建設、人们日常生活各方面,随着科学技术发展,“现代铜材”的概念已脱颖而出,它代表着铜材的发展方向：铜及铜合金向高强、高导电、高导热、环境友好等方向发展；铜产品向高精尖、短小轻薄、复杂断面、复合金属、性能高度一致等方向发展；涌现出一大批热点产品如太阳能、电动智能汽车、高速列车、保护环境、微电子等领域用铜制品,这些产品的需求也极大的促进了铜加工生产技术的进步；
国内外有色金属新材主要硏 发现状是硏发节能、环保、节材、功能材料和产品,通过合金化、表面改性、多种多层复合、激光照射等办法,努力提高材料的使用性能和工艺性能,以铜合金材料为例正在开发的新材料和新产品有：
1)高强高导电铜合金硏究：铜-铬-鋯合金、银-铜、铜-镍-硅、铜-铁-磷、㳽散强化铜等,用于电子、电力、焊接工具（特别是汽车钢板点焊不沾模合金）、大推力火箭燃烧室内衬；
2)高散热材料及产品：不改变材料仅改变制品表面状态,从而成倍提高散热性能、提高能效比、适应各种恶劣水质和不破坏大气臭氧层的新型制冷剂腐蚀的新产品,如超细、簿壁、复杂齿型内螺纹管、外翅片管、现代精密热管等,用于空调、制冷、电站、舰船、海水淡化、电脑冷却器等；
3)特种接插元件:高性能、抗松驰、小插拔力、高导电、抗蚀、高彈性接插元件,如铜镍锡高镍锌白铜、高锡青铜等,主要用于通讯、手机、电脑、智能汽车等；
4）特种铜球、粉末、纳米材料、单晶铜等,其中印刷线路用活性磷铜球、热管内表烧结用铜粉末、自润滑轴承合金粉末、活化功能用纳米铜粉、单晶铜絲替代键合金絲等均产业化；
5）复合材料研发异活跃,主要有钢材喷涂耐蚀白铜、激光熔焊、特别是以铝代铜复合材料正在迅速产业化,产品有铜包铝、铝包铜板、带、排、线等；
6）环保铜合金：硏发含铅的新型易切屑黄铜,如加入铋、銻、砷、硅、磷等黄铜；
7）高强耐磨铜合金,主要用于汽车同步器齿环、活塞套等部件；
8）艺术用铜合金：仿金、仿银合金和表面处理获得各种颜色；
新型材料发展趋势是：高、精、尖、功能化、智能化；产品发展向高精度、高表面、性能高度一致化方向发展。
现按铜材品种概述如下：
2.1板、带、箔
铜及铜合金板带材是铜加工材的重要品种,广泛应用于电子、电气、轻工、仪器仪表、机械制造、交通能源等各个领域,其消费量占铜加工材总消费量的20％左右,特别是随着电子信息产业的高速发展,铜及铜合金板带材消费量呈逐年上升的趋势。 高精铜及铜合金板带材是我国铜加工领域重要的经济增长点,具有广阔的市场发展空间,其典型的特点是：产品性能向高强、高导电发展,产品厚度向超薄化发展,公差、板型向高精密化方向发展,表面质量向零缺陷方向发展,超长化方向发展。目前我国急需的高精铜及铜合金板带材品种、性能特点及技术要求如下：
1、电连接器接插元件用铜合金带材
该类合金属于特殊导电弹性材料,广泛用于制造仪器仪表、电子元器件用电连接器接插件,兼具导电和弹性两种重要功能,99%的电连接器接插件选用铜合金制造,目前各种电子信息装置向高可靠、多功能、小型化、长寿命方向迅猛发展,元器件的集成度越来越高,信号传输速度急剧上升,对铜合金的质量、材料性能提出了更高的要求；为满足接插件使用需求镀锡铜带也正发展着；
2、集成电路引线框架铜合金带
该类带材主要用于制造集成电路（IC）引线框架,不但要求具有高强度、高导电、高导热性能及良好的焊接性、耐蚀性、抗氧化性、冲压性、塑封性、刻蚀性、与封装材料良好的匹配性等工艺性能,而且必须具有高表面、板型精确、性能均匀的特点,以满足高速冲压成型、钎焊、塑封的工艺要求,属于高精度、高性能产品,引线框架用铜合金带材的品种开发、生产制造技术,代表了当今铜及铜合金带材加工技术的最高水平。
3、同轴电缆带和太阳能带
同轴干线通讯电缆要求具有大长度、多通道、宽频谱、抗恶劣条件干扰等特性,主要用于海底、陆路主干通讯网络,用途极其重要,各国对其的生产工艺都严格保密,目前高品质同轴通讯电缆只有美国、日本、法国、中国等少数国家能够生产制造。太阳能用汇流铜带是一种柔性优秀的精密带材,具有发展前景；
4、干式变压器带
干式变压器又称箔绕式变压器,具有结构紧凑、体积小、空载损耗小、抗短路能力强、热分布均匀、节省材料、无轴向力、制造工艺简单、使用寿命长、效率高、维修简单等一系列优点,是国外上世纪七十年代兴起的新技术,目前已在输配电工程中得到广泛使用,国外干式变压器应用比例高达35％以上,我国于1990年引进该项技术,并迅速推广应用,目前随着电力基础建设和房地产业蓬勃发展,干式变压器出现供不应求的市场局面,其关键部件绕组采用高精度高导纯铜带制造,并对纯铜带提出了较高的性能、精度要求,低压侧铜带要求宽达1.2米；
5、汽车水箱超薄铜带及水箱管料
据统计目前用于散热器的铜带占世界铜材总消费量的5％左右,是铜及铜合金板带材的重要品种。汽车工业对散热器材料的要求除使用性能、工艺性能外,关键是材料的成本。目前水箱散热材料的发展趋势是：在保证汽车使用性能的前提下降低车重、节约材料的用量、降低制造成本和油耗,提高市场竞争力。铜质散热器由于原料价格高、比重大不利于降低散热器的制造成本,对其直接的挑战是铝质散热器的开发使用,具相关人士估计铝－塑组合散热器的制造成本比铜散热器低20％,目前轿车的水箱向铝制水箱方向发展,但大多数载重汽车仍然使用结构紧凑、导热性良好的铜制水箱,但对水箱散热带及散热管用铜带提出了严格的要求；低铜高耐蚀铜水箱带硏制和产业在中国荷泽铜带有限公司取得了巨大成功；
.6、电子、电气用高导电纯铜板带材
高导纯铜在国外又称非合金铜,可分为韧铜、无氧铜、脱氧铜三大类,该类纯铜主要用于电气、电子及热交换器件,用途十分广泛,属于量大、面广的大宗产品,涉及板带材的各种规格,代表牌号有C11000（T2）、C10100、C10200（Tu1）、C12200（TP2）等。其中无氧铜是该类材料技术附加值最高的品种,加工制备技术标志着铜熔铸领域的最高水平,是电真空器件不可缺少的关键功能型材料,潜流熔铜技术出现,使无氧铜生产变得简单；
7、压延铜箔（RA铜箔）与电解铜箔（ED铜箔）相比具有更好的延展、耐热、导电、导热特性,性能稳定性,可以承受反复的弯曲变形,是制造柔性印刷电路板（FPC）等高档电子产品的关键材料,同时压延铜箔具有良好的电磁屏蔽性能,是高性能电子器材优良的屏蔽材料,在铜加工板、带、箔材中属于高技术产品。
近年来微电子技术飞速发展,印刷电路向多层化、积层化、功能化、集成化方向发展,市场对便携式电子产品需求量急剧上升,柔性线路板（FPC）市场需求猛增,主要用于计算机、移动电话、摄像机、笔记本电脑、喷墨打印机磁头等领域,目前市场需求总值约100亿美元,并向者更薄、更轻的高密度FPC方向发展,所需的压延铜箔向着薄型化方向发展,材质主要为无氧铜、韧铜等纯铜,尤其9μm以下的铜箔必须采用C10100高纯无氧铜制备,对铸锭纯净度、加工精度及表面处理要求极高,加工难度大,我国柔性线路板使用的压延铜箔几乎全部依赖进口,迫切需要建立压延铜生产基地；
.8、耐热高导电高铜合金板带材
该类材料主要用于制造电机转子、整流子、电气开关、电极臂等承受较高温度的高导电电气部件,主要合金系列有铜－银合金、铜－锆合金、铜－铬－锆、铜－铬合金,主要牌号有C10500、C15100、C18200、C18150,该类合金产品是重要发展方向；
9、热轧板材
热轧板材主要用于大型管板、管道、壳体、铸钢模具、结晶器壁板、冷却壁板的制造,其厚度从7mm到100mm不等,一般为600mm或1000mm左右的宽板,合金品种主要为：紫铜、黄铜、白铜,典型产品有高炉水冷壁板、铸钢结晶器板、连铸冷却器板、热交换器用白铜管板等,对公差、性能要求较低,对于采用热轧开坯的企业,该类产品是充分发挥热轧产能优势的短平快产品,而且目前如高炉冷却壁板、铸钢结晶器板等产品已形成年需求量近万吨的规模,并具有相当高的附加值。
10、冷轧板材
冷轧板材涉及所有板带材合金品种,规格范围大,厚度在0.3~6mm之间, 宽度在300～1000mm之间,主要用于装饰、建筑、冲压制品、大型构件的制造，属于高精铜板带材中间工序产品，其精度、性能一般按国标即可满足，对于表面质量及公差精度要求较低，一般不存在板型问题，因此可以结合高精带材合金品种加以选择，以扩大项目规格覆盖范围。
表2.1中国 高精铜及铜合金带材主要品种市场现状及预测（万吨）
2.2管材
铜及合金管材是重要的加工材品种,约占铜加工材的20~25%,世界铜管总产量在220~250万吨变化,消费量与产量基本平衡, 铜管材的重要品种有：
2 冷凝管：人们从事冷凝管的生产和应用实践己有相当长的历史,冷凝管主要用火力发电机组、舰船、海水淡化、制糖、制盐、化工等行业中的管式热交换器,冷凝管常用合金有：内陆电站用HSn70-1、海滨电站用Hal77-2、舰船用BFe30-1-1、BFe10-1-1等,随着火力发电装机容量不断增加以及核电发展使冷凝管用量不断增加、冷凝管单根长度也不断增长,以60万千瓦发电机组为例共需14.6米冷凝管近400吨,海水淡化用BFe10-1-1管材长度已达18米,常用冷凝管规格为直径16——30、壁厚1.0——1.5毫米；冷凝管国内外目前都使用挤——轧——拉直条法生产,尚未实现盘式生产法；冷凝管的应用中铜及铜合金受到薄壁不锈钢管、钛管的挑战,但是它们的防污、防海洋生物生长的能力远不如铜,钛管的成本高也限制了它在冷凝管中的应用,所以铜及合金冷凝管仍然具有发展空间 。
（1）电站用冷凝管
冷凝管主要用管式热交换器,应用领域是火电、核电、海水淡化、舰船,其中电站用冷凝器管约占60%,其需术数量与国家发电装机容量增长紧密相关。
（2）海水淡化用蒸发和冷凝用铜合金管
海水淡化有膜法和热法两种,其中热法的蒸发和冷凝装置中大量采用铜合金热交换管,其中产水量1万吨/日装置需铜合金冷凝管300吨,国际上多级闪蒸法用白铜热交换管（BFe10-1-1、BFe30-1-1）,每年达6万吨,低温多效蒸馏法用黄铜（HAl77-2）每年达3万吨,国内海水淡化装置中热法为低温多效蒸馏法,2020年前平均每年需要4500吨铝黄铜冷凝管（相当于每年新增15万吨/日产淡水能力）
（3）船用冷凝器（铁白铜冷凝管）
主要用在舰船用柴油机主机空冷凝气管材、船用汽轮机、润滑油冷却器、海水冷凝气、海水淡化冷却器、空气冷却器、润滑油冷却器、燃油冷却器、液压冷却器等舰船的关键组件上,其铜合金牌号根据冷却介质有不同的选择,主要采用铁白铜、锡黄铜等。产品规格多为常用规格,其质量要求较高,特别是军用舰只。
海水管系主要为铜镍合金材料,B10材料是一种能在海水中形成良好保护膜的耐蚀材料,由于它具有良好的综合性能和成功的实践经验,早已成为海水管系的传统材料。 B10在国内外各种海水管系中已被广泛采用。铝黄铜冷凝管规格较大,常用加热管规格为φ42~44×2×6000mm,连接管规格为φ56×6×6000mm。主要用于原油船用热交换管材,原油船由于原油粘度较高,而海上温度有时很低,需要将原油加热以便于输出。热交换用管材按照计算出的必要的换热面积敷设于油船的底部及四壁,用量较大。此外船用柴油机上使用的油冷器、水冷器上也大量使用铝黄铜冷凝管。
大口径加磷脱氧铜管是重要的船用管系材。
舰用BFe10-1-1海水管路
3建筑用铜水管：用于建筑中生活用水管、燃汽管、采暖管等,国外发达国家普及率己达85%,我国经济发达地区建筑用铜管的应用已开始推广,普及率约为20~25%,建筑用铜水管应用是不可逆转的,因为使用铜管输送饮用水可以消灭有害人类建康的细菌和微生物,这一功能是任何材料所不能替代的,此种用途的铜管均使用加磷脱氧铜品种,我国铜水管产业发展迅速,已经形成铜管生产、铜管件生产、铜管道家装等配套齐全的产业链,其中大口径铜水管生产尚需发展,大吨位挤压机挤压开坯——大吨位液压拉伸是传统方法,但是受到热穿孔办法的挑战,直径159——324毫米铜管的需求己经十分迫切。
蚊香盘及水道管
4导电用铜管：导电用铜管不如热交换用铜管那样引起人们关著,但其用量和用途的重要性也不能令人忽视,这类管材有感应电炉线圈、大电机长空芯导线、高能物理工程用粒子聚焦线圈、同轴电缆内导体,这类管材有园、方、矩形等多种,管材长度要求很长,长空芯导线、外方内园管均要求长度大于60米以上,电缆管要求千米以上,感应电炉用线圈多为方形管,也有偏心管,这类管材生产方法多为挤——轧——拉法,一般技术附加值较高,生产难度较大；铜包铝电缆管己问世,使性优于纯铜管,而且可节省60%铜,具有发展远景；
5铸钢结晶器管:这类管材用于方钢坯连铸结晶器,铸钢结晶器管直径大于90毫米,管材均为厚壁管,为制造整体结晶,需要直径大于660毫米大型铜管,常用合金有加磷脱氧铜,银铜,锆铬铜铜镍硅等,多用挤压—拉伸法生产;
6汽车同步器齿环管：用于制造现代汽车变速齿轮,这类管材是典型的热挤压产品,管材经切片后精锻成变速齿轮,常用合金为铜铝锰、铜铝镍等复杂黄铜、对合金的要术是高硬度和耐磨性,管材规格为直径50—140毫米、壁厚为5—10毫米,管材弯曲度要求严格,该类合金管材矫直困难,热挤压时应采取措施确保管材平直；现代汽车活塞轴套己开始使用硅磷黄铜管；
7轴承保持器管材：此类管材用于制造轴承保持器,常用合金有HPB59-1、QSi3-4-1.5等,常用规格是直径50——120毫米、壁厚7——10毫米,铜质保持器轴承主要用于重型机械、军工用轴承；
8热挤压管材：热挤压管材可直接在工程中应用,是重要的管材品种,它与冷加工管材相比数量比为1；3,此类管材中合金品种涉及所有牌号,典型产品有电真空无氧铜散热阳极（大直径厚壁管）紫铜结晶器坩锅管（带底、带法兰）、四大铝青铜管、复杂黄铜管；
。铜包铝和铝包铜管产品已经问世,並在空调和同轴电缆中推广使用.
表 2.2管材部份品种予测（万吨）
