ما هو استخراج النحاس؟
يشير استخراج النحاس إلى الطرق المستخدمة للحصول على النحاس من خاماته. يتكون تحويل النحاس من سلسلة من العمليات الفيزيائية والكهروكيميائية. تطورت الأساليب وتختلف باختلاف البلد اعتمادًا على مصدر الخام واللوائح البيئية المحلية وعوامل أخرى.
كما هو الحال في جميع عمليات التعدين ، يجب عادة الاستفادة من الخام (مركّز). تعتمد تقنيات المعالجة على طبيعة الخام. إذا كان الخام عبارة عن معادن كبريتيد النحاس (مثل الكالكوبايرايت) ، يتم سحق الخام وطحنه لتحرير المعادن الثمينة من معادن النفايات ("الشوائب"). ثم يتم تركيزه باستخدام التعويم المعدني. وعادة ما يتم بيع المركز بعد ذلك إلى مصاهر بعيدة ، على الرغم من أن بعض المناجم الكبيرة بها مصاهر تقع في مكان قريب. كان موقع المناجم والمصاهر هذا أكثر شيوعًا في القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين ، عندما كان من الممكن أن تكون المصاهر الأصغر اقتصادية. عادة ما يتم صهر مركزات الكبريتيد في أفران مثل فرن وميض Outokumpu أو Inco أو فرن ISASMELT لإنتاج ماتي ، والذي يجب تحويله وتنقيته لإنتاج نحاس الأنود. أخيرًا ، عملية التكرير النهائية هي التحليل الكهربائي. لأسباب اقتصادية وبيئية ، يتم استصلاح العديد من المنتجات الثانوية للاستخراج. على سبيل المثال ، يتم التقاط غاز ثاني أكسيد الكبريت وتحويله إلى حمض الكبريتيك - والذي يمكن استخدامه بعد ذلك في عملية الاستخراج أو بيعه لأغراض مثل تصنيع الأسمدة.
يمكن معالجة خامات النحاس المؤكسدة عن طريق الاستخراج بالمعدن المائي.
تاريخ
عمال المناجم في منجم تماراك في كوبر كونتري عام 1905
يأتي أول دليل على الطرق الباردة للنحاس الأصلي من التنقيب في Çayönü Tepesi في شرق الأناضول ، والذي يعود تاريخه إلى ما بين 7200 إلى 6600 قبل الميلاد. [1] من بين العناصر المختلفة التي تعتبر نذرية أو تمائم ، كان هناك عنصر يشبه الخطاف والآخر مثل المخرز. اكتشاف آخر ، في كهف شانيدار في مرغاسور ، العراق ، احتوى على خرز نحاسي يعود تاريخه إلى 8700 قبل الميلاد. [2]
واحد من أقدم مناجم النحاس المعروفة في العالم ، على عكس استخدام الرواسب السطحية ، يقع في وادي تمناع ، إسرائيل ، منذ الألفية الرابعة قبل الميلاد ، مع استخدام الرواسب السطحية منذ الألفية السادسة إلى الخامسة. [3] [4]
يحتوي موقع Pločnik الأثري في جنوب شرق أوروبا (صربيا) على أقدم دليل مؤرخ بشكل آمن [ مشكوك فيه - ناقش ] أدلة على صناعة النحاس في درجات حرارة عالية ، من 5000 قبل الميلاد. يمتد الاكتشاف في يونيو 2010 إلى 500 عام إضافية وهو الرقم القياسي السابق لصهر النحاس من Rudna Glava (صربيا) ، والذي يعود تاريخه إلى الألفية الخامسة قبل الميلاد. [5]
أدت تقنية صهر النحاس إلى العصر النحاسي ، المعروف أيضًا باسم العصر الحجري النحاسي ، ثم العصر البرونزي. لم يكن العصر البرونزي ليكون ممكناً لولا تطوير البشر لتقنية الصهر.
تركيز
يتطلب تناقص تركيز النحاس في الخامات الآن معالجة مسبقة للخامات.
تحتوي معظم خامات النحاس على نسبة صغيرة فقط من معدن النحاس المرتبط بداخل معادن خام ثمينة ، مع كون باقي الخام صخورًا أو معادن جماعية غير مرغوب فيها ، وعادةً ما تكون معادن السيليكات أو معادن الأكسيد التي لا قيمة لها في كثير من الأحيان. في بعض الحالات ، تمت إعادة معالجة المخلفات لاستعادة القيمة المفقودة حيث تحسنت تقنية استعادة النحاس. متوسط درجة خامات النحاس في القرن الحادي والعشرين أقل من 0.6٪ من النحاس ، مع وجود نسبة من المعادن الخام الاقتصادية (بما في ذلك النحاس) أقل من 2٪ من الحجم الإجمالي للصخور الخام. يتمثل الهدف الرئيسي في المعالجة المعدنية لأي خام في فصل معادن الركاز عن معادن الشوائب داخل الصخور.
المرحلة الأولى من أي عملية داخل دائرة المعالجة المعدنية هي الطحن الدقيق أو التكسير ، حيث يتم سحق الصخور لإنتاج جزيئات صغيرة (أقل من 100 ميكرومتر) تتكون من مراحل معدنية فردية. يتم بعد ذلك فصل هذه الجسيمات لإزالة الشوائب (بقايا الصخور) ، تليها بعد ذلك عملية التحرير المادي للمعادن الخام من الصخور. تعتمد عملية تحرير خامات النحاس على ما إذا كانت خامات أكسيد أو كبريتيد. [6]
تعتمد الخطوات اللاحقة على طبيعة الخام المحتوي على النحاس وما سيتم استخراجه. بالنسبة لخامات الأكسيد ، عادة ما يتم إجراء عملية تحرير الفلزات المعدنية ، والتي تستخدم الطبيعة القابلة للذوبان للمعادن الخام لصالح محطة المعالجة المعدنية. بالنسبة لخامات الكبريتيد ، الثانوية (الجينية الفائقة) والأولية (الجين) ، يتم استخدام التعويم الرغوي لفصل الخام عن الشوائب. بالنسبة لأجسام خام النحاس الأصلية الخاصة أو أقسام من أجسام خام غنية بالنحاس الأصلي فائق الجينات ، يمكن استرداد هذا المعدن عن طريق دائرة جاذبية بسيطة.
زبد تعويم
خلايا التعويم الرغوي لتركيز معادن النحاس وكبريتيد النيكل ، فالكونبريدج ، أونتاريو.
تم اختراع عملية تعويم الرغوة الحديثة بشكل مستقل في أوائل القرن العشرين في أستراليا بواسطة CV Potter وفي نفس الوقت تقريبًا بواسطة GD Delprat. [7]
حمل كبريتيد النحاس فقاعات هواء على خلية جيمسون في مصنع التعويم في بروميننت هيلمين في جنوب أستراليا
تخضع جميع خامات كبريتيد النحاس الأولية ، ومعظم تركيزات كبريتيدات النحاس الثانوية (التي تكون كالكوسايت) للصهر. توجد بعض عمليات ترشيح الأحواض أو عمليات ترشيح الضغط لإذابة مركزات الكالكوسايت وإنتاج كاثود نحاسي من محلول العصارة الناتج ، ولكن هذا جزء ثانوي من السوق.
تُعد مركزات الكربونات منتجًا ثانويًا نسبيًا يتم إنتاجه من مصانع تدعيم النحاس ، وعادةً ما تكون المرحلة النهائية لعملية ترشيح الكومة. يمكن معالجة مركزات الكربونات هذه بمصنع استخلاص بالمذيبات واستخلاص كهربائي (SX-EW) أو صهرها.
يتم سحق خام النحاس وطحنه إلى حجم بحيث تحدث درجة عالية مقبولة من التحرر بين معادن خام كبريتيد النحاس ومعادن الشوائب. ثم يتم ترطيب الخام ، وتعليقه في ملاط ، وخلطه مع الزانثات أو الكواشف الأخرى ، مما يجعل جزيئات الكبريتيد كارهة للماء. تشتمل الكواشف النموذجية على إيثيل إكسانتات البوتاسيوم وإيثيل إكسانتات الصوديوم ، ولكن يتم أيضًا استخدام ثنائي الفوسفات وثنائي الكربونات.
يتم إدخال الخام المعالج إلى خزان تهوية مملوء بالماء يحتوي على مادة خافضة للتوتر السطحي مثل methylisobutyl carbinol (MIBC). يتم دفع الهواء باستمرار من خلال الملاط وتلتصق فقاعات الهواء بجزيئات كبريتيد النحاس الكارهة للماء ، والتي يتم توصيلها إلى السطح ، حيث تشكل رغوة ويتم إزالتها. تخضع هذه الكاشطات عمومًا لخلية كاشفة أنظف لإزالة السيليكات الزائدة ولإزالة معادن الكبريتيد الأخرى التي يمكن أن تؤثر بشكل ضار على جودة التركيز (عادةً ، غالينا) ، والمركز النهائي الذي يتم إرساله للصهر. يتم التخلص من الصخور التي لم تطفو في خلية التعويم إما كمخلفات أو معالجة أخرى لاستخراج معادن أخرى مثل الرصاص (من الجالينا) والزنك (من السفاليريت) ، في حالة وجودها. لتحسين كفاءة العملية ، يتم استخدام الجير لرفع درجة الحموضة في الحمام المائي ، مما يتسبب في تأين المجمع أكثر ولربط تفضيلي بالكالكوبايرايت (CuFeS 2) وتجنب البيريت (FeS 2). يوجد الحديد في معادن المنطقة الأولية. يمكن تركيز خامات النحاس المحتوية على كالكوبايرايت لإنتاج مركز بتركيز يتراوح بين 20٪ و 30٪ نحاس مركز (عادة 27-29٪ نحاس) ؛ ما تبقى من التركيز هو الحديد والكبريت في الكالكوبايرايت ، والشوائب غير المرغوب فيها مثل معادن شوائب السيليكات أو معادن الكبريتيد الأخرى ، وعادة ما تكون كميات صغيرة من البيريت أو السفاليريت أو الجالينا. عادة ما تتراوح تركيزات الكالكوسايت بين 37 ٪ و 40 ٪ من تركيز النحاس ، حيث لا يحتوي الكالكوسايت على حديد داخل المعدن.
استخراج المعادن
خامات الكبريتيد
الكبريتيدات الثانوية - تلك التي تكونت عن طريق الإثراء الثانوي للجين الفائق - مقاومة (مقاومة للحرارة ) لترشيح الكبريت. هذه الخامات عبارة عن مزيج من كربونات النحاس ، والكبريتات ، والفوسفات ، وأكسيد المعادن ومعادن كبريتيد ثانوية ، وهي كالكوسايت في الغالب ، لكن المعادن الأخرى مثل الديجنيت يمكن أن تكون مهمة في بعض الرواسب.
يمكن تركيز خامات السوبرجين الغنية بالكبريتيدات باستخدام التعويم الرغوي. يمكن للتركيز النموذجي من الكالكوسايت أن يتراوح بين 37٪ و 40٪ من النحاس في الكبريتيد ، مما يجعلها رخيصة نسبيًا للصهر مقارنة بمركزات الكالكوباريت.
يمكن ترشيح بعض رواسب كبريتيد الجين الفائق باستخدام عملية ترشيح كومة الأكسدة البكتيرية لأكسدة الكبريتيد إلى حمض الكبريتيك ، مما يسمح أيضًا بالتصفية المتزامنة مع حمض الكبريتيك لإنتاج محلول كبريتات النحاس. كما هو الحال مع خامات الأكسيد ، تُستخدم تقنيات الاستخلاص بالمذيبات والتعزيز الكهربائي لاستعادة النحاس من محلول النض الحامل.
تعتبر خامات كبريتيد السوبرجين الغنية بمعادن النحاس الأصلية مقاومة للصهر للمعالجة بترشيح حمض الكبريتيك على جميع المقاييس الزمنية العملية ، ولا تتفاعل جزيئات المعادن الكثيفة مع وسط التعويم الرغوي. عادةً ، إذا كان النحاس الأصلي جزءًا صغيرًا من ملف تعريف الجينات الفائقة ، فلن يتم استعادته وسيتم إبلاغ المخلفات به. عندما تكون غنية بما فيه الكفاية ، يمكن معالجة أجسام خام النحاس الأصلية لاستعادة النحاس المحتوي عبر دائرة فصل الجاذبية حيث يتم استخدام كثافة المعدن لتحريره من معادن السيليكات الأخف. غالبًا ما تكون طبيعة الشوائب مهمة ، حيث يصعب تحرير خامات النحاس الأصلية الغنية بالطين.
خامات أكسيد
يمكن معالجة أجسام خام النحاس المؤكسد عبر العديد من العمليات ، باستخدام عمليات المعالجة بالمعدن المائي المستخدمة لمعالجة خامات الأكسيد التي تهيمن عليها معادن كربونات النحاس مثل الأزوريت والملاكيت ، والمعادن الأخرى القابلة للذوبان مثل السيليكات مثل الكريزوكولا ، أو الكبريتات مثل الأاكاميت وما إلى ذلك.
عادةً ما يتم ترشيح خامات الأكسيد هذه بواسطة حمض الكبريتيك ، عادةً في عملية ترشيح كومة أو تفريغ لتحرير المعادن النحاسية إلى محلول من حمض الكبريتيك محملاً بكبريتات النحاس في محلول. يتم بعد ذلك تجريد محلول كبريتات النحاس (محلول النض الحامل) من النحاس عن طريق الاستخلاص بالمذيبات ومصنع الاستخلاص الكهربائي (SX-EW) ، مع إعادة تدوير حامض الكبريتيك (منزوع الشعر) إلى الأكوام. وبدلاً من ذلك ، يمكن ترسيب النحاس خارج المحلول الحامل عن طريق ملامسته لخردة الحديد ؛ عملية تسمى التثبيت. عادةً ما يكون نحاس الأسمنت أقل نقاءً من نحاس SX-EW. يستخدم حمض الكبريتيك بشكل شائع كمادة ارتشاح لأكسيد النحاس ، على الرغم من أنه من الممكن استخدام الماء ، خاصة للخامات الغنية بمعادن الكبريتات فائقة الذوبان. [ بحاجة لمصدر ]
بشكل عام ، لا يتم استخدام التعويم الرغوي لتركيز خامات أكسيد النحاس ، لأن معادن الأكسيد لا تستجيب للمواد الكيميائية أو عملية التعويم الرغوي (على سبيل المثال ، لا ترتبط بالمواد الكيميائية القائمة على الكيروسين). تتم معالجة خامات أكسيد النحاس من حين لآخر عن طريق التعويم الرغوي عن طريق كبريتيد معادن الأكسيد مع مواد كيميائية معينة تتفاعل مع جزيئات أكسيد المعادن لإنتاج طبقة رقيقة من الكبريتيد (عادةً كالكوسايت) ، والتي يمكن تنشيطها بعد ذلك بواسطة مصنع تعويم الرغوة.
صهر الكبريتيد
حتى النصف الأخير من القرن العشرين ، كان صهر خامات الكبريتيد هو الوسيلة الوحيدة تقريبًا لإنتاج معدن النحاس من الخامات المستخرجة ( إنتاج النحاس الأساسي ). لاحظ دافنبورت وآخرون في عام 2002 أنه حتى ذلك الحين كان 80٪ من إنتاج النحاس الأولي العالمي من معادن النحاس والحديد والكبريت وأن الغالبية العظمى منها تمت معالجتها بالصهر.
تم استرداد النحاس في البداية من خامات الكبريتيد عن طريق صهر الخام مباشرة في الفرن. [9] تم وضع المصاهر في البداية بالقرب من المناجم لتقليل تكلفة النقل. أدى ذلك إلى تجنب التكاليف الباهظة لنقل نفايات المعادن والكبريت والحديد الموجود في المعادن المحتوية على النحاس. ومع ذلك ، مع انخفاض تركيز النحاس في أجسام الخام ، أصبحت تكاليف الطاقة لصهر الخام بأكمله أيضًا باهظة ، وأصبح من الضروري تركيز الخامات أولاً.
تضمنت تقنيات التركيز الأولية الفرز اليدوي [10] وتركيز الجاذبية. أدت إلى خسائر كبيرة في النحاس. وبالتالي ، كان تطوير عملية تعويم الرغوة خطوة كبيرة إلى الأمام في معالجة المعادن. [11] جعل من الممكن تطوير منجم بينغهام كانيون العملاق في ولاية يوتا. [12]
في القرن العشرين ، كانت معظم الخامات تتركز قبل الصهر. تم الصهر في البداية باستخدام مصانع التلبيد وأفران الصهر ، [13] أو باستخدام أفران التحميص والأفران الانعكاسية. [14] سيطر صهر الفرن الانعكاسي والتحميص على إنتاج النحاس الأولي حتى الستينيات. [8]
تحميص
تتم عملية التحميص بشكل عام بالاشتراك مع الأفران الانعكاسية. في المحمصة ، يتأكسد مركز النحاس جزئيًا لإنتاج "الكالسين" وغاز ثاني أكسيد الكبريت. القياس المتكافئ للتفاعل الذي يحدث هو:
- 2 نحاس 2 + 3 O 2 → 2 FeO + 2 CuS + 2 SO 2
يترك التحميص عمومًا كمية أكبر من الكبريت في المنتج المكلس (15٪ في حالة المحمص في مناجم Mount Isa [15] ) أكثر من أوراق نبات اللبيدات في المنتج الملبد (حوالي 7٪ في حالة مصهر التكرير والصهر بالكهرباء [ 16] ).
اعتبارًا من عام 2005 ، لم يعد التحميص شائعًا في معالجة مركزات النحاس ، لأن الجمع بينه وبين الأفران الانعكاسية لا يتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة ، كما أن تركيز ثاني أكسيد الكبريت SO 2 في غاز التحميص يكون مخففًا للغاية بالنسبة لالتقاط فعال من حيث التكلفة. [8] يفضل الآن الصهر المباشر ، على سبيل المثال باستخدام تقنيات الصهر التالية: الصهر السريع ، أفران Isasmelt ، Noranda ، Mitsubishi أو El Teniente. [8]
صهر
استبدال صهر الأفران الانعكاسية بالصهر السريع المرتبط بعدد مصاهر النحاس التي تستخدم هذه التكنولوجيا.
عادة ما يشار إلى الانصهار الأولي للمادة المراد صهرها الصهر أو الصهر غير اللامع . يمكن إجراؤه في مجموعة متنوعة من الأفران ، بما في ذلك أفران الصهر المتقادمة إلى حد كبير والأفران الانعكاسية ، فضلاً عن أفران الفلاش ، وأفران Isasmelt ، وما إلى ذلك. [8] منتج مرحلة الصهر هذه عبارة عن خليط من النحاس والحديد والكبريت الذي غني بالنحاس ، والذي يسمى غير لامع أو نحاسي غير لامع.[8] مصطلح الدرجة المطفية يستخدم عادة للإشارة إلى محتوى النحاس المطفي. [17]
الغرض من مرحلة الصهر غير اللامع هو القضاء على أكبر قدر ممكن من المعادن غير المرغوب فيها من الحديد والكبريت والشوائب (مثل السيليكا والمغنيسيا والألومينا والحجر الجيري) ، مع تقليل فقد النحاس إلى أدنى حد ممكن. [17] يتم تحقيق ذلك عن طريق تفاعل كبريتيدات الحديد مع الأكسجين (في الهواء أو في الهواء الغني بالأكسجين) لإنتاج أكاسيد الحديد (بشكل أساسي مثل الحديد O ، ولكن مع بعض أكسيد الحديد الأسود (Fe 3O 4)) وثاني أكسيد الكبريت. [17]
يمكن أن يختلط كبريتيد النحاس وأكسيد الحديد ، ولكن عند إضافة كمية كافية من السيليكا ، يتم تكوين طبقة خبث منفصلة. [18] إضافة السيليكا تقلل أيضًا من درجة انصهار الخبث (أو بشكل أكثر ملاءمة درجة حرارة السائل) ، مما يعني أنه يمكن تشغيل عملية الصهر عند درجة حرارة منخفضة. [18]
تفاعل تشكيل الخبث هو:
- FeO + SiO 2 → FeO.SiO 2[17]
يعتبر الخبث أقل كثافة من غير اللامع ، لذلك فهو يشكل طبقة تطفو فوق اللمعان. [19]
يمكن أن يفقد النحاس من اللمعان بثلاث طرق: حيث يذوب أكسيد النحاس (Cu 2O) في الخبث ، [20] كما يذوب النحاس الكبريتيد في الخبث [21] أو على شكل قطرات صغيرة (أو حبيبات ) غير لامع معلقة في الخبث. [22] [23]
تزداد كمية النحاس المفقودة مع زيادة أكسيد النحاس مع زيادة إمكانات الأكسجين في الخبث. [23] تزداد إمكانات الأكسجين بشكل عام مع زيادة محتوى النحاس في المادة اللاصقة. [24] وبالتالي فإن فقدان النحاس كأكسيد يزداد مع زيادة محتوى النحاس المطفي. [25]
من ناحية أخرى ، تقل قابلية ذوبان النحاس الكبريتي في الخبث مع زيادة محتوى النحاس في المادة غير اللامعة إلى ما يزيد عن 40٪. [21] حسب ناغاموري أن أكثر من نصف النحاس المذاب في الخبث من الحصائر التي تحتوي على أقل من 50٪ من النحاس هو النحاس الكبريتي. فوق هذا الرقم ، يبدأ النحاس المؤكسد في الهيمنة. [21]
يعتمد فقدان النحاس في صورة حبيبات معلقة في الخبث على حجم الحبيبات ولزوجة الخبث ووقت الترسيب المتاح. [26] اقترح روزنكفيست أن حوالي نصف خسائر النحاس في الخبث كانت بسبب الحبيبات المعلقة. [26]
تعتمد كتلة الخبث المتولدة في مرحلة الصهر على محتوى الحديد للمادة التي يتم تغذيتها في فرن الصهر ودرجة الخبث المستهدفة. كلما زاد محتوى الحديد في العلف ، زادت الحاجة إلى رفض الخبث للحصول على درجة غير لامعة معينة. وبالمثل ، فإن زيادة الدرجة المستهدفة غير اللامعة تتطلب رفض المزيد من الحديد وزيادة حجم الخبث.
وبالتالي ، فإن العاملين الأكثر تأثيرًا على فقدان النحاس للخبث في مرحلة الصهر هما:
- الدرجة
- كتلة الخبث. [18]
هذا يعني أن هناك حدًا عمليًا لمدى ارتفاع درجة اللون المطفأ إذا تم تقليل فقد النحاس إلى الخبث إلى الحد الأدنى. لذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من مراحل المعالجة (التحويل وتكرير الحرائق).
تصف الأقسام الفرعية التالية بإيجاز بعض العمليات المستخدمة في الصهر غير اللامع.
صهر الفرن الانعكاسي
الأفران الانعكاسية هي أفران طويلة يمكنها معالجة المركزات الرطبة أو الجافة أو المحمصة. [8] معظم الأفران الانعكاسية المستخدمة في السنوات الأخيرة المعالجة بالتركيز المحمص لأن وضع مواد التغذية الجافة في الفرن الانعكاسي يكون أكثر كفاءة في استخدام الطاقة ، ولأن التخلص من بعض الكبريت في المحمصة يؤدي إلى درجات أعلى من اللمعان. [8]
يضاف تغذية الفرن الانعكاسية إلى الفرن من خلال فتحات التغذية على طول جوانب الفرن. [8] عادةً ما يتم إضافة السيليكا الإضافية للمساعدة في تكوين الخبث. يتم إشعال الفرن بالمواقد باستخدام مسحوق الفحم أو زيت الوقود أو الغاز الطبيعي [27] ويتم إذابة الشحنة الصلبة.
يمكن أيضًا تغذية الأفران الانعكاسية بالخبث المصهور من مرحلة التحويل اللاحقة لاستعادة النحاس المحتوي والمواد الأخرى ذات المحتوى العالي من النحاس. [27]
نظرًا لأن حمام الفرن الانعكاسي هادئ ، تحدث أكسدة قليلة جدًا للتغذية (وبالتالي يتم التخلص من القليل جدًا من الكبريت من المركز). إنها في الأساس عملية ذوبان. [26] وبالتالي ، فإن الأفران الانعكاسية المشحونة بالرطوبة تحتوي على قدر أقل من النحاس في منتجها غير اللامع من الأفران المشحونة بالكلس ، كما أن لها أيضًا خسائر نحاسية أقل في الخبث. [27] يقتبس جيل النحاس في الخبث بقيمة 0.23٪ للفرن الانعكاسي المشحون بالرطب مقابل 0.37٪ للفرن المشحون بالكلس. [27]
في حالة الأفران المشحونة بالكلس ، يتم التخلص من جزء كبير من الكبريت أثناء مرحلة التحميص ، ويتكون الكالسيوم من خليط من أكاسيد النحاس والحديد والكبريتيدات. يعمل الفرن الانعكاسي للسماح لهذه الأنواع بالاقتراب من التوازن الكيميائي عند درجة حرارة تشغيل الفرن (حوالي 1600 درجة مئوية عند نهاية الموقد بالفرن وحوالي 1200 درجة مئوية عند نهاية المدخنة ؛ [28] يكون اللامع حوالي 1100 درجة مئوية و يبلغ الخبث حوالي 1195 درجة مئوية [27] ). في عملية الموازنة هذه ، يتبادل الأكسجين المرتبط بمركبات النحاس مع الكبريت المرتبط بمركبات الحديد ، مما يزيد من محتوى أكسيد الحديد في الفرن ، وتتفاعل أكاسيد الحديد مع السيليكا ومواد الأكسيد الأخرى لتكوين الخبث. [27]
تفاعل الموازنة الرئيسي هو:
- النحاس2O + FeS = النحاس 2S + الحديد O [27]
يشكل الخبث والخبث غير اللامع طبقات مميزة يمكن إزالتها من الفرن كتيارات منفصلة. يُسمح لطبقة الخبث بالتدفق بشكل دوري عبر ثقب في جدار الفرن فوق ارتفاع الطبقة غير اللامعة. تتم إزالة اللمعان عن طريق تصريفه من خلال ثقب في مغارف ليتم نقله بواسطة رافعة إلى المحولات. [27] تُعرف عملية التجفيف هذه بالتنصت على الفرن. [27] عادةً ما يكون الثقب غير اللامع عبارة عن ثقب من خلال كتلة نحاسية مبردة بالماء تمنع تآكل الطوب الحراري المبطن للفرن. عند اكتمال إزالة الخبث أو الخبث ، يتم عادةً سد الفتحة بالطين ، والذي يتم إزالته عندما يكون الفرن جاهزًا للاستفادة منه مرة أخرى.
غالبًا ما تستخدم الأفران الانعكاسية لمعالجة خبث المحول المصهور لاستعادة النحاس المحتوي. [27] يتم سكب هذا في الأفران من مغارف تحملها الرافعات. ومع ذلك ، فإن خبث المحول يحتوي على نسبة عالية من المغنتيت [29] وقد يترسب بعض هذا المغنتيت من خبث المحول (نظرًا لارتفاع نقطة انصهاره) ، مما يشكل تراكمًا على موقد الفرن الانعكاسي ويستلزم إغلاق الفرن إلى إزالة التراكم. [29] هذا التكوين التراكمي يحد من كمية خبث المحول الذي يمكن معالجته في فرن عاكس. [29]
في حين أن الأفران الانعكاسية لها خسائر نحاسية منخفضة للغاية في الخبث ، إلا أنها ليست ذات كفاءة عالية في استخدام الطاقة ، كما أن التركيزات المنخفضة لثاني أكسيد الكبريت في غازاتها تجعل التقاطها غير اقتصادي. [8] وبالتالي ، خصص مشغلو المصاهر الكثير من الأموال في السبعينيات والثمانينيات من القرن الماضي لتطوير عمليات صهر جديدة وأكثر كفاءة للنحاس. [30] بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير تقنيات الصهر السريع في السنوات السابقة وبدأت في استبدال الأفران الانعكاسية. بحلول عام 2002 ، تم إغلاق 20 فرنًا من الأفران العاكسة الثلاثين التي كانت لا تزال تعمل في عام 1994. [8]
صهر فرن فلاش
في الصهر السريع ، يتم تشتيت التركيز في تيار الهواء أو الأكسجين وتكتمل تفاعلات الصهر إلى حد كبير بينما لا تزال الجزيئات المعدنية في حالة طيران. [30] ثم تستقر الجسيمات المتفاعلة في حمام في قاع الفرن ، حيث تتصرف مثل المكلس في الفرن الانعكاسي. [31] تتكون طبقة الخبث أعلى الطبقة غير اللامعة ، ويمكن فصلها بشكل منفصل من الفرن. [31]
التحويل
نحاس خالٍ من الأكسجين ويعرف أيضًا باسم "نحاس شديد النقاء" (نقي بنسبة 98٪) ، يحتوي على الأنتيمون والنيكل
تحتوي المادة غير اللامعة ، التي يتم إنتاجها في المصهر ، على 30-70٪ نحاس (اعتمادًا على العملية المستخدمة وفلسفة تشغيل المصهر) ، بشكل أساسي كبريتيد النحاس ، وكذلك كبريتيد الحديد. تتم إزالة الكبريت عند درجة حرارة عالية في صورة ثاني أكسيد الكبريت عن طريق نفخ الهواء عبر ماتي منصهر:
- 2 CuS + 3 O 2 → 2 CuO + 2 SO 2
- نحاس + س 2 → نحاس + سو 2
في تفاعل مواز يتحول كبريتيد الحديد إلى خبث:
- 2 FeS + 3 O 2 → 2 FeO + 2 SO 2
- 2 FeO + SiO 2 → Fe 2SiO 4
تبلغ درجة نقاء هذا المنتج 98٪ ، ويعرف بالبثور بسبب السطح المكسور الناتج عن هروب غاز ثاني أكسيد الكبريت حيث الخنازير النحاسية أو السبائك النحاسية. المنتجات الثانوية المتولدة في العملية هي ثاني أكسيد الكبريت والخبث. يتم التقاط ثاني أكسيد الكبريت لاستخدامه في عمليات الترشيح السابقة.
تكرير الحريق
يتم وضع النحاس المنفّط في فرن الأنود ، وهو فرن يقوم بتكرير النحاس المنفّط إلى نحاس من الدرجة الأنودية على مرحلتين عن طريق إزالة معظم الكبريت والحديد المتبقيين ، ثم إزالة الأكسجين الذي يتم إدخاله خلال المرحلة الأولى. تتم هذه المرحلة الثانية ، التي يشار إليها غالبًا باسم poling ، عن طريق نفخ الغاز الطبيعي ، أو بعض عوامل الاختزال الأخرى ، من خلال أكسيد النحاس المصهور. عندما يحترق هذا اللهب باللون الأخضر ، مما يشير إلى طيف أكسدة النحاس ، يتم حرق الأكسجين في الغالب. ينتج عن هذا النحاس نقاوة تصل إلى 99٪.
Electrorefining
جهاز التكرير الكهربائي للنحاس
يتم تكرير النحاس بالتحليل الكهربائي. يتم وضع الأنودات المصبوبة من النحاس المنفّط المعالج في محلول مائي مكون من 3-4٪ كبريتات النحاس و 10-16٪ حمض الكبريتيك. الكاثودات عبارة عن صفائح رقيقة ملفوفة من النحاس النقي للغاية أو ، بشكل أكثر شيوعًا هذه الأيام ، ألواح بدء من الفولاذ المقاوم للصدأ قابلة لإعادة الاستخدام (كما في عملية IsaKidd). [32] يلزم وجود جهد يتراوح بين 0.2 و 0.4 فولت فقط لبدء العملية. في المنشآت الصناعية ، يمكن استخدام كثافات حالية تصل إلى 420 أمبير / م 2 . [33] في القطب الموجب ، يذوب النحاس والمعادن الأقل نبلًا. المزيد من المعادن النبيلة مثل الفضة والذهب والسيلينيوم والتيلوريوم تستقر في قاع الخلية على شكل أنود الوحل ، والذي يشكل منتجًا ثانويًا قابلاً للبيع. تهاجر أيونات النحاس (II) عبر الإلكتروليت إلى القطب السالب. عند الكاثود ، تخرج الصفائح المعدنية النحاسية ، ولكن المكونات الأقل نبلاً مثل الزرنيخ والزنكريمين في المحلول ما لم يتم استخدام جهد أعلى. [34] ردود الفعل هي:
عند الأنود: Cu (s) → Cu 2+ (aq) + 2e -
عند الكاثود: Cu 2+ (aq) + 2e - → Cu (s)
التركيز وتسويق النحاس
تُباع مركزات النحاس التي تنتجها المناجم إلى المصاهر والمصافي التي تعالج الخام وتنقي النحاس وتحمل تكلفة هذه الخدمة عن طريق رسوم المعالجة (TCs) ورسوم التكرير (RCs). بلغت قيمة السوق العالمية لتركيز النحاس [35] 81 مليار دولار أمريكي في عام 2019 ومن المتوقع أن تصل إلى 93 مليار دولار أمريكي بحلول عام 2027 مع التوسع بمعدل نمو سنوي مركب يبلغ 2.5٪. يتم فرض رسوم على المساهمين الأساسيين بالدولار الأمريكي لكل طن من المعالجة المركزة ويتم تحصيل رسوم المخلفات الصلبة بالسنتات لكل رطل معالج مقوم بالدولار الأمريكي ، مع تحديد الأسعار المعيارية سنويًا بواسطة المصاهر اليابانية الرئيسية. يمكن أن يكون العميل في هذه الحالة مصهرًا يبيع سبائك النحاس المنفطة إلى مصفاة أو مصهر تكرير متكامل رأسياً.
يحتوي أحد الأشكال السائدة لمركز النحاس على الذهب والفضة ، مثل ذلك الذي تنتجه شركة بوغانفيل كوبر ليمتد من منجم بانجونا من أوائل السبعينيات إلى أواخر الثمانينيات.
العقد النموذجي لعامل التعدين مقوم بسعر بورصة لندن للمعادن ، مطروحًا منه TC-RCs وأي غرامات أو أرصدة سارية. يمكن تقييم العقوبات ضد مركزات النحاس وفقًا لمستوى العناصر الضارة مثل الزرنيخ أو البزموت أو الرصاص أو التنجستن. نظرًا لأن جزءًا كبيرًا من أجسام خام كبريتيد النحاس تحتوي على الفضة أو الذهب بكميات ملحوظة ، يمكن دفع ائتمان إلى عامل التعدين لهذه المعادن إذا كان تركيزها داخل المركز أعلى من مبلغ معين. عادةً ما يتقاضى المصهر أو المصهر رسومًا على عامل المناجم بناءً على التركيز ؛ سيحدد العقد النموذجي أن الائتمان مستحق عن كل أونصة من المعدن في التركيز فوق تركيز معين ؛ أقل من ذلك ، إذا تم استرداده ، فسوف يحتفظ المصهر بالمعدن ويبيعه لتحمل التكاليف.
يتم تداول النحاس المركز إما عن طريق العقود الفورية أو بموجب عقود طويلة الأجل كمنتج وسيط في حد ذاته. غالبًا ما يبيع المصهر معدن النحاس نفسه نيابة عن المُعدِّن. يُدفع لعمال المناجم السعر في الوقت الذي يقوم فيه المصهر بعملية البيع ، وليس بالسعر في تاريخ تسليم المركز. بموجب نظام التسعير الاقتباسي ، يتم الاتفاق على أن يكون السعر في تاريخ محدد في المستقبل ، وعادةً ما يكون 90 يومًا من وقت التسليم إلى المصهر.
يتكون الكاثود النحاسي من الدرجة A من 99.99٪ من النحاس في صفائح يبلغ سمكها 1 سم ، ويبلغ وزنها حوالي متر مربع واحد ويزن حوالي 200 رطل. إنها سلعة حقيقية ، يمكن تسليمها إلى بورصات المعادن في مدينة نيويورك (COMEX) ولندن (بورصة لندن للمعادن) وشنغهاي (بورصة شنغهاي للعقود الآجلة) وقابلة للتداول فيها. غالبًا ما يتم تداول الكاثود النحاسي في البورصات بشكل غير مباشر من خلال أوامر الشراء أو الخيارات أو عقود المقايضة بحيث يتم تداول غالبية النحاس على LME / COMEX / SFE ولكن يتم التسليم مباشرة ، ونقل النحاس المادي لوجستيًا ، ونقل لوح النحاس من المستودعات المادية نفسها.
المواصفات الكيميائية للنحاس بدرجة التحليل الكهربائي هي ASTM B 115-00 (معيار يحدد النقاء والمقاومة الكهربائية القصوى للمنتج).
Mr. Nick Sun [email protected]
الوقت ما بعد: 27 سبتمبر - 2020