Τι είναι η εξόρυξη χαλκού;

Η εξόρυξη χαλκού  αναφέρεται στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη λήψη χαλκού από τα μεταλλεύματά του. Η μετατροπή του χαλκού αποτελείται από μια σειρά φυσικών και ηλεκτροχημικών διεργασιών. Οι μέθοδοι έχουν εξελιχθεί και ποικίλλουν ανάλογα με τη χώρα, ανάλογα με την πηγή του μεταλλεύματος, τους τοπικούς περιβαλλοντικούς κανονισμούς και άλλους παράγοντες.

Όπως σε όλες τις εξορυκτικές εργασίες, το μετάλλευμα πρέπει συνήθως να εμπλουτίζεται (συμπυκνώνεται). Οι τεχνικές επεξεργασίας εξαρτώνται από τη φύση του μεταλλεύματος. Εάν το μετάλλευμα είναι κυρίως θειούχα ορυκτά χαλκού (όπως ο χαλκοπυρίτης), το μετάλλευμα συνθλίβεται και αλέθεται για να απελευθερωθούν τα πολύτιμα ορυκτά από τα απόβλητα ορυκτά («γάγγα»). Στη συνέχεια συμπυκνώνεται χρησιμοποιώντας επίπλευση ορυκτών. Το συμπύκνωμα πωλείται συνήθως σε μακρινά μεταλλουργεία, αν και ορισμένα μεγάλα ορυχεία έχουν μεταλλουργεία που βρίσκονται κοντά. Αυτή η συνεγκατάσταση ορυχείων και μεταλλουργείων ήταν πιο χαρακτηριστική τον 19ο και τις αρχές του 20ου αιώνα, όταν τα μικρότερα μεταλλουργεία μπορούσαν να είναι οικονομικά. Τα συμπυκνώματα σουλφιδίου τυπικά τήκονται σε καμίνους όπως ο κλίβανος φλας Outokumpu ή Inco ή ο κλίβανος ISASMELT για να παραχθεί ματ, το οποίο πρέπει να μετατραπεί και να εξευγενιστεί για την παραγωγή χαλκού ανόδου. Τέλος, η τελική διαδικασία διύλισης είναι η ηλεκτρόλυση. Για οικονομικούς και περιβαλλοντικούς λόγους, πολλά από τα υποπροϊόντα της εξόρυξης ανακτώνται. Το αέριο διοξείδιο του θείου, για παράδειγμα, δεσμεύεται και μετατρέπεται σε θειικό οξύ — το οποίο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί στη διαδικασία εκχύλισης ή να πωληθεί για σκοπούς όπως η παραγωγή λιπασμάτων.

Τα οξειδωμένα μεταλλεύματα χαλκού μπορούν να υποστούν επεξεργασία με υδρομεταλλουργική εξόρυξη.

Ιστορία

Οι αρχαιότερες ενδείξεις για το κρύο σφυροκόπημα αυτοφυούς χαλκού προέρχονται από την ανασκαφή στο Çayönü Tepesi στην ανατολική Ανατολία, η οποία χρονολογείται μεταξύ 7200 και 6600 π.Χ. ^[1]  Ανάμεσα στα διάφορα αντικείμενα που θεωρούνται αναθηματικά ή φυλαχτά υπήρχε ένα που έμοιαζε με αγκίστρι και ένα με σουβλί. Ένα άλλο εύρημα, στο σπήλαιο Shanidar στο Mergasur του Ιράκ, περιείχε χάλκινες χάντρες, χρονολογείται στο 8.700 π.Χ. ^[2]

Ένα από τα παλαιότερα γνωστά ορυχεία χαλκού στον κόσμο, σε αντίθεση με τη χρήση επιφανειακών κοιτασμάτων, βρίσκεται στην κοιλάδα Timna του Ισραήλ, από την τέταρτη χιλιετία π.Χ., με χρήση επιφανειακών κοιτασμάτων από την έκτη έως την πέμπτη χιλιετία. ^{[3] [4]}

Ο αρχαιολογικός χώρος Pločnik στη νοτιοανατολική Ευρώπη (Σερβία) περιέχει τα παλαιότερα με ασφάλεια χρονολογημένα ^{[ αμφίβολα – συζητήστε ]} στοιχεία κατασκευής χαλκού σε υψηλή θερμοκρασία, από το 5.000 π.Χ. Το εύρημα τον Ιούνιο του 2010 επεκτείνει για επιπλέον 500 χρόνια το προηγούμενο αρχείο τήξης χαλκού από τη Rudna Glava (Σερβία), που χρονολογείται στην 5η χιλιετία π.Χ. ^[5]

Η τεχνολογία τήξης του χαλκού δημιούργησε την Εποχή του Χαλκού, γνωστή και ως Χαλκολιθική Εποχή, και στη συνέχεια την Εποχή του Χαλκού. Η Εποχή του Χαλκού δεν θα ήταν δυνατή χωρίς οι άνθρωποι να αναπτύξουν την τεχνολογία τήξης.

Συγκέντρωση

Τα περισσότερα μεταλλεύματα χαλκού περιέχουν μόνο ένα μικρό ποσοστό μετάλλου χαλκού συνδεδεμένο μέσα σε πολύτιμα ορυκτά μεταλλεύματος, με το υπόλοιπο του μεταλλεύματος να είναι ανεπιθύμητα πετρώματα ή ορυκτά γαγγείου, συνήθως πυριτικά ορυκτά ή ορυκτά οξειδίων για τα οποία συχνά δεν υπάρχει αξία. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα απορρίμματα έχουν υποχωρήσει για να ανακτηθεί η χαμένη αξία καθώς η τεχνολογία για την ανάκτηση χαλκού έχει βελτιωθεί. Η μέση ποιότητα των μεταλλευμάτων χαλκού στον 21ο αιώνα είναι κάτω του 0,6% χαλκού, με ένα ποσοστό οικονομικών ορυκτών μεταλλευμάτων (συμπεριλαμβανομένου του χαλκού) να είναι μικρότερο από το 2% του συνολικού όγκου του μεταλλεύματος. Ένας βασικός στόχος στη μεταλλουργική επεξεργασία οποιουδήποτε μεταλλεύματος είναι ο διαχωρισμός ορυκτών μεταλλευμάτων από ορυκτά γάγγας μέσα στο βράχο.

Το πρώτο στάδιο οποιασδήποτε διαδικασίας μέσα σε ένα κύκλωμα μεταλλουργικής επεξεργασίας είναι η ακριβής λείανση ή  θρυμματισμός , όπου ο βράχος συνθλίβεται για να παραχθούν μικρά σωματίδια (<100 μm) που αποτελούνται από μεμονωμένες ορυκτές φάσεις. Αυτά τα σωματίδια στη συνέχεια διαχωρίζονται για την απομάκρυνση της γάζας (υπολείμματα πετρωμάτων), και στη συνέχεια ακολουθείται από μια διαδικασία φυσικής απελευθέρωσης των ορυκτών μεταλλεύματος από το βράχο. Η διαδικασία απελευθέρωσης μεταλλευμάτων χαλκού εξαρτάται από το αν είναι οξείδια ή θειούχα μεταλλεύματα. ^[6]

Τα επόμενα βήματα εξαρτώνται από τη φύση του μεταλλεύματος που περιέχει τον χαλκό και από το τι θα εξαχθεί. Για τα μεταλλεύματα οξειδίων, πραγματοποιείται συνήθως μια διαδικασία υδρομεταλλουργικής απελευθέρωσης, η οποία χρησιμοποιεί τη διαλυτή φύση των ορυκτών μεταλλεύματος προς όφελος της μονάδας επεξεργασίας μεταλλουργίας. Για τα θειούχα μεταλλεύματα, τόσο δευτερογενή (υπεργονίδιο) όσο και πρωτογενή (υπογονίδιο), η επίπλευση αφρού χρησιμοποιείται για τον φυσικό διαχωρισμό του μεταλλεύματος από το γκάζι. Για ειδικά σώματα μεταλλεύματος που φέρουν φυσικό χαλκό ή τμήματα μεταλλευμάτων πλούσια σε φυσικό χαλκό υπεργονιδίου, αυτό το ορυκτό μπορεί να ανακτηθεί με ένα απλό κύκλωμα βαρύτητας.

Επίπλευση αφρού

 

Κυψέλες επίπλευσης αφρού για τη συμπύκνωση ορυκτών θειούχου χαλκού και νικελίου, Falconbridge, Οντάριο.

Η σύγχρονη διαδικασία επίπλευσης αφρού εφευρέθηκε ανεξάρτητα στις αρχές του 1900 στην Αυστραλία από τον CV Potter και την ίδια περίπου εποχή από τον GD Delprat. ^[7]

 

Φυσαλίδες αέρα με σουλφίδιο χαλκού σε ένα κύτταρο Jameson στο εργοστάσιο επίπλευσης του Prominent Hillmine στη Νότια Αυστραλία

Όλα τα πρωτογενή θειούχα μεταλλεύματα θειούχων χαλκού και τα περισσότερα συμπυκνώματα δευτερογενών θειούχων χαλκού (που είναι χαλκοκίτης) υποβάλλονται σε τήξη. Υπάρχουν ορισμένες διεργασίες έκπλυσης ή εκπλύσεως υπό πίεση για τη διαλυτοποίηση των συμπυκνωμάτων χαλκοκίτη και την παραγωγή καθόδου χαλκού από το προκύπτον διάλυμα έκπλυσης, αλλά αυτό είναι ένα μικρό μέρος της αγοράς.

Τα ανθρακικά συμπυκνώματα είναι ένα σχετικά μικρό προϊόν που παράγεται από εργοστάσια τσιμεντοποίησης χαλκού, συνήθως ως το τελικό στάδιο μιας διαδικασίας έκπλυσης σωρού. Τέτοια ανθρακικά συμπυκνώματα μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία με ένα εργοστάσιο εκχύλισης και ηλεκτρολύτησης με διαλύτη (SX-EW) ή να λιώσουν.

Το μετάλλευμα χαλκού συνθλίβεται και αλέθεται σε τέτοιο μέγεθος ώστε να έχει λάβει χώρα ένας αποδεκτός υψηλός βαθμός απελευθέρωσης μεταξύ των ορυκτών μεταλλεύματος θειούχου χαλκού και των ορυκτών γάγγας. Το μετάλλευμα στη συνέχεια διαβρέχεται, εναιωρείται σε πολτό και αναμιγνύεται με ξανθικά ή άλλα αντιδραστήρια, τα οποία καθιστούν τα σωματίδια σουλφιδίου υδρόφοβα. Τυπικά αντιδραστήρια περιλαμβάνουν αιθυλξανθικό κάλιο και αιθυλξανθικό νάτριο, αλλά χρησιμοποιούνται επίσης διθειοφωσφορικά και διθειοκαρβαμικά.

Το επεξεργασμένο μετάλλευμα εισάγεται σε μια δεξαμενή αερισμού γεμάτη νερό που περιέχει τασιενεργό όπως μεθυλισοβουτυλ καρβινόλη (MIBC). Ο αέρας ωθείται συνεχώς μέσω του πολτού και οι φυσαλίδες αέρα προσκολλώνται στα υδρόφοβα σωματίδια θειούχου χαλκού, τα οποία οδηγούνται στην επιφάνεια, όπου σχηματίζουν αφρό και απομακρύνονται. Αυτά τα ξαφρίσματα γενικά υποβάλλονται σε ένα στοιχείο καθαρότερου καθαριστή για την απομάκρυνση της περίσσειας πυριτικών αλάτων και για την απομάκρυνση άλλων θειούχων ορυκτών που μπορούν να επηρεάσουν καταστροφικά την ποιότητα του συμπυκνώματος (συνήθως, γαλένα) και το τελικό συμπύκνωμα αποστέλλεται για τήξη. Το πέτρωμα που δεν έχει επιπλεύσει στο κελί επίπλευσης είτε απορρίπτεται ως απορρίμματα είτε υποβάλλεται σε περαιτέρω επεξεργασία για την εξαγωγή άλλων μετάλλων όπως ο μόλυβδος (από το γαλήνιο) και ο ψευδάργυρος (από τον φαλερίτη), εάν υπάρχουν. Για να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας, χρησιμοποιείται άσβεστος για να αυξήσει το pH του λουτρού νερού, προκαλώντας τον περισσότερο ιονισμό του συλλέκτη και κατά προτίμηση σύνδεση με τον χαλκοπυρίτη (CuFeS ₂) και την αποφυγή του πυρίτη (FeS ₂). Ο σίδηρος υπάρχει και στα δύο ορυκτά της πρωτογενούς ζώνης. Τα μεταλλεύματα χαλκού που περιέχουν χαλκοπυρίτη μπορούν να συμπυκνωθούν για να παραχθεί ένα συμπύκνωμα με μεταξύ 20% και 30% χαλκό σε συμπύκνωμα (συνήθως 27-29% χαλκό). Το υπόλοιπο του συμπυκνώματος είναι σίδηρος και θείο στον χαλκοπυρίτη, και ανεπιθύμητες ακαθαρσίες όπως ορυκτά πυριτικού γάνγκου ή άλλα θειούχα ορυκτά, τυπικά μικρές ποσότητες πυρίτη, φαληρίτη ή γαληνίτη. Τα συμπυκνώματα χαλκοκίτη τυπικά ταξινομούνται μεταξύ 37% και 40% σε συμπύκνωμα χαλκού, καθώς ο χαλκοσίτης δεν περιέχει σίδηρο μέσα στο ορυκτό.

Υδρομεταλλουργική εξόρυξη

Θειούχα μεταλλεύματα

Τα δευτερογενή σουλφίδια - αυτά που σχηματίζονται από τον δευτερογενή εμπλουτισμό υπεργονιδίων - είναι ανθεκτικά ( πυρίμαχα ) στη θειική έκπλυση. Αυτά τα μεταλλεύματα είναι ένα μείγμα ανθρακικού χαλκού, θειικού, φωσφορικού και οξειδίων ορυκτών και δευτερογενών θειούχων ορυκτών, κυρίως χαλκοκίτη, αλλά άλλα ορυκτά όπως ο διγενίτης μπορεί να είναι σημαντικά σε ορισμένα κοιτάσματα.

Τα υπεργονιδιακά μεταλλεύματα πλούσια σε σουλφίδια μπορούν να συμπυκνωθούν χρησιμοποιώντας επίπλευση αφρού. Ένα τυπικό συμπύκνωμα χαλκοκίτη μπορεί να διαβαθμίσει μεταξύ 37% και 40% χαλκό σε θειούχο, καθιστώντας το σχετικά φθηνό στην τήξη σε σύγκριση με τα συμπυκνώματα χαλκοπυρίτη.

Ορισμένες εναποθέσεις σουλφιδίου υπεργονιδίου μπορούν να εκπλυθούν χρησιμοποιώντας μια διαδικασία έκπλυσης σωρού βακτηριακής οξείδωσης για την οξείδωση των σουλφιδίων σε θειικό οξύ, η οποία επιτρέπει επίσης την ταυτόχρονη έκπλυση με θειικό οξύ για την παραγωγή ενός διαλύματος θειικού χαλκού. Όπως και με τα μεταλλεύματα οξειδίου, χρησιμοποιούνται τεχνολογίες εξαγωγής με διαλύτες και ηλεκτρονίκωσης για την ανάκτηση του χαλκού από το έγκυο διάλυμα έκπλυσης.

Τα υπεργονιδιακά θειούχα μεταλλεύματα πλούσια σε φυσικά ορυκτά χαλκού είναι ανθεκτικά στην επεξεργασία με έκπλυση θειικού οξέος σε όλες τις πρακτικές χρονικές κλίμακες και τα πυκνά μεταλλικά σωματίδια δεν αντιδρούν με τα μέσα επίπλευσης αφρού. Συνήθως, εάν ο φυσικός χαλκός είναι δευτερεύον μέρος ενός προφίλ υπεργονιδίου, δεν θα ανακτηθεί και θα αναφέρεται στα απορρίμματα. Όταν είναι αρκετά πλούσια, τα φυσικά σώματα μεταλλεύματος χαλκού μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία για την ανάκτηση του χαλκού που περιέχεται μέσω ενός κυκλώματος διαχωρισμού βαρύτητας όπου η πυκνότητα του μετάλλου χρησιμοποιείται για την απελευθέρωσή του από τα ελαφρύτερα πυριτικά ορυκτά. Συχνά, η φύση του γάγγου είναι σημαντική, καθώς τα πλούσια σε άργιλο εγγενή μεταλλεύματα χαλκού αποδεικνύονται δύσκολο να απελευθερωθούν.

Οξείδια μεταλλεύματα

Τα σώματα οξειδωμένου μεταλλεύματος χαλκού μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία μέσω πολλών διεργασιών, με υδρομεταλλουργικές διεργασίες που χρησιμοποιούνται για την επεξεργασία οξειδίων που κυριαρχούνται από ορυκτά ανθρακικού χαλκού όπως αζουρίτης και μαλαχίτης και άλλα διαλυτά ορυκτά όπως πυριτικά άλατα όπως η χρυσόκολα ή θειικά άλατα όπως ο ατακαμίτης και ούτω καθεξής.

Τέτοια ορυκτά οξειδίων συνήθως εκπλένονται με θειικό οξύ, συνήθως σε μια διαδικασία έκπλυσης σωρού ή απόπλυσης για την απελευθέρωση των ορυκτών χαλκού σε ένα διάλυμα θειικού οξέος φορτωμένο με θειικό χαλκό σε διάλυμα. Το διάλυμα θειικού χαλκού (το έγκυο διάλυμα έκπλυσης) στη συνέχεια απογυμνώνεται από χαλκό μέσω μιας εγκατάστασης εκχύλισης με διαλύτη και ηλεκτρολύσεως (SX-EW), με το απογυμνωμένο (απογυμνωμένο) θειικό οξύ να ανακυκλώνεται ξανά στους σωρούς. Εναλλακτικά, ο χαλκός μπορεί να καταβυθιστεί έξω από το έγκυο διάλυμα φέρνοντας σε επαφή με παλιοσίδερο. μια διαδικασία που ονομάζεται τσιμεντοποίηση. Ο χαλκός τσιμέντου είναι συνήθως λιγότερο καθαρός από τον χαλκό SX-EW. Συνήθως το θειικό οξύ χρησιμοποιείται ως μέσο έκπλυσης για το οξείδιο του χαλκού, αν και είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί νερό, ιδιαίτερα για μεταλλεύματα πλούσια σε υπερδιαλυτά θειικά ορυκτά. ^{[ απαιτείται παραπομπή ]}

Γενικά, η επίπλευση αφρού δεν χρησιμοποιείται για τη συμπύκνωση μεταλλευμάτων οξειδίου του χαλκού, καθώς τα ορυκτά οξειδίων δεν ανταποκρίνονται στις χημικές ουσίες ή τη διαδικασία επίπλευσης αφρού (δηλαδή, δεν συνδέονται με τις χημικές ουσίες με βάση την κηροζίνη). Τα μεταλλεύματα οξειδίου του χαλκού έχουν περιστασιακά υποστεί επεξεργασία μέσω επίπλευσης αφρού μέσω θείωσης των ορυκτών οξειδίων με ορισμένες χημικές ουσίες που αντιδρούν με τα σωματίδια ορυκτών οξειδίων για να παράγουν ένα λεπτό στρώμα θειούχου (συνήθως χαλκοκίτη), το οποίο μπορεί στη συνέχεια να ενεργοποιηθεί από τη μονάδα επίπλευσης αφρού.

Τήξη σουλφιδίου

Μέχρι το δεύτερο μισό του 20ου αιώνα, η τήξη θειούχων μεταλλευμάτων ήταν σχεδόν το μοναδικό μέσο για την παραγωγή μετάλλου χαλκού από εξορυσσόμενα μεταλλεύματα ( πρωτογενής  παραγωγή χαλκού). Ο Davenport, et al, σημείωσε το 2002 ότι ακόμη και τότε το 80% της παγκόσμιας πρωτογενούς παραγωγής χαλκού προερχόταν από ορυκτά χαλκού-σιδήρου-θείου και ότι η συντριπτική πλειονότητα αυτών επεξεργαζόταν με τήξη.

Ο χαλκός ανακτήθηκε αρχικά από θειούχα μεταλλεύματα με απευθείας τήξη του μεταλλεύματος σε κλίβανο. ^[9]  Τα μεταλλουργεία βρίσκονταν αρχικά κοντά στα ορυχεία για να ελαχιστοποιηθεί το κόστος μεταφοράς. Αυτό απέφυγε το απαγορευτικό κόστος μεταφοράς των αποβλήτων ορυκτών και του θείου και του σιδήρου που υπάρχουν στα ορυκτά που περιέχουν χαλκό. Ωστόσο, καθώς η συγκέντρωση του χαλκού στα σώματα του μεταλλεύματος μειώθηκε, το ενεργειακό κόστος της τήξης ολόκληρου του μεταλλεύματος έγινε επίσης απαγορευτικό και κατέστη απαραίτητο να συγκεντρωθούν πρώτα τα μεταλλεύματα.

Οι αρχικές τεχνικές συγκέντρωσης περιλάμβαναν τη διαλογή με το χέρι ^[10]  και τη συγκέντρωση βαρύτητας. Προκάλεσαν μεγάλες απώλειες χαλκού. Κατά συνέπεια, η ανάπτυξη της διαδικασίας επίπλευσης αφρού ήταν ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός στην επεξεργασία ορυκτών. ^[11]  Κατέστησε δυνατή την ανάπτυξη του γιγαντιαίου ορυχείου Bingham Canyon στη Γιούτα. ^[12]

Τον εικοστό αιώνα, τα περισσότερα μεταλλεύματα συγκεντρώνονταν πριν από την τήξη τους. Η τήξη αρχικά γινόταν με τη χρήση εγκαταστάσεων πυροσυσσωμάτωσης και υψικάμινων ^[13]  ή με ψητές και φούρνους αντήχησης. ^[14]  Το ψήσιμο και η τήξη σε φούρνο με αντήχηση κυριάρχησαν στην πρωτογενή παραγωγή χαλκού μέχρι τη δεκαετία του 1960. ^[8]

Ψήσιμο

Η διαδικασία ψησίματος πραγματοποιείται γενικά σε συνδυασμό με φούρνους αντήχησης. Στο ψήστη, το συμπύκνωμα χαλκού οξειδώνεται μερικώς για να παράγει ασβέστιο και αέριο διοξείδιο του θείου. Η στοιχειομετρία της αντίδρασης που συμβαίνει είναι:

2 CuFeS ₂ + 3 O ₂ → 2 FeO + 2 CuS + 2 SO ₂

Το καβούρδισμα αφήνει γενικά περισσότερο θείο στο φρυγμένο προϊόν (15% στην περίπτωση του ψήστη στο Mount Isa Mines ^[15] ) από ό,τι ένα φυτό πυροσυσσωμάτωσης στο πυροσυσσωματωμένο προϊόν (περίπου 7% στην περίπτωση του μεταλλουργείου Electrolytic Refining and Smelting ^{[ 15] ). 16]} ).

Από το 2005, το ψήσιμο δεν είναι πλέον συνηθισμένο στην επεξεργασία συμπυκνώματος χαλκού, επειδή ο συνδυασμός του με κλιβάνους αντήχησης δεν είναι ενεργειακά αποδοτικός και η συγκέντρωση SO ₂ στα αέρια του καβουρδίσματος είναι πολύ αραιή για οικονομικά αποδοτική σύλληψη. ^[8]  Ευνοείται πλέον η άμεση τήξη, π.χ. με τη χρήση των ακόλουθων τεχνολογιών τήξης: καμίνους flash smelting, Isasmelt, Noranda, Mitsubishi ή El Teniente. ^[8]

τήξη

 

Αντικατάσταση της τήξης αντηχητικού κλιβάνου με αστραπιαία τήξη, που σχετίζεται με τον αριθμό των μεταλλουργείων χαλκού που χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνολογία.

Η αρχική τήξη του υλικού προς τήξη αναφέρεται συνήθως ως  στάδιο τήξης  ή  ματ τήξης  . Μπορεί να πραγματοποιηθεί σε μια ποικιλία κλιβάνων, συμπεριλαμβανομένων των σε μεγάλο βαθμό απαρχαιωμένων υψικάμινων και κλιβάνων αντήχησης, καθώς και σε φούρνους εκτόνωσης, φούρνους Isasmelt κ.λπ. ^[8]  Το προϊόν αυτού του σταδίου τήξης είναι ένα μείγμα χαλκού, σιδήρου και θείου που είναι εμπλουτισμένο σε χαλκό, και το οποίο ονομάζεται  ματ  ή  χαλκό ματ.^[8]  Ο όρος  ματ ποιότητας  χρησιμοποιείται συνήθως για να αναφέρεται στην περιεκτικότητα σε χαλκό του ματ. ^[17]

Ο σκοπός του σταδίου ματ τήξης είναι να εξαλειφθεί όσο το δυνατόν περισσότερο ο ανεπιθύμητος σίδηρος, το θείο και  τα ορυκτά γάνγκου  (όπως πυρίτιο, μαγνησία, αλουμίνα και ασβεστόλιθος), ελαχιστοποιώντας παράλληλα την απώλεια χαλκού. ^[17]  Αυτό επιτυγχάνεται με την αντίδραση θειούχων σιδήρου με οξυγόνο (στον αέρα ή αέρα εμπλουτισμένο με οξυγόνο) για την παραγωγή οξειδίων σιδήρου (κυρίως ως FeO, αλλά με λίγο μαγνητίτη (Fe ₃O ₄)) και διοξείδιο του θείου. ^[17]

Το θειούχο χαλκό και το οξείδιο του σιδήρου μπορούν να αναμειχθούν, αλλά όταν προστεθεί επαρκής ποσότητα πυριτίου, σχηματίζεται ένα ξεχωριστό στρώμα σκωρίας. ^[18]  Η προσθήκη πυριτίου μειώνει επίσης το σημείο τήξης (ή, πιο σωστά, τη θερμοκρασία υγρού) της σκωρίας, που σημαίνει ότι η διαδικασία τήξης μπορεί να λειτουργήσει σε χαμηλότερη θερμοκρασία. ^[18]

Η αντίδραση σχηματισμού σκωρίας είναι:

FeO + SiO ₂ → FeO.SiO ₂^[17]

Η σκωρία είναι λιγότερο πυκνή από τη ματ, έτσι σχηματίζει ένα στρώμα που επιπλέει πάνω από το ματ. ^[19]

Ο χαλκός μπορεί να χαθεί από το ματ με τρεις τρόπους: ως οξείδιο του χαλκού (Cu ₂O) διαλυμένο στη σκωρία, ^[20]  ως θειούχος χαλκός διαλυμένο στη σκωρία ^[21]  ή ως μικροσκοπικά σταγονίδια (ή  σβώλοι ) ματ αιωρούμενων στο σκωρία. ^{[22] [23]}

Η ποσότητα χαλκού που χάνεται ως οξείδιο του χαλκού αυξάνεται καθώς αυξάνεται το δυναμικό οξυγόνου της σκωρίας. ^[23]  Το δυναμικό οξυγόνου γενικά αυξάνεται καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε χαλκό του ματ. ^[24]  Έτσι η απώλεια χαλκού ως οξείδιο αυξάνεται καθώς αυξάνεται η περιεκτικότητα σε χαλκό του ματ. ^[25]

Από την άλλη πλευρά, η διαλυτότητα του θειούχου χαλκού στη σκωρία μειώνεται καθώς η περιεκτικότητα σε χαλκό του ματ αυξάνεται πέρα ​​από περίπου 40%. ^[21]  Nagamori υπολόγισε ότι περισσότερο από το ήμισυ του χαλκού που διαλύεται σε σκωρίες από ματ που περιέχουν λιγότερο από 50% χαλκό είναι θειούχος χαλκός. Πάνω από αυτό το σχήμα αρχίζει να κυριαρχεί ο οξειδωτικός χαλκός. ^[21]

Η απώλεια χαλκού ως σβώλων που αιωρούνται στη σκωρία εξαρτάται από το μέγεθος των σβώλων, το ιξώδες της σκωρίας και τον διαθέσιμο χρόνο καθίζησης. ^{[26] Ο}  Rosenqvist πρότεινε ότι περίπου οι μισές απώλειες χαλκού από τη σκωρία οφείλονταν σε ανασταλμένους σβόλους. ^{[26] Ο}

Η μάζα της σκωρίας που παράγεται στο στάδιο της τήξης εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε σίδηρο του υλικού που τροφοδοτείται στον κλίβανο τήξης και από τον στόχο ματ ποιότητας. Όσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα της τροφής σε σίδηρο, τόσο περισσότερος σίδηρος θα χρειαστεί να απορριφθεί στη σκωρία για μια δεδομένη ποιότητα ματ. Ομοίως, η αύξηση του στόχου ματ ποιότητας απαιτεί την απόρριψη περισσότερου σιδήρου και αύξηση του όγκου της σκωρίας.

Έτσι, οι δύο παράγοντες που επηρεάζουν περισσότερο την απώλεια χαλκού σε σκωρία στο στάδιο της τήξης είναι:

• ματ ποιότητας
• μάζα σκωρίας. ^[18]

Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει ένα πρακτικό όριο σχετικά με το πόσο υψηλός μπορεί να είναι ο βαθμός ματ εάν πρόκειται να ελαχιστοποιηθεί η απώλεια χαλκού στη σκωρία. Ως εκ τούτου, απαιτούνται περαιτέρω στάδια επεξεργασίας (μετατροπή και διύλιση με φωτιά).

Οι ακόλουθες υποενότητες περιγράφουν συνοπτικά ορισμένες από τις διαδικασίες που χρησιμοποιούνται στη ματ τήξη.

Τήξη φούρνου αντηχήσεως

Οι φούρνοι αντήχησης είναι μακριές φούρνοι που μπορούν να επεξεργαστούν υγρό, ξηρό ή ψητό συμπύκνωμα. ^[8]  Οι περισσότεροι από τους φούρνους αντήχησης που χρησιμοποιήθηκαν τα τελευταία χρόνια επεξεργάζονταν καβουρδισμένο συμπύκνωμα επειδή η τοποθέτηση ξηρών υλικών τροφοδοσίας στον κλίβανο αντήχησης είναι πιο ενεργειακά αποδοτική και επειδή η απομάκρυνση μέρους του θείου στο ψήστη οδηγεί σε υψηλότερες ματ ποιότητες. ^[8]

Η τροφοδοσία του κλιβάνου αντήχησης προστίθεται στον κλίβανο μέσω οπών τροφοδοσίας κατά μήκος των πλευρών του κλιβάνου. ^[8]  Πρόσθετο πυρίτιο συνήθως προστίθεται για να βοηθήσει στο σχηματισμό της σκωρίας. Ο κλίβανος πυροδοτείται με καυστήρες που χρησιμοποιούν κονιοποιημένο άνθρακα, μαζούτ ή φυσικό αέριο ^[27]  και το στερεό φορτίο τήκεται.

Οι κλίβανοι αντήχησης μπορούν επιπλέον να τροφοδοτηθούν με τηγμένη σκωρία από το μεταγενέστερο στάδιο μετατροπής για την ανάκτηση του χαλκού που περιέχεται και άλλων υλικών με υψηλή περιεκτικότητα σε χαλκό. ^[27]

Επειδή το λουτρό του κλιβάνου αντήχησης είναι σε ηρεμία, συμβαίνει πολύ μικρή οξείδωση της τροφοδοσίας (και επομένως πολύ λίγο θείο αποβάλλεται από το συμπύκνωμα). Είναι ουσιαστικά μια διαδικασία τήξης. ^{[26] Ο}  Κατά συνέπεια, οι κλίβανοι αντήχησης με υγρό φορτίο έχουν λιγότερο χαλκό στο ματ προϊόν τους από ό,τι οι κάμινοι με φορτίο ασβεστίου και έχουν επίσης χαμηλότερες απώλειες χαλκού από τη σκωρία. ^[27]  Gill αναφέρει έναν χαλκό σε τιμή σκωρίας 0,23% για έναν κλίβανο αντήχησης με υγρό φορτίο έναντι 0,37% για έναν κλίβανο με φορτίο ασβεστίου. ^[27]

Στην περίπτωση των κλιβάνων που φορτίζονται με ασβέστιο, ένα σημαντικό μέρος του θείου έχει εξαλειφθεί κατά το στάδιο της φρύξης και το ασβέστιο αποτελείται από ένα μείγμα οξειδίων και θειούχων χαλκού και σιδήρου. Ο κλίβανος με αντήχηση δρα για να επιτρέψει σε αυτά τα είδη να πλησιάσουν τη χημική ισορροπία στη θερμοκρασία λειτουργίας του κλιβάνου (περίπου 1600 °C στο άκρο του καυστήρα του κλιβάνου και περίπου 1200 °C στο άκρο καυσαερίων· ^[28]  το ματ είναι περίπου 1100 °C και η σκωρία είναι περίπου 1195 °C ^[27] ). Σε αυτή τη διαδικασία εξισορρόπησης, το οξυγόνο που σχετίζεται με τις ενώσεις του χαλκού ανταλλάσσει με θείο που σχετίζεται με ενώσεις σιδήρου, αυξάνοντας την περιεκτικότητα σε οξείδιο του σιδήρου του κλιβάνου και τα οξείδια του σιδήρου αλληλεπιδρούν με το πυρίτιο και άλλα υλικά οξειδίου για να σχηματίσουν τη σκωρία. ^[27]

Η κύρια αντίδραση εξισορρόπησης είναι:

Cu ₂O + FeS = Cu ₂S + FeO ^[27]

Η σκωρία και το ματ σχηματίζουν ξεχωριστά στρώματα που μπορούν να αφαιρεθούν από τον κλίβανο ως ξεχωριστά ρεύματα. Το στρώμα σκωρίας αφήνεται περιοδικά να ρέει μέσω μιας οπής στο τοίχωμα του κλιβάνου πάνω από το ύψος του στρώματος ματ. Το ματ αφαιρείται αποστραγγίζοντάς το μέσα από μια τρύπα σε κουτάλες για να μεταφερθεί με γερανό στους μετατροπείς. ^[27]  Αυτή η διαδικασία αποστράγγισης είναι γνωστή ως  τρύπημα  στον φούρνο. ^[27]  Η ματ οπή είναι συνήθως μια τρύπα μέσα από ένα υδρόψυκτο χάλκινο μπλοκ που αποτρέπει τη διάβρωση των πυρίμαχων τούβλων που επενδύουν τον κλίβανο. Όταν ολοκληρωθεί η αφαίρεση του ματ ή της σκωρίας, η τρύπα συνήθως βουλώνεται με πηλό, ο οποίος αφαιρείται όταν ο κλίβανος είναι έτοιμος για χτύπημα ξανά.

Οι κάμινοι αντήχησης χρησιμοποιούνταν συχνά για την επεξεργασία της λιωμένης σκωρίας μετατροπέα για την ανάκτηση του χαλκού που περιέχεται. ^[27]  Αυτό χύνονταν στους φούρνους από κουτάλες που μεταφέρονταν από γερανούς. Ωστόσο, η σκωρία του μετατροπέα έχει υψηλή περιεκτικότητα σε μαγνητίτη ^[29]  και μέρος αυτού του μαγνητίτη θα καταβυθιστεί από τη σκωρία του μετατροπέα (λόγω του υψηλότερου σημείου τήξης του), σχηματίζοντας μια συσσώρευση στην εστία του κλιβάνου αντήχησης και απαιτώντας τη διακοπή λειτουργίας του κλιβάνου για να αφαιρέστε την προσαύξηση. ^[29]  Αυτός ο σχηματισμός συσσώρευσης περιορίζει την ποσότητα της σκωρίας μετατροπέα που μπορεί να υποστεί επεξεργασία σε έναν κλίβανο αντήχησης. ^[29]

Ενώ οι κλίβανοι αντήχησης έχουν πολύ χαμηλές απώλειες χαλκού στη σκωρία, δεν είναι πολύ ενεργειακά αποδοτικοί και οι χαμηλές συγκεντρώσεις διοξειδίου του θείου στα αέρια τους καθιστούν τη σύλληψή τους αντιοικονομική. ^[8]  Κατά συνέπεια, οι χειριστές μεταλλουργείων αφιέρωσαν πολλά χρήματα τις δεκαετίες του 1970 και του 1980 για την ανάπτυξη νέων, πιο αποτελεσματικών διεργασιών τήξης χαλκού. ^[30]  Επιπλέον, οι τεχνολογίες αστραπιαίας τήξης είχαν αναπτυχθεί τα προηγούμενα χρόνια και άρχισαν να αντικαθιστούν τους φούρνους αντήχησης. Μέχρι το 2002, 20 από τους 30 κλιβάνους αντήχησης που λειτουργούσαν ακόμη το 1994 είχαν κλείσει. ^[8]

Τήξη φλας φούρνου

Στην αστραπιαία τήξη, το συμπύκνωμα διασπείρεται σε ένα ρεύμα αέρα ή οξυγόνου και οι αντιδράσεις τήξης ολοκληρώνονται σε μεγάλο βαθμό ενώ τα ορυκτά σωματίδια βρίσκονται ακόμη σε πτήση. ^[30]  Τα σωματίδια που αντέδρασαν στη συνέχεια κατακάθονται σε ένα λουτρό στο κάτω μέρος του κλιβάνου, όπου συμπεριφέρονται όπως το ασβέστιο σε έναν κλίβανο αντήχησης. ^[31]  Ένα στρώμα σκωρίας σχηματίζεται πάνω από το ματ στρώμα και μπορούν να κοπούν χωριστά από τον κλίβανο. ^[31]

Μετατροπή

 

Χαλκός χωρίς οξυγόνο γνωστός και ως χαλκός «Tough-pitch» (περίπου 98% καθαρός), που περιέχει αντιμόνιο και νικέλιο

Το ματ, που παράγεται στο χυτήριο, περιέχει 30–70% χαλκό (ανάλογα με τη διαδικασία που χρησιμοποιείται και τη φιλοσοφία λειτουργίας του μεταλλουργείου), κυρίως ως θειούχο χαλκό, καθώς και θειούχο σίδηρο. Το θείο αφαιρείται σε υψηλή θερμοκρασία ως διοξείδιο του θείου διοχετεύοντας αέρα μέσα από τηγμένο ματ:

2 CuS + 3 O ₂ → 2 CuO + 2 SO ₂

CuS + O ₂ → Cu + SO ₂

Σε μια παράλληλη αντίδραση το θειούχο σίδηρο μετατρέπεται σε σκωρία:

2 FeS + 3 O ₂ → 2 FeO + 2 SO ₂

2 FeO + SiO ₂ → Fe ₂SiO ₄

Η καθαρότητα αυτού του προϊόντος είναι 98%, είναι γνωστό ως  blister  λόγω της σπασμένης επιφάνειας που δημιουργείται από τη διαφυγή αερίου διοξειδίου του θείου καθώς  χοίροι ή οι ράβδοι από χαλκό blister. Τα παραπροϊόντα που παράγονται στη διαδικασία είναι το διοξείδιο του θείου και η σκωρία. Το διοξείδιο του θείου δεσμεύεται για χρήση σε προηγούμενες διεργασίες έκπλυσης.

Διύλιση πυρκαγιάς

Ο χαλκός κυψέλης τοποθετείται σε έναν κλίβανο ανόδου, έναν κλίβανο που διυλίζει τον χαλκό φυσαλίδων σε χαλκό ποιότητας ανόδου σε δύο στάδια αφαιρώντας το μεγαλύτερο μέρος του υπολειπόμενου θείου και σιδήρου και στη συνέχεια αφαιρώντας το οξυγόνο που εισήχθη κατά το πρώτο στάδιο. Αυτό το δεύτερο στάδιο, που συχνά αναφέρεται ως  πόλωση  , γίνεται με εμφύσηση φυσικού αερίου, ή κάποιου άλλου αναγωγικού παράγοντα, μέσω του τηγμένου οξειδίου του χαλκού. Όταν αυτή η φλόγα καίει πράσινο, υποδεικνύοντας το φάσμα οξείδωσης του χαλκού, το οξυγόνο έχει ως επί το πλείστον καεί. Αυτό δημιουργεί χαλκό σε περίπου 99% καθαρό.

Ηλεκτροδιύλιση

 

Συσκευή ηλεκτρολυτικής διύλισης χαλκού

Ο χαλκός εξευγενίζεται με ηλεκτρόλυση. Οι άνοδοι που χυτεύονται από επεξεργασμένο χαλκό κυψέλης τοποθετούνται σε υδατικό διάλυμα 3-4% θειικού χαλκού και 10-16% θειικού οξέος. Οι κάθοδοι είναι λεπτά ελασματοποιημένα φύλλα από πολύ καθαρό χαλκό ή, πιο συχνά στις μέρες μας, επαναχρησιμοποιήσιμα φύλλα εκκίνησης από ανοξείδωτο χάλυβα (όπως στη διαδικασία IsaKidd). ^[32]  Απαιτείται δυναμικό μόνο 0,2–0,4 βολτ για να ξεκινήσει η διαδικασία. Σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις είναι δυνατές πυκνότητες ρεύματος έως και 420 A/m ² . ^[33]  Στην άνοδο, ο χαλκός και τα λιγότερο ευγενή μέταλλα διαλύονται. Πιο ευγενή μέταλλα όπως ο άργυρος, ο χρυσός, το σελήνιο και το τελλούριο κατακάθονται στο κάτω μέρος της κυψέλης ως λάσπη ανόδου, η οποία αποτελεί ένα εμπορεύσιμο υποπροϊόν. Τα ιόντα χαλκού (II) μεταναστεύουν μέσω του ηλεκτρολύτη στην κάθοδο. Στην κάθοδο, οι μεταλλικές πλάκες χαλκού βγαίνουν, αλλά λιγότερο ευγενή συστατικά, όπως το αρσενικό και η ψευδάργυρος σε διάλυμα, εκτός εάν χρησιμοποιείται υψηλότερη τάση. ^[34]  Οι αντιδράσεις είναι:

Στην άνοδο: Cu _(s)  → Cu ²⁺ _(aq)  + 2e ⁻

Στην κάθοδο: Cu ²⁺ _(aq)  + 2e ⁻  → Cu _(s)

Μάρκετινγκ συμπυκνωμάτων και χαλκού

Τα συμπυκνώματα χαλκού που παράγονται από ορυχεία πωλούνται σε μεταλλουργεία και διυλιστήρια που επεξεργάζονται το μετάλλευμα και διυλίζουν τον χαλκό και χρεώνουν για αυτήν την υπηρεσία μέσω τελών επεξεργασίας (TCs) και τελών διύλισης (RCs). Η παγκόσμια αγορά συμπυκνώματος χαλκού  ^[35] αποτιμήθηκε σε 81 δισεκατομμύρια δολάρια ΗΠΑ το 2019 και προβλέπεται να φτάσει τα 93 δισεκατομμύρια δολάρια έως το 2027, επεκτείνοντας το CAGR 2,5%. Οι TC χρεώνονται σε US$ ανά τόνο κατεργασμένου συμπυκνώματος και οι RC χρεώνονται σε σεντ ανά λίβρα που υποβάλλεται σε επεξεργασία, σε δολάρια ΗΠΑ, με τις τιμές αναφοράς να καθορίζονται ετησίως από τα μεγάλα ιαπωνικά μεταλλουργεία. Ο πελάτης σε αυτή την περίπτωση μπορεί να είναι ένα μεταλλουργείο, το οποίο πωλεί επί τόπου πλινθώματα χαλκού σε μορφή blister σε ένα διυλιστήριο, ή ένα μεταλλουργείο-διυλιστήριο που είναι κάθετα ενσωματωμένο.

Μια διαδεδομένη μορφή συμπυκνώματος χαλκού περιέχει χρυσό και ασήμι, όπως αυτή που παρήγαγε η Bougainville Copper Limited από το ορυχείο Panguna από τις αρχές της δεκαετίας του 1970 έως τα τέλη της δεκαετίας του 1980.

Το τυπικό συμβόλαιο για έναν εξορύκτη εκφράζεται έναντι της τιμής του London Metal Exchange, μείον τους TC-RC και τυχόν ισχύουσες ποινές ή πιστώσεις. Οι κυρώσεις μπορούν να εκτιμηθούν για τα συμπυκνώματα χαλκού ανάλογα με το επίπεδο των επιβλαβών στοιχείων όπως το αρσενικό, το βισμούθιο, ο μόλυβδος ή το βολφράμιο. Επειδή ένα μεγάλο μέρος σωμάτων μεταλλεύματος θειούχου χαλκού περιέχει ασήμι ή χρυσό σε αξιόλογες ποσότητες, μπορεί να καταβληθεί πίστωση στον εξορύκτη για αυτά τα μέταλλα εάν η συγκέντρωσή τους  στο συμπύκνωμα  είναι πάνω από ένα ορισμένο ποσό. Συνήθως το διυλιστήριο ή το μεταλλουργείο χρεώνει στον ανθρακωρύχο ένα τέλος με βάση τη συγκέντρωση. ένα τυπικό συμβόλαιο θα προσδιορίζει ότι απαιτείται πίστωση για κάθε ουγγιά του μετάλλου στο συμπύκνωμα πάνω από μια ορισμένη συγκέντρωση. κάτω από αυτό, εάν ανακτηθεί, το μεταλλουργείο θα κρατήσει το μέταλλο και θα το πουλήσει για να καλύψει τα έξοδα.

Το συμπύκνωμα χαλκού διαπραγματεύεται είτε μέσω συμβάσεων άμεσης παράδοσης είτε με μακροπρόθεσμα συμβόλαια ως ενδιάμεσο προϊόν από μόνο του. Συχνά το μεταλλουργείο πουλάει το ίδιο το μέταλλο χαλκού για λογαριασμό του ανθρακωρύχου. Ο ανθρακωρύχος πληρώνεται το τίμημα τη στιγμή που το μεταλλουργείο-διυλιστήριο πραγματοποιεί την πώληση, όχι με την τιμή κατά την ημερομηνία παράδοσης του συμπυκνώματος. Σύμφωνα με ένα σύστημα Προσφορικής Τιμολόγησης, η τιμή συμφωνείται να είναι σε μια καθορισμένη ημερομηνία στο μέλλον, συνήθως 90 ημέρες από τη στιγμή της παράδοσης στο μεταλλουργείο.

Η κάθοδος χαλκού βαθμού Α είναι από 99,99% χαλκό σε φύλλα πάχους 1 cm και περίπου 1 μέτρο τετραγωνικού βάρους περίπου 200 λίβρες. Είναι ένα πραγματικό εμπόρευμα, με δυνατότητα παράδοσης και διαπραγμάτευσης στα χρηματιστήρια μετάλλων στη Νέα Υόρκη (COMEX), στο Λονδίνο (London Metals Exchange) και στη Σαγκάη (Shanghai Futures Exchange). Συχνά η κάθοδος χαλκού διαπραγματεύεται στις ανταλλαγές έμμεσα μέσω warrants, δικαιωμάτων προαίρεσης ή συμβάσεων ανταλλαγής, έτσι ώστε η πλειονότητα του χαλκού να διαπραγματεύεται στο LME/COMEX/SFE, αλλά η παράδοση επιτυγχάνεται απευθείας, μετακινώντας λογιστικά τον φυσικό χαλκό και μεταφέροντας το φύλλο χαλκού από τις ίδιες τις φυσικές αποθήκες.

Η χημική προδιαγραφή για χαλκό ηλεκτρολυτικής ποιότητας είναι ASTM B 115-00 (ένα πρότυπο που καθορίζει την καθαρότητα και τη μέγιστη ηλεκτρική ειδική αντίσταση του προϊόντος).

Mr. Nick Sun     [email protected]