Jusqu’à la seconde moitié du 20e siècle, la fusion des minerais sulfurés était presque le seul moyen de produire du cuivre métal à partir de minerais extraits (production primaire de cuivre). Davenport, et al, ont noté en 2002 que même à cette époque, 80 % de la production mondiale de cuivre primaire provenait de minéraux cuivre-fer-soufre et que la grande majorité d’entre eux étaient traités par fusion.
Le cuivre était initialement récupéré à partir de minerais sulfurés en fondant directement le minerai dans un four. Les fonderies étaient initialement situées près des mines pour minimiser le coût du transport. On évitait ainsi les coûts prohibitifs du transport des déchets minéraux et du soufre et du fer présents dans les minéraux contenant du cuivre. Cependant, à mesure que la concentration de cuivre dans les corps minéralisés diminuait, les coûts énergétiques de la fusion de l’ensemble du minerai sont également devenus prohibitifs, et il est devenu nécessaire de concentrer d’abord les minerais.
Les techniques de concentration initiales comprenaient le triage manuel et la concentration par gravité. Elles entraînaient des pertes élevées de cuivre. Par conséquent, le développement du procédé de flottation par mousse a constitué une avancée majeure dans le traitement des minéraux. Il a rendu possible le développement de la mine géante de Bingham Canyon en Utah.
Au vingtième siècle, la plupart des minerais étaient concentrés avant d’être fondus. La fusion était initialement entreprise à l’aide d’usines d’agglomération et de hauts fourneaux, ou avec des torréfacteurs et des fours à réverbère. La torréfaction et la fusion en four réverbère ont dominé la production primaire de cuivre jusqu’aux années 1960.
TorréfactionEdit
Le processus de torréfaction est généralement entrepris en combinaison avec des fours à réverbère. Dans le four de grillage, le concentré de cuivre est partiellement oxydé pour produire de la « calcine » et du dioxyde de soufre gazeux. La stœchiométrie de la réaction qui se produit est :
2 CuFeS2 + 3 O2 → 2 FeO + 2 CuS + 2 SO2
Le grillage laisse généralement plus de soufre dans le produit calciné (15% dans le cas du grillage de Mount Isa Mines) qu’une usine d’agglomération ne laisse dans le produit fritté (environ 7% dans le cas de la fonderie Electrolytic Refining and Smelting).
Depuis 2005, le grillage n’est plus courant dans le traitement des concentrés de cuivre, car sa combinaison avec les fours à réverbération n’est pas efficace sur le plan énergétique et la concentration de SO2 dans les effluents gazeux du grillage est trop diluée pour être capturée de manière rentable. La fusion directe est désormais privilégiée, par exemple en utilisant les technologies de fusion suivantes : fusion éclair, Isasmelt, Noranda, Mitsubishi ou fours El Teniente.
FusionEdit
La fusion initiale du matériau à fondre est généralement appelée étape de fusion ou de fusion de la matte. Elle peut être entreprise dans une variété de fours, y compris les hauts-fourneaux et les fours à réverbère, largement obsolètes, ainsi que les fours à explosion, les fours Isasmelt, etc. Le produit de cette étape de fusion est un mélange de cuivre, de fer et de soufre qui est enrichi en cuivre, et qui est appelé matte ou matte de cuivre. Le terme de qualité de matte est normalement utilisé pour désigner la teneur en cuivre de la matte.
L’objectif de l’étape de fusion de la matte est d’éliminer autant que possible le fer, le soufre et les minéraux de gangue indésirables (tels que la silice, la magnésie, l’alumine et le calcaire), tout en minimisant la perte de cuivre. On y parvient en faisant réagir les sulfures de fer avec de l’oxygène (dans l’air ou dans de l’air enrichi en oxygène) pour produire des oxydes de fer (principalement sous forme de FeO, mais avec un peu de magnétite (Fe3O4)) et du dioxyde de soufre.
Le sulfure de cuivre et l’oxyde de fer peuvent se mélanger, mais lorsqu’on ajoute suffisamment de silice, une couche de scories séparée se forme. L’ajout de silice réduit également le point de fusion (ou, plus correctement, la température de liquidus) du laitier, ce qui signifie que le processus de fusion peut être exploité à une température plus basse.
La réaction de formation du laitier est :
FeO + SiO2 → FeO.SiO2
Le laitier est moins dense que la matte, il forme donc une couche qui flotte au-dessus de la matte.
Le cuivre peut être perdu de la matte de trois façons : sous forme d’oxyde cuivreux (Cu2O) dissous dans le laitier, sous forme de cuivre sulfuré dissous dans le laitier ou sous forme de minuscules gouttelettes (ou prills) de matte en suspension dans le laitier.
La quantité de cuivre perdue sous forme d’oxyde de cuivre augmente lorsque le potentiel d’oxygène du laitier augmente. Le potentiel d’oxygène augmente généralement lorsque la teneur en cuivre de la matte est augmentée. Ainsi, la perte de cuivre sous forme d’oxyde augmente lorsque la teneur en cuivre de la matte augmente.
D’autre part, la solubilité du cuivre sulfuré dans le laitier diminue lorsque la teneur en cuivre de la matte augmente au-delà d’environ 40%. Nagamori a calculé que plus de la moitié du cuivre dissous dans les scories provenant de mattes contenant moins de 50% de cuivre est du cuivre sulfurique. Au-delà de ce chiffre, le cuivre oxydique commence à dominer.
La perte de cuivre sous forme de prills en suspension dans le laitier dépend de la taille des prills, de la viscosité du laitier et du temps de décantation disponible. Rosenqvist a suggéré qu’environ la moitié des pertes de cuivre dans le laitier étaient dues aux prills en suspension.
La masse de laitier générée dans l’étape de fusion dépend de la teneur en fer du matériau introduit dans le four de fusion et de la qualité de matte visée. Plus la teneur en fer de l’alimentation est élevée, plus il faudra rejeter de fer dans le laitier pour une qualité de matte donnée. De même, l’augmentation de la teneur en matte visée nécessite le rejet d’une plus grande quantité de fer et une augmentation du volume du laitier.
Donc, les deux facteurs qui affectent le plus la perte de cuivre dans le laitier au stade de la fusion sont :
- la teneur en matte
- la masse du laitier.
Cela signifie qu’il existe une limite pratique à la hauteur de la teneur en matte si l’on veut minimiser la perte de cuivre en scories. Par conséquent, d’autres étapes de traitement (conversion et affinage au feu) sont nécessaires.
Les sous-sections suivantes décrivent brièvement certains des procédés utilisés dans la fusion de la matte.
Fusion au four réverbèreModifié
Les fours réverbères sont de longs fours peuvent traiter du concentré humide, sec ou grillé. La plupart des fours à réverbère utilisés ces dernières années traitaient du concentré grillé parce que mettre des matériaux d’alimentation secs dans le four à réverbère est plus efficace sur le plan énergétique, et parce que l’élimination d’une partie du soufre dans le torréfacteur permet d’obtenir des qualités de matte plus élevées.
L’alimentation du four à réverbère est ajoutée au four par des trous d’alimentation le long des côtés du four. De la silice supplémentaire est normalement ajoutée pour aider à former le laitier. Le four est alimenté par des brûleurs utilisant du charbon pulvérisé, du mazout ou du gaz naturel et la charge solide est fondue.
Les fours réverbères peuvent en outre être alimentés par des scories fondues provenant de l’étape ultérieure de conversion pour récupérer le cuivre contenu et d’autres matériaux à forte teneur en cuivre.
Parce que le bain du four réverbère est quiescent, très peu d’oxydation de l’alimentation se produit (et donc très peu de soufre est éliminé du concentré). Il s’agit essentiellement d’un processus de fusion. Par conséquent, les fours réverbères à chargement par voie humide ont moins de cuivre dans leur matte que les fours à chargement par calcination, et ils ont également moins de pertes de cuivre dans les scories. Gill cite une valeur de cuivre dans les scories de 0,23% pour un four réverbère à charge humide contre 0,37% pour un four à charge calcique.
Dans le cas des fours à charge calcique, une partie importante du soufre a été éliminée pendant l’étape de torréfaction, et la calcine est constituée d’un mélange d’oxydes et de sulfures de cuivre et de fer. Le four réverbère permet à ces espèces de s’approcher de l’équilibre chimique à la température de fonctionnement du four (environ 1600 °C à l’extrémité du brûleur du four et environ 1200 °C à l’extrémité de la cheminée ; la matte est à environ 1100 °C et les scories à environ 1195 °C). Dans ce processus d’équilibrage, l’oxygène associé aux composés de cuivre s’échange avec le soufre associé aux composés de fer, augmentant la teneur en oxyde de fer du four, et les oxydes de fer interagissent avec la silice et d’autres matériaux oxydes pour former le laitier.
La principale réaction d’équilibrage est :
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO
Le laitier et la matte forment des couches distinctes qui peuvent être retirées du four sous forme de flux séparés. La couche de laitier est périodiquement autorisée à s’écouler par un trou dans la paroi du four au-dessus de la hauteur de la couche de matte. La matte est retirée en la drainant par un trou dans des poches pour être transportée par grue vers les convertisseurs. Ce processus d’évacuation est connu sous le nom de coulée du four. Le trou de coulée de la matte est normalement un trou traversant un bloc de cuivre refroidi à l’eau qui empêche l’érosion des briques réfractaires recouvrant le four. Lorsque l’élimination de la matte ou du laitier est terminée, le trou est normalement bouché avec de l’argile, qui est retirée lorsque le four est prêt à être à nouveau taraudé.
Les fours réverbères étaient souvent utilisés pour traiter le laitier de convertisseur fondu afin de récupérer le cuivre contenu. Celui-ci était versé dans les fours à partir de poches transportées par des grues. Cependant, le laitier de convertisseur est riche en magnétite et une partie de cette magnétite précipite dans le laitier de convertisseur (en raison de son point de fusion plus élevé), formant une accrétion sur la sole du four réverbère et nécessitant des arrêts du four pour enlever l’accrétion. Cette formation d’accrétion limite la quantité de scories de convertisseur qui peut être traitée dans un four réverbère.
Bien que les fours réverbères présentent de très faibles pertes de cuivre dans les scories, ils ne sont pas très efficaces sur le plan énergétique et les faibles concentrations de dioxyde de soufre dans leurs effluents gazeux rendent sa capture non rentable. Par conséquent, les exploitants de fonderies ont consacré beaucoup d’argent dans les années 1970 et 1980 à la mise au point de nouveaux procédés de fusion du cuivre plus efficaces. En outre, les technologies de fusion éclair, mises au point au cours des années précédentes, ont commencé à remplacer les fours à réverbère. En 2002, 20 des 30 fours à réverbère encore en service en 1994 avaient été fermés.
Fusion en four flashEdit
Dans la fusion flash, le concentré est dispersé dans un courant d’air ou d’oxygène et les réactions de fusion sont en grande partie achevées alors que les particules minérales sont encore en vol. Les particules ayant réagi se déposent alors dans un bain au fond du four, où elles se comportent comme de la calcine dans un four à réverbère. Une couche de scories se forme au-dessus de la couche de matte, et elles peuvent séparément être soutirées du four.
ConvertirEdit
La matte, qui est produite dans la fonderie, contient 30 à 70% de cuivre (selon le procédé utilisé et la philosophie d’exploitation de la fonderie), principalement sous forme de sulfure de cuivre, ainsi que de sulfure de fer. Le soufre est éliminé à haute température sous forme de dioxyde de soufre en soufflant de l’air à travers la matte fondue :
2 CuS + 3 O2 → 2 CuO + 2 SO2 CuS + O2 → Cu + SO2
Dans une réaction parallèle, le sulfure de fer est transformé en scories :
2 FeS + 3 O2 → 2 FeO + 2 SO2 2 FeO + SiO2 → Fe2SiO4
La pureté de ce produit est de 98%, il est connu sous le nom de blister en raison de la surface brisée créée par l’échappement de gaz de dioxyde de soufre lors du refroidissement des piges ou des lingots de cuivre blister. Les sous-produits générés par le processus sont le dioxyde de soufre et les scories. Le dioxyde de soufre est capturé pour être utilisé dans des processus de lixiviation antérieurs.
Affinage au feuEdit
Le cuivre blister est mis dans un four à anode, un four qui affine le cuivre blister en cuivre de qualité anode en deux étapes en éliminant la plupart du soufre et du fer restants, puis en éliminant l’oxygène introduit pendant la première étape. Cette deuxième étape, souvent appelée polissage, est réalisée en soufflant du gaz naturel, ou un autre agent réducteur, à travers l’oxyde de cuivre fondu. Lorsque cette flamme brûle en vert, indiquant le spectre d’oxydation du cuivre, l’oxygène a été en grande partie brûlé. Cela crée du cuivre à environ 99% de pureté.
Electro-affinageEdit
Le cuivre est affiné par électrolyse. Les anodes coulées à partir du cuivre blister traité sont placées dans une solution aqueuse de 3 à 4 % de sulfate de cuivre et de 10 à 16 % d’acide sulfurique. Les cathodes sont de fines feuilles laminées de cuivre très pur ou, plus couramment de nos jours, des feuilles de départ réutilisables en acier inoxydable (comme dans le procédé IsaKidd). Un potentiel de seulement 0,2-0,4 volts est nécessaire pour que le processus commence. Dans les installations industrielles, des densités de courant allant jusqu’à 420 A/m2 sont possibles. À l’anode, le cuivre et les métaux moins nobles se dissolvent. Les métaux plus nobles comme l’argent, l’or, le sélénium et le tellure se déposent au fond de la cellule sous forme de boue anodique, qui constitue un sous-produit commercialisable. Les ions cuivre (II) migrent à travers l’électrolyte vers la cathode. À la cathode, le cuivre métallique plaque, mais les constituants moins nobles comme l’arsenic et le zinc restent en solution, à moins d’utiliser une tension plus élevée. Les réactions sont :
À l’anode : Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e-
A la cathode : Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)
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