20世紀後半まで、採掘した鉱石から銅地金を生産する手段（第一次銅生産）は硫化鉱の製錬がほぼ唯一の手段であった。 Davenportらは2002年に、当時でも世界の一次銅生産の80%は銅-鉄-硫黄鉱物からであり、その大部分は製錬によって処理されていたと指摘している。
銅は当初、炉で鉱石を直接製錬して硫化鉱から回収されていた。 この製錬所は当初、輸送費を最小限にするため、鉱山の近くに設置された。 そのため、廃棄鉱物や銅含有鉱物に含まれる硫黄や鉄の輸送にかかる法外なコストを避けることができたのです。 しかし、鉱体中の銅の濃度が低下すると、鉱石全体を製錬するエネルギーコストも法外になり、まず鉱石を濃縮することが必要になった。 初期の濃縮技術には、手選別と重力濃縮があったが、銅の損失が大きいという結果になった。 その結果、泡沫浮選法が開発され、鉱物処理は大きく前進することになった。
20世紀には、ほとんどの鉱石は製錬の前に濃縮されるようになった。 製錬は当初、焼結工場や高炉、あるいは焙焼炉や反射炉を使って行われた。
RoastingEdit
焙煎工程は、一般に反射炉と組み合わせて行われる。 焙焼炉の中で銅精鉱は部分的に酸化され、「カルシン」と二酸化硫黄ガスが生成されます。 発生する反応の化学量論は次の通り：
2 CuFeS2 + 3 O2 → 2 FeO + 2 CuS + 2 SO2
焙焼では一般に焼結工場が焼結製品に残す硫黄（電解精錬精錬工場の場合約7％）よりも焼成製品に残す硫黄（マウント・アイザ・マインズのロースターの場合15％）の方が多くなります。
2005年現在、反射炉との組み合わせはエネルギー効率が悪く、ロースターオフガス中のSO2濃度が希薄で費用対効果の高い回収ができないため、銅精鉱処理において焙焼はもはや一般的ではありません。 現在では、直接製錬が好まれ、例えば、自溶炉、Isasmelt、Noranda、三菱、El Teniente炉などの製錬技術が使用されている。
製錬編集
溶解される材料の最初の溶融は通常製鋼またはマット製錬段階と呼ばれています。 これは、ほとんど使われなくなった高炉や反射炉、また自溶炉、イサメルト炉など、さまざまな炉で行われる。 この製錬段階の製品は、銅、鉄、硫黄の混合物で、銅が濃縮されており、マットまたは銅マットと呼ばれる。
マット製錬段階の目的は、銅の損失を最小限に抑えながら、不要な鉄、硫黄、およびガングー鉱物（シリカ、マグネシア、アルミナ、石灰石など）をできる限り除去することです。 これは、硫化鉄を酸素（空気または酸素富化空気中）と反応させて、酸化鉄（主にFeOとして、一部磁鉄鉱（Fe3O4）を含む）と二酸化硫黄を生成することで達成されます。
硫化銅と酸化鉄は混合することができますが、シリカを十分に加えると、別のスラグ層が形成されます。 シリカを添加するとスラグの融点（正しくは液相線温度）も下がり、製錬工程をより低温で操業できるようになる。
スラグの生成反応は次の通りである：
FeO + SiO2 → FeO.SiO2
スラグはマットより密度が小さいので、マットの上に浮かぶような層を形成する。
銅は、スラグに溶解した酸化銅（Cu2O）、スラグに溶解した硫化銅、スラグに浮遊するマットの小滴（またはプリル）として、マットから失われる3つの方法があります。 酸素ポテンシャルは一般にマットの銅含有量が増加するにつれて高くなる。 したがって、酸化銅としての銅の損失は、マットの銅含有量が増加するにつれて増加する。
一方、スラグ中の硫化銅の溶解度は、マットの銅含有量が約40％を超えて増加すると減少する。 永守の計算では、銅含有率50％以下のマットのスラグに溶けている銅の半分以上は硫化銅である。 5551>
スラグ中に浮遊するプリルの銅の損失は、プリルの大きさ、スラグの粘性、沈降時間に依存する。 Rosenqvistは、スラグへの銅の損失の約半分は浮遊するプリルに起因すると示唆した。
製錬段階で発生するスラグの質量は、製錬炉に投入する材料の鉄分と目標マット等級に依存する。 供給物の鉄含有量が多ければ多いほど、所定のマット品位に対してスラグに拒絶される必要のある鉄が多くなる。 同様に、目標マット等級を上げるには、より多くの鉄の除去とスラグ量の増加が必要となる。
したがって、製錬段階でのスラグへの銅の損失に最も影響を与える2つの要因は次のとおりである：
- マット等級
- スラグの質量。
これは、スラグへの銅の損失を最小限に抑えるには、マットグレードを高くすることに現実的な限界があることを意味します。 したがって、処理のさらなる段階（変換と火災精製）が必要です。
次のサブセクションでは、簡単にマット製錬に使用されるプロセスのいくつかを説明します。
反射炉の原料は、炉の側面にある供給孔から炉に投入される。 通常、スラグを形成するためにシリカが追加される。
反射炉はさらに、含有する銅と高い銅含有量を持つ他の材料を回収するために、後段の変換段階から溶融スラグを供給することができます。 これは本質的に溶融プロセスである。 その結果、湿式装入反転炉はカルシ ン装入炉よりもマット製品中の銅が少なく、スラグへの銅の損失も少 ない。
カルシンチャージ炉の場合、焙焼段階で硫黄の大部分が除去され、カルシンは銅と鉄の酸化物および硫化物の混合物からなります。 反射炉は、これらの化学種を炉の操業温度（炉のバーナー端で約1600℃、煙道端で約1200℃、マットは約1100℃、スラグは約1195℃）で化学平衡に近づけるように作用している。 この平衡化プロセスでは、銅化合物に付随する酸素が鉄化合物に付随する硫黄と交換され、炉内の酸化鉄含有量が増加し、酸化鉄はシリカおよび他の酸化物物質と相互作用してスラグを形成する。
Cu2O + FeS = Cu2S + FeO
スラグおよびマットは、別々の流れとして炉から除去可能な、個別の層を形成している。 スラグ層はマット層の高さより上にある炉壁の穴から定期的に流れ出るようにする。 マット層は、穴から取鍋に流され、クレーンで転炉に運ばれて除去されます。 この水切り工程を出銑という。 出銑口は通常、炉内を覆う耐火レンガの浸食を防ぐため、水冷式の銅ブロックを貫通した穴である。
反射炉は、溶融した転炉スラグを処理して含有する銅を回収するためによく使用された。 これはクレーンで運ばれた取鍋から炉に流し込まれる。 しかし、転炉スラグは磁鉄鉱を多く含んでおり、この磁鉄鉱の一部が転炉スラグから析出し（融点が高いため）、反射炉の炉心に付着物を形成し、付着物を除去するために炉を停止する必要があった。
反射炉はスラグによる銅の損失は非常に少ないが、エネルギー効率は悪く、排ガス中の二酸化硫黄の濃度が低いため、その回収は経済的でなくなる。 そのため、製錬所は1970年代から1980年代にかけて、より効率の高い新しい銅製錬プロセスの開発に多大な資金を投入した。 さらに、自溶炉技術も早い時期に開発され、反射炉に取って代わり始めた。 2002年までに、1994年にまだ動作している30反射炉のうち20は停止していた。
自溶炉製錬編集
自溶炉製錬では、精鉱は空気または酸素ストリームに分散され、鉱物粒子がまだ飛行中に溶融反応が主に完了されている。 反応した粒子は炉の底の水槽に沈降し、反射炉でカルシンのように振舞う。
ConvertingEdit
製錬所で生産されるマットは、銅を30～70％（使用プロセスおよび製錬所の操業哲学によって異なる）、主に硫化銅として、また硫化鉄を含んでいます。 溶融マットに空気を吹き込み、高温で二酸化硫黄として硫黄を除去する：
2 CuS + 3 O2 → 2 CuO + 2 SO2 CuS + O2 → Cu + SO2
並行して硫化鉄がスラグに変換される反応である。
2 FeS + 3 O2 → 2 FeO + 2 SO2 2 FeO + SiO2 → Fe2SiO4
この製品の純度は98%で、ブリスター銅ピグまたはインゴットが冷却されると、二酸化硫黄ガスが抜けて表面が割れるためブリスターと呼ばれる。 副産物として、二酸化硫黄とスラグが発生する。
火入れ精錬編
ブリスター銅を陽極炉に入れ、残った硫黄と鉄をほとんど取り除き、さらに第1段階で導入した酸素を除去して、2段階で陽極級の銅に精錬する炉のことです。 この第2段階はポーリングと呼ばれ、溶融した酸化銅に天然ガスなどの還元剤を吹き込んで行われる。 この炎が銅の酸化スペクトルを示す緑色に燃えると、酸素がほとんど燃焼したことになる。 5551>
電解精錬編
銅は電解によって精錬される。 加工したブリスター銅から鋳造したアノードを硫酸銅3〜4％、硫酸10〜16％の水溶液に入れる。 カソードは高純度銅の薄板圧延品か、最近では再利用可能なステンレス製の出発板（アイザキッドプロセスのようなもの）が一般的です。 プロセスの開始には、わずか0.2〜0.4ボルトの電位が必要である。 工業プラントでは、最大420A/m2までの電流密度が可能である。 陽極では、銅とそれほど高くない金属が溶解する。 銀、金、セレン、テルルなどの貴金属はアノードスライムとしてセルの底に沈殿し、販売可能な副産物を形成します。 銅(II)イオンは電解液中を移動してカソードに到達する。 陰極では銅の金属が析出するが、ヒ素や亜鉛などの希薄な成分は高電圧を用いない限り溶液のままである。 反応は
陽極では Cu(s) → Cu2+(aq) + 2e-
陰極にて：Cu2+(aq) + 2e- → Cu(s)