Procés de producció i processament de mineral de coure
El coure (Cu) és un dels metalls més importants de la vida moderna. La seva conductivitat elèctrica i tèrmica, la seva resistència a la corrosió i la seva relativa mal·leabilitat fan del coure un material clau per a cables elèctrics, components electrònics, canonades i fins i tot materials industrials d'energia renovable com ara panells solars i aerogeneradors. Tanmateix, abans de convertir-se en un producte final, el coure ha de passar per una llarga sèrie de processos, des de la mineria i el processament del mineral fins al refinament i el modelat en càtodes o altres formes comercials. Aquest article tracta el procés general de producció i processament del mineral de coure, juntament amb els objectius i els principis de funcionament de cada etapa.
1. Exploració i mineria de mineral de coure
La fase inicial comença amb l'exploració per trobar reserves de coure econòmicament viables. Les activitats d'exploració inclouen cartografia geològica, estudis geofísics i geoquímics i perforació de nuclis per determinar el grau, la distribució dels minerals i el volum de les reserves. Un cop obtinguts l'estudi de viabilitat i els permisos, la mineria es duu a terme mitjançant dos mètodes principals:
1. Mineria a cel obert: s'utilitza per a dipòsits de coure relativament propers a la superfície, com ara el coure porfíric. Aquest mètode domina la producció mundial de coure perquè les reserves són grans tot i que la lletra del mineral tendeix a ser baixa.
2. Mineria subterrània: s'aplica si els jaciments són més profunds o les condicions geogràfiques no permeten la mineria a cel obert.
El mineral extret generalment conté minerals de coure com la calcopirita (CuFeS₂), la bornita (Cu₅FeS₄), la calcocita (Cu₂S) i minerals d'òxid com la malaquita (Cu₂CO₃(OH)₂) i l'atzurita. A més del coure, el mineral sovint conté impureses o minerals associats com el ferro, el sofre, la sílice, l'or, la plata i el molibdè.
2. Trituració i mòlta
El mineral extret és gran i, per tant, cal triturar-lo per separar els minerals de coure de la ganga. Aquest procés consta de dues etapes:
– Trituració: ús d'una trituradora de mandíbules, una trituradora de con o una trituradora giratòria per reduir la mida del mineral a diversos centímetres.
– Mòlta: ús d'un molí de boles o d'un molí SAG per produir partícules més fines, generalment de fins a desenes o centenars de micròmetres de mida.
L'objectiu principal d'aquesta etapa és alliberar els minerals de coure de la matriu de la roca. El grau d'alliberament és crucial per a l'èxit dels processos de separació posteriors.
3. Concentració de mineral: Flotació (per a minerals de sulfur)
Per als minerals de coure sulfurats, el mètode més comú és la flotació per escuma. En aquest procés, es barreja una pasta fina de mineral amb aigua i certs reactius químics:
– Col·lector: fa que la superfície del mineral de coure sigui hidròfoba perquè s'adhereixi fàcilment a les bombolles d'aire.
– Espumador: forma una escuma estable.
– Modificadors (activadors, depressors, reguladors del pH): augmenten la selectivitat de separació.
S'insufla aire a la cel·la de flotació, cosa que fa que els minerals de coure s'adhereixin a les bombolles i pugin a la superfície en forma d'escuma, on es recullen com a concentrat de coure. El material restant que no és de coure es descarta com a residus.
El concentrat resultant conté normalment al voltant d'un 20-35% de Cu, molt més que el mineral inicial, que pot tenir tan sols un 0,4-1% de Cu en algunes mines de pòrfir.
4. Processament hidrometal·lúrgic (per a minerals d'òxid)
Els minerals d'òxid de coure generalment no es processen eficaçment mitjançant flotació de sulfur. Per tant, rutes hidrometal·lúrgiques com ara:
1. Lixiviació: el mineral o el material triturat s'apila (lixiviació en munts) i es ruixa amb una solució d'àcid sulfúric (H₂SO₄). El coure es dissol en ions Cu²⁺ a la solució de lixiviació fecundada.
2. Extracció amb dissolvents (SX): separació i purificació de Cu²⁺ de la solució de lixiviació mitjançant dissolvents orgànics.
3. Electrodeposició (EW): dipositar coure pur al càtode mitjançant un corrent elèctric, produint un càtode de coure d'alta puresa.
La ruta SX-EW és molt popular perquè pot produir càtodes directament sense fondre's, especialment per a minerals d'òxid de baixa qualitat.
5. Fusió de concentrat de coure
Per als concentrats de sulfur, la següent etapa és la pirometal·lúrgia. El concentrat s'asseca i després es fon en un forn (per exemple, una fosa instantània o un forn de reverber). Durant el procés de fusió, la separació es produeix en dues fases principals:
– Matte: una barreja de sulfurs de coure i ferro, que conté aproximadament un 45–70% de Cu.
– Escòria: conté òxids i silicats d'impureses com la sílice, el ferro i altres minerals.
Les reaccions químiques durant la fosa també produeixen gasos rics en SO₂. A les instal·lacions modernes, el SO₂ es captura i es processa en àcid sulfúric, cosa que redueix les emissions i produeix un valuós subproducte.
6. Conversió a coure blister
La mata de la fosa es processa en un convertidor (per exemple, el convertidor Pierce-Smith). S'hi insufla aire o oxigen per oxidar el sulfur de ferro i el sofre:
– El ferro s'oxida a FeO i després entra a l'escòria.
– El sofre s'oxida a SO₂.
El resultat final és coure blister amb una puresa d'aproximadament 98–99% Cu. S'anomena "blister" perquè la seva superfície sovint sembla porosa a causa de l'alliberament de gasos durant el procés.
7. Refinació: Refinació al foc i electrorefinació
Tot i que el contingut de coure a la butllofa és elevat, encara hi ha impureses com ara Fe, S, Ni, As, Sb i elements valuosos (Au, Ag, Pt, Pd) que cal eliminar. El refinament es duu a terme en dos passos generals:
1. Refinació al foc: refinació inicial en un forn per reduir l'oxigen i certes impureses, produint un ànode de coure en forma de placa.
2. Electrorefinació: l'ànode es dissol electrolíticament en una solució de sulfat de coure. El coure pur precipita al càtode com a coure catòdic amb una puresa del 99,99%.
Les impureses nobles com l'or i la plata són insolubles i precipiten com a llim ànòdic, que després es processa per recuperar els metalls preciosos. És per això que la indústria del coure sovint també produeix or i plata com a subproductes.
8. Impressió i producte final
Els càtodes de coure es poden vendre directament com a productes estàndard internacionals (per exemple, LME Grau A) o processar-se en altres formes:
– Filferro per a cables elèctrics,
– canonades de coure per a fontaneria i climatització,
– làmines/plaques per a la indústria manufacturera,
– aliatges com el llautó (Cu-Zn) i el bronze (Cu-Sn).
Aquesta etapa de fabricació es duu a terme normalment en una planta de laminació, extrusió o trefilatge, depenent del producte desitjat.
9. Gestió ambiental i de residus
El procés de processament del mineral de coure produeix residus, escòries i emissions de gasos. Per tant, els aspectes ambientals són crucials:
– Els residus s'emmagatzemen en preses de residus amb control de l'estabilitat i la qualitat de l'aigua.
– L'aigua de procés sovint es recicla per reduir el consum d'aigua dolça.
– El SO₂ de la fosa es captura per a la producció d'àcid sulfúric.
– La recuperació de terrenys es duu a terme un cop finalitzada l'explotació minera.
Els estàndards ambientals moderns exigeixen una reducció de les emissions de pols, un ús més eficient de l'energia i una manipulació segura de productes químics com l'àcid sulfúric.
Conclusió
El procés de producció de coure a partir de mineral implica una seqüència tecnològica complexa: comença amb la mineria, la trituració i la mòlta, la separació dels minerals mitjançant flotació o lixiviació, i després el refinament mitjançant fosa-conversió o SX-EW, per produir càtodes de coure d'alta qualitat. L'elecció de la via del procés depèn en gran mesura del tipus de mineral (sulfur o òxid), del contingut de coure, així com de consideracions econòmiques i ambientals. Amb la creixent demanda mundial d'electricitat, vehicles elèctrics i energies renovables, la producció de coure eficient i sostenible és clau per al desenvolupament futur de la indústria.
