Procédé de production et de traitement du minerai de cuivre
Le cuivre (Cu) est l'un des métaux les plus importants de la vie moderne. Sa conductivité électrique et thermique, sa résistance à la corrosion et sa relative malléabilité en font un matériau essentiel pour les câbles électriques, les composants électroniques, les canalisations et même les matériaux industriels utilisés dans les énergies renouvelables, comme les panneaux solaires et les éoliennes. Cependant, avant de devenir un produit fini, le cuivre doit subir une longue série d'étapes, depuis l'extraction et le traitement du minerai jusqu'au raffinage et au moulage en cathodes ou autres produits commerciaux. Cet article décrit le processus général de production et de traitement du minerai de cuivre, ainsi que les objectifs et les principes de fonctionnement de chaque étape.
1. Exploration et exploitation du minerai de cuivre
La première étape consiste en l'exploration afin de trouver des réserves de cuivre économiquement viables. Les activités d'exploration comprennent la cartographie géologique, les levés géophysiques et géochimiques, ainsi que le forage carotté pour déterminer la teneur, la distribution des minéraux et le volume des réserves. Une fois l'étude de faisabilité et les permis obtenus, l'exploitation minière est réalisée selon deux méthodes principales :
1. Exploitation à ciel ouvert : utilisée pour les gisements de cuivre relativement proches de la surface, comme le cuivre porphyrique. Cette méthode domine la production mondiale de cuivre car les réserves sont importantes même si la teneur du minerai est généralement faible.
2. Exploitation minière souterraine : appliquée si les gisements sont plus profonds ou si les conditions géographiques ne permettent pas l'exploitation à ciel ouvert.
Le minerai extrait contient généralement des minéraux de cuivre tels que la chalcopyrite (CuFeS₂), la bornite (Cu₅FeS₄), la chalcocite (Cu₂S) et des oxydes comme la malachite (Cu₂CO₃(OH)₂) et l'azurite. Outre le cuivre, le minerai renferme souvent des impuretés ou des minéraux associés tels que le fer, le soufre, la silice, l'or, l'argent et le molybdène.
2. Concassage et broyage
Le minerai extrait est volumineux et doit donc être concassé pour séparer les minéraux de cuivre de la gangue. Ce processus comporte deux étapes :
– Concassage : utilisation d’un concasseur à mâchoires, d’un concasseur à cône ou d’un concasseur giratoire pour réduire la taille du minerai à quelques centimètres.
– Broyage : utilisation d'un broyeur à boulets ou d'un broyeur SAG pour produire des particules plus fines, généralement de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de micromètres.
L'objectif principal de cette étape est de libérer les minéraux de cuivre de la matrice rocheuse. Le degré de libération est crucial pour le succès des procédés de séparation ultérieurs.
3. Concentration du minerai : Flottation (pour les minerais sulfurés)
Pour les minerais de cuivre sulfurés, la méthode la plus courante est la flottation par mousse. Ce procédé consiste à mélanger une fine suspension de minerai avec de l'eau et certains réactifs chimiques :
– Collecteur : rend la surface du minéral de cuivre hydrophobe afin qu'il adhère facilement aux bulles d'air.
– Mousseur : forme une mousse stable.
– Modificateurs (activateurs, dépresseurs, régulateurs de pH) : augmentent la sélectivité de séparation.
De l'air est insufflé dans la cellule de flottation, ce qui provoque l'adhérence des minéraux de cuivre aux bulles et leur remontée à la surface sous forme d'écume, où ils sont recueillis comme concentré de cuivre. Les matières restantes, autres que le cuivre, sont éliminées comme résidus.
Le concentré obtenu contient généralement environ 20 à 35 % de Cu, soit beaucoup plus que le minerai de départ qui peut ne contenir que 0,4 à 1 % de Cu dans certaines mines porphyriques.
4. Traitement hydrométallurgique (pour les minerais oxydés)
Les minerais d'oxyde de cuivre ne se prêtent généralement pas efficacement au traitement par flottation des sulfures. Par conséquent, les procédés hydrométallurgiques tels que :
1. Lixiviation : le minerai ou le matériau concassé est empilé (lixiviation en tas) et arrosé d’une solution d’acide sulfurique (H₂SO₄). Le cuivre se dissout en ions Cu²⁺ dans la solution de lixiviation enrichie.
2. Extraction par solvant (SX) : séparation et purification du Cu²⁺ de la solution de lixiviation à l'aide de solvants organiques.
3. Électroextraction (EW) : dépôt de cuivre pur sur la cathode par un courant électrique, produisant une cathode en cuivre de haute pureté.
Le procédé SX-EW est très populaire car il permet de produire directement des cathodes sans fusion, notamment pour les minerais d'oxyde à faible teneur.
5. Fusion du concentré de cuivre
Pour les concentrés de sulfures, l'étape suivante est la pyrométallurgie. Le concentré est séché puis fondu dans un four (par exemple, un four à fusion éclair ou un four à réverbère). Au cours de la fusion, une séparation se produit en deux phases principales :
– Matte : un mélange de sulfures de cuivre et de fer, contenant environ 45 à 70 % de Cu.
– Scories : contiennent des oxydes et des silicates provenant d’impuretés telles que la silice, le fer et d’autres minéraux.
Les réactions chimiques qui se produisent lors de la fusion génèrent également des gaz riches en SO₂. Dans les installations modernes, le SO₂ est capturé et transformé en acide sulfurique, ce qui réduit les émissions et produit un sous-produit précieux.
6. Conversion au cuivre blister
La matte issue de la fonderie est ensuite traitée dans un convertisseur (par exemple, un convertisseur Pierce-Smith). De l'air ou de l'oxygène est insufflé pour oxyder le sulfure de fer et le soufre.
– Le fer est oxydé en FeO puis pénètre dans le laitier.
– Le soufre est oxydé en SO₂.
Le résultat final est du cuivre blister d'une pureté d'environ 98 à 99 % de Cu. Il est appelé « blister » car sa surface apparaît souvent poreuse en raison du dégagement de gaz pendant le processus.
7. Raffinage : Raffinage au feu et électroraffinage
Bien que la teneur en cuivre du blister soit élevée, il contient encore des impuretés telles que Fe, S, Ni, As, Sb et des éléments précieux (Au, Ag, Pt, Pd) qu'il convient d'éliminer. Le raffinage s'effectue en deux étapes principales :
1. Raffinage au feu : raffinage initial dans un four pour réduire l'oxygène et certaines impuretés, produisant une anode en cuivre en forme de plaque.
2. Électroraffinage : l’anode est dissoute par électrolyse dans une solution de sulfate de cuivre. Du cuivre pur précipite sur la cathode sous forme de cuivre cathodique d’une pureté de 99,99 %.
Les impuretés nobles comme l'or et l'argent sont insolubles et précipitent sous forme de boues anodiques, lesquelles sont ensuite traitées pour récupérer les métaux précieux. C'est pourquoi l'industrie du cuivre produit souvent de l'or et de l'argent comme sous-produits.
8. Impression et produit final
Les cathodes de cuivre peuvent être vendues directement comme matières premières conformes aux normes internationales (par exemple, LME Grade A) ou transformées sous d'autres formes :
– Fil machine pour câbles électriques,
– tuyaux en cuivre pour la plomberie et le CVC,
– tôles/plaques pour l'industrie manufacturière,
– des alliages tels que le laiton (Cu-Zn) et le bronze (Cu-Sn).
Cette étape de fabrication est généralement réalisée dans une usine de laminage, d'extrusion ou de tréfilage, selon le produit souhaité.
9. Gestion de l'environnement et des déchets
Le traitement du minerai de cuivre génère des résidus, des scories et des émissions gazeuses. Par conséquent, les aspects environnementaux sont cruciaux :
– Les résidus miniers sont stockés dans des bassins de retenue, dont la stabilité et la qualité de l'eau sont surveillées.
– L’eau de process est souvent recyclée afin de réduire la consommation d’eau douce.
– Le SO₂ provenant de la fonderie est capturé pour la production d'acide sulfurique.
– La remise en état des terrains est effectuée une fois l'exploitation minière terminée.
Les normes environnementales modernes exigent une réduction des émissions de poussières, une utilisation plus efficace de l'énergie et une manipulation sûre des produits chimiques tels que l'acide sulfurique.
conclusion
La production de cuivre à partir de minerai repose sur une séquence technologique complexe : extraction minière, concassage et broyage, séparation des minéraux par flottation ou lixiviation, puis raffinage par fusion-conversion ou extraction par solvant et électrolyse (SX-EW), afin d’obtenir des cathodes de cuivre de haute qualité. Le choix du procédé dépend fortement du type de minerai (sulfuré ou oxydé), de sa teneur en cuivre, ainsi que de considérations économiques et environnementales. Face à la demande mondiale croissante d’électricité, de véhicules électriques et d’énergies renouvelables, une production de cuivre efficace et durable est essentielle au développement futur de l’industrie.
