תהליך ייצור ועיבוד עפרות נחושת

תהליך ייצור ועיבוד עפרות נחושת

נחושת (Cu) היא אחת המתכות החשובות ביותר בחיים המודרניים. מוליכותה החשמלית והתרמית, עמידותה בפני קורוזיה וגמישותה היחסית הופכות את הנחושת לחומר מפתח עבור כבלים חשמליים, רכיבים אלקטרוניים, צינורות ואפילו חומרים תעשייתיים לאנרגיה מתחדשת כמו פאנלים סולאריים וטורבינות רוח. עם זאת, לפני שהיא הופכת למוצר סופי, נחושת חייבת לעבור סדרה ארוכה של תהליכים, החל מכרייה ועיבוד עפרות ועד זיקוק ועיצוב לקתודות או צורות מסחריות אחרות. מאמר זה דן בתהליך הכללי של ייצור ועיבוד עפרות נחושת, יחד עם המטרות ועקרונות העבודה בכל שלב.

1. חיפוש וכריית עפרות נחושת

השלב הראשוני מתחיל בחיפוש אחר עתודות נחושת בעלות פוטנציאל כלכלי. פעילויות החיפוש כוללות מיפוי גיאולוגי, סקרים גיאופיזיים וגיאוכימיים וקידוח ליבה לקביעת רמת הנחושת, פיזור המינרלים ונפח העתודה. לאחר קבלת מחקר היתכנות והיתרים, הכרייה מתבצעת באמצעות שתי שיטות עיקריות:

1. כרייה בבור פתוח: משמשת למרבצי נחושת קרובים יחסית לפני השטח, כגון נחושת פורפיר. שיטה זו שולטת בייצור הנחושת העולמי מכיוון שהעתודות גדולות למרות שדרגת העפרה נוטה להיות נמוכה.
2. כרייה תת-קרקעית: מיושמת אם המרבצים עמוקים יותר או שהתנאים הגיאוגרפיים אינם מאפשרים כרייה פתוחה.

עפרות הנכרות מכילות בדרך כלל מינרלים מנחושת כגון כלקופיריט (CuFeS₂), בוניט (Cu₅FeS₄), כלקוציט (Cu₂S) ומינרלים תחמוצתיים כגון מלכיט (Cu₂CO₃(OH)₂) ואזוריט. בנוסף לנחושת, עפרות מכילות לעיתים קרובות זיהומים או מינרלים נלווים כגון ברזל, גופרית, סיליקה, זהב, כסף ומוליבדן.

2. ריסוק וטחינה

העפרה הנכרת גדולה ולכן יש צורך לכתוש אותה כדי להפריד את מינרלי הנחושת מהגנג. תהליך זה כולל שני שלבים:

– ריסוק: שימוש במגרסה לסת, מגרסה חרוטית או מגרסה סיבובית כדי להפחית את גודל העפרה לכמה סנטימטרים.
– טחינה: שימוש בטחנת כדורים או בטחנת SAG לייצור חלקיקים עדינים יותר, בדרך כלל בגודל של עד עשרות עד מאות מיקרומטרים.

המטרה העיקרית של שלב זה היא לשחרר מינרלי נחושת ממטריצת הסלע. מידת השחרור היא קריטית להצלחת תהליכי ההפרדה הבאים.

3. ריכוז עפרות: ציפה (לעפרות סולפיד)

עבור עפרות נחושת גופרית, השיטה הנפוצה ביותר היא ציפה מוקצפת. בתהליך זה, מעורבבים תרחיף עפרות דק עם מים וחומרים כימיים מסוימים:

– קולט: הופך את פני השטח של מינרל הנחושת להידרופוביים כך שהוא נדבק בקלות לבועות אוויר.
– מקציף: יוצר קצף יציב.
– משנים (מפעילים, מדכאים, מווסתי pH): מגבירים את סלקטיביות ההפרדה.

אוויר מוחדר לתוך תא הציפה, וגורם למינרלי הנחושת להידבק לבועות ולעלות אל פני השטח כקצף, שם הם נאספים כתרכיז נחושת. החומר שאינו נחושת שנותר מושלך כשבבי נחושת.

התרכיז המתקבל מכיל בדרך כלל כ-20-35% נחושת, הרבה יותר גבוה מעפרת ההתחלה שיכולה להיות נמוכה עד 0,4-1% נחושת בכמה מכרות פורפיר.

4. עיבוד הידרומטלורגי (לעפרות תחמוצת)

עפרות תחמוצת נחושת בדרך כלל אינן מעובדות ביעילות על ידי ציפה גופרית. לכן, מסלולים הידרומטלורגיים כגון:

1. שטיפה: עפרה או חומר כתוש נערמים (שטיפה ערימה) ומוצקים בתמיסת חומצה גופרתית (H₂SO₄). נחושת מתמוססת ליוני Cu²⁺ בתמיסת השטיפה העשירה.
2. מיצוי ממסים (SX): הפרדה וטיהור של Cu²⁺ מתמיסת שטיפה באמצעות ממסים אורגניים.
3. עיבוד נחושת טהור (EW): שקיעת נחושת טהורה על הקתודה באמצעות זרם חשמלי, ויצירת קתודה של נחושת בעלת טוהר גבוה.

דרך SX-EW פופולרית מאוד משום שהיא יכולה לייצר קתודות ישירות ללא התכה, במיוחד עבור עפרות תחמוצת באיכות נמוכה.

5. התכת תרכיז נחושת

עבור תרכיזי גופרית, השלב הבא הוא פירומטלורגיה. התרכיז מיובש ולאחר מכן מותך בכבשן (למשל, כבשן התכה מהירה או כבשן הדהוד). במהלך תהליך ההתכה, מתרחשת הפרדה לשני שלבים עיקריים:

– מט: תערובת של גופרידי נחושת וברזל, המכילה כ-45-70% נחושת.
– סיגים: מכיל תחמוצות וסיליקטים מזיהומים כגון סיליקה, ברזל ומינרלים אחרים.

תגובות כימיות במהלך ההתכה מייצרות גם גזים עשירים ב-SO₂. במתקנים מודרניים, SO₂ נלכד ומעובד לחומצה גופרתית, מה שמפחית פליטות ומייצר תוצר לוואי יקר ערך.

6. המרה לנחושת שלפוחית

לאחר מכן, המט מההיתוך עובר עיבוד בממיר (למשל, ממיר פירס-סמית'). אוויר או חמצן נשאבים פנימה כדי לחמצן את גופרת הברזל והגופרית:

– ברזל מתחמצן ל-FeO ואז נכנס לסיגים.
גופרית מתחמצנת ל-SO₂.

התוצאה הסופית היא נחושת שלפוחיתית עם טוהר של כ-98-99% נחושת. היא נקראת "שלפוחית" מכיוון שפני השטח שלה נראים לעתים קרובות נקבוביים עקב שחרור גזים במהלך התהליך.

7. זיקוק: זיקוק באש וזיקוק אלקטרוכימי

למרות שתכולת הנחושת בבליסטר גבוהה, עדיין ישנם זיהומים כגון Fe, S, Ni, As, Sb ויסודות יקרי ערך (Au, Ag, Pt, Pd) שיש להסיר. הזיקוק מתבצע בשני שלבים כלליים:

1. זיקוק באש: זיקוק ראשוני בכבשן להפחתת חמצן וזיהומים מסוימים, ויצירת אנודת נחושת בצורת לוחית.
2. זיקוק אלקטרואלקטרי: האנודה מומסת אלקטרוליטית בתמיסת נחושת גופרתית. נחושת טהורה שוקעת על הקתודה כנחושת קתודית בטוהר של 99,99%.

זיהומים אצילים כמו זהב וכסף אינם מסיסים ויוצאים כ"ריר" אנודה, אשר לאחר מכן מעובד עוד יותר כדי להפיק את המתכות היקרות. זו הסיבה שתעשיית הנחושת מייצרת לעתים קרובות גם זהב וכסף כתוצרי לוואי.

8. הדפסה ומוצר סופי

ניתן למכור קתודות נחושת ישירות כסחורות סטנדרטיות בינלאומיות (למשל LME Grade A) או לעבד אותן לצורות אחרות:

– מוט תיל לכבלים חשמליים,
– צינורות נחושת לאינסטלציה ומיזוג אוויר,
– יריעות/לוחות לתעשיית הייצור,
– סגסוגות כגון פליז (Cu-Zn) וברונזה (Cu-Sn).

שלב ייצור זה מתבצע בדרך כלל במפעל לגלגול, שיחול או משיכת תיל, בהתאם למוצר הרצוי.

9. ניהול סביבתי ופסולת

תהליך עיבוד עפרות הנחושת מייצר פסולת, סיגים ופליטות גז. לכן, היבטים סביבתיים הם קריטיים:

– פסולת מאוחסנת בסכרי פסולת תוך ניטור של יציבות ואיכות המים.
– מי תהליך ממוחזרים לעיתים קרובות כדי להפחית את צריכת המים המתוקים.
– SO₂ ממפעל ההיתוך נלכד לייצור חומצה גופרתית.
– שיקום קרקע מתבצע לאחר סיום הכרייה.

תקני סביבה מודרניים דורשים הפחתה בפליטות אבק, שימוש יעיל יותר באנרגיה וטיפול בטוח בכימיקלים כמו חומצה גופרתית.

מסקנה

תהליך ייצור הנחושת מעפרה כרוך ברצף טכנולוגי מורכב: החל מכרייה, ריסוק וטחינה, הפרדת מינרלים באמצעות ציפה או שטיפה, ולאחר מכן זיקוק באמצעות התכה-המרה או SX-EW, לייצור קתודות נחושת באיכות גבוהה. בחירת מסלול התהליך תלויה במידה רבה בסוג העפרה (סולפיד או תחמוצת), בתכולת הנחושת, כמו גם בשיקולים כלכליים וסביבתיים. עם הביקוש העולמי הגובר לחשמל, כלי רכב חשמליים ואנרגיה מתחדשת, ייצור נחושת יעיל ובר-קיימא הוא המפתח להתפתחות העתידית של התעשייה.