WINNING EN METALLURGIE

De winning

Koper komt slechts met een gemiddelde concentratie van 55 deeltjes per miljoen voor in de aardkorst. In de natuur komt deze stof niet langer voor in gedegen vorm, wat wel nog zo was in de Oudheid. Het komt voor in de vorm van zouten die 30 tot 90% koper bevatten en zelf vermengd zijn met mineraalloze gesteenten en soms ook met andere metalen. Sommige daarvan zijn soms zelfs zeldzamer dan koper, zoals goud en zilver. Een mineraal wordt als rijk beschouwd vanaf 1,8% zuiver koper. Naargelang de vorm van de afzettingen en hun dikte bestaan er 2 soorten winning:

- openluchtmijnen
- ondergrondse mijnen.

Winning in open lucht komt voor wanneer de afzettingen relatief dicht bij het grondoppervlak liggen, waardoor de graafwerken in economisch rendabele omstandigheden uitgevoerd kunnen worden.

Een voorbeeld: in de openluchtmijn van het Chileense Chuquicamata bedraagt de verhouding afval/mineralen 3 tot 1. Wanneer het afvalpercentage te hoog ligt of wanneer de typologie van het terrein of de weersomstandigheden ongunstig zijn, is het interessant om ondergrondse mijnen uit te graven.
Aan het aardoppervlak komen de kopermineralen meestal in 2 vormen voor:

- zwavelhoudende mineralen
- geoxideerde mineralen.

Dit onderscheid bepaalt het proces dat gevolgd moet worden om zuiver koper te bereiken: pyrometallurgie voor de zwavelhoudende mineralen, hydrometallurgie voor de geoxideerde mineralen.

Chuquicamata

Zwavelhoudende mineralen hebben een diepe geologische oorsprong en komen voort uit de vacuümkristallisatie van zwavelhoudende verbindingen met koper en andere metalen. Deze worden vaak primaire mineralen genoemd. De zwavelhoudende mineralen komen het meest voor en vertegenwoordigen meer dan 80% van de wereldproductie. Deze mineralen zijn erg talrijk. De meest

voorkomende mineraalsoorten zijn :

chalchopyriet CuFeS2	chalchosine Cu2S	énargiet Cu3AsS4.

Deze verschillende mineralen worden heel vaak vermengd en hun gemiddeld kopergehalte varieert algemeen genomen van 0,7 tot 2%. Geoxideerde mineralen zijn complexe carbonaten die in de loop der tijden in water en lucht geoxideerd zijn.

We onderscheiden de volgende hoofdvormen:

cupriet Cu2O Cu2CO3 (OH)2	malachiet Cu2CO3 (OH)2
azuriet Cu3 (Co3)2 (OH)2	dioptaas CuO3 H2O (Co3)2 (OH)2

waarvan de gehaltes ongeveer 1 tot 2% bedragen.

Ter herinnering vermelden we nog even dat de metaalhoudende knollen op de bodem van bepaalde oceanen naast nikkel, kobalt en mangaan ook koper bevatten. Maar vooraleer deze geëxploiteerd kunnen worden, moeten er nog enkele moeilijke juridische en technische problemen opgelost worden.

De productie van de concentraten

Ondanks de omvang en de geavanceerde staat van de middelen die ze inzet, wint de mijn zelf dus slechts een mengsel van mineralen met een laag kopergehalte dat dan nog geconcentreerd moet worden vooraleer het uit het mijncomplex weggevoerd kan worden.
Het volgende proces dat de productie van de concentraten via het flotatieprocédé beschrijft, betreft enkel de zwavelhoudende mineralen.

De geoxideerde mineralen moeten daarentegen een bijzondere chemische behandeling ondergaan, het zogenaamde uitlogingsproces.

De eerste fase in de behandeling van de zwavelhoudende mineralen met het oog op het bekomen van concentraten omvat de volgende opeenvolgende handelingen: zeven, vergruizen, vermalen en sorteren. Op die manier veranderen de mineralen in grof poeder waarop men vervolgens water spuit.

De behandeling, bestaande uit flotatie in water gevolgd door het laten bezinken, moet ervoor zorgen dat het rijkste gedeelte van het mineraal opnieuw aan de oppervlakte komt, waarna het gescheiden wordt van de neerslag die op de bodem van het bad achterblijft. Op die manier verkrijgt men een concentraat met 25 tot 40% koper.

De metallurgische verwerking: de blister

Hierbij gaat men uit van koperconcentraten om te komen tot blisters. Dit is de eerste behandeling bij hoge temperatuur.

In eerste instantie scheidt men, in de vloeibare vorm en via de inwerking van de zwaartekracht en via roosting de lichtste mineraalloze gesteenten van de zwaardere koperhoudende zouten. Hierdoor bekomt men een ruwsteen met een hoog zwavelgehalte die 40 tot 60% koper bevat.

Daarop volgt een bessemerproces in een draaioven bij een temperatuur van ongeveer 1.300° waarbij het koper gescheiden wordt van de andere bestanddelen van de ruwsteen. Deze bewerking leidt tot de productie van blisters in de vorm van platen, die 98 tot 99,5% koper bevatten.

Blisters (Engelse term die verwijst naar de blaren op hun geoxideerde oppervlak) zijn nog niet geschikt voor gebruik in de industrie, want ze zijn nog niet zuiver genoeg. Bijgevolg moeten ze een verdere zuivering ondergaan. Ze kunnen als dusdanig aangekocht worden door afnemerlanden die over een raffinage-industrie beschikken. Japan en Duitsland zijn de belangrijkste kopers.

De zuivering

De blister moet gezuiverd worden om een nominale zuiverheid van 99,90% te verkrijgen. Pas dan kan hij gebruikt worden in de meeste toepassingen.

Er bestaan twee zuiveringsprocédé:

1° Thermische zuivering: hierbij wordt de blister via oxidatie opnieuw gesmolten zodat de onzuiverheden weggewerkt worden in de vorm van oxiden die verdampen.
Tijdens deze behandeling neemt het koper 0,6 tot 0,9% zuurstof op, waarvan het grootste deel weggewerkt moet worden via een handeling die men “polen” noemt. Hierbij worden pas gevelde houtstammen aan het koperbad toegevoegd. Zo verkrijgt men koper van thermische kwaliteit dat nog 0,02 tot 0,04% zuurstof en een beetje waterstof bevat en bijgevolg slechts heel weinig toepassingen kent in de industrie.
Dit procédé wordt tegenwoordig bijna niet meer gebruikt.

2° Elektrolytische zuivering: hierbij wordt de blister die voorafgaand in de vorm van een anode gegoten is, omgevormd tot een kathode via het procédé van de oplosbare anode.

Het koper dat op die manier verkregen wordt, is zuiver, maar kan in deze vorm nog niet gebruikt worden door zijn porositeit en de mogelijke aanwezigheid van elektrolytinclusies.

anodes	electrolysezaal	kathodes

Om tegelijkertijd te beschikken over zuiver koper van 99,90% of meer en de beste plasticiteitseigenschappen worden de kathoden achteraf opnieuw gesmolten volgens verschillende procédés om zo de verschillende koperkwaliteiten te bereiken die gebruikt worden in de industrie en overeenkomen met de diverse toepassingscategorieën.

Op die manier kunnen we 2 grote categorieën van koper omschrijven :

- Koper met zuurstof, dat gekenmerkt wordt door een elektrisch geleidingsvermogen, maar niet geschikt is voor het lassen of solderen. Wordt vooral in de elektriciteitssector gebruikt.

- Koper , gedesoxideerd met fosfor (P): (CuDHP) dat een beperkt elektrisch geleidingsvermogen heeft, maar bijzonder geschikt is voor vervorming en lassen. (gebruikt voor koperbladen en koperbuizen)

Schema’s die de winning en metallurgie van koper illustreren: