תהליכי התכת נחושת: פירומטלורגיה והידרומטלורגיה הסבר

שני מסלולים מעפר לנחושת מזוקקת

התכת נחושת הופכת עפרות ממוקרות למתכת בטוהר הדרוש לטחנות תיל וטחנות צינורות, והתעשייה משתמשת בשני מסלולים כדי להגיע לשם. התכה פירומטלורגית פועלת בטמפרטורה גבוהה על תרכיזי סולפיד ומהווה בערך 80 עד 90% מייצור הנחושת המזוקקת בעולם. עיבוד הידרו-מטלורגי ממיס נחושת מעפרות תחמוצת וחומרים בדרגה נמוכה- או מורכבים בתמיסת שטיפה ומשחזר אותה על ידי מיצוי ממסים ועיבוד חשמלי, ותורם את ה-10 עד 20% הנותרים. שני המסלולים משלימים ולא מתחרים: סולפידים נושאים את רוב מאגרי הנחושת בעולם וגם את המתכות היקרות שיש לשחזר, בעוד תחמוצות ועפרות מעורבות מטופלות טוב יותר על ידי שטיפה.

התכה פירומטלורגית: ארבעת השלבים

פירומטלורגיה קונבנציונלית של נחושת עוברת דרך ארבעה שלבים עוקבים, כל אחד מסיר קבוצה מסוימת של זיהומים.

התכת מט נועדה לחמצן את חלקיק הברזל הגופרתי של התרכיז תוך שמירה על נחושת במאט סולפיד שלא יתקלקל. המרה מכניסה אוויר או אוויר מועשר-במחמצן דרך המט המותך, כך שהגופרית הנותרת מתחמצנת והברזל נסגר, ומשאירה נחושת שלפוחית. זיקוק האש מחמצן ומסיר את הזיהומים התגובתיים האחרונים ומתאים את תכולת החמצן לפני יציקת המתכת לאנודות. זיקוק אלקטרו הוא שלב הטיהור: זרם ישר ממיס את האנודה ומפקיד נחושת טהורה על הקתודה בעוד שרוב הזיהומים נשארים באלקטרוליט או שוקעים ברפש האנודה, שממנו מוחזרות מאוחר יותר מתכות מקבוצת זהב, כסף ופלטינה.

טכנולוגיות התכה מודרניות

מאז שנות ה-80 התעשייה התרחקה מהדהוד והתכה בכבשנים לכיוון תהליכים מוגברים- מבוססי חמצן עם שחזור אנרגיה טוב יותר ובקרת פליטות הדוק יותר.

התכת הבזק מייבשת את התרכיז לעומק, ואז מזריקה לו שטף ואוויר- מועשר בחמצן לתוך מגדל תגובה. החלקיקים העדינים נשארים תלויים למשך שניות עד שלוש ומתחמצנים כמעט באופן מיידי, ומשחררים מספיק חום כדי לקיים את התגובה, כך שהתהליך מתקרב לפעולה אוטוגנית. זמן השהייה קצר, התפוקה ליחידה גבוהה, והגז החוץ- עשיר בגופרית דו-חמצנית ולכן קל להמיר אותו לחומצה גופרתית. התכת הבזק דורשת ייבוש עמוק, גודל חלקיקים עדין ועקבי ושליטה בעופרת ואבץ במזון.

התכת אמבט מזריקה אוויר או חמצן ישירות לתוך אמבט מותך, באמצעות צינורות מנופחים-בצד,-עליון או-תחתונה. התסיסה האלימה מעניקה העברת חום ומסה מצוינת, סובלת טווח רחב יותר של לחות הזנה וגודל חלקיקים מאשר התכת הבזק, ובדרך כלל מייצרת פחות אבק, במחיר של בלאי רב יותר עקשן ועיצוב תנור מורכב יותר.

קונספט של המרה מתמשכת ותנור יחיד- משלבים התכת מט והמרה כדי להסיר את הטיפול האצווה של מצקות, לחתוך את צריכת האנרגיה ולייצב את הרכב הגז- עבור מפעלי חומצה.

הכנת הזנה חשובה לא פחות מהבחירה בתנור. תרכיזים מיובשים, מעורבבים ומנתחים כך שהכימיה של המטען נשארת בטווח אליו תוכנן התנור; עודף עופרת ואבץ במזון מעלים את צמיגות הסיגים, מגבירים את העומסים במחזור ומקצרים את חיי העקשן, ולחות גבוהה גורמת לבעיות הזנה ופיצוצי קיטור.

הידרומטלורגיה ומסלול SX-EW

ייצור נחושת הידרו-מטלורגי ממיס נחושת מעפרות או תרכיז ולאחר מכן משחזר אותה אלקטרוכימית. למסלול ארבעה מדרגות.

שטיפה: נחושת נלקחת לתמיסה עם חומצה גופרתית, ליקר אמוניאקלי או תמיסת ברזל סולפט. ניתן לשטוף עפרות תחמוצת ישירות, חומר בדרגה נמוכה- מושטף לערימה או להטמנה, ותרכיזי סולפיד דורשים טחינה עדינה, צלייה או שטיפה בלחץ.

מיצוי ממס: תמיסת השטיפה ההרה נקשרת עם מיצוי אורגני המעביר נחושת באופן סלקטיבי לשלב האורגני ודוחה ברזל וזיהומים אחרים.

הפשטה: הפאזה האורגנית הטעונה נוצרת במגע עם חומצה חזקה, ומעבירה נחושת מטוהרת בחזרה לאלקטרוליט מימי.

ניצול אלקטרו: זרם מועבר דרך האלקטרוליט המטוהר ונחושת מונחת על קתודות נירוסטה כנחושת קתודית בטוהר- גבוה.

היתרונות של המסלול הם עוצמת ההון הנמוכה שלו, התאמתו לתחמוצת ולמשקעים בדרגה נמוכה-, הדרישה הנמוכה לאנרגיה בהשוואה להתכה, והיעדר פליטת דו תחמוצת הגופרית כאשר אין טיפול גופרתי. מגבלותיו הן מחזור איטי יותר, קושי בטיפול בתרכיז כלקופיריט בקנה מידה מסחרי, רגישות גבוהה יותר לרמות הטומאה באלקטרוליט והתאוששות גרועה יותר של מתכות יקרות בהשוואה לדרך ההתכה.

בקרה סביבתית ומגמות בתעשייה

מפעלי היתוך מודרניים לוכדים דו-חמצני גופרית מהכבשן באמצעות-גז במפעל חומצה, ומשחזרים אותו כחומצה גופרתית במקום לפלוט אותו; שיעורי ההחלמה במפעלים הטובים ביותר עולים על 95% מתפוקת הגופרית, וכעת חלות הגבלות מחמירות על ריכוזי פליטה שיורית. פסולת חום מהתנור והממיר מוחזרת כקיטור להפקת חשמל. הסלג מגורר ונמכר לתעשיות המלט והבנייה או מעובד מחדש בכבשן ניקוי סיגים כדי להחזיר נחושת סגורה, ומי התהליך ממוחזרים במעגלים סגורים. לצד בקרת פליטות, המגמות המעצבות מחדש את התכת הנחושת הן העשרת חמצן גדולה יותר, פעולת חימום אוטוגני- וחימום עצמי, רציף ולא המרת אצווה, קיבולת-קו יחיד גדול יותר ובקרת תהליכים מלאה-ממוחשבת המאפשרת לקו מפעיל יחיד לנהל תנור גדול בהרבה. מפעלי היתוך קטנים ומיושנים בעלות-גבוהה ממשיכים להיסגר, בעוד שמפעלים גדולים יותר משקיעים באוטומציה ובשחזור טוב יותר של שאריות נחושת ומוצרי לוואי{10}}בעלי ערך.

שאלות נפוצות

ש: מהם שני נתיבי התכת הנחושת העיקריים?
התכה פירו-מטלורגית של תרכיזי גופרתי, המספקת כ-80% מנחושת מזוקקת, ושטיפה הידרו-מטלורגית עם מיצוי ממס ו-elektrowinning, המספקת את רוב השאר מתחמוצת ומעפרות בדרגה נמוכה-.

ש: מהו מט נחושת?
מט הוא הנחושת המותכת-ברזל גופרתי שנוצר בשלב ההיתוך הראשון. הוא מרכז את הנחושת ודוחה ברזל מחומצן לתוך הסיגים, והוא מהווה הזנה לשלב ההמרה.

ש: מדוע נחוץ זיקוק אלקטרוני?
זיקוק אש משאיר בערך 99% נחושת טהורה, שאינה מספיקה לשימוש חשמלי. זיקוק אלקטרו ממיס את האנודה ומפקיד נחושת בטוהר של 99.99% בעוד זיהומים נלכדים ברפש האלקטרוליט והאנודה.

ש: מה מייצג SX-EW?
מיצוי ממס ו-elektrowinning, שני השלבים המטהרים ולאחר מכן משחזרים נחושת מתמיסת שטיפה לייצור נחושת קתודה.

ש: באיזה תהליך משתמשים בעפרות נחושת תחמוצת?
לא ניתן לרכז עפרות תחמוצת מבחינה כלכלית על ידי הציפה, ולכן היא שוטפת עם חומצה, מטוהרת על ידי מיצוי ממס ומוחזרת על ידי עיבוד חשמלי.

ש: כיצד מבוקרת דו תחמוצת הגופרית מההתכה?
הגופרית הדו-חמצנית בגז הכבשן- מומרת לחומצה גופרתית במפעל חומצה, משחזרת את רוב הגופרית כמוצר בר מכירה ומחזיקה את פליטת הערימה במגבלות המוסדרות בקפדנות.