1. Inleiding
Pyrometallurgisch koper smelten blijft de dominante methode voor de productie van primair geraffineerd koper en is goed voor meer dan 80% van de wereldwijde capaciteit. Het proces zet kopersulfideconcentraten (voornamelijk chalcopyriet, CuFeS₂) om in hoogzuiver kathodekoper (≥99,99% Cu) door middel van een reeks metallurgische bewerkingen bij hoge temperaturen. Dit artikel beschrijft het gangbare geïntegreerde processtroomschema, bestaande uit flash-smelten, omzetten, anode-raffinage en elektrolytische raffinage.
2. Bereiding en menging van het concentraat
Koperconcentraten (25-35% Cu) worden per bulkschip aangevoerd en opgeslagen in afgedekte depots. Het vochtgehalte bedraagt doorgaans 8-12% en moet worden verlaagd tot ≤0,3% met behulp van roterende ovens of wervelbeddrogers om explosies en overmatig energieverbruik bij het daaropvolgende smeltproces te voorkomen.
Gedroogd concentraat wordt gemengd met fluxmiddelen (kwarts, kalksteen), reverts en converterslak in nauwkeurig gecontroleerde verhoudingen. Moderne installaties maken gebruik van geautomatiseerde schijfdoseerders en loadcell-systemen, waarmee een mengnauwkeurigheid van ±0,5% wordt bereikt.
3. Flash-smelten
Flash-smelten is de meest geavanceerde technologie voor de verwerking van kopersulfideconcentraten, wereldwijd vertegenwoordigd door de flash-ovens van Outotec (nu Metso) en de in China ontwikkelde zuurstofbodemovens.
3.1 Procesprincipe
Droog concentraat wordt geïnjecteerd in een hete, met zuurstof verrijkte luchtstroom (zuurstofconcentratie 75-90%) bij 850-950 °C. Reacties (drogen, oxidatie, slak- en mattevorming) zijn binnen 3-5 seconden voltooid, waarbij de reactiewarmte de autotherme werking in stand houdt. Belangrijke reacties zijn onder andere: 4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂ en 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂
3.2 Belangrijkste apparatuur
- Reactieschacht: 11-14 m hoog, 7-9 m diameter, bekleed met hoogwaardige magnesiet-chroomstenen en koperen watermantels.
- Bezinkings- en afvoerschacht: zwaartekrachtscheiding van matte (65-75% Cu) en slak.
- Afvalwarmteketel: wint voelbare warmte terug uit rookgassen van circa 550 °C voor stoomproductie.
- Zuurstof-concentraatverhouding: 1,15-1,25 Nm³ O₂/t droog concentraat
- Temperatuur van de reactieschacht: 1250-1300 °C
- Matteertemperatuur: 1180-1220 °C
- Slak Fe/SiO₂-verhouding: 1,1-1,4, koper in slak ≤0,6%
3.3 Kritische regelparameters
De capaciteit van een enkele flashoven bedraagt 4000-5500 ton concentraat per dag met een thermisch rendement van >98% en een SO₂-afvang van bijna 100%.
4. Omzetten
De matte wordt via elektrisch verwarmde goten of lepels overgebracht naar Peirce-Smith-converters of continue-converteerovens.
4.1 Slakvormingsfase
Zuurstofverrijkte lucht (25-35% O₂) wordt ingeblazen om ijzersulfide te oxideren. Slak met 2-8% Cu wordt afgeschept en teruggevoerd naar de flash-smeltinstallatie.
4.2 Fase van koperproductie
Door voortdurend blazen oxideert Cu₂S tot blaarvormig koper (98,5-99,3% Cu) bij 1180-1230 °C.
5. Raffinage met anodeovenvuur
Blaaskoper wordt in stationaire of kantelende anodeovens van 50-500 ton geladen voor oxidatie-reductie-raffinage.
5.1 Oxidatiefase
Lucht- of zuurstoflansen verwijderen restanten van Fe, Ni, As, Sb en Bi als zwevende slak.
5.2 Reductiefase
Het zuurstofgehalte wordt verlaagd tot 150-300 ppm met behulp van aardgas, diesel of houten palen. Het geraffineerde koper wordt vervolgens gegoten tot anodes van 300-450 kg (Cu ≥99,0%).
6. Elektrolytische raffinage
Anodes worden in elektrolytische cellen geplaatst met loden of titanium moederplaten als kathodes in een CuSO₄-H₂SO₄-elektrolyt.
6.1 Bedrijfsomstandigheden
- Stroomdichtheid: 220-320 A/m²
- Celspanning: 0,22-0,32 V
- Elektrolyttemperatuur: 60-65 °C
- Cu²⁺: 40-55 g/L, vrij H₂SO₄: 150-220 g/L
6.2 Elektrochemische reacties
Anode-oplossing: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Edelere elementen (Au, Ag, Se, Te) komen terecht in het anodeslib; minder edele elementen lossen op. Kathode-afzetting levert ≥99,993% Cu op, wat voldoet aan de LME Grade A-specificaties.
7. Afgasbehandeling en milieubeheer
SO₂-rijke gassen uit flashovens, converters en anodeovens worden gekoeld, ontstoft en verwerkt in dubbelcontactzuurinstallaties, waarbij een zwavelterugwinning van >99,8% wordt bereikt. Het SO₂-gehalte in het afgas ligt ruim onder de 100 mg/Nm³. Arseen, kwik en andere zware metalen worden verwijderd via gespecialiseerde processen.
8. Conclusie
De hedendaagse koperpyrometallurgie heeft een hoge mate van continuïteit, automatisering en milieuvriendelijkheid bereikt. Geïntegreerde processtroomschema's voor flash-smelten, continue conversie, anode-raffinage en elektro-raffinage leveren een totaal koperrendement van >98,5% en een specifiek energieverbruik van 280-320 kgce/t kathode, wat tot de wereldtop behoort. Voortdurende ontwikkelingen op het gebied van zuurstofverrijking, continue koperproductietechnologieën en digitale procesbesturing zullen de efficiëntie en duurzaamheid verder verbeteren.
Geplaatst op: 22 december 2025