Pyrometallurgisches Schmelzen

Die Feuerraffinierung ist heute die wichtigste Methode zur Kupferproduktion und macht 80 bis 90 % der Kupferproduktion aus, hauptsächlich für die Aufbereitung von Sulfiderzen. Die Vorteile der pyrometallurgischen Kupferverhüttung sind eine hohe Anpassungsfähigkeit der Rohstoffe, ein geringer Energieverbrauch, ein hoher Wirkungsgrad und eine hohe Metallrückgewinnungsrate. Das Schmelzen von Kupfer durch Feuer kann in zwei Kategorien unterteilt werden: Zum einen handelt es sich um traditionelle Verfahren wie Hochofenschmelzen, Flammofenschmelzen und Elektroofenschmelzen. Das zweite sind moderne Verfestigungsverfahren wie das Flash-Ofen-Schmelzen und das Schmelzbad-Schmelzen.

Aufgrund der bedeutenden globalen Energie- und Umweltprobleme seit Mitte des 20. Jahrhunderts ist Energie immer knapper geworden, Umweltschutzbestimmungen sind immer strenger geworden und die Arbeitskosten sind schrittweise gestiegen. Dies hat seit den 1980er Jahren zu einer rasanten Entwicklung der Kupferschmelztechnologie geführt, wodurch traditionelle Methoden durch neue Verstärkungsmethoden ersetzt werden mussten und traditionelle Schmelzmethoden schrittweise abgeschafft wurden. Anschließend entstanden fortschrittliche Technologien wie das Schwebeschmelzen und das Schmelzbadschmelzen, wobei der wichtigste Durchbruch die weit verbreitete Anwendung von Sauerstoff oder angereichertem Sauerstoff war. Nach jahrzehntelangen Bemühungen haben das Schwebeschmelzen und das Schmelzbadschmelzen die traditionellen pyrometallurgischen Verfahren im Wesentlichen ersetzt.

1. Ablauf des Feuerschmelzprozesses

Der pyrometallurgische Prozess umfasst im Wesentlichen vier Hauptschritte: Mattschmelzen, Kupfermattenblasen, pyrometallurgische Raffination von Rohkupfer und elektrolytische Raffination von Anodenkupfer.

Schwefelverhüttung (Kupferkonzentrat-Matte): Zur Herstellung von Mattierungsschmelzen wird hauptsächlich Kupferkonzentrat verwendet, mit dem Ziel, etwas Eisen im Kupferkonzentrat zu oxidieren, Schlacke zu entfernen und Matte mit hohem Kupfergehalt zu erzeugen.

Mattblasen (mattes Rohkupfer): Weitere Oxidation und Verschlackung des Steins, um Eisen und Schwefel daraus zu entfernen, wodurch Rohkupfer entsteht.

Feuerraffinierung (Rohkupfer-Anodenkupfer): Das Rohkupfer wird durch Oxidation und Verschlackung weiter von Verunreinigungen befreit, um Anodenkupfer herzustellen.

Elektrolytische Raffination (Anodenkupfer, Kathodenkupfer): Durch Einleiten von Gleichstrom löst sich das Anodenkupfer auf und an der Kathode fällt reines Kupfer aus. Verunreinigungen gelangen in den Anodenschlamm oder Elektrolyten, wodurch die Trennung von Kupfer und Verunreinigungen erreicht wird und Kathodenkupfer entsteht.

2. Klassifizierung pyrometallurgischer Prozesse

(1) Flash-Smelting

Flash-Smelting umfasst drei Typen: Inco-Flash-Ofen, Outokumpu-Flash-Ofen und ConTop-Flash-Smelting. Beim Flash-Smelting handelt es sich um ein Schmelzverfahren, das die große aktive Oberfläche fein gemahlener Materialien voll ausnutzt, um den Schmelzreaktionsprozess zu verstärken. Nach der Tiefentrocknung des Konzentrats wird es zusammen mit dem Flussmittel mit sauerstoffangereicherter Luft in den Reaktionsturm gesprüht. Die Konzentratpartikel schweben 1–3 Sekunden lang im Raum und unterliegen einer schnellen Oxidationsreaktion von Sulfidmineralien mit einem oxidierenden Hochtemperatur-Luftstrom, wodurch eine große Wärmemenge freigesetzt wird und die Schmelzreaktion, der Prozess der Steinproduktion, abgeschlossen wird. Die Reaktionsprodukte fallen zur Sedimentation in den Sedimentationstank des Flash-Ofens, wodurch Kupferstein und Schlacke weiter getrennt werden. Dieses Verfahren wird hauptsächlich zum Mattschmelzen von Sulfiderzen wie Kupfer und Nickel verwendet.

Flash Smelting begann Ende der 1950er Jahre mit der Produktion und wurde aufgrund bedeutender Erfolge bei der Energieeinsparung und dem Umweltschutz durch kontinuierliche Verbesserung in mehr als 40 Unternehmen gefördert und angewendet. Diese Prozesstechnologie bietet die Vorteile einer großen Produktionskapazität, eines geringen Energieverbrauchs und einer geringen Umweltverschmutzung. Die maximale Kupfererzproduktionskapazität eines einzelnen Systems kann über 400.000 t/a erreichen, was für Fabriken mit einer Größe von über 200.000 t/a geeignet ist. Es ist jedoch erforderlich, dass die Rohstoffe auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 0,3 % und eine Konzentratpartikelgröße von weniger als 1 mm tief getrocknet werden und Verunreinigungen wie Blei und Zink in den Rohstoffen 6 % nicht überschreiten dürfen. Die Nachteile des Verfahrens sind eine komplexe Ausrüstung, ein hoher Rauch- und Staubanteil sowie ein hoher Kupfergehalt in der Schlacke, der eine Verdünnungsbehandlung erfordert.

2) Schmelzbad schmelzen

Das Schmelzbadschmelzen umfasst das Tenente-Kupferschmelzverfahren, das Mitsubishi-Verfahren, das Osmet-Verfahren, das Vanukov-Kupferschmelzverfahren, das Isa-Schmelzverfahren, das Noranda-Verfahren, das Top-Blown-Rotary-Converter-Verfahren (TBRC), das Silber-Kupfer-Schmelzverfahren und das Shuikoushan-Kupfer Schmelzverfahren und Dongying-Bodenblas-Sauerstoff-reiches Schmelzverfahren. Beim Schmelzbadschmelzen wird der Schmelze feines Sulfidkonzentrat zugesetzt, während gleichzeitig Luft oder Industriesauerstoff in die Schmelze geblasen wird und der Schmelzprozess in einem heftig gerührten Schmelzbad verstärkt wird. Aufgrund des Drucks, den die Blasluft auf das Schmelzbad ausübt, steigen die Blasen durch das Schmelzbad auf, wodurch sich die „Schmelzsäule“ bewegt und so einen erheblichen Eintrag in die Schmelze liefert. Zu den Ofentypen gehören horizontale, vertikale, rotierende oder feste Öfen. Es gibt drei Arten von Blasmethoden: Seitenblasen, Obenblasen und Untenblasen.

Poolschmelzen wurde in den 1970er Jahren in der Industrie eingesetzt. Aufgrund der guten Wärme- und Stoffübertragungseffekte im Schmelzprozess des Schmelzbades kann der metallurgische Prozess erheblich gestärkt werden, wodurch das Ziel einer Verbesserung der Anlagenproduktivität und einer Reduzierung des Energieverbrauchs im Schmelzprozess erreicht wird. Darüber hinaus sind die Anforderungen an die Ofenmaterialien nicht hoch. Geeignet sind verschiedene Arten von Konzentraten, trocken, nass, groß und pulverförmig. Der Ofen hat ein kleines Volumen, einen geringen Wärmeverlust sowie eine gute Energieeinsparung und einen guten Umweltschutz. Insbesondere ist die Rauch- und Staubrate deutlich geringer als beim Schwebeschmelzen.