1. Introducció
La fosa pirometal·lúrgica de coure continua sent la via dominant per a la producció primària de coure refinat, representant més del 80% de la capacitat mundial. El procés converteix els concentrats de sulfur de coure (principalment calcopirita, CuFeS₂) en coure de càtode d'alta puresa (≥99,99% Cu) mitjançant una sèrie d'operacions metal·lúrgiques a alta temperatura. Aquest article detalla el diagrama de flux integrat principal que consisteix en la fosa instantània, la conversió, el refinament de l'ànode i el refinament electrolític.
2. Preparació i barreja del concentrat
Els concentrats de coure (25-35% Cu) arriben en recipients a granel i s'emmagatzemen en piles cobertes. El contingut d'humitat sol ser del 8-12% i s'ha de reduir a ≤0,3% mitjançant forns rotatius o assecadors de llit fluiditzat per evitar explosions i un consum excessiu d'energia en la fosa posterior.
El concentrat sec es barreja amb fundents (quars, pedra calcària), reversos i escòria de convertidor en proporcions controlades amb precisió. Les plantes modernes utilitzen alimentadors de disc automatitzats i sistemes de cèl·lules de càrrega que aconsegueixen una precisió de barreja de ±0,5%.
3. Fusió instantània
La fusió instantània és la tecnologia més avançada per al tractament de concentrats de sulfur de coure, representada globalment pels forns instantanis Outotec (ara Metso) i els forns de bufat inferior d'oxigen desenvolupats a la Xina.
3.1 Principi del procés
El concentrat sec s'injecta en un corrent d'aire calent i enriquit amb oxigen (concentració d'oxigen 75-90%) a 850-950 °C. Les reaccions (assecat, oxidació, escòria i formació de mat) es completen en 3-5 segons, amb un funcionament autotèrmic que manté la calor de reacció. Les reaccions clau inclouen: 4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂ 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂
3.2 Equipament clau
- Pou de reacció: 11-14 m d'alçada, 7-9 m de diàmetre, revestit amb maons de magnesita-crom d'alta qualitat i jaquetes d'aigua de coure.
- Decantador i pou de captació: separació per gravetat de la matèria (65-75% Cu) i l'escòria.
- Caldera de calor residual: recupera la calor sensible dels gasos de sortida a ~550 °C per a la generació de vapor.
- Relació oxigen-concentrat: 1,15-1,25 Nm³ O₂/t concentrat sec
- Temperatura de l'eix de reacció: 1250-1300 °C
- Temperatura del mat: 1180-1220 °C
- Relació Fe/SiO₂ de l'escòria: 1,1-1,4, coure a l'escòria ≤0,6%
3.3 Paràmetres crítics de control
La capacitat d'un forn instantani únic arriba a 4000-5500 t/d de concentrat amb una eficiència tèrmica >98% i una captura de SO₂ propera al 100%.
4. Conversió
La mata es transfereix mitjançant coladores o culleres escalfades elèctricament a convertidors Peirce-Smith o forns de conversió contínua.
4.1 Etapa de formació d'escòria
Es bufa aire enriquit amb oxigen (25-35% O₂) per oxidar el sulfur de ferro. L'escòria que conté entre un 2 i un 8% de Cu es descrema i es torna a la fosa instantània.
4.2 Etapa de fabricació del coure
El bufat continu oxida el Cu₂S a coure blister (98,5-99,3% Cu) a 1180-1230 °C.
5. Refinació del foc del forn d'ànode
El coure en blíster es carrega en forns amb ànode estacionari o basculant de 50-500 t per al refinament per oxidació-reducció.
5.1 Etapa d'oxidació
Les llances d'aire o d'oxigen eliminen el Fe, Ni, As, Sb i Bi residuals com a escòria flotant.
5.2 Fase de reducció
L'oxigen es redueix mitjançant gas natural, gasoil o pals de fusta a 150-300 ppm. El coure refinat es fon en ànodes de 300-450 kg (Cu ≥99,0%).
6. Refinació electrolítica
Els ànodes es col·loquen en cel·les electrolítiques amb brutícies mare de plom o titani com a càtodes en un electròlit de CuSO₄-H₂SO₄.
6.1 Condicions de funcionament
- Densitat de corrent: 220-320 A/m²
- Voltatge de la cel·la: 0,22-0,32 V
- Temperatura de l'electròlit: 60-65 °C
- Cu²⁺: 40-55 g/L, H₂SO₄ lliure: 150-220 g/L
6.2 Reaccions electroquímiques
Dissolució ànodica: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ Els elements més nobles (Au, Ag, Se, Te) van al fang ànodic; els elements menys nobles entren en solució. La deposició catòdica produeix ≥99,993% de Cu, complint les especificacions de grau A de la LME.
7. Tractament de gasos de sortida i control ambiental
Els gasos rics en SO₂ dels forns flash, convertidors i forns d'ànodes es refreden, es despolsen i es processen en plantes d'àcid de doble contacte, aconseguint una recuperació de sofre superior al 99,8%. El gas de cua SO₂ està molt per sota dels 100 mg/Nm³. L'arsènic, el mercuri i altres metalls pesants s'eliminen mitjançant processos especialitzats.
8. Conclusió
La pirometal·lúrgia contemporània del coure ha aconseguit una alta continuïtat, automatització i rendiment ambiental. Els diagrames de flux integrats de fusió instantània, conversió contínua, refinació d'ànodes i electrorefinació ofereixen una recuperació global de coure >98,5% i un consum d'energia específic de 280-320 kgce/t de càtode, cosa que representa punts de referència de classe mundial. Els desenvolupaments continus en l'enriquiment d'oxigen, les tecnologies de fabricació contínua de coure i el control digital de processos faran avançar encara més l'eficiència i la sostenibilitat.
Data de publicació: 22 de desembre de 2025