Herstellung von Kupfer

Kupferbergwerk Chuquicamata in Chile

Kupferbergwerk Chuquicamata in Chile
Kupferbergwerk Chuquicamata in Chile

Die Fördererze haben erheblich geringere Kupfergehalte als die reinen Kupfermineralien. Die heute geförderten Erze enthalten oft nur etwa 1 % Cu, bei einigen großen Gruben sogar nur ca. 0,5 % Cu. Letztere lassen sich wirtschaftlich nur im kostengünstigeren Tagebau mit modernsten Abbaumethoden fördern. Die terrassenförmigen Kupfertagebaue sind die größten Erzgruben der Welt. Obwohl sehr viel weniger Kupfer als Eisen erzeugt wird, entspricht die bewegte Gesteinsmenge der des gesamten Eisenbergbaus der Welt.

Der Hauptproduzent von Erzen und Kupferkonzentraten ist Chile, das mehr als ein Drittel der Weltkupferproduktion liefert.

Vom Erz zum Kupferkonzentrat

Erzförderband
Erzförderband

Vor der Verhüttung erfolgt die Abtrennung der großen Mengen "tauben" Begleitgesteins (Gangart) von den sulfidischen kupferhaltigen Erzteilen. Das Erz wird in Erzbrechern zerkleinert; in Pulvermühlen zu Pulver - Korngrößen oft kleiner als 100 μm - gemahlen.

Flotation

Flotation
Flotation

Die Erzanreicherung zu Kupferkonzentraten erfolgt nach dem Verfahren der Schwimmaufbereitung (Flotation). Hierbei werden Mineralien durch unterschiedliche Oberflächeneigenschaften voneinander getrennt. Der Kupfergehalt der Konzentrate liegt meistens zwischen 20 und 30 %, in sehr günstigen Fällen erreicht er 50 %.

Aus den in erheblich geringeren Mengen anfallenden oxidischen Erzen wird dagegen das Kupfer nassmetallurgisch oder nach Sonderverfahren gewonnen.

Schmelzmetallurgische Gewinnung

Schmelzmetallurgische Gewinnung
Schmelzmetallurgische Gewinnung

Vom Kupferkonzentrat zum raffiniertem Kupfer

Kupferkonzentrate werden ausschließlich schmelzmetallurgisch (pyrometallurgisch) verarbeitet. Dabei erfolgt die Gewinnung des Rohkupfers in mehreren Reaktionsstufen. Der Reaktionsablauf führt über die Verfahrensstufen Schmelzen zu Kupferstein mit einem Cu-Gehalt von 30 - 80 %, Konvertieren zu Blisterkupfer (Cu-Gehalt 96 - 99 %) zu der nachfolgenden Feuer-Raffination zu Anodenkupfer mit einem Cu-Gehalt ≥ 99 %, Sauerstoffgehalt ≤ 0,2 %.
Für große Mengen hat sich heute - und nur für solche ist dieses Gewinnungsverfahren wirtschaftlich - das Schwebeschmelzverfahren (Outokumpu-Verfahren) durchgesetzt. Ein Reaktionsschacht dient hierbei zugleich dem Rösten und Schmelzen der vorgetrockneten Konzentrate, ein darunter liegender Absetzherd der Trennung von Stein und Schlacke. In einem Abgasschacht sind Abhitzekessel und Filter nachgeschaltet, in denen aus den abströmenden Gasen Flugstaub abgeschieden wird. Aus den gefilterten Ofengasen, die noch SO2 enthalten, wird in Kontaktanlagen Schwefelsäure gewonnen. Der Kupferstein wird von Zeit zu Zeit dicht über dem Ofenboden abgestochen und in den Konverter überführt. Durch Einblasen von Luft wird das restliche Eisensulfid oxidiert, wobei Schwefel als SO2 mit dem Abgas zur Schwefelsäuregewinnung abgeführt und schließlich das Kupfersulfid zerlegt wird. In neuerer Zeit gewinnen auch Direktverfahren, bei denen alle Reaktionsschritte, Rösten, Schmelzen und Verblasen, in einem Prozess vereint sind, an Bedeutung.
Anschließend wird Kupfer im Schmelzfluss und durch Elektrolyse raffiniert, wobei Feuer-Raffination ohne anschließende Elektrolyse nur noch einen Anteil von etwa
10 % hat.
Bei der Feuer-Raffination werden im Raffinier-Flammofen Verunreinigungen durch Einblasen von Luft entfernt und anschließend durch "Polen" des flüssigen Kupfersteins im Drehofen (Anodenofen) der letzte Rest an Schwefel entfernt und vor allem der Sauerstoffgehalt auf 500 ppm bis 2 000 ppm reduziert. Früher erfolgte das "Polen" durch das Eintauchen von Birken- oder Buchenstämmen in das flüssige Metall; heute wird überwiegend Erdgas, Propan, Naphtha, Reformiergas oder Ammoniak als Reduktionsmittel eingesetzt.

Anodengießrad

Anodengießrad
Anodengießrad

Das feuerraffinierte, zähgepolte Kupfer wird zum Teil auf Stranggießanlagen zu Formaten, wie Rundbolzen, Walzplatten und Kerbblöckchen, der größere Anteil jedoch für die anschließende elektrolytische Raffination auf Anodengießrädern zu Anoden vergossen.

Die Anoden werden auf großen sich drehenden
Anodengießrädern in 20 - 30 offene Formen gegossen. Gewicht
der Platten 300 - 500 kg.
(Konzentration ca. 99,5% Cu)

Raffinationselektrolyse

Raffinationselektrolyse
Raffinationselektrolyse

Die elektrolytische Raffination, Raffination auf geringste Verunreinigungsgrade, ist notwendig, da bereits sehr geringe Verunreinigungen die thermische und elektrische Leitfähigkeit des Kupfers stark herabsetzen. Dazu werden in mit Kupfersulfatlösung gefüllte Elektrolysebäder die aus relativ unreinem Kupfer gegossenen Anodenplatten und aus Elektrolyt-Kupfer hergestellte dünne Kathoden-Startbleche bzw. in moderneren Elektrolyseanlagen Dauerkathoden aus Edelstahl gehängt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung geht das Kupfer an den Anoden in Lösung und schlägt sich an den Kathoden als sehr reines Kupfer nieder, während die Verunreinigungen oder Begleitmetalle entweder in Lösung gehen oder als Anodenschlamm niedersinken. Die so erzeugten Kathodenplatten werden z.T. wieder eingeschmolzen und zu Formaten für die Halbzeugherstellung vergossen.

(Konzentration ca. 99,99% Cu)