Gewinnung

Ob es sich lohnt, Kupfererz abzubauen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Wichtig ist natürlich vor allem der Gehalt des Erzes sowie die gesamte Ausdehnung der Lagerstätte, aber auch die vorhandene Infrastruktur. Kupfererze werden sowohl im Untertagebau als auch im Tagebau gewonnen. Früher galt eine Lagerstätte mit mindestens 1 bis 2 % Kupfergehalt als abbauwürdig – heute liegt der Mindestgehalt für große Tagebaue bei 0,3 %. Die riesigen porphyrischen Kupferlagerstätten mit einem geringen Kupfergehalt des Erzes (<1 % Cu) lassen sich nur durch den kostengünstigeren Tagebau und mit modernsten Abbaumethoden wirtschaftlich nutzen.

Die terrassenförmigen Tagebaue dieser Kupferlagerstätten stellen die größten Erzgruben der Welt dar. Ihre Ausmaße erstrecken sich nicht selten über mehr als einen Quadratkilometer Fläche bei Abbautiefen von mehreren hundert Metern. Derzeit stammt rund 75 % des gewonnenen Primärkupfers aus Tagebauen. Vielfach sind ursprünglich sulfidische Erzlagerstätten durch oxidierende Einflüsse im Bereich der Erdoberfläche in oxidische Mineralien umgewandelt worden. Deshalb beginnt auf vielen Lagerstätten der Bergbau von der Erdoberfläche ausgehend mit dem Abbau oxidischer Kupferminerale, um bei zunehmender Tiefe nach und nach schließlich das Gebiet der sulfidischen Erze zu erreichen. Je nach Art dieser Vorgänge können unterschiedlich große und Vorkommen reiche Lagerstätten gebildet werden.

Ein Erz ist ein Stein in dem genügend wertvolles Mineral zu finden ist, das es wert ist, gewonnen zu werden. Für Kupfer bedeutet das, dass eine sogenannte Extraktion dann Sinn macht, wenn über 2 kg Kupfer in 1.000 kg Erz (0,2 %) enthalten sind. Kupfermineralien werden in verschiedenen Formen gefunden, wobei nur eine geringe Anzahl abgebaut wird. Kupfererze kommen häufig vor. So wird Kupfer aus Chalkopyrit (Kupferkies, CuFeS2), Chalkosin (Kupferglanz, Cu2S), seltener auch aus Bornit (Buntkupferkies, Cu5FeS4), Atacamit (CuCl2· Cu(OH)2), Malachit (Cu2[(OH)2|CO3]) und anderen Erzen gewonnen. Bereits im Jahr 2010 waren 636 Kupferminerale bekannt. Am meisten werden die sulfidischen Erze verwendet.
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.

 

Verarbeitungsstufen

Aufbereitung
Schmelzmetallurgische Gewinnung
Hydrometallurgische Gewinnung

Aufbereitung

Vor der Verarbeitung des Kupfererzes durch schmelz- oder nassmetallurgische Prozesse, der sogenannten Verhüttung, erfolgt die Abtrennung der in den Fördererzen vorhandenen großen Mengen „tauben“ Begleitsteins von den kupferhaltigen Erzteilen. Das Erz wird zunächst durch Erzbrecher zerkleinert und in Mühlen zu Pulver gemahlen, wobei die Freilegung der einzelnen Mineralphasen häufig erst bei Korngrößen <100 μm erfolgt.

Die Erzanreicherung zu Kupferkonzentraten erfolgt bei sulfidischen Kupfererzen nach dem Verfahren der Schwimmaufbereitung (Flotation). Hierbei werden Mineralien in einer Erztrübe aufgrund unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften voneinander getrennt. Dazu wird feingemahlenes Roherz in Wasser aufgeschlämmt, dem bestimmte, die Benetzbarkeit der Mineralien beeinflussende Chemikalien und Schaumbildner zugesetzt werden; Luft wird in feiner Verteilung am Boden der Behälter eingeblasen. Die sulfidischen Kupfermineralteilchen sind hydrophob, hängen sich an die Luftbläschen und werden von diesen in den sich an der Oberfläche ansammelnden Schaum gehoben, während die tauben Gesteinskörnchen – die Gangart – zum Behälterboden sinken. Man erhält auf diese Weise Erzkonzentrate, deren Kupfergehalt meistens zwischen 20 und 30 % liegt. Sehr reiche Konzentrate enthalten bis zu 50 % Kupfer. Da die Kupfergehalte der Roherze sehr gering sind, und bei der Flotation eine große Menge an „Bergen“, also nicht verwendbares Material entsteht, liegen die Fabriken zur Aufbereitung der Roherze aus wirtschaftlichen Gründen in der Nähe der Lagerstätten. Aus oxidischen Kupfererzen wird normalerweise das Kupfer nassmetallurgisch gewonnen. Dazu wird das zerkleinerte Erz in Tanks mit Schwefelsäure behandelt und Kupfer aus dem Erz herausgelaugt. Dieses Verfahren kann auch auf Erz- und Rückstandshalden sowie auf ganze Lagerstätten angewendet werden, sofern das Gestein die erforderliche Durchdringung mit Schwefelsäure erlaubt. Das gelöste Kupfer wird anschließend durch geeignete Extraktionsverfahren aus der Lauge ausgefällt.

Bei der anschließenden Verhüttung werden Kupferkonzentrate hauptsächlich schmelzmetallurgisch (pyrometallurgisch), oxidische Kupfererze nassmetallurgisch (hydrometallurgisch) verarbeitet. Wegen der hohen Investitionskosten lohnt sich die schmelzmetallurgische Verarbeitung nur bei hohen Kapazitäten von über 50.000 t Kupfer pro Jahr.

Das pyrometallurgische Verfahren ist das überwiegend angewendete Verfahren und wird bei sulfidischen Kupfererzen durchgeführt, die bereits durch Flotation angereichert wurden. Der Standort der Hütte ist nicht an die Nähe der Mine gebunden, da der Transport von Kupferkonzentraten auch über große Entfernungen wirtschaftlich ist. Hydrometallurgische Verarbeitung ist dagegen bereits bei kleineren Kapazitäten, zum Teil bereits bei unter 10.000 t Kupfer pro Jahr, wirtschaftlich.

Schmelzmetallurgische Gewinnung

Die Gewinnung des Rohkupfers aus Kupferkonzentraten, vorzugsweise aus Kupferkies (CuFeS2), erfolgt in mehreren Reaktionsstufen. Das früher angewandte Verfahren beinhaltet die drei Arbeitsgänge Teilrösten, Steinschmelzen, Konverterbetrieb, während die heute am häufigsten verwendete Technik, das Schwebeschmelzverfahren, Schmelzen und Rösten in einem Arbeitsgang verbindet. Eine dritte Möglichkeit ist die Kombination der drei Einzelarbeitsgänge zu einem kontinuierlichen Prozess. Grundsätzlich ist der Reaktionsablauf für alle eingesetzten schmelzmetallurgischen Gewinnungsverfahren gleich. Er führt über das Schmelzen des Kupferkonzentrates zu Kupferstein (Kupfer-Gehalt bis 80 %), über die Verfahrensstufe Konvertieren zu Blisterkupfer (Kupfer-Gehalt 96 bis 99 %) sowie mit nachfolgender Feuer-Raffination zu Anodenkupfer (Kupfer-Gehalt ≥ 99 %, Sauerstoff-Gehalt ≤ 0,2 %).

Um Kupferstein, ein Gemisch aus Kupfersulfid und Eisensulfid, zu erzeugen, werden Kupferkonzentrate unter Zugabe von Schlackenbildnern (SiO2) oxidierend erschmolzen. Je nach Verfahren wird dabei ein mehr oder weniger großer Teil der notwendigen Schmelzenergie durch teilweise Oxidation des Schwefels zu Schwefeldioxid und des Eisens zu Eisenoxid gewonnen. Für das Verschmelzen zu Kupferstein kommt es auf das richtige Mengenverhältnis zwischen Kupfer, Eisen und Schwefel an. Häufig muss deshalb zunächst ein Teil des Schwefels durch eine Erzröstung entfernt werden. Der Kupferstein trennt sich hier von der entstehenden, spezifisch leichteren Schlacke (Hauptbestandteile: Fe0, Si02, Ca0, Al203; 40 % Eisen, 1,5 % Kupfer), die als Schicht auf dem flüssigen Kupferstein schwimmt. Beim Erschmelzen von Kupferstein wird grundsätzlich zwischen Bad- und Schwebeschmelzverfahren unterschieden. Dabei finden beim ersten Verfahren im Erzflammofen die Reaktionen überwiegend in der flüssigen Phase und beim Letzteren in der Gasphase statt. Die nachgeschaltete Absatzzone im Unterofen beim Schwebeschmelzverfahren dient nur der Trennung von Kupferstein, Schlacke und Flugstaub.

Standardmäßig hat sich heute für große Kapazitäten das Schwebeschmelzverfahren (Outokumpu-Verfahren) durchgesetzt: Getrocknetes Erzkonzentrat (maximal 1 % Feuchtigkeit), Sandzuschläge und Flugstaub aus der Gasreinigung werden einem Bunker entnommen und in den Schwebeschmelz-Ofen eingebracht. Zusätzlich wird Luft, angereichert mit Sauerstoff, eingeblasen. Im oberen Teil des Ofens findet eine teilweise Oxidation des Schwefels und des Eisens durch den Sauerstoff statt (Teilrösten). Dabei ist das Rösten von Kupfer-Konzentrat ein stark exothermer Vorgang (CuFeS2 + 13/2 O2 2 CuO + Fe2O3 + 4 SO2 – 971 kJ). Die hierbei entstehende Reaktionswärme wird zur weiteren Aufheizung des herabsinkenden Konzentrates ausgenutzt. Die Teilchen erreichen dabei den Schmelzpunkt und sinken als Kupferstein bzw. Schlacke-Tropfen zu Boden. Der Kupferstein besteht aus Kupfersulfid und Eisensulfid (Cu2S + FeS) und enthält durchschnittlich etwa 65 % Kupfer, 20 % Schwefel und 15 % Eisen. Die entstandene Schlacke besteht aus Eisenoxid und Silikaten und enthält etwa 40 % Eisen und 1,5 % Kupfer. Dieser relativ hohe Kupfergehalt fordert eine weitere Aufarbeitung: Die Schlacke wird deshalb einem Elektro-Ofen zugeführt. Der Kupfergehalt geht durch diesen Prozess auf etwa 0,6 – 0,8 % unter Gewinnung von weiterem Kupferstein zurück. Das hier entstehende Abgas hat eine Temperatur von etwa 1300 °C. Es dient im Abhitzekessel zur Dampferzeugung bzw. Energiegewinnung. Das Abgas selbst enthält 20 – 40 % SO2. Es kann zur Schwefelsäuregewinnung verwendet werden. Der im Schwebeschmelz- und Elektro-Ofen gewonnene Kupferstein wird schließlich im schmelzflüssigen Zustand (ca. 1180 °C) zur weiteren Verarbeitung in den Konverter gegeben.

Hier erfolgt eine weitere Verringerung des Schwefel- und Eisengehaltes, in dem durch Einblasen von Luft in den flüssigen Kupferstein zuerst das restliche Eisensulfid oxidiert wird, wobei Schwefel als gasförmiges SO2 mit dem Abgas abgeführt und auf Schwefelsäure verarbeitet wird, während das Eisen mit zugeschlagener Kieselsäure eine Schlacke bildet, die abgegossen wird. Beim folgenden Verblasen zerlegt sich dann auch das Kupfersulfid, so dass der Konverterinhalt schließlich aus flüssigem Rohkupfer und einer stark kupferhaltigen Schlacke besteht. Das Endprodukt der Konverterarbeit ist das Blisterkupfer (Blasenkupfer) mit 98 bis 99 % Kupfergehalt. Dieses wird anschließend in den Anodenofen überführt.

Unter den Badschmelzverfahren haben die Direktverfahren, die in einem Zug alle drei Verfahrensschritte Rösten, Schmelzen sowie Verblasen in sich vereinen, große Bedeutung. Großtechnische Anwendung haben auf diesem Gebiet die als Mitsubishi-Verfahren und Noranda-Prozess bekannten Produktionsverfahren erlangt. Obwohl beim Mitsubishi-Verfahren der Verschleiß der Sauerstoff/Luft-Lanzen und die Qualität des erzeugten Blisterkupfers problematisch sind, wurde bei diesem Prozess der bisher einzige kontinuierlich und wirtschaftlich arbeitende Konverter integriert. Während sich die Badschmelzverfahren gut für den direkten Einsatz von Rücklaufmaterialien eignen, ist dies bei den Schwebeschmelzverfahren nur in begrenztem Maße möglich. Das bestimmt unter Umständen auch die Auswahl des Prozesses, da die Rückgewinnung aus Sekundärmaterialien eine immer größere Bedeutung gewinnt.

Hydrometallurgische Gewinnung

Die hydrometallurgische bzw. nass-chemische Gewinnung von Kupfer wird für oxidische und oxidisch-sulfidische Erze eingesetzt. Sie hat einen vergleichsweise niedrigen, aber stetig steigenden Anteil an der weltweiten Kupfergewinnung. Dabei wird zunächst Kupferkonzentrat mit einem Kupfergehalt von 15-30 % durch die Auslaugung der Erze mit Schwefelsäure gebildet. Beim anschließenden Vorgang der Zementation wird das saure Extrakt mit Eisenschrott versetzt, wodurch Eisen in Lösung geht und das edlere Kupfer als Metall freigesetzt wird. Das so entstandene Rohkupfer muss in einem Raffinationsschmelzen noch von Verunreinigungen wie z.B. Eisen, Blei, Zinn, Zink, Arsen oder Antimon getrennt werden bevor es den abschließenden Prozess der elekrolytischen Raffination durchläuft. Das Verhältnis zwischen pyrometallurgischer und hydrometallurgischer Gewinnung liegt bei ca. 80 % zu 20 %.

Durch die etwa 1970 erfolgte Einführung der Solventextraktionstechnik (Laugung mit Schwefelsäure und organischen Extraktionsmitteln) mit dem daran anschließenden Elektrowinning-Prozess (Winning-Elektrolyse) wurde die hydrometallurgische Verarbeitung -vorzugsweise von oxidischen Kupfererzen – entscheidend verbessert. Die gewonnenen SXEW-Kathoden stehen qualitativ den durch Raffinations- Elektrolyse gewonnenen Kathoden nicht nach.

Haben Sie den passenden Inhalt nicht gefunden?

Newsletter anmelden

×

Journalisten-Newsletter anmelden

×