A metalurgia extrativa do cobre é o conjunto de operações para a fabricação do cobre metálico a partir do minério , ou mais raramente a partir da reciclagem de resíduos metalúrgicos contendo cobre (mais de 30% do cobre consumido em 2005 foi reciclado).
A fonte mais comum de minério de cobre é a calcopirita (CuFeS 2 ), responsável por mais de 50% da produção, mas também é encontrada como sulfuretos na tetraedrita , bornita e enargita e como óxido, na cuprita e na malaquita , azurita , calcocita . Em grande medida, os óxidos e sulfuretos de cobre são separados naturalmente. Além disso, geralmente não é necessário separar os óxidos e sulfuretos do minério.
O teor de cobre nos minérios varia de 0,5% a 5%. É 0,01% nas rochas vulcânicas e 0,0055% nas rochas cristalinas. Por razões ambientais e econômicas, muitos subprodutos são recuperados. O dióxido de enxofre, por exemplo o gás, é convertido em ácido sulfúrico, que por sua vez é usado no processo de extração.
Em tempos pré-históricos, as minas eram a céu aberto, então a prospecção era simples. A Idade do Cobre é a primeira evolução das ferramentas de metal, em um período às vezes diferenciado com o nome de Calcolítico . Inicialmente é apenas cobre utilizado no estado nativo, simplesmente martelado para lhe dar forma: nesta fase, é utilizado mais como pedra maleável do que como metal. O teor de cobre dos depósitos era de cerca de 90%. Não houve mineração e o cobre foi moldado ao seu estado nativo.
Os minérios de cobre são formados quando soluções geotérmicas , ricas em metais dissolvidos, sobem à superfície e, amalgamando-se com outros metais, precipitam , depositando-se em veios através da rocha. O cobre se estabelece como sulfeto de cobre ou mesmo metal. Ao longo de milhares de anos, o ar ou a água eventualmente penetram e oxidam o mineral.
Os minerais de cobre mais comuns em áreas hidrotérmicas são:
Calcopirita , das minas de tungstênio de Nababeep , África do Sul .
Bornita incrustada em quartzo , mina Leonard, Butte , Estados Unidos .
Os sulfetos de cobre podem ser oxidados. Por soluções ácidas, o enxofre e o ferro são substituídos por carbonatos e hidróxidos. O Fe pode ser eliminado, de acordo com os tipos de minerais, na forma de sulfato de ferro solúvel ou na forma de goethita , limonita ...
Os minerais de cobre mais comuns obtidos são:
Certos minerais podem precipitar por causa das águas hidrotermais e dar:
Os depósitos de minério de cobre foram descobertos há 4.700 anos no Sinai pelos egípcios, durante uma expedição do Faraó Smerkhet.
Tal como acontece com muitos metais não ferrosos, o cobre foi extraído de depósitos cada vez mais pobres. Em 1800, o minério inglês titulava mais de 9% de cobre. Ainda contém mais de 6% por volta de 1880, mas está esgotado. Ao mesmo tempo, quando o processo Manhès-David foi desenvolvido , minério americana, muito abundante, continha, em média, de cobre 3%, 2% em 1930, 1% em 1975 e 0,6%, no início do XXI th século.
Hoje as fontes de cobre são mais discretas e difíceis de encontrar. Os depósitos de calcopirita são explorados extensivamente no Canadá , Zâmbia , Katanga na República Democrática do Congo , Mali , Cazaquistão , Mauritânia , Polônia e Estados Unidos , nos estados do Arizona , Montana , Novo México e Utah . Uma das maiores minas do mundo está localizada em Chuquicamata , no Deserto do Atacama, no Chile . A malaquita (uma pedra verde opaca) é extraída na região de Lubumbashi , no leste do Congo. Atualmente, o teor de cobre dos depósitos ricos é da ordem de 4%. A maior mina de cobre a céu aberto do mundo está localizada na Ilha Bougainville ; está fechado desde 1989, após sabotagem realizada pelo Exército Revolucionário de Bougainville .
A rota hidrometalúrgica para extração de cobre é cada vez mais favorecida por causa de
A maioria dos minérios de cobre extraídos hoje são sulfuretos de metal, como calcopirita . É possível dissolver esses sulfetos na água por várias vias.
Uma primeira solução é simplesmente liberar os íons Cu 2+ pulverizando uma pilha de minério com ácido sulfúrico . No entanto, este processo se aplica principalmente a minérios oxidados. Minérios de sulfeto podem ser torrados (oxidados) e entrar neste processo de fabricação.
A segunda solução visa oxidar os minérios de sulfeto por lixiviação bacteriana ( Thiobacillus ferrooxidans ) em um ambiente fortemente oxidante (ácido sulfúrico). O modo de operação é do tipo catalítico. A oxidação do cobre em íon cúprico é acelerada pelas bactérias. Estes últimos se alimentam de dióxido de carbono e têm a particularidade de poder viver em um ambiente muito hostil. Para a lixiviação bacteriana, são necessárias fases alternadas de lavagem (com água), repouso e rega (com ácido) para manter a atividade da bactéria. Finalmente, deve-se notar que essas bactérias estão naturalmente presentes no monte e não é necessário cultivá-las para introduzi-las.
Aquecimento em vários fornos, como fornos de torrefação , alto-forno ou forno reverberatório , forno elétrico a arco , fundição instantânea para reduzir e fundir o cobre, que pode então ser refinado por um conversor ( método Manhès-David ).
Em meados do XX ° século, o alto forno sofreu concorrência de forno reverberatory. Na verdade, embora tenha excelente eficiência térmica, só pode derreter minérios de rocha, que constituem um leito permeável aos gases. Por outro lado, o forno de reverberação é eficiente com minérios finos, de qualidade inferior, que, sem aglomeração , entupiriam os altos-fornos. Mas no início do 21 st século, piscar de fusão é necessário na frente do forno de reverberação, em primeiro lugar por causa de considerações ecológicas, em seguida, por causa das economias de energia que ele permite. Durante o choque do petróleo de 1973 , suplantou-o definitivamente, garantindo mais de 60% da produção de cobre.
No início do XXI th século, a produção de cobre no alto-forno está confinada à área muito específica de sucata de cobre refluxo relativamente pobre, que devido à flexibilidade da condução do alto-forno em materiais muito diversos.
Altos-fornos produtores de cobre fosco , em 1899, na Austrália .
Conversor Peirce-Smith , em 1972, nos Estados Unidos .
Com o esgotamento dos minérios, a hidrometalurgia torna-se mais complexa, enquanto a extração pirometalúrgica muda pouco. No início do XXI th século, a pirometalúrgica representa apenas 10% da energia necessária para toda a mineração de cobre.
O cobre obtido nos processos de refino pirometalúrgico, chamados blister packs, contém menos de 1% em peso de elementos indesejáveis, o que ainda é uma proporção muito alta. Esses elementos têm uma forte influência nas propriedades elétricas ou térmicas do cobre. O refino por eletrólise ainda deve ser realizado para remover esses elementos, alguns dos quais são preciosos ( ouro , prata , etc.) ou relativamente escassos ( índio , tálio , selênio , telúrio , etc.) e são recuperados em resíduos de eletrólise ( lodo sedimentado no fundo das células de eletrólise). Essas impurezas (Au, Ag, In, Tl, Se, Te) estão inicialmente contidas em minérios de sulfeto de cobre, como calcopirita .
Para purificação avançada de cobre em laboratório, também é possível usar fusão por zona em quantidades modestas de material. O método ou técnica da zona fundida (também denominado fusão por zona ou refinação por zona fundida e designada em inglês pelos termos zona de fusão e zona de refinação ) é uma técnica que permite purificar compostos cristalinos estáveis à fusão . A vantagem desta técnica é que pode permitir obter graus de pureza muito elevados (99,999% em massa para o silício , por exemplo). Foi inventado na década de 1950 por WG Pfann .