Cuivre : histoire, production et avenir durable

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Historique

Le cuivre (Cu) est un métal naturellement rouge-orangé prisé pour sa conductivité thermique et électrique exceptionnelle. Il forme l'épine dorsale d'innombrables objets du quotidien — du câblage électrique et ustensiles de cuisine aux radiateurs automobiles et revêtements protecteurs. Historiquement, la polyvalence du cuivre s'étendait aux pigments, conservateurs de papier et teintures textiles. L'alliage du cuivre avec le zinc produit du laiton, tandis que l'étain donne du bronze.

Des preuves archéologiques montrent l'utilisation du cuivre il y a ~10 000 ans. Un pendentif en cuivre daté de 8700 av. J.-C. a été déterré dans le nord de l'Irak, et vers 6400 av. J.-C., la région anatolienne fondait et coulait du cuivre. Les pratiques égyptiennes ont suivi vers 4500 av. J.-C., et l'exploitation minière systématique est documentée dans la péninsule du Sinaï vers 3800 av. J.-C. En 3000 av. J.-C., Chypre a révélé de riches gisements de cuivre ; les Romains ont nommé le métal aes cyprium, un terme qui a évolué en « cuprum » et le symbole moderne Cu.

Dans les Amériques, les communautés côtières péruviennes produisaient des artefacts en cuivre vers 500 av. J.-C., et la métallurgie inca a prospéré jusqu'à la conquête espagnole au 16e siècle.

Aux États-Unis, la première mine commerciale a ouvert à Branby, Connecticut (1705), suivie de Lancaster, Pennsylvanie (1732). Malgré l'exploitation minière précoce, le cuivre américain provenait largement du Chili jusqu'en 1844, quand le district de cuivre supérieur près du Lac Supérieur a commencé la production domestique. Les avancées de la fin du 19e siècle ont permis l'extraction de minerais de faible teneur via d'immenses opérations à ciel ouvert à travers l'Ouest.

Aujourd'hui, les États-Unis et le Chili dominent la production mondiale, suivis par la Russie, le Canada et la Chine.

Matériaux premiers

Le cuivre pur est rarement trouvé dans la nature ; il est extrait d'une variété de minerais. Environ 40 pays exploitent environ 15 minerais de cuivre commerciaux, dont la plupart sont des minéraux sulfureux liés au soufre. Des minerais oxydes, carbonates et mixtes se produisent également, et beaucoup contiennent des sous-produits précieux comme l'or, l'argent et le nickel. Les minerais de cuivre typiques aux États-Unis contiennent 1,2-1,6 % de cuivre en poids.

Le principal minerai sulfureux est la chalcopyrite (CuFeS₂), connue sous le nom de pyrite de cuivre ou minerai de cuivre jaune. La chalcocite (Cu₂S) est un autre sulfure courant. Les minerais oxydes incluent la cuprite (Cu₂O, cuivre rouge) et les minerais carbonates comme la malachite (Cu(OH)₂·CuCO₃) et l'azurite (Cu(OH)₂·2CuCO₃). D'autres minéraux — tennantite, bornite, chrysocolla et atacamite — fournissent aussi du cuivre.

Le traitement et le raffinage emploient généralement de l'acide sulfurique, de l'oxygène, du fer, de la silice et des réactifs organiques, selon la méthode choisie.

Le processus de fabrication

L'extraction du cuivre varie selon le type de minerai et la pureté désirée. Le processus élimine systématiquement les matériaux non-cuivre et concentre le cuivre par des étapes physiques et chimiques, menées à la fois sur site et dans des installations dédiées.

Exploitation minière

• Les grandes mines à ciel ouvert utilisent le forage et le dynamitage. L'enlèvement du stérile expose les gisements de minerai, créant des fosses qui peuvent dépasser un mile de large. Des routes découpées dans la fosse permettent l'accès aux machines lourdes.
• Des pelles mécaniques, chacune capable de 500-900 pieds cubes (15-25 m³) par pelletée, chargent le minerai dans des camions de transport qui l'évacuent de la fosse.

Concentration

Le minerai brut contient de la terre, de l'argile et des minéraux non-cuivre. La première étape est de réduire ces déchets par flottation.

• Le minerai est concassé à travers une série de concasseurs à cône, qui le compressent entre des cônes intérieurs et extérieurs rotatifs.
• Le matériau concassé est davantage broyé dans des broyeurs à barres et deux broyeurs à boulets, produisant une boue avec des particules d'environ 0,01 po (0,25 mm).
• Les réactifs enrobent les particules de cuivre ; un moussant (huile de pin ou alcool à longue chaîne) crée des bulles. L'air est injecté par le bas des cellules de flottation, faisant attacher le cuivre aux bulles qui remontent à la surface. La mousse est écumée, l'eau est drainée, et le concentré résultant contient 25-35 % de cuivre, avec des traces d'or, d'argent et d'autres métaux. Les stériles — gangue — sont déposés dans des bassins de décantation.

Fusion

Après le nettoyage physique, le concentré subit la fusion pour éliminer le fer et le soufre. Les fours traditionnels utilisent deux fours ; les usines modernes peuvent combiner les étapes en une seule unité.

• Dans le four flash, le concentré et le flux de silice sont chauffés avec de l'air enrichi en oxygène. Le fer se combine avec le flux pour former des scories, qui sont écumées. Le soufre forme du dioxyde de soufre, évacué et plus tard converti en acide sulfurique. Le matte fondu restant — environ 60 % de cuivre — s'écoule vers le convertisseur.
• Le convertisseur ajoute plus de flux et souffle de l'oxygène. Les réactions éliminent le fer et le soufre résiduels, produisant du cuivre cloqué à ~99 % de pureté. Les scories peuvent être recyclées vers le four flash ; le dioxyde de soufre est traité dans une usine d'acide.

Raffinage

Le cuivre cloqué contient encore des impuretés qui entravent l'utilisation finale. Le raffinage au feu oxyde d'abord le soufre et l'oxygène résiduels. Le flux de carbonate de sodium élimine l'arsenic et l'antimoine en traces. Le cuivre fondu, maintenant ~99,5 % pur, est coulé en grosses anodes pour l'électroraffinage.

• Chaque anode est placée dans une cellule en polymère-béton avec une cathode en cuivre opposée. La cellule contient une solution acide de sulfate de cuivre, et quand le courant passe, le cuivre se dissout de l'anode et se dépose sur la cathode.
• Après 9-15 jours, la cathode — maintenant 99,95-99,99 % pure — pèse ~300 lb (136 kg).
• La boue résultante, riche en or, argent, sélénium et tellure, est collectée pour la récupération des métaux précieux.

Coulée

Le cuivre raffiné est fondu et coulé en lingots, plaques, billettes ou barres, adaptés à l'usage final :

• Lingots : blocs rectangulaires ou trapézoïdaux utilisés pour l'alliage.
• Plaques : dalles de 8 po (20 cm) d'épaisseur jusqu'à 28 pi (8,5 m) de long, laminées en tôles, bandes, feuilles ou feuillards.
• Billettes : cylindres de 8 po (20 cm) de diamètre, extrudés en tubes et tuyaux.
• Barres : ~0,5 po (1,3 cm) de diamètre, coulées longues et enroulées, puis étirées en fils.

Contrôle qualité

Les applications électriques exigent des niveaux d'impuretés ultra-faibles. Le cuivre est raffiné jusqu'à une quasi-pureté absolue, et des échantillonnages analytiques à chaque étape assurent que les ajustements de processus nécessaires sont faits rapidement.

Sous-produits et déchets

La fusion produit de l'acide sulfurique, réduisant les émissions des fours. La récupération de l'or, de l'argent et d'autres métaux précieux des scories et boues ajoute de la valeur économique.

Les déchets miniers — incluant le stérile, les résidus et les scories — peuvent contenir de l'arsenic, du plomb et d'autres substances dangereuses. Aux États-Unis, l'Agence de protection de l'environnement (EPA) réglemente le stockage et la remédiation de tels déchets. Bien que la gestion de milliards de tonnes de matériaux pose des défis, elle offre aussi des opportunités de récupérer des ressources utilisables.

L'avenir

La demande de cuivre — surtout dans les secteurs électriques et électroniques — reste robuste. Les tendances actuelles de l'industrie favorisent les processus écoénergétiques à faibles émissions et une plus grande réduction des déchets. Cependant, des réglementations environnementales strictes et des contraintes de minerai de faible teneur peuvent augmenter les coûts de production.

Le recyclage stimule la croissance : plus de la moitié de la production de cuivre américaine provient de sources recyclées. Les déchets d'usinage du cuivre représentent 55 % du cuivre recyclé, tandis que 45 % proviennent de produits d'usage final comme le câblage et les radiateurs. À mesure que les coûts de l'exploitation minière primaire augmentent, la part recyclée devrait grimper.