Cuivre

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Contexte

Le cuivre est l'un des éléments chimiques de base. Dans son état presque pur, le cuivre est un métal rouge orangé connu pour sa conductivité thermique et électrique élevée. Il est couramment utilisé pour produire une grande variété de produits, notamment des fils électriques, des casseroles et des poêles, des tuyaux et des tubes, des radiateurs automobiles et bien d'autres. Le cuivre est également utilisé comme pigment et conservateur pour le papier, la peinture, les textiles et le bois. Il est combiné avec du zinc pour produire du laiton et avec de l'étain pour produire du bronze.

Le cuivre a été utilisé pour la première fois il y a 10 000 ans. Un pendentif en cuivre d'environ 8700 BC a été trouvé dans ce qui est maintenant le nord de l'Irak. Il existe des preuves que vers 6400 av. le cuivre était fondu et coulé dans des objets dans la région maintenant connue sous le nom de Turquie. Vers 4500 av. , cette technologie était également pratiquée en Égypte. La plupart du cuivre utilisé avant 4000 av. provenait de la découverte aléatoire d'affleurements isolés de cuivre natif ou de météorites ayant impacté la Terre. La première mention de l'extraction systématique du minerai de cuivre remonte à environ 3800 BC. quand une référence égyptienne décrit les opérations minières sur la péninsule du Sinaï.

Vers 3000 av. , d'importants gisements de minerai de cuivre ont été découverts sur l'île de Chypre en mer Méditerranée. Lorsque les Romains conquirent Chypre, ils donnèrent au métal le nom latin aes cyprium, qui était souvent abrégé en cyprium. Plus tard, cela a été corrompu en cuprum, d'où dérivent le mot anglais cuivre et le symbole chimique Cu.

En Amérique du Sud, des objets en cuivre étaient produits le long de la côte nord du Pérou dès 500 av. , et le développement de la métallurgie du cuivre était bien avancé au moment où l'empire Inca est tombé aux mains des soldats espagnols conquérants dans les années 1500.

Aux États-Unis, la première mine de cuivre a été ouverte à Branby, Connecticut, en 1705, suivie d'une à Lancaster, Pennsylvanie, en 1732. Malgré cette production précoce, la plupart du cuivre utilisé aux États-Unis a été importé du Chili jusqu'en 1844, lorsque l'exploitation de grands gisements de minerai de cuivre à haute teneur autour du lac Supérieur a commencé. Le développement de techniques de traitement plus efficaces à la fin des années 1800 a permis l'extraction de minerais de cuivre à faible teneur à partir d'énormes mines à ciel ouvert dans l'ouest des États-Unis.

Aujourd'hui, les États-Unis et le Chili sont les deux premiers pays producteurs de cuivre au monde, suivis de la Russie, du Canada et de la Chine.

Matières premières

Le cuivre pur est rarement trouvé dans la nature, mais est généralement combiné avec d'autres produits chimiques sous forme de minerais de cuivre. Il y a environ 15 minerais de cuivre exploités commercialement dans 40 pays à travers le monde. Les plus courants sont connus sous le nom de minerais sulfurés dans lesquels le cuivre est chimiquement lié au soufre. D'autres sont connus sous le nom de minerais d'oxyde, de minerais de carbonate ou de minerais mélangés selon les produits chimiques présents. De nombreux minerais de cuivre contiennent également des quantités importantes d'or, d'argent, de nickel et d'autres métaux précieux, ainsi que de grandes quantités de matériaux commercialement inutiles. La plupart des minerais de cuivre extraits aux États-Unis ne contiennent qu'environ 1,2 à 1,6 % de cuivre en poids.

Le minerai sulfuré le plus courant est la chalcopyrite, CuFeS ₂ , également connu sous le nom de pyrite de cuivre ou de minerai de cuivre jaune. Chalcocite, Cu ₂ S, est un autre minerai sulfuré.

Cuprite, ou minerai de cuivre rouge, Cu ₂ O, est un minerai d'oxyde. Malachite, ou minerai de cuivre vert, Cu(OH) ₂ •CuCO ₃ , est un minerai carbonaté important, tout comme l'azurite, ou carbonate de cuivre bleu, Cu(OH) ₂ •2CuCO ₃ .

Les autres minerais comprennent la tennantite, la boronite, la chrysocolle et l'atacamite.

En plus des minerais eux-mêmes, plusieurs autres produits chimiques sont souvent utilisés pour traiter et raffiner le cuivre. Ceux-ci comprennent l'acide sulfurique, l'oxygène, le fer, la silice et divers composés organiques, selon le procédé utilisé.

Le processus de fabrication

Le processus d'extraction du cuivre du minerai de cuivre varie selon le type de minerai et la pureté souhaitée du produit final. Chaque processus consiste en plusieurs étapes au cours desquelles les matériaux indésirables sont éliminés physiquement ou chimiquement et la concentration de cuivre est progressivement augmentée. Certaines de ces étapes sont menées sur le site minier lui-même, tandis que d'autres peuvent être menées dans des installations distinctes.

Voici les étapes utilisées pour traiter les minerais sulfurés que l'on trouve couramment dans l'ouest des États-Unis.

Exploitation minière

• 1 La plupart des minerais sulfurés sont extraits d'immenses mines à ciel ouvert par forage et dynamitage avec des explosifs. Dans ce type d'exploitation, le matériau situé au-dessus du minerai, appelé mort-terrain, est d'abord retiré pour exposer le gisement de minerai enfoui. Cela produit une mine à ciel ouvert qui peut atteindre un mile ou plus de diamètre. Une route pour permettre l'accès à l'équipement descend en spirale sur les pentes intérieures de la fosse.
• 2 Le minerai exposé est récupéré par de grandes pelles mécaniques capables de charger de 500 à 900 pieds cubes (15 à 25 mètres cubes) en une seule bouchée. Le minerai est chargé dans des camions à benne basculante géants, appelés camions de transport, et est transporté vers le haut et hors de la fosse.

Concentration

Le minerai de cuivre contient généralement une grande quantité de terre, d'argile et une variété de minéraux ne contenant pas de cuivre. La première étape consiste à éliminer une partie de ces déchets. Ce processus est appelé concentration et est généralement effectué par la méthode de flottation.

• 3 Le minerai est concassé dans une série de concasseurs à cône. Un concasseur à cône se compose d'un cône de broyage intérieur qui tourne sur un axe vertical excentrique à l'intérieur d'un cône extérieur fixe. Au fur et à mesure que le minerai est introduit dans le haut du concasseur, il est pressé entre les deux cônes et brisé en plus petits morceaux.
• 4 Le minerai concassé est ensuite broyé encore plus petit par une série de broyeurs. Tout d'abord, il est mélangé avec de l'eau et placé dans un broyeur à tiges, qui consiste en un grand récipient cylindrique rempli de nombreuses courtes longueurs de tiges d'acier. Lorsque le cylindre tourne sur son axe horizontal, les tiges d'acier tombent et brisent le minerai en morceaux d'environ 0,13 po (3 mm) de diamètre. Le mélange de minerai et d'eau est ensuite divisé dans deux broyeurs à boulets, qui ressemblent à un broyeur à tiges, sauf que des billes d'acier sont utilisées à la place des tiges. La boue de minerai finement broyée qui sort du broyeur à boulets final contient des particules d'environ 0,01 po (0,25 mm) de diamètre.
• 5 La suspension est mélangée avec divers réactifs chimiques, qui enrobent les particules de cuivre. Un liquide, appelé mousseur, est également ajouté. L'huile de pin ou l'alcool à longue chaîne sont souvent utilisés comme mousseurs. Ce mélange est pompé dans des réservoirs rectangulaires, appelés cellules de flottation, où de l'air est injecté dans le lisier par le fond des réservoirs. Les réactifs chimiques font que les particules de cuivre s'accrochent aux bulles lorsqu'elles remontent à la surface. Le mousseur forme une épaisse couche de bulles, qui débordent des cuves et sont collectées dans des auges. On laisse les bulles se condenser et l'eau est évacuée. Le mélange résultant, appelé concentré de cuivre, contient environ 25 à 35 % de cuivre ainsi que divers sulfures de cuivre et de fer, ainsi que de plus petites concentrations d'or, d'argent et d'autres matériaux. Les matériaux restants dans le réservoir sont appelés gangue ou résidus. Ils sont pompés dans des bassins de décantation et mis à sécher.

Le processus d'extraction du cuivre à partir du minerai de cuivre varie selon le type de minerai et la pureté souhaitée du produit final . Chaque processus consiste en plusieurs étapes au cours desquelles les matériaux indésirables sont éliminés physiquement ou chimiquement et la concentration de cuivre est progressivement augmentée.

Fonte

Une fois que les déchets ont été physiquement retirés du minerai, le concentré de cuivre restant doit subir plusieurs réactions chimiques pour éliminer le fer et le soufre. Ce processus est appelé fusion et implique traditionnellement deux fours comme décrit ci-dessous. Certaines usines modernes utilisent un seul four, qui combine les deux opérations.

• 6 Le concentré de cuivre est introduit dans un four avec un matériau de silice, appelé fondant. La plupart des fonderies de cuivre utilisent des fours éclair enrichis en oxygène dans lesquels de l'air préchauffé et enrichi en oxygène est forcé dans le four pour brûler avec du mazout. Le concentré de cuivre et le fondant fondent et s'accumulent dans le fond du four. Une grande partie du fer contenu dans le concentré se combine chimiquement avec le fondant pour former un laitier, qui est écumé de la surface du matériau en fusion. Une grande partie du soufre dans le concentré se combine avec l'oxygène pour former du dioxyde de soufre, qui est évacué du four sous forme de gaz et est ensuite traité dans une usine d'acide pour produire de l'acide sulfurique. Le matériau fondu restant dans le fond du four s'appelle la matte. C'est un mélange de sulfures de cuivre et de sulfures de fer et contient environ 60% de cuivre en poids.
• 7 La matte fondue est extraite du four et versée dans un deuxième four appelé convertisseur. Un flux de silice supplémentaire est ajouté et de l'oxygène est soufflé à travers le matériau en fusion. Les réactions chimiques dans le convertisseur sont similaires à celles du four flash. Le flux de silice réagit avec le fer restant pour former un laitier et l'oxygène réagit avec le soufre restant pour former du dioxyde de soufre. Le laitier peut être réintroduit dans le four flash pour agir comme un flux, et le dioxyde de soufre est traité dans l'usine d'acide. Une fois le laitier éliminé, une dernière injection d'oxygène élimine tout sauf une trace de soufre. Le matériau fondu résultant est appelé blister et contient environ 99% de cuivre en poids.

Raffinage

Même si le blister de cuivre est du cuivre pur à 99%, il contient toujours des niveaux suffisamment élevés de soufre, d'oxygène et d'autres impuretés pour entraver le raffinage ultérieur. Pour éliminer ou ajuster les niveaux de ces matériaux, le cuivre blister est d'abord affiné au feu avant d'être envoyé au processus d'électroraffinage final.

• 8 Le cuivre blister est chauffé dans un four d'affinage, qui est similaire à un convertisseur décrit ci-dessus. De l'air est soufflé dans le blister en fusion pour oxyder certaines impuretés. Un fondant de carbonate de sodium peut être ajouté pour éliminer les traces d'arsenic et d'antimoine. Un échantillon du matériau fondu est prélevé et un opérateur expérimenté détermine quand les impuretés ont atteint un niveau acceptable. Le cuivre fondu, d'une pureté d'environ 99,5 %, est ensuite versé dans des moules pour former de grandes anodes électriques, qui servent de bornes positives pour le processus d'électroraffinage.
• 9 Chaque anode en cuivre est placée dans un réservoir individuel, ou cellule, en béton polymère. Il peut y avoir jusqu'à 1 250 réservoirs en service à la fois. Une feuille de cuivre est placée à l'extrémité opposée du réservoir pour servir de cathode, ou borne négative. Les réservoirs sont remplis d'une solution acide de sulfate de cuivre, qui agit comme un conducteur électrique entre l'anode et la cathode. Lorsqu'un courant électrique traverse chaque réservoir, le cuivre est retiré de l'anode et se dépose sur la cathode. La plupart des impuretés restantes tombent de la solution de sulfate de cuivre et forment une boue au fond du réservoir. Après environ 9 à 15 jours, le courant est coupé et les cathodes sont retirées. Les cathodes pèsent maintenant environ 300 lb (136 kg) et sont en cuivre pur à 99,95-99,99 %.
• 10 La boue qui s'accumule au fond du réservoir contient de l'or, de l'argent, du sélénium et du tellure. Il est collecté et traité pour récupérer ces métaux précieux.

Casting

• 11 Après affinage, les cathodes de cuivre sont fondues et coulées en lingots, gâteaux, billettes ou barres selon l'application finale. Les lingots sont des briques rectangulaires ou trapézoïdales, qui sont refondues avec d'autres métaux pour fabriquer des produits en laiton et en bronze. Les gâteaux sont des dalles rectangulaires d'environ 8 pouces (20 cm) d'épaisseur et jusqu'à 28 pieds (8,5 m) de long. Ils sont roulés pour fabriquer des produits en plaques, bandes, feuilles et feuilles de cuivre. Les billettes sont des bûches cylindriques d'environ 8 pouces (20 cm) de diamètre et plusieurs pieds (mètres) de long. Ils sont extrudés ou étirés pour fabriquer des tubes et tuyaux en cuivre. Les tiges ont une section transversale ronde d'environ 0,5 po (1,3 cm) de diamètre. Ils sont généralement coulés en très grandes longueurs, qui sont enroulées. Ce matériau enroulé est ensuite étiré davantage pour fabriquer du fil de cuivre.

Contrôle qualité

Parce que les applications électriques nécessitent un très faible niveau d'impuretés, le cuivre est l'un des rares métaux communs qui sont raffinés à près de 100 % de pureté. Il a été prouvé que le procédé décrit ci-dessus produit du cuivre de très haute pureté. Pour garantir cette pureté, les échantillons sont analysés à différentes étapes pour déterminer si un ajustement du processus est nécessaire.

Sous-produits/Déchets

La récupération de l'acide sulfurique du processus de fusion du cuivre fournit non seulement un sous-produit rentable, mais réduit également considérablement la pollution de l'air causée par l'échappement du four. L'or, l'argent et d'autres métaux précieux sont également des sous-produits importants.

Les déchets comprennent les morts-terrains de l'exploitation minière, les résidus de l'opération de concentration et les scories de l'opération de fusion. Ces déchets peuvent contenir des concentrations importantes d'arsenic, de plomb et d'autres produits chimiques, qui présentent un danger potentiel pour la santé de la zone environnante. Aux États-Unis, l'Environmental Protection Agency (EPA) réglemente le stockage de ces déchets et l'assainissement de la zone une fois que les opérations d'extraction et de traitement ont cessé. Le simple volume de matière impliquée - dans certains cas, des milliards de tonnes de déchets - en fait une tâche formidable, mais elle présente également des opportunités potentiellement rentables pour récupérer les matériaux utilisables contenus dans ces déchets.

Le futur

La demande de cuivre devrait rester élevée, en particulier dans les industries électriques et électroniques. Les tendances actuelles dans le traitement du cuivre sont vers des méthodes et des équipements qui utilisent moins d'énergie et produisent moins de pollution de l'air et de déchets solides. Aux États-Unis, il s'agit d'une mission difficile en raison des contrôles environnementaux rigoureux et des minerais de cuivre à très faible concentration disponibles. Dans certains cas, les coûts de production peuvent augmenter considérablement.

Une tendance encourageante est l'utilisation accrue de cuivre recyclé. Actuellement, plus de la moitié du cuivre produit aux États-Unis provient de cuivre recyclé. Cinquante-cinq pour cent du cuivre recyclé provient d'opérations d'usinage du cuivre, telles que le formage de vis, et 45 % provient de la récupération de produits en cuivre usagés, tels que les fils électriques et les radiateurs automobiles. Le pourcentage de cuivre recyclé devrait augmenter à mesure que les coûts du nouveau traitement du cuivre augmentent.