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Métallurgie du cuivre

Le cuivre n'est présent dans l'écorce terrestre qu'à la concentration moyenne de 55 parties par million. II n'existe plus dans la nature à l'état natif, comme dans l'antiquité. II se présente sous forme de sels contenant 30 à 90 % de cuivre, eux-mêmes mélangés aux stériles et quelquefois à d'autres métaux, dont certains peuvent être plus rares que le cuivre, comme l'or et l'argent. Un minerai est considéré comme riche à partir de 1,8 % de cuivre pur.
Le cuivre est le deuxième en importance des métaux non ferreux derrière l'aluminium devançant largement le zinc, le plomb, le nickel et l'étain.

Matières premières

La source de cuivre la plus importante est constituée par les minerais soufrés primaires qui sont des sulfures et qui conduisent à plus de 80% de la production mondiale du cuivre. Les plus courants de ces minerais sont la chalcopyrite, sulfure contenant à l'état juxtaposé, ou à l'état solution solide ou même de composé Cu₂S - FeS₂- FeS, la chalcosine Cu₂S et dans une moindre mesure la bornite Cu₅FeS₄.

Lorsque ces minerais primaires ont pu réagir avec l'air et l'eau, ils se sont transformés en oxydes, en hydroxydes ou carbonates qui constituent des minerais secondaires tels que principalement la malachite CuCO₃, Cu(OH)₂, l'azurite CuCO₃, Cu(OH)₂ et la cuprite Cu₂O.

Le cuivre existe à l'état natif. Il a joué un rôle important, il a aujourd'hui presque complètement disparu. une autre source de cuivre, les nodules polymétalliques sous-marins contenant également Mn, Co, Ni, n'a pas encore commencé à être exploitée.

Le cuivre de récupération, qu'il s'agisse de "déchets neufs" qui sont des déchets de fabrication immédiatement réutilisables ou de "déchets de récupération" provenant de produits finis, représente une source extrêmement importante. En effet, à cause de son excellente stabilité chimique, notamment vis-à-vis de l'oxydation, 85 % du cuivre utilisé peutêtre aisément récupéré et environ 1/3 du cuivre consommé provient du cuivre recyclé. Le recyclage s"effectue soit au niveau du raffinage, soit lors de la fabrication de demi-produits tels que laminés, tubes en cuivre et barres en laiton.

La plupart des gisements exploités contiennent des éléments associés au cuivre et qui peuvent être des métaux comme Fe, Co, Ni, Mn, Mo, Pb ou des non métaux tels que Ge, Se, Te.

Des métaux précieux; Ag, Au, Pt et platinoïdes peuvent se rencontrer également dans les minerais du cuivre.

Extraction et concentration des minerais.

L'exploitation des gisements se fait essentiellement dans des mines à ciel ouvert oý les couches proches de la surface contiennent surtout des minerais oxygénés et les couches profondes des minerais soufrés. Ces minerais sont mélangés à des stériles de sorte que la teneur en cuivre de la roche dépasse rarement 2%. Une mine n'est plus considérée comme intéressante si cette teneur est inférieure à 0,5%. Dans tous les cas on doit procéder à une concentration et le premier objectif est de débarrasser les minerais de la gangue par des méthodes mécaniques, physiques et chimiques.

Les méthodes mécaniques sont le tamisage,le concassage, le broyage et le triage des minéraux. Les minerais soufrés sont séparés par flottation. à l'aide d'agents sélectifs hydrophobes tels que l'amylxanthate de potassium et l'on obtient ainsi des concentrés ayant des teneurs en cuivre comprises entre 20 et 40%. Pour les minerais oxygénés on utilise des procédés chimiques tels que la lixiviation par l'acide sulfurique ou l'extraction liquide-liquide des ions cuivre (II) de la solution aqueuse à l'aide de solvants organiques comme le kérosène contenant des agents extractants du type hydroxyoxime ou hydroxyquinoléine suivie d'un stripping conduisant à une solution aqueuse riche en cations cuivre (II).

Passage du concentré au blister

Pour les solutions aqueuses concentrées, provenant des minerais oxygénés, la séparation finale se fait par électrodéposition ou par cémentation à l'aide de déchets d'acier. Les carhodes obtenues par électrodéposition contiennent jusqu'à 99,9% de cuivre mais sont en général plus chargées en impuretés que celles résultant de l'affinage électrolytique. Le précipité de cuivre obtenu est fortement pollué en fer et doit être affiné soit par voie thermique soit par voie électrolytique.

Le schéma suivant représente la filière d'élaboration à partir de minerais soufrés primaires. Les concentrés issus du traitement de ces minerais contiennent essentiellement du cuivre, du fer, du soufre et une fraction non négligeable de stériles.
Pour obtenir le blister sous forme d'anodes contenant de 98 à 99,5% de cuivre, deux opérations métallurgiques sont nécessaires.

La première est une opération de fusion en présence de silice; elle réduit la teneur en fer qui s'accumule avec les stériles dans le laitier qui surnage sur la matte. Cette dernière est un mélange de sulfure de fer et de sulfure de cuivre. La réaction de base est la suivante :

Cette opération se faisait à 1300 °C sans apport d'oxygène dans des fours à réverbère équipés de brûleurs au fuel et conduisait à des mattes ayant des teneurs en cuivre comprises entre 40 et 60%.

Le laitier, essentiellement constitué de silicates a la double fonction de rassembler les minéraux formant les stériles et de convertir les oxydes de cuivre en sulfure Cu₂S suivant la réaction :

Les nouvelles technologies développées durant ces 40 dernières années utilisenr des apports importants d'oxygène. Celui-ci permet d'oxyder de plus grandes quantités de sulfure de fer et donc de dégager plus de chaleur. Il en résulte une réduction de la consommation de fuel et une augmentation de la teneur en cuivre de la matte qui peut alors atteindre 75%. La réaction est schématisée par l'équation suivante avec x variant entre 0,5 et 0,9.

La deuxième opération est un convertissage effectué en oxydant fortement la matte liquide, dans un convertisseur, en présence de silice ce qui permet d'éliminer la quasi totalité du fer dans le laitier.

Le sulfure de cuivre est oxydé après l' évacuation du laitier. La réaction est :

Elle résulte de deux réactions simultanées souvent schématisées de la façon suivante :

Les réactions étant fortement exothermiques aucun apport d'énergie thermique complémentaire n'est nécessaire. Le cuivre en fusion est coulé en blisters de 140 à 500 kg. En général SO₂ est transformé en acide sulfurique et aussi occasionnellement en SO₂liquide ou en soufre.

Affinage thermique : Il n'est presque plus utilisé. Il consiste à refondre le blister en oxydant certaines impuretés (As, Sb, S) éliminées sous forme d' oxydes volatils. Au cours du traitement le cuivre se charge de 0,6 à 0,9 % d'oxygène que l'on élimine par perchage en introduisant dans le bain métallique soit des troncs de bois vert, soit de plus en plus des hydrocarbures gazeux ou liquides. Les produits de désoxydation sont essentiellement CO et H₂O souvent chargés en fumées.