銅の抽出
ニューメキシコ州のチノ露天掘り銅鉱山
ペルー、ワロン鉱山産の黄銅鉱標本

銅の抽出は、鉱石から銅を抽出する多段階のプロセスです。銅鉱石の変換は、一連の物理的、化学的、電気化学的プロセスから構成されています。これらの方法は進化しており、鉱石の供給源、地域の環境規制、その他の要因に応じて国によって異なります。[ 1 ]生産能力（年間銅トン数）が最も高い銅製錬所は、中国、チリ、インド、ドイツ、日本、ペルー、ロシアにあります。[ 2 ]中国は単独で世界の生産能力の半分以上を占めており、精錬銅の世界最大の消費国でもあります。[ 3 ] [ 4 ]

貴金属と硫酸は、銅精錬の貴重な副産物であることが多い。[ 5 ]ヒ素は、製錬施設に入る銅精鉱に含まれる主な不純物である。[ 2 ]浅い低ヒ素銅鉱床が徐々に枯渇して以来、銅精鉱中のヒ素は長年にわたって増加している。[ 6 ]

歴史

先史時代

1905年、銅鉱山のタマラック鉱山の鉱夫たち

北米の古代銅鉱床群は、放射年代測定によって少なくとも紀元前6500年頃のものと推定されており[ 7 ] 、世界最古の銅採掘例の一つとなっている[ 8 ] 。天然銅の冷間鍛造の最も古い証拠は、東アナトリアのチャイョヌ・テペシの発掘調査で発見されたもので、紀元前7200年から6600年の間に遡る。[ 9 ]奉納物やお守りとされる様々な品々の中には、釣り針のようなものや錐のようなものもあった。イラクのメルガスルにあるシャニダール洞窟で発見された別の品物には、銅製のビーズが入っており、紀元前8700年に遡る。[ 10 ]

表面鉱床の使用とは対照的に、世界で最も古い銅鉱山の一つはイスラエルのティムナ渓谷にあり、紀元前4千年紀から使用され、表面鉱床の使用は5千年紀と6千年紀に起こりました。[ 11 ] [ 12 ]

南東ヨーロッパ（セルビア）のプロチニク遺跡には、紀元前5000年からの高温での銅製造の確実な年代測定が可能な最古の証拠が残されている。[ 13 ] 2010年6月の発見はさらに500年前の紀元前5千年紀まで遡り、ルドナ・グラヴァ（セルビア）での銅製錬のより古い記録を示している。[ 14 ]

アタカマ砂漠およびアンデス世界全体で最も古い銅の生産は、紀元前1432-1132年にまで遡ります。 [ 15 ] [ 16 ]ボリビアの氷床コアの研究は、銅の製錬が2700年以上前の紀元前700年には始まっていた可能性があることを示唆しています。[ 17 ]アタカマ砂漠では、ノミ、鋳造廃棄物、工房の残骸など、先スペイン時代の鉱山と冶金工房のさまざまな遺跡が確認されています。[ 18 ] [ 19 ]錫青銅、ヒ素青銅、ヒ素銅は、インカ帝国で生産された貴重な品物でした。[ 20 ]チリのビニャ・デル・セロにあるコピアポの北東約74kmに、インカ人は最大級の鉱山と冶金の中心地の一つをクラサユに持っていました。[ 21 ]この遺跡では金、銀、銅の冶金、青銅の生産の証拠が残っている。[ 21 ]征服者ディエゴ・デ・アルマグロが1536年にアタカマ砂漠を横断したとき、彼の部下は馬用の銅の蹄鉄を容易に入手した。 [ 22 ]

銅の製錬技術は、銅器時代（銅石器時代とも呼ばれる）と青銅器時代をもたらしました。青銅器時代は、製錬技術の発展なしにはあり得なかったでしょう。

19世紀

1830年頃、シャルル・サン＝ランベールが反射炉をチリに導入したことで[ 23 ]、チリの銅採掘は大革命を巻き起こした。[ 24 ]これに加えて、鉄道や蒸気船の発達により輸送手段も改善された。[ 25 ]探鉱者ホセ・トマス・ウルメネタは1850年にタマヤで豊富な鉱床を発見し、そこはチリの主要な銅鉱山の一つとなった。[ 24 ]この結果、チリは19世紀に世界で生産された銅の18%を供給し、1850年代から1870年代にかけては世界最大の生産国となった。[ 26 ] [ 27 ]ある年には、チリの銅生産量は世界の生産量の約60%を占め、輸出関税は国家収入の半分以上を占めた。[ 28 ]

ランバートは19世紀の第2四半期にチリの銅産業の近代化に成功したが、これが後にスウォンジーで彼が営んでいた銅製錬事業の衰退のきっかけとなったと考えられている。[ 29 ] [ 30 ]

19世紀後半になると、チリの鉱業は再び技術開発（浮選、浸出、大規模露天掘りなど）に遅れをとり、1890年代には世界生産量の5～6％にまでシェアが低下しました。1900年代と1910年代も同様のシェアを維持しましたが、1914年には4.3％という最低値に達しました。[ 26 ] [ 31 ] [ 32 ] 1940年代と1950年代にかけては、小規模鉱山労働者や鉱夫の活動から既知の鉱脈を購入することに頼っていた大手鉱山会社による大規模な銅探査活動が著しく不足していました。[ 33 ]

製錬

1946年の世界銅生産量

20世紀後半まで、硫化鉱石の製錬は、採掘された鉱石から銅を生産するほぼ唯一の手段でした（一次銅生産）。2002年時点で、世界の一次銅生産の80%は銅・鉄・硫黄鉱物から生産されており、その大部分は製錬によって処理されていました。[ 34 ]

銅は当初、硫化鉱石を炉で直接精錬することによって回収されていました。[ 35 ]当初、輸送コストを最小限に抑えるため、製錬所は鉱山の近くに設置されていました。これにより、廃棄鉱物や銅含有鉱物に含まれる硫黄と鉄の輸送にかかる法外なコストを回避できました。しかし、鉱体中の銅の濃度が低下するにつれて、鉱石全体を精錬するためのエネルギーコストも法外なものとなり、まず鉱石を濃縮する必要が生じました。

初期の選鉱技術には、手選別[ 36 ]と重力選鉱が含まれていました。これらの方法では銅の損失が大きく、結果としてフロス浮選法の開発は鉱物処理における大きな進歩となりました。[ 37 ]現代のフロス浮選法は、1900年代初頭にオーストラリアでCV Potterとほぼ同時期にGD Delpratによってそれぞれ独立して発明されました。[ 38 ]この技術により、ユタ州の巨大なビンガムキャニオン鉱山の開発が可能になりました。[ 39 ]

20世紀には、ほとんどの鉱石は精錬前に濃縮されました。精錬は当初、焼結炉や高炉[ 40 ]、あるいは焙焼炉や反射炉[ 41 ]を用いて行われました。焙焼炉と反射炉による精錬は、1960年代まで一次銅生産の主流でした。[ 34 ]

1960年代と1970年代には、多くの主要銅生産国で米国企業による大規模な銅鉱山事業が国有化された。 [ 42 ]こうして1980年代までには、国有企業がアナコンダ・カッパーやケネコットなどの米国企業がそれまで担っていた支配的な役割を追い抜いた。[ 42 ] 1970年代後半から1980年代前半には、ARCO、エクソン（エクソンミネラルズ）、スタンダードオイルカンパニーなどの石油会社が数年間銅鉱山事業に進出し、その後銅資産を売却した。[ 42 ]伝えられるところによると、利益は予想ほど高くなかった。[ 42 ] 1980年代と1990年代には、他の国の銅鉱山が政情不安（ペルー）、環境要件の増加（先進国）、国有鉱山産業への外国投資に対する全体的な無関心（ザイール、ザンビア）などの問題に直面していたことから、銅鉱山への投資はチリに集中した。[ 42 ]

21世紀

2013年から2023年にかけて、中国とザンビアの銅製錬能力は増加した一方、チリと米国の能力は減少した。[ 3 ]中国の銅製錬能力は世界全体の半分以上を占め、圧倒的な規模を誇っている。前述の国々に加え、 2023年時点で世界全体のカソード生産能力の大部分を占める国としては、日本（8%）、ロシア（5%）、ポーランド（3～4%）、ブルガリア（3～4%）が挙げられる。[ 3 ]

1990年代以降、チリでは新しい銅製錬所は建設されていない。[ 43 ]チリ中部のフンディシオン・ベンタナスが2022年に閉鎖されたことを受けて、チリに新しい大規模銅製錬所を建設することについて公開討論が行われてきた。 [ 3 ] チリの産業界の学者からは、代替地としてアントファガスタ州またはアタカマ州が提案されている。 [ 44 ]近くに鉱山があることから、バルパライソ州での製錬を続けるべきだと主張する者もいる。[ 44 ]代替工場は海岸近くに建設すべきだと主張する者もいるが、内陸部のチュキカマタやエルサルバドルも代替地として提案されている。[ 44 ]国立鉱業協会（ソナミ）のディエゴ・エルナンデス会長は、新しい製錬所の建設期間は5年から7年と見積もっている。[ 44 ] 2024年の調査では、物流上の利点と近隣の鉱山からの銅精鉱の既存および拡張可能な供給を考慮すると、アントファガスタ地域が新しい銅製錬所に最適な場所であると特定されました。[ 5 ]

中国南東部内陸部の貴渓製錬所は、生産能力で世界最大の銅製錬所である。[ 45 ] 2015年の年間生産能力は90万トンであった。[ 2 ] [ 46 ]

濃縮（選鉱）

鉱石中の銅の濃度が低下しているため、鉱石の前処理が必要になっています。

21世紀の銅鉱石の平均品位は0.6%未満で、経済的な鉱石の割合は鉱石全体の2%未満です。そのため、すべての採掘作業において、鉱石は通常、選鉱（濃縮）される必要があります。濃縮物は通常、遠方の製錬所に販売されますが、大規模な鉱山の中には近隣に製錬所を持つところもあります。このような鉱山と製錬所の共同立地は、小規模な製錬所でも経済的に可能だった19世紀から20世紀初頭にはより一般的でした。その後の処理方法は、鉱石の性質によって異なります。

通常、主に硫化銅鉱物（黄銅鉱、FeCuS 2など）である場合、鉱石は粉砕処理されます。粉砕処理では、岩石を粉砕して個々の鉱物相からなる小さな粒子（<100 μm）を生成します。これらの粒子は、フロス浮選法を用いて脈石（珪酸塩岩石の残留物）を除去するために分離されます。 [ 1 ]

フロス浮選

オンタリオ州ファルコンブリッジの銅とニッケルの硫化鉱物を濃縮する泡浮選槽。
南オーストラリア州プロミネントヒル鉱山の浮選プラントにあるジェイムソンセル上の硫化銅を充填した気泡

フロス浮選法では、粉砕された鉱石を湿らせてスラリーに懸濁させ、硫化物粒子を疎水化する試薬と混合します。代表的な試薬（「コレクター」）には、エチルキサントゲン酸カリウムやエチルキサントゲン酸ナトリウムなどがありますが、ジチオリン酸塩やジチオカルバメートも使用されます。スラリーは、メチルイソブチルカルビノール（MIBC）などの界面活性剤を含む水を満たした曝気槽に導入されます。スラリーには空気が絶えず通気されます。空気泡は疎水性硫化銅粒子に付着し、粒子は表面に運ばれ、そこでフロスが掬い取られます。この掬い取った粒子は通常、クリーナー・スカベンジャーセルにかけられ、過剰なケイ酸塩や、精鉱の品質に悪影響を与える可能性のあるその他の硫化鉱物（典型的には方鉛鉱）が除去されます。そして、最終的な精鉱は製錬に送られます。浮選槽で浮上しなかった岩石は、尾鉱として廃棄されるか、鉛（方鉛鉱由来）や亜鉛（閃亜鉛鉱由来）などの他の金属が存在する場合は、それらを抽出するためにさらに処理されます。フロス浮選の効率を向上させるために、様々な対策が講じられています。石灰を用いて水浴のpHを上昇させることで、集電体が硫化銅とより効率的に結合します。このプロセスでは、黄銅鉱と黄銅鉱から、それぞれ 27～29%と37～40%の銅含有量の精鉱を生産できます。

湿式冶金

いくつかの湿式冶金スキームでは、銅(II)は、サリチルアルドキシムとの錯体形成などによって水溶液から抽出されます。

酸化銅鉱石には、アズライトやマラカイトなどの炭酸塩、珪酸塩のクリソコラ、黄銅鉱などの硫酸塩があります。硫化鉱石は酸化物に分解される場合もあります。このような鉱石は湿式製錬に適しています。具体的には、このような酸化鉱石は通常、ヒープ浸出またはダンプ浸出で水性硫酸に抽出されます。得られた浸出貴液は溶媒抽出 (SX) によって精製されます。これは有機溶媒と有機キレート剤で処理されます。キレート剤は銅イオンと結合し (理想的には他のイオンとは結合しない)、結果として生じる錯体は有機相に溶解します。この有機溶媒を蒸発させると、銅錯体の残留物が残ります。銅イオンは硫酸によって残留物から遊離します。除去された硫酸はヒープに戻されます。有機リガンドも回収されてリサイクルされます。あるいは、銅をスクラップ鉄と接触させることで、銅を溶融塩溶液から沈殿させる方法もあります。このプロセスはセメンテーションと呼ばれます。セメント銅は通常、SX-EW銅よりも純度が低くなります。[ 47 ]

特殊鉱石

コーンウォールのギーヴァー鉱山産の鉱物黄銅鉱の標本。

二次硫化物（超成二次濃縮によって形成されるもの）は、硫酸浸出に対して耐性（難溶性）がある。 [ 48 ]二次銅硫化物は主に鉱物の黄銅鉱でできている。黄銅鉱は、酸化や還元などの化学反応を受けて、黄銅鉱のような一次硫化物から形成される鉱物である。 [ 49 ]通常、二次硫化鉱石はフロス浮選法を使用して濃縮される。[ 50 ]浸出などの他の抽出プロセスは、二次銅硫化物の抽出に効果的に使用されるが、銅の需要が増加するにつれて、銅資源の枯渇により、低品位鉱石に合わせた抽出プロセスが必要になる。[ 51 ]インサイチュー浸出、ダンプ浸出、ヒープ浸出などのプロセスは、低品位鉱石から銅を抽出するのに適した費用対効果の高い方法である。[ 52 ]

二次硫化銅および低品位鉱石の抽出プロセスには、ヒープバイオリーチングプロセスが含まれます。ヒープバイオリーチングは、エネルギー投入量が少なく、結果として利益率の高い費用対効果の高い抽出方法です。[ 53 ]この抽出プロセスは、環境への影響を最小限に抑えながら、資本コストを抑えながら、大量の低品位鉱石に適用できます。[ 53 ] [ 54 ]

一般的に、銅酸化物鉱石の濃縮には直接フロス浮選法は使用されません。これは、銅酸化物鉱物の表面が主にイオン性で親水性の構造を持っているためです。[ 55 ]銅酸化物鉱石は、通常、キレート試薬浮選法と脂肪酸浮選法によって処理されます。これらの方法では、有機試薬を使用して鉱物表面に疎水性化合物を形成し、鉱物表面への吸着を確実にします。[ 55 ] [ 56 ]

一部の硫化物堆積層は、バクテリア酸化ヒープ浸出法を用いて硫化物を硫酸に酸化して浸出することができ、同時に硫酸で浸出させて硫酸銅溶液を生成することも可能である。[ 57 ] [ 58 ]酸化鉱石の場合、溶媒抽出と電解採取技術を用いて浸出液から銅を回収する。[ 59 ]銅の回収を最大限に高めるためには、銅の溶解、酸の消費、脈石鉱物の組成が抽出効率に与える影響を認識することが重要である。[ 59 ]

自然銅を豊富に含む深成硫化鉱石は、硫酸浸出処理に対してあらゆる実用的な時間スケールで難溶性であり、高密度金属粒子はフロス浮選媒体と反応しない。通常、自然銅が深成層プロファイルの少量を占める場合は回収されず、尾鉱に混入する。十分に豊富であれば、自然銅鉱体は重力分離によって含まれる銅を回収するために処理される可能性がある。粘土を豊富に含む自然銅鉱​​石は分離が困難であるため、脈石の性質が重要である場合が多い。これは、粘土鉱物が抽出プロセスで使用される浮選試薬と反応し、試薬が消費されるため、高品位銅精鉱の回収量が最小限に抑えられるためである。[ 60 ]

焙煎

焙焼工程は通常、反射炉と組み合わせて行われます。焙焼炉では、銅精鉱が部分的に酸化され、「か焼物」が生成されます。二酸化硫黄が放出されます。この反応の 化学量論は次のとおりです。

CuFeS 2 + 3 O 2 → 2 FeO + 2 CuS + 2 SO 2

一般的に焙焼では焼成製品に多くの硫黄が残ります（マウントアイザ鉱山の焙焼炉の場合15% [ 61 ]）が、焼結工場では焼結製品に約7%（電解精錬・製錬所の場合[ 62 ]）が残ります。

2005年現在、銅精鉱処理において焙焼は一般的ではなくなりました。これは、反射炉との組み合わせがエネルギー効率に劣り、焙焼炉排ガス中のSO2濃度が希薄すぎて費用対効果の高い回収が不可能なためです。現在では直接製錬が主流となっており、自溶炉、イサスメルト、ノランダ、三菱、エル・テニエンテといった製錬技術が用いられています。 [ 34 ]

製錬

反射炉製錬を自溶製錬に置き換えること。この技術を採用している銅製錬所の数に関係します。
インコのフラッシュ溶解炉

製錬対象となる物質の最初の溶解は、通常、製錬またはマット製錬段階と呼ばれます。この段階は、現在ではほとんど使われていない高炉や反射炉、自溶炉、イサスメルト炉など、様々な炉で行​​われます。この製錬段階の生成物は、銅、鉄、硫黄の混合物で、銅が濃縮されており、マットまたは銅マットと呼ばれます。[ 34 ]マットグレードという用語は、通常、マットの銅含有量を指すために使用されます。[ 63 ]

マット製錬段階の目的は、銅の損失を最小限に抑えながら、不要な鉄、硫黄、脈石鉱物（シリカ、マグネシア、アルミナ、石灰石など）を可能な限り除去することです。 [ 34 ]これは、硫化鉄と酸素（空気中または酸素濃縮空気中）を反応させて、酸化鉄（主にFeOですが、一部に磁鉄鉱（Fe 3 O 4））と二酸化硫黄を生成することによって達成されます。[ 63 ]

硫化銅と酸化鉄は混ざりますが、十分な量のシリカを添加すると、別のスラグ層が形成されます。[ 64 ]シリカを添加するとスラグの融点（より正確には液相線温度）も低下するため、製錬プロセスをより低い温度で操作できるようになります。[ 64 ]

スラグ形成反応は次のとおりです。

FeO + SiO 2 → FeO・SiO 2 [ 63 ]

スラグはマットよりも密度が低いため、マットの上に浮かぶ層を形成します。[ 65 ]

銅は、スラグに溶解した酸化第一銅（Cu 2 O）として失われる場合と、スラグに溶解した硫化銅として失われる場合の3つの方法でマットから失われることがあります。 [ 66 ] [ 67 ]またはスラグに浮遊する小さなマットの液滴（またはプリル）として失われる場合があります。 [ 68 ] [ 69 ]

スラグの酸素ポテンシャルが増加すると、酸化銅として失われる銅の量は増加する。[ 69 ]一般に、マットの銅含有量が増加すると、酸素ポテンシャルは増加する。[ 70 ]したがって、マットの銅含有量が増加すると、酸化物としての銅の損失が増加する。[ 71 ]

一方、マット中の銅含有量が約40%を超えると、スラグ中の硫化銅の溶解度は低下する。[ 67 ]永森は、銅含有量が50%未満のマットのスラグ中に溶解した銅の半分以上が硫化銅であると計算した。この数値を超えると、酸化銅が優勢になり始める。[ 67 ]

スラグ中に浮遊するプリルとしての銅の損失は、プリルのサイズ、スラグの粘度、および利用可能な沈降時間に依存します。[ 72 ]ローゼンクヴィストは、スラグへの銅の損失の約半分は浮遊したプリルによるものだと示唆しました。[ 72 ]

製錬段階で生成されるスラグの質量は、製錬炉に投入される原料の鉄含有量と目標マット品位に依存します。投入原料の鉄含有量が高いほど、同じマット品位を得るためにスラグへ排出する鉄の量が多くなります。同様に、目標マット品位を上げるには、より多くの鉄を排出する必要があり、スラグ量も増加します。

したがって、製錬段階で銅がスラグに失われるのに最も影響を与える 2 つの要因は次のとおりです。

  • マットグレード
  • スラグの塊。[ 64 ]

これは、スラグへの銅の損失を最小限に抑えるためには、マット品位をどの程度高くできるかに実質的な限界があることを意味します。そのため、更なる処理段階（転化および火精錬）が必要となります。

次のサブセクションでは、マット製錬で使用されるプロセスのいくつかについて簡単に説明します。

反射炉製錬

反射炉は、湿式、乾式、焙焼精鉱を処理できる長尺の炉です。後期に使用された反射炉のほとんどは焙焼精鉱を処理していました。これは、乾燥原料を反射炉に投入する方がエネルギー効率が高く、焙焼炉内の硫黄分の一部を除去することでマットの品質が向上するためです。[ 34 ]

反射炉の原料は、炉の側面にある投入口から炉内に投入され、固体原料が溶融されます。[ 34 ]スラグの形成を助けるために、通常はシリカが追加で添加されます。炉は、微粉炭、燃料油、または天然ガスを燃料とするバーナーで燃焼されます。[ 73 ]

反射炉には、後段の変換段階で得られた溶融スラグを追加供給して、含まれる銅や銅含有量の高い他の物質を回収することができる。[ 73 ]

反射炉浴は静止状態であるため、原料の酸化はほとんど起こらない（したがって、精鉱から硫黄がほとんど除去されない）。これは本質的に溶融プロセスである。[ 72 ]その結果、湿式装入反射炉では、焼成装入炉よりもマット製品中の銅含有量が少なく、スラグへの銅の損失も少ない。[ 73 ]ギルは、湿式装入反射炉のスラグ中銅含有量が0.23%であるのに対し、焼成装入炉では0.37%であると述べている。[ 73 ]

仮焼炉の場合、焙焼段階で硫黄の大部分が除去されており、仮焼物は銅と鉄の酸化物と硫化物の混合物で構成されています。反射炉は、これらの種が炉の運転温度（炉のバーナー端で約1600℃、煙道端で約1200℃ [ 74 ]、マットは約1100℃、スラグは約1195℃ [ 73 ]）で化学平衡に近づくように機能します。この平衡プロセスでは、銅化合物に関連する酸素が鉄化合物に関連する硫黄と交換され、炉内の酸化鉄含有量が増加し、酸化鉄はシリカなどの酸化物と反応してスラグを形成します[ 73 ] 。

主な平衡反応は次のとおりです。

Cu 2 O + FeS → Cu 2 S + FeO [ 73 ]

スラグとマットは別個の層を形成し、炉から別々の流れとして除去することができます。スラグ層は、マット層の高さより上の炉壁の穴を定期的に通過します。マットは、穴から取鍋に排出され、クレーンで転炉に運ばれることで除去されます。[ 73 ]この排出プロセスは、炉の出銑として知られています。 [ 73 ]マットの出銑口は通常、炉の内面を覆っている耐火レンガの浸食を防ぐ水冷式の銅ブロックに開けられた穴です。マットまたはスラグの除去が完了すると、通常、穴は粘土で塞がれ、炉の出銑準備が整った時点で粘土が取り除かれます。

反射炉は、溶融転炉スラグを処理して銅を回収するためによく使用されました。[ 73 ]スラグはクレーンで運ばれた取鍋から炉内に投入されました。しかし、転炉スラグには磁鉄鉱が多く含まれており[ 75 ]、この磁鉄鉱の一部は転炉スラグから沈殿します（融点が高いため）。その結果、反射炉の炉床に付着物が形成され、付着物を除去するために炉を停止する必要が生じました。[ 75 ]この付着物の形成により、反射炉で処理できる転炉スラグの量は制限されます。[ 75 ]

反射炉はスラグへの銅の損失が非常に少ないものの、エネルギー効率は低く、排ガス中の二酸化硫黄濃度が低いため、その回収は経済的に不利です。そのため、製錬業者は1970年代から1980年代にかけて、より効率的な新しい銅製錬プロセスの開発に多額の資金を投入しました。[ 76 ]さらに、自溶炉技術がそれ以前に開発され、反射炉に取って代わり始めました。1994年に稼働していた30基の反射炉のうち、20基が2002年までに閉鎖されました。[ 34 ]

自溶炉製錬

フラッシュ製錬では、精鉱は空気または酸素の流れの中に分散され、鉱石粒子がまだ飛行している間に製錬反応はほぼ完了します。[ 76 ]反応した粒子はその後、炉の底にある浴槽に沈み、反射炉の焼成物のような挙動を示します。[ 77 ]マット層の上にスラグ層が形成され、炉から個別に取り出すことができます。[ 77 ]

イザメルト

Isasmelt 炉の供給能力は、この技術が世界中の製錬所で受け入れられるにつれて増加しています。

ISASMELTプロセスは、 1970年代から1990年代にかけてマウント・アイザ・マインズ（ MIMホールディングスの子会社で、現在はグレンコア傘下）とオーストラリア政府CSIROによって共同開発された、エネルギー効率の高い製錬プロセスです。製錬プロセスとしては比較的低い資本コストと運用コストを誇ります。

ISASMELT技術は鉛、銅、ニッケルの製錬に適用されています。2021年現在、11か国で22のプラントが稼働しており、マウント・アイザには3つの実証プラントがあります。2020年の銅・ニッケル製錬プラントの設備容量は、原料で年間976万トン、鉛製錬プラント全体では年間75万トンでした。[ 78 ]

銅ISASMELTプロセスに基づく製錬所は、世界で最も低コストの銅製錬所の一つです。[ 79 ]

変換中

無酸素銅、別名「タフピッチ」銅（純度約98％）、アンチモンとニッケルを含む

製錬所で生産されるマットには、主に硫化銅と硫化鉄として30～70%の銅が含まれています（製錬所のプロセスと操業方針によって異なります）。硫黄は、溶融マットに空気を吹き込むことで、高温で二酸化硫黄として除去されます。

2 CuS + 3 O 2 → 2 CuO + 2 SO 2
CuS + O 2 → Cu + SO 2

並行反応では硫化鉄がスラグに変換されます。

2 FeS + 3 O 2 → 2 FeO + 2 SO 2
2 FeO + SiO 2 → Fe 2 SiO 4

この製品の純度は98%で、ブリスター銅の鋳塊またはインゴットを冷却する際に発生する二酸化硫黄ガスによって生じる破砕面からブリスターと呼ばれています。この工程で生成される副産物は二酸化硫黄とスラグです。二酸化硫黄は回収され、硫酸に変換され、市場で販売されるか、銅浸出プロセスで使用されます。

精製

火精錬

火精錬および鋳造後の銅陽極。
火精錬および鋳造後の銅陽極。

粗銅は陽極炉に入れられます。この炉は、粗銅を2段階に分けて陽極銅へと精錬します。まず、残留硫黄と鉄の大部分を除去し、次に第1段階で混入した酸素を除去します。この第2段階は、しばしばポーリングと呼ばれ、溶融した酸化銅に天然ガスなどの還元剤を吹き込むことで行われます。この炎が緑色に燃え、銅の酸化スペクトルを示すようになったら、酸素はほぼ燃焼しきったことになります。こうして、純度約99%の乾式冶金精錬銅が完成します。

電解

銅の電解精錬装置

銅生産の最終段階は電気精錬である。精錬は電気分解によって行われ、銅(II)溶液が容易に（低電位で）選択的に金属に変換されるという性質を利用する。処理済みの粗銅から鋳造された陽極は、3～4%の硫酸銅と10～16%の硫酸を含む水溶液に入れられる。陰極は高純度の銅の薄い圧延板、あるいは近年ではより一般的には再利用可能なステンレス鋼の出発板（IsaKidd法など）である。[ 80 ]プロセス開始に必要な電位はわずか0.2～0.4ボルトである。工業プラントでは、最大420 A/m 2の電流密度が可能である。[ 81 ]

陽極（酸化反応）では、銅などの貴金属が溶解する。銀、金、セレン、テルルなどの貴金属や難溶性の元素は、陽極スライムとしてセルの底に沈殿し、販売可能な副産物となる。銅(II)イオンは電解液を通って陰極へ移動する。陰極（還元反応）では、銅中のCu 2+イオンが還元され、Cu (s)が析出するが、ヒ素や亜鉛などの貴金属は、より高い電圧が加えられない限り、溶液中に残留する。[ 82 ]

電極における 金属銅とCu 2+イオンの反応は次のとおりです。

– 陽極で（酸化と溶解）: Cu (s)→ Cu 2+ + 2 e −
– 陰極で（還元と降水）: Cu 2+ + 2 e −→ Cu (秒)

濃縮物と銅のマーケティング

鉱山で生産された銅精鉱は、製錬所や精錬所に販売されます。製錬所や精錬所は、鉱石を処理して銅を精錬し、そのサービスに対して処理料金（TC）と精錬料金（RC）を請求します。TCは処理された精鉱1トンあたり米ドルで請求され、精錬料金は処理された1ポンドあたりセントで米ドル建てで請求されます。これらの料金は、日本の大手製錬所が毎年設定するベンチマーク価格に基づいています。この場合の顧客は、粗銅インゴットを精錬所に転売する製錬所、または垂直統合された製錬・精錬所のいずれかです。

銅精鉱の一般的な形態の一つには、ブーゲンビル銅社が1970年代初頭から1980年代後半にかけてパングナ鉱山で生産したもののように、金と銀が含まれています。[ 83 ]

鉱山会社との典型的な契約は、ロンドン金属取引所の価格から TC-RC および適用される罰金またはクレジットを差し引いたものになります。ヒ素、ビスマス、鉛、タングステンなどの有害元素のレベルに応じて、銅精鉱に対して罰金が課される場合があります。硫化銅鉱石の大部分には銀や金が相当量含まれているため、精鉱内のこれらの金属の濃度が一定量を超えると、鉱山会社にクレジットが支払われることがあります。通常、精錬会社や製錬所は、濃度に基づいて鉱山会社に手数料を請求します。典型的な契約では、一定濃度を超える精鉱内の金属1オンスごとにクレジットが支払われると規定され、一定濃度以下で金属が回収された場合は、製錬所が金属を保管し、コストに充当するために販売します。

銅精鉱は、スポット契約、またはそれ自体が中間製品として長期契約で取引されます。多くの場合、製錬所は鉱山会社に代わって銅そのものを販売します。鉱山会社には、精鉱の納品日ではなく、製錬所・精錬所が販売を行った時点で価格が支払われます。見積価格制度では、価格は将来の特定の日付、通常は製錬所への納品日から90日後に合意されます。

Aグレードの銅カソードは、99.99%の銅で、約1メートル四方のシート状になっており、厚さと重量はメーカーによって異なります。典型的な厚さ1cmのシートの重量は約200ポンド（約90kg）です。これは真のコモディティであり、ニューヨーク（COMEX）、ロンドン（ロンドン金属取引所）、上海（上海先物取引所）の金属取引所に引き渡し、取引することができます。銅カソードは、ワラント、オプション、またはスワップ契約を通じて間接的に取引所で取引されることが多く、銅の大部分はLME/COMEX/SFEで取引されていますが、実際の銅は物流によって移動され、銅シートは物理的な倉庫から移送されます。

電解銅の化学仕様はASTM B 115-00 (製品の 純度と最大電気抵抗率を規定する規格) です。

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