1. מבוא
התכת נחושת פירומטלורגית נותרה הדרך הדומיננטית לייצור נחושת מזוקקת ראשונית, ומהווה למעלה מ-80% מהקיבולת העולמית. התהליך ממיר תרכיזי נחושת גופרתית (בעיקר כלקופיריט, CuFeS₂) לנחושת קתודית בעלת טוהר גבוה (≥99.99% נחושת) באמצעות סדרה של פעולות מטלורגיות בטמפרטורה גבוהה. מאמר זה מפרט את תוכנית הזרימה המשולבת המרכזית המורכבת מהתכת בזק, המרה, זיקוק אנודה וזיקוק אלקטרוליטי.
2. הכנת תרכיז וערבוב
תרכיזי נחושת (25-35% נחושת) מגיעים בכלי שיט ומאוחסנים בערימות מכוסה. תכולת הלחות היא בדרך כלל 8-12% ויש להפחיתה ל-≤0.3% באמצעות כבשנים סיבוביים או מייבשי מצע מרחף כדי למנוע פיצוצים וצריכת אנרגיה מוגזמת בהתכה במורד הזרם.
תרכיז מיובש מעורבב עם חומרי גלם (קוורץ, אבן גיר), חומרי גלם חוזרים וסיגי ממיר בפרופורציות מבוקרות מדויקות. מפעלים מודרניים משתמשים במזיני דיסקים אוטומטיים ובמערכות תאי עומס המגיעים לדיוק ערבוב של ±0.5%.
3. התכת פלאש
התכת פלאש היא הטכנולוגיה המתקדמת ביותר לטיפול בתרכיזי נחושת גופרתית, המיוצגת ברחבי העולם על ידי תנורי פלאש של Outotec (כיום Metso) ותנורי חמצן תחתית שפותחו על ידי סין.
3.1 עקרון התהליך
תרכיז יבש מוזרק לזרם אוויר חם מועשר בחמצן (ריכוז חמצן 75-90%) בטמפרטורה של 850-950 מעלות צלזיוס. התגובות (ייבוש, חמצון, היווצרות סיגים וגזים) מסתיימות תוך 3-5 שניות, כאשר חום התגובה מתבצע באופן אוטותרמי. התגובות העיקריות כוללות: 4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂ 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂
3.2 ציוד מפתח
- פיר תגובה: גובה 11-14 מטר, קוטר 7-9 מטר, מצופה בלבני מגנזיט-כרום איכותיות ומעילי מים מנחושת.
- שקיעת חומר ופיר ספיגה: הפרדת חומר מטאיל (65-75% נחושת) וסיגים באמצעות כוח משיכה.
- דוד חום פסולת: משחזר חום מורגש מגז פליטה של כ-550 מעלות צלזיוס לייצור קיטור.
- יחס חמצן לתרכיז: 1.15-1.25 ניוטון מטר מעוקב O₂/טון תרכיז יבש
- טמפרטורת פיר התגובה: 1250-1300°C
- טמפרטורת מט: 1180-1220°C
- יחס סיגים Fe/SiO₂: 1.1-1.4, נחושת בסיגים ≤0.6%
3.3 פרמטרים קריטיים לבקרה
קיבולת של תנור פלאש בודד מגיעה ל-4000-5500 טון/יום תרכיז עם יעילות תרמית של >98% ולכידת SO₂ כמעט 100%.
4. המרה
החומר המאט מועבר דרך מכבסות או מצקות מחוממות חשמלית לממירי פירס-סמית' או לתנורי המרה רציפים.
4.1 שלב יצירת הסיגים
אוויר מועשר בחמצן (25-35% O₂) מנופח כדי לחמצן ברזל גופרתי. סיגים המכילים 2-8% נחושת מורפים ומוחזרים להתכה מהירה.
4.2 שלב ייצור הנחושת
המשך הנשיפה מחמצן את Cu₂S לנחושת בועות (98.5-99.3% Cu) בטמפרטורה של 1180-1230 מעלות צלזיוס.
5. זיקוק אש בתנור אנודה
נחושת שלפוחיתית מוטענת לתוך תנורי אנודה נייחים או נוטים של 50-500 טון לצורך זיקוק חמצון-חיזור.
5.1 שלב החמצון
חניתות אוויר או חמצן מסירות שאריות Fe, Ni, As, Sb ו-Bi כסיגים צפים.
5.2 שלב ההפחתה
חמצן מופחת באמצעות גז טבעי, סולר או עמודי עץ ל-150-300 ppm. הנחושת המזוקקת יוצקת לאנודות של 300-450 ק"ג (נחושת ≥99.0%).
6. זיקוק אלקטרוליטי
אנודות ממוקמות בתאים אלקטרוליטיים עם קתודות אם עופרת או טיטניום באלקטרוליט CuSO₄-H₂SO₄.
6.1 תנאי הפעלה
- צפיפות זרם: 220-320 A/m²
- מתח תא: 0.22-0.32 וולט
- טמפרטורת אלקטרוליט: 60-65°C
- Cu²⁺: 40-55 גרם/ליטר, H₂SO₄ חופשי: 150-220 גרם/ליטר
6.2 תגובות אלקטרוכימיות
המסת אנודה: נחושת → Cu²⁺ + 2e⁻ יסודות אצילים יותר (Au, Ag, Se, Te) מדווחים לריר האנודה; יסודות פחות אצילים נכנסים לתמיסה. שקיעת הקתודה מניבה ≥99.993% נחושת העומדת בדרישות LME Grade A.
7. טיפול בגז פליטה ובקרת סביבה
גזים עשירים ב-SO₂ מתנור פלאש, ממירים וכנורי אנודה מקוררים, מסירים אבק ומעובדים במפעלי חומצה במגע כפול, ומשיגים שחזור גופרית של מעל 99.8%. גז ה-SO₂ בגז השיירי נמוך בהרבה מ-100 מ"ג/ניוטון-מ"ק. ארסן, כספית ומתכות כבדות אחרות מוסרות באמצעות תהליכים מיוחדים.
8. סיכום
פירומטלורגיה עכשווית של נחושת השיגה ביצועים גבוהים של רציפות, אוטומציה וסביבה. סדיני זרימה משולבים של התכת בזק - המרה רציפה - זיקוק אנודה וזיקוק אלקטרואלקטרוני מספקים התאוששות כוללת של נחושת >98.5% וצריכת אנרגיה ספציפית של קתודה של 280-320 ק"ג/טון, המייצגים סטנדרטים ברמה עולמית. פיתוחים מתמשכים בהעשרת חמצן, טכנולוגיות ייצור נחושת רציפה ובקרת תהליכים דיגיטלית יקדמו עוד יותר את היעילות והקיימות.
זמן פרסום: 22 בדצמבר 2025