一
1. Einleitung
Die pyrometallurgische Kupfergewinnung ist nach wie vor das dominierende Verfahren zur Herstellung von primär raffiniertem Kupfer und macht über 80 % der weltweiten Produktionskapazität aus. Dabei werden Kupfersulfidkonzentrate (hauptsächlich Chalkopyrit, CuFeS₂) durch eine Reihe von Hochtemperatur-Metallurgieprozessen in hochreines Kathodenkupfer (≥ 99,99 % Cu) umgewandelt. Dieser Artikel beschreibt detailliert das gängige integrierte Fließschema, bestehend aus Flash-Schmelzen, Konvertierung, Anodenraffination und elektrolytischer Raffination.
2. Konzentratherstellung und -mischung
Kupferkonzentrate (25–35 % Cu) werden per Massengutschiff angeliefert und in abgedeckten Halden gelagert. Der Feuchtigkeitsgehalt liegt typischerweise bei 8–12 % und muss mittels Drehrohröfen oder Wirbelschichttrocknern auf ≤ 0,3 % reduziert werden, um Explosionen und übermäßigen Energieverbrauch bei der nachfolgenden Verhüttung zu vermeiden.
Das getrocknete Konzentrat wird mit Zuschlagstoffen (Quarz, Kalkstein), Rückständen und Konverterschlacke in präzise kontrollierten Anteilen vermischt. Moderne Anlagen verwenden automatisierte Scheibenförderer und Wägezellensysteme, die eine Mischgenauigkeit von ±0,5 % erreichen.
2
3. Blitzschmelzen
Die Flash-Schmelzung ist die fortschrittlichste Technologie zur Aufbereitung von Kupfersulfidkonzentraten und wird weltweit durch die Flash-Öfen von Outotec (jetzt Metso) und die in China entwickelten Sauerstoff-Bodenblasöfen repräsentiert.
3.1 Prozessprinzip
Trockenes Konzentrat wird in einen heißen, sauerstoffangereicherten Luftstrom (Sauerstoffkonzentration 75–90 %) bei 850–950 °C eingespritzt. Die Reaktionen (Trocknung, Oxidation, Schlacken- und Steinbildung) sind in 3–5 Sekunden abgeschlossen, wobei die Reaktionswärme den autothermen Betrieb aufrechterhält. Zu den wichtigsten Reaktionen gehören: 4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂ und 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂
3.2 Wichtigste Ausrüstung
- Reaktionsschacht: 11-14 m Höhe, 7-9 m Durchmesser, ausgekleidet mit hochwertigen Magnesit-Chrom-Ziegeln und Kupfer-Wassermänteln.
- Absetzbecken und Förderschacht: Schwerkrafttrennung von Steinkohle (65-75% Cu) und Schlacke.
- Abhitzekessel: Gewinnt fühlbare Wärme aus ~550°C heißem Abgas zur Dampferzeugung zurück.
- Sauerstoff-Konzentrat-Verhältnis: 1,15–1,25 Nm³ O₂/t Trockenkonzentrat
- Temperatur im Reaktionsschacht: 1250-1300 °C
- Mattierungstemperatur: 1180-1220 °C
- Fe/SiO₂-Verhältnis der Schlacke: 1,1–1,4, Kupfergehalt in der Schlacke ≤ 0,6 %
3.3 Kritische Kontrollparameter
Die Kapazität eines einzelnen Flash-Ofens erreicht 4000-5500 t/d Konzentrat bei einem thermischen Wirkungsgrad von >98% und einer nahezu 100%igen SO₂-Abscheidung.
4. Umwandlung
Die Matte wird über elektrisch beheizte Rinnen oder Gießpfannen zu Peirce-Smith-Konvertern oder kontinuierlichen Konverteröfen transportiert.
4.1 Schlackenbildungsphase
Zur Oxidation des Eisensulfids wird sauerstoffangereicherte Luft (25–35 % O₂) eingeblasen. Die 2–8 % Cu enthaltende Schlacke wird abgeschöpft und dem Flash-Schmelzprozess wieder zugeführt.
4.2 Kupferherstellungsphase
Durch fortgesetztes Einblasen wird Cu₂S bei 1180-1230°C zu Blasenkupfer (98,5-99,3% Cu) oxidiert.
3
1. Master-Spulenbeladung & automatische Zentrierung → 15-Tonnen-Hydraulikspulenwagen + fotoelektrischer Servo EPC, Mittellinienausrichtungsfehler < 0,1 mm
2. Abwickeln & Spannungsaufbau → Magnetpulverbremse + Servoregelung im geschlossenen Regelkreis, 50–1500 N präzise einstellbar
3. Präzisionsschneiden → Importierte Hartmetall- oder PM-HSS-Scheiben, Spindelrundlauf ≤ 0,002 mm, Distanzscheiben geschliffen auf ±0,001 mm, Verschleißkompensation in Echtzeit
4. Kantenschnitt-Handhabung → Unabhängige Doppelkopf-Schrottwickler; Kantenschnitt wird als Spulen zurückgeführt oder vor Ort zerkleinert
5. Aufwickeln & Spannungsisolierung → Individuelle Tanzwalzenisolierung pro Strang, pneumatische Dorne + automatischer Eckenschutz, Ausrichtung der Faseroberfläche ≤ ±0,3 mm
6. Automatischer Abschalt- und Verpackungsprozess → Verlangsamen → Schneiden → Papier einwickeln → Etikettieren → Ausstoß in 45 Sekunden
Vollautomatischer Kupferspulen-Schneideprozess
5. Anodenofen-Feuerraffination
Das Rohkupfer wird zur Redoxraffination in stationäre oder kippbare Anodenöfen mit einem Fassungsvermögen von 50-500 t eingefüllt.
5.1 Oxidationsstufe
Mit Luft- oder Sauerstofflanzen werden die restlichen Eisen-, Nickel-, As-, Antimon- und Bismutreste als schwimmende Schlacke entfernt.
5.2 Reduktionsphase
Der Sauerstoffgehalt wird mittels Erdgas, Diesel oder Holzpfählen auf 150–300 ppm reduziert. Das raffinierte Kupfer wird zu 300–450 kg schweren Anoden (Cu ≥ 99,0 %) gegossen.
4
6.1 Betriebsbedingungen
- Stromdichte: 220-320 A/m²
- Zellspannung: 0,22–0,32 V
- Elektrolyttemperatur: 60-65°C
- Cu²⁺: 40-55 g/L, freies H₂SO₄: 150-220 g/L
6.2 Elektrochemische Reaktionen
Anodenauflösung: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Edlere Elemente (Au, Ag, Se, Te) gelangen in den Anodenschlamm; unedlere Elemente gehen in Lösung. Die Kathodenabscheidung ergibt ≥99,993 % Cu gemäß den LME-Spezifikationen der Güteklasse A.
7. Abgasbehandlung und Umweltschutz
SO₂-reiche Gase aus Flash-Verbrennungsanlagen, Konvertern und Anodenöfen werden gekühlt, entstaubt und in Doppelkontakt-Säureanlagen aufbereitet, wodurch eine Schwefelrückgewinnung von über 99,8 % erzielt wird. Der SO₂-Gehalt im Abgas liegt deutlich unter 100 mg/Nm³. Arsen, Quecksilber und andere Schwermetalle werden durch spezielle Verfahren entfernt.
8. Schlussfolgerung
Die moderne Kupferpyrometallurgie zeichnet sich durch hohe Kontinuität, Automatisierung und Umweltverträglichkeit aus. Integrierte Prozessabläufe mit Flash-Schmelzen, kontinuierlicher Konvertierung, Anodenraffination und Elektroraffination erzielen eine Kupferausbeute von über 98,5 % und einen spezifischen Energieverbrauch von 280–320 kgce/t Kathode – weltweit führende Werte. Kontinuierliche Weiterentwicklungen in der Sauerstoffanreicherung, bei kontinuierlichen Kupferherstellungstechnologien und der digitalen Prozesssteuerung werden Effizienz und Nachhaltigkeit weiter verbessern.
Veröffentlichungsdatum: 24. Dezember 2025