Добыча меди: история и современные методы

Введение

Процесс извлечения меди из земли

Добыча меди относится к методам получения меди из её руд. Преобразование медных руд состоит из ряда физических, химических и электрохимических процессов. Методы развивались и различаются в зависимости от страны, источника руды, местных экологических норм и других факторов. Самые ранние свидетельства холодной ковки самородной меди были обнаружены при раскопках в Чайону-Тепеси в восточной Анатолии, датируемых периодом между 7200 и 6600 годами до нашей эры. Среди различных предметов, считавшихся подношениями или амулетами, были один, похожий на рыболовный крючок, и другой – на шило. Другая находка, в пещере Шанидар в Мергасуре (Ирак), содержала медные бусины и датируется 8700 годом до нашей эры. Один из старейших известных в мире медных рудников, в отличие от использования поверхностных залежей, находится в долине Тимна (Израиль) и разрабатывается с четвёртого тысячелетия до нашей эры, при этом использование поверхностных залежей происходило в пятом и шестом тысячелетиях. Археологический памятник Плочник в Юго-Восточной Европе (Сербия) содержит самые ранние надёжно датированные свидетельства выплавки меди при высоких температурах, начиная с 5000 года до нашей эры. Открытие, сделанное в июне 2010 года, отодвигает эту дату ещё на 500 лет, до пятого тысячелетия до нашей эры, представляя собой более ранние свидетельства плавки меди из Рудна-Глава (Сербия).

Плавление

До второй половины XX века выплавка сульфидных руд была практически единственным способом получения медного металла из добытых руд (первичное производство меди). По состоянию на 2002 год 80% мирового первичного производства меди осуществлялось из медно-железо-серных минералов, и подавляющее большинство из них перерабатывалось путем выплавки. Изначально медь извлекалась из сульфидных руд прямым плавлением руды в печи. Плавильные заводы первоначально располагались вблизи месторождений, чтобы минимизировать транспортные расходы. Это позволило избежать непомерных затрат на транспортировку пустой породы, а также серы и железа, содержащихся в медоносных минералах. Однако, по мере снижения содержания меди в рудных телах, энергетические затраты на плавление всей руды также становились непомерно высокими, и возникла необходимость предварительной концентрации руд. Первоначальные методы концентрации включали ручную сортировку и гравитационную обогатительную обработку. Это приводило к значительным потерям меди. Следовательно, разработка процесса флотации стала важным шагом вперед в минеральной переработке. Она сделала возможной разработку гигантского рудника Бингем-Каньон в штате Юта. В XX веке большинство руд концентрировались перед плавкой. Выплавка первоначально осуществлялась с использованием агломерационных установок и доменных печей, либо с применением обжиговых и реверберационных печей. Обжиг и выплавка в реверберационных печах доминировали в производстве первичной меди до 1960-х годов.

Концентрация (получаемое)

Средний содержание меди в рудах в XXI веке составляет менее 0,6%, при этом доля экономически выгодных рудных минералов не превышает 2% от общего объема горной массы. Таким образом, во всех горнодобывающих операциях руда, как правило, требует обогащения (концентрации). Концентрат обычно продается на удаленные плавильные предприятия, хотя некоторые крупные рудники располагают плавильниками неподалеку. Такое совместное размещение рудников и плавильных предприятий было более характерным в XIX и начале XX веков, когда небольшие плавильные заводы могли быть рентабельными. Последующие методы переработки зависят от состава руды. В типичном случае, когда основными являются сульфидные медно-минералы (например, халькопирит, FeCuS2), руда подвергается измельчению, в процессе которого горная порода дробится для получения мелких частиц (<100 мкм), состоящих из отдельных минеральных фаз. Затем эти частицы готовы к разделению для удаления пустой породы (остатков силикатных пород) методом флотации.

Флотация пены

При флотации измельченную руду увлажняют, суспендируют в пульпе и смешивают с реагентами, которые делают частицы сульфидов гидрофобными. Типичные реагенты ("коллекторы") включают этилксантат калия и этилксантат натрия, но также используются дитиофосфаты и дитиокарбаматы. Пульпа подается в аэрационный резервуар, заполненный водой, содержащий поверхностно-активное вещество, такое как метилизобутилкарбинол (MIBC). Воздух постоянно продувается через пульпу. Пузырьки воздуха прилипают к гидрофобным частицам сульфида меди, которые поднимаются на поверхность, где пена снимается. Эти продукты обычно подвергаются доочистке для удаления избыточных силикатов и других сульфидных минералов, которые могут ухудшить качество концентрата (обычно галенита), а затем конечный концентрат отправляется на плавку. Руда, которая не всплыла в флотационной камере, либо отбрасывается как хвосты, либо подвергается дальнейшей переработке для извлечения других металлов, таких как свинец (из галенита) и цинк (из сфалерита), если они присутствуют. Для повышения эффективности флотации принимаются различные меры. Известь используется для повышения pH водной среды, что способствует более эффективному связыванию коллектора с сульфидами меди. В результате этого процесса можно получить концентраты с содержанием меди 27–29% из халькопирита и 37–40% из халькоцита.

Гидрометаллургия

Окисленные медные руды включают карбонаты, такие как азурит и малахит, силикат хризоколла и сульфаты, такие как атакамит. В некоторых случаях сульфидные руды подвергаются окислению до оксидов. Такие руды хорошо поддаются гидрометаллургической переработке. В частности, такие оксидные руды обычно выщелачивают водным раствором серной кислоты, как правило, методом кучного или штабельного выщелачивания. Полученный насыщенный раствор выщелачивания очищают методом экстракции растворителем (SX). Его обрабатывают органическим растворителем и органическими хелатирующими агентами. Хелатирующие агенты связывают ионы меди (и, в идеале, никакие другие ионы), образующиеся комплексы растворяются в органической фазе. Затем этот органический растворитель испаряют, оставляя остаток, содержащий комплексы меди. Ионы меди извлекают из остатка серной кислотой. Обедненная серная кислота возвращается для повторного использования на кучу. Органические лиганды также извлекаются и перерабатываются. В качестве альтернативы, медь можно осадить из насыщенного раствора, контактируя его с металлоломом – процесс, называемый цементацией. Цементная медь обычно менее чистая, чем медь, полученная методом SX-EW.

Специализированные руды

Вторичные сульфиды – те, которые формируются в результате вторичного обогащения супергенными процессами – устойчивы (рефрактерны) к сернокислотному выщелачиванию. Вторичные сульфиды меди представлены преимущественно минералом халкоцитом, минералом, образующимся из первичных сульфидов, таких как халькопирит, в результате химических процессов, таких как окисление или восстановление. Как правило, вторичные сульфидные руды концентрируют с использованием флотации. Другие процессы извлечения, такие как выщелачивание, эффективно применяются для извлечения вторичных сульфидов меди, но в связи с ростом спроса на медь и истощением медных ресурсов, требуются процессы, адаптированные для переработки низкосортных руд. Экономически эффективными методами извлечения меди из низкосортных руд являются выщелачивание на месте, выщелачивание из отвалов и выщелачивание на кучах. Процессы извлечения вторичных сульфидов меди и низкосортных руд включают биовыщелачивание на кучах. Биовыщелачивание на кучах представляет собой экономически эффективный метод извлечения, требующий меньших затрат энергии и обеспечивающий более высокую прибыль. Этот процесс может применяться к большим объемам низкосортных руд при более низких капитальных затратах и минимальном воздействии на окружающую среду. Обычно прямой флотационный процесс не используется для концентрации оксидных руд меди из-за преимущественно ионной и гидрофильной структуры поверхности минералов оксидов меди. Оксидные руды меди обычно перерабатываются с использованием флотации с хелатирующими реагентами и флотации жирными кислотами, которые используют органические реагенты для обеспечения адсорбции на поверхности минерала путем образования гидрофобных соединений. Некоторые супергенные сульфидные месторождения могут быть подвергнуты выщелачиванию с использованием процесса бактериального окисления для окисления сульфидов до серной кислоты, что также позволяет одновременно проводить выщелачивание серной кислотой для получения раствора сульфата меди. Для извлечения меди из маточного раствора используются технологии экстракции растворителями и электровыигрыша. Для обеспечения максимального извлечения меди важно учитывать влияние растворения меди, расхода кислоты и минерального состава пустой породы на эффективность процесса извлечения.

Secondary sulfides—those formed by supergene secondary enrichment—are resistant (refractory) to sulfuric leaching. Secondary copper sulfides are dominated by the mineral chalcocite; a mineral formed from primary sulfides, like chalcopyrite, that undergo chemical processes such as oxidation or reduction. Typically, secondary sulfide ores are concentrated using froth flotation. Other extraction processes like leaching are effectively used for the extraction of secondary copper sulfides, but as demand for copper rises, extraction processes tailored for low grade ores are required, due to the depletion of copper resources. Processes including in situ, dump, and heap leaching are cost effective methods that are suitable for extracting copper from low grade ores. Extraction processes for secondary copper sulfides and low grade ores includes the process of heap bioleaching. Heap bioleaching presents a cost efficient extraction method that requires a less intensive energy input resulting in a higher profit. This extraction process can be applied to large quantities of low grade ores, at a lower capital cost with minimal environmental impact. Generally, direct froth flotation is not used to concentrate copper oxide ores, as a result of the largely ionic and hydrophilic structure of the copper oxide mineral surface. Copper oxide ores are typically treated via chelating reagent flotation and fatty acid flotation, which use organic reagents to ensure adsorption onto the mineral surface through the formation of hydrophobic compounds on the mineral surface. Some supergene sulfide deposits can be leached using a bacterial oxidation heap leach process to oxidize the sulfides to sulfuric acid, which also allows for simultaneous leaching with sulfuric acid to produce a copper sulfate solution. For oxide ores, solvent extraction and electrowinning technologies are used to recover the copper from the pregnant leach solution. To ensure the best recovery of copper, it is important to acknowledge the effect copper dissolution, acid consumption, and gangue mineral composition has on the efficacy of extraction.

Концентраты и торговля медью

Концентраты меди, добываемые на рудниках, продаются плавильным и рафинирующим предприятиям, которые перерабатывают руду и очищают медь, взимая плату за эту услугу в виде платы за обработку (TC) и платы за рафинирование (RC). Плата за обработку (TC) взимается в долларах США за тонну переработанного концентрата, а плата за рафинирование (RC) – в центах за фунт переработанного материала, в долларах США, при этом базовые цены устанавливаются ежегодно крупными японскими плавильщиками. Заказчиком в данном случае может быть плавильный завод, который перепродает катодную медь рафинирующему предприятию, или вертикально интегрированный плавильно-рафинирующий комплекс. Распространенная форма медного концентрата содержит золото и серебро, как, например, концентрат, производимый компанией Bougainville Copper Limited на руднике Пангуна с начала 1970-х до конца 1980-х годов. Типичный контракт для горнодобывающей компании деноминирован в ценах Лондонской металлической биржи (LME), за вычетом платы за обработку (TC) и рафинирование (RC), а также любых применимых штрафов или кредитов. Штрафы могут налагаться на медные концентраты в зависимости от содержания нежелательных элементов, таких как мышьяк, висмут, свинец или вольфрам. Поскольку значительная часть сульфидных руд меди содержит заметные количества серебра или золота, горнодобывающей компании может быть предоставлен кредит за эти металлы, если их концентрация в концентрате превышает определенный уровень. Обычно рафинирующее или плавильное предприятие взимает с горнодобывающей компании плату, основанную на концентрации; типичный контракт предусматривает предоставление кредита за каждую унцию металла в концентрате, превышающую определенную концентрацию; ниже этого уровня, если металл извлекается, плавильное предприятие оставляет металл себе и продает его для покрытия расходов. Медный концентрат торгуется как по спотовым, так и по долгосрочным контрактам как самостоятельный промежуточный продукт. Часто плавильное предприятие продает медь от имени горнодобывающей компании. Горнодобывающей компании выплачивается цена в момент продажи, осуществляемой рафинирующим предприятием, а не по цене на дату поставки концентрата. В рамках системы котировочных цен цена согласовывается на фиксированную дату в будущем, обычно через 90 дней с момента поставки на плавильное предприятие. Медный катод состоит из 99,99% меди в листах толщиной 1 см и весом около 200 фунтов. Это настоящий товар, который может быть поставлен и торгуется на металлической бирже в Нью-Йорке (COMEX), Лондоне (London Metals Exchange) и Шанхае (Shanghai Futures Exchange). Часто медный катод торгуется на биржах косвенно через варранты, опционы или своп-контракты, так что большая часть меди торгуется на LME/COMEX/SFE, но поставка осуществляется напрямую, логистически перемещая физическую медь и передавая медные листы непосредственно с физических складов. Химическая спецификация для меди электролитического качества – ASTM B 115 00 (стандарт, определяющий чистоту и максимальное электрическое сопротивление продукта).

Copper concentrates produced by mines are sold to smelters and refiners who treat the ore and refine the copper and charge for this service via treatment charges (TCs) and refining charges (RCs). The TCs are charged in US$ per tonne of concentrate treated and RCs are charged in cents per pound treated, denominated in US dollars, with benchmark prices set annually by major Japanese smelters. The customer in this case can be a smelter, who on sells blister copper ingots to a refiner, or a smelter refiner which is vertically integrated. One prevalent form of copper concentrate contains gold and silver, like the one produced by Bougainville Copper Limited from the Panguna mine from the early 1970s to the late 1980s. The typical contract for a miner is denominated against the London Metal Exchange price, minus the TC RCs and any applicable penalties or credits. Penalties may be assessed against copper concentrates according to the level of deleterious elements such as arsenic, bismuth, lead or tungsten. Because a large portion of copper sulfide ore bodies contain silver or gold in appreciable amounts, a credit can be paid to the miner for these metals if their concentration within the concentrate is above a certain amount. Usually the refiner or smelter charges the miner a fee based on the concentration; a typical contract will specify that a credit is due for every ounce of the metal in the concentrate above a certain concentration; below that, if it is recovered, the smelter will keep the metal and sell it to defray costs. Copper concentrate is traded either via spot contracts or under long term contracts as an intermediate product in its own right. Often the smelter sells the copper metal itself on behalf of the miner. The miner is paid the price at the time that the smelter refiner makes the sale, not at the price on the date of delivery of the concentrate. Under a Quotational Pricing system, the price is agreed to be at a fixed date in the future, typically 90 days from time of delivery to the smelter. A grade copper cathode is of 99.99% copper in sheets that are 1 cm thick, and approximately 1 meter square weighing approximately 200 pounds. It is a true commodity, deliverable to and tradeable upon the metal exchanges in New York City (COMEX), London (London Metals Exchange) and Shanghai (Shanghai Futures Exchange). Often copper cathode is traded upon the exchanges indirectly via warrants, options, or swap contracts such that the majority of copper is traded upon the LME/COMEX/SFE, but delivery is achieved directly, logistically moving the physical copper, and transferring the copper sheet from the physical warehouses themselves. The chemical specification for electrolytic grade copper is ASTM B 115 00 (a standard that specifies the purity and maximum electrical resistivity of the product).

Пиковая медь

Пик производства меди — это момент времени, когда достигается максимальная глобальная скорость добычи меди. Поскольку медь является конечным ресурсом, в какой-то момент в будущем добыча из новых месторождений начнет сокращаться, а до этого момента производство достигнет максимума. Точные сроки наступления этого момента являются предметом споров. В отличие от ископаемого топлива, медь перерабатывается и повторно используется, и по оценкам, по крайней мере 80% всей когда-либо добытой меди все еще находится в обороте (благодаря многократному переходу во вторичное сырье). Медь входит в число важнейших промышленных металлов, уступая по объему использования только железу и алюминию. Она ценится за высокую тепло- и электропроводность, пластичность, ковкость и устойчивость к коррозии. Около трех четвертей всего потребляемого объема меди приходится на электротехнические нужды, включая силовые кабели, кабели передачи данных и электрооборудование. Она также используется в трубах для систем охлаждения и холодильного оборудования, теплообменниках, водопроводных трубах и потребительских товарах.

История

Беспокойство по поводу поставок меди не ново. В 1924 году геолог и эксперт по добыче меди Айра Жоралемон предупредил: эпоха электричества и меди будет недолгой. При столь интенсивных темпах производства мировые запасы меди продержатся едва ли два десятилетия. Наша цивилизация, основанная на электрической энергии, начнет приходить в упадок и погибнет.

Поставки меди

В мировом масштабе экономические запасы меди истощаются, при этом ежегодно потребляется объем, эквивалентный добыче трех крупнейших в мире медных месторождений.

Новые открытия меди

За три десятилетия с 1975 по 2005 год было сделано 56 новых открытий медных месторождений. Однако, по данным Геологической службы США (USGS), оставшиеся мировые запасы меди с тех пор более чем удвоились – с 310 миллионов метрических тонн в 1996 году до 890 миллионов метрических тонн в 2022 году.

Резервы

Медь — довольно распространенный элемент, с оценочной концентрацией 50–70 ppm (0,005–0,007 процента) в земной коре (1 кг меди на 15–20 тонн скальной породы земной коры). Концентрация 60 ppm соответствует 1,66 квадриллиона тонн при массе коры 2,77e22, что эквивалентно более чем 90 миллионам лет добычи при мировом производстве 2013 года в 18,3 млн тонн в год. Однако, не все это количество может быть извлечено прибыльно при текущем уровне технологий и рыночной стоимости. По данным USGS, общая подтвержденная база медных руд, потенциально пригодных для разработки, составляла 1,6 млрд тонн по состоянию на 2005 год, из которых 950 млн тонн считались экономически целесообразными для извлечения. Глобальная оценка 2013 года выявила «455 известных месторождений (с четко определенными запасами) общей вместимостью около 1,8 млрд метрических тонн меди» и прогнозирует «в среднем 812 неоткрытых месторождений в пределах верхнего километра земной поверхности», содержащих еще 3,1 млрд метрических тонн меди, «что примерно в 180 раз превышает мировое производство меди в 2012 году по всем типам месторождений». + Запасы меди (тысячи тонн) Страна 1996 Резервы, % 2015 Резервы, % 88 000 28,4% 209 000 29,9% 7 000 2,26% 93 000 13,2% 7 000 2,26% 68 000 9,71% Н/Д Н/Д 38 000 5,43% 45 000 14,5% 35 000 5,00% 3 000 0,968% 30 000 4,29% 20 000 6,45% 30 000 4,29% 20 000 6,45% 28 000 4,00% 11 000 3,55% 25 000 3,57% Н/Д Н/Д 20 000 2,86% 12 000 3,87% 20 000 2,86% 11 000 3,55% 11 000 1,57% 14 000 4,52% 6 000 0,86% 11 000 3,55% Н/Д Н/Д 7 000 2,26% Н/Д Н/Д Другие страны 55 000 17,7% 90 000 12,9% Мир 310 000 100% 700 000 100%

Переработка

В США из переработанного материала получают и повторно используют больше меди, чем из вновь добываемой руды. Ценность меди при переработке настолько высока, что высококачественный лом обычно имеет не менее 95% стоимости первичного металла, полученного из вновь добытой руды. В Европе около 50% спроса на медь удовлетворяется за счет переработки (по состоянию на 2016 год). По данным на 2011 год, переработанная медь обеспечивала 35% от общего мирового использования меди.

Неоткрытые обычные ресурсы

Исходя из темпов обнаружения новых месторождений и существующих геологических изысканий, исследователи в 2006 году оценили потенциально доступные запасы меди в 1,6 миллиарда метрических тонн. Эта оценка основывалась на максимально широком определении доступной меди, без учета энергетических ограничений и экологических проблем. Это в 306 раз превышает глобальное производство вновь добытой меди в 2013 году, составившее 18,3 миллиона метрических тонн.

Необычные ресурсы

Глубоководные конкреции, по оценкам, содержат 700 миллионов тонн меди. Это не учитывает изменения в рентабельности добычи. По мере истощения богатых месторождений разработчики обращают внимание на более бедные источники этого элемента и в конечном итоге разрабатывают дешевые методы его извлечения, что увеличивает известные запасы. Так, например, 5000 лет назад медь была настолько распространена, встречаясь как в чистом виде, так и в высококонцентрированных медных рудах, что люди в доисторическую эпоху могли собирать и обрабатывать ее с использованием очень простых технологий. Начиная с начала XXI века, медь обычно добывается из руд, содержащих 0,3–0,6% меди по весу. Однако, несмотря на то, что в настоящее время этот материал встречается гораздо реже, стоимость, например, медного горшка в конце XX века была значительно ниже, чем 5000 лет назад.