一
1. Introduction
La fusion pyrométallurgique du cuivre demeure la principale voie de production de cuivre raffiné primaire, représentant plus de 80 % de la capacité mondiale. Ce procédé transforme les concentrés de sulfure de cuivre (principalement la chalcopyrite, CuFeS₂) en cuivre cathodique de haute pureté (≥ 99,99 % Cu) par une série d'opérations métallurgiques à haute température. Cet article décrit en détail le schéma de procédé intégré principal, comprenant la fusion éclair, la conversion, l'affinage anodique et l'affinage électrolytique.
2. Préparation et mélange du concentré
Les concentrés de cuivre (25-35 % Cu) arrivent par cargo et sont stockés dans des entrepôts couverts. Leur teneur en humidité, généralement de 8 à 12 %, doit être réduite à 0,3 % maximum à l'aide de fours rotatifs ou de séchoirs à lit fluidisé afin de prévenir les explosions et une consommation d'énergie excessive lors des étapes de fusion ultérieures.
Le concentré séché est mélangé à des fondants (quartz, calcaire), des reverts et des scories de convertisseur dans des proportions précisément contrôlées. Les installations modernes utilisent des doseurs à disques automatisés et des systèmes de pesage par capteur de force, ce qui permet d'obtenir une précision de mélange de ±0,5 %.
2
3. Fusion éclair
La fusion éclair est la technologie la plus avancée pour le traitement des concentrés de sulfure de cuivre, représentée à l'échelle mondiale par les fours à fusion éclair d'Outotec (maintenant Metso) et les fours à soufflage d'oxygène par le bas développés en Chine.
3.1 Principe du processus
Le concentré sec est injecté dans un flux d'air chaud enrichi en oxygène (concentration en oxygène de 75 à 90 %) à une température de 850 à 950 °C. Les réactions (séchage, oxydation, formation de scories et de matte) s'achèvent en 3 à 5 secondes, la chaleur de réaction assurant un fonctionnement autothermique. Les réactions clés sont les suivantes : 4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂ et 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂.
3.2 Équipements clés
- Puits de réaction : hauteur de 11 à 14 m, diamètre de 7 à 9 m, revêtu de briques de magnésite-chrome de haute qualité et de chemises d'eau en cuivre.
- Puits de décantation et d'évacuation : séparation par gravité de la matte (65-75 % Cu) et du laitier.
- Chaudière de récupération de chaleur : récupère la chaleur sensible des gaz d'échappement à environ 550 °C pour la production de vapeur.
- Rapport oxygène/concentré : 1,15 à 1,25 Nm³ O₂/t de concentré sec
- Température du puits de réaction : 1250-1300 °C
- Température du mat : 1180-1220 °C
- Rapport Fe/SiO₂ du laitier : 1,1-1,4, teneur en cuivre dans le laitier ≤ 0,6 %
3.3 Paramètres de contrôle critiques
La capacité du four à simple éclair atteint 4000 à 5500 t/j de concentré avec un rendement thermique >98% et une capture de SO₂ proche de 100%.
4. Conversion
La matte est transférée par des goulottes ou des poches chauffées électriquement vers des convertisseurs Peirce-Smith ou des fours de conversion continue.
4.1 Étape de formation du laitier
De l'air enrichi en oxygène (25-35 % d'O₂) est insufflé pour oxyder le sulfure de fer. Les scories contenant 2 à 8 % de Cu sont écrémées et renvoyées à la fusion éclair.
4.2 Étape de fabrication du cuivre
Le soufflage continu oxyde le Cu₂S en cuivre cloqué (98,5-99,3 % Cu) à 1180-1230 °C.
3
1. Chargement et centrage automatique de la bobine principale → Chariot hydraulique de 15 tonnes + servomoteur photoélectrique EPC, erreur d'alignement de l'axe central < 0,1 mm
2. Déroulement et mise en tension → Frein à poudre magnétique + servocommande en boucle fermée, réglable avec précision de 50 à 1500 N
3. Refendage de précision → Disques en carbure de tungstène ou en acier rapide PM importés, faux-rond de la broche ≤ 0,002 mm, entretoises rectifiées à ±0,001 mm, compensation d'usure en temps réel
4. Gestion des déchets de coupe → Bobineuses à double tête indépendantes ; les déchets sont retournés en bobines ou broyés sur place.
5. Enroulement et isolation de la tension → Isolation individuelle par rouleau dansant pour chaque brin, mandrins pneumatiques + protection automatique des angles, alignement des faces ≤ ±0,3 mm
6. Découpe et emballage automatiques → Décélération → Découpe → Emballage papier → Étiquetage → Évacuation en 45 secondes
Processus complet de refendage automatique de bobines de cuivre
5. Raffinage au feu du four à anode
Le cuivre blister est chargé dans des fours à anodes fixes ou basculantes de 50 à 500 tonnes pour un raffinage par oxydoréduction.
5.1 Stade d'oxydation
Les lances à air ou à oxygène éliminent les résidus de Fe, Ni, As, Sb et Bi sous forme de scories flottantes.
5.2 Étape de réduction
La teneur en oxygène est réduite à 150-300 ppm à l'aide de gaz naturel, de diesel ou de poteaux en bois. Le cuivre raffiné est coulé en anodes de 300 à 450 kg (Cu ≥ 99,0 %).
4
6.1 Conditions de fonctionnement
- Densité de courant : 220-320 A/m²
- Tension de la cellule : 0,22-0,32 V
- Température de l'électrolyte : 60-65 °C
- Cu²⁺ : 40-55 g/L, H₂SO₄ libre : 150-220 g/L
6.2 Réactions électrochimiques
Dissolution de l'anode : Cu → Cu²⁺ + 2e⁻. Les éléments les plus nobles (Au, Ag, Se, Te) se retrouvent dans les boues anodiques ; les éléments moins nobles passent en solution. Le dépôt cathodique donne un rendement en cuivre ≥ 99,993 % conforme aux spécifications LME Grade A.
7. Traitement des gaz résiduaires et contrôle environnemental
Les gaz riches en SO₂ provenant des fours flash, des convertisseurs et des fours à anodes sont refroidis, dépoussiérés et traités dans des unités d'acide à double contact, permettant une récupération du soufre supérieure à 99,8 %. La teneur en SO₂ des gaz résiduaires est largement inférieure à 100 mg/Nm³. L'arsenic, le mercure et les autres métaux lourds sont éliminés par des procédés spécifiques.
8. Conclusion
La pyrométallurgie du cuivre moderne a atteint un haut niveau de continuité, d'automatisation et de performance environnementale. Les procédés intégrés de fusion éclair, de conversion continue, d'affinage anodique et d'électroraffinage permettent d'obtenir un taux de récupération global du cuivre supérieur à 98,5 % et une consommation énergétique spécifique de 280 à 320 kgce/t de cathode, ce qui constitue une référence mondiale. Les développements en cours dans les domaines de l'enrichissement en oxygène, des technologies de production de cuivre en continu et du contrôle numérique des procédés permettront d'améliorer encore l'efficacité et la durabilité.
Date de publication : 24 décembre 2025