1. บทนำ
การถลุงทองแดงด้วยกระบวนการทางความร้อนสูงยังคงเป็นกระบวนการหลักในการผลิตทองแดงบริสุทธิ์ขั้นต้น โดยคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 80% ของกำลังการผลิตทั่วโลก กระบวนการนี้เปลี่ยนแร่ทองแดงซัลไฟด์เข้มข้น (ส่วนใหญ่เป็นแร่แชลโคไพไรต์, CuFeS₂) ให้เป็นทองแดงแคโทดที่มีความบริสุทธิ์สูง (≥99.99% Cu) ผ่านชุดกระบวนการทางโลหะวิทยาที่อุณหภูมิสูง บทความนี้จะอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับแผนผังกระบวนการแบบบูรณาการหลัก ซึ่งประกอบด้วยการถลุงแบบแฟลช การแปลงสภาพ การกลั่นแอโนด และการกลั่นด้วยไฟฟ้า
2. การเตรียมและการผสมสารเข้มข้น
แร่ทองแดงเข้มข้น (25-35% Cu) ขนส่งมาทางเรือบรรทุกสินค้าขนาดใหญ่และเก็บไว้ในโกดังที่มีหลังคาคลุม โดยทั่วไปปริมาณความชื้นจะอยู่ที่ 8-12% และต้องลดลงให้เหลือ ≤0.3% โดยใช้เตาเผาแบบหมุนหรือเครื่องอบแห้งแบบฟลูอิดไดซ์เบด เพื่อป้องกันการระเบิดและการใช้พลังงานมากเกินไปในขั้นตอนการถลุงต่อไป
แร่เข้มข้นที่แห้งแล้วจะถูกผสมกับสารช่วยหลอม (ควอตซ์ หินปูน) แร่ที่เหลือจากการเผาไหม้ และตะกรันจากเตาหลอมในสัดส่วนที่ควบคุมอย่างแม่นยำ โรงงานที่ทันสมัยใช้ระบบป้อนแบบจานหมุนอัตโนมัติและระบบวัดน้ำหนัก ทำให้ได้ความแม่นยำในการผสมภายใน ±0.5%
3. การถลุงแบบแฟลช
การถลุงแบบแฟลช (Flash smelting) เป็นเทคโนโลยีที่ทันสมัยที่สุดในการแปรรูปแร่ทองแดงซัลไฟด์ โดยทั่วโลกมีเตาหลอมแบบแฟลชของ Outotec (ปัจจุบันคือ Metso) และเตาหลอมแบบเป่าลมออกซิเจนจากด้านล่างที่พัฒนาโดยประเทศจีน
3.1 หลักการของกระบวนการ
สารเข้มข้นแห้งจะถูกฉีดเข้าไปในกระแสอากาศร้อนที่อุดมด้วยออกซิเจน (ความเข้มข้นของออกซิเจน 75-90%) ที่อุณหภูมิ 850-950°C ปฏิกิริยา (การทำให้แห้ง การออกซิเดชัน การก่อตัวของตะกรันและแมท) จะเสร็จสมบูรณ์ภายใน 3-5 วินาที โดยความร้อนจากปฏิกิริยาจะช่วยรักษาการทำงานแบบอัตโนมัติ ปฏิกิริยาที่สำคัญ ได้แก่: 4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂ และ 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂
3.2 อุปกรณ์หลัก
- ปล่องปฏิกิริยา: สูง 11-14 เมตร เส้นผ่านศูนย์กลาง 7-9 เมตร บุด้วยอิฐแมกนีไซต์-โครมคุณภาพสูง และมีปลอกน้ำทองแดง
- ปล่องตกตะกอนและปล่องลำเลียง: การแยกมวลหลอมเหลว (ทองแดง 65-75%) และตะกรันด้วยแรงโน้มถ่วง
- หม้อไอน้ำแบบใช้ความร้อนเหลือทิ้ง: ดึงความร้อนสัมผัสจากก๊าซไอเสียที่มีอุณหภูมิประมาณ 550°C มาใช้ในการผลิตไอน้ำ
- อัตราส่วนออกซิเจนต่อสารเข้มข้น: 1.15-1.25 Nm³ O₂/ตันสารเข้มข้นแห้ง
- อุณหภูมิเพลาปฏิกิริยา: 1250-1300°C
- อุณหภูมิในการทำด้าน: 1180-1220°C
- อัตราส่วน Fe/SiO₂ ในตะกรัน: 1.1-1.4, ทองแดงในตะกรัน ≤0.6%
3.3 พารามิเตอร์ควบคุมที่สำคัญ
เตาหลอมแบบแฟลชเดี่ยวมีกำลังการผลิตสูงถึง 4000-5500 ตันต่อวัน สำหรับแร่เข้มข้น โดยมีประสิทธิภาพทางความร้อนมากกว่า 98% และสามารถดักจับ SO₂ ได้เกือบ 100%
4. การแปลง
โลหะแมทจะถูกลำเลียงผ่านรางหรือกระบวยที่ให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าไปยังเครื่องแปลงสภาพของ Peirce-Smith หรือเตาหลอมแบบต่อเนื่อง
4.1 ขั้นตอนการก่อตัวของตะกรัน
เป่าอากาศที่มีออกซิเจนสูง (25-35% O₂) เพื่อออกซิไดซ์เหล็กซัลไฟด์ กากตะกอนที่มีทองแดง 2-8% จะถูกตักออกและส่งกลับเข้าสู่กระบวนการถลุงแบบแฟลชอีกครั้ง
4.2 ขั้นตอนการผลิตทองแดง
การเป่าลมอย่างต่อเนื่องจะทำให้ Cu₂S เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันกลายเป็นทองแดงที่มีฟองอากาศ (98.5-99.3% Cu) ที่อุณหภูมิ 1180-1230°C
5. การกลั่นด้วยไฟในเตาแอโนด
ทองแดงดิบจะถูกป้อนเข้าสู่เตาหลอมแอโนดแบบอยู่กับที่หรือแบบเอียงขนาด 50-500 ตัน เพื่อทำการกลั่นด้วยกระบวนการออกซิเดชัน-รีดักชัน
5.1 ขั้นตอนการออกซิเดชัน
การพ่นลมหรือออกซิเจนจะช่วยกำจัดธาตุเหล็ก นิกเกล สารหนู พลวง และบิสมัทที่ตกค้างออกไปในรูปของตะกรันลอย
5.2 ขั้นตอนการลด
ลดปริมาณออกซิเจนโดยใช้ก๊าซธรรมชาติ ดีเซล หรือเสาไม้ ให้เหลือ 150-300 ppm จากนั้นนำทองแดงบริสุทธิ์มาหล่อเป็นขั้วบวกหนัก 300-450 กิโลกรัม (Cu ≥99.0%)
6. การกลั่นด้วยไฟฟ้า
ขั้วบวกจะถูกวางไว้ในเซลล์อิเล็กโทรไลต์ โดยมีแผ่นแม่แบบตะกั่วหรือไทเทเนียมเป็นขั้วลบ ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์ CuSO₄-H₂SO₄
6.1 เงื่อนไขการใช้งาน
- ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้า: 220-320 A/m²
- แรงดันไฟฟ้าของเซลล์: 0.22-0.32 โวลต์
- อุณหภูมิของอิเล็กโทรไลต์: 60-65°C
- Cu²⁺: 40-55 ก./ลิตร, ฟรี H₂SO₄: 150-220 ก./ลิตร
6.2 ปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า
การละลายของแอโนด: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ ธาตุที่มีความเสถียรสูงกว่า (Au, Ag, Se, Te) จะเคลื่อนตัวไปยังตะกอนแอโนด ส่วนธาตุที่มีความเสถียรน้อยกว่าจะละลายในสารละลาย การตกตะกอนที่แคโทดให้ผลผลิตทองแดง ≥99.993% ซึ่งตรงตามข้อกำหนดเกรด A ของ LME
7. การบำบัดก๊าซเสียและการควบคุมสิ่งแวดล้อม
ก๊าซที่มี SO₂ สูงจากเตาหลอมแบบแฟลช เตาแปลงสภาพ และเตาหลอมแอโนด จะถูกทำให้เย็นลง กำจัดฝุ่น และผ่านกระบวนการในโรงงานกรดแบบสัมผัสสองครั้ง ซึ่งสามารถกู้คืนกำมะถันได้มากกว่า 99.8% ปริมาณ SO₂ ในก๊าซท้ายเตาต่ำกว่า 100 มิลลิกรัม/ลูกบาศก์เมตร สารหนู ปรอท และโลหะหนักอื่นๆ จะถูกกำจัดออกโดยกระบวนการเฉพาะทาง
8. บทสรุป
เทคโนโลยีการถลุงทองแดงด้วยความร้อนในปัจจุบันประสบความสำเร็จอย่างมากในด้านความต่อเนื่อง การทำงานอัตโนมัติ และประสิทธิภาพด้านสิ่งแวดล้อม แผนผังกระบวนการแบบบูรณาการที่ประกอบด้วยการถลุงแบบแฟลช การแปลงสภาพอย่างต่อเนื่อง การกลั่นด้วยขั้วบวก และการกลั่นด้วยไฟฟ้า ให้ผลลัพธ์การกู้คืนทองแดงโดยรวมมากกว่า 98.5% และการใช้พลังงานจำเพาะ 280-320 กก.ce/ตันแคโทด ซึ่งถือเป็นมาตรฐานระดับโลก การพัฒนาอย่างต่อเนื่องในด้านการเสริมออกซิเจน เทคโนโลยีการผลิตทองแดงแบบต่อเนื่อง และการควบคุมกระบวนการแบบดิจิทัล จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความยั่งยืนให้ดียิ่งขึ้นไปอีก
วันที่เผยแพร่: 22 ธันวาคม 2025