Raffination

Kupfer wird entweder durch Elektrolyse oder im Schmelzfluss raffiniert. 

Die Feuer-Raffination wird von der elektrolytischen Raffination immer mehr zurück gedrängt. Nur noch etwa 10 % des Kupfers wird im Schmelzfluss raffiniert. Der elektrolytischen Raffination geht jedoch immer eine Feuer-Raffination voraus, um schon in dieser Stufe so viele Verunreinigungen wie möglich zu entfernen und dadurch die Elektrolyse zu entlasten. Außerdem hat diese Vorraffination im Schmelzfluss den Zweck, die im Blisterkupfer reichlich vorhandenen Elemente Schwefel und Sauerstoff so weit zu entfernen, dass sie bei der elektrolytischen Raffination nicht stören.

Feuer-Raffination

Die Feuer-Raffination wird sowohl bei der Primärkupfer-Gewinnung als auch bei der Sekundärkupfer-Gewinnung (Recycling) angewendet. Dabei werden durch selektive Oxidation Verunreinigungen des Kupfers bei hohen Temperaturen in eine oxidische Form überführt und als Schlacke abgezogen. Je nachdem, ob bei der Feuer-Raffination von festen Ausgangsstoffen – Blisterkupfer in erstarrter Form oder Schrotten – oder flüssigem Blisterkupfer ausgegangen wird, ist zwischen zwei Fällen zu unterscheiden:

  • Umschmelzen im Flammofen (ASARCO-Ofen) und anschließendes „Polen“ im Trommelofen.
  • „Polen“ von flüssigem Blisterkupfer im Trommelofen (Anodenofen).

In der sogenannten Oxidationsperiode wird durch Beaufschlagung mit Flammen bei Luftüberschuss das Kupfer auf einen hohen Sauerstoffgehalt gebracht. Dadurch oxidieren die meisten Verunreinigungen. Beim Blisterkupfer wird der Schwefelgehalt verringert. Die oxidierten Verunreinigungen schwimmen als Schlacke an der Badoberfläche und werden abgezogen. Diese Schlacke ist kupferhaltig und wird in der Metallhütte wieder eingesetzt.

Der in der Oxidationsperiode entstandene hohe Sauerstoffgehalt des Kupfers (etwa 1 %) muss in der nachfolgenden Reduktionsperiode (Polen) im Anodenofen durch reduzierende Mittel wieder gesenkt werden. Während früher frische Buchen- oder Birkenstämme zum „Polen“ in das mit Koksgrus oder ausgeglühter Holzkohle abgedeckte flüssige Metall eingebracht wurden, wird heute überwiegend Erdgas, Propan, Naphta, Reformiergas oder Ammoniak als Reduktionsmittel eingesetzt. Durch die Bildung von flüchtigen organischen Verbindungen in den Reduktionsmitteln wird das Kupfer(I)-oxid unter Bildung von Wasserdampf und Kohlendioxid zu Kupfer reduziert und in den gießfertigen Zustand gebracht.

Das „feuerraffinierte“, zähgepolte Kupfer enthält noch geringe Mengen Sauerstoff. Dieser geringe Sauerstoffgehalt im zähgepolten Kupfer ist notwendig und verhindert die Wasserstoffaufnahme. Er wirkt deshalb bei den Gussformaten während der Erstarrung der Lunkerbildung entgegen und macht leicht oxidierbare Verunreinigungen, die die Eigenschaften des festen Körpers beeinträchtigen könnten, durch Überführung in ihre Oxide unschädlich.

Das Kupfer wird zum Teil in einer Stranggießanlage zu „Formaten“ wie Rundbolzen, Walzplatten und Kerbblöckchen, der größte Teil jedoch in der Kupferhütte zu Anoden vergossen. Die meisten Anoden werden auf großen sich drehenden Anodengießrädern in 20–30 offene Formen gegossen. Bei einem moderneren Verfahren werden inzwischen die Anodenbleche in einem Spalt zwischen zwei Wasser gekühlten Stahlbändern gegossen und mit einem Plasmabrenner kontinuierlich aus dem Band herausgeschnitten. Für die im Anschluss folgende Elektrolytische Raffination wird von den Anoden gute Planheit und hohe Gewichtskonstanz gefordert.

Elektrolytische Raffination 

Die Elektrolyse wird zur Reinigung (Raffination) von Metallen in großtechnischem Maßstab eingesetzt. Zur Elektrolytischen Raffination werden in die mit Kupfersulfatlösung gefüllten Elektrolysebäder nebeneinander die aus unreinem Kupfer gegossenen Anodenplatten und aus Elektrolytkupfer hergestellte dünne Kathoden-Startbleche bzw. Dauerkathoden aus Edelstahl gehängt. Durch den elektrischen Strom geht das Kupfer an den Anoden in Lösung und wird an den Kathoden als sehr reines Metall niedergeschlagen. Von den Verunreinigungen des Anodenkupfers werden unedlere Elemente zwar anodisch gelöst, aber nicht an der Kathode abgeschieden (z. B. Nickel, Arsen), während andere edle Elemente wie Gold, Silber, Platin oder solche Elemente wie Blei oder Selen, die unlösliche Verbindungen bilden, an der Anode nicht gelöst werden, sondern als Schlamm zu Boden sinken und dann aus diesem „Anodenschlamm“ gewonnen werden.

Die Kathode ist das Basisprodukt des Kupfers für hochwertige Anwendungen. In Form der Kathode scheidet sich reines Kupfer beim elektrolytischen Raffinationsprozess von Rohkupfer ab. Kupferkathoden mit bestimmten Höchstgehalten an Verunreinigungen werden auch an der „London Metal Exchange“ und der „Comex“ registriert und gehandelt. Qualitativ hochwertiges Kupfer zeichnet sich durch niedrigste Verunreinigungsgehalte aus, da schon geringste Mengen im ppm- Bereich an Selen, Wismut oder Antimon die Leitfähigkeit stark beeinflussen.

Die Gewinnung der Edelmetalle stellt einen wesentlichen Anteil der Wirtschaftlichkeit der Elektrolyse dar. Die bei der elektrolytischen Raffination gewonnenen Kathodenplatten werden wieder eingeschmolzen und zu Formaten für die Halbzeugherstellung vergossen.

Grundsätzlich gilt:

Das Verhalten der Verunreinigungen im Anodenkupfer wird im wesentlichen durch ihre Stellung in der Spannungsreihe der Elemente bestimmt:
- Elemente, die unedler sind als Kupfer, gehen in Lösung.
- Elemente, die edler sind als Kupfer, gehen in den Anodenschlamm

Anode
Elektrolyt
Kathode

Anode

Anodenkupfer, auf der Anoden-Gießmaschine oder einer HAZELETTGießanlage
gegossen, noch verunreinigte Cu-Platten. Gewicht der Platte: 300-450 kg.

Elektrolyt

schwefelsauer, kupfersulfathaltig (Cu2+ -Ionen-Konzentration:
30-50 g/l). Zusätze von Inhibitoren, um glatte, einschlussfreie Niederschläge
zu bekommen.

Kathode

Kupferblech (elektrolytisch hergestellt, etwa 1 mm dick) als Startblech.
Gewicht der fertigen Kathode: 130-160 kg.

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