II. Afiinaga élactrolytiqua
L'affinage du cuivre noir par une fusion oxydante donne un produit qui contient toujours quelques millièmes d'éléments étrangers ; pour obtenir un cuivre chimiquement pur et doué d*une haute conductibilité électrique, il est nécessaire de recourir à l'affinage élec- (rolytique, qui permet en outre de retirer des cuivres bruts les quantités souvent notables d*or et d'argent qu'ils renferment.
Pour affiner par Télectolyse le cuivre noir, on fait usage de bains de sulfate de cuivre, traversés par un puissant courant électrique; le pôle négatif ou anode est constitué par les plaques de cuivre noir, qu'il s'agit d'affiner ; le pôle positif ou cathode par des plaques très minces de cuivre chimiquement pur. Le courant élec-
WsisSf Le cuivre. 12
206 AFFINAGE DU Cl'IVRE BRUT
trique décompose le sulfate du bain en cuivre, qui se porte sur la cathode, et en acide sulfurique, qui attaque Tanode et régénère le sulfate décomposé. Les métaux précieux contenus dans le cuivre ne sont pas attaqués par Tacide sulfurique, et tombent au fond des bains sous forme de boues, qu'on recueille. Les procédés électrolytiques permettent donc d'extraire tout Tor et l'argent contenus dans les cuivres du commerce.
L'action de Tacide sulfurique sur le cuivre noir produit un travail chimique, équivalent au travail dépensé par le courant pour la décomposition du sulfate; aussi presque toute l'énergie du courant est-elle employée à vaincre la résistance qu'opposent les bains à son passage. Comme il est toujours possible de diminuer la résistance d'un bain, en augmentant la surface des anodes et des cathodes, il semblerait qu'on puisse réduire beaucoup la dépense d'électricité ; mais la force dépensée n'est qu'un des éléments économiques de la question, car les dimensions des installations et surtout la quantité de métal en traitement immobilisent un capital considérable dont l'intérêt peut dépasser le bénéfice brut réalisé par l'opération. Pour marcher dans des conditions vraiment économiques, on doit garder une proportion, déterminée par l'expérience, entre la puissance des machines électriques et le nombre des bains.
Le raffinage électrolytique du cuivre est pratiqué depuis une vingtaine d'années dans de nombreuses usines, dont les plus importantes sont la Norddeulsche
APPrARlC BLKCTHOLyTIQDE 207
Affitteriede Hamboui^, l'usine d'Oker, dans le Harz,
M (de Be d) fflnage é e
l'usiaede Biache-Saint-Waast, dans le Pas-( et l'usioe de Selly Oak, près Birmingham.
Il n'existe malheureusement que très peu de données sur les procédés employés dans les usines traitant le cuivre électroly tiquement ; chaque fabricant a des tours de main spéciaux, qu'il se garde de divulguer à cause de la difficulté de maintenir ses droits contre les contrefacteurs. Cependant, nous pouvons affirmer qu'il n'y a pas de secret pour l'affinage électroly tique ; le grand mystère est la minutie des soins à donner aux différentes parties de l'opération, pour obtenir la régularité des courants et des dissolutions.
Toutes les usines ont adopté des dispositions analogues ; le courant électrique est fourni par des machines électromagnétiques du type Gramme ou Siemens, qui alimentent vingt à trente bains couplés en tension ^ Les bains sont en bois doublé de plomb. Ils sont en général placés au même niveau et communiquent par le fond, Deux cadres en cuivre, isolés l'un de l'autre, les surmontent et servent à la transmission du courant, les deux pôles de la machine sont mis en contact avec les cadres des bains extrêmes et le cadre positif de chaque bain est en communication avec le cadre négatif du bain voisin, au moyen d'un conducteur en cuivre recourbé. Les bains contiennent une solution de sulfate de cuivre ; le cuivre à raffiner est coulé en plaques d'un centimètre d'épaisseur, qui forment les anodes ; on les
* Voy. J. Lefèvre, Dictionnaire (T Electricité^ art. Machine d'induction, Paris, 1891, 1 vol. in-8, J.-B. Baillière et fils.
AFFINAGE ELECTROLYTIQUB 209
suspend par deux crochets en cuivre au châssis supérieur. Les cathodes sont faites en plaques de cuivre très pur d'un millimètre d'épaisseur ; elles sont repliées à leur partie supérieure et accrochées aux traverses du châssis inférieur. Chaque bain contient environ cent anodes et cathodes, séparées les unes des autres par une distance de quelques centimètres, et présentant des surfaces totales égales.
Le cuivre se dépose sur les cathodes en couche épaisse, assez unie pour être directement portée au laminage ; Tor et l'argent tombent au fond du bain sous forme de boue, avec les autres impuretés du cuivre et les débris d'anodes ou de cathodes, qui se détachent quelquefois.
On décante les bains au moyen de siphons en plomb ; on lave les boues sur un crible, sur lequel restent les débris de cuivre, puis on les fond avec de la litharge et on les coupelle avec du plomb argentifère pour en extraire l'or et l'argent.
Les solutions de sulfate de cuivre des bains se chargent peu à peu de sulfate ferrique, qui provient du fer contenu dans les anodes ; il est nécessaire de les purifier de temps en temps par cristallisation, en les évaporant partiellement.
L'épaisseur du cuivre formé sur les cathodes est d'environ 8 millimètres par heure ; dans ces conditions le dépôt est régulier, an et tenace. S'il était fait trop précipitamment, le cuivre entraînerait avec lui
corps étrangers, qui dimioueraient sa coQductibilité. Les procédés d'affinage électrolytique ont rinconvénient d'immobiliser une grande quantité de cuivre ; ainsi, à la Norddeulsche Af/inerie de Hambourg, la valeur du cuivre constamment dans les cuves est d'environ 600 francs par tonne traitée ; en comptant à 5 pour 100 l'intérêt du capital engagé, les frais d'affinage s'évaluent approximativement de la manière sui vante :
Intérêt du capital 65 fr.
Force motrice 40 —
Entretien 15 —
Main*a*œuvre 40 —
Frais généraux 40 —
200 fr.
L'affinage est donc fort cher ; mais les cuivres bruts contiennent généralement une petite proportion d*or et d'argent, qui compense, et au delà, les dépenses de fabrication. La valeur des métaux précieux n'entre en effet dans le calcul du prix des cuivres, que lorsque la proportion d'argent dépasse 1 kilogramme à la tonne.
D'autre part, le cuivre électrol)^tique a sur le marché une plus-value très importante à cause de sa haute conductibilité. Aussi Télectrolyse tend-elle à remplacer partout les opérations métallurgiques pour l'affinage des cuivres destinés aux usages électriques.
III. Traltament don minerais da ontvre natif f du Lac 8up4rleur.
Les procédés que nous venons de décrire s'appliquent aux minerais contenant le cuivre à l'état de
- Four i réverbère pour le traitement des de cuivre au Lac Supérieur.
nmbinaisons sulfatées ou oxydées ; lorsqu'on doit raiter des minerais de cuivre natif, toutes les fusions ie concentration deviennent inutiles ; une seule opéra-
tion suffit pour donner du cuivre marchand. Au Lac Supérieur on exploite d'énormes gisements de cuivre natif. La fusion de minerais se fait dans de grands fours à réverbère (flg. 78), pouvant recevoir des charges de 10 tonnes, et chauffés à Tanthracite. L'air nécessaire à la combustion est soufflé à forte pression sous la grille de la chauffe, et se chauffe préalablement en circulant dans des canaux en briques i, ménagés dans la maçonnerie du pont. On charge d'abord des minerais menus qu'on étale sur la sole, puis des minerais en gros morceaux, et enfin des scories riches destinées à faciliter l'affinage. La masse fond peu à peu ; au bout de cinq à six heures, on retire les scories qui se forment, puis on laisse arriver Tair par deux conduits aménagés dans la voûte au-dessus du pont. Les métaux contenus dans le cuivre s'oxydent et passent dans la scorie. Comme dans l'affinage du cuivre brut, l'oxydation est pousséd très loin;' on suit la marche par des prises d'essa^ successives. Lorsqu'une prise d'essai montre une cas^ sure à gros grains brillants, on arrête l'arrivée de l'air^ on enlève toute la scorie, et on commence le rafânage^ en jetant dans le four du charbon de bois, et en produl sant le brassage de la masse par l'introduction d'un^ perche de bois vert. On coule le cuivre, en le puisant I l'aide de poches en fer, enduites d'argile. Le cuivr< qu'on obtient ainsi est très pur et a une grande vogui commerciale. Des analyses récentes de divers échau tillons de cuivre ont donné les résultats suivants :
Fer »
Nickel »
Cobalt »
Aident 0,03
Oxygène 0,28
Cuivre 99,60
traces
traces
chlor hydrique. Les sulfures au contraire ne sont que peu solubles,et doivent être transformés soit en sulfates, soit en chlorures avant d*être soumis à l'action des dissolvants.
La sulfatisation peut se faire lentement à froid sous l'action de l'air; ainsi les eaux qui sortent des anciennes galeries de mines sont chargées de sulfates métalliques. Plus généralement, on détermine la transformation des sulfures en sulfates par un grillage oxydant, effectué soit en tas, soit dans un des fours que nous avons décrits à propos du grillage des minerais, traités par les opérations métallurgiques.
La transformation des sulfures en chlorures s'obtient également par un grillage ; mais au lieu de laisser agir l'oxygène seul sur les minerais, on les mélange de chloru e de sodium, qui détermine la chloruration.
Les minerais sulfatés ou chlorurés sont soumis à un lessivage méthodique, qui leur enlève tous les sels de cuivre qu'ils contiennent ; la dissolution obtenue est traitée par de vieilles ferrailles, dont le fer se substitue au cuivre dans ses sels et produit un précipité de cuivre métallique, appelé cément^ qu'on raffine ensuite dans des fours à réverbère.
Telle est, dans ses grandes lignes, la méthode de traitement des minerais de cuivre par la voie humide. Pour bien la faire comprendre dans ses détails, nous décrirons quelques-unes des installations les plus importantes qu'on rencontre en Europe ou en Amérique.
PROCÈDES EMPLOYÉS A RIO-TINTO 217
PROCEDES EMPLOYES A RIO-TINTO
Les minerais de Rio-Tinto, formés de pyrite de fer contenant 2,5 pour 100 de cuivre, sont, comme nous l'avons dit plus haut, grillés en tas à l'air libre. Les minerais grillés sont placés dans de grands bassins de lessivage, bâtis en maçonnerie. — Ces bassins, de 30 mètres de longueur, 10 mètres de largeur, l",50de profondeur, sont munis d'un faux fond en planches légèrement incliné; des fentes pratiquées dans ce plancher permettent au liquide qui a filtré à travers la masse de s'écouler dans le sous-sol, et delà, par des écluses de vidange, dans des bassins de cémentation. Le lessivage se fait par l'eau, qu'on renouvelle plusieurs fois jusqu'à ce qu'elle ne contienne plus trace de cuivre. Les résidus de lavage sont mélangés avec des minerais menus et mis en tas de 3 à 4 mètres de haut, dans lesquels sont ménagés des canaux pour la circulation de l'air. Sous l'influence des agents atmosphériques, la masse s'échauffe, les sulfures qui n'avaient pas été oxydés pendant le premier grillage se transforment en sulfates, et, au bout de six à huit semaines, on soumet le minerai à un second lessivage ; on expose de nouveau le résidu à l'air, on le lessive encore et ainsi de suite pendant environ deux ans ; au bout de cette période, les minerais sont épuisés et ne contiennent plus a
Wsiss, L« Gaivre. 13
quelques millièmes de cuivre. A Rio-Tinto et à Tharsis, 500.000 tonnes de minerais sont constamment en traitement; les tas de grillage et les bassins sont régulièrement disposés et reliés par des voies ferrées.
La liqueur chargée de sulfate de cuivre s*écouledans une série de canaux maçonnés de 600 mètres de longueur, au fond desquels on a placé des saumons de fonte et de vieilles ferrailles, qui précipitent le cuivre à rétat de cément. Au sortir de ces canaux, la liqueur, qui ne contient plus que quelques grammes de cuivre par mètre cube, est renvoyée à l'aide de pompes dans les bassins de lessivage, où elle sert de nouveau comme dissolvant.
Le cuivre de cément obtenu est très impur ; sa composition moyenne est la suivante :
Cuivre • Argent .
Plomb. .
Bismuth .
Fer . .
Antimoine Arsenic •
51,90 Soufre 5,10
2,35 Chaux 0,60
1,45 Chlorure de sodium. 0,40
4,95 Sulfate de soude. . 1,40
7 » Sable 5 »
0,50 Perte au feu et di-
2,25 vers .... 16 »
On commence par le griller au four à réverbère pour éliminer Tarsenic, puis on Texpédie k des usines anglaises et allemandes, qui extraient par des procédés spéciaux Targent qu'il contient.
La consommation de fonte est de 1700 kilogrammes environ par tonne de cuivre ; pour éviter la dépense qui
PROCEDE DOBTSGH 219
en résulte, on a essayé à Rio-Tinto, de précipiter le cuivre par de Thydrogène sulfuré produit en faisant passer un mélange d'eau et d'acide sulfureux sur du coke porté au rouge ; ce procédé n'a pas donné des résultats satisfaisants. Le sulfure de cuivre obtenu était trop impur.
D'après M. Cumenge, les frais de traitement par tonne de minerai s'élèveraient aux chiffres suivants :
Grillage 0,90
Cémentation 2,80
Valeur du minerai 4 »
Total 7,70
PROCEDE DOETSCH
Le procédé de sulfatation des minerais a été partiellement remplacé par le procédé Doetsch, qui substitue au grillage oxydant une réaction chlorurante, basée sur raction du chlorure ferrique sur les sulfures de cuivre. Au contact du chlorure ferrique les sulfures de cuivre se transforment en chlorures, tandis que les sulfures de fer ne sont pas attaqués.
GuS + Fe«Gl» =: 2FeCl« + GuCl + S Cu«S 4- Fe^Glô =t 2FeGl« -f- CuCl« 4- S
Le chlorure ferrique sépare donc le cuivre de
gaDgue sans dissoudre le fer. La liqueur contenant le chlorure de cuivre est ensuite traitée par le fer, qui précipite du cuivre de cément.
2GuCl + Fe = 2Cu + FeCl« GuCl» + Fe = Gu -h FeGl«
La solution de chlorure ferrique s'obtient en dissolvant du sel marin dans du sulfate ferrique ; il se forme du sulfate de soude et du chlorure ferrique.
Pour appliquer le procédé Doetsch, on commence par concasser le minerai en fragments de moins de 1 cent! mètre, puis on le mélange de 2 pour 100 de sel marin et ferrique, et on Tempile en tas de 4 mètres de hauteur de sulfate sur 15 mètres de longueur et de largeur ; des canaux horizontaux et des cheminées verticales y sont ménagés, pour la circulation de Tair et de Teau. Sur le faîte du tas, on dispose des plates-formes, qui servent à distribuer de Teau uniformément dans la masse. L*eau, ens'infiltrant à travers le minerai, dissout le sel et le sulfate de fer, qui réagissent Tun sur l'autre en donnant du chlorure ; la solution chlorurée attaque les sulfures de cuivre, et s'écoule par les canaux horin zontaux dans les bassins, où elle est cémentée au moyeii de fontes et de vieilles ferrailles. La consommation d^ fonte est d'environ 1100 kilogrammes par tonne di cuivre ; le cément tient 80 à 85 pour 100 de cuivre.
Les eaux cémentées contiennent du chlorure ferreux pour qu'elles puissent servir de nouveau au lessivage
PRQGÈDÉ DOETSGH $21
il est nécessaire de régénérer le chlorure ferrique. A cet effet, on les élève au moyen de pompes à revêtement intérieur en caoutchouc durci, et on les fait tomber dans une tour remplie de fragments de coke, au travers desquels monte un courant de chlore, produit par Taclion, dans un four à réverbère, de chlorure de sodium sur du sulfate de fer en présence d'un excès d*oxygène.
2FeS0^ -h 4NC1 -f- 30 = Fe«03 -H 2Na«S0* 4- 4a Fe«SO« 4- 2NG1 + 0 = 2Fe«03 4- Na«SO* + 2G1
Le chlore transforme le chlorure ferreux en chlorure ferrique, qu'on fait servir de nouveau au lessivage.
L'opération du lessivage dure environ deux ans ; au bout de ce temps, il ne reste plus que 0,50 pour 100 de cuivre dans les minerais.
Le procédé Doetsch a le grand avantage de supprimer les fumées d'acide sulfureux, qui ont dénudé anciennement les campagnes de Rio-Tinto ; il diminue beaucoup la dépense de fonte nécessaire pour la cémentation et ne consomme que du sel marin et du sulfate de fer, qu'on se procure facilement à bas prix.
D'après M. Cumenge, par tonne de cuivre de cément, les frais de fabrication sont les suivants :
Dissolution 83 fr.
Cémentation 181 —
Frais généraux 28 —
292 fr.
