Background
銅は基本化学要素の一つであります。 ほぼ純粋な状態の銅は、赤みがかったオレンジ色の金属で、高い熱伝導性と電気伝導性を持っていることで知られています。 銅は、電線、調理用鍋、パイプ、チューブ、自動車のラジエーターなど、さまざまな製品の製造によく使用されています。 銅はまた、紙、塗料、繊維、木材の顔料や防腐剤としても使用されます。 亜鉛と組み合わせて真鍮を、スズと組み合わせて青銅を製造します。
銅が最初に使われたのは、1万年前と言われています。 紀元前8700年頃の銅のペンダントが、現在のイラク北部で発見された。 紀元前6400年頃には、現在トルコとして知られている地域で、銅を溶かして鋳造し、物にしていた証拠があります。 紀元前4500年頃までには、エジプトでもこの技術が使われていました。 紀元前4000年以前に使用されていた銅のほとんどは、自生する銅の露頭を偶然に発見したり、地球に衝突した隕石から採取されたものでした。 銅鉱石の組織的な抽出に関する最初の記述は、紀元前3800年頃、エジプトの文献にシナイ半島での採掘作業について記述されていることから始まります。
紀元前3000年頃、地中海に浮かぶキプロス島で銅鉱石の大きな鉱床が見つかりました。 ローマ人がキプロスを征服したとき、彼らはこの金属にラテン語でaes cypriumという名前を付けました。 後にこれがcuprumに転訛し、英語のcopperや化学記号のCuの由来となった。
南米では、紀元前500年頃にはペルー北部の海岸で銅製品が生産されており、1500年代にインカ帝国がスペイン軍に征服される頃には、銅冶金の発達が進んでいた。
アメリカでは、1705年にコネチカット州のブランビーで最初の銅山が開かれ、その後1732年にペンシルベニア州のランカスターでも銅山が開かれました。 しかし、1844年にスペリオル湖周辺で高品位の銅鉱石の採掘が始まるまで、米国で使用される銅のほとんどはチリから輸入されたものであった。 1800年代後半には、より効率的な処理技術が開発され、米国西部の巨大露天掘りから低品位の銅鉱石を採掘することができるようになった。
今日では、アメリカとチリが世界の銅生産国のトップ2であり、ロシア、カナダ、中国がそれに続いている。
原材料
純銅は自然界にほとんど存在せず、通常は他の化学物質と結びついて銅鉱石という形で産出されます。 世界40カ国で商業的に採掘されている銅鉱石は約15種類あります。 最も一般的なのは、銅と硫黄が化学的に結合した硫化鉱と呼ばれるものである。 その他、化学物質の種類によって、酸化鉱、炭酸塩鉱、混合鉱と呼ばれるものもある。 銅鉱石には、金、銀、ニッケルなどの有価金属や、商業的に利用できない物質が大量に含まれていることが多い。 米国で採掘される銅鉱石のほとんどは、重量にして約1.2〜1.6％の銅しか含んでいない。
最も一般的な硫化鉱は黄銅鉱、CuFeS 2 で、銅黄銅鉱または黄銅鉱としても知られています。 黄銅鉱も硫化鉱の1つで、Cu 2 Sと呼ばれる。
赤銅鉱（Cuprite）は酸化物鉱で、Cu 2 O。 マラカイト（緑銅鉱 Cu(OH) 2 -CuCO 3 ）は炭酸塩鉱として重要であり、アズライト（青銅炭酸 Cu(OH) 2 -2CuCO 3 ）も同様である。
その他の鉱石としては、テンナンタイト、ホウ素鉱、クリソコラ、アタカマイトなどがある。
鉱石そのものに加えて、銅の加工や精錬にはいくつかの化学物質がよく使われます。 硫酸、酸素、鉄、シリカ、有機化合物など、使用されるプロセスによってさまざまなものがある。
製造工程
銅鉱石から銅を抽出する工程は、鉱石の種類や最終製品に望まれる純度によって異なります。 各プロセスは、不要物を物理的または化学的に除去し、銅の濃度を徐々に高めていくいくつかのステップから構成されています。 これらの工程は、鉱山で行われるものもあれば、別の設備で行われるものもあります。
ここでは、米国西部でよく見られる硫化鉱を処理するためのステップを紹介します。
鉱業
- 1 硫化鉱の多くは巨大な露天掘り鉱山から、掘削と火薬による発破によって採取されます。 この種の採掘では、まず鉱石の上にある表土と呼ばれる物質を取り除き、埋まっている鉱床を露出させる。 その結果、1マイル以上にも及ぶ露天掘りが可能になる。 坑内の斜面には、機械が通行するための道路が螺旋状に延びている。
- 2 露出した鉱石は、一口で500～900立方フィート（15～25立方メートル）を積載できる大きなパワーショベルですくい上げられる。 鉱石は、ホールトラックと呼ばれる巨大なダンプトラックに積み込まれ、坑内を上り、坑外へと運ばれる。
濃縮
銅鉱石は通常、大量の土や粘土、銅以外のさまざまな鉱物を含んでいます。 まず、この廃棄物の一部を取り除くことが必要です。 この作業は濃縮と呼ばれ、通常、浮遊法により行われます。
- 3 鉱石は、一連のコーンクラッシャーで粉砕されます。 コーンクラッシャーは、固定されたアウターコーンの内側に、偏心した垂直軸で回転する内部のグラインディングコーンが配置されています。 鉱石は粉砕機の上部に投入されると、2つのコーンの間に押し込まれ、細かく砕かれる。
- 4 粉砕された鉱石は、次に一連の粉砕機によってさらに小さく粉砕される。 まず、水と混ぜてロッドミルに入れる。ロッドミルは、大きな円筒形の容器の中に短い鉄の棒が無数に入ったものである。 円筒が水平に回転することで、鉄の棒が転がり、鉱石を直径0.13mmほどの大きさに粉砕する。 この鉱石と水の混合物は、2台のボールミルでさらに細かくされる。ボールミルは、ロッドの代わりに鋼球を使用する以外はロッドミルと同じである。 最後のボールミルから出る微粉砕鉱石のスラリーには、直径約0.01インチ（0.25mm）の粒子が含まれています。
- 5 スラリーは様々な化学試薬と混合され、銅の粒子をコーティングする。 また、フロッターと呼ばれる液体も加えられる。 発泡剤には松根油や長鎖アルコールがよく使われる。 この混合液をポンプでフローテーションセルと呼ばれる長方形のタンクに入れ、タンクの底からスラリー中に空気を注入する。 化学試薬によって、銅の粒子は浮上する際に泡にまとわりつくようになります。 泡は厚い泡の層を形成し、タンクから溢れ出てトラフに集められる。 泡を凝縮させ、水を排出する。 銅精鉱と呼ばれるこの混合物には、銅が約25～35％、銅や鉄のさまざまな硫化物、さらに金や銀などが少量含まれています。 タンク内に残ったものは、ギャングまたはテーリングと呼ばれます。 これらはポンプで沈殿池に送られ、乾燥させる。
製錬
一旦、鉱石から廃棄物が物理的に取り除かれると、残った銅精鉱は鉄と硫黄を取り除くためにいくつかの化学反応を受けなければなりません。 この工程は製錬と呼ばれ、伝統的には以下に述べるように2つの炉を使用する。 最近の工場では、両方の作業を組み合わせた1つの炉を使用するところもある。
- 6 銅精鉱はフラックスと呼ばれるシリカ物質と一緒に炉に投入される。 ほとんどの銅製錬所は酸素富化自溶炉を使用しており、予熱された酸素富化空気を炉内に送り込み、重油と燃焼させる。 銅精鉱とフラックスは溶解し、炉の底に溜まる。 精鉱中の鉄分の多くはフラックスと化学的に結合してスラグとなり、溶融物の表面からすくい取られる。 精鉱中の硫黄の多くは酸素と結合して二酸化硫黄となり、ガスとして炉から排出され、さらに酸プラントで処理されて硫酸が生成される。 炉の底に残った溶融物をマットという。 硫化銅と硫化鉄の混合物で、銅が約60重量％含まれている。
- 7 溶けたマットは炉から引き抜かれ、転炉と呼ばれる第二の炉に流し込まれる。 シリカフラックスを追加し、溶融物の中に酸素を吹き込む。 転炉での化学反応は自溶炉での反応と同様である。 シリカフラックスは残った鉄と反応してスラグを形成し、酸素は残った硫黄と反応して二酸化硫黄を形成する。 スラグはフラックスとして自溶炉に戻され、二酸化硫黄は酸プラントで処理されることもある。 スラグが取り除かれた後、最後に酸素を注入することにより、微量の硫黄を除くすべての硫黄が除去される。 こうしてできた溶融物はブリスターと呼ばれ、約99重量％の銅を含んでいる。
精製
銅ブリスターは純度99％の銅ですが、硫黄や酸素などの不純物が多く含まれており、さらなる精製に支障をきたすほどです。 このような不純物を除去・調整するため、ブリスター銅はまず火入れ精錬を行い、最終の電解工程に送られます。
- 8 ブリスター銅は、前述の転炉と同様の精製炉で加熱されます。 溶融したブリスターに空気を吹き込み、一部の不純物を酸化させる。 ヒ素やアンチモンの除去のために炭酸ナトリウムのフラックスを添加することもある。 溶融した材料からサンプルを抜き取り、不純物が許容レベルに達したかどうかを経験豊富なオペレーターが判断する。 純度約99.5％の溶銅を型に流し込み、電解精製プロセスのプラス端子となる大型の電気アノードを形成する。
- 9 それぞれの銅の陽極は、ポリマー・コンクリートでできた個別のタンク（セル）に入れられる。 一度に稼働するタンクは1,250基にもなる。 銅のシートはタンクの反対側に置かれ、陰極（マイナス端子）として機能する。 タンクは硫酸銅の酸性溶液で満たされており、これが陽極と陰極の間の導電体として機能する。 それぞれのタンクに電流を流すと、陽極から銅が剥がれ落ち、陰極に沈殿する。 残った不純物のほとんどは硫酸銅の溶液から落ち、タンクの底にスライムを形成する。 約9〜15日後、電流を止め、カソードを取り出す。 このとき、カソードの重さは約300ポンド（136kg）、純度は99.95〜99.99％の銅となる。
- 10 槽の底に溜まるスライムには金、銀、セレン、テルルなどが含まれている。 これを回収して処理し、これらの貴金属を回収する。
鋳造
- 11 精錬後の銅カソードは溶解され、最終用途に応じてインゴット、ケーキ、ビレット、ロッドに鋳造されます。 インゴットは長方形や台形のレンガで、他の金属と一緒に再溶解して真鍮や青銅製品になる。 ケーキは厚さ約20cm、長さ約28フィート（8.5m）の長方形のスラブである。 圧延して銅板、銅帯、銅板、銅箔を作ります。 ビレットは直径約8インチ（20cm）、長さ数フィート（m）の円柱状の丸太です。 銅管や銅パイプを作るために押し出しや引き抜きを行います。 棒は直径約1.3cmの丸い断面をしています。 通常、非常に長い長さに鋳造され、コイル状に巻かれます。 このコイル状のものをさらに引き伸ばすと、銅線になる。
品質管理
電気的用途では非常に低いレベルの不純物が要求されるため、銅はほぼ100％の純度まで精錬される数少ない一般金属の1つとなっています。 上記のプロセスは、非常に高い純度の銅を生産することが証明されています。 この純度を確保するため、様々な工程でサンプルを分析し、工程に何らかの調整が必要かどうかを判断しています。
副産物／廃棄物
銅製錬プロセスからの硫酸の回収は、収益性の高い副産物を提供するだけでなく、炉の排気による大気汚染も大幅に削減することができます。 金、銀、その他の貴金属も重要な副産物です。
廃棄物には、採掘作業から出る残土、濃縮作業から出る尾鉱、製錬作業から出るスラグなどがあります。 この廃棄物には、ヒ素や鉛などの化学物質がかなりの濃度で含まれている場合があり、周辺に健康被害を与える可能性がある。 米国では、環境保護庁（EPA）がこのような廃棄物の保管や、採掘や加工が終わった後の地域の修復を規制しています。 廃棄物の量は数十億トンと膨大であるため、この作業は大変なものですが、廃棄物の中に含まれる有用な物質を回収することで、利益を得られる可能性もあります。
未来
銅の需要は、特に電気・電子産業において高く維持されると予想されます。 現在の銅加工のトレンドは、より少ないエネルギーで、大気汚染や固形廃棄物を出さない方法と設備に向かっています。 米国では環境規制が厳しく、銅の濃度が非常に低い鉱石があるため、これは困難な課題となっています。 場合によっては、生産コストが大幅に上昇する可能性もあります。
心強い傾向としては、リサイクル銅の利用が進んでいることが挙げられます。 現在、アメリカで生産されている銅の半分以上はリサイクル銅です。 リサイクル銅の 55％はスクリュー成形などの銅の機械加工から、45％は電線や自動車のラジエーターなど、使用済みの銅製品の回 収からきています。 新しく銅を加工するコストが上がるにつれて、リサイクル銅の割合は増えていくことが予想されます。
もっと知りたいところ
書籍
Brady, George S., Henry R. Clauser, and John A. Vaccari.編著 “Brady, George S., Henry R. Clauser, and John A. Vaccari. 材料ハンドブック. マグロウヒル、1997年。
Heiserman, David L. Exploring Chemical Elements and Their Compounds. TAB Books, 1992.
Hombostel, Caleb. 建設材料. ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社, 1991.
Kroschwitz, Jacqueline I. and Mary Howe-Grant、ed. 化学技術百科事典. ジョン・ワイリー・アンド・サンズ社, 1993.
Stwertka, Albert. 元素の手引き. オックスフォード大学出版局, 1996.
Periodicals
Baum, Dan and Margaret L. Knox. “鉱山廃棄物で困っている人たちにビュートのことを考えてもらいたい”. Smithsonian (November 1992): 46-52, 54-57.
Shimada, Izumi and John F. Merkel. “古代ペルーの銅・合金冶金”. サイエンティフィック・アメリカン（1991年7月号）：80-86。
その他
http://www.copper.org .
http://www.intercorr.com/periodic/29.htm .
http://innovations.copper.org/innovations.html .
– クリス・カベット
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