Über Kupfer

Produktionsprozesse

Kupfer findet sich in Spuren in fast allen Gesteinen. Der Kupfergehalt in der Erdkruste beträgt im Mittel  etwa 0,006 %. In der Reihenfolge der Häufigkeit aller Elemente steht Kupfer damit an der 23. Stelle. Erfahren Sie hier mehr über die Produktionsschritte, die dazu benötigt werden, aus dem Kupfererz das wichtigste Funktionsmetall mit einer Vielzahl an Anwendungsmöglichkeiten werden zu lassen.

Kupfermineralien

Kupfer hat wie Eisen die Neigung, sich leicht mit Schwefel zu verbinden; deshalb treten beide Metalle häufig zusammen in Form von schwefelhaltigen Mineralien auf. Die Entstehung der Kupfererz-Lagerstätten geht auf komplexe geologische und geochemische Prozesse zurück. Je nach Art dieser Vorgänge können unterschiedlich große und reiche Lagerstätten gebildet werden. Kupfererze finden sich in der gesamten Erdkruste. Die äußeren 10 km  Kruste enthalten ca. 33 g  Kupfer pro Tonne Gestein. In Gegenden mit starker vulkanischer Aktivität vor Millionen von Jahren findet man geschmolzene Vorkommen. Hier findet man heute Minen, weil die vorhandenen Mengen den Abbau wirtschaftlich lukrativ machen.  

copper ore rock in hand closeup

Kupfererz

Ein Erz ist ein Stein in dem genügend wertvolles Mineral zu finden ist, das es wert ist gewonnen zu werden. Für Kupfer bedeutet das, das eine sogenannte Extraktion dann Sinn macht, wenn über 2 kg Kupfer in 1.000 kg Erz  (0,2 %) enthalten sind. Kupfermineralien werden in verschiedenen Formen gefunden, wobei nur eine geringe Anzahl abgebaut wird. Kupfererze kommen häufig vor. So wird Kupfer aus Chalkopyrit (Kupferkies, CuFeS2), Chalkosin (Kupferglanz, Cu2S), seltener auch aus Bornit  Buntkupferkies, (Cu5FeS4), Atacamit (CuCl2 · Cu(OH)2), Malachit (Cu2[(OH)2|CO3]) und anderen Erzen gewonnen. Im Jahre 2010 waren 636 Kupferminerale bekannt. Am meisten Kupfer findet man in den sulfidischen Erzen.

Bergbau

Ob es sich lohnt, Kupfererz abzubauen, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Wichtig ist natürlich vor allem der Gehalt des Erzes sowie die gesamte Ausdehnung der Lagerstätte, aber auch die vorhandene Infrastruktur. Kupfererze werden sowohl im Untertagebau als auch im Tagebau gewonnen. Früher galt eine Lagerstätte mit mindestens 1 bis 2 % Kupfergehalt als abbauwürdig – heute liegt der Mindestgehalt für große Tagebaue bei 0,3 %.

Die riesigen porphyrischen Kupferlagerstätten mit einem geringen Kupfergehalt des Erzes (<1 % Cu) lassen sich nur durch den kostengünstigeren Tagebau und mit modernsten Abbaumethoden wirtschaftlich nutzen. Die terrassenförmigen Tagebaue dieser Kupferlagerstätten stellen die größten Erzgruben der Welt dar. Ihre Ausmaße erstrecken sich nicht selten über mehr als einen Quadratkilometer Fläche bei Abbauteufen von mehreren hundert Metern. Der größte Kupfererztagebau ist heute die Escondida Mine in Chile, die bis zu 180.000 t Kathodenkupfer pro Jahr produzieren kann.

Derzeit stammt rund 75 % des gewonnenen Primärkupfers aus Tagebauen. Vielfach sind ursprünglich sulfidische Erzlagerstätten durch oxidierende Einflüsse im Bereich der Erdoberfläche in oxidische Mineralien umgewandelt worden. Deshalb beginnt auf vielen Lagerstätten der Bergbau von der Erdoberfläche ausgehend mit dem Abbau oxidischer Kupferminerale, um bei zunehmender Teufe nach und nach schließlich das Gebiet der sulfidischen Erze zu erreichen.

Verarbeitungsstufen

Die Anreicherung der Kupfererze erfolgt durch Flotation (Schwimmaufbereitung). Dabei werden die zermahlenen Erze mit Wasser verrührt. Metallsulfide und Metalloxide stoßen Wasser ab, während die Gesteine der Gangart (Quarz, Silicate) leicht benetzt werden. Durch Zugabe eines Schaums werden die schweren Erzteilchen an die Wasseroberfläche transportiert und können abgeschöpft werden.
Das gereinigte Erz wird in mehreren Schritten in Röstöfen zuerst zu Kupferoxid oxidiert, das dann mit Kupfersulfid (aus dem Erz) zu unreinem Garkupfer reduziert wird, welches einen Reinheitsgrad von etwa 98,5% besitzt. Für eine ganze Reihe von Produktionsbereichen, z.B. für die Elektroindustrie reicht jedoch die Reinheit von Garkupfer nicht aus.
Daher wird noch eine elektrolytische Kupferraffination durchgeführt, bei der man Elektrodenplatten aus Garkupfer als Anoden in eine angesäuerte Kupfersulfatlösung hängt. Die Elektrolyse wird in großen Elektrolysierwannen, in denen einige hundert Elektroden hintereinandergeschaltet sind, bei Spannungen von 0,4 - 1 Volt durchgeführt.
An der Kathode werden diejenigen Kationen der Lösung reduziert (Cu2+), die das größte Bestreben dazu haben, d.h. die das größte Normalpotential (U0) besitzen. Das reine Kupfer scheidet sich an der Kathode ab, während alle unedleren Metallionen wie Eisen-, Zink- und Bleiionen in der Lösung bleiben.

Hydrometallurgische und schmelzmetallurgische Gewinnung. Zum Vergrößern Grafik bitte anklicken.

Kupferproduktion auf hohem Niveau

Die gesellschaftliche Bedeutung von Kupfer spiegelt sich auch in der Produktivität der deutschen Kupferindustrie wieder: In 2012 wurden fast 1,5 Mio Tonnen Halbzeug aus Kupfer und Kupferlegierungen hergestellt wie die Wirtschaftsvereinigung Metalle ausweist - und dies bei einer bekanntermaßen schwierigen Weltwirtschaftslage:  In ganz Europa werden jährlich rund 4 Millionen Tonnen Kupfer und damit über 20% der Weltkupferproduktion verarbeitet, woran die deutsche Kupferindustrie weiter einen erheblichen Anteil hat und haben wird.

Ursprung und Produktion

Es gibt 3 Hauptquellen für Kupfer:  

  •  Abbau von Erzen und Konzentraten

  •  Metall (Kathoden)

  •  Schrott (aus der Verarbeitung und aus End-of-life-Produkten)

Es gibt 2 Produktionswege:

  •  Primär (Erze und Konzentrate)

  •  Sekundär (Recyclingmaterial wie Kupferschrott)

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