Behaviour of trace elements in copper smelting operations
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-08-29
Department
Major/Subject
Sustainable metals processing
Mcode
CHEM3026
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
111+10
Series
Abstract
Copper has a vital role in various industrial sectors, particularly in construction and electronics, driven by the escalating demand spurred by electrification. The increased focus on extracting higher-grade ores to enhance efficiency has led to a global decline in copper ore grades. Simultaneously, a rise in trace element concentration presents challenges for mines and smelters, necessitating a deeper understanding of trace element behaviour in copper smelting processes. This knowledge is deemed essential for optimizing operations, ensuring efficient recovery of valuable components, and eliminating harmful impurities. In addition, recognizing the geological background of raw materials is crucial for anticipating future challenges. In this thesis, the behaviour of trace elements in copper smelting operations was studied during flash smelting, converting, and anode furnace processes. In addition, the relation of raw materials to the geological origin was reviewed to identify potential future challenges faced by smelters. Focus will be on the distribution of trace elements (As, Pb, Zn, Se, Sb, Bi, and Co) between the matte and slag or blister and slag. Industrial samples were taken from Boliden Harjavalta smelter, and they were analysed in laboratories in Aalto University and Geological Survey of Finland. The microstructures of the samples were defined with scanning electron microscope with energy dispersive spectrometry (SEM-EDS), and the trace element concentrations were identified with electron probe microanalysis (EPMA) and laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). The distribution coefficients were determined using the results from LA-ICP-MS. Zinc and cobalt showed strongest distribution to slag especially during converting, with coefficients of 0.04–0.1 and 0.39–0.43 in the FSF, 0.01–0.0008 and 0.2–0.0004 in the converter, and 0.001 and 0.001 in the anode furnace, respectively. Arsenic distributed quite evenly between matte/blister and slag in the FSF and anode furnace, with coefficients of 0.29–0.37 and 0.33, but more strongly to the matte in the converter (12.2–374). Lead also distributed evenly in the FSF with a coefficient 0.34–0.42, but more strongly to the slag in the converter and anode furnace, with coefficients of 0.005–0.58 and 0.001, respectively. Antimony deported to the slag in the FSF and anode furnace with distribution coefficients of 0.06–0.07 and 0.03, but more to the matte during converting, depending on the slag blow, with coefficients of 0.2–29. Bismuth deported to the matte in the FSF and converter (3.55–6.72 and 4.18–539), but somewhat evenly between blister and slag in the anode furnace (0.11). None of the distribution coefficients for selenium are exact due to some spot measurements being below detection limits, but it was confirmed that selenium distributes strongly in the matte in FSF and converter, and quite evenly between blister and slag in the anode furnace.Kuparilla on yhteiskunnan sähköistyessä yhä keskeisempi rooli useilla toimialoilla, erityisesti rakennus- ja elektroniikkateollisuudessa. Tehokkuuden vuoksi on korkeamman kuparipitoisuuden omaavia malmeja louhittu ensin, mikä on johtanut maailmanlaajuiseen malmien kuparipitoisuuksien laskuun. Samanaikainen hivenainepitoisuuksien nousu aiheuttaa haasteita kaivoksille ja sulatoille, mikä edellyttää syvempää ymmärrystä hivenainekäyttäytymisestä kuparin valmistusprosesseissa. Tieto on välttämätöntä prosessien optimoinnissa, arvokkaiden komponenttien tehokkaan talteenoton varmistamisessa ja haitallisten epäpuhtauksien poistamisessa. Lisäksi raaka-aineiden geologisen alkuperän tunnistaminen on keskeistä tulevaisuuden haasteiden ennakoimisessa. Tässä työssä tutkittiin hivenaineiden käyttäytymistä kuparin liekkisulatus-, konvertointi- ja anodiuuni-prosessien aikana. Lisäksi tarkasteltiin raaka-aineiden geologista alkuperää, jotta voidaan tunnistaa sulattojen mahdollisia tulevaisuuden haasteita. Työssä keskitytään hivenaineiden (As, Pb, Zn, Se, Sb, Bi ja Co) jakautumiseen kuonan ja kiven tai kuonan ja metallin välillä. Teollinen näytteenotto toteutettiin Boliden Harjavallan sulatolla ja näytteet analysoitiin Aalto-yliopiston ja Geologian tutkimuskeskuksen laboratorioissa. Näytteiden mikrorakenteet määritettiin pyyhkäisyelektronimikroskoopilla energiadis-persiivisellä spektrometrialla (SEM-EDS) ja hivenainepitoisuudet selvitettiin elektronisäde-mikroanalyysillä (EPMA) ja laserablaatio-induktiivisesti kytketty plasma-massaspektrometrialla (LA-ICP-MS). Sinkki ja koboltti jakautuivat hivenaineista eniten kuonaan, etenkin konvertoinnin aikana. Sinkin ja koboltin jakautumiskertoimet olivat 0,04–0,1 ja 0,39–0,43 liekkiuunissa, 0,01–0,0008 ja 0,2–0,0004 konvertterissa, ja 0,001 ja 0,001 anodiuunissa. Arseeni jakautui tasaisesti kiven/blisterin ja kuonan välillä liekkiuunissa (0,29–0,37) ja anodiuunissa (0,33), mutta enemmän kiveen konvertoinnin aikana (12,2–374). Lyijy jakautui myös tasaisesti liekkiuunissa jakaumakertoimella 0,34–0,42, mutta enemmän kuonaan konvertterilla ja anodiuunissa (0,005–0,58 ja 0,001). Antimoni jakautui kuonaan liekki-uunissa ja anodiuunissa (0,06–0,07 ja 0,03), mutta konvertoinnin kuonapuhalluksen pituuden kasva-essa enemmän kuonaan (0,2–29). Vismutti jakautui liekkiuunissa ja konvertterissa enemmän kiveen (3,55–6,72 ja 4,18–539), mutta anodiuunissa tasaisesti blisterin ja kuonan välillä jakaumakertoimella 0,11. Seleenin tarkkoja jakaumakertoimia ei pystytty määrittämään yhdellekään prosessivaiheelle, johtuen pisteanalyysien määritysrajat alittavista arvoista. Pystyttiin kuitenkin vahvistamaan, että seleeni jakautui vahvasti kiveen liekkiuunissa ja konvertterissa, mutta tasaisesti blisterin ja kuonan välillä anodiuunissa.Description
Supervisor
Lindberg, DanielThesis advisor
Klemettinen, LassiTammela, Joonas
Keywords
distribution coefficient, SEM-EDS, EPMA, LA-ICP-MS