Copper metallurgical slags: mineralogy, bio/weathering processes and metal bioleaching

2.2  MINING AND SMELTING OF COPPER 
Copper  ores  consist  mostly  of  copper  sulfides  and  constitute  the  initial  product  for 
pyrometallurgical  processes  (Davenport  et  al.,  2002;  Alp  et  al.,  2008).  The  most  commonly 
present  copper  sulfide  minerals  in  ores  are  chalcopyrite  (CuFeS
2
),  bornite  (Cu
5
FeS
4
)  and 
chalcocite (Cu
2
S). Besides minerals of interest, other sulfide minerals such as e.g., pyrrhotite 
(Fe
(1-X)
S),  sphalerite  ((Zn,Fe)S),  galena  (PbS),  pyrite  (FeS
2
),  magnetite  (Fe
2+
Fe
3+
2
O
4
), 
malachite  (Cu
2
CO
3
(OH)
2
),  azurite  (Cu
3
(CO
3
)
2
(OH)
2
)  are  also  associated  with  copper  ores. 
Sulfide  copper  ores  contain  0.5-2%  of  Cu  and  are  a  principal  raw  material  for 
pyrometallurgical  production.  Copper  may  also  occur  in  non-sulfide  minerals  (e.g., 
carbonates,  sulfates  and  oxides), but  generally these minerals  contain much lower quantities 
of  copper  than  sulfides.  Therefore,  processing  of  non-sulfide  ores  is  based  on 
hydrometallurgical  methods.  Pyrometallurgy  aims  to  obtain  pure  metal  during  a  process 
including several stages: concentration, smelting and fire/electro-refining allowing to achieve 
different purities (99.5-99.9%) of copper (Figure 2.1).  
Sulfide  ore  does  not  easily  dissolve  in  water,  therefore  in  order  to  improve  the  extraction 
efficiency,  thermal  treatment  is  used.  As  copper  ores  also  contain  a  variety  of  non-copper 
bearing minerals, the first step of copper processing involves an enrichment of initial product 
containing up to 2% of Cu into high-grade concentrate. For this reason, the ore is crushed to 
fine  ground  material  allowing  further  separation  of  grains  containing  copper  from  those 
useless for the process. The next stage includes flotation generating Cu-concentrate for further 
stages  of  processing.  Subsequently,  the  copper  concentrate  is  submitted  to  high  temperature 
smelting  under  oxygen  atmosphere.  This  treatment  leads  to  the  oxidation  of  sulfur  and  iron 
present in the concentrate and allows to obtain Cu-rich molten matte (up to 80%) (Davenport 
et al., 2002). This stage of the process corresponds to the following chemical reaction: 
 
2 CuFeS
2
 + 13/4 O
2
 → Cu
2
S × 1/2 FeS + 3/2 FeO + 5/2 SO
2 
 
 Eq. n°1 
 
Silica flux addition promotes binding of iron in the slag (U.S. Congress, Office of Technology 
Assessment, 1988; Davenport et al., 2002; Gorai et al., 2003; Vítková et al., 2010) according 
to the following chemical reaction:  
 
2 FeO + SiO
2
 → 2 FeO×SiO
2
  
 
 
 
 
Eq. n° 2 
 
Due  to  the  high  viscosity  of  silica  at  its  melting  point,  oxide  fluxes  (e.g.  CaO,  CaCO
3
)  are 
often added. They decrease the viscosity of silica at the melting point by breaking the silica 
network  and  consequently  promote  easier  and  more  efficient  metal  and  silicate  separation 
(Manasse & Mellini, 2002; Piatak & Seal, 2010). High temperatures allow to eliminate sulfur 

---

CHAPTER 2: COPPER METALLURGICLA SLAGS- CURRENT KNOWLEDGE AND FATE:  
A REVIEW
 
 
15 
 
that  is  transformed  to  the  off-gas  SO
2
  (Davenport  et  al.,  2002).  Copper  slags  constitute  by-
products of the smelting stage and are generally formed at the temperatures ranging from 800 
to 1300°C.  
A further step of Cu production relies on the oxidation of the molten copper matte according 
to the following chemical reaction:  
 
Cu
2
S + O
2 
→ 2 Cu + 2 SO
2 
 
 
 
 
 
Eq. n°3 
 
This part of the process allows to obtain impure copper that is subsequently submitted to fire 
or  electrorefining  aiming  to  receive  cathode  copper  with  a  high  level  of  purity.  This  stage 
involves electrochemical dissolution of copper that passes into the electrolyte CuSO
4
-H
2
SO
4
–
H
2
O  and  further  electrochemical  treatment  that  leads  to  the  deposition  of  copper  onto  the 
cathode (Davenport et al., 2002) (Figure 2.1).