KR100566706B1 - 서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분의 저감 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 1 - 25 mm 범위의 크기를 갖는 야금용 코크스를 용광로속으로 공급함으로써, 서스펜션 용광로내에서 구리 또는 니켈과 같은 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분을 저감하는 방법에 관한 것이다. 배플이 용광로의 지붕으로부터 아래로 설치될 수 있고, 이러한 배플에 의해 구리 및 니켈을 함유하는 작은 입자들이 용광로의 뒷부분으로 부유하여 슬래그와 함께 유출되는 것이 방지된다. 배플은 작은 입자가 용광로의 환원 영역에서 침강되게 한다.

Description

서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분의 저감 방법{METHOD FOR REDUCING NON-FERROUS METAL CONTENT IN SLAG IN THE PRODUCTION OF NON-FERROUS METALS OCCURRING IN SUSPENSION SMELTING FURNACE}

본 발명은, 크기가 1 - 25 mm 인 야금용 코크스(metallurgical coke)를 서스펜션 용광로(suspension smelting furnace)속으로 공급함으로써, 상기 용광로내에서 구리 또는 니켈과 같은 비철금속을 생산할 때 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분을 저감하는 방법에 관한 것이다. 용광로의 지붕으로부터 아래로 배플(baffle)을 설치하는 것이 바람직하며, 이러한 배플에 의해 구리 및 니켈을 함유하는 작은 입자가 용광로의 뒷부분으로 부유하여 슬래그와 함께 유출되는 것이 방지된다. 상기 배플은 작은 입자가 용광로내의 환원 영역에 침강하도록 한다.

슬래그의 환원, 및 슬래그 내부에 용해된 구리 산화물(copper oxidule)의 환원과, 특히 슬래그의 점도를 증가시키고 또한 침강에 의해 슬래그내에 함유된 용융 매트 입자(molten matte particle)의 분리를 늦추는 자철광(magnetite)의 환원에 고정 코크스(fixed coke) 또는 다른 탄소질 물질이 사용되는 경우, 자용로(flash smelting furnace)와 같은 서스펜션 용광로내에서는 적은 양의 구리를 함유한 슬래그가 생산될 수 있다는 것이 이전부터 알려져 왔다.

미국특허 제 5,662,370 호에서는, 반응로(reaction shaft)에 공급되는 탄소질 재료의 탄소 함유량이 적어도 80% 이며, 재료 입자의 적어도 65% 가 100㎛ 이하이고, 적어도 25% 가 44 - 100 ㎛ 사이인 것을 요지로 하는 방법이 기술되어 있다. 상기 특허에 따르면, 미연소 코크스에 의한 자철광의 환원이 두가지 메커니즘하에서 일어나고 상기 메커니즘에 대해 입자 크기가 결정적으로 중요하기 때문에, 입자 크기는 정확하게 한정된다. 만약 거친 코크스 분말의 크기가 대략 100 ㎛ 또는 그 이상이라면, 미연소 부분의 입자 크기 또한 크며, 이러한 이유로 코크스는 슬래그 표면에서 부유하는 상태로 남게되고 반응은 느리게 된다. 입자 크기가 감소하는 경우, 분말 코크스는 슬래그 내부로 유입되고, 그 후에 환원될 자철광과 직접 접촉하게 되고, 그리하여 반응 속도가 가속된다.

일본 특허출원 제 58-221241 호에는, 코크스 분탄(coke breeze) 또는 분쇄된 석탄과 코크스 분탄을 함께 정광(精鑛) 버너를 통하여 자용로의 반응로속으로 공급하는 방법이 기술되어 있다. 미연소 분말 코크스에 의해 하부로의 전체 용융물 표면이 골고루 덮혀질 수 있도록 코크스가 용광로의 내부로 공급된다. 상기 출원에 따르면, 입자 크기가 극미세(ultra-fine)한 경우 자철광의 환원 정도가 감소하기 때문에, 사용되는 입자 크기는 바람직하게는 44 ㎛ ~ 1 mm 가 된다. 용융 슬래그 욕(molten slag bath)에 남아 있는 미연소 코크스에 의해 덮인 슬래그층은 산소의 분압을 현저히 감소시킨다. 코크스층에 의한 강한 환원 분위기는, 예를 들어, 용광로의 내면에 손상을 일으킨다.

일본특허 제 90-24898 호에는, 추가 연료로 사용되는 오일을 대체하고 또한 용광로의 내부를 적정 온도로 유지하기 위해 입자 크기 40 mm 이하의 석탄 또는 분쇄된 코크스가 자용로속으로 공급되는 방법이 기술되어 있다.

일본 특허출원 제 9-316562 호는 이전에 언급되었던 미국특허 제 5,662,370 호와 동일한 방법에 관한 것이다. 미국특허의 방법과 다른 점은, 슬래그 및 이 슬래그에 함유되어 환원될 자철광에 탄소질 재료가 도달하기 전에 상기 탄소질 재료가 연소하는 것을 방지하기 위해, 자용로의 반응로 하부에 탄소질 재료가 공급된다는 점이다. 탄소질 재료의 입자 크기는 미국특허에서 기술된 분포와 실질적으로 동일하다.

상기 방법들에서, 코크스의 입자 크기가 작으면 다음과 같은 문제가 생기게 되는데, 즉 작은 코크스 입자들은 가스상(gas phase)으로부터 전혀 침강되지 않고, 가스상과 함께 통풍관(uptake) 및 폐열 보일러까지 환원제로서 존재한다는 것이다. 보일러내에서, 코크스 입자들은 반응하고 부적절한 장소에서 불필요한 에너지를 발생시키는데, 이에 의해 폐열 보일러 용량이 감소됨에 따라 전체 처리 능력이 제한될 것이다.

서스펜션 용광로내에서, 산화 제 1 구리(cuprous oxide)와 같은 분쇄된 재료 뿐만 아니라 구리 매트 입자들도 가스상과 함께 용광로의 뒷부분과 통풍관쪽으로 부유하게 된다. 이러한 작은 입자들이 용광로의 뒷부분에서 가스 유동으로부터 분리되어 슬래그상의 표면에 침강되는 경우, 정확히 작은 입자 크기 때문에 이러한 현상은 매우 느리게 일어난다. 주로 용광로의 뒷부분 또는 측부로부터 슬래그가 유출되기 때문에, 이러한 입자들은 슬래그상을 통하여 침강하지 않고, 대신, 용광로로부터 유출되는 슬래그에 포함되어 부유하게 되며 슬래그중의 구리 함량을 증가시킨다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해, 상기 방법들의 결점을 피할 수 있는 방법이 개발되었다. 새롭게 개발된 방법에서는, 더 이상의 처리를 요하지 않고서 슬래그가 버려질 수 있도록, 서스펜션 용광로내에서 구리 또는 니켈과 같은 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분을 저감하는 것이 목적이다. 이 방법에서는, 크기가 1 - 25 mm 인 야금용 코크스는 슬래그를 환원하는데 사용되며, 반응로를 통해 공급된 대부분의 코크스는 서스펜션 용광로의 하부로내에서 가스상으로부터 분리되어 슬래그상의 표면에 침강하게 되며, 슬래그의 환원은, 매트 및 슬래그로서 획득된 생산물의 대부분이 서로 분리되는 영역에서 발생한다. 본 발명의 본질적 특징은 청구항에서 명백히 기재되어 있다.

본 방법에서, 코크스속에 함유된 휘발성 물질의 양이 작기 때문에 야금용 코크스의 사용이 바람직하다. 그러므로, 환원 재료내의 휘발성 물질이 연소할 때 여분의 잉여 열에너지를 발생시키지 않고서, 당해 원료의 환원 능력의 대부분이 환원에 사용될 수 있다. 동시에, 반응로내의 코크스에 발생하는 산소 결합 반응의 수가 감소하며, 이리하여 최종 매트의 품질에 대한 보다 나은 제어가 가능하게 된다. 통상적으로, 이러한 제어는 공정의 공기 계수(산소/정광량 N㎥/t) 를 조정함으로써 수행되어 왔다.

본 발명에 따른 방법에서는, 반응로를 통해 공급된 코크스의 대부분이 서스펜션 용광로의 하부로에서 가스상으로부터 분리되고 또한, 생산물의 대부분인 매트와 슬래그가 가스상으로부터 분리되는 영역에서 슬래그 환원이 발생하는 슬래그상의 표면에 코크스가 침강될 수 있도록, 사용되는 야금용 코크스는 소정의 입자 크기를 갖게 된다. 환원은 열 경제적 측면에서 최적인 영역에서 발생한다. 환원에 필요한 열은, 환원을 위해 어떠한 부가적인 에너지도 요구됨이 없이, 반응로로부터 나오는 생산물의 열량으로부터 발생한다.

야금용 코크스의 입자 크기는 바람직하게는 1 - 25 mm 이다. 보다 큰 크기의 코크스는 작은 비면적(specific area)을 갖게 되어, 슬래그와 효과적으로 반응할 수 없게 된다. 1 - 25 mm 보다 작은 입자 크기가 사용된다면, 코크스는 이미 반응로에서 활발히 반응할 것이며, 코크스중 상당 부분이 가스상과 함께 통풍관쪽으로 부유하여, 요망되는 슬래그 접촉 및 환원 효과는 저조할 것이다. 미세한 입자의 코크스가 가스상과 함께 통풍관 및/또는 폐열 보일러쪽으로 부유되는 경우, 코크스는 에너지가 불필요할 때에 에너지를 발생시키며, 그리하여 보일러의 용량을 감소시킨다. 상당한 양의 코크스가 용광로의 내부에 쌓이지 않고 기껏해야 몇 센티미터 정도이며, 대신, 모든 코크스가 환원 반응중 소비될 수 있도록 코크스 공급이 제어된다.

본 발명에 따른 방법에서는 또한, 슬래그상의 표면에 분말상의 매트 물질이 침강하게 되면, 전술한 바와 동일한 문제가 어느 정도 발생하게 된다. 즉, 구리나 니켈을 함유하는 작은 입자들은 슬래그상을 통하여 침강하지 못하고 슬래그내에 머물게 되며, 그리하여 유출되는 슬래그중의 구리 및 니켈 성분이 증가하게 된다. 본 발명에 따른 방법에서는 이러한 문제점이, 서스펜션 용광로의 하부로의 지붕으로부터 배플을 설치함으로써 극복된다. 배플은 미세하게 입자화된 입자가 가스상과 함께 출탕구 부근의 용광로의 뒷부분 쪽으로 부유하는 것을 방지한다. 배플이 용광로의 지붕으로부터 아래로 설치될 때, 배플의 하부가 용융 슬래그 욕 또는 용융 슬래그의 표면 부근에 닿을 수 있도록 설치된다. 배플은 벽돌이나 내화성 물질과 같은 내화 재료로 보호되는 수냉 구리 부재로 바람직하게 구성된다.

배플에 의해, 가장 미세한 입자의 구리 또는 니켈을 함유하는 물질들은 환원 영역에 침강하게 된다. 이런 방식에 의해, 유출부의 슬래그는, 서서히 침강하여 슬래그중의 구리 성분을 증가시키는 비철금속 입자를 형성하는 물질을 더 이상 포함하지 않게 된다. 출탕구로부터 유출되는 슬래그는, 코크스 환원 및 배플이 없이 작동하는 경우보다 더 낮은 구리 또는 니켈 성분을 갖는다.

도 1 은 서스펜션 용광로의 단면도이다.

도 2 는 서스펜션 용광로로부터 얻어지는 최종 생산물에 대한 코크스 공급량의 효과를 나타내는 도면이다.

도 1 에는 반응로(2), 하부로(3), 및 통풍관(4)을 포함하는 서스펜션 용광로(1)가 도시된다. 야금용 코크스는 반응로(2)의 정부(top)에 위치한 정광 버너(5)를 통해 구리 정광, 플럭스(flux) 및 산소함유 가스와 함께 용광로에 공급된다. 반응로의 내부에서는, 공급된 재료는 코크스를 제외하고 함께 반응하여, 하부로의 바닥에서 매트층(6)을 형성하게 되며, 이 매트층의 상부에는 슬래그층(7)이 형성된다. 반응로내에서 야금용 코크스와 반응로내에 공급된 다른 재료들 사이에 발생하는 반응은 선택된 입자 크기 때문에 작으며, 야금용 코크스는 슬래그층의 상부에 침강하여 층(8)을 이루게 되며, 이 층에서 요구되는 환원 반응이 발생한다.

하부로의 지붕(9)에는 하나 이상의 배플(10A, 10B)이 제공되는데, 이 배플은 지붕에서부터 아래로 향하여, 용융 슬래그층(7)의 내부(10B)에 이르거나 또는 용융 슬래그 표면의 부근(10A)에 이르게 된다. 도면에서 또한 알 수 있듯이, 상기 배플은 바람직하게는 슬래그 출탕구의 앞에서 통풍관의 전방 또는 후방에 설치되어 있다. 반응로내의 반응에 의해 발생한 가스는 통풍관(4)을 통해 폐열 보일러(11)로 제거된다. 하부로내의 슬래그 및 구리 매트는 용광로의 뒷부분에 위치한 출탕구(12, 13)를 통해 유출될 수 있다.

실시예

소형 자용로(mini-scale flash smelting furnace; MFSF)속으로 정확히 100 - 150 kg/h 의 정광을 공급함으로써 야금용 코크스의 효과가 증명되었다. 정광의 성분 분석 결과, 전로 슬래그(converter slag) 및 필요한 실리카 플럭스와 함께 평균적으로 25.7%의 구리, 29.4%의 철 및 33.9%의 황이었다. 투입된 플럭스 및 전로 슬래그의 양은 정광량의 26 - 33% 를 차지했다. 생산된 매트의 구리 성분은 63 - 76 % 였다. 공급 재료가 코크스를 포함한 경우에는, 코크스 투입량은 2 - 6 kg/h 또는 정광 공급량의 1.0 내지 3.1% 사이였다. 80% C_fix 코크스가 사용되었고 회분(ash content)의 양은 16.3% 이고 휘발성 물질의 양은 3.3% 이었다. 크기가 1 - 3 mm 및 3 - 8 mm 인 두가지의 다른 코크스와 그들의 혼합물이 실험에서 사용되었다.

하나의 실험이 3 내지 5 시간 동안 지속되었고, 이후 생산물이 용광로로부터 유출되었다. 실험 실시중에, 비교를 위한 환원용 코크스는 전혀 사용되지 않았다. 실험 결과는 도 2 에 도시되어 있는데, 도 2 는 전체 공급 구리로부터 슬래그내에 남겨진 구리의 분포를 구리 매트내의 구리 퍼센티지의 함수로 나타낸 것이다. 도 2 의 선도에서 알 수 있듯이, 비록 약간의 코크스를 부가해도, 상기 용광로내의 슬래그중의 구리 성분이 크게 개선되었다. 코크스의 투입량이 3 kg/h 이하인 경우, 코크스를 사용하지 않은 실험과 비교하여 약 77.5% 의 구리가 슬래그내에 남았다. 더 많은 양의 코크스가 사용된 경우, 코크스를 사용하지 않은 실험과 비교하여 슬래그내의 구리의 양은 단지 54.7% 였다. 그러므로, 본 방법의 효과는 명백하다. 미세한 코크스 입자만을 사용할 때보다 거친 입자를 사용할 때가 환원 효과가 더 양호했고, 미세한 입자의 경우 코크스의 1/3이 이미 소형 자용로의 반응로내에서 반응을 마쳤으며, 슬래그상의 효과적인 환원은 달성되지 않았다.

Claims (8)

1. 슬래그를 환원하기 위해 정광, 산소함유 가스 및 플럭스 외에 야금용 코크스를 서스펜션 용광로속에 공급함으로써, 서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분을 저감하는 방법으로서, 용광로속으로 공급하는 코크스를 1 - 25 mm 범위의 입자 크기를 갖는 야금용 코크스로 하는 방법에 있어서, 비철금속을 함유하는 입자가 용광로의 뒷부분으로 부유하여 슬래그와 함께 용광로 밖으로 유출되는 것을 방지하기 위해, 용광로의 내부에 지붕으로부터 아래로 배플을 설치하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분의 저감 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코크스는 정광 버너를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분의 저감 방법.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 배플(10)은 용융 슬래그 욕(7)의 내부까지 신장하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분의 저감 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 배플(10)은 슬래그층(7)의 표면 부근까지 신장하는 것을 특징으로 하는 서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분의 저감 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 배플(10)은 내화 재료에 의해 보호되는 수냉 구리 부재로 제조되는 것을 특징으로 하는 서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분의 저감 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 비철금속은 구리인 것을 특징으로 하는 서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분의 저감 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 비철금속은 니켈인 것을 특징으로 하는 서스펜션 용광로내에서 비철금속의 생산중에 발생하는 슬래그중의 비철금속 성분의 저감 방법.

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