KR101241999B1 - 구리 변환 방법 - Google Patents

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Abstract

황화구리 매트를 조동으로 변환시키는 방법은, 황화구리 매트 및 플럭스를 적절히 교반되는 슬래그 상에 첨가하고, 상기 매트와 반응하여 조동을 생성하기에 적합한 산화성 가스를 상부 침지형 랜스의 하단부에 있는 배출 팁으로부터 주입하여, 상기 슬래그 상 하부에 연속적 조동 상을 형성하거나 부가시킴으로써 달성된다.
상기 랜스 팁은, 상기 가스의 실질적 분량이 연속적 조동 상과 접촉하는 것을 방지하면서, 주입되는 가스에 의해 슬래그 상이 교반되어, 상기 슬래그 상에 분산되어 있는 황화구리 매트와 주입된 가스가 반응할 수 있도록 하는 깊이에, 상기 슬래그 상 내에 위치한다.
Figure R1020067022183
황화구리 매트, 조동, 철계 규산염 슬래그, 마그네타이트, 상부 침지형 주입, 랜스

Description

구리 변환 방법{PROCESS FOR COPPER CONVERTING}
본 발명은 조동(blister copper)의 제조 방법에 관한 것이다.
이제까지 조동의 제조는 피어스-스미스 전로(Pierce-Smith converter)의 이용에 의한 것이 대부분이었다. 그러나, 이러한 전로는 배출 가스 방출에 대한 환경적으로 허용 가능한 표준에 훨씬 미달하게 점차 뒤떨어지고 있다. 더욱 최근에 이르러, 아우토쿰푸(Outokumpu) 및 미쓰비시(Mitsubishi)에 의해 개발된 것과 같은 기술이 조동의 생산에 채택되고 있다. 이들 기술은 Pierce-Smith 전로에 비해 환경적 성능의 개선을 제공할 뿐 아니라, 가동 규모 및 생산성을 향상시킨다. 보다 최근에는, 1999년 3월 30일 발행된 미국 특허 제5,888,270호에 개시된 에드워즈(Edwards) 등의 제안이 있다.
Edwards 등의 제안은 랜스(lance) 기반 프로세스라 지칭되는 방법을 활용한다. 보다 구체적으로, 상기 방법은, 용융조 내로의 주입을 위해 주입 랜스를 용융조(molten bath) 상부로부터 하강시켜 하단부에 있는 배출 팁을 침지시키는 상단 침지 주입(top-submerged injection) 랜싱 퍼니스(lancing furnace)를 이용한다. 용융조는 연속적인 용융 조동 상(molten blister copper phase) 위에 부유하는 연속적 슬래그 상(slag phase), 특히 칼슘 페라이트 슬래그의 연속적 상으로 이루어 진다. 매트(matte) 및/또는 농축물(concentrate)이 적합한 플럭스와 함께 슬래그 상에 첨가되고, 이 때 슬래그 상은 상기 매트 및/또는 농축물과 반응하여 조동을 형성할 수 있는 산화성 가스의 침지 상태 주입에 의해 교반된다. 랜스 팁은 주입된 산화성 가스의 실질적 비율의 양이 조동 상과 확실히 접촉되도록 슬래그 상 내부에 깊숙이 위치한다.
Edwards 등의 특허는 산화성 가스와 조동의 접촉에 의해 조동이 산화되어 슬래그 상과 조동 상 사이의 계면에 부유하는 산화구리를 생성시키는 방법이 제안되어 있다. 상기 특허는 또한 산화구리를 매트 또는 계면에 도달하는 농축물과 반응시키거나, 슬래그에 용해 또는 분산시켜 매트 또는 농축물과 반응시키는 방법을 제안하고 있다. 또한, 산화구리는 구리의 탈황(desulphurisation)을 보조하여, 황에 의한 산소의 활용도를 향상시키는 동시에 조동의 황 함량 및 슬래그로의 구리 손실을 감소시킨다고 주장하고 있다. 그러나, 계면에서의 구리층이 슬래그층과 접촉하도록 단순히 슬래그 내에 산소를 깊숙이 주입하는 것과는 별도로, 조동의 낮은 황 함량은 구리층으로 직접 산소를 주입함으로써 달성되는 것으로 언급되어 있다
본 발명은 또한 상부 침지형 주입(top-submerged injection)에 의해 조동을 제조하는 방법에 관한 것이다. 그러나, 본 발명의 방법은 산화성 가스의 실질적 분량(proportion)이 조동 상과 접촉할 필요가 없거나, 또는 연속적인 슬래그 상과의 계면을 통해 구리 상 내로 주입할 필요가 없는 방법을 도모한다.
본 발명은 황화구리 매트(copper sulphide matte)를 조동으로 변환시키는 방법으로서,
황화구리 매트 및 플럭스(flux)를 적절히 교반되는 슬래그 상에 첨가하는 단계; 및
상기 매트와 반응하여 조동을 생성하기에 적합한 산화성 가스를 상부 침지형 랜스(top-submerged lance)의 하단부에 있는 배출 팁으로부터 주입하여, 상기 슬래그 상 하부에 연속적 조동 상을 형성하거나 부가하는 단계
를 포함하고,
상기 랜스 팁은, 상기 가스의 실질적 분량(proportion)이 상기 연속적 조동 상과 접촉하는 것을 방지하면서, 주입되는 상기 가스에 의해 상기 슬래그 상이 교반되어, 상기 슬래그 상에 분산되어 있는 상기 황화구리 매트와 주입된 상기 가스가 반응할 수 있도록 하는 깊이에, 상기 슬래그 상 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 구리의 변환 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 슬래그의 실질적인 깊이에서 수행된다. 이 깊이는, 요구되는 랜스 팁 위치에서, 통과하는 주입 가스의 스트림(stream) 또는 제트(jet)가 상기 슬래그 상의 하면까지 통과하지 않고 슬래그 상 내로의 상부 침지형 주입에 의해 슬래그 상이 교반되도록 하는 깊이이다. 슬래그의 실제 깊이는 퍼니스 또는 반응기의 크기와 형상 및 하나 이상의 랜스가 사용되는 경우, 랜스의 수와 랜스들 사이의 간격을 포함하는 몇 가지 인자에 의해 변동될 수 있다. 슬래그의 깊이는 최소 약 500 mm 내지 약 2 m, 바람직하게는 약 700 mm 내지 약 1.7 m의 범위일 수 있다.
본 발명에서 슬래그 상의 깊이 및 상부 침지형 주입에 대한 요건은 여러 가지 실질적 이점(利點)을 갖는다. 첫 번째 이점은 조동 상이 초기에 전혀 존재할 필요가 없거나 유의적 정도로 존재할 필요가 없다는 점에서 프로세스의 스타트업(start-up)이 용이하다는 점이다. 이와는 대조적으로, Edwards 등의 방법은, 상기 상과 접촉하는 가스가 퍼니스의 내화성 라이닝에 충돌하는 것을 방지하거나 충분한 깊이의 조동이 생성될 때까지 변형된 형태의 가동을 이용하기 위해서, 초기에 조동 상의 존재가 필요하다.
상부 침지형 주입에 대한 본 발명의 요건이 갖는 또 다른 이점은 슬랙스 상의 하부 표면 위 유의적 높이에서 주입이 가능하다는 점이다. 이에 따라, 침지 주입은 표면을 향하여 이루어질 필요가 없고, 그 대신 아래쪽 및 측면으로 바깥쪽을 향할 수 있다. 따라서, 주입은 슬래그 상의 중앙 부위 또는 비교적 얕은 부분인 슬래그 상의 상부에 보다 근접한 위치에서 이루어질 수 있고, 랜스 팁으로부터 측면으로 바깥쪽을 향하여 이루어질 수 있다. 주입된 가스는 랜스의 팁을 중심으로 소정의 각으로 간격을 둔 복수의 스트림에서 아래쪽 및 측면으로 바깥쪽을 향하여 이루어질 수 있다. 이와 같은 방식으로, 가스는 슬래그 상 전체를 보다 용이하게 교반할 수 있으며, 그 결과 슬래그 상 전체에 걸쳐 황화구리 매트의 균일한 분산을 촉진한다. 이로써 매트가 산화될 수 있는 반응 매체로서 슬래그 상을 실질적으로 최대한 활용할 수 있으며, 그 결과 프로세스의 전반적 가동 효율을 높일 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법은 아래쪽 및 바깥쪽을 향하는 복수의 스트림을 제공하기 위한 복수의 적합한 배향의 출구를 구비한 배출 팁(outlet tip)을 가진 랜스에 의해 수행될 수 있다. 그러나, 상기 랜스는 주입을 위해 통과하는 가스에 나선형 유동(helical flow)를 부여하여 슬래그 상과 가스의 혼합 및 슬래그 상에서의 난류(turbulence)를 최대화하는 베인(vane) 또는 와류기구(swirler)를 갖는 것이 보다 바람직하다. 각각의 경우, 슬래그 상 내부로 가스의 분산을 촉진시키는 방사상 주입 성분(radial injection component)을 주입 가스에 제공함과 아울러 금속 상 내부로 가스가 스며드는 것을 방지하는 형태로 되어 있다.
슬래그는 황화구리 매트를 조동으로 변환시키는 반응 매체이기 때문에, 슬래그 상의 체적은 조동의 생성률에 기여하는 인자이다. 상부 침지형 주입에 대한 전술한 요건에 따르면 주어진 반응기에 있어서 슬래그 상의 비교적 큰 체적의 사용이 가능하고, 따라서 비교적 높은 조동의 생성률이 가능하다. 이와 대조적으로, Edwards 등의 방법에서 필요한 주입 형태는 슬래그 상의 유효 체적을 이용할 수 있는 슬래그 상 체적의 하부 영역에 한정하는 경향이 있다. 분명히, Edwards 등의 방법에서는 슬래그 상의 실질적 깊이가 있을 수 있다. 그러나, 슬래그 상의 상부 영역은 조동의 효율적 생성을 위한 전체 체적의 유효 부분이 적은 경향이 있고, 상부 영역의 범위는 슬래그 상 깊이가 증가함에 따라 증가한다. 또한, 슬래그 상의 깊이가 증가함에 따라, 주입 가스의 높은 속도와 높은 질량 유속에 의해 유도되는 퍼니스의 진동에 기인하는 문제를 야기할 위험성이 증가된다.
상부 침지형 주입에 대한 본 발명의 요건이 갖는 또 다른 이점은 경쟁적 반응의 감소이다. 따라서, Edwards 등의 제안과는 대조적으로, 연속적 조동 상에서의 구리의 산화를 피하는 것이 바람직하며, 본 발명은 용이하게 이를 회피하게 한다.
전반적으로, 본 발명과 Edwards 등의 방법 사이에는 슬래그 상과 관련하여 유의적 차이가 있다. Edwards 등은 다음을 위하여 깊은 슬래그층의 이용을 교시한다:
(a) 황화구리 매트 또는 구리 농축물이 용융되어 슬래그와 반응할 수 있는 시간의 제공;
(b) 매트를 분산액으로 유지하되, 매트와 슬래그간의 반응은 극대화하면서 매트와 조동간의 반응은 극소화하는 것; 및
(c) 유지되는 심층 슬래그 상에서 깊숙이 침지된 랜스에 의해 주입된 산소의 실질적 분량을 조동 내에 주입하는 동안, 주입 가스에 의해 슬래그가 양호하게 교반되도록 보장하는 것.
산소의 실질적 분량을 조동 내에 주입함으로써 조동이 분산되는 슬래그 상의 하부 영역이 얻어질 것이다. 그러나, 매트(슬래그 내)와 조동(슬래그의 하부 영역에 분산된) 사이의 반응은 최소화되어야 한다. 따라서, 매트의 실질적으로 전부 또는 실질적 비율은 슬래그 상의 하부 영역에 도달하기 전에 반응하여 조동을 생성해야 하는 것은 분명하다. 그러나, 동시에 조동 상의 층으로부터의 조동을 매트가 분산되어 있는 슬래그의 영역 내에 분산시키지 않으면서, 매트를 조동으로 변환시키는 프로세스에서 매트와 조동 사이의 반응을 최소화하는 것은 매우 어렵다.
이와 대조적으로, 본 발명은 슬래그 상의 비슷한 깊이를 수용할 수 있으면서도 이러한 반응의 최소화를 필요로 하지 않는다. 또한, 슬래그 상의 깊이와 무관하게, 본 발명은 조성층(compositional strata) 또는 구배(gradient)가 생성되어야 하는 것이 아니라, 매트가 비교적 균일하게 또는 균질하게 분산되어 있는 슬래그 상을 가능하게 하고 그로부터 이점을 취한다. 이에 더하여, 본 발명은 조동 상 내에 주입할 필요성을 배제하고, 상기 조동 상은 상기 방법에 의해 생성되는 조동이 포집될 수 있는 비교적 정지된 상으로서 유지될 수 있게 한다. 따라서, 매트의 연속적 변환에 의해, 본 발명의 방법은 상부 침지형 주입을 중단시킬 필요 없이, 연속적으로 또는 간헐적으로 조동의 탭핑(tapping)에 훨씬 더 적합하다.
전술한 바와 같이, Edwards 등의 제안은 칼슘 페라이트(calcium ferrite) 슬래그를 참조하여 예시되어 있다. 상기 슬래그는 고도로 산화되어 있고, 주성분으로서 산화구리, 산화칼슘, 산화제2철 및 산화제1철, 그리고 약간의 실리카를 포함하는 것이 바람직하다. 칼슘 페라이트 슬래그의 사용은, 예컨대 미쓰비시 프로세스(Mitsubishi process)의 변환 단계에서 칼슘 페라이트 슬래그의 사용으로 예시된 바와 같이, 최근에 권장되고 허용된 실시형태에 따른다. 그러나, 구리의 변환에서 칼슘 페라이트 슬래그를 이용하는 데에는 상당한 어려움이 있다. 그 결과, 최근에는 규산칼슘 제1철(ferrous calcium silicate) 슬래그의 이용에 대한 연구가 이루어지고 있다.
칼슘 페라이트 슬래그는 미쓰비시 프로세스의 변환 단계에서 사용된다. 이것은 미쓰비시 프로세스의 제1 제련(smelting) 단계에서 사용되는 규산철 슬래그와 대조되며, 또한 Pierce-Smith 변환의 전반에 걸쳐 사용된다. 칼슘 페라이트 슬래그는 산화철과 혼합되면 폭넓은 균질한 액체 영역을 제공한다. 이것은 상기 슬래그로 하여금 변환 공정중에 발생되는 산화철을 흡수할 수 있게 한다. 따라서 칼슘 페라이트 슬래그는 마그네타이트 침전 문제를 피할 수 있게 함으로써, 마그네타이트 침전물이 규산철 슬래그와 함께 일으킬 수 있는 슬래그 발포(slag foaming)의 위험을 미연에 방지한다. 그러나, 칼슘 페라이트 슬래그는 그 자체의 문제를 가진다. 칼슘 페라이트 슬래그와 관련된 주된 문제 중 하나는 동 슬래그의 높은 유동성(fluidity)/낮은 점도에 기인한다. 또한, 칼슘 페라이트 슬래그는 내화물을 과도하게 손상하며, 납 제거율이 낮다. 이에 더하여, 규산칼슘 슬래그는 실질적인 양의 산화구리를 보유하고 있지만, 구리 회수를 위한 종래의 슬래그 세정 퍼니스(slag cleaning furnace)에서 부유법(flotation) 또는 환원에 의한 후속 처리에 적합하지 않다. 이것은 얻어지는 슬래그를 처리하여 고체로서 용융 정련 단계로 재순환시키는 것을 제한한다. 또한, 칼슘 페라이트 슬래그는, 실리카가 본래 공급 원료에 존재하거나 오염을 통해 우연히 도입되기 때문에 공급 스트림 중에 불순물로서 프로세스에 유입될 수 있는 실리카에 대한 내구성이 거의 없다. 칼슘 페라이트 슬래그와 관련된 문제의 범위는, 규산칼슘 제1철 슬래그가 상업적 규모로는 상대적으로 검증되지 않았음에도 불구하고 규산칼슘 제1철 슬래그로 이동하는 추세가 반영하고 있다.
본 발명의 중요한 형태에서, 다른 슬래그가 사용될 수도 있지만, 상기 슬래그 상은 철계 규산염(iron based silicate) 슬래그이다. 철계 규산염 슬래그는 규산철(철감람석(fayalite)) 슬래그, 석회 변성 규산철 슬래그 또는 규산칼슘 제1철(감람석(olivine)) 슬래그일 수 있다. 다른 측면에서, 철계 규산염 슬래그 시스템은 알려진 문제를 가진다. 본 발명자들은 본 발명을 이용함으로써 이러한 문제를 극복하거나 회피할 수 있음을 알았다. 또한 본 발명자들은 본 발명을 이용함으로써 철계 규산염 슬래그의 공지된 이점을 유지할 수 있음을 알았다. 따라서, 본 발명의 방법은 산업적으로 친숙한 슬래그 상을 기초로 할 수 있다. 또한, 황화구리 매트의 변환에 있어서, 매트를 생산하는 기존의 용융 정련 플랜트와 상기 방법을 일체화할 수 있으며, 본 발명의 방법으로부터 얻어지는 슬래그를, 함유되어 있는 구리의 회수를 위해 재순환, 부유법 또는 환원법을 이용하여 용이하게 처리할 수 있다. 또한, 조동 생성물은, 예를 들면 낮은 황 함량과 관련하여, 요구되는 상업적 품질을 가진 것으로 만들 수 있다.
본 발명에서 슬래그 상으로 사용되는 바람직한 철계 규산염 슬래그는 Edwards 등이 교시한 칼슘 페라이트 슬래그와는 유의적으로 상이한 조성을 가진다. 이것은 하기 표에 제시된 철계 슬래그에 대한 특히 바람직한 조성 범위를 참조하여 예시되어 있다.
표 1: 슬래그 조성
Fe/ SiO 2 CaO /Fe CaO / SiO 2
Edwards 특허 7.14-66.67* 0.15-0.7 5 - 10
본 발명 1.14-2.11 0.15-0.92 0.22-1.11
(주) * 특허 문헌에 언급된 CaO/Fe 및 CaO/SiO2 비율을 기준으로 계산됨
Fe/SiO2의 전체 비율은 1.14 내지 2.11이지만, 예를 들면 1.14 내지 1.55일 수 있다.
도 1은 본 발명에 있어서 바람직한 철계 규산염 슬래그에 관한 상평형 다이어그램이다.
도 2는 본 발명에 따른 연속적 변환이 가능한 실시 형태를 나타내는 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 상부 침지형 주입 랜스 반응기의 부분 절개 사시도이다.
본 발명의 철계 규산염 슬래그의 조성과 칼슘 페라이트 슬래그 사이의 차이가 도 1에 보다 구체적으로 나타나 있다. 도 1에는 단순화된 CaO - "FeOx" - SiO2 산화물 시스템 상평형 다이어그램이 도시되어 있다. 이것은 각각의 슬래그 시스템에서 Fe2 +와 Fe3 + 양자의 레벨이 변동되기 때문에, Fe2 +와 Fe3 +를 포함하는 4원 시스템의 2차원적 3원 프로젝션(ternary projection)임을 이해해야 한다.
도 1에서, 다이어그램의 세 개의 영역이 강조되어 있다. 제1 영역 A는 Edwards 특허의 칼슘 페라이트 슬래그를 함유하는 영역이다. 영역 B는 본 발명에서 바람직한 철계 규산염 슬래그를 함유하고, 영역 B에 내포된 영역 C는 본 발명에서의 사용에 특히 바람직한 철계 규산염 슬래그를 함유한다.
영역 A는, 도 1에 나타난 바와 같이, 두 선분 CaO/SiO2=5, CaO/SiO2=10과, 두 선분 CaO/Fe=0.15, CaO/Fe=0.7로 둘러싸여 있다. 영역 B와 C에 대한 엄밀한 경계는 아직 완전히 묘사되어 있지 않다. 그러나, 현재 표시된 바는 영역 C가 선분 Fe/SiO2=1.14 및 Fe/SiO2=2.11로 경계를 이루며, 예를 들면 1.14 내지 1.55이다. 전반적으로, 영역 C는 표 2에 제시된 조성으로 나타내어진다.
표 2: 슬래그 조성
실시예 Fe/ SiO 2 CaO /Fe CaO / SiO 2
1 1.55 0.17 0.27
2 1.20 0.24 0.29
3 1.14 0.24 0.27
4 1.34 0.20 0.27
5 1.47 0.15 0.22
6 1.28 0.75 0.96
7 1.21 0.92 1.11
8 2.11 0.33 0.70
따라서, 본 발명에서 사용할 수 있는 철계 규산염 슬래그에는 상당한 변동성이 가능하다. 이것은 특정한 변환 작업을 그 지역에서 입수할 수 있는 플럭스와 함께 사용하기에 가장 적합한 슬래그 조성에 기초할 수 있게 하거나, 또는 해당 설비에서 수행되는 변환 공정에 공급할 매트에서 나타나는 불순물 레벨에 따라 이루어질 수 있게 한다.
언급한 바와 같이, 미쓰비시 프로세스 및 뒤이은 Edwards 등의 제안에서와 같은 칼슘 페라이트 슬래그로의 이동은 부분적으로는 마그네타이트의 침전으로 인한 슬래그 발포의 위험을 피하기 위한 것이었다. 칼슘 페라이트 슬래그는 마그네타이트에 대한 비교적 높은 용해도 한계를 가지며, 그에 따라 발포가 발생되는 성향을 감소시킬 수 있다. 그러나, 철계 규산염 슬래그는 마그네타이트에 대한 용해도가 더 낮지만, 발포의 위험이 거의 없이 본 발명의 발명에서 사용될 수 있다. 그것은 주로, 상부 침지형 주입에 대한 본 발명의 요건에 기인한다고 믿어진다. 즉, 그러한 주입에 의해 매트의 교반 및 그 내부의 분산과 관련하여 보다 균일하거나 균질한 슬래그 상이 얻어진다. 또한, 가스를 조동 상 내부로 주입하지 않기 때문에, 본 발명은 슬래그/금속 에멀젼을 포함하는 제3의 상을 생성할 위험성을 감소시킴과 아울러, 상기 제3의 상이 슬래그 팔포를 촉발시킬 위험성을 감소시킨다.
발포의 위험성은 본 발명의 방법에서, 마그네타이트의 형성을 감소시키거나 방지하도록 작용할 수 있는 적합한 환원제를 첨가함으로써 더욱 감소될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 슬래그 표면 상에 부유하는 성향을 고려할 때 괴탄(lump coal)이 적합한 환원제이며, 슬래그는 침지 주입에 의해 발생되는 교반 하에서 상기 괴탄에 대해 순환할 수 있다. 괴탄의 첨가는 Edwards 특허에 제안되어 있다. 그러나, 이것은 조동 내의 주어진 황 함량에 대한 슬래그의 구리 함량을 감소시키기 위해서이다. 그것은 마그네타이트의 형성을 방지함으로써 발포 위험성을 감소시키려는 것이 아니며, 그러한 위험성은 Edwards 특허에서는 슬래그의 선택에 의해 배제된다.
연속적 변환이 가능한 형태로 본 발명을 예시하는 공정도가 도 2에 도시되어 있다. 상기 공정도는 (11)에 표시된 바와 같이 구리 공급재료(feed)가 투입되는 제련/침강 퍼니스(smelting/settling furnace)(10)를 나타낸다. 또한, 본 발명에 따라 가동될 수 있는 변환 퍼니스(12)가 도시되어 있다. 제련/침강 퍼니스(10)는 황화구리 농축물을 포함하는 구리 공급재료를 제련하여 구리 매트 제품 및 슬래그를 생성하기에 적합한 임의의 형태로 되어 있을 수 있다. 퍼니스(10)에서 생성된 슬래그는 (14)에 표시된 바와 같이 폐기될 수 있고, 또는 추가 처리에 적합할 수 있다. 제련 후, 매트와 슬래그는 정치하여 침강시킴으로써 슬래그는 폐기시키고 매트는 (16)으로 표시된 바와 같이 변환 퍼니스(12)로 이송시킬 수 있게 된다. 제련/침강 퍼니스(10)는 임의의 적합한 형태로 되어 있을 수 있지만, 변환 단계용 퍼니스(12)로서는 상부 침지형 랜싱 반응기가 사용된다.
퍼니스(10)에서 생성되어 퍼니스(12)로 이송된 매트는, 조동을 생성하기 위한 변환에 적합한 임의의 등급(grade)인 것일 수 있다. 상기 매트는 전형적으로 30%∼70% 범위의 구리 및 다양한 레벨의 Fe 및 S이다. 퍼니스(12)에서의 변환 단계용 공급재료는, 충분한 시간 간격에 걸쳐 연속적 변환이 가능하도록 충분한 양의 매트가 생성되는 퍼니스(10)에서의 앞선 제련/침강 작업으로부터 제조되는 것이 바람직하다. 따라서, 매트는 그러한 양이 얻어질 때까지는 비축될 수 있다. 그러나, 또 다른 소스로부터 부가적인 매트를 얻을 수도 있다.
변환용 매트 공급재료는, 퍼니스(12)를 포함하는 상부 침지형 반응기의 천장의 투입구(charging port) 또는 전용 또는 특수 랜스를 통해 퍼니스(12)에 공급될 수 있다. 공급재료는 선택된 공급 수단에 의해 운반될 수 있는 적합한 크기를 가 진 것이면 되고, 건조될 필요는 없다. 매트 공급재료는, 예를 들면 농축물의 제련에 이어지는 제련/침강 퍼니스(10)로부터의 생성물과 같은, 과립화된 것이 바람직하다. 그러나, 매트 공급재료의 적어도 일부는 제련/침강 퍼니스(10)로부터 고온의 용융 상태로 공급될 수 있다.
부가적으로, 함유되어 있는 구리를 효율적으로 회수할 수 있도록 리버트(revert) 또는 스크랩(scrap)과 같은 다른 구리 함유 재료를 퍼니스(12)에 투입할 수 있다. 이것은 또한 프로세스 온도를 제어하기 위해 사용될 수도 있다. 그러나, 프로세스 온도는 침지된 랜스를 통해 슬래그에 주입되거나 그 밖의 방법으로 투입된 소량의 연료를 첨가함으로써 부가적으로, 또는 대안적으로 제어될 수 있다.
퍼니스(12)에서 매트를 변환하여 (18)에 표시된 바와 같이 퍼니스(12)로부터 나오는 조동을 제조하는 프로세스에서, 매트에 존재하는 Fe와 S는 하기 식과 같은 산소와의 반응에 의해 제거된다:
2FeS + 3O2 → FeO + 2SO2 … (1)
3FeS + 5O2 → Fe3O4 + 3SO2 … (2)
Cu2S + O2 → 2Cu + SO2 … (3)
Cu2S + 2O2 → 2Cu2O + SO2 … (4)
이와 같이, 철은 슬래그에서 산화철로서 나타나고, S는 변환 퍼니스 배출 가스 스트림에서 SO2로서 나타난다.
변환 작업중 두 가지 중요한 인자는 다음이다:
(i) 슬래그의 화학적 성질 및 슬래그에 대한 구리 손실 및
(ii) 조동의 최종 품질.
슬래그의 화학적 성질과 관련하여, Pierce-Smith 전로에서의 전형적 변형 작업은 용융된 규산철(iron silicate)(철감람석) 슬래그의 형성을 촉진하기 위해 실리카의 첨가를 이용한다. 매트로부터 산화된 철은 상기 슬래그에서 탈취되어 고체 마그네타이트 상의 형성을 감소시킨다. 대량인 경우, 고체 마그네타이트 상은 슬래그를 가공할 수 없게 할 것이고, 슬래그에서의 물리적인 구리 혼입 및 구리 용해도로 인해 구리 손실이 높아지게 된다.
여기서 언급한 바와 같이, 본 발명은 퍼니스(12)를 포함하는 반응기에서 변환 시 상부 침지형 주입 방식을 활용함으로써, 적어도 부분적으로는 슬래그로부터 이격되는 이동에 기인하는 규산철 슬래그와 관련하여 인지된 문제점을 배제하거나 극복한다. 따라서, 본 발명은 철감람석이나 감람석 조성과 같은 철계 규산염 슬래그를 바람직하게 사용한다. 앞에서 상세히 설명한 바와 같이, 이러한 슬래그는 유의적 이점을 제공한다.
본 발명자들의 시험에 의하면 철감람석 형태와 같은 양호하게 제어된 철계 규산염 슬래그는 슬래그 내에 허용 가능한 레벨의 구리를 가능하게 하는 것으로 나타났다. 이것은 특히, 실선(20)으로 나타낸 바와 같이 퍼니스(12)로부터 퍼니스(10)로 재순환될 슬래그의 경우에 그러하다. 재순환 슬래그 중의 구리의 실제적인 레벨에 관계없이, 함유되어 있는 구리는 뒤에 설명하는 바와 같은 추가 처리에 의해 용이하게 회수될 수 있다. 본 발명자들의 시험 결과, 본 명세서에서 앞서 상세히 설명한 바와 같이, 슬래그 발포를 방지하거나 적어도 제어할 수 있는 것으로 나타났다.
앞에서 언급한 바와 같이, 조동 제품 품질이 중요하다. 처리 후의 조동에 잔류하는 황의 레벨은 너무 높으면 그 제거를 위해 하류에서 추가 처리가 필요하기 때문에 중요한 사항이다. 조동 내의 S의 레벨과 슬래그에 나타나는 구리의 레벨 사이에는 중요한 관계가 존재한다. 이들 레벨들은, 원하는 수준까지 황을 제거하는 데 필요한 산소 포텐셜(oxygen potential) 및 구리의 일부를 앞서 구체적으로 제시된 반응식(4)에 의한 Cu2O로서 슬래그로 초과 산화(over-oxidising)시키는 효과와 관계된다. 본 발명에 따른 파일럿 플랜트 조작에서 얻어진 결과는, 표 3에 표시된 바와 같이, 조동 중의 양호한 수준의 S와 함께 슬래그 중 낮은 레벨의 Cu를 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 표 3의 각 실시예에서, 파일럿 플랜트 조작은 표 2의 대응하는 실시예 번호에 대해 나타낸 각각의 슬래그 조성으로 이루어졌다.
표 3: 조동 품질과 슬래그에 대한 Cu의 비교
실시예 조동 중 S % 슬래그 중 Cu %
1 0.3 11.8
3 0.02 35.8
4 0.03 23.0
5 0.4 14.3
7 0.2 9.5
8 0.75 15.7
Edwards 특허의 방법은 조동 중의 황의 레벨이 랜스 팁 위치에 의해 영향을 받는 것을 특징으로 한다. 이것은 랜스 팁을 슬래그와 조동 상 사이의 계면에 가급적 근접시키는 것을 필요로 한다. 본 발명에 의하면, 랜스 팁의 위치는 본 명세서에서 앞서 상세히 설명한 바와 같이 중요하지만, 조동 제품의 양호한 품질을 얻는 데에 중요한 인자는 아니다.
도시된 바와 같이, 퍼니스(12)로부터의 슬래그는 함유되어 있는 구리가 회수될 수 있도록 퍼니스(10)로 재순환될 수 있다. 그러나, 도 2에도 나타낸 다른 배열에서, 퍼니스(12)에서 나온 슬래그는 점선(22)으로 표시된 바와 같이 농축 설비(24)로 이송될 수 있다. 설비(24)에서는, 퍼니스(12)로부터 받아들인 슬래그를 슬래그 세정, 분쇄, 구리 농축물을 제조하기 위한 부유, 및 농축물의 환원 제련의 단계로 처리하여, (26)으로 구리 제품 및 (28)로 폐기할 슬래그를 생성할 수 있다.
도 3은 도 2의 퍼니스(12)를 포함하는 반응기로서 사용하기에 적합한 상부 침지형 랜싱 반응기(30)를 나타낸다. 반응기(30)는 강(steel)으로 된 외피(32) 및 내부 내화물 라이닝(34)을 가진 수직 원통형 본체를 가진다. 반응기(12)는 또한 유통 연도(off-take flue)(38)로 연결되는 비대칭형으로 좁아지는 상부(36)를 가진다.
상부(36)의 위쪽을 향한 영역에, 반응기(30)는 반응기의 내부(42)로 공급재료를 투입할 수 있는 투입구(40)를 가진다. 투입구(40)는, 공급재료를 반응기(30) 에 투입할 수 있게 하면서 반응기 가스가 내부(42)로부터 투입구(40)를 통해 누설되는 것을 최소화하는 조절형 공급 수단(도시되지 않음)을 구비하는 것이 바람직하다. 투입구(40)에 인접한 위치에, 반응기(30)는 기다란 상부 침지형 주입 랜스(46)가 삽입되는 튜브형 하우징(44)을 가진다. 또한, 베이스에 인접한 위치에 반응기(30)는 탭핑 홀(48)을 가진다.
반응기(30)의 사용 시, 하부의 랜스(46)의 배출단은 반응기(30) 내부에 담겨있는 용융 슬래그(50) 중에 침지된다. 랜스(46)를 통해 산소 함유 가스가 공급되어 슬래그를 교반하도록 슬래그(50) 내부에 산화성 가스의 제트(52)를 발생한다. 황화구리 매트는 투입구(40)를 통해 반응기에 투입되거나, 랜스(46)에 의해 또는 이러한 두 가지 투입 설비의 조합에 의해 주입되는 가스에 혼입된다. 각각의 경우, 매트는 덩어리 또는 과립체(54)로서 교반되는 슬래그(50) 전체에 걸쳐 분산된다. 이렇게 해서 매트(54)는 주입된 가스에 함유된 산소에 노출되고 반응하여 조동의 액적(droplet)을 형성한다. 액적은 슬래그(50)를 통해 낙하하여 연속적인 조동 상(56)으로서 하부에 포집된다.
황화구리 매트(54)를 조동(56)으로 변환하는 동안, 랜스(46)의 수직 위치에 대한 조절이 필요하다. 도시되어 있는 바와 같이, 랜스(46)의 하단부는 교반되는 슬래그 상에 침지되어 있다. 따라서, 하부에 있는 랜스(46)의 배출단으로부터 방출되는 제트(52)는 슬래그 상 내부에 주입된다. 도시된 설비에서, 랜스(46)는 그 배출단에 소정의 각도로 배열된 배출 노즐을 가지며, 각각의 제트(52)가 각 출구로부터 방출된다. 상기 설비는 제트(52)가 아래쪽 및 서로 횡방향 바깥쪽으로 발산 되도록 되어 있다. 또 다른 설비에서, 제트(52)는 발산될 필요가 없이 단지 아래쪽을 향하거나, 또는 아래쪽 또는 횡방향 아래쪽으로 향하는 단일 제트일 수도 있다. 각각의 경우에, 상기 설비는 슬래그(50)의 교반, 슬래그(50) 전체에 걸진 매트(54)의 분산 및 주입된 가스에 함유된 산소와 매트(54)의 반응을 달성하여 조동의 액적을 생성하는 것이다. 그러나, 슬래그 상 내부의 랜스(46)의 배출단은 주입되는 가스의 실질적 비율이 연속적 조동 상(52)과 접촉하는 것을 방지하도록 되어 있어야 한다.
주입되는 가스의 실질적 비율이 연속적 조동 상(52)과 접촉하는 것을 방지해야 하는 요건은 주입되는 가스의 스트림이 연속적 조동 상으로 침투하는 것을 피하도록 하는 것이다. 따라서, 주입되는 가스의 적은 비율은 연속적 조동 상의 표면 위로 스칠 수는 있지만, 가스의 제트는 슬래그 상과 연속적 조동 상의 계면을 벗어나서 통과하지 않아야 한다. 바람직하기로는, 랜스 팁의 위치가 주입되는 가스의 제트가 상기 계면에 직접 접촉하거나 충돌하는 것을 완전히 방지하도록 설치되는 것이다.
이해할 수 있는 바와 같이, 변환 반응 과정중에 슬래그 상의 적합한 깊이를 유지하고, 슬래그 산화물 비율을 유지하며, 주기적으로 슬래그를 탭핑할 수 있도록 플럭스를 반응기(30)에 투입할 필요가 있다. 플럭스는 투입구(40) 및/또는 랜스(46)를 통해, 황화구리 매트의 공급과 함께 또는 황화구리의 공급과는 별도로 투입될 수 있다.
본 발명에 있어서 바람직한 바로서, 슬래그 상(50)은 철감람석 또는 감람석 슬래그와 같은 철계 규산염 슬래그를 포함한다. 슬래그는, 예를 들면, 표 2에 제시된 실시예 중 어느 하나의 조성과 유사한 조성을 가질 수 있다. 그러한 슬래그는 발포 위험성이 거의 없이 사용될 수 있지만, 발포 위험성은 투입구(40)를 통해 반응기(30)에 석탄을 첨가함으로써 더욱 감소시킬 수 있다. 석탄은 슬래그 상(50) 위에 부유할 수 있는 괴탄으로 공급되는 것이 바람직하다. 랜스(46)를 통한 주입에 의해 이루어지는 슬래그의 교반은 부유하는 석탄 덩어리에 대해 슬래그를 충분히 순환시키며, 그 결과 석탄의 환원 작용이 슬래그 상(50) 내에 마그네타이트가 형성되는 것을 감소시키거나 방지한다.
마지막으로, 본 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않고, 이상과 같이 설명된 부분의 구조 및 설비에 여러 가지 대안, 변형 및/또는 추가를 도입할 수 있음을 이해해야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 황화구리 매트(copper sulphide matte)를 조동(blister copper)으로 변환시키는 방법으로서,
    황화구리 매트 및 플럭스(flux)를 교반되는 슬래그 상(slag phase)에 첨가하는 단계; 및
    상기 슬래그 상을 교반시키고 또한 상기 매트와 반응하여 조동을 생성하는 산화성 가스를 상부 침지형 랜스(top-submerged lance)의 하단부에 있는 배출 팁으로부터 주입하여, 상기 슬래그 상 하부에 연속적 조동 상을 형성하거나 부가하는 단계
    를 포함하고,
    상기 변환은 연속적으로 수행되고, 상기 슬래그 상은 철계 규산염(iron based silicate) 슬래그를 포함하며, 상기 황화구리 매트는 상기 철계 규산염 슬래그에 분산되고, 상기 철계 규산염 슬래그 상의 깊이 및 상기 슬래그 상에의 상기 랜스의 배출 팁의 위치는, 주입 가스가 상기 슬래그 상을 교반시켜 상기 슬래그 상에 분산되어 있는 황화구리 매트와 반응할 수 있도록 하되, 상기 주입 가스의 스트림(stream) 또는 제트(jet)가 상기 슬래그 상의 하면을 통과할 수 없고, 상기 주입 가스가 상기 연속적 조동 상과 접촉하는 것을 방지하고, 또한 생산된 조동이 연속적으로 또는 일정 간격으로 탭핑(tapping)될 수 있도록 되어 있는 것을 특징으로 하는, 황화구리 매트의 변환 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬래그 상이 500 mm 내지 2 m의 깊이를 가진 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슬래그 상이 700 mm 내지 1.7 m의 깊이를 가진 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입이 상기 슬래그 상의 높이의 중간 부분에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입이 상기 슬래그 상의 상면(上面) 근방에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주입이, 상기 슬래그 상 전체에 걸쳐 상기 황화구리 매트가 균일하게 분산되도록 상기 슬래그 상 전체를 교반하기 위해 아래쪽 및 횡방향 바깥쪽으로 향하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 철계 규산염 슬래그는 석회 변성(lime modified) 규산철 슬래그인 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 철계 규산염 슬래그가 규산칼슘 제1철(ferrous calcium silicate)(감람석(olivine)) 슬래그인 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 철계 규산염 슬래그가 규산철(철감람석(fayalite)) 슬래그인 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 철계 규산염 슬래그가, 1.14:2.11의 Fe:SiO2 중량비, 0.15:0.92의 CaO:Fe 중량비, 및 0.22:1.11의 CaO:SiO2 중량비를 가진 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 Fe:SiO2의 중량비가 1.14:1.55인 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    마그네타이트의 형성을 감소시킴으로써 상기 슬래그 상의 발포(foaming)를 억제하기 위해 상기 슬래그 상에 환원제를 첨가하는 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 환원제가 괴탄(lump coal)인 것을 특징으로 하는 황화구리 매트의 변환 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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