KR20020003390A - 서스펜션 용해로 내에서 비철금속 생산시에 슬래그 내의비철금속 함량을 감소시키는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 용해로의 내부로 1 - 25 mm 범위의 크기를 가지는 고로용 코크스를 공급함에 의해, 서스펜션 용해로에서 구리 또는 니켈과 같은 비철금속 생산시에 발생하는 슬래그 중의 비철금속의 함량을 감소시키는 방법에 관련된다. 배플이 용해로의 지붕으로부터 아래로 설치될 수 있고, 이러한 배플에 의해 구리 및 니켈을 포함하는 작은 입자들이 용해로의 뒷부분으로 부유되어 슬래그와 함께 유출되는 것이 방지된다. 배플은 작은 입자들이 용해로의 환원 영역에서 침강되게 한다.

Description

서스펜션 용해로 내에서 비철금속 생산시에 슬래그 내의 비철금속 함량을 감소시키는 방법 {METHOD FOR REDUCING NON-FERROUS METAL CONTENT IN SLAG IN THE PRODUCTION OF NON-FERROUS METALS OCCURRING IN SUSPENSION SMELTING FURNACE}

슬래그 및 그안에 용해되어 있는 산화 구리 그리고, 특히, 슬래그의 점도를 증가시키고, 침강에 의해 슬래그에 포함된 용해 매트 입자의 분리를 늦추는 마그네타이트 (magnetite) 의 환원에 비휘발성 코크스 또는 다른 탄소함유 물질이 사용될 경우, 플래쉬 (flash) 용해로와 같은 서스펜션 용해로 내에서, 적은 양의 구리를 함유한 슬래그가 생산될 수 있다는 점은 이전부터 알려져 왔다.

미국 특허 5,662,370 호에서는, 반응 노흉 내에 공급되는 탄소함유 물질의 탄소 함유량이 80 % 이상이며, 탄소함유 물질 입자의 65 % 이상이 100 ㎛ 이하이고, 적어도 25 % 가 44 - 100 ㎛ 사이인 점을 요지로 하는 방법이 기술되어 있다. 상기 특허에 따르면, 미연소 코크스에 의한 마그네타이트의 환원은 두가지 메커니즘 하에 일어나는데, 상기 메커니즘에 대해 입자 크기가 결정적으로 중요하므로, 입자 크기를 정확히 한정한 것이다. 만약 거친 코크스 분말의 크기가 대략 100 ㎛ 또는 그 이상 이라면, 미연소 부분의 입자 크기 또한 크며, 이러한 이유로 슬래그 표면 상에서 코크스가 부유 (floating) 하게되며 반응은 느리게 된다. 입자 크기가 감소할 경우, 분말 코크스는 슬래그 내부로 들어가서 환원될 마그네타이트와 직접 접촉하게 되는데, 이리하여 반응속도가 증가하게 된다.

일본 특허 출원 58-221241 호에는, 코크스 분탄 또는 분쇄된 석탄과 코크스 분탄을 함께 정광(精鑛) 버너를 통하여 플래쉬 용해로의 반응 노흉 내로 공급하는 방법이 기술되어 있다. 미연소 분말 코크스에 의해 하부 용해로의 전체 용해물 표면이 골고루 덮혀질 수 있도록 코크스가 용해로의 내부로 공급된다. 상기 출원에 따르면, 입자 크기가 극미세 (ultra-fine) 일 경우 마그네타이트의 환원 정도는 줄어들므로, 사용되는 입자 크기는 바람직하게는 44 ㎛ ~ 1 mm 가 된다. 용해 슬러그 욕에 남아있는 미연소 코크스에 의해 덮인 슬래그 층은 산소의 분압력을 현저히 감소시킨다. 코크스 층에 의한 강한 환원분위기는, 예를 들어, 용해로의 라이닝에 손상을 일으킨다.

일본 특허 90-24898 호에는, 추가 연료로 사용되는 오일을 대체하고 또한 용해로의 내부를 적정 온도로 유지하기 위해 입자 크기 40 mm 이하의 석탄 또는 분쇄된 코크스가 플래쉬 용해로 내부로 공급된다.

일본 특허 출원 9-316562 호는 이전에 언급되었던 US 5,662,370 과 같은 방법에 관한 것이다. 이 US 특허의 방법과 다른 점은, 슬래그 및 이 슬래그에 포함되어 환원될 마그네타이트에 탄소 함유물질이 닿기전에 이 탄소 함유물질이 타는 것을 방지하기 위해 플래쉬 용해로의 반응 노흉의 하부에 탄소 함유물질이 공급된다. 탄소 함유물질의 입자 크기는 US 특허에서 기술된 분포와 실질적으로 같다.

상기 방법들에서, 코크스의 입자 크기가 작으면 다음과 같은 문제가 생기게 되는데, 즉 작은 코크스 입자들은 가스 상으로부터 전혀 침강되지 않고, 가스 상과 함께 통풍관 및 폐열 보일러까지 환원제로서 가게된다는 것이다. 보일러 내에서, 코크스 입자들은 반응하고 엉뚱한 장소에서 불필요한 에너지를 발생시키는데, 이것은 폐열보일러 용량이 감소됨에 따라 전체 처리 능력을 제한할 것이다.

서스펜션 용해로 내에서, 아산화 구리와 같은 분쇄 물질 뿐만 아니라 구리 매트 입자들도 가스상과 함께 용해로의 뒷 부분과 통풍관 쪽으로 부유하게 된다. 이러한 작은 입자들이 용해로의 뒷 부분에서 가스 유동으로부터 분리되어 슬래그 표면에 침강될 경우, 작은 입자 크기 때문에 이러한 현상은 매우 느리게 일어난다. 주로 용해로의 뒷부분 또는 측부로부터 슬래그가 유출되므로, 이러한 입자들은 슬래그 상을 통과하여 침강하지 않고, 대신, 용해로로부터 유출되는 슬래그에 포함되어 부유하게 되며, 슬래그 중의 구리 함량을 증가시킨다.

본 발명은, 크기가 1 - 25 mm 인 고로용 코크스 (metallurgical coke) 를 서스펜션 용해로 (suspension smelting furnace) 내부로 공급함으로써, 상기 용해로의 내에서 구리 또는 니켈과 같은 비철금속을 생산할 때 발생하는 슬래그 중의 비철금속의 함량을 감소시키는 방법에 관한 것이다. 용해로의 지붕으로부터 아래로 배플 (baffle) 을 설치하는 것이 바람직하며, 그렇게 함으로써, 구리 및 니켈을 포함하는 작은 입자들이 용해로의 뒷 부분으로 부유하고 슬래그와 함께 빠져나가는 것이 방지된다. 상기 배플은 작은 입자들이 용해로 내의 환원 영역에 침강하도록 한다.

도 1 은 서스펜션 용해로의 단면도이다.

도 2 는 서스펜션 용해로로부터 얻어지는 최종 생산물에 대한 코크스 장입량의 영향을 나타내는 도면이다.

상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해, 상기 방법들의 결점을 피할 수 있는 방법이 개발되었다. 새롭게 개발된 방법에서는, 더이상의 처리를 요하지 않고서 슬래그가 버려질 수 있도록, 서스펜션 용해로 내에서 구리 또는 니켈과 같은 비철금속 생산시에 발생하는 슬래그 중의 비철금속 함량을 줄이는 것이 목적이다. 이 방법에서는, 슬래그를 환원시키기 위해 크기가 1 - 25 mm 범위인 고로용 코크스가 사용되며,반응 노흉을 통해 공급된 대부분의 코크스는 서스펜션 용해로의 하부 용해로에서 가스 상으로부터 분리하여 슬래그 상 (phase) 의 표면으로 침강하게 되며, 슬래그의 환원은 매트 및 슬래그로서 획득된 생산물의 대부분이 서로 분리되는 영역에서 발생한다. 본 발명의 본질적 특징은 청구항에서 명백히 기재되어 있다.

본 방법에서, 고로용 코크스의 사용이 바람직한데, 왜냐하면 이러한 코크스 속에 포함된 휘발성 물질의 양이 작기 때문이다. 그러므로, 환원 재료 내의 휘발성 물질이 연소할 때 발생하는 여분의 잉여 열에너지의 발생없이, 당해 원료의 환원 능력의 대부분이 환원에 사용될 수 있다. 동시에, 반응 노흉 내의 코크스에 발생하는 산소 결합 반응이 줄어들며, 이리하여 최종 매트의 품질에 대한 보다나은 제어가 가능하게 된다. 전통적으로, 이러한 제어는 공정의 공기 계수 (산소/정광 량 N㎥/t) 를 조절함으로써 수행되어 왔다.

본 발명에 따른 방법에서는, 반응 노흉을 통해 공급된 코크스의 대부분이 서스펜션 용해로의 하부 용해로에서 가스상으로부터 분리되고 또한, 생산물의 대부분인 매트와 슬래그가 가스 상으로부터 분리되는 영역에서, 슬래그 환원이 발생하는 슬래그 표면에 코크스가 침강될 수 있도록, 사용되는 고로용 코크스는 소정의 입자 크기를 갖게 된다. 환원은 열 경제적 측면에서 최적인 영역에서 발생한다. 환원을 위해 요구되는 열은, 환원을 위해 어떠한 부가적인 에너지도 요구됨이 없이, 반응 노흉으로부터 나오는 생산물의 열량으로부터 온다.

고로용 코크스의 입자 크기는 바람직하게는 1 - 25 mm 이다. 보다 큰 크기의 코크스는 작은 비면적 (specific area) 을 갖게 되어, 슬래그와 효율적으로 반응할 수 없게 된다. 상기 1 - 25 mm 보다 작은 입자 크기가 사용된다면, 이미 반응노흉에서 코크스는 활발히 반응할 것이며, 코크스 중 상당 부분이 가스상과 함께 통풍관 쪽으로 부유하여, 요망되는 슬래그 접촉과 환원 작용이 저조할 것이다. 미세한 입자의 코크스가 가스상과 함께 통풍관 및/또는 폐열 보일러 쪽으로 부유될 경우, 코크스는 에너지가 불필요할 때에 에너지를 발생시키며, 그리하여 보일러의 능력을 감소시킨다. 코크스의 상당한 양이 용해로의 내부에 쌓이지 않도록, 기껏해야 몇 센티미터가 되도록, 대신, 모든 코크스가 환원 반응중 소비될 수 있도록, 공급되는 코크스는 제어된다.

본 발명에 따른 방법에서는 또한, 슬래그 상의 표면에 분쇄된 매트 물질이 존재하게 되면, 전술한 바와 동일한 문제가 어느정도 발생하게 된다. 구리나 니켈을 포함하는 작은 입자들은 슬래그 상을 통과하여 침강하지 못하고 슬래그 내에 머물게 되며, 그리하여 유출되는 슬래그 중의 구리 및 니켈의 양이 증가하게 된다. 본 발명에 따른 방법에서는 이러한 문제점이, 서스펜션 용해로의 하부 용해로의 지붕으로부터 배플을 설치함으로써 극복된다. 배플은 미세한 크기의 입자가 가스 상과 함께 용해로의 뒷부분 쪽으로 부유하여 유출구 부근에 이르는 것을 방지할 것이다. 배플이 용해로의 지붕으로부터 아래로 설치될 때, 배플의 하부가 용해 슬래그 욕 또는 용융 슬래그의 표면의 근방에서 닿을 수 있도록 설치된다. 배플은 바람직하게는 수냉 구리 부재로 구성되며, 벽돌이나 내화성 물질과 같은 방화 물질로 보호된다.

배플에 의해, 미세한 입자의 구리 또는 니켈을 포함하는 물질들은 환원 영역에 침강하게 된다. 이런 방식에 의해, 서서히 침강하여 슬래그 중의 구리 함량을 증가시키는 비철금속 입자를 형성하는 물질을, 유출부의 슬래그는 더이상 포함하지 않게 된다. 코크스 환원 및 배플이 없을 경우보다, 유출구로부터 유출되는 슬래그 중의 구리 또는 니켈 함량은 보다 적게 된다.

도 1 에는 반응 노흉 (2), 하부 용해로 (3), 및 통풍관 (4) 을 포함하는 서스펜션 용해로 (1) 가 도시된다. 고로용 코크스가 구리 정광(精鑛) , 용제 및 산소함유 가스와 함께 반응 노흉 (2) 의 상단부에 위치한 정광 버너 (5) 를 통해 용해로에 공급된다. 반응 노흉의 내부에서는, 공급된 물질들이 코크스를 제외하고 서로 반응하여, 하부 용해로의 바닥에서 매트 층 (6) 을 형성하게 되며, 이 층에는 슬래그 층 (7) 이 형성된다. 반응 노흉 안에서 고로용 코크스와 반응 노흉 내에 공급된 다른 재료들 사이에 일어나는 반응은 선택된 입자 크기 때문에 작으며, 고로용 코크스는 슬래그 층 위에 침강하여 층 (8) 을 이루게 되며, 이 층에서 요구되는 환원반응이 일어난다.

하부 용해로 지붕 (9) 에는 하나 이상의 배플 (10A 및 10B) 이 제공되는데, 배플은 지붕에서부터 아래로 향하여, 용융 슬래그 층 (7) 의 내부에 이르거나 (10B) 또는 용융된 슬래그 표면의 근방에 (10A) 이르게 된다. 도면에서 또한 알 수 있듯이, 상기 배플은 바람직하게는, 슬러그 유출구의 앞에서 통풍관의 전방 또는 후방에 설치되어 있다. 반응 노흉 내의 반응에 의해 발생한 가스는 통풍관 (4) 을 통해 폐열 보일러 (11) 로 제거된다. 하부 용해로 내의 슬러그 및 구리 매트는 용해로의 뒷 부분에 위치한 유출구 (12 및 13) 를 통해 유출될 수 있다.

실시예

소형 플래쉬 용해로 (mini-scale flash smelting furnace) 내로 정확히 100 - 150 kg/h 의 정광을 공급하여 고로용 코크스의 작용 효과를 알아보았다. 정광의 성분 분석 결과, 전로 (轉爐) 슬래그 및 필요한 실리카 용제와 함께 평균 25.7 % 의 구리, 29.4 % 의 철 및 33.9 % 의 황이었다. 용제와 전로 슬래그의 양은 정광량의 26 - 33 % 를 차지한다. 생산된 매트의 구리 함유량은 63 - 76 % 였다. 공급 재료가 코크스를 포함한 경우에는, 코크스 량은 2 - 6 kg/h 또는공급 정광의 1.0 내지 3.1 % 사이였다. 80 % C_fix코크스가 사용되었고 회분의 양은 16.3 % 이고 휘발성 물질의 양은 3.3 % 이었다. 크기가 1 - 3 mm 및 3 - 8 mm 인 두가지 다른 코크스와 그들의 화합물이 시험에서 사용되었다.

한 실험이 3 내지 5 시간 동안 지속되었고, 이후 생산물이 용해로로부터 유출되었다. 실험 실시중에, 비교를 위한 환원 코크스는 전혀 사용되지 않았다. 실험 결과는 도 2 에 도시되어 있는데, 도 2 는 전체 공급 구리로부터 슬래그 내에 남겨진 구리의 분포를 구리 매트 내의 구리 퍼센티지 (percentage) 의 함수로 나타낸 것이다. 도 2 의 선도에서 알 수 있듯이, 비록 약간의 코크스를 부가해도, 상기 용해로 내부의 슬래그 중의 구리 함량이 크게 개선되었다. 3 kg/h 이하 양의 코크스일 경우, 코크스의 사용없이 한 실험에 비하여 약 77.5% 의 구리가 슬래그 내에 남았다. 더 많은 양의 코크스가 사용되었을 경우, 코크스의 사용없이 한 실험과 비교할 때, 슬래그 내의 구리의 양은 단지 54.7% 였다. 그러므로, 상기 방법의 유효함은 명백하다. 미세한 코크스 입자만을 사용할 때보다 거친 입자를 사용할 때가 감소 효과가 더 크고, 미세한 입자의 경우 코크스의 1/3 이 이미 소형 플래쉬 용해로의 반응 노흉 내에서 반응을 마쳤으며, 슬래그 상의 효율적인 환원은 이루어지지 않았다.

Claims (8)

1. 서스펜션 용해로의 내부로 정광, 산소 함유 가스 및 용제에 부가하여 고로용 코크스를 공급하여 상기 용해로 내에서 비철금속을 생산할 때에 발생하는 슬래그 중의 비철금속 함량을 감소시키는 방법에 있어서, 용해로의 내부로 공급되는 코크스가 1 - 25 mm 범위의 입자 크기를 갖는 고로용 코크스임을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 코크스는 정광 버너를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 비철금속을 포함하는 작은 입자들이 용해로의 뒷부분으로 부유하여 슬래그와 함께 용해로 밖으로 유출되는 것을 막기 위해, 용해로의 내부에 그 지붕으로부터 아래로 배플을 설치하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 배플 (10) 이 용해 슬러그 욕 (7) 내부까지 신장된 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 배플 (10) 이 슬래그 층 (7) 의 표면 부근까지 신장된 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 배플 (10) 이, 방화 재료에 의해 보호되는 수냉 구리 부재에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 비철금속이 구리임을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 비철금속이 니켈임을 특징으로 하는 방법.