KR20080100402A - 구리의 연속 화염 정련 방법 - Google Patents

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아리엘 발로치
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Abstract

액상 구리(4)를 제 1 산화 반응기로 연속적으로 수강(tapping in)시키는 단계; 산소 함유 가스의 연소 또는 공기에 의하여 액상 구리를 산화시키는 단계; 불순물이 수집된 슬래그를 동시 형성시키는 단계; 상기 제 1 반응기(8)로부터 산화된 구리 및 정련 슬래그를 연속적으로 출강(tapping out)시키는 단계; 산화된 구리를 제 2 환원 반응기로 연속적으로 수강(tapping in)시키는 단계; 연료 및 탄소의 부분적 연소에 의하여 형성된 탄소 및 환원가스를 이용하여 구리를 환원(reduction)시키는 단계; 환원된 구리(14)를 연속적으로 출강(tapping out)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집중적이며, 연속적인 구리 화염 정련 방법.
용광로, 산화구리, 화염 정련, 로운더, 송풍구(tuyere)

Description

구리의 연속 화염 정련 방법{Method of continuous fire refining of copper}
본 발명은 기포상 구리 또는 2차 구리에 대한 집중적이고 연속적인 화염 정련을 위한 방법에 관한 것이다.
구리 농축물(concentrates)의 제련(smelting)은 매트(matte)와 슬래그를 생산한다. 구리 매트는 피어스-스미스(pierce-smith), 호보켄(Hoboken) 전환기 또는 케네코트-오토쿰푸(Kennecott-Ontokumpu) 또는 미쯔비시(Mitsubishi)와 같은 연속 전환 공정에서 기포상(blister) 구리로 전환된다. 기포상 구리는 전기적 정련에 앞서 열정련 공정으로 도입된다.
기포상 구리의 열정련은 정련된 구리에 대한 대부분의 주조가 아노드(anode) 형태인 것으로 인해 정제로(anode furnace)라고 불리는 고정상 반사로(stationary reverberatory) 또는 맥관로(vascular furnace)에서 이루어지며, 이는 전기 분해 정련(electrolytical refining)으로 이동한다.
열정련 공정은, 충진(charging), 산화 및 불순물 슬래깅(slagging), 환원(reduction), 및 아노드 주조(anode casting)의 4단계로 이루어진 전통적인 뱃치 공정이다. 용융단계 없이 정련 사이클의 시간은 6 내지 14시간으로 다양하다.
산화 단계 후의 산화된 구리는 5000 내지 10000ppm의 산소를 함유한다. 상기 구리는 탄소함유 또는 암모니아 환원제에 의하여 환원된다. 사용되는 가장 일반적인 환원제는 유분이나 천연가스이다. 상기 유분이나 천연가스는 공기와 함께 하나 또는 복수의 송풍구(tuyere)을 통하여 용융 구리의 베쓰(bath)에 주입된다. 구리환원은 공정율 및 환원제 활용(reductant utilisation)에 있어서 중요한 제한에 직면한다. 액상 구리 충진의 환원 단계는, 150 내지 400 t에서 변동(fluctuate)하며, 1.2 내지 2.0시간 범위 내에서 변화한다. 보고된 환원 효율은 50%이하이다. 액상이나 기상 한원제를 구리로 주입하는 것은 탄화수소의 열분해에 의한 오프 가스에서 검은 연기(black fumes)를 생산한다. 구리로부터 산소 환원에서 부분적 탄소 활용은 환원 가스에서의 탄소 입자의 존재를 야기하고, 이는 버너 화염(flame)이 산화되면 부분적으로 연소된다. 탄소 입자는 용광로 오프-가스로 전달되고, 연통을 통해 대기로 방출되는 검은 연기를 생성한다.
산화된 액상 구리의 환원은 수세기에 걸쳐 실시되었으며 이는 처음에 조지오 아그리콜라(Georgious Agricola)에 의하여 기술되었다(G:Agricola:"De Re Metallica", 라틴어로부터 번역, 1a 판 1556 por Hebert C. Hoover y Lou H. Hoover, Dover Publications, 1950, 535-536). 개방 노상(hearth) 용광로에서 공기에 의한 산화 및 불순물 제거 이후, 상기 구리는 목재를 이용하여 환원된다. 목재를 이용한 구리 환원(폴링:poling)은 아직도 일부 정련소에서 실시되고 있다.
엘.클라인(L.Klein)은 목재의 대체품으로서 가스 환원제의 사용에 대한 신 개념을 제공하였다("산소-함유 구리의 가스 환원", J. of Metals, Vol 13 No8, 1961년 8월, 545-547; 미국특허 제 2,989,397호, 1961년 6월). 상기 연구는 공기와 함께 천연가스를 주입하는 것이 액상 구리로 천연가스만을 주입시킨 것보다 개선된 해결책임을 보여주었다. 개질 천연가스를 이용하여 구리의 탈 산화 방법 및 관련 기구는 미국 및 캐나다의 펠프스 다지 사(Phelps Dodge Corporation)에 의하여 특허화되었다.(C.Kuzell, M.Fowler, S. Davis y L. Klein: "개질 가스를 위한 기구" 미국특허 제 3,071,454호, 1963년 1월;"산소 함유 구리의 가스 환원", 캐나다 특허 제 668,598호, 1963년 8월)
알.네니치(R. Nenych), 에프. 카들러(F.Kadler) 및 브이. 세들라섹(V. Sedlacek)은 전통적인 목재에 의한 환원을 암모니아로 대체시켰으며, 이는 고품질의 구리 생산을 가능케하였다. 암모니아 수요량은 산소가 4000에서 1000ppm으로 환원될때, 구리기준 약 1㎏/t이다(R. Henych et al.,"가스상 암모니아에 의한 구리 정련", J. of Metals, Vol 17, No 4, 1955년 4월).
엔. 티멜리스(N. Themelis) 및 피. 슈미트(P.Schmidt)는 일산화 탄소 및 수소 함유 가스의 형성을 가져오는, 증기 및 다양한 개질 탄화수소(메탄, 에탄, 부탄)의 주입에 의한 액상 구리의 탈산화를 특허화하였다. 특허된 설비는 맥관로에 기초하였다("용융 금속의 가스 탈산화를 위한 기구 및 공정", 캐나다 특허 제 827,066호, 1969년 11월).
알. 벡(R.Beck), 씨. 앤더센(C.Andersen) 및 엠. 메스너(Messner)는 천연가스/공기의 혼합물을 이용하여 구리 탈산화 공정에 대하여 특허화 하였다("천연가스-공기 혼합물에 의한 탄산화 구리 공정", 미국특허 제 3,619,177, 1971년 11월). 아나콘다 주식회사(Anaconda Company)는 천연가스 또는 디젤오일 및 수증기의 혼합물을 랜스(lance)을 통한 주입에 의한 맥관로에서의 구리 탈산화 공정을 특허받았다.(W.Foard and R.Lear:"정련 구리"미국특허 제 3,529,956호, 1970년 9월).
제이.핸더슨(J.Henderson) 및 더블유.존슨(W.Johnson)은 바람구성을 통한 천연가스 주입에 의한 맥관로에서의 구리환원 방법인 아사코(ASARCO)에 대한 특허를 가지고 있다("구리의 가스 폴링", 미국특허 제3,623,863호, 1971년 11월)
쥐.맥커로우(G. Mckerrow) 및 디.파넬(D. Panell)은 "노란다 제련기(Noranda smelter)에서의 아노드 구리의 가스 탈산화"(캐나다 야금학 계간지, Vol 11, No4, 1972,629-633)라는 논문에서 맥관로에서의 송풍구를 통하여 주입된 천연가스를 이용한 노란다 제련기에서 구리 탈산화의 방법에 대한 전개를 검토하였다. 제이.오디즈(j.Oudiz)는 구리 환원공정에 대하여 일반적인 검토를 하였으며("구리 정련에 대한 폴링공정", J of Metals, Vol 25, 1973년 12월,35-38), 공업적 데이타에 기초하여 환원제의 소비량, 이익 및 다양한 환원제의 사용에 따른 문제, 개질 반응 및 환원제 효율이 조사되었다.
엘.라브로프(L.Lavrov)("천연가스 및 증기 혼합물에의한 아노드 구리의 탈산화", The Soviet Journal of Non-Ferrous Metals, Vol No19, No5, English translation, 1978년 5월, 25-26)는 랜스를 통해 주입된 오드(od) 천연가스 및 증기의 사용을 입증하였다.
씨. 토로(C.Toro) 및 브이. 파레데스(V. Paredes)("Sustitucion parcial del petroleo diesel por Enap-6 como agente reductor en le proceso de obtencion de cobre anodico en la fundicion Potrerillos", 34a Convencion Anual IIMCh, Noviembre 1983, Rancagua)는 구리 환원에서, 더 높은 황 함량 및 더 낮은 가격을 통해 공업적 규모로 발전시키고 중유(ENAP-6)의 사용 가능성을 입증하였다.
제이.미노우라(J.Minoura)("코카사 제련기(Kosaka smelter)에서 아노드 로에서의 벙커 연료 유 폴링", 114th AIME Annual Meeting, 1985, NY, USA)는 중유(Bunker C)를 이용한 구리 환원을 기술하며, 1967년 이래로 실시된 암모니아를 이용한 구리 환원과 비교하여 장점 및 더 낮은 가격을 보인다.
구리 화염정련에서 포러스 플러그(porous plug)의 사용에 관한 참고문헌은 단편적인데, 1980년대(P. Goyal, N. Themelis and W.Zanchuk, "음극 구리의 가스 정련", J of Metals, Vol 34, 1882년 12월, 22-28; P. Goyal, S. Joshi and J.Wang "음극 정련로에 포러스 플러그 주입", J of Metals, Vol 35, 1983년 12월, 52-58), 포러스 플러그 사용은 철 야금분야에서 전래되어서 금속 주조의 분야에서 다음으로 발전되었기 때문이다. 구리 정련의 공업적 응용은 질소 교반에 의한 구리 탈황(desulphurisation)으로 처음에 적용되었다. 포러스 플러그를 통하여 도입된 수소를 이용한 구리 환원의 개념은 단지 실험실 규모에서 조사되었다.
포러스 플러그의 공업적 수행의 설명은 "용융 구리 제조 및 정련에서의 포러스 플러그"(A, Rigby y M. Lanyi, CIM'96, 1996년 8월, 393-403)라는 논문에 개시되어 있다.
주입의 조작상의 실행 및 제안된 방법, 베쓰교란(bath agitation) 및 환원제 의 유형은, 액상 구리로부터 산소 제거에 존재하는 문제들, 예를 들어 긴 환원 시간, 낮은 환원 효율 및 비 연소입자와 가스의 방출에 대하여 지적한다.
발명의 요약
본 발명은 연속 구리 화염 정련의 신규 방법을 제공하는 것에 목적이 있다. 상기 방법은 포러스 플러그에 의하여 공급되는 불활성 가스에 의하여 교반하는 동시 베쓰(simultaneous bath)를 이용하여 구리 표면에 부유하는 부가적인 고체 환원제를 사용하는 방법에 의하여 달성된다.
본 발명은 송풍구나 랜스(lance)를 통한 환원제의 주입과 더불어 구리의 표면에 충진된(charged) 고체 탄소함유 환원제의 사용에 의한 액상 구리로부터의 산소 제거의 파이로메탈러지 방법(pirometallugical method) 및 포러스 플러그를 통하여 도입된 불활성 가스를 이용한 구리 베쓰의 동시 교란에 대한 것이다. 상기 방법에서 공기 또는 증기와 혼합된 유분이나 천연가스의 탄화수소 및 탄소함유 환원제가 구리에 용해된 산소와 반응하여 높은 환원율을 보이고, 시간을 단축시키며 환원효율을 높인다.
따라서, 액상 구리로부터 산소 추출의 방법에 이르는 본 발명은 다음의 단계로 이루어진다:
a) 불순물 제거에 필요한 정도까지 구리 베쓰를 산화;
b) 구리 표면에 탄소함유 환원제 첨가, 송풍구(들)을 통하여 혼합된 연료 주입 및 포러스 플러그를 거친 질소에 의한 베쓰의 교란;
c) 원하는 산소 함유량까지 구리로부터 산소 추출의 지속.
본 발명에 의하면, 불순물의 산화 및 슬래깅 이후, 구리 환원(4)는 액상 또는 가스상 환원제(유분, 천연가스)(3)의 주입에 의하여 이루어지고, 이와 동시에 고체 환원제(5)가 구리 베쓰 표면(4)에 첨가되고, 포러스 플러그(2)를 통하여 불활성 가스(1)에 의하여 베쓰교란이 수행된다.
액상 또는 가스상 환원제를 불충분한 양의 공기(3)와 함께 액상 구리(4)에 주입하는 것은 송풍구로부터 가스상 제트(jet)에서 화학적 반응을 일으키고 가스 거품(9)의 발생을 야기한다:
● 탄화탄소의 분해 CnHm ⇒ nC + mH2
● 공기를 이용한 부분 연소 2C + O2 ⇒ 2CO
2H2 + O2 ⇒ H2O
● 구리의 환원 (O)구리 + C ⇒ CO
(O)구리 + CO ⇒ CO2
(O)구리 + H2 ⇒ H2O
숯이나 다른 고체 탄소함유 환원제를 구리 베쓰의 표면상에 첨가하는 것으로 구리/탄소 경계면에서 반응이 개시된다:
(O)구리 + C ⇒ CO
(O)구리 + CO ⇒ CO2
CO2 + C ⇒ 2CO
상기 포러스 플러그(2)를 통하여 불활성 가스(1)를 주입하는 것은 반응 속도가 서서히 낮아지는 구리에서의 산소 성분의 변화율(gradient)의 형성을 방지한다. 불활성 가스(1)에 의한 전체 부피에서 구리 베쓰에 대한 지속적 교반은 반응 표면(구리/숯)상 질량 이동(mass transfer)을 확실하게 한다.
주입된 환원제(유분, 천연가스)에 의한 동시적인 구리(4)환원 및 숯 또는 코크의 부유 층(floating bed)은 현저히 총 공정율을 증대시키고, 환원시간을 감소시키며 용광로 생산성을 증대시킨다.
상기 구리(4) 표면상의 부유하는 숯 또는 코크 층(5)은 버너 작동에 더 높은 유연성을 부여한다. 산화 화염의 경우 상기 숯(5)은 구리를 산화로부터 보호하고, 연료의 더욱 효율적인 사용 및 구리 온도의 더욱 개선된 조절을 가능하게 한다. 더욱이, 버너에서의 초과 산소는 청정 가스를 생산하는 베쓰에 남는 환원 가스(7)의 후-연소(post-combustion)가 되도록 한다.
유분 또는 천연 가스(3)의 주입에 의한 구리(4) 환원의 가장 큰 문제는 검은 연기(black fumes)의 형성 및 방출이다. 탄화수소의 열 분해는 수소 및 기본적인 탄소(9)를 생산한다. 탄소 입자는 부분적으로 구리로부터의 산소와 반응하나, 부분적으로는 용융물로부터 방출된 거품을 내부에 발생시킨다. 탄소의 이러한 부분은 버너에 의하여 충분한 산소가 공급되면 부분적으로 연소되어 용융될 수 있다. 그러나 반응 가스로부터의 1차(primary) 일산화 탄소는 연소한다. 최종적으로, 탄소의 중 요부분이 연통으로 이동하여 공기중으로 발산된다. 본 발명에 의하면, 구리 표면상의 숯 또는 코크 부유 층은 상기 탄소 입자에 대한 필터역할을 한다. 상기 입자들이 필터에 의하여 붙잡히고, 소성되며, 상기 탄소는 숯과 함께 환원제로서 사용된다. 이는 탄소의 더 높은 활용 및 더 높은 환원제 효율을 가져온다.
본 발명은 전통적인 구리 환원 방법에 비교하여 다음의 장점이 있다.
a) 액상 또는 가스상 환원제의 주입과정에서 포러스 플러그에 의하여 도입된 질소로 교반한 베쓰와 결합한 고체 탄소 첨가의 적용이 통상의 환원 실시에 비하여 40 내지 60% 현저히 환원시간을 줄임.
b) 환원제(탄소 또는 탄화수소)의 효율이 전통적 작용의 평균값의 30 내지 50% 증가한다.
c) 검은 연기(카본블랙)와 함께 가스의 방출은 환경에 영향을 미치는 부정적 공정을 현저히 감소시킨다.
d) 더 높은 환원 효율 및 더욱 짧은 환원시간은 단일(unitary) 환원제 및 연료 소비를 감소시킴을 물론, 용광로 생산성을 증대시키게 된다.
e) 적용 방법의 비용이 낮다. 정련 용광로의 필요한 개선은 크지 않다.
도 1은 연속 미쓰비시 구리 매트 전환 용광로로부터 제공되는 기포상 구리의 집중적이며 연속적인 화염 정련의 개념을 개략적으로 도시한 스케치이다.
실시예 1
구리 정련은 도 1에서 개략적으로 도시된 것과 같이 구리 150t용량(capacity)의 맥관 정제로(vascular anode furnace)에서 이루어진다. 4개의 포러스 플러그(2)는 상기 용광로의 바닥부에 설치된다. 상기 포러스 플러그를 통한 질소(1)는 용융된 구리(4)로 주입된다. 질소의 유량비(flowrate)는 40 내지 120N㎥/h로 변화한다. 산화 기간은 슬래그의 제거(skim out)에 의하여 종료된다. 구리에서의 산소 성분은 8000ppm 수준이다. 다음으로, 구리 1톤 당 1.5 내지 4㎏의 숯(5)이 구리 표면상에 입구(mouth)를 통하여 충진된다. 하나의 송풍구(tuyere)를 통한 유분의 흐름은 공기(구리 톤 당 4-8 N㎥/h)와 함께 취하여 진다(구리 톤 당 약 4-8㎏/h). 유분 유량비는 검은 연기가 방출되지 않는 지점까지 점차 증가된다. 버너의 세팅은 변경된다. 상기 버너를 통한 유분 유량비는 중단되고(shut down), 공기 흐름은 구리의 톤 당 3-20N㎥/h 수준에서 유지된다. 상기 버너로 도입된 공기는 베쓰에 잔존하는 환원가스의 효율적인 후-연소를 확보한다. 표면상의 숯은 구리가 산화되는 것을 방지한다.
생산된 오프-가스는 용광로에서 연통으로 배출되는데, 청결하고 방출에 대하여 적합하다. 송풍구를 통하여 환원제를 주입하고 45분 후, 유분 유량비는 점차 감소하며 용광로는 기울어져서 송풍구가 베쓰의 위쪽에 위치하게 된다. 다음으로, 유분 및 공기 흐름은 중단된다. 구리 중의 산소성분은 400-800ppm 이고 용광로는 아노드 주조를 위하여 준비된다.
실시예 2
구리 정련은 구리 300t용량의 고정 아노드 용광로에서 이루어진다. 4개의 포러스 플러그가 충진 윈도우(charging window)을 가지는 벽에 대한 측벽의 바닥부에 설치된다. 포러스 플러그를 통한 질소 유량비는 구리 톤 당 0.3-1.0 N㎥/h이다. 산화 기간 및 정제 슬래그 제거(skimming out)가 끝난 후에 구리의 톤 당 1.3-4.0 ㎏의 분율의 숯이 공기(구리 톤 당 2-5 N㎥/h)와 함께 랜스(구리 톤 당 2-5 ㎏/h)를 통하여 취하여 진다. 랜스는 구리에 담궈지고 환원된다. 버너는 천연가스에 의하여 공급받는다. 버너 파라미터는 정해져 있다: 구리 톤 당 천연가스 1-3 N㎥/h 및 공기 7-20 N㎥/h이다. 이는 효율적인 환원 가스의 후-연소 및 대기로의 청결한 오프-가스의 방출을 확실하게 한다. 100분 후에 상기 랜스는 제거되고 유분 및 공기 흐름이 중단된다. 산소 성분은 6000 - 8000 ppm에서 약 400 - 800 ppm으로 감소된다. 다음으로, 아노드 주조(anode casting)가 진행된다.
본 발명에 의하면 전통적인 구리환원반응에 비하여 환원효율이 높고 시간 및 비용이 단축되며 환경적으로도 개선된 연속 화염 정련방법이 제공된다.

Claims (7)

  1. (a) 액상 구리를 제 1 산화 반응기로 연속적으로 수강(tapping in)시키는 단계;
    (b) 산소 함유 가스의 연소 또는 공기에 의하여 액상 구리를 산화시키는 단계;
    (c) 불순물이 수집된 슬래그를 동시 형성시키는 단계;
    (d) 상기 제 1 반응기로부터 산화된 구리 및 정련 슬래그를 연속적으로 출강(tapping out)시키는 단계;
    (e) 산화된 구리를 제 2 환원 반응기로 연속적으로 수강(tapping in)시키는 단계;
    (f) 연료 및 탄소의 부분적 연소에 의하여 형성된 탄소 및 환원가스를 이용하여 구리를 환원(reduction)시키는 단계;
    (g) 환원된 구리를 연속적으로 출강(tapping out)시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 집중적이며, 연속적인 구리 화염 정련 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 구리 배쓰가 액상 기포상 구리 또는 용융된 재순환 고체 구리 또는 조각(scrap)으로 구성되며, 불순물을 제거하기 위하여 산화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 액상 구리는 세라믹 또는 화학적으로 중성인 그레인(grain)으로 채워진 층을 통한 중력적 흐름(gravitational flow)에 의하여 분산되고(dispersed), 초과 산소(excess oxygen)를 가진 천연 가스 또는 유분의 연소로부터의 가스와 같은, 산소를 함유하고, 5 내지 21%의 연소 가스에서의 산소 성분과 대응하는 열 가스를 흐르게 하는 역전류(counter-current)에 의하여 산화되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 철, 아연, 납, 비소, 안티몬과 같은, 구리보다 산소에 더 높은 친화력(affinity)를 가지는 상기 불순물이 산화되고, 산화 제 1 구리(cuprous oxide)와 함께 정련 슬래그(a refining slag)를 형성하여, 상기 산화된 구리의 표면 상에 액상층을 형성하며 흘러내리며, 용해된 황은 이산화 황을 형성하고, 이는 액상 구리로부터 유리되고(liberated), 연소가스와 함께 흘러나가는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 (b)단계의 상기 숯(charcoal)은 액상 구리의 표면 상에 구리 1톤당 1 내지 10kg범위에서 충진되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 (b)단계에서 낮은 황 성분을 가지는(<0.8%) 미네랄 석탄 또는 코크 다양한 고체 탄소질 물질이 숯을 대신하여 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서, (c)단계에서, 공기 또는 불활성 가스와 함께 액상 또는 가스상 환원제(유분, 천연가스)의 주입 강도(intensity of injection)는 환원 효율의 저하 및 검은 연기(black fumes)의 생성없이 일반적인 주입 속도(injection rate)의 10 내지 100%로 증가될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
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