KR20130002325A - 구리 애노드 정련 시스템 및 방법 - Google Patents

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이안 프란시스 마스터슨
스테펜 맨리
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Abstract

용융 화염을 사용하여 용융 블리스터 구리 및/또는 용융 스크랩 구리 충전물을 가열하고, 용융 블리스터 구리 중 황을 산화시키고, 용융 블리스터 구리 중 산소를 환원시키는 데에 1개 이상의 다기능성 응집성 제트 랜스 조립체로부터의 상취 응집성 제트 기체 스트림을 사용함으로써, 응집성 제트 기술이 이용되는, 구리 애노드 정련 방법 및 시스템이 제공된다. 본 발명의 시스템 및 방법은 응집성 제트 랜스로의 산소-함유 기체, 불활성 기체, 환원제 및 연료의 흐름을 작동 제어하는 마이크로프로세서-기반의 제어기를 사용한다. 개시되는 구리 애노드 정련 시스템 및 방법은 구리 생산량을 크게 향상시키면서도, 산화/환원 주기 시간을 줄이고, NOx 방출을 최소화한다.

Description

구리 애노드 정련 시스템 및 방법{COPPER ANODE REFINING SYSTEM AND METHOD}
본 발명은 해당 재료를 더 높은 가치를 갖는 구리-함유 재료로 전환시키기 위한, 공정 기체, 예컨대 산화성 및 환원성 공정 기체를 사용한 구리-함유 재료의 건식야금(pyrometallurgical) 처리에 관한 것이다. 보다 특히, 본 발명은 산화성 및 환원성 공정 기체의 응집성 기체 스트림(coherent gas stream)을 사용한 용융 블리스터 구리(blister copper)의 선택적 처리에 의해 황, 산소 및 기타 불순물을 제거하기 위한, 용융 블리스터 구리의 애노드 정련에 관한 것이다.
구리의 생산은 통상적으로 농축, 제련, 전환, 정련, 애노드 캐스팅 및 전해 정련 절차를 포함하는 다-단계 절차를 수반한다. 통상적으로는, 구리 황화물 또는 구리-철-황화물 광물질, 예컨대 휘동광, 황동광 및 반동광 중 1종 이상을 포함하는 광석을 사용하여 시작하며, 상기 광석은 보통 25 내지 35 중량% (wt%) 사이의 구리를 함유하는 농축물로 전환된다. 다음에, 상기 농축물은 열 및 산소에 의해 먼저 매트(matte)로, 그 다음에는 블리스터 구리로 전환된다. 블리스터 구리에는, 종종 추가적인 고체 구리 스크랩이 첨가된다. 블리스터 구리의 추가 정련은 통상적으로 블리스터 구리 중 산소 및 황 불순물의 감소를 각각 0.80 % 및 1.0 %에 이르는 높은 수준으로부터 각각 0.05 % 및 0.002 %에 이르는 낮은 수준까지의 이루어내며, 보통 약 1090℃ (2000℉) 내지 1300℃ (2400℉)의 온도 범위에서 수행되는데, 황을 이산화 황으로 산화시킴으로써 그것을 배스로부터 탈가용화 제거하기 위한 산화 공정은 물론, 산화 단계 후에 존재하는 용해 산소를 제거하기 위한 환원 공정을 포함한다.
블리스터 구리의 애노드 구리로의 정련은 회분식 공정 또는 반-연속식 공정으로 수행될 수 있다. 어느 경우에도, 통상적으로 구리 용융물에의 산화제 기체 및 환원제 기체 스트림의 분사를 위하여, 고속 매몰식 바람구멍(high velocity submerged tuyere)이 사용된다. 그러나, 통상적인 구리 애노드 화염 정련 공정 및 매몰식 바람구멍을 통한 산화제 및 환원제 기체 스트림의 분사에는, 수많은 가동상의 난관 및 상당량의 비용이 수반된다. 그와 같은 난관에는 하기가 포함된다: 바람구멍 유지 및 신뢰도 문제; 산화 및 환원 기체의 부식 효과로 인한 고도의 노 내화재 마멸; 과도한 NOx 형성; 및 정련 공정의 변동.
필요한 것은 매몰식 바람구멍의 필요성이 없으며, 고도의 정련 효율 및 처리량을 달성하면서도, 동시에 가동 비용을 낮추고, 구리 애노드 정련 공정과 관련된 NOx 농도의 감소를 달성하는 개선된 구리 애노드 정련 방법이다.
본원에서 개시되는 응집성 기체 스트림을 사용한 구리 정련 시스템 및 방법은, 생산성 및 환경 관점에서 볼 때, 단독으로 및 집합적으로 구리 정련 공정을 강화하는 다수의 특징 및 측면들을 포함한다. 이러한 본 발명의 측면 및 특징들은 하기 부문에서 더욱 상세하게 제시된다.
<발명의 개요>
한 측면에서, 본 발명은 하기의 단계들을 포함하는 애노드 구리의 정련 방법으로 특성화될 수 있다: (i) 용융 블리스터 구리를 노에 제공하는 단계; (ii) 노 내 용융 블리스터 구리에 구리 스크랩을 충전하는 단계; (iii) 상취(top blown) 다기능성 응집성 제트 랜스(coherent jet lance)로부터 생성되는 용융 화염을 사용하여, 상기 구리 스크랩을 용융시키거나 또는 용융 블리스터 구리를 가열하는 단계; (iv) 산소-함유 기체 공급원 및 연료 공급원에 연결된 응집성 제트 랜스로부터 분출되는 상취 응집성 산소-함유 기체 스트림을 사용하여 노 내 용융 블리스터 구리 중 황 불순물을 산화시키는 단계; 및 (v) 응집성 제트 랜스로부터 분출되며 환원제 및 불활성 기체를 함유하는 상취 응집성 환원 기체 스트림을 사용하여 노 내 용융 블리스터 구리 중 산소를 환원시키는 단계.
또 다른 측면에서, 본 발명은 하기를 포함하는 구리 애노드 정련 시스템으로 특성화될 수 있다: 내화 벽체를 가지며, 상부 표면을 갖는 용융 구리의 배스를 포함하도록 개조되고 구리 배스의 상부 표면 위의 헤드공간을 한정하는 구리 야금 노; 산소-함유 기체, 불활성 기체, 환원제 및 연료의 공급원에 연결되어 있으며, 구리 배스의 상부 표면 위의 위치에서 상기 노 내화 벽체에 탑재되는 1개 이상의 다기능성 응집성 제트 랜스; 및 상기 1개 이상의 응집성 제트 랜스로의 산소-함유 기체, 불활성 기체, 환원제 및 연료의 흐름을 작동 제어하는(operatively controlling) 제어기. 상기 다기능성 응집성 제트 랜스는 용융 구리를 가열하거나 노에 제공되는 임의의 스크랩 구리 충전물을 용융시키기 위한 용융 화염; 구리 배스 내 황을 산화시키기 위한 응집성 산소-함유 기체 스트림; 및 구리 배스 내 산소를 환원시키기 위하여 환원제 및 불활성 기체를 함유하는 응집성 환원 기체 스트림을 제공하도록 개조되어 있다.
또 다른 측면에서, 본 발명은 애노드 노에서의 구리의 연속식 정련을 위한 개선된 방법으로 특성화될 수 있다. 상기 방법은 하기의 단계들을 포함한다: (i) 용융 블리스터 구리를 애노드 노에 제공하고, 임의로 애노드 노 내 용융 블리스터 구리에 구리 스크랩을 충전하는 단계; (ii) 용융 블리스터 구리 상부 표면 위의 위치에서 애노드 노의 내화 벽체에 탑재된 응집성 제트 랜스로부터 분출되는 상취 응집성 산소-함유 기체 스트림을 사용하여 애노드 노 내 용융 블리스터 구리 중 황 불순물을 산화시키는 단계; 및 (iii) 응집성 제트 랜스로부터 분출되며 환원제 및 불활성 기체를 함유하는 상취 응집성 환원 기체 스트림을 사용하여 애노드 노 내 용융 블리스터 구리 중 산소를 환원시키는 단계.
본 발명의 상기 및 기타 측면, 특징 및 장점들은 이어서 하기 도면과 함께 제공되는 그의 더욱 상세한 설명에서 더욱 명백해질 것인 바, 여기서:
도 1은 케네코트 유타 커퍼 설비에서 사용되는 애노드 노를 포함한 구리 애노드 정련 공정 일부의 개략도이고;
도 2A는 수냉식 하우징 내에 배치되는 선행 기술 응집성 제트 랜스 조립체의 등측도인 반면, 도 2B 및 2C는 더 단순하고 더 작으며 경량인 본 발명에 따른 응집성 제트 랜스 조립체의 도면이고;
도 3은 본 발명의 실시양태에 따른 응집성 제트 랜스 조립체의 단부 단면도이고;
도 4는 도 3 응집성 제트 랜스 조립체의 종축 단면도이고;
도 5는 응집성 제트 랜스 조립체의 대안적인 실시양태의 단부 단면도이고;
도 6은 도 5의 응집성 제트 랜스 조립체 대안적인 실시양태의 종축 단면도이다.
<상세한 설명>
본원에서 사용될 때, "응집성 기체 스트림" 또는 "응집성 제트"라는 용어는 방사상 방향으로 제트 직경의 증가가 적거나 없으며, 제트 노즐의 전면으로부터 측정하였을 때 20 노즐 직경 이상의 거리에 걸쳐 그의 축속도를 유지하는 기체 스트림을 의미한다. 그와 같은 제트는 수렴/발산(converging/diverging) 노즐을 통하여 기체 제트를 분출하고, 제트 길이의 일부 이상에 걸쳐, 바람직하게는 제트의 전체 길이에 걸쳐 연장되는 화염 외피(flame envelope)를 사용하여 그것을 둘러싸는 것에 의해 형성된다. 유사하게, "화염 외피"라는 용어는 연료 및 산화제의 연소에 의해 형성되며 1개 이상의 기체 스트림을 따라 연장되는 연소 흐름(combusting flow)을 의미한다.
넓은 의미에서, 본 개시 정련 시스템 및 방법은 일반적으로 비-철 금속의 건식야금 정련에 대한 응집성 제트 기술의 적용에 관한 것이다. 본 발명이 그의 바람직한 실시양태에서 특히 용융 구리의 애노드 정련에 관한 것이기는 하지만, 본 발명 시스템 및 방법의 소정 측면 및 특징들은 니켈, 납, 아연 및 주석과 같은 다른 비-철 금속의 정련에도 동일하게 적용가능할 수 있다. 본원에서 개시되는 기술을 사용하여 정련되는 비-철 금속의 용융물 내에는 다양한 양의 철 금속들이 있을 수 있는 것으로 양해된다. 그러나, 개시되는 시스템 및 방법은 구리의 애노드 정련에, 구체적으로는 구리 충전물이 가열 및/또는 용융된 다음, 그 속의 황 및 산소 불순물의 양을 감소시키기 위하여 동일한 랜스 조립체로부터의 산화성 및 환원성 공정 기체와 순차적으로 접촉되는 유형의 구리 애노드 정련용 절차에 특히 유용하다.
상기 응집성 제트 기술은 응집성 기체 제트 형태의 기체를 초음속의 속도로 용융 금속 배스에 분출함으로써, 통상적인 기체 분사 기술에 비해 뛰어난 공정상의 이익을 달성하는 것을 포함한다. 특별하게 설계된 기체 분사 노즐은 기체 스트림 제트를 응집성 상태로 유지시켜 준다. 응집성이란 제트 직경 및 속도가 보존된다는 것을 의미한다. 응집성 제트는 정확한 양의 기체 스트림을 용융 금속 배스에 전달함으로써, 통상적인 초음속 기체 제트 분사와 비교할 때, 더 큰 운동량, 더 우수한 충돌, 더 적은 발산 또는 붕괴, 주변 노 기체의 더 적은 비말동반, 및 감소된 공동 형성 또는 튐을 수반한다. 응집성 제트 장치를 사용하여 전달되는 기체는 노 벽체로부터 떨어진 용융 구리 배스 상에 충돌하는데, 이는 노 벽체를 통하여 기체를 분사하는 매몰식 바람구멍 기체-분사에 비해 노 라이닝 수명을 향상시킬 수 있다.
본 개시 구리 정련 시스템 및 방법은 산소 함유 기체, 불활성 또는 질소 기체, 환원제, 및 탄화수소 연료 예컨대 천연 가스를 애노드 노 및/또는 거기에 배치된 블리스터 구리 용융물로 전달하기 위한 1개 이상의 다기능성 상취 응집성 제트 장치의 이용을 통하여, 바람구멍이 없는 구리 애노드 정련 공정을 완전히 가능케 한다. 매몰식 바람구멍에 대한 필요성을 제거함으로써, 유지 및 신뢰성 문제 및 바람구멍과 관련된 비용이 제거되며, 노 용기의 유효 수명이 상당히 연장된다. 또한, 용융 화염을 제공하는 데에 응집성 제트 장치를 사용하기 때문에, 노는 용융물을 원하는 온도로 유지하고 심지어는 추가적인 구리 스크랩 용융을 수행하는 데에 적합해지는데, 이는 별도의 스크랩 용융 노와 관련된 필요성 및 비용을 사라지게 할 수 있다. 케네코트 유타 커퍼의 연속식 구리 정련 공정(Kennecott Utah Copper's continuous copper refining process)을 포함하여, 현행 구리 정련 공정의 포괄적인 지식에 대해서는 예를 들면 미국 특허 6,210,463 및 Re 36,598에 개시되어 있다.
애노드 노로 전달되는 기체에는 바람직하게는 사전-프로그래밍된 목표점에 따라 전달되는 산소, 천연 가스, 질소 및 그의 혼합물이 포함된다. 보다 특히, 응집성 제트 제어 시스템은 기체 흐름 제어 시스템 (기체 스키드(gas skid) 또는 밸브열(valve train)로도 지칭됨), 및 바람직하게는 1개 또는 2개인 응집성 제트 랜스 조립체로 구성된다. 일반적으로, 어떠한 원하는 흐름의 조합도 상기 기체 흐름 제어 시스템에 사전-프로그래밍될 수 있다. 노즐 폐색을 방지하기 위해서는 각 포트(port)를 통한 최소한의 기체 흐름 또는 '퍼지 흐름(purge flow)'이 필요할 수도 있는데, 그와 같은 최소한의 기체 흐름은 응집성 제트 랜스가 고온 노에서 가동되는 때에는 언제나 제어장치에 의해 설정 및 유지된다.
정련될 구리는 통상적으로 반응가능한 양의 황 및 산소 불순물을 함유하는 임의의 적합한 미가공 구리 재료를 포함하므로, 본원에서 기도되는 탈황화 및 탈산소화 반응에 적용될 수 있다. 구리 정련 업계에 잘 알려져 있는 바와 같이, 구리는 통상적으로 용해된 기체의 형태는 물론, 예컨대 구리 황화물 및 구리 산화물의 형태와 같이 구리 원자와 화학적으로 결합된 형태 모두로 황 및 산소를 함유한다. 통상적으로, 연속식 전환 유래의 블리스터 구리는 산화 단계 전에 황 약 800 내지 6000 ppm 범위 이내 또는 이를 넘는 황 불순물, 및 산소 약 2000 ppm 이상의 산소 불순물을 함유한다. 당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 블리스터 구리는 구리 정련의 제련 및 전환 단계 후에 수득되는 생성물이다. 본 시스템 및 방법은 그와 같은 블리스터 구리의 애노드 구리로의 직접적인 전환을 고려한다. 생성되는 애노드 구리는 통상적으로 약 50 ppm 미만의 황 및 약 2000 ppm 미만의 산소를 함유한다.
대체적으로, 애노드 노는 내화 라이닝을 가지며, 노에 열을 제공하기 위한 컨버터의 단부 벽체 상에 탑재된 통상적인 유형의 적어도 1개의 공기-연료 또는 산소-연료 버너가 임의 장착되고, 적어도 1개의 상취 다기능성 응집성 제트 랜스 조립체를 포함하도록 개조된 애노드 노와 같은 회전 원통형 노를 포함하게 된다. 구리의 용융물은 노의 저부에 포함된다. 노 용기는 용융물 표면 위의 헤드공간을 한정한다. 응집성 제트 랜스 조립체는 바람직하게는 노 내화 벽체의 구리 용융물 표면 위의 위치에 탑재되어, 용융 화염 또는 응집성 기체 스트림 중 어느 것을 포함하는 용융물 상취를 제공한다.
개시되는 실시양태에서, 응집성 제트 랜스는 내화 벽체의 튐을 최소화하기 위하여 바람직하게는 구리 용융물의 표면에 대하여 소정 각도로 노의 상부에 탑재된다. 임의로, 노는 질소, 아르곤, 이산화 탄소, 산소 또는 이들의 조합과 같은 교반 기체의 분사를 위하여 노의 저부에 배치되는 1개 이상의 다공성 플러그를 포함하는 저부 교반식 설계의 것일 수 있다. 또한, 바람직한 실시양태에서는 이전에 열거된 그와 관련된 단점들로 인하여 바람구멍의 사용이 바람직하지 않기는 하지만, 응집성 제트 랜스 조립체가 작동하지 않을 경우의 용융물에의 산화성 및/또는 환원성 기체의 분사를 위한 1개 이상의 백-업(back-up) 또는 보조 바람구멍이 노에 장착될 수도 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명 구리 정련 시스템 및 방법의 실시양태를 나타내는 케네코트 유타 커퍼 설비에서의 애노드 노의 개략도이다. 제1 애노드 노 (22)는 단일 응집성 제트 랜스 포트 (25)를 갖는 것으로 나타나 있는 반면, 제2 애노드 노 (24)는 2개의 응집성 제트 랜스 포트 (25)를 갖는 것으로 나타나 있다. 나타내지는 않았지만, 응집성 제트 랜스 조립체들의 탑재 위치는 바람직하게는 응집성 제트 랜스 조립체에 대한 접근에 상승의 작업 숙련도가 요구되지 않도록, 기존의 플랫폼 또는 통로(walkway)에 인접한다. 도시된 노는 통상적인 산화 및 환원 시행시에 기체를 분사하는 데에 사용되는 바람구멍 (26)을 포함한다. 슬래그 (34)의 제거 후, 플래시 컨버터 (30)로부터의 블리스터 구리 (32)은 공급물 포트 (28)를 통하여 구리 애노드 노에 공급되며, 추가적인 스크랩 구리는 노 마우스 (29)를 통하여 공급되는데, 거기에서 구리는 충전물 용융, 산화, 스킴(skim) 및 환원 단계를 포함한 화염 정련 공정의 많은 부분을 겪게 된다. 각 애노드 노에서의 화염 정련 공정이 완료되면, 하기에 더욱 상세하게 기술되는 바와 같이 더 작고 경량인 응집성 제트 랜스 조립체는 제거될 수 있으며, 노 배출 홀(tap hole) (미도시)을 통하여 애노드 노로부터 캐스팅 공정으로 용융 구리 (40)가 배출되도록, 노가 회전된다.
더 작고 경량인 응집성 제트 랜스 조립체는 도 1에 나타낸 응집성 제트 랜스 포트 (25) 내에 배치된다. 하기에서 더욱 상세하게 논의되는 바와 같이, 상기 응집성 제트 랜스 조립체는 용융 충전물에 첨가되는 소정 구리 스크랩의 용융시 용융 화염을 제공하는 데에 뿐만 아니라, 산화 및 환원 공정 단계시 응집성 기체 스트림을 제공함으로써, 산화 및 환원 주기 시간을 감소시킴은 물론, 원치 않는 NOx 방출을 최소화하면서도 애노드 노의 생산성은 증가시키는 데에 사용된다.
비교하자면, 응집성 제트 랜스 조립체 및 기술을 사용하지 않는 경우, 애노드 정련 공정은 적절한 용융 또는 가열 단계 동안 노에 필요한 에너지를 제공하기 위하여 공급물 포트 (28)로부터 떨어져 각 구리 애노드 노 (22)(24)의 일 단부 (20)에 배치되는 통상적인 JL 산소-연료 버너를 사용할 수 있다. 또한, 응집성 제트 랜스 조립체를 사용하지 않는 경우, 산화 및 환원 공정 단계는 구리 용융물에 해당 기체를 도입하기 위한 매몰식 바람구멍 (26)을 사용하여 애노드 노 내 구리에 적용된다.
도 2A는 수냉식 하우징 내에 배치되는 선행 기술 응집성 제트 랜스 조립체의 등측도를 나타낸다. 선행 기술의 응집성 제트 랜스 조립체는 약 16 인치의 최대 길이 또는 직경을 갖는 커다란 풋프린트(footprint)를 갖는다. 선행 기술 응집성 제트 분사기는 바람직하게는 수냉식 하우징 내에 배치된다. 수냉식 하우징이 구비된 전체 응집성 제트 시스템은 통상적으로 거의 400 파운드 중량이다.
반면, 본 발명 구리 애노드 정련 시스템 및 방법에 사용되는 더 작고 더 경량인 응집성 제트 랜스 조립체 (50)를 도 2B 및 2C에 나타내었다. 더 작고 더 경량인 응집성 제트 랜스 조립체 (50)(150) 역시 수냉식 하우징 내에 배치되며, 여전히 길이 약 37 내지 48 인치의 풋프린트를 가지지만, 약 7인치에 불과한 최대 직경을 갖는다. 더 얇은 응집성 제트 분사기는 약 3.5 인치에 불과한 직경을 가지며, 전체 응집성 제트 시스템은 도 2A에 나타낸 선행 기술 장치의 대략 절반 가량인 중량을 갖는다. 이와 같이 더 작고 더 얇은 응집성 제트 랜스 조립체 (50)(150)는 랜스 조립체의 더 용이하고 더 안전한 삽입 및 제거는 물론, 포트의 플러깅(plugging)를 위한 노 용기 상부 부분에서의 더 작은 접근 포트를 가능케 한다.
본 발명 응집성 제트 랜스 조립체의 더 가벼운 중량은 상기한 탑재 위치와 함께 애노드 노 내에의 응집성 제트 랜스 조립체의 현저하게 더 용이한 제거 및 설치를 제공한다. 더 작은 직경의 포트는 일반적으로 개방하기가 더 용이하며, 플러깅하기가 더 용이하고, 이는 노와 관련된 안전 위험성을 최소화한다.
노에서의 응집성 제트 랜스 조립체의 사용을 고려하는 경우라면, 항상 노 구조의 완전성, 특히 내부 노 표면에서의 내화 특성의 완전성이 고려될 필요가 있다. 더 작은 랜스 포트와 함께 더 작은 응집성 제트 랜스 및 조립체를 사용함으로써, 응집성 제트 기술과 관련된 구조 및 내화 문제가 선행 기술 랜스 조립체에 비해 최소화된다.
상기 응집성 제트 랜스 조립체는 기체 제어 스키드 또는 시스템 (미도시)을 통하여 연료, 산소-함유 기체, 환원 기체 및 임의로 불활성 기체의 공급원과 연결된다. 기체 제어 스키드 또는 시스템은 구리 스크랩 용융은 물론, 구리 용용물의 산화 및 환원을 포함한 상이한 정련 단계들을 수행할 목적에 맞게, 노에 분사되는 상이한 기체 스트림들을 선택적으로 생성시키도록 응집성 제트 랜스 조립체로의 기체의 흐름을 작동 제어한다.
응집성 제트 랜스는 적어도 하나의 주 기체 스트림이 수렴-발산 노즐로부터 분출되고, 랜스 조립체의 말단 또는 랜스 전면으로부터 주 기체 스트림 길이의 일부 이상에 걸쳐, 바람직하게는 실질적으로 주 기체 스트림의 전체 길이에 걸쳐 연장되는, 다시 말하자면 랜스 전면으로부터 구리 용융물의 표면까지 연장되는 화염 외피에 의해 둘러싸이는, 고속의 구조화된 응집성 기체 스트림을 생성시키도록 개조된다. 상기 화염 외피는 주 기체 스트림에의 주변 (노) 기체의 비말동반을 방지함으로써, 주 기체 스트림의 속도 감쇠를 억제하고, 주 기체 스트림이 제트 축속도를 실질적으로 유지하면서 약 20 노즐 직경 이상의 거리에서 구리 용융물의 표면에 충돌하도록 해주는 기능을 한다. 기체 스트림 축속도의 보존은 기체 스트림이 노즐 유출구 영역에서의 것과 실질적으로 동일한 단면적으로 해당 거리 내내 그의 운동량 전체를 실질적으로 유지하는 것을 가능케 하여, 주 기체 스트림과 구리 용융물 사이의 접촉, 및 그에 따른 응집성 기체 스트림과 구리 용융물 내에 존재하는 황 및 산소 불순물 사이의 반응을 향상시킴으로써, 주기 시간을 감소시키고, 구리 정련 공정의 효율을 증가시킨다.
상기 응집성 제트 랜스 조립체는 화염 외피를 사용하지 않는 노에서 사용되는 통상적인 비-응집성 상취 기체 분사 장치와 크게 다르다. 그와 같은 통상적인 상취 기체 분사 장치의 경우, 비-화염 외피화 기체 스트림이 노 대기를 통과하기 때문에, 노 기체가 기체 스트림에 비말동반됨으로써, 그것이 방사상 방향에 고유의 원뿔 양식으로 빠르게 팽창되도록 하며, 그의 축속도 및 운동량의 빠른 손실을 동반한다.
실제로, 통상적인 상취 랜스 또는 장치의 경우, 이와 같은 축속도의 손실은 너무 실질적이어서, 초음속 기체의 스트림이 랜스 전면으로부터 짧은 거리 이내에 그의 초음속 특성을 상실하게 된다. 반면, 응집성 제트 기술을 사용하면, 응집성 기체 스트림이 20 노즐 직경 초과, 통상적으로는 30 내지 150 노즐 직경의 거리에 걸쳐 그의 촉속도를 실질적으로 유지하게 된다. 그와 같은 더 큰 길이는 공정 효율의 손실 없이도, 응집성 제트 랜스 조립체가, 예를 들면 노 내화 벽체와의 동일면과 같이, 구리 용융물로부터 더 멀리 탑재되는 것을 가능케 한다. 또한, 응집성 기체 스트림의 실질적으로 더 높은 속도는 통상적인 상취 비-화염 외피화 (즉, 비-응집성) 기체 스트림을 사용하여 수득되는 것에 비해 구리 용융물에의 기체의 더 깊은 침투를 가능케 한다. 실제로 많은 경우에, 응집성 기체 스트림은 부력이 분사된 기체가 다시 떠오르도록 할 때까지 구리 용융물에 깊이 침투하므로, 용융물 내에서의 기체 작용은 표면하 분사된 기체의 작용과 유사하며, 그에 따라 매몰식 바람구멍에 대한 필요성이 제거되는 것으로 여겨진다.
이제 도 3 및 4를 참조하면, 그 중심부에 배치되며 연료 포트 (56) 및 산화제 포트 (58)의 동심원 고리로 둘러싸인 주 노즐 (54)을 갖는 랜스 전면 (52)을 포함하는 바람직한 응집성 제트 랜스 분사기가 도시되어 있다. 도 3 및 4에는 나타내지는 않았지만, 응집성 제트 랜스 분사기는 물 자켓으로부터 급수까지의 가요성 호스를 사용하여 수냉되는 수냉식 자켓 하우징에 포함되어 있다. 냉각수 자켓은 통상적으로 상당 흐름의 냉각수를 수용하는데, 그 일부는 냉각수 자켓 헤더(header)로부터 응집성 제트 랜스 조립체로 분지된다.
바람직한 실시양태에서, 연료는 바람직하게는 도관 (65)을 통하여 연료 포트 (56)에 연결되는 천연 가스 (64)이다. 마찬가지로, 산화제는 도관 (63)을 통하여 산화제 포트 (58)에 연결되는 산업용 순수 산소 (62)와 같은 산소-함유 기체이다. 바람직하게는, 각 연료 포트 (56) 및 산화제 포트 (58)는 소정의 포트 막힘을 최소화하기 위하여 수냉식 하우징 내의 환상 오목부에 배치된다. 주 기체 노즐 (54)은 응집성 제트 랜스 조립체 (50)를 사용하여 전달될 것으로 예상되는 기체 및 기체 흐름의 관점에서 적절한 크기를 갖는 고속 수렴-발산 노즐이다. 노즐 (54)은 바람직하게는 그의 상류 단부에서 제1 통로 (61)를 통하여 1개 이상의 기체 (60) 공급원에 연결된다. 도 3 및 4는 간단하고 바람직한 분사기 설계를 도시하고 있지만, 필요에 따라서는 대안적인 분사기 배열 및 노즐 배열구조가 사용될 수 있다. 예를 들면, 단일의 중심 노즐 대신, 이중 주 기체 노즐이 사용될 수도 있다.
이제 도 5 및 6을 참조하면, 그 중심부의 방사상 중앙점 주변에 배치되며 기체 포트 (155)의 단일 동심원 고리로 둘러싸인 주 노즐 (154)을 갖는 랜스 전면 (152)을 포함하는 응집성 제트 랜스 분사기의 대안적인 바람직한 실시양태가 도시되어 있다. 도 5 및 6에 나타내지는 않았지만, 상기 응집성 제트 랜스 분사기 역시 수냉식 자켓 하우징에 포함되어 있으며, 또한 용융물의 온도를 검출하기 위한 고온계 조립체가 통합될 수 있다.
이와 같은 대안적인 바람직한 실시양태에서, 연료는 바람직하게는 도관 (165)을 통하여 기체 포트 (155) 중 일부에 연결되는 천연 가스 (164)이다. 마찬가지로, 산화제는 도관 (163)을 통하여 다른 기체 포트 (155)에 연결되는 산업용 순수 산소 (162)와 같은 산소-함유 기체이다. 바람직하게는, 기체 포트 (155)의 동심원 고리는 연료에 연결되는 기체 포트 (155)가 산소에 연결되는 기체 포트 (155)에 인접하여 배치되고, 그 역도 성립하는 교호 순서로 배열된다. 모든 기체 포트 (155)는 바람직하게는 용융물 튐의 결과로서의 소정의 포트 막힘을 최소화하기 위하여 수냉식 하우징 내의 환상 오목부에 배치된다. 주 기체 노즐 (154)은 응집성 제트 랜스 분사기를 사용하여 전달될 것으로 예상되는 기체 및 기체 흐름의 관점에서 적절한 크기를 갖는 고속 수렴-발산 노즐이다. 주 기체 노즐 (154)은 바람직하게는, 통로 (161)를 통하여, 바람직하게는 연결장치 (172)를 통하는 주 산소 (160) 공급원, 그리고 연결장치 (171)를 통하는 질소 (170)와 같은 불활성 기체 공급원을 포함한 1개 이상의 기체 공급원에 연결된다.
본 발명의 응집성 제트 랜스 조립체는 통상적인 용융 화염 (약풍) 및 화염 외피에 의해 둘러싸인 응집성 기체 스트림 (강풍) 모두를 생성시킬 수 있다. 본원에서 사용될 때, "용융 화염"은 넓은 표면 적용범위(surface coverage)를 갖는 약풍형의 비-랜싱(non-lancing) 화염 (산소-연료 버너 업계에서는 "부쉬 화염(bushy flame)"으로 지칭됨)을 지칭한다. 그와 같은 화염은 방사상 방향으로 퍼지며, 노즐 또는 랜스 전면의 말단으로부터 약 20 노즐 직경 거리 이내에 그의 초음속 특성을 상실하는 화염이 생성되도록 연료 및 산화제의 흐름을 조정하는 것에 의해 생성된다. 명칭이 암시하는 바와 같이, 그와 같은 화염은 바람직하게는 고체 구리 및 다른 충전 재료 예컨대 구리 스크랩의 용융에 사용되는데, 그것이 충전 재료의 용융을 위하여 커다란 표면적에 걸쳐 대량의 열을 제공하기 때문이다. 본 발명 실시양태에서, 그와 같은 용융시 사용되는 기체 스트림에는 NOx의 형성을 최소화하기 위하여 실질적으로 질소가 없다. 용융 화염은 또한 소정 '보류/유휴(Hold/Idle)' 및 '버너' 작동 모드 동안 소정 범위 이내로 구리 용융물의 온도를 유지하는 데에도 사용될 수 있다.
바람직하게는, 용융 화염의 생성시 주 기체 노즐로의 기체의 흐름은 고흐름의 초음속 조건으로부터 적어도 노즐의 막힘을 방지하기에는 충분한 감소된 흐름 (본원에서는 "퍼지 흐름"으로 지칭됨)으로 감쇠되지만, 원할 경우에는 혼성의 용융/랜싱 화염을 생성시키기 위하여, 화염 외피는 없이 노즐을 통한 고속의 기체 흐름이 계속될 수도 있다. 본 발명의 시스템 및 방법은 부쉬 및 혼성 화염 중 어느 것의 사용을 기도하며, 이들은 "용융 화염"이라는 일반적인 용어로 포괄된다.
본 발명의 시스템 및 방법에 사용하기에 적합한 연료에는 대부분의 탄화수소 연료, 예컨대 천연 가스, 수소 기체, 및 액체 연료가 포함되나, 가장 바람직한 것은 천연 가스이다. 유용한 산화제에는 산소-함유 기체, 바람직하게는 산업용 등급의 고-순도 산소 기체가 포함된다. 바람직하게는, 응집성 제트 랜스 조립체가 '버너 모드' (예컨대 용융 화염 모드)로 작동되는 경우, 천연 가스 및 산소-함유 기체의 흐름은 천연 가스 및 산소-함유 기체의 전체적인 흐름이 각각 주 노즐 및 부차적인 포트들 사이에 균일하게 분배되도록 조정된다.
다수의 상이한 작동 모드 (예컨대 보류/유휴 모드, 버너 모드, 또는 정련 모드)로, 그리고 사용자의 요구 및 노 작동 조건에 응답하여 응집성 제트 랜스에 대한 기체의 공급을 정밀하게 제어하기 위하여, 마이크로프로세서 기반의 PLC 제어기가 응집성 제트 장치에 작동 연결된다. 실제 기체 흐름은 통상적으로 작동 모드 및 수행되는 구체적인 정련 공정 단계 (예컨대 냉 블리스터 가열(cold blister heating) 또는 스크랩 용융, 산화, 환원, 슬래그 스키밍 등)에 의해 좌우된다. 본 발명의 응집성 제트 시스템에 의해 사용되는 작동 모드 및 상세한 공정 단계의 선택은 바람직하게는 애노드 노 작업자에 의해 제어 룸 또는 제어 스테이션에서 터치 스크린 인간 기계 인터페이스를 통하여 이루어진다.
본 발명 구리 애노드 정련 시스템 및 방법의 주요 공정 목표는 용광로 NOx 한계 아래로 유지하고 전체적인 산화 및 환원 주기 시간을 감소시키면서도, 확대되거나 증가된 구리 스크랩 용융을 위하여 애노드 노에 에너지를 제공하는 것이다. 다른 말로 하면, 본 시스템 및 방법의 목적은 작동 비용, 에너지 효율, 주기-시간 및 최저로 달성가능한 NOx 형성 사이의 최상의 균형을 달성하는 것이다. 통상적인 구리 노 작동은 (i) 충전; (ii) 용융; (iii) 산화; (iv) 환원; (v) 슬래그 스키밍; 및 (vi) 캐스팅의 단계를 포함한다. 본 발명의 응집성 제트 공정을 사용하는 상기에 나타낸 정련 공정 단계들을 위한 상세한 공정 단계는 하기에서 더욱 상세하게 논의한다.
충전 & NO x 제어
상기 논의된 바와 같이, 본 발명의 시스템 및 방법은 용융 블리스터 구리 및 충전물 스크랩을 순차적으로 수용하고, 구리 충전물을 용융시키고, 용융물을 탈황화하고, 임의로 용융물을 슬래그 스키밍하고, 용융물을 탈산소화하고, 임의로 캐스팅 공정을 돕기 위하여 용융물에 열을 제공하는 데에 응집성 제트 랜스 조립체가 사용되는, 개선된 저 NOx의 구리 애노드정련 방법을 제공한다. 이와 같은 방법의 제1 단계에서는, 구리의 용융물이 노에 제공된다. 일반적으로, 해당 구리 용융물은 이전의 정련 작업으로부터 잔존하는 용융 구리의 자투리(heel)의 형태를 취하게 되는데, 이것은 버너 또는 다르게는 응집성 제트 랜스 조립체로부터 제공되는 열을 통하여 용융된 형태로 유지된다. 이와 같은 자투리에 더하여, 약 7 내지 10시간의 충진 시간에 걸쳐 노에 고체 구리가 충전된다. 원할 경우, 전체 충전물에 대하여 중량 기준 적은 비율을 차지하는 양으로 냉 구리 스크랩이 노에 충전될 수도 있다. 상기 고체 스크랩은 1개 이상, 바람직하게는 수개의 단계로 노에 충전될 수 있다.
필연적으로 노 도어를 개방한 상태에서 노를 충전하는 동안, 내용물이 주변 대기에 노출됨으로써, 다량의 NOx의 형성으로 이어진다. 실제로, 충전 단계 동안의 NOx 생성은 전체 애노드 정련 공정 동안 NOx 형성의 가장 큰 단일 공급원인 것으로 밝혀진 바 있다. '보류/유휴 모드'로 작동되는 본 발명의 랜스 조립체를 사용할 경우, 충전 단계 동안의 NOx의 형성을 억제함으로써, 전체 공정 NOx 형성량의 상당한 감소를 달성할 수 있다.
뜻밖에도, 응집성 제트 랜스 조립체를 통하여 노 헤드공간에 질소 기체를 분사하는 것에 의해 NOx의 형성이 상당히 그리고 예상외로 감소될 수 있다는 것이 발견되었다. 한 실시양태에서는, 질소 기체, 산소 기체 및 천연 가스 스트림이 노즐을 통하여 노의 헤드공간으로 분출된다. 어떠한 특정 작동 이론 또는 양식에 의해서도 얽매이고자 하는 것은 아니지만, 이와 같은 질소 기체 스트림이 헤드공간에 존재하며 NOx 형성을 촉진하는 고온 구역을 급랭시킴으로써, 감소된 수준의 NOx 형성으로 이어지는 것으로 여겨진다. 어떤 의미에서, 이와 같은 결과는 반직관적인 것으로서, 헤드공간으로 질소 기체를 분출하여 고온에 노출시키는 것은 오히려 NOx 형성량을 증가시킬 것으로 예상될 것이기 때문이다.
충전 및 NOx 억제 단계 동안, 기체 흐름은 적어도 폐색 물질을 랜스로 통과시켜 퍼징하고, 용융 구리의 튐으로 인한 랜스의 막힘을 방지하기에는 충분한 낮은 흐름의 조건으로 유지된다. 어떠한 NOx 억제 단계 동안에도, 약간 더 큰 흐름의 NOx 억제를 위한 질소 기체 스트림을 제공하는 데에는, 바람직하게는 주 노즐이 사용된다. 질소 기체의 흐름은 통상적으로 약 10,000 scfh 미만이며, 바람직하게는 약 9,000 scfh가 주 노즐로부터 분출되는 반면, 산화제 및 연료의 흐름은 산화 및 환원 단계 동안 사용되는 것에 비해 더 작은 유량으로 부차적인 포트로부터 분출된다. 이와 같은 작동 모드는 '보류/유휴 모드'로 지칭된다.
NOx 억제 단계가 구리 재료를 사용한 노의 충전과 관련하여 기술되기는 하였지만, NOx 억제를 위한 질소 또는 기타 급랭 기체 스트림의 사용이 정련 공정 동안 높은 NOx 수준에 직면하게 되는 모든 다른 정련 공정 단계 동안에도 동일하게 적용가능하다는 것이 발견되었다. 예를 들면, 본원에서 기술되는 NOx 억제 기술은 주기적으로 또는 일시적으로 응집성 제트 랜스를 다른 작업 모드에서 상기한 '보류/유휴 모드'로 전환시킨 다음, 노 NOx 수준이 감소될 때까지 감소된 유량으로 질소 또는 기타 급랭 기체 스트림을 노 헤드공간으로 분사하는 것에 의해, 정련 절차가 다른 정련 작업 단계 동안 원치 않는 양의 NOx를 생성시키는 경우에는 언제나 사용될 수도 있다. 그와 같은 NOx 제어 전략은 바람직하게는 마이크로프로세서 기반의 PLC 제어기에 자동 피쳐 프로그래밍된다.
용융
충전 후에는, 바람직하게는 응집성 제트 랜스 조립체에 의해 생성되는 열을 통하여 약 1200℃ 내지 1250℃의 용융 온도를 생성시키고 유지하는 데에 충분한 온도 및 시간 길이로 충전물의 용융이 수행된다. 이와 같은 목적을 위한 응집성 제트 랜스 조립체로의 기체 흐름은 산소-함유 기체 및 연료로서, 여기에는 바람직하게는 실질적으로 질소가 없을 수 있다. 기체 흐름은 응집성 제트 랜스 조립체로부터 노 헤드공간으로 분출되며, 임의로는 구리 충전물과 접촉되는 용융 화염을 제공하도록, 공지의 방식으로 조정된다.
용융 화염은 고체 충전물의 빠른 용융을 제공함으로써, 용융된 구리 용융물을 형성시킨다. 통상적으로, 충전물은 충전물 용융에 요구되는 기간의 일부 이상 동안, 바람직하게는 충전물을 용융시키는 데에 요구되는 전체 기간 동안 용융 화염과 접촉하게 된다. 이와 같은 공정 단계 동안, 본 발명의 응집성 제트 시스템 및 방법은 '연소 모드'로 지칭되는 것으로 작동된다. 이와 같은 '연소 모드'는 랜스 조립체로부터의 더 낮은 기체 스트림 유속을 특징으로 하며, 통상적으로 용융 공정 및 캐스팅 공정 동안 작동된다.
충전물을 용융시킨 후, 본 발명의 응집성 제트 시스템 및 방법은 일반적으로 '정련 모드'로 지칭되는 것으로 작동된다. '정련 모드'는 랜스 조립체로부터의 고속이며 차폐된 기체 흐름을 특징으로 한다. 정련 모드는 거의 산화 공정, 환원 공정은 물론, 슬래그 스키밍 공정에서 선택된다. 주 노즐 기체 흐름의 기체 조성은 수행되는 활성의 공정 단계 (예컨대 산화, 슬래그 스키밍, 또는 환원)에 따라 달라진다.
산화
충전물의 용융 후에는, 생성되는 구리 용융물이 이어서 응집성 산소-함유 기체 스트림에 의해 상취됨으로써, 용융물이 탈황화되고, 거기에 존재하는 황이 SO2로 산화된다. 응집성 산소-함유 기체 스트림은 미량의 다른 기체만을 갖는 100 부피% 이하의 산소를 포함할 수 있다. 실제로, 노즐로부터 분출되는 응집성 산소-함유 기체 스트림은 21 부피% 이상의 산소, 보다 바람직하게는 36 부피% 이상의 산소를 함유하는 산소와 질소의 혼합물을 포함할 수 있다. 응집성 산소-함유 기체 스트림은 통상적으로 마하 약 1.0 내지 2.5, 바람직하게는 마하 약 1.5 내지 2.25, 보다 바람직하게는 마하 약 1.8 내지 2.0의 축속도 (즉, 흐름 방향 속도)를 가지며, 주 산소 기체 스트림 길이의 일부 이상에 걸쳐, 바람직하게는 주 산소 기체 스트림의 전체 길이에 걸쳐 주 산소 스트림 주변에 화염 외피가 생성되도록, 부차적인 산화제 포트로부터의 산소, 부차적인 연료 포트로부터의 연료 (예컨대 천연 가스), 및 주 노즐로부터의 산소의 흐름을 공지의 방식으로 조정함으로써 생성된다.
산화 단계 동안의 통상적인 흐름 조건에는 약 5,000 scfh 내지 7,000 scfh의 연료 흐름, 약 4,000 scfh 내지 5,000 scfh의 부차적인 산소 흐름, 및 총 흐름 약 45,000 scfh 내지 60,000 scfh의 주 산소-함유 기체 흐름이 포함된다. 응집성 산소-함유 기체 스트림을 사용한 구리 용융물의 상취는 약 1200℃ 내지 약 1250℃의 용융 온도에서 수행되며, 용융물에 존재하는 황의 양이 예를 들면 약 800-3,000 ppm (중량 기준)으로부터 황 약 40 내지 약 100 ppm으로 감소되기에 충분한 시간 길이 동안 계속된다.
탈황화 단계는 상기한 바와 같은 단일 단계 절차로 수행될 수 있거나, 또는 임의로는 제1 단계에서 구리 용융물이 더 높은 산소 농도를 갖는 응집성 산소-함유 기체 스트림에 의해 상취되고, 제2 및 이후의 단계에서 더 낮은 산소 농도를 갖는 응집성 산소-함유 기체 스트림에 의해 구리 용융물이 상취되는 다-단계 절차로 수행될 수 있다. 이와 같은 다-단계 작동은 구리 용융물의 과산화를 회피한다는 장점을 가질 수 있다. 기도되는 다-단계 절차에서, 구리 용융물은 먼저 약 30 내지 60 부피%의 산소 농도를 가지며 나머지는 불활성 기체, 바람직하게는 질소를 포함하는 응집성 산소-함유 기체 스트림에 의해 상취된다. 이후, 산소-함유 기체 중에 존재하는 산소의 양이 약 21 부피% 내지 약 36 부피% (나머지는 불활성 기체, 바람직하게는 질소를 포함함)로 감소된 후, 황 농도가 예를 들면 황 약 40 ppm 내지 약 100 ppm과 같은 원하는 농도로 감소될 때까지 더 낮은 농도의 응집성 산소-함유 기체 스트림에 의해 구리 용융물이 상취된다. 물론, 원할 경우, 용융물의 과산화 가능성을 감축하기 위하여, 이후의 단계에서 더 높은 산소 농도의 응집성 기체 스트림을 사용한 상취를 더 적게 사용하고, 더 낮은 산소 농도의 응집성 기체 스트림을 사용한 상취를 더 많이 사용할 수는 있지만, 정련 공정의 탈황화 단계를 완료하는데에 요구되는 시간의 양이 그에 따라 증가될 수 있다.
다-단계 산화 절차를 위한 흐름 조건은 일반적으로 1단계 절차를 위한 것에 상응하는데, 예를 들면 약 5,000 scfh 내지 7,000 scfh의 연료 흐름, 약 4,000 scfh 내지 5,000 scfh의 부차적인 산소 흐름, 및 총 흐름 약 45,000 scfh 내지 60,000 scfh의 노즐로부터의 주 산소-함유 기체 스트림이 포함된다.
슬래그 스키밍
응집성 산소-함유 기체에 의한 구리 용융물의 산화에 이어서, 용융물은 임의의 슬래스 스키밍 단계에 적용될 수 있다. 본 발명의 개시 시스템 및 방법의 실시에 있어서 필수적인 것은 아니지만, 구리 애노드 노의 연속식 또는 반-연속식 작동 동안 노의 슬래그 축적을 방지하기 위하여, 슬래그 스키밍이 주기적으로 필요할 수 있다. 본 단계에서는, 노가 그의 길이방향 축 주변으로 회전함으로써, 노의 마우스를 통하여 슬래그가 제거될 수 있다. 슬래그에 원동력을 제공하기 위하여, 응집성 제트 랜스 조립체는 구리 용융물에 상취함으로써, 그 표면상에 슬래그를 부상시키고, 노 마우스 방향으로 슬래그를 인도하도록 사용될 수 있다. 이와 같은 목적으로는 어떠한 적합한 주 기체 스트림도 사용될 수 있지만, 불활성 기체, 예컨대 질소, 또는 산소/질소 기체 혼합물을 상취 기체 스트림으로 사용하는 것이 바람직하다. 전기와 같이, 상취 기체 스트림은 노즐로부터 주 기체 스트림의 초음속 흐름을 분출하고, 포트를 통한 산소 및 연료의 연소에 의해 형성되는 화염 외피로 그것을 둘러싸는 것에 의해 형성된다.
환원
산화 및 임의의 슬래그 스키밍 후, 구리 용융물은 통상적으로 약 3,000 내지 7,000 중량ppm의 산소, 예를 들면 4,000 ppm 가량의 산소를 함유하게 된다. 반면, 충전시의 블리스터 구리의 산소 수준은 통상적으로 약 2,000 ppm의 산소를 포함할 것이다. 따라서, 구리 용융물 내 산소 농도는 산화 단계에 의해 최초 값에 비해 상당히 증가되어 있다. 용융물 내에 존재하는 산소를 허용가능한 수준으로 감소시키기 위하여, 용융물은 이어서 수소, 천연 가스, 탄화수소, 일산화 탄소 및 암모니아와 같은 환원 기체를 사용하는 응집성 제트 랜스 조립체에 의해 상취됨으로써, 구리 용융물이 탈산소화되고, 구리 용융물 내에 존재하는 산소의 양이 원하는 값으로 감소된다. 바람직하게는, 구리 용융물 내 산소 농도는 탈황 후의 약 4,000 중량ppp으로부터 산소 약 1,500 내지 약 1,900 ppm, 바람직하게는 산소 1,500 ppm 가량으로 감소된다. 환원 단계 동안의 통상적인 용융물 (반응) 온도는 약 1170℃ 내지 약 1180℃의 범위가 된다. 산화 공정에서와 같이, 환원 공정은 상이한 기체 농도를 갖는 응집성 환원 기체 흐름을 사용하는 1개 이상의 단계 또는 하위-공정들로 수행될 수 있다.
응집성 환원 기체 스트림은 노즐로부터 주 환원 기체 스트림의 초음속 흐름을 분출하고, 랜스 전면의 부차적인 포트를 통한 부차적인 산소와 연료의 연소에 의해 형성되는 화염 외피로 그것을 둘러싸는 것에 의해 형성된다. 응집성 환원 기체 스트림은 100 % 이하의 환원제 (예컨대 천연 가스)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 응집성 기체 스트림은 약 5 부피%의 환원제 내지 약 25 부피%의 환원제, 보다 바람직하게는 약 10 부피 %의 환원제 내지 약 20 부피%의 환원제를 함유하며, 나머지는 질소와 같은 불활성 기체를 포함하는 환원제와 불활성 기체 예컨대 아르곤, 스팀, 질소, 헬륨 및 CO2 (이중 질소가 가장 바람직함)의 혼합물을 포함한다. 이와 같은 환원제/불활성 기체 혼합물은 바람직하게는 주 노즐로부터 천연 가스와 질소의 혼합물이 분출되도록 기체 제어 스키드 또는 시스템에 의해 응집성 제트 랜스 조립체로의 천연 가스 및 질소의 흐름을 조정하는 것에 의해 형성된다.
환원시 응집성 환원 기체 스트림에 있어서의 혼합 환원제/불활성 기체 스트림의 사용은 소정의 작동상의 장점을 발생시킨다는 것이 발견되었다. 특히, 그의 낮은 분자량 (즉 질량)으로 인하여, 유일하게 또는 주로 환원제로 구성되는 기체 스트림은 제한된 길이 및 제트력만을 갖는 응집성 기체 스트림을 형성한다는 것이 발견되었다. 실제로, 그의 낮은 질량으로 인하여, 환원제만을 갖는 응집성 기체 스트림은 구리 용융물을 관통하고, 구리 용융물과의 환원제의 적당한 기체/액체 혼합을 촉진하기에 충분한 제트력을 가지지 못할 수 있다. 이와 같은 문제를 극복하기 위하여, 용융물에의 환원제의 도입을 위한 통상적인 수단은 종종 다공성 플러그 및 매몰식 바람구멍을 사용하여 상취 환원제를 보충하거나, 또는 매몰식 바람구멍만을 사용하여 환원제를 도입하는 것에 의해서만 달성되었었다.
유리하게도, 불활성 기체 스트림은 그의 고도의 질량으로 인하여, 유용한 길이 및 제트력을 갖는 뛰어난 응집성 기체 스트림을 형성한다. 혼합 환원제/불활성 기체 스트림을 사용함으로써, 상취 환원제의 단독 사용과 관련된 작동상의 문제는 극복될 수 있다. 환원제 (예컨대 천연 가스)를 질소 기체 또는 다른 불활성 기체의 흐름과 혼합함으로써, 질소 기체 또는 다른 불활성 기체는 효율적인 기체/액체 혼합을 가능케 하기에 충분한 고도의 제트력으로 환원제를 구리 용융물에 전달하기 위한 운반체 기체 또는 추진제로서 작용하고, 다공성 플러그 또는 매몰식 바람구멍을 사용하여 환원제의 분사를 보충할 필요성을 제거한다.
캐스팅
환원 단계의 완료시, 생성되는 애노드 구리는 통상적으로 약 15 ppm 이하의 황, 1,900 ppm 이하의 산소를 함유하고, 약 1200℃ 범위의 용융 온도를 갖게 된다. 이와 같은 시점에, 애노드 구리는 이후의 전해 정련을 위한 애노드로의 캐스팅 준비가 된다. 바람직한 실시양태에서, 캐스팅 작업 동안 용융 온도를 유지하는 열을 제공하기 위하여, 구리 용융물은 구리 충전물 용융 단계와 관련하여 상기한 바와 같은 양식으로 응집성 제트 랜스로부터의 용융 화염을 사용하여 상취될 수 있는데, 주 산소-함유 기체, 부차적인 산소 및 연료의 흐름은 예컨대 약 3 내지 약 5 부피% 정도로 약간 화학량론적 과량인 연료를 제공하도록 조정된다. 그와 같은 연료 풍부 용융 화염을 사용함으로써, 용융물의 재산화가 최소화된다. 이와 같은 캐스팅 단계 동안, 본 발명의 응집성 제트 시스템 및 방법은 가동될 경우 '연소 모드'로 작동된다.
[ 실시예 ]
표 1은 상업적인 규모의 작동을 위한 본 발명 구리 애노드 정련 시스템 및 방법에 사용 기도되는 기체 흐름 범위를 나타낸다.
<표 1>
Figure pct00001
상업용 규모의 구리 애노드 노인 케네코트 유타 커퍼의 애노드 노에서 본 개시 구리 애노드 정련 시스템 및 방법을 평가하였다. 산소-연료 단부-버너 (즉, JL 버너) 및 매몰식 바람구멍을 이용하는 통상적인 구리 애노드 정련 공정을 사용하는 애노드 노의 성능에 대비한 응집성 제트 기술을 이용하는 본 발명 구리 애노드 정련 시스템 및 방법을 사용하는 애노드 노의 성능을 나타내는 비교 결과를 표 2에 제시한다.
<표 2>
Figure pct00002
예상대로, 응집성 제트 기술을 이용하는 본 발명의 구리 애노드 정련 시스템 및 방법을 사용할 경우, 전체적인 연료 소비량 및 산소 소비량이 증가하였다. 구체적으로, 연료 소비량은 천연 가스 7930 NCFH의 기준량으로부터 천연 가스 8480 NCFH로 상승함으로써, 약 7 % 증가하였다. 산소 소비량은 12290 NCFH로부터 14140 NCFH로 증가함으로써, 약 15 % 증가하였다. 그러나, 천연 가스 및 산소의 증가 비용은 크게 증가된 구리 생산량에 의해 상쇄되었다. 특히, 구리 스크랩 용융은 통상적인 구리 애노드 정련 방법을 사용할 때의 충전물 당 약 10 톤으로부터 응집성 제트 기술을 이용하는 새로운 구리 애노드 정련 시스템 및 방법을 사용할 때의 충전물 당 34 톤으로 증가함으로써, 약 240 % 증가하였다. 또한, 산화 및 환원 단계와 관련된 주기 시간이 통상적인 공정 하에서의 총 165분으로부터 응집성-제트 기반의 방법을 사용할 때의 120분으로 감소됨으로써, 27 % 감소하였다.
또한, 간헐적인 퍼지를 동반하여 동일한 응집성 제트 랜스 조립체로부터의 산화 및 환원 공정 기체의 순차적인 전달을 이용하는 새로운 구리 애노드 정련 시스템 및 방법을 사용함으로써, 2개 선택 지점에서의 용융 블리스터 구리 중 황 함량이 상응하는 통상적인 공정의 용융 블리스터 구리 중 황 함량에 비해 현저하게 감소되었다. 예상대로, 본 발명의 구리 애노드 정련 시스템 및 방법에서 노에 공급되는 산소의 증가로 인하여, 응집성 제트 기반 공정에서의 산소 함량은 약간 증가하였다. 이와 같은 과량의 산소는 과량의 원치 않는 산소를 제거하는 데에 요구되는 환원 시간이 약간 증가하는 원인이 되기도 하였다.
마찬가지로 중요한 것은 본 발명의 응집성 제트 기반 시스템 및 방법이 상업적인 규모의 구리 애노드 노에서 실증되었을 때, NOx 농도를 전체 공정 동안 소정 농도 미만으로 효과적으로 제어하였다는 것이다.
전기로부터, 개시된 실시양태 및 실시예가 다양한 구리 애노드 정련 방법 및 시스템들을 제공한다는 것을 알아야 한다. 본 발명이 소정의 바람직한 실시양태들을 참조하여 상세하게 기술되기는 하였지만, 당업자에게 이루어질 수 있는 바와 같이, 본 발명 청구범위의 취지 및 범주에서 벗어나지 않고도 수많은 다른 변형, 변경, 변종, 추가 및 생략이 이루어질 수 있다.

Claims (13)

  1. (i) 용융 블리스터 구리를 노에 충전하는 단계;
    (ii) 노 내 용융 블리스터 구리에 구리 스크랩을 충전하는 단계;
    (iii) 산소-함유 기체 공급원 및 연료 공급원에 연결되어 있는 상취(top blown) 다기능성 응집성 제트 랜스(coherent jet lance)로부터 생성되는 용융 화염을 사용하여 상기 구리 스크랩을 용융시키거나 또는 용융 블리스터 구리를 가열하는 단계;
    (iv) 산소-함유 기체 공급원 및 연료 공급원에 연결되어 있는 응집성 제트 랜스로부터 분출되는 상취 응집성 산소-함유 기체 스트림을 사용하여 노 내 용융 블리스터 구리 중 황 불순물을 산화시키는 단계; 및
    (v) 산소-함유 기체 공급원, 연료 공급원, 환원제 공급원 및 불활성 기체 공급원에 연결되어 있는 응집성 제트 랜스로부터 분출되며 환원제 및 불활성 기체를 함유하는 상취 응집성 환원 기체 스트림을 사용하여 노 내 용융 블리스터 구리 중 산소를 환원시키는 단계
    를 포함하는 구리의 애노드 정련 방법.
  2. 제1항에 있어서, 구리의 애노드 정련 방법이 연속식 화염 정련 공정이며, 노에 도입되는 구리 스크랩 또는 용융 블리스터 구리의 각 추가 충전물에 대하여 단계 (iii) 내지 (v)를 반복하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  3. 내화 벽체를 가지며, 상부 표면을 갖는 용융 구리의 배스를 포함하도록 개조되고, 구리 배스의 상부 표면 위의 헤드공간을 한정하는 구리 야금 노;
    산소-함유 기체, 불활성 기체, 환원제 및 연료의 공급원에 연결되어 있으며, 구리 배스의 상부 표면 위의 위치에서 상기 노 내화 벽체에 탑재되는 적어도 1개의 다기능성 응집성 제트 랜스; 및
    적어도 1개의 응집성 제트 랜스로의 산소-함유 기체, 불활성 기체, 환원제 및 연료의 흐름을 작동 제어하는 제어기
    를 포함하며;
    적어도 1개의 응집성 제트 랜스로부터 연료 및 산소-함유 기체를 포함하는 용융 화염이 생성되어 노에 제공되는 용융 구리를 가열하거나 또는 임의의 스크랩 구리 충전물을 용융시키기고;
    응집성 제트 랜스로부터 응집성 산소-함유 기체 스트림이 생성되어 구리 배스 내 황을 산화시키고;
    응집성 제트 랜스로부터 환원제 및 불활성 기체를 함유하는 응집성 환원제 기체 스트림이 생성되어 구리 배스 내 산소를 환원시키는 것인
    구리 애노드 정련 시스템.
  4. 용융 블리스터 구리를 애노드 노에 충전하고, 임의로 애노드 노 내 용융 블리스터 구리에 구리 스크랩을 충전하는 단계;
    용융 블리스터 구리의 상부 표면 위의 위치에서 애노드 노의 내화 벽체에 탑재되며 산소-함유 기체 공급원 및 연료 공급원에 연결되어 있는 응집성 제트 랜스로부터 분출되는 상취 응집성 산소-함유 기체 스트림을 사용하여 애노드 노 내 용융 블리스터 구리 중 황 불순물을 산화시키는 단계; 및
    산소-함유 기체 공급원, 연료 공급원, 환원제 공급원 및 불활성 기체 공급원에 연결되어 있는 응집성 제트 랜스로부터 분출되며 환원제 및 불활성 기체를 함유하는 상취 응집성 환원 기체 스트림을 사용하여 애노드 노 내 용융 블리스터 구리 중 산소를 환원시키는 단계
    를 포함하는, 애노드 노에서의 구리의 연속식 정련을 위한 개선된 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 산화 단계 후 및 환원 단계 전; 용융 또는 가열 단계 후 및 산화 단계 전; 충전 단계 동안; 용융 단계 동안; 또는 환원 단계 후에, 다기능성 응집성 제트 랜스를 통하여 1개 이상의 퍼지 흐름을 인도하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제1항 또는 제4항에 있어서, 산화 단계를 2개 이상의 하위-단계로 수행하고, 여기서 제1 단계에서 용융 구리를 산소 30 부피% 이상의 산소 농도를 갖는 제1 응집성 산소-함유 기체 스트림과 접촉시키고, 이어서 용융 구리를 상기 제1 응집성 산소-함유 기체 스트림 보다 더 낮은 산소 농도를 갖는 제2 응집성 산소-함유 기체 스트림과 접촉시키는 방법.
  7. 제1항 또는 제4항에 있어서, 상기 용융 구리를 상기 응집성 제트 랜스에 의해 생성되는 용융 화염과 접촉시킴으로써, 애노드로의 구리의 캐스팅 동안 상기 용융 구리를 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  8. 제1항 또는 제4항에 있어서, 응집성 제트 랜스로부터 분출되는 기체 스트림을 사용하여 용융 구리로부터 슬래그를 스키밍하여 노 마우스 방향으로 슬래그를 인도하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제1항 또는 제4항, 또는 제3항에 있어서, 산소-함유 기체가 산업용 등급의 순수 산소이며, 환원제 및 연료가 천연 가스이고, 불활성 기체가 질소인 방법 또는 시스템.
  10. 제1항 또는 제4항, 또는 제3항에 있어서, 용융 화염이 실질적으로 질소 기체를 함유하지 않는 것인 방법 또는 시스템.
  11. 제1항 또는 제4항, 또는 제3항에 있어서, 노에의 구리 스크랩 또는 용융 구리의 충전 동안 응집성 제트 랜스로부터 상취 질소 기체 스트림이 노 헤드공간으로 도입되어 노에서 NOx가 형성되는 것을 억제하는 방법 또는 시스템.
  12. 제1항 또는 제4항, 또는 제3항에 있어서, 응집성 제트 랜스가 용융, 산화 및 환원 이외의 구리 정련 단계 동안 노로부터 제거될 수 있는 제거가능형 경량 응집성 제트 랜스인 방법 또는 시스템.
  13. 적어도 1개의 상취 랜스 조립체가 장착되어 있으며, 산소-함유 기체 공급원, 연료 공급원 및 질소 기체 공급원에 연결되어 있는 노 내 용융 금속 배스에 스크랩 금속의 충전물을 제공하는 단계;
    연료 및 산소 함유 기체를 이용하는 용융 화염을 사용하여 상기 스크랩 금속 충전물을 용융시키는 단계;
    산소-함유 기체 또는 환원제를 사용하여 용융물 내 불순물을 산화 또는 환원시키는 단계; 및
    스크랩 금속의 충전물을 제공하는 단계 동안 또는 후에, 상취 랜스 조립체를 사용하여 노 헤드공간에 소정 부피의 질소 기체를 간헐적으로 분사하여 정련 공정 동안 NOx의 형성을 억제하는 단계
    를 포함하는, 금속 정련 동안의 NOx 형성의 억제 방법.
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