KR20180087389A - 구리 제련로의 운전 방법 - Google Patents

구리 제련로의 운전 방법 Download PDF

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Abstract

구리 제련로의 운전 방법은, 구리 정광 및 용제를 포함하는 공급 재료와 함께 Fe 금속 공급원을 구리 제련로 내에 공급하는 단계를 포함하고, 구리 정광은 Al을 포함하고, Fe 금속 공급원은 40 질량% 내지 100 질량%의 Fe 금속을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

구리 제련로의 운전 방법
본 발명은 구리 제련로의 운전 방법에 관한 것이다.
최근, 구리 제련시의 피처리재는 구리 정광을 주성분으로 하는 재료로부터 고수익 재료 비율이 증가된 재료로 이행하는 경향이 있다. 그러나, 이러한 이행에 의해 야기되는 운전의 악화(슬래그 손실의 악화)에 대처하는 것은 불가능하였다. 고수익율 재료를 처리하는 경우, 노 내에서 주성분이 마그네타이트(Fe3O4)인 난융성 물질의 생성량이 증가한다. 그러나, 메커니즘은 구체화되어 있지 않다. 상태가 악화된 이후의 노 상태의 악화에 대한 대처만이 가능하다. 재료의 혼합 비율을 변경할 수 없는 상태에서, 어떠한 다른 효과적인 해결 수단도 없다. 운전의 악화는 오랜 시간 동안 강요된다. 따라서 이익이 크게 저하된다.
반응 샤프트에서의 기체 페이즈 및 고체 페이즈 반응의 악화에 의해 발생되는 퍼옥사이드 슬래그(Fe3O4 등)에 기인하는 노의 막힘, 중간층의 증가 등에 대처하는 방법이 종래 기술로서 공지되어 있다(예로서, 특허 문헌 1 참조). 그러나, 이 기술에서는, 현상이 발생한 후에 노 막힘 및 중간층의 증가가 조치된다. 고수익율 재료가 증가되는 운전 상태에서 효과가 작다. 따라서, 이 기술은 이러한 현상에 충분히 대처하지 못한다.
[특허 문헌]
특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제2005-8965호
본 발명자들의 연구에 의하면, 원료 내의 Al(알루미늄) 공급원으로 인해 슬래그 내의 Al2O3 농도가 증가하는 경우, Al2O3 및 Fe3O4를 주성분으로 하는 난융성 물질이 생성되는 경향이 있는 것으로 판명되었다. 그리고, 매트(matte)와 슬래그의 분리가 악화되면 슬래그 손실이 증가하는 것으로 판명되었다. 그러나, 원료에서의 Al의 증가에 대처하기 위한 어떠한 효과적인 수단도 존재하지 않는다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 슬래그 손실을 억제할 수 있는 구리 제련로의 운전 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 구리 제련 방법의 운전 방법은, 구리 정광 및 용제를 포함하는 공급 재료와 함께 Fe 금속 공급원을 구리 제련로에 공급하는 단계를 포함하고, 구리 정광은 Al을 포함하며, Fe 금속 공급원은 40 질량% 내지 100 질량%의 Fe 금속을 포함하는 것을 특징으로 한다. Fe 금속 공급원은 공급 재료 중의 Al2O3 농도가 2.0 질량%를 초과할 때 공급될 수 있다. Fe 금속 공급원은 공급 재료와 혼합될 수 있고, Fe 금속 공급원을 공급 재료와 혼합한 이후, 공급 재료와 Fe 금속 공급원은 정광 버너를 통해 구리 제련으로 내로 공급될 수 있다. Fe 금속 공급원의 Fe 금속의 입자 직경은 1 mm 내지 10 mm일 수 있다.
본 발명에 따르면, 슬래그 손실을 억제할 수 있다.
도 1은 구리 제련 방법의 실시예에서 사용되는 플래시 노(flash furnace)의 개략도를 도시한다.
도 2a 내지 도 2c는 플래시 노를 사용하는 구리 제련의 흐름도를 도시한다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 최상의 형태에 대하여 설명할 것이다.
[실시예] 도 1은 구리 제련 방법의 실시예에서 사용되는 플래시 노(100)의 개략도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 플래시 노(100)는 반응 샤프트(10), 침강기(20) 및 흡수 장치(30)가 이 순서로 배열된 구조를 갖는다. 정광 버너(40)는 반응 샤프트(10)의 상부 부분에 제공된다.
도 2a 및 도 2b는 플래시 노(100)를 사용하는 구리 제련의 흐름도를 도시한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 산소를 포함하는 반응 가스는 구리 제련용 원료, 용제, 재생 원료 등(이하, 이들 고체 물질을 공급 재료라 지칭함)과 함께 정광 버너(40)를 통해 반응 샤프트(10) 내로 공급된다. 구리 제련용 원료는 예컨대 구리 정광 등이다. 따라서, 구리 제련용 원료는 하기 반응식 (1) 등에 기초하여 산화 반응을 일으킨다. 그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 매트(50)와 슬래그(60)는 반응 샤프트(10)의 저부에서 서로 분리된다. 하기 반응식 (1)에서, Cu2S·FeS가 매트의 주성분으로서 작용한다. FeO·SiO2는 슬래그의 주성분으로 작용한다. 규산염 광석이 용제로서 사용된다.
CuFeS2 + SiO2 + O2 → Cu2S·FeS + 2FeO·SiO2 + SO2 + 반응열 (1)
예를 들어, 반응 가스로서 산소 농후 공기를 사용할 수 있다. 산소 농후 공기는 천연 대기의 산소 농도보다 큰 산소 농도를 갖는 공기이다. 예를 들어, 산소 농후 가스는 60 부피 % 내지 90 부피 %의 산소 농도를 갖는다. 따라서, 구리 제련용 원료는 충분한 산화 반응을 일으킬 수 있다.
예를 들면, 구리 제련용 원료는 Cu: 26 질량% 내지 32 질량%, Fe: 25 질량% 내지 29 질량%, S: 29 질량% 내지 35 질량%, SiO2: 5 질량% 내지 10 질량%, 및 Al2O3: 1 질량% 내지 3 질량%를 포함한다. 예를 들면, Al을 다량으로 함유하는 구리 정광은 Cu: 24 질량% 내지 30 질량%, Fe: 23 질량% 내지 28 질량%, S: 29 질량% 내지 35 질량%, SiO2: 7 질량% 내지 12 질량% and Al2O3: 3 질량% 내지 7 질량%를 포함한다.
Al2O3은 FeO와 반응하여 복합 산화물(FeAl2O4)을 형성하고, 마그네타이트(Fe3O4)에 용해된다. 이 경우, Al2O3의 존재로 인해 마그네타이트 스피넬이 형성된다. 그리고, Fe3O4가 안정화된다. 이에 따라, 용탕 중에 고체 Fe3O4의 양이 증가한다. 그리고, 슬래그 손실이 증가하는 경향이 있다. 용탕과 Fe 금속이 공존하고 산소 포텐셜이 감소되면, FeO의 산화가 억제된다. 그리고, 슬래그(60)에서의 Al2O3의 허용 농도가 증가한다. 따라서, 복합 산화물(FeAl2O4) 및 Fe3O4의 형성이 억제된다.
이러한 지식에 기초하여, 슬래그 손실을 줄이기 위해서는, 구리 제련용 원료 내의 Al2O3의 농도가 증가하면, 슬래그(60) 내의 Al2O3의 허용 농도를 증가시킬 필요가 있다. 한편, 매트(50) 및 슬래그(60)의 형성 이후에는 슬래그(60) 내에 Fe 금속이 공급되더라도 복합 산화물(FeAl2O4)의 형성을 억제하는 것이 어렵다. 그리고, Fe 금속의 공급 위치를 조정할 필요가 있다. 따라서, 본 실시예에서는, 도 2c에 도시된 바와 같이, Fe 금속을 포함하는 Fe 금속 공급원이 반응 샤프트(10) 내에 공급되기 전에 공급 재료와 혼합된다.
Fe 금속 공급원은 공급 재료와 함께 정광 버너(40)를 통해 Fe 금속 공급원을 공급함으로써 반응 샤프트(10)에 공급되기 전에 공급 재료와 혼합될 수 있다. 이 경우, 공급 재료의 Al2O3에 적합한 Fe 금속 공급원의 공급량을 미세 조정하는 것이 가능하다. 그리고, 실시간으로 Fe 금속 공급원을 조정할 수 있다. 대안적으로, Fe 금속 공급원은 혼합 프로세스에서 공급 재료와 혼합된 후에 정광 버너(40)를 통해 공급될 수 있다. 이 경우, 혼합 프로세스에서의 취급시에, 공급 재료와 Fe 금속의 혼합 상태가 균등화된다. 그리고, 더 우수한 효과가 달성된다.
40 질량% 내지 100 질량%의 Fe 금속을 함유하는 재료가 Fe 금속 공급원으로서 사용된다. Fe 금속으로는 선철 등이 사용될 수 있다. 선철을 사용하는 경우, Fe 성분의 양이 적은 재생 재료 등을 사용하는 경우와 비교하여, Fe 금속에 의한 높은 환원 효과가 얻어진다. Fe 금속을 50 질량% 내지 60 질량% 함유하는 재료를 사용할 수 있다.
Fe 금속 공급원 내의 Fe 금속의 입자 직경이 지나치게 작으면, Fe 금속은 반응 가스 중의 산소로 인해 반응 샤프트(10)에서 산화 및 연소된다. 이 경우, 환원 효과가 악화될 수 있다. 한편, Fe 금속의 입자 직경이 지나치게 크면, 환원 효과를 얻기 전에, Fe 금속이 노 저부로 침강될 수 있다. 그리고, 노 저부의 환원 전용의 현상이 발생할 수 있다. 따라서, Fe 금속 공급원의 Fe 금속의 입자 직경은 미리 결정된 범위 내에 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, Fe 금속 공급원 내의 Fe 금속의 입자 직경은 1 mm 내지 10 mm인 것이 바람직하다.
서로 다른 입자 직경을 갖는 Fe 금속 그룹이 혼합되어 Fe 금속 공급원으로 사용될 수 있다. 예를 들면, 노 내의 슬래그(60)의 Al2O3의 양이 4.5 질량%를 초과하고, 이 양의 증가를 야기하는 공급 재료가 사용되는 경우, 입자 크기 분포가 5 mm 내지 10 mm인 제1 Fe 금속 그룹 40 질량% 및 입자 크기 분포가 1 mm 내지 5 mm인 제2 Fe 금속 그룹 60 질량%가 서로 혼합될 수 있고, 제1 Fe 금속 그룹 및 제2 Fe 금속 그룹의 공급량은 120 kg/h일 수 있다. 이는 노 내에 존재하는 슬래그(60) 내에 비교적 큰 크기의 Fe 금속을 머무르게함으로써, 생성된 용탕의 산소 포텐셜이 낮은 값으로 유지될 수 있고, Al2O3 양이 큰 슬래그가 감소될 수 있기 때문이다. 노 내의 슬래그(60)의 Al2O3 양이 4 질량% 미만이지만, 생성되는 슬래그의 Al2O3 양은 4.5 질량%를 초과하고, 5 mm 내지 10 mm의 입자 크기 분포를 갖는 제1 Fe 금속 그룹 20 질량% 및 1 mm 내지 5 mm의 입자 크기 분포를 갖는 제2 Fe 금속 그룹 80 질량%가 서로 혼합되며, 제1 Fe 금속 그룹 및 제2 Fe 금속 그룹의 공급량은 60 kg/h일 수 있다. 주된 이유는 생성된 직후 용탕의 산소 포텐셜이 보다 낮은 값으로 유지될 수 있다는 것이다.
입자 직경이 1 mm 내지 10 mm 이외인 다른 Fe 금속 그룹이 혼합될 수 있다. 예를 들어, Fe 금속 공급원에서 입자 직경이 1 mm 내지 10 mm인 제1 Fe 금속 그룹의 양은 80 질량%일 수 있고, Fe 금속 공급원에서 입자 직경이 10 mm 내지 15 mm인 제2 Fe 금속 그룹의 양은 20 질량%일 수 있다. 그리고, 제1 Fe 금속 그룹 및 제2 Fe 금속 그룹 양자 모두가 혼합될 수 있다.
Fe 금속 대신 탄소 분말을 사용한 경우에 대해 설명할 것이다. 탄소 분말이 사용되는 경우, 탄소 분말은 반응 샤프트(10) 내의 구리 정광보다 먼저 연소된다. 열적 보상 재료로서의 탄소 분말의 기여 비율이 증가한다. 따라서, 슬래그 내의 Fe3O4의 형성을 억제하는 효과가 작다. 다량의 탄소 분말을 사용하면 환원 효과가 달성되는 것으로 생각되지만, 과도한 반응 열량이 발생하고 열부하가 증가한다. 과도한 양의 산소가 소비된다. 구리 정광의 처리량이 감소된다. 그리고, 생산이 감소한다. 또한, 사후-프로세스에서 가스 공급량의 제한이 존재한다. 따라서, 구리 정광의 처리량이 감소되고, 생산이 감소하게 된다. 환원 및 연소에 기여하지 않는 코크스의 연소 열은 노의 열부하를 증가시킨다. 이는 노 등을 냉각시키기 위한 수냉 재킷과 같은 용해 손실 문제의 요인을 야기한다.
한편, Fe 금속이 사용되는 경우, Fe 금속은 강하하여 반응 샤프트(10)에서 금방 생성된, 높은 온도를 갖는 매트(50)의 액적 및 슬래그(60) 액적과 접촉한다. Fe 금속은 용탕에 포함된다. 그리고, Al2O3에 의해 야기되는 Fe3O4의 형성을 억제할 수 있다. Fe 금속과 금방 생성된 높은 온도를 갖는 용탕이 공존하고 환원도가 증가하면, 환원의 영향이 Al2O3의 영향보다 커지고, Fe3O4의 형성이 억제되는 것으로 생각된다.
과립형 탄소 또는 블록 탄소를 사용하는 경우, 비표면적의 감소는 반응 샤프트(10) 내의 탄소의 연소 효율을 감소시킨다. 따라서, 탄소가 노 내의 용탕에 도달한다. 그러나, 과립형 탄소 또는 블록 탄소는 비중 차이로 인해 용탕의 표면층에 부유한다. 슬래그(60)의 표면층 만이 환원된다. 슬래그(60) 전체에 대한 탄소의 기여도는 낮다. Al2O3의 영향을 줄이는 효과는 작아진다. 한편, 입자 직경이 조정된 Fe 금속을 사용하면, 반응 가스에 의해 야기되는 Fe 금속의 산화 연소가 억제되고, 노 저부로의 Fe 금속의 침강이 억제된다. 따라서, Fe 금속에 의한 Fe3O4 형성 억제 효과가 향상된다.
Fe 금속 공급원의 공급량은 슬래그(60)에 형성되는 Al2O3의 양에 따라 결정되는 것이 바람직하다. 공급 재료 내의 Al2O3의 양으로부터 슬래그(60) 내에 형성될 Al2O3의 양을 추산하는 것이 가능하다. 공급 재료 내의 재생 재료는 Al 또는 Al2O3을 포함하기 때문에, Al2O3의 양(Al의 양)이 고려된다. 이하의 설명에서, 공급 재료 내의 Al2O3 농도(질량%)는 공급 재료(예를 들어, 재생 재료)에 포함되는 Al이 Al2O3로 변환되어 합산된 농도이다.
슬래그 내의 Al2O3의 농도는 공급 재료의 혼합 비율에 따라 변동된다. 그러나, 슬래그 내의 Al2O3의 농도는 공급 재료 내의 Al2O3의 농도의 대략 1.7 배 내지 2.0 배이다. 예를 들면, 공급 재료 내의 Al2O3의 농도가 2.2 질량%인 경우, 슬래그 내의 Al2O3의 농도는 대략 4.3 질량%이다. 이러한 사실에 기초하여, 공급 재료(반복 분진 제외)의 공급량이 130 t/h 내지 230 t/h(예를 들어, 208 t/h)이고, 산소 농도가 70 체적 % 내지 82 체적 %인 반응 가스로서의 산소 농후 공기의 공급량은 640 Nm3/min 내지 700 Nm3/min이며, 공급 재료 내의 Al2O3가 2.2 질량% 이하일 때 생성된 슬래그 내의 Al2O3는 4.2 질량% 이하인 것으로 예측되는 경우, Fe 금속 공급원의 공급량은 0 kg/h 내지 20 kg/h인 것이 바람직하다. 공급 재료(반복 분진 제외)의 공급량이 130 t/h 내지 230 t/h(예를 들어, 208 t/h)이고, 산소 농도가 70 체적 % 내지 82 체적 %인 반응 가스로서의 산소 농후 공기의 공급량은 640 Nm3/min 내지 700 Nm3/min이며, 공급 재료 내의 Al2O3가 2.2 질량% 이상 2.4 질량% 이하일 때 생성된 슬래그 내의 Al2O3가 공급 재료 내의 Al2O3 양으로부터의 계산에 의거하여 4.2 질량% 이상 4.5 질량% 이하인 것으로 예측되는 경우, Fe 금속 공급원의 공급량은 20 kg/h 내지 42 kg/h인 것이 바람직하다. 공급 재료(반복 분진 제외)의 공급량이 130 t/h 내지 230 t/h(예를 들어, 208 t/h)이고, 산소 농도가 70 체적 % 내지 82 체적 %인 반응 가스로서의 산소 농후 공기의 공급량은 640 Nm3/min 내지 700 Nm3/min이며, 공급 재료 내의Al2O3가 2.4 질량% 이상 2.5 질량% 이하일 때 생성된 슬래그 내의 Al2O3가 공급 재료 내의 Al2O3 양으로부터의 계산에 의거하여 4.5 질량% 이상 4.7 질량% 이하인 것으로 예측되는 경우, Fe 금속 공급원의 공급량은 42 kg/h 내지 105 kg/h인 것이 바람직하다. 공급 재료(반복 분진 제외)의 공급량이 130 t/h 내지 230 t/h(예를 들어, 208 t/h)이고, 산소 농도가 70 체적 % 내지 82 체적 %인 반응 가스로서의 산소 농후 공기의 공급량은 640 Nm3/min 내지 700 Nm3/min이며, 공급 재료 내의 Al2O3가 2.5 질량% 이상 2.6 질량% 이하일 때 생성된 슬래그 내의 Al2O3가 공급 재료 내의 Al2O3 양으로부터의 계산에 의거하여 4.7 질량% 이상 5.0 질량% 이하인 것으로 예측되는 경우, Fe 금속 공급원의 공급량은 105 kg/h 내지 147 kg/h인 것이 바람직하다. 공급 재료(반복 분진 제외)의 공급량이 130 t/h 내지 230 t/h(예를 들어, 208 t/h)이고, 산소 농도가 70 체적 % 내지 82 체적 %인 반응 가스로서의 산소 농후 공기의 공급량은 640 Nm3/min to 700 Nm3/min이며, 공급 재료 내의 Al2O3가 2.6 질량% 이상 2.7 질량% 이하일 때 생성된 슬래그 내의 Al2O3가 공급 재료 내의 Al2O3 양으로부터의 계산에 의거하여 5.0 질량% 이상 5.2 질량% 이하인 것으로 예측되는 경우, Fe 금속 공급원의 공급량은 147 kg/h 내지 160 kg/h인 것이 바람직하다.
생성될 슬래그 내의 Al2O3, Fe3O4, Cu 등의 농도는 플래시 노(100)로부터 추출된 슬래그 또는 슬래그 클리닝 노로부터 추출된 슬래그를 분석함으로써 확인될 수 있다.
본 실시예에서는, Fe 금속 양이 40 질량% 내지 100 질량%인 Fe 금속 공급원이 Al을 포함하는 구리 정광 및 용제를 포함하는 공급 재료와 함께 구리 제련로에 공급된다. 이에 의해, FeO의 산화가 억제되고, 슬래그 내의 Al2O3의 허용 농도가 확대된다. 따라서, 슬래그 손실을 억제하는 것이 가능하다. 예를 들어, Fe 금속 공급원은 공급 재료와 함께 구리 제련로 내에 공급되어, 구리 제련로 내로 공급 재료를 공급함으로써 생성되는 슬래그 내의 Al2O3 농도가 4.0 질량%보다 커지게 하는 것이 바람직하다. 대안적으로, 정광 버너(40)를 통해 공급 재료를 공급함으로써 생성된 슬래그 내의 Al2O3 농도가 4.0 질량%를 초과하는 경우, Fe 금속 공급원은 추후 공급될 다른 공급 재료와 함께 구리 제련로 내로 공급될 수 있다. 공급 재료 내의 Al2O3 농도가 2.0 질량%을 초과하면, Fe 금속 공급원이 공급 재료와 함께 구리 제련로 내로 공급되는 것이 바람직하다.
[예]
실시예에 따라 구리 제련로가 동작되었다. 표 1은 운전 조건과 결과를 보여준다. 첫날부터 13일째까지, 공급 재료의 평균 공급량은 200 t/h이었고, Fe 금속 공급원은 공급되지 않았다. 14일째부터 공급 재료의 평균 공급량은 208 t/h였다. Fe 금속 공급원의 평균 공급량은 42 kg/h였다. Fe 금속 공급원은 미리 공급 재료와 혼합된 이후 정광 버너를 통해 공급되었다. Fe 금속 공급원은 55 질량% 내지 65 질량%의 Fe 금속을 포함한다. 산소 농후 공기의 공급량은 650 Nm3/min 내지 690 Nm3/min이었다.
1일째부터 13일째까지, 공급 재료 내의 Al2O3 농도가 증가할 때, 슬래그 내의 Al2O3 농도가 4.5 질량%를 초과하였다. 이는 1 % 이상의 슬래그 손실을 초래하였다. 이는 슬래그에 대하여 Al2O3의 높은 허용 농도가 달성되지 않았고, Fe3O4는 Al2O3의 존재로 인해 안정화되었기 때문이다. 한편, 14일째부터 슬래그 내의 Al2O3 농도는 4.3 질량% 이상(최대 4.7 질량%)의 높은 값으로 유지되었다. 그러나, 슬래그 손실을 대략 0.8이었던 낮은 값으로 유지하는 것이 가능했다. 이는 Fe3O4의 생성이 억제되고, 슬래그 내의 Al2O3의 허용 농도가 높았기 때문이다. 14일째부터, 슬래그 클리닝 노의 중간층 및 플래시 노의 중간층의 증가를 억제할 수 있었다.
Figure pct00001
본 발명의 실시예가 상세히 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 변화, 대체 및 변경이 그에 대해 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (4)

  1. 구리 제련로의 운전 방법에 있어서,
    구리 금속 정광 및 용제를 포함하는 공급 재료와 함께 구리 제련로에 Fe 금속 공급원을 공급하는 단계를 포함하고, 구리 정광은 Al을 포함하고, Fe 금속 공급원은 40 질량% 내지 100 질량%의 Fe 금속을 포함하는 것을 특징으로 하는 운전 방법.
  2. 제1항에 있어서, Fe 금속 공급원은 공급 재료 내의 Al2O3 농도가 2.0 질량%를 초과할 때 공급되는 것을 특징으로 하는 운전 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    Fe 금속 공급원은 공급 재료와 혼합되고;
    Fe 금속 공급원을 공급 재료와 혼합한 이후, 공급 재료 및 Fe 금속 공급원은 정광 버너를 통해 구리 제련로 내로 공급되는 것을 특징으로 하는 운전 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, Fe 금속 공급원 내의 Fe 금속의 입자 직경은 1 mm 내지 10 mm인 것을 특징으로 하는 운전 방법.
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