1. 서론
고온 야금법을 이용한 구리 제련은 전 세계 정제 구리 생산의 80% 이상을 차지하는 주요 공정입니다. 이 공정은 황화구리 정광(주로 황동광, CuFeS₂)을 일련의 고온 야금 공정을 통해 고순도 음극 구리(≥99.99% Cu)로 전환합니다. 본 논문에서는 급속 제련, 전환, 음극 정련 및 전해 정련으로 구성된 주요 통합 공정 흐름도를 자세히 설명합니다.
2. 농축액 준비 및 혼합
구리 정광(구리 함량 25~35%)은 대형 선박으로 운반되어 덮개가 있는 야적장에 보관됩니다. 수분 함량은 일반적으로 8~12%이며, 폭발 및 후속 제련 공정에서의 과도한 에너지 소비를 방지하기 위해 회전로 또는 유동층 건조기를 사용하여 0.3% 이하로 낮춰야 합니다.
건조된 농축물은 플럭스(석영, 석회석), 역산물 및 전로 슬래그와 정밀하게 제어된 비율로 혼합됩니다. 최신 설비에서는 자동 디스크 공급 장치와 로드셀 시스템을 사용하여 ±0.5% 이내의 혼합 정확도를 달성합니다.
3. 급속 제련
플래시 제련은 황화구리 정광을 처리하는 가장 발전된 기술로, 전 세계적으로는 아우토텍(현재 멧소)의 플래시 용광로와 중국에서 개발된 산소 하부 취입 용광로가 대표적입니다.
3.1 공정 원칙
건조 농축물을 850~950°C의 고온 산소 농축 공기 흐름(산소 농도 75~90%)에 주입합니다. 반응(건조, 산화, 슬래그 및 매트 형성)은 3~5초 내에 완료되며, 반응열이 자열 운전을 유지합니다. 주요 반응은 다음과 같습니다. 4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂ 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂
3.2 주요 장비
- 반응갱도: 높이 11~14m, 직경 7~9m, 고품질 마그네사이트-크롬 벽돌로 내부를 마감하고 구리 냉각 재킷을 설치함.
- 침전조 및 배출구: 매트(구리 65-75%)와 슬래그의 중력 분리.
- 폐열 보일러: 약 550°C의 배기가스에서 현열을 회수하여 증기를 발생시킵니다.
- 산소 대 농축액 비율: 건조 농축액 1톤당 1.15~1.25 Nm³ O₂
- 반응 샤프트 온도: 1250-1300°C
- 매트 온도: 1180-1220°C
- 슬래그의 Fe/SiO₂ 비율: 1.1-1.4, 슬래그 내 구리 함량 ≤0.6%
3.3 주요 제어 매개변수
단일 플래시 퍼니스 용량은 일일 4000~5500톤의 농축물 생산 능력을 갖추고 있으며, 열효율은 98% 이상이고 SO₂ 포집률은 거의 100%에 달합니다.
4. 변환
매트는 전기 가열식 런더 또는 레이들을 통해 피어스-스미스 변환기 또는 연속식 변환로로 이송됩니다.
4.1 슬래그 형성 단계
산소가 풍부한 공기(산소 25~35%)를 불어넣어 황화철을 산화시킨다. 구리가 2~8% 함유된 슬래그는 제거하여 플래시 제련 공정으로 되돌려 보낸다.
4.2 구리 제조 단계
지속적인 바람은 1180~1230°C에서 Cu₂S를 산화시켜 구리(98.5~99.3% Cu)를 기포 형태로 만듭니다.
5. 양극로 화염 정련
압축된 구리는 산화환원 정련을 위해 50~500톤 규모의 고정식 또는 경사식 양극로에 투입됩니다.
5.1 산화 단계
공기 또는 산소 랜스를 사용하여 잔류 Fe, Ni, As, Sb 및 Bi를 부유 슬래그 형태로 제거합니다.
5.2 감소 단계
산소는 천연가스, 디젤 또는 나무 막대를 사용하여 150~300ppm으로 감소됩니다. 정제된 구리는 300~450kg의 양극(Cu ≥99.0%)으로 주조됩니다.
6. 전해 정련
양극은 CuSO₄-H₂SO₄ 전해액에 담긴 납 또는 티타늄 모재를 음극으로 하는 전해조에 배치됩니다.
6.1 작동 조건
- 전류 밀도: 220-320 A/m²
- 배터리 전압: 0.22~0.32V
- 전해액 온도: 60-65°C
- Cu²⁺: 40-55g/L, 유리 H2SO₄: 150-220g/L
6.2 전기화학 반응
양극 용해: Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ 금, 은, 셀레늄, 텔루륨과 같은 귀금속 원소는 양극 슬라임으로 이동하고, 덜 귀금속 원소는 용액으로 들어갑니다. 음극 석출물은 LME A 등급 규격을 충족하는 99.993% 이상의 구리를 생성합니다.
7. 배기가스 처리 및 환경 관리
플래시로, 전로 및 양극로에서 발생하는 SO₂ 함량이 높은 가스는 냉각, 집진 및 이중 접촉 산처리 공정을 거쳐 99.8% 이상의 황 회수율을 달성합니다. 배출 가스의 SO₂ 함량은 100mg/Nm³ 미만입니다. 비소, 수은 및 기타 중금속은 특수 공정을 통해 제거됩니다.
8. 결론
현대 구리 야금 공정은 높은 연속성, 자동화 및 환경 성능을 달성했습니다. 통합된 플래시 제련-연속 전환-양극 정련-전해 정련 공정은 98.5% 이상의 전체 구리 회수율과 280~320kgce/t의 음극 에너지 소비량을 달성하여 세계적 수준의 기준을 충족합니다. 산소 농축, 연속 구리 제조 기술 및 디지털 공정 제어 분야의 지속적인 개발은 효율성과 지속가능성을 더욱 향상시킬 것입니다.
게시 시간: 2025년 12월 22일