비철제련-예비처리(선광, 하소, 배소, 소결)

금속 채취 공정

광석 -> 예비처리->제련 -> 정련

 

1. 광석

1) 정의

: 금속을 채쥐하는 가장보편적이고 근본적인 원료로서 유용금속을 함유하는 것으로써 경제적으로 금속을 채취할 수 있는 유용금속을 말함

2) 광석의 경제적 가치 기준

- 금속함유량,

- 금속화합물의 형태

- 함유금속의 싯가

- 채광

- 운반

- 선광의 난이도

3) 유용금속의 구분

① 자연금속 계통

: 백금, 금, 은, 동, 수은

② 황화물 계통

: 황화동(CuFeS), 휘동광(Cu2S), 유비동광(Cu3AsS4)

: 납-방연광(PbS), 아연-섬아연(ZnS), 은-은휘광(Ag2S)

: 니켈 - 규철니켈광, 침니켈광(NiS), 규비니켈광(NiAsS)

: 수은 - 수은진사(HaS)

: 안티몬 - 휘안광(Sb2S3)

: 창연 - 휘창연광(Bi2S3)

: 철 - 황철광(FeS2), 자철류광(Fe2S)

: 비소 - 유비철광(FeAsS)

: 몰리브덴 - 휘수연광(MoS2)

③ 산화물 계통

: 철 - 자철광(Fe3O4), 적철광(Fe2O3), 갈철광Fe2O3·H2O), 능철광(FeCO3)

: 망간 - 연망간광(MnO2·nH2O), 경망간광(MnO2), 능망간광(MnCO3)

④ 염화물 계통

: 주석 - 錫석(SnO2)

: 알루미늄 - 보오크사이트(Al2O3·H2O)

: 마그네슘 - 능고토광(MgCO3)

: 니켈 - 규니켈광{(Ni·Mg)·SiO2)}

: 텅스텐 - 흑중석{(Fe·Mn)·WO4}, 회중석(CaWO4)

: 아연 - Calamine(H2Zn2SiO5)

: 동 - 공작석(Cu2(OH)2·CO3

 

2. 예비처리

2.1 선광

1) 개요

 - 광석예비처리의 첫단계

 - 빻아서 양상에 따라 중력선광 자력선광 후 -> 금속의 함율율을 높임

 

2) 금속분리 방법

: 광석 또는 정광을 제련(Smelting) -> 광석/맥석 -> 금속과 분리

      -> 광석/화합물 -> 금속과 분리

3) 맥석분리

① 맥석과 금속을 동시 용융시킴

② 맥석을 고체로, 금속을 기체로 분리

③ 맥석을 고체로, 금속을 수용액으로 분리

 

4) 화합물 분리

① 고온화학변화 분리(산화, 환원)

② 수용액 전해 또는 화학치환 분리

③ 용융염 전해 분리

 

2.2 광석처리

1) 광석에 따른 처리방법 분류

① 조광을 그대로 처리

② 선광단계를 거치고 -> 불순물을 다소 분리하고 -> 금속함유량 품위를 높임 -> 정광(精鑛) -> 제련 또는 배소처리함

③ 분광(粉鑛) -> 소결단광제조 -> 제련

2) 하소(煆燒 = Calcining:칼사이닝)

① 정의 - 광석을 채휘하여 선광후 예비처리하는 방법의 한가지이며

② 방법 - 광석을 태워서 그중에 탄산가스(CO2), 결정수(H2O)등을 추출함

③ 특징 - 광석의 MP점 이하에서 광석중에 휘발분을 제거함

④ 사례

 - 함수화물    -> 300도 이하에서 수분을 제거

 - 탄산화물    -> 600~800도에서 CO2를 방출함

 - 점토(Clay) -> 600~1000도에서 분해시킴(Al2O3·2SiO·2H2O -> Al2O3·SiO2

⑤ 광석들

 - 석회석(Lime Stone)     : CaCO3 -> CaO+CO2

 - 백운석(Dolomite)         : MgCO3·CaCO3 -> MgO·CaO+2CO2

 - 능고토석(Magnesite)   : MgCO3 -> MgO+CO2  菱古土石

 - 섬아연석(Zincblende)  : 閃亞鉛石

 - 점토(Clay)

 

3) 배소(焙燒 = Roasting:로스팅)

① 정의 - 공기중 또는 산소중에 황화광 및 배소광을 용융온도 이하로 가열하여 금속산화물 또는 금속황화물로 변화시키는 조작 

② 목적 - 황화광석에서 유황을 산화 또는 탈황시켜서 제련하기쉬운 형태로 처리

③ 배소의 종류

 : 완전배소(Dead Roasting)

 : 황화배소(Sulphatizing Roasting)

 : 염화배소(Chloridizing Roasting)

 : 환원배소(Reducing Roasting)

 : 산화배소(Oxidizing Roasting)

④ 사례

Ⅰ) 완전배소 및 황화배소

: MetS + 3/2O2 -> MetO + SO2↑ (완전배소+발열반응=자소반응, Self Combustion)

: 2MetS + 3O2 -> 2MetO + 2SO2↑(완전배소+발열반응=자소반응, Self Combustion)

  2SO2 + O2 -> 2SO3

     SO3 + MetO -> MetSO4 (황산염생성, 황화배소+흡열반응) 

: MetSO4가 생성이 안되어야 한다.

-> 이를 위해서는 공기를 제한 하거나

-> 배소온도를 낮게 유지하거나 한다(동광에서는 700도 이하로 관리한다)

: MetSO4 생성되었을 때,

-> MetSO4를 분해해야 됨, 이를 위해서는 흡열반응이므로 외부가열이 필요함

-> 따라서, SO3의 흐트러짐 방지, SO3의 공기에 의해 달아남 방지, 과잉공기 공급제한이 따른다.

: 예) 황화동의 배소

-> 2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2

-> 2Cu2S + 5O2 = 2CuSO4 + 2CuO -----(1) 산소가 많을때

SO3 + 1/2O2 = SO3   --------------(2) 산소가 많을때

CuO + SO3 = CuSO4    (1)+(2)에 의해서 황산염이 형성됨

 

Ⅱ) 염화배소

: MetO + C + 2Cl2 = MetCl4 + CO

-> MetS + 2NaCl + O2 -> MetCl4 + Na2SO4

: 예) Sn, W은 Cl2 또는 HCl로 배소하여 농축이 가능함

 -> 600도 부근에서 Sn은 전부, W은 소량 휘발됨

 -> 1000도 부근에서 W의 나머지와 Fe, Mn의 전부가 휘발됨

 

Ⅲ) 환원배소

: 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2 ↑

 

Ⅳ) 산화배소

:

 

⑤ 배소조업의 주의점

: 반응식에서와 같이 SO2의 제거되는 속도 및 새로운 O2공급이 반응을 결정함

-> 따라서, 광석의 粒크기, 가스의 속도, 배소가스중 SO2농도 등을 최적상태로 조업한다.

 

⑥ 배소로

: Hand Raked Reverteratory Furnace

: Straight Line Furnace

: Muffle Furance

: Me Dougull Furnace

⑦ 적용 광석

 - 황동광(CuFeS2)

 - 휘동광(Cu2S)

 - 반동광(Cu3FeS3)

 - 적동광 (Cu2O)

 - 흑동광 (CuO)

⑧ 황화동으로 부터 Cu추출 공정

: 배소로

-> Cu2S + 3/2O2 -> Cu2O + SO2

-> 2Cu2S + 3O2 -> 2Cu2O +2SO2

: 용광로 

-> Cu2S + 2CuO = 4Cu + SO2

-> 2Cu + FeS = Cu2S + Fe

: 전로

-> 2CuS + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2

-> Cu2S + 2CuO = 4Cu + SO2

: 전해정련

-> CuSO4 + H2SO4 + 조동 -> 4Cu++

 

4) 분광처리

① 괴상화 (Briquetting=BQ.:브리퀴팅, 브리퀴트=단광)

: 방법

- 생광+물(석탄등 결합제) -> 연와상 및 원추상 금형에서 + 강압Press -> 괴상화

- 생광+공기중(수증기중) -> 가열 -> 괴상화

 

② 크래커화(Grandal Process)

: 방법

- 분광+물 -> 가압한후 ->대차상차-> 고온가열 로 통과(노가스 또는 미분탄 이용하여 가열함) -> 괴상화

- 미분탄 : Pulverized Coal

 

③ 펠렛 (Pelletizing:펠렛타이징)

: 방법

- 미분광+수분->경사진 드럼속 or 디스크에 넣고-> 회전-> 구상화->가열(1000~1100도)-> 펠렛화

 

④ 소결(Sintering:신터링)

: 방법

- 분광(Fine Ores)+결합제(Lime or Fine Coke) 배합 -> 공기중 착화 -> 발열시켜 -> 서로 엉겨붙게함 -> 괴상화

- 황화광은 필연적으로 배소반응이 따르며 송풍배소(Blast Roasting)라 함

- 소결온도는 900~1200도로 가열함(Roasting 온도보다 높음)

: 반응식

- Fe2O3 + C = 2FeO + CO       //  혼합  //  FeO + SiO2 = FeO·SiO2

- Cu2S + 3/2O2 = Cu2O + SO2 // 혼합  //  Cu2O + SiO2 = Cu2O·SiO2

- PbS + 3/2O2 = PbO + SO2    // 혼합  //  PbO + SiO2 = PbO·SiO2