아연 제련

아연 제련은 아연 농축액(아연이 함유된 광석)을 순수한 아연으로 바꾸는 과정이다. 아연 제련은 역사적으로 철과 같은 다른 금속의 제련보다 더 어려웠는데, 이와는 대조적으로 아연은 끓는점이 낮기 때문이다. 일반적으로 금속을 용련하는 데 사용되는 온도에서 아연은 연화 가스와 함께 용광로에서 빠져나와 이를 방지하기 위한 구체적인 조치가 취해지지 않는 한 손실되는 기체다.

가공되는 가장 흔한 아연 농축액은 황화아연인데,^[1] 이는 거품플롯법을 이용해 스팔라이트를 농축해 얻은 것이다. 산화아연과 같은 2차(재활용) 아연 물질도 황화아연과 함께 처리된다.^[2] 생산되는 아연의 약 30%는 재활용된 원료에서 나온 것이다.^[3]

방법들

아연을 용해하는 방법에는 화농산술 과정과 전기분해 과정이라는 두 가지가 있다.^[2] 두 가지 방법 모두 여전히 사용되고 있다.^[2][4] 이 두 공정 모두 로스팅이라는 첫 번째 단계를 공유한다.

로스팅

로스팅은 고온에서 황화아연 농축액을 불순 아연으로 산화시키는 과정으로, '진크칼신'이라 불린다. 일어나는 화학반응은 다음과 같다.

${\displaystyle {\ce {2ZnS + 3O2 -> 2ZnO + 2SO2}}:$ 2ZnO + 2SO2}}}">

${\displaystyle {\ce {2SO2 + O2 -> 2SO3}$ 2SO3}}}">

농축액에 함유된 아연의 약 90%가 산화아연으로 산화된다. 그러나 로스팅 온도에서 아연의 약 10%가 아연 황화 아연의 철 불순물과 반응하여 아연 페라이트를 형성한다. 로스팅의 부산물은 아황산 이산화황으로, 상품인 아황산으로 추가 처리된다.^[2] 연결된 정제소 흐름표는 캐나다 동부 아연 로스팅 공사의^[5] 개략도를 보여준다.

굽는 과정은 사용하는 로스터의 종류에 따라 다르다. 로스터는 다발, 현수, 유동침대 등 3종류가 있다.^[1]

멀티히트 로스터

다발 로스터에서는 벽돌로 된 원통형 기둥 안에 쌓여 있는 9개 이상의 난로 사이로 농축액이 떨어진다. 사료 농축액이 용광로를 통해 떨어지면서 먼저 난로를 통과하는 뜨거운 가스에 의해 건조된 후 산화되어 석회질을 생성한다. 반응은 느리고 연료의 첨가만으로 지속할 수 있다. 여러 개의 난로 로스터는 압축되지 않고 약 690°C(1,270°F)에서 작동한다. 작동 시간은 농축액의 구성과 황 제거에 필요한 양에 따라 달라진다. 여러 개의 난로 로스터는 고순도 석회암을 생산할 수 있는 능력을 가지고 있다.^[1]

서스펜션 로스터

서스펜션 로스터에서 농축물은 분쇄된 석탄로의 그것과 매우 유사한 연소실로 보내진다. 로스터는 내화성 선 원통형 강철 껍질로 구성되며, 상부에 연소 공간이 크고 하부에 난로가 2~4개 있는데, 이는 복수 난로의 난로와 유사하다. 일반적으로 다중 난로에 필요한 것 이상의 추가 연삭은 용해로 챔버에서 탈황 및 산화 반응이 발생할 수 있도록 재료로의 열 전달 속도가 충분히 빠를 수 있도록 해야 한다. 서스펜션 로스터는 가압되지 않고 약 980°C(1,800°F)에서 작동한다.^[1]

유동식침대 로스터

유체 침상 로스터에서는 미세하게 갈린 황화 농축물이 공기 기둥에 지지되는 공급 원료 베드에 매달려 산화된다. 서스펜션 로스터에서와 같이 탈황에 대한 반응 속도는 구형 다발 공정보다 더 빠르다. 유동식 침대 로스터는 대기압보다 약간 낮은 압력과 평균 1,000 °C (1,830 °F)의 온도에서 작동한다. 유체-베드 공정에서는 점화 후 추가 연료가 필요하지 않다. 이 로스터의 주요 장점은 처리량 용량 증가, 황 제거 능력 향상, 유지 보수 감소 등이다.^[1]

전기분해공정

수전처리 과정, 로스트-레치-전기로윈(RLE)공정 또는 전해처리 과정이라고도 알려진 전기분해 과정은 화전처리 과정보다 널리 사용된다.^[2]

전기분해 과정은 침출, 정화, 전기분해, 녹고 주조 등 4단계로 구성된다.

침출수

이 과정을 주도하는 기본적인 침출 화학식은 다음과 같다.

${\displaystyle {\ce {ZnO + SO3 -> ZnSO4}$ ZnSO4}}}">

이것은 이중 침출이라고 불리는 과정을 통해 실제로 달성된다. 산화물 아연에서 아연을 침출하기 위해 먼저 중성 또는 약간 산성 용액(황산)으로 침출한다. 그리고 나서 나머지 캘킨은 산화아연과 아연 페라이트로부터 아연의 나머지를 침출하기 위해 강한 황산에 침출된다. 이 과정의 결과는 고체와 액체다; 액체는 아연을 포함하고 종종 침출물이라고 불린다; 고체를 침출물 잔류물이라고 하며 부산물로 판매되는 귀금속(보통 납과 은)을 함유하고 있다. 중간 단계에서 제거되는 강산 침출물에서 나오는 침출물에도 고에타이트, 자로사이트, 헤마타이트의 형태로 철분이 들어 있다. 침출물에는 여전히 카드뮴, 구리, 비소, 안티몬, 코발트, 게르마늄, 니켈, 탈륨이 있다. 따라서 정화가 필요하다.^[1][2]

정화

정화 과정은 아연을 더욱 정화하기 위해 시멘트화 과정을 이용한다. 그것은 구리, 카드뮴, 코발트, 니켈을 제거하기 위해 아연 먼지와 증기를 사용하는데, 이것은 전기분해 과정을 방해할 것이다. 정화 후 이 불순물 농도는 리터당 0.05mg(미국 갤런당 4×10파운드⁻⁷) 미만으로 제한된다. 정화는 보통 크게 동요하는 탱크에서 행해진다. 이 과정은 40~85°C(104~185°F)의 온도와 대기압부터 2.4 atm(240kPa)의 압력으로 이루어진다. 부산물은 추가 정제를 위해 판매된다.^[1][2]

황산아연 용액은 전기 회전이 효율적이려면 매우 순수해야 한다. 불순물은 전기분해세포가 아연금속보다는 주로 수소가스를 생산하는 곳에 충분히 분해전압을 변화시킬 수 있다.^[6]

전기분해

아연은 전기분해의 특화된 형태인 전기로와인닝에 의해 정제된 황산아연 용액에서 추출된다. 이 과정은 일련의 세포에서 용액을 통해 전류를 전달함으로써 작용한다. 이로 인해 아연이 음극(알루미늄 시트)에 침전되고 양극에서 산소가 형성된다. 이 과정에서 황산도 형성돼 침출수 과정에서 재사용된다. 24시간에서 48시간마다 각 셀을 차단하고 아연 코팅된 음극을 제거하여 헹구며 아연은 알루미늄 판에서 기계적으로 벗겨진다.^[1][2]

전해 아연 제련소에는 수백 개의 세포가 들어 있다. 전기 에너지의 일부는 열로 변환되어 전해질의 온도를 높인다. 전해질 전지는 30~35°C(86~95°F)의 온도 범위와 대기압에서 작동한다. 전해액의 일부는 냉각탑을 통해 지속적으로 순환되어 물의 증발을 통해 전해질을 냉각시키고 농축시킨다. 냉각되고 농축된 전해질은 세포로 재활용된다.^[1] 이 과정은 아연을 용해할 때 전체 에너지 사용량의 약 3분의 1을 차지한다.^[2]

금속을 전기화하는 데는 두 가지 일반적인 과정이 있다: 저전류 밀도 공정과 타이인턴 고전류 밀도 공정이다. 전자는 10%의 황산 용액을 전해질로 사용하며, 전류 밀도는 평방미터당 270–325 암페어이다. 후자는 22~28%의 황산 용액을 1평방미터당 약 1,000암페어의 전류 밀도를 가진 전해질로 사용한다. 후자는 순도가 우수하고 전해질 부피당 생산용량은 높지만, 더 뜨겁게 달궈지고, 완성된 용기에 더 부식성이 있다는 단점이 있다. 전해질 공정 중 하나에서, 아연 생산의 각 미터 톤은 약 3,900 kWhh(14 GJ)의 전력을 소비한다.^[6]

용융 및 주조

생산되는 최종 제품의 종류에 따라, 전기로 연결된 공장에서 나오는 아연 음극은 주조 공장에서 추가적인 변환 단계를 거칠 수 있다. 아연 음극은 유도로에서 용해되어 주괴와 같은 시장성 있는 제품에 주조된다. 다이캐스팅 또는 일반 아연도금 용도에 사용되는 합금을 함유한 아연을 생산하기 위해 다른 금속과 합금 구성요소를 추가할 수 있다. 마지막으로 용해된 아연은 특수 설계된 절연 용기를 사용하여 근처의 변환 발전소 또는 제3자에게 운반될 수 있다.

파이로메탈루리아 과정

또한 탄소를 사용하여 산화 아연을 감소시킨 다음 금속 아연을 일산화탄소 대기에서 분리시키는 여러 가지 화농성 과정이 있다. 화혈전술의 주요 감소는 그것이 단지 98% 순수하다는 것이다; 표준 조성은 납 1.3%, 카드뮴 0.2%, 철 0.03%, 아연 98.5%이다.^[7] 이는 아연도금에는 충분히 순수할 수 있지만 특수 고등급 아연(순도 99.995%)이 필요한 다이 캐스팅 합금에는 충분하지 않다.^[7] 이 순도에 도달하기 위해서는 아연을 정제해야 한다.

4가지 종류의 상업적 화농성 시술은 성이다. 조셉 광물공사의 (전열) 공정, 용광로 공정, 뉴저지 아연 연속 수직 역류 공정, 벨기에식 수평 역류 공정.

성 조셉 광물회사(전열) 공정

이 과정은 성인에 의해 개발되었다. 1930년 조셉 광물 회사는 미국에서 아연을 냄새 맡는데 아직도 사용되는 유일한 화농약 처리 과정이다. 이 시스템은 전기 아크로 분진 등 아연 함유 재료의 다양한 냄새를 맡을 수 있는 것이 장점이다.^[1] 이 공정의 단점은 전기분해 공정보다 효율성이 떨어진다는 것이다.^[2]

그 과정은 다운드래프트 소싱 작업으로 시작한다. 로스터 캘킨과 EAF(전기 아크로) 캘킨을 혼합한 시스터를 게이트형 컨베이어에 싣고 가연성 가스를 시스터를 통해 펌핑한다. 연소 가스의 탄소는 납, 카드뮴, 할로겐화물과 같은 일부 불순물과 반응한다. 이 불순물들은 여과용 봉투로 옮겨진다. 이 공정을 거친 후 제품 광택제라 불리는 시너지는 보통 아연 48%, 철 8%, 알루미늄 5%, 실리콘 4%, 칼슘 2.5%와 마그네슘, 납, 기타 금속의 소량 성분을 가지고 있다. 그리고 나서 소결제는 코크스를 전기 레토트 용광로에 넣는다. 용해로 상단과 하단의 흑연 전극 한 쌍은 혼합물을 통해 전류를 생성한다. 코크스는 혼합물을 1,400 °C(2,550 °F)까지 가열하고 일산화탄소를 생성하기 위해 혼합물에 전기 저항을 제공한다. 이러한 조건은 다음과 같은 화학반응을 발생시킬 수 있다.

${\displaystyle {\ce {ZnO + CO -> Zn (^) + CO2}}}$ Zn (^) + CO2}}}">

아연 증기와 이산화탄소는 진공 콘덴서로 전달되며, 그곳에서 아연은 용해된 아연 욕조를 통해 거품이 일면서 회수된다. 리토트를 떠나는 아연 증기의 95% 이상이 액체 아연으로 응축된다. 이산화탄소는 탄소로 재생되고 일산화탄소는 다시 재생 용광로로 재활용된다.^[1]

용광로 공정(제련 공정)

이 공정은 영국 애본머스 부두의 국립 제련회사가 생산량 증가, 효율성 증가, 노동력 및 유지관리 비용 절감을 위해 개발했다. L. J. 더햄은 높은 이산화탄소 농도에도 불구하고 용융된 납 방울을 분사하여 아연 증기를 빠르게 냉각하고 흡수할 것을 제안했다. 혼합물은 아연이 납과 분리되는 곳에서 냉각된다. 이 디자인을 사용한 첫 번째 공장은 1950년에 문을 열었다. 이 공정의 장점 중 하나는 납괴와 구리 찌꺼기를 공동 생산할 수 있다는 점이다. 1990년에는 전 세계 아연 생산량의 12%를 차지했다.

고체와 가열된 코크스를 용광로 상단에 충전하는 것으로 공정이 시작된다. 190~1050°C(370~1,920°F)에서 예열된 공기가 용해로 바닥으로 송풍된다. 아연 증기와 황화물은 상단을 통과하여 콘덴서로 들어간다. 슬래그와 납은 용광로 바닥에서 수집되고 정기적으로 두드려진다. 아연은 액체 납을 통해 응축기의 증기로부터 문질러진다. 액체 아연은 냉각 회로의 납에서 분리된다. 이 공정에는 매년 약 5,000톤의 납이 필요하지만, 이 공정은 다른 공정보다 시작 광석에서 25% 더 많은 납을 회수한다.

뉴저지 아연 연속 수직 재시도

뉴저지 아연 공정은^[8] 더 이상 미국과 유럽, 일본에서 1차 아연을 생산하는데 사용되지 않지만, 2차 가동을 치료하는데 여전히 사용된다. 이 과정은 1960년에 절정에 달했는데, 그 때 세계 아연 생산량의 5%를 차지했다. 연간 6만5000t을 생산한 중국 훌루다오에서는 이 공정의 변형판이 지금도 사용되고 있다.^[7]

이 과정은 석탄과 연탄을 섞은 농축액을 두 단계로 나누어 굽는 것으로 시작된다. 연탄은 700 °C(1,292 °F)에서 자동생성 코커로 가열한 후 재충전한다. 석탄을 연탄하는 이유는 세 가지가 있는데, 즉 전하를 자유롭게 아래로 이동하기 위한 것, 실제 크기의 단면 전체에 걸쳐 열 전달을 허용하기 위한 것, 감소된 아연 증기가 레토트 상단으로 전달되기 위한 적절한 다공성 허용이다. 그리고 나서 리토트 상단에서 수집되는 감소된 아연 증기는 액체로 응축된다.^[7]

오버펠트는 많은 작은 응축실 대신 하나의 큰 응축실만을 사용하여 이 디자인을 개선했다. 이를 통해 일산화탄소가 레토트를 가열하기 위해 용해로로 재순환될 수 있었다.^[7]

이 공정은 영국 아본머스에 본사를 둔 임페리얼 제련소(ISC)에 허가를 받아 수년 동안 대규모 수직적 재처리(VR) 공장을 생산하고 있었다. 1970년대 중반까지 이 회사의 임페리얼 제련로(ISF) 공장으로 대체될 때까지 사용되었다. 그 VR 공장은 1975년에 철거되었다.

벨기에식 수평 재시도 공정

이 과정은 19세기 중반부터 1951년까지 영국에서 사용된 주요 과정이었다.^[7][9] 소규모 배치 운영으로 설계돼 공정이 매우 비효율적이었다. 각 레토트는 40kg(88lb)만 생산해 기업들이 은행에 모아놓고 대형 가스버너 1개를 사용해 모두 가열했다.^[9] 벨기에 공정은 납, 카드뮴, 철, 구리, 비소의 불순물을 제거하기 위해 재조립이 필요하다.^[6]

역사

아연의 양적 생산은 12세기부터 인도에서, 16세기부터는 중국에까지 있었던 것으로 보인다.^[10] 인도에서는 12세기에서 18세기까지 자와르에서 아연이 생산되었다. 비록 몇몇 아연 공예품들은 유럽의 고대 시대에 만들어진 것으로 보이지만,^[11] 여기서 발견된 스팔라이트 광석은 구이를 통해 산화아연으로 변환된 것으로 추정되지만, 이것의 고고학적 증거는 발견되지 않았다. 제련은 구운 광석, 돌로마이트, 그리고 아마도 소똥과 같은 유기 물질들이 혼합된 밀봉된 원통형 점토 재질로 포장된 후 용광로에 수직으로 놓고 약 1100℃까지 가열된 것으로 생각된다. 유기 물질에 의해 생성되는 일산화탄소는 산화 아연을 아연 증기로 감소시켰을 것이고, 아연은 레토트 바닥에 있는 원뿔형 점토 응축기에 액화하여 채집 용기로 떨어졌을 것이다. 1400–1800년 기간 동안, 생산량은 약 200 kg/day로 추정된다.^[12] 아연은 16세기 중반부터 중국에서도 제련되었다.^[13]

유럽에서 대규모 아연 생산은 1738년 아연 증류 공정에 특허를 얻은 윌리엄 챔피온으로부터 시작되었다.^[14] 챔피온의 공정에서는 아연 광석(이 경우 탄산염 ZnCO₃)을 숯으로 대형 환원 화분에 밀봉하여 용광로에서 가열하였다. 그 후 아연 증기는 철 응축관을 통해 아래로 내려갔고, 바닥에는 물이 가득 찬 용기에 닿았다.^[15] 챔피언은 영국 브리스톨에서 그의 첫 아연 작품을 세웠으나 곧 워믈리로 확장했고 1754년까지 그곳에 아연로 4개를 만들었다.^[16] Champion은 약 200톤의 아연을 생산하는 데 성공했지만 사업 계획은 성공하지 못했고 1769년까지 파산했다.^[16][15] 그러나 아연 제련은 1880년까지 이 지역에서 계속되었다.^[16]

주어진 방법에^[17][18] 의해 생성되는 아연의 비율

연도	수평 말대꾸하다	수직 말대꾸하다	전열학	블라스트 용광로	전해질
<1916	>90
1929					28
1937					c. 33
1960	34.5	11	7.5	2	45
1970	15	10	6.5	12.5	56
1980	3	7	6	10	74

초기 유럽 아연 생산은 실레시아, 카린시아, 벨기에 리에지에서도 이루어졌다. 1798년 베르그라스 딜링거가 설립한 작품에서 사용된 카린시안 공정에서는 나무로 만든 용광로가 많은 수의 작은 수직 리토트를 가열했고,^[19] 그 후 아연 증기가 세라믹 파이프를 통해 아래쪽의 공통 응축실로 떨어졌다. 이 과정은 1840년까지 사용되지 않았다. 벨기에와 실레시아 공정은 둘 다 수평적인 반격을 사용했다.^[20] 실레시아에서 요한 루베르크는 아연을 증류하기 위해 1799년에 아연을 증류하기 위해 용광로를 건설했는데 처음에는 화분을 사용했지만 나중에는 아연이 응축된 수평 튜브에 부착된 "머플"이라고 불리는 평평한 바닥의 리토트로 바뀌었다. 실레시아 공정은 결국 벨기에 공정에 병합되었다. 장자크 대니얼 도니가 개발한 이 과정은 1805–1810이 도입되었으며, 원통형 단면으로 리토트를 사용했다.^[19][20] 응축기는 레토트 끝에서 뻗어 나온 수평 점토관이었다.^[21] 병합된 "벨고-실레시아" 수평적 보복 과정은 19세기 3/4분기까지 유럽에서 널리 채택되었고, 이후 미국에서 채택되었다.^[20]

전기분해를 통해 아연을 추출하려는 실험적인 시도는 19세기에 시작되었지만 1913년 이전에 상업적으로 성공한 유일한 적용은 영국과 오스트리아에서 사용된 과정으로, 아연과 염소가 수용성 염화아연 용액의 전기분해에 의해 공동 생산되었다.^[22] 몬태나주 아나콘다에 있는 아나콘다 구리 회사와 브리티시 컬럼비아주 트레일에 있는 통합광업 및 제련 회사는 둘 다 현재 사용되는 황산아연 공정을 이용하여 1915년에 성공적인 전기 설비를 건설했다.^[23] 이 방법은 계속해서 중요성이 커졌고 1975년에는 세계 아연 생산량의 68%를 차지했다.^[24]

연속적인 수직적 보복 과정은 뉴저지 아연 회사에 의해 1929년에 도입되었다. 이 공정은 높이 약 9m, 단면 2x0.3m의 실리콘 카바이드 벽으로 리토트를 사용하였다. 레토트의 벽면을 1300℃까지 가열하고, 소결 아연광석, 콜라, 석탄, 재활용 재료로 구성된 연탄을 레토트의 상부에 먹였다. 기둥 꼭대기에서 기체 아연을 떼어내고, 20시간 동안 레토트를 거쳐서 사용한 연탄은 바닥에서 제거되었다.^[25] 기체아연을 응축하기 위해 처음에는 카르보룬덤 배플이 달린 간단한 벽돌방을 사용했지만 효율성이 떨어졌다. 1940년대 동안 전기 임펠러가 던진 액체 아연 물방울에 아연 증기를 응축하는 콘덴서가 개발되었다.^[26]

성인에 의해 개발된 전기 열처리. Joseph's Lead Company는 약간 비슷했다.^[25][27] 이 공정을 이용한 최초의 상업용 공장은 1930년 펜실베이니아 조셉타운 현지에 건설되었다. 전열로는 높이 15m, 지름 2m 정도의 강철 원통으로 불브릭이 줄지어 있었다. 소결된 광석과 코크스의 혼합물을 용광로 상부에 공급하고, 전위차 240볼트의 전위차에서 10,000–20,000암페어의 전류를 용광로의 탄소 전극 사이에 가하여 온도가 1200–1400℃로 상승하였다.^[25][27] 효율적인 콘덴서는 1931-1936년 이 과정을 위해 고안되었다; 그것은 흡입으로 배기가스를 빨아들이는 액체 아연으로 이루어진 욕조였다. 가스 흐름의 아연 함량이 액체 욕조에 흡수되었다.^[26]

폭발-화성 공정은 1943년 영국 아본머스에서 제련공사에 의해 개발되었으며,^[28] 1968년 리오 틴토 아연의 일부가 되었다.^[29] 용융된 납 방울을 분사하여 아연 증기를 응축한다.^[30]

참고 항목

• 와일즈 공정

참조

위키미디어 커먼즈에는 아연 제련소와 관련된 미디어가 있다.