Numerical studies on the smelting furnace in mitsubishi process for Cu refining

Abstract

동 제련 공법 중 하나인 미쯔비시 공정 중 용련로(S로)는 동 정광을 약 68%의 동을 함유한 매트로 제련하는 공정이다. S로 내부는 1300℃ 가 넘는 고온 분위기와 격렬한 반응이 일어나고 있다. 현재 현재 조업에서 발생하는 문제점 중 하나는 동 광석과 포화 산소를 투입하는 랜스의 짧은 수명과 불규칙한 파괴이다. 특히 2008년 증설 후 고가의 고크롬강 재질인 랜스의 교체 비용이 증가하고 있고, 불규칙하게 파괴된 랜스의 높이를 맞추기 위한 조업 중지 작업 때문에 상당한 공정 비용 손실이 발생되고 있다. 미쯔비시 공정에 대한 선행 연구가 부족한 상황에 가혹한 내부 환경 때문에 실험적인 접근도 어렵기 때문에 S로에 대한 공정을 모사할 수 있는 수치 모델 개발이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 다상 유동, 열 전달, 복사, 입자 추적 등과 같은 S로의 복잡한 현상들을 모사할 수 있는 종합 모델을 개발하고, 모델을 사용해 S 로 내부에서 일어나는 현상들을 이해하고 이론적, 학술적으로 의미 있는 데이터를 찾아, 다양한 수치 실험을 통해 S로 내부에서 일어나는 문제들을(랜스 파괴 등) 해결하고 개선책을 제시하고자 한다. S로 내부의 유동 현상은 가스 및 입자 투입 조건에 따라 변화한다. 가스와 입자가 동시에 투입될 때 멜트의 유속이 더 높고, 특히 랜스 하단의 유속이 높다. 강한 투입 속도로 인해 많은 매트와 슬래그가 비산되어 랜스 및 로 내에 안 좋은 영향을 주고 있다. 공정 중 가스만 주입될 때에는 랜스 팁의 온도가 빠르게 상승하고, 가스와 광석이 동시에 주입될 때에는 랜스 팁의 온도가 느리게 하강하였다. 계산을 통해 광석의 반응열 및 복사열 때문에 온도가 상승하고, 광석의 열 흡수 때문에 온도가 하강하는 것을 확인하였다. FFT 분석을 통해 비산되는 멜트의 볼륨 비와 랜스의 온도 변동 주기가 비슷하고 따라서 멜트의 비산이 랜스의 온도 변동을 유발한다는 것을 밝혀내었다. 랜스가 겪는 내부-외부, 상단-하단 및 온도 변동 현상들은 랜스에 열 응력 및 열 피로를 야기할 수 있으며, 응력 분석 결과 대부분의 랜스가 항복강도 이상의 응력을 받고 특히 온도 변화를 많이 겪는 랜스 하단이 취약함을 확인하였다. 사용 전 랜스와 파괴된 랜스의 미세조직을 분석한 결과, 랜스 외부 표면에서 Cr 이 감소되고 S, Si 및 O 로 이루어진 물질들이 grain boundary 내부에 침투해 있는 것을 확인하였다. 이로 인해 외부 표면이 취약해지고 공정 중 랜스가 받는 저주기 열 피로 및 비산되는 매트 및 슬래그 등의 외부 요인으로 인해 crack 이 생성되고 랜스 내부로 빠르게 전파되어 랜스의 빠른 파괴가 일어나는 메커니즘을 예상할 수 있었다. 랜스의 파괴를 줄이는 방법으로 랜스 팁의 높이를 상승시 켜 랜스가 받는 열 피로를 줄이는 수치 실험을 진행하였다. 랜스 팁을 올리면 맬트의 혼합에 있어 불리해질 수 있는 문제가 있기 때문에 현업 조건의 랜스 팁의 높이와 유속을 맬트 혼합의 기준점으로 설정하고, 다양한 조건들을 수치 실험을 통해 비교 분석하였다. 그 결과 랜스 팁의 높이가 낮을수록, 랜스 팁의 유속이 높을수록 로 내 유동 현상은 불안정해지며, 랜스 팁을 올리더라도 유속을 올리면 동일한 맬트의 혼합을 유지하며 로 내 유동 현상은 안정화 될 수 있음을 확인하였다. 특히, 랜스 팁을 올렸을 때 랜스의 온도가 기존보다 낮아져 1000℃ 이상의 고온에서 랜스가 받는 문제점 및 열 피로 현상들을 줄일 수 있음을 확인하였고, 결론적으로 랜스의 파괴를 줄이고 안정한 로 내 조건을 구현할 수 있음을 확인하였다.