제련

Smelting
TVA케미컬 플랜트 내 전기인산염 제련로(1942)

제련[1]모재를 추출하기 위해 광석에 을 가하는 과정이다.그것은 추출 야금의 한 형태이다.그것은 은, , 구리, 그리고 다른 비금속들을 포함한 많은 금속들을 광석에서 추출하는데 사용된다.제련은 열과 화학 환원제를 사용하여 광석을 분해하여 가스나 슬래그와 같은 다른 원소를 제거하고 금속 기판을 남깁니다.환원제는 일반적으로 코크스와 같은 탄소의 화석 연료원이거나 이전에는 [2]이었습니다.광석의 산소는 이산화탄소(CO2) 결합의 낮은 잠재 에너지 때문에 고온에서 탄소와 결합한다.용융은 용광로에서 가장 두드러지게 일어나 선철을 생산하고, 선철은 강철로 변환됩니다.

탄소원은 광석에서 산소를 제거하는 화학반응물질로 작용하여 정제된 금속원소를 생성한다.탄소원은 두 단계로 산화됩니다.먼저 탄소(C)가 공기 중에 산소(O2)와 함께 연소하여 일산화탄소(CO)를 생성한다.둘째, 일산화탄소는 광석과 반응하여(예: FeO23) 산소 원자 중 하나를 제거하여 이산화탄소(CO2)를 방출합니다.일산화탄소와의 연속적인 상호작용 후 광석의 모든 산소가 제거되어 원금속 원소(예: Fe)[3]가 남게 됩니다.대부분의 광석은 불순물이기 때문에 슬래그로서 수반되는 암괴를 제거하기 위해 석회암(또는 돌로마이트)과 같은 플럭스를 사용해야 하는 경우가 많습니다.소성 반응은 또한 자주 이산화탄소를 배출한다.

알루미늄의 전해 감소를 위한 공장은 일반적으로 알루미늄 제련소라고도 합니다.

과정

제련은 광석에서 금속을 녹이는 것 이상을 수반한다.대부분의 광석은 금속과 산소(산화물), 황(황화물), 탄소와 산소가 함께 있는 다른 원소들의 화합물이다.금속을 추출하기 위해, 근로자들은 이 화합물들을 화학반응을 일으키게 해야 한다.따라서 제련은 산화 원소와 결합하여 금속을 자유롭게 하는 적절한 환원 물질을 사용하는 것으로 구성됩니다.

로스팅

황화물과 탄산염의 경우, "구이"라고 불리는 과정이 불필요한 탄소나 황을 제거하여 산화물을 남기는데, 이것은 직접적으로 환원될 수 있다.로스팅은 보통 산화 환경에서 이루어집니다.몇 가지 실제 예를 들어보겠습니다.

  • 구리의 일반적인 광석인 말라카이트는 주로 탄산구리2 Cu(CO3)(OH)2[4]입니다.이 광물은 250°C에서 350°C 사이의 여러 단계에서 2CuO, CO22[5], HO로 열분해된다.이산화탄소와 은 대기 중으로 배출되어 구리를 남긴다.II) 산화물. 다음 에서 설명하는 바와 같이 직접 구리로 환원할 수 있습니다.
  • 가장 일반적인 납 광물인 갈레나는 주로 황화납(PbS)입니다.황화물은 아황산염(PbSO3)으로 산화되어 산화납과 이산화황 가스로 열분해되며 (PbO, SO2) 이산화황은 앞의 와 같이 배출되고 산화납은 다음과 같이 환원된다.

축소

환원이란 산화물이 원소 금속이 되는 제련의 마지막 고온 단계입니다.환원 환경(종종 공기가 부족한 용해로의 불완전 연소에 의해 만들어진 일산화탄소에 의해 제공됨)은 최종 산소 원자를 원금속에서 끌어냅니다.필요한 온도는 절대적인 측면과 모재의 융점 측면에서 매우 큰 범위에 걸쳐 변화합니다.예:

  • 산화철은 약 1250°C(2282°F 또는 1523.15K)에서 금속 철이 되며, 이는 철의 용해점인 1538°C(2800.4°F 또는 1811.15K)[6]보다 거의 300도 낮은 온도입니다.
  • 수은 산화물은 수은의 녹는점 -38°C(-36.4°F 또는 235.15K)[7]보다 거의 600도 높은 550°C(1022°F 또는 823.15K) 부근에서 수은 증기가 됩니다.

플럭스 및 슬래그는 환원 단계가 완료된 후 2차 서비스를 제공할 수 있습니다. 즉, 정제된 금속에 용융 커버를 제공하여 쉽게 산화될 수 있을 만큼 뜨거운 상태에서 산소와의 접촉을 방지합니다.이것은 금속에 불순물이 생기는 것을 방지한다.

플럭스

금속 작업자는 여러 가지 목적으로 플럭스를 제련에 사용합니다. 그 중 가장 중요한 것은 원하는 반응을 촉매하고 원치 않는 불순물이나 반응 생성물에 화학적으로 결합하는 것입니다.석회 형태의 산화칼슘은 종종 이러한 목적으로 사용되었는데, 이는 석회가 로스팅과 제련 과정에서 발생하는 이산화탄소와 이산화황과 반응하여 작업 환경을 벗어날 수 있기 때문입니다.

역사

고대에 알려진 일곱 개의 금속 중, 오직 금만이 자연 환경에서 토종 형태로 정기적으로 발생한다.구리, , , 주석, , 수은다른 것들은 주로 광물로 발생하지만, 구리는 때때로 상업적으로 상당한 양의 광물로 발견된다.이 광물들은 주로 실리카와 알루미나와 같은 다른 성분들과 혼합된 탄산염, 황화물 또는 금속의 산화물이다.탄산염과 황화물 광물을 공기 중에 구우면 산화물로 변환됩니다.산화물은 차례로 금속에 용해된다.일산화탄소는 제련에 가장 적합한 환원제였다.가열 과정에서 가스가 광석과 밀접하게 접촉할 때 쉽게 생성됩니다.

구세계에서 인간은 8000여 년 전 선사 시대에 금속을 제련하는 법을 배웠다.처음에는 구리와 청동, 그리고 몇 천 년 후에는 철이라는 "유용한" 금속의 발견과 사용은 인간 사회에 엄청난 영향을 미쳤다.그 영향이 너무 광범위해서 학자들은 전통적으로 고대사석기시대, 청동기시대, 철기시대구분한다.

아메리카 대륙에서, 페루의 중앙 안데스 산맥의 잉카 문명 이전은 유럽인들이 16세기에 도착하기 최소 6세기 전에 구리와 은의 제련에 숙달되어 있었지만, 무기 [8]제조에 사용되는 철과 같은 금속의 제련에는 숙달하지 못했다.

주석과 납

구세계에서 최초로 용해된 금속은 주석과 납이었다.가장 먼저 알려진 납 구슬은 아나톨리아(터키)의 사탈 회위크 유적에서 발견되었으며 기원전 약 6500년 전의 것으로 추정되지만, 금속은 이보다 [citation needed]더 일찍 알려졌을 수 있습니다.

이 발견은 문자가 발명되기 몇 천 년 전에 일어났기 때문에, 어떻게 그것이 만들어졌는지 기록된 기록이 없다.그러나 주석과 납은 광석을 장작불에 넣어 제련할 수 있어 우연히 발견됐을 가능성도 있다.

납은 흔한 금속이지만, 고대 세계에서는 상대적으로 거의 영향을 미치지 않았다.구조 요소나 무기에 사용하기에는 너무 부드럽지만, 다른 금속에 비해 밀도가 높아 슬링 발사체에 이상적입니다.하지만, 그것은 주조하고 모양을 만드는 것이 쉬웠기 때문에, 고대 그리스와 고대 로마의 고전 세계의 일꾼들은 물을 파이프로 연결하고 저장하기 위해 그것을 광범위하게 사용했다.그들은 또한 그것을 [9][10]석조 건물에서 모르타르로 사용했다.

주석의 흔성은 납보다 훨씬 적고, 경도는 극히 낮으며, 그 자체로도 영향이 적습니다.

구리 및 청동

주석과 납 다음으로 금속이 용해된 것은 구리로 보인다.그 발견이 어떻게 이루어졌는지는 논의되고 있다.캠프파이어는 필요한 온도보다 약 200°C가 부족하기 때문에 구리가 처음 용융된 것은 도자기가마일 것이라는 추측도 있다.구세계와는 독립적으로 일어난 것으로 여겨지는 안데스 산맥의 구리 제련의 발전도 같은 [8]방식으로 일어났을 수 있다.기원전 5500년에서 기원전 5000년 사이의 구리 제련에 대한 최초의 현재의 증거는 세르비아의 [11][12]플로치닉과 벨로보데에서 발견되었다.한때 가장 오래된 증거로 여겨졌던 기원전 5000년으로 추정되는 터키 캔 하산에서 발견된 메이스 머리는 이제 토종 [13]구리를 망치로 두른 것으로 보인다.

구리와 주석 및/또는 비소를 적절한 비율로 조합하면 구리보다 훨씬 단단한 합금인 청동이 생성됩니다.최초의 구리/아세닉 청동은 기원전 4200년 소아시아에서 유래했다.잉카 청동 합금도 이런 종류였다.비소는 구리 광석의 불순물인 경우가 많기 때문에 우연히 발견되었을 가능성이 있습니다.결국 비소가 함유된 광물이 [citation needed]제련 중에 의도적으로 첨가되었다.

단단하고 내구성이 뛰어난 구리-주석 청동은 기원전 3500년 경에 개발되었으며, [14]소아시아에서도 개발되었습니다.

스미스가 어떻게 구리/주석 청동을 생산하는 법을 배웠는지는 알려지지 않았다.이런 청동은 주석으로 오염된 구리 광석에서 발생한 행운의 사고였을지도 모른다.그러나 기원전 2000년까지 사람들은 청동을 생산하기 위해 일부러 주석 광산을 했습니다. 주석도 반희귀 금속이고, 풍부한 캐시타이트 광석도 5%의 주석만을 가지고 있다는 것을 고려하면 놀라운 일입니다.또한 광맥을 찾아 더 풍부한 광맥을 찾기 위해서는 특별한 기술(또는 특수 악기)이 필요합니다.그러나 초기 사람들은 기원전 [citation needed]2000년까지 주석의 사용법을 알게 되었다.

구리와 청동 제조의 발견은 구세계 역사에 큰 영향을 미쳤다.금속은 나무, 뼈, 돌보다 더 무겁고, 강하고, 충격에 강한 무기를 만들기에 충분했다.수천 년 동안, 청동은 방패, 헬멧, 그리브(금속 정강이 보호구), 그리고 다른 갑옷과 같은 보호구뿐만 아니라 칼, 단검, 전투도끼, 과 화살촉과 같은 무기들의 재료로 선택되었습니다.청동은 또한 끌, , 아데, , 날이위, , 바느질바늘과 핀, 항아리, 냄비, 가마솥, 거울,[citation needed] 마구와 같은 도구와 가구에 있는 유기물들을 대체했다.주석과 구리는 유럽과 아시아의 넓은 지역에 걸친 무역 네트워크 구축에 기여했으며 개인과 [citation needed]국가 간의 부의 분배에 큰 영향을 미쳤다.

1637년에 출판된 송잉싱의 중국 천공개우 백과사전에서 나온 청동 딩 삼각대를 주조한 것입니다.

조기 제련

제철에 대한 최초의 증거는 카만 칼레호예크의 프로토-히타이트 층에서 발견된 적절한 양의 탄소 혼합물을 가진 소수의 철 조각으로 기원전 [15]2200-2000년으로 거슬러 올라간다.수코바-시골로바(2001)는 중앙 아나톨리아에서 기원전 1800년경에 매우 제한된 양으로 철기구가 만들어졌고, 신히타이트 제국(기원전 1400년-1200년)[16] 동안 평민들에 의해까지는 아니지만 엘리트들에 의해 일반적으로 사용되었음을 보여준다.

고고학자들은 제3중간기와 제23왕조(기원전 1100-750년경) 사이의 고대 이집트에서 철이 작용한 흔적을 발견했다.그럼에도 불구하고, 그들은 어떤 (전근대) 시대에도 철광석 제련의 증거를 발견하지 못했다.또한 탄소강은 약 2000년 전(1세기경) 탄자니아 북서부에서 복잡한 예열 원리에 따라 생산되었다.이 발견들은 [17]야금학의 역사에 있어서 중요하다.

유럽과 아프리카의 대부분의 초기 공정은 철이 녹지 않도록 충분히 온도를 낮게 유지하는 블루머리에서 철광석을 제련하는 것을 포함했다.이것은 블룸이라고 불리는 스펀지 모양의 철 덩어리를 생성하는데, 이것은 연철을 생산하기 위해 망치로 결합되어야 합니다.철의 블루머리 제련에 대한 가장 오래된 증거는 요르단의 텔 함메([1])에서 발견되었으며 기원전 930년(C14년)으로 거슬러 올라간다.

후기 철제련

중세부터, 간접적인 과정이 블루머리의 직접적인 감소를 대체하기 시작했다.이것은 선철을 만들기 위해 용광로를 사용했고, 선철은 단조 가능한 철을 만들기 위해 추가 공정을 거쳐야 했습니다.제2단계 공정에는 정미 단조공장에서 피닝(finning)하는 공정과 산업혁명 이후 퍼딩(pudling)이 포함됩니다.두 공정 모두 이제 구식이 되어 연철은 거의 만들어지지 않는다.대신 연강은 베세머 컨버터 또는 코렉스 공정과 같은 제련 환원 공정을 포함한 다른 방법으로 생산됩니다.

비금속

1880년대 후반 스토크어폰트렌트랜드있는 오하이오주의 카울 신디케이트.영국 알루미늄은 [18]이때쯤 폴 에룰트의 공정을 사용했다.

비금속 광석은 종종 황화물입니다.최근 몇 세기 동안, 반사로가 연료와 별도로 용해되는 전하를 유지하기 위해 사용되어 왔습니다.전통적으로 그것들은 제련의 첫 단계로 사용되었습니다. 하나는 대부분의 불순물을 포함하는 산화 슬래그, 다른 하나는 귀중한 금속 황화물과 일부 불순물을 포함하는 황화물 매트입니다.이러한 "반발" 용광로는 오늘날 길이 약 40미터, 높이 3미터, 폭 10미터이다.연료는 한쪽 끝에서 연소되어 용해로 지붕의 개구부를 통해 공급되는 건조한 황화물 농축액(일반적으로 부분 로스팅 후)을 녹입니다.슬래그는 무거운 매트 위를 떠다니며 제거 및 폐기되거나 재활용됩니다.그런 다음 황화물 무광은 변환기로 보내집니다.공정의 정확한 세부 사항은 광체의 광물학에 따라 용해로마다 다릅니다.

반사로에서는 구리가 거의 함유되지 않은 슬래그를 생산했지만, 에너지 효율이 상대적으로 낮았고 포획이 어려운 저농도의 이산화황을 배출했습니다. 새로운 세대의 구리 제련 기술이 [19]이를 대체했습니다.보다 최근의 용해로는 욕조 제련, 상단 분사 랜스 제련, 플래시 제련 및 용광로를 사용합니다.목욕 제련소의 예로는 노란다로, 이자멜트로, 테네시 원자로, 부뉴코프 제련소 및 SKS 기술이 있습니다.탑제트 랜스 제련소에는 미쓰비시 제련로 등이 있다.플래시 제련소는 전 세계 구리 제련소의 50% 이상을 차지하고 있습니다.Kivset, Ausmelt, Tamano, EAF, BF 등 다양한 제련 공정이 있습니다.

환경 및 직업 보건에 미치는 영향

제련은 환경에 심각한 영향을 미쳐 폐수와 슬래그를 생성하고 구리, 은, , 코발트, 셀레늄과 같은 독성 금속을 대기 [20]중으로 방출한다.제련소는 또한 이산화황 가스를 방출하여 산성비의 원인이 되고, 산성비는 토양과 [21]물을 산성화합니다.

캐나다의 Flin Flon에 있는 제련소는 20세기 [22][23]북미에서 가장 큰 수은 공급원 중 하나였다.제련소의 방출이 대폭 줄어든 후에도 경관 재방출은 지역의 주요 수은 공급원이었다.호수들은 빗물로 되돌아오는 재방출과 [22]토양에서 나오는 금속의 침출로 인해 수십 년 동안 제련소에서 수은 오염을 받게 될 것이다.

대기 오염

폐수

제철소에 의해 배출되는 폐수오염물질에는 벤젠, 나프탈렌, 안트라센, 시안화물, 암모니아, 페놀크레졸 의 가스화 생성물과 함께 집합적으로 다환방향족탄화수소(PAH)[24]로 알려진 일련의 보다 복잡한 유기화합물이 포함된다.처리 기술에는 폐수 재활용, 고형물 제거를 위한 침전 분지, 정화제 및 여과 시스템, 오일 스키머여과기, 용해 금속을 위한 화학적 침전 및 여과, 유기 오염 물질을 위한 탄소 흡착 및 생물학적 산화, [25]증발 등이 포함됩니다.

다른 유형의 제련소에서 발생하는 오염 물질은 비금속 광석에 따라 다릅니다.예를 들어 알루미늄 제련소는 일반적으로 알루미늄뿐만 아니라 플루오르화물, 벤조(a) 피렌, 안티몬 니켈을 생성합니다.구리 제련소는 일반적으로 [26]구리와 더불어 카드뮴, 납, 아연, 비소 및 니켈을 방출합니다.

건강에 미치는 영향

제련업에 종사하는 노동자들은 그들의 [27]직업에서 요구되는 육체적 작업을 수행하는 능력을 저해하는 호흡기 질환이 있다고 보고되었다.

규정

미국에서는 환경보호청이 제련소에 대한 오염관리 규정을 발표했다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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참고 문헌

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외부 링크