17. 아연 생산 (1)

아연 생산

-아연 생산의 개요 : 아연은 중요한 비출금속으로 전 세계적으로 매장량이 가장 풍부한 금속 중의 하나이다. 아연은 유리된 금속상태로 존재하지 않고, 화합물 형태로 존재하며, 제련에 주로 이용되는 광석은 일반 금속과 달리(산화물) 황화합물인 섬아연광이다. 대분분의 섬아연광은 철 함량이 높고, 구리, 납 등이 포함된 경우도 많다. 또한, 아연광석은 여러 불순물이 함유되어 있기 때문에 전처리 과정을 거쳐 아연의 순도를 높여야 한다. 아연의 생산방법에는 원광석을 사용하는 1차 생산공정과 재활용 아연을 사용하는 2차 생산공정으로 구분하고 있다. 1차 아연 생산공정은 습식 아연 제련법(전해법)과 건식 야금법으로 구분할 수 있으며, 2차 아연 생산공정은 Waelz kiln 공정, Fuming 공정이 있다. 1차 아연 생산공정은 아연정광공정과 아연 제련 생산공정으로 구분된다. 아연광석의 아연 함량은 5~15% 가량으로 제련소에서 바로 처리할 수가 없으므로 아연정광공정을 거쳐 순도가 높은 아연정광을 생산한다. 아연정광공정은 아연광석을 조분쇄, 미분쇄, 부유선광 등의 과정을 통해 아연 품위가 50% 가량인 아연정광을 생산하는 공정이다. 현재 국내에서는 아연정광을 생산하는 사업장은 없다. 아연 제련 생산공정은 아연정광을 이용하여 아연괴를 생산하는 공정이다. 아연 제련 생산공정은 배소공정, 용융 융해공정, 정액공정, 전해공정, 주조공정 등으로 구성되어 있다. 배소공정은 아연정광을 황산에 용해되기 쉬운 소광으로 변형하는 공정이고, 용융 융해공정은 소광을 황산으로 용해하여 황화아연용액인 아연중성액을 생산하는 공정이다. 정액공정은 아연중성액에서 불순물인 Cu, Cd, Co, Ni 등을 제거하는 공정이며, 전해공정에서 아연중성액은 전기 분해되어 음극에 아연이 정착 생산되게 된다. 주조공정은 아연 캐소드를 주조로에서 주조하여 최종 제품인 아연괴를 생산하는 공정이다.

-아연 생산공정

①습식 아연 제련법 : 1차 생산방법인 습식 아연 제련법은 희석황산에서 용해되어 있는 황산아연으로부터 전기분해를 통해 아연을 생산하는 방법으로 전 세계 80%80% 이상의 아연 제련소에서 도입하고 있는 방법이며, 국내의 아연 생산업체인 고려아연과 ㈜영풍에서도 모두 습식 아연 제련법을 택하고 있다. 습식 아연 제련법은 배소공정, 용융 융해공정, 정액공정, 전해공정, 주조공정으로 이루어져 있고 국내에서 아연을 생산하는 유일한 방법이다.

배소공정은 아연정광(아연광석이 전처리 과정을 거쳐 Zn 50%, S 30%, Fe 8% 정도의 물질)이 컨베이어를 타고 배소로에 투입되어 약 950℃에서 공기 중의 산소와 반응하여 소광이 생성된다. 배소로는 유동 배소로, 다단 배소로, 로터리 킬른 등이 있으며, 그중에서 가장 많이 사용하는 것은 유동 배소로이며, 정광 중의 황화아연은 산화되어 황산에 용해되기 쉬운 산화물 형태인 소광으로 변형된다. 배소로에서 발생한 가스는 SO2 함유하고 있으며, 소광을 융해공정에 투입하기 전에 Silo Bin에 저장하고, SO2 가스가 세정 및 흡수 과정을 거쳐 황산제조설비로 유입된다. 배소 시의 열원은 자체 발열반응의 열을 이용하므로 외부에서 특별한 연료 공급 없이 반응이 자생적으로 이루어진다. 배소공정은 생산 목표 물질에 따라 구분되며, 목표 물질이 산화물, 황산염, 염화물인 경우는 각각 산화배소, 황산화배소, 염화배소라 부르며, 산화물 광석을 환원하는 환원배소, 물에 가용인 나트륨염으로 하는 소다배소 등이 있다.

용융 융해공정은 배소공정에서 생성된 소광을 황산으로 용해시켜 황화아연용액인 아연중성액을 만드는 공정이다. 융해공정에서는 아연 ㅇ외의 다른 금속불순물도 함께 용해되므로 불순물 함량을 분리 추출하여 최소화하기 위해 융해공정은 pH가 다른 여거 공정으로 이루어져 있다. 불순물은 잔류 고상물질 형태로 분리되는데, Residue에는 중금속 및 여러 유가금속이 함유되어 있으므로 추가적인 유가금속 회수 및 안정화 처리가 반드시 필요하다.

정액공정은 융해공정을 통해 생성된 중성액에서 금속류 불순물을 제거하는 공정이다. 아연 전해에 문제를 일으킬 수 있는 소지가 있는 Cu, Cd, Co, Ni 등을 아연말을 투입하여 침전 제거한다. 제거된 불순물은 부산물 회수 공정에서 완제품 또는 반제품의 현대로 회수된다.

전해공정은 전해질 용액, 용융 전해질 등의 이온전도체에 전류를 통해서 화학변화를 일으키는 전해액 냉각을 위해 냉각탑을 선치 운영한다. 공정오는ㄴ 950~1,000℃이며, 정제된 아연액은 전해공정에서 정류기를 거쳐 직류 전류를 통전하여 순수한 아연인 음극판에 전착하게 된다. 아연의 건해공정에서 채취 시 황산이 유리되므로 아연이 전착되고 남은 미액은 융해공정으로 보내 소광 중의 아연을 용해하는 데 재이용한다. 아연이 전착된 음극판은 주기적으로 박리하여 주조공정으로 보내게 된다. 전해공은 전체 공정에서 전력 사용의 85%를 차지하는 에너지 다소비 공정이다. 따라서 일정한 아연 생산량을 유지하기 위해서는 일정한 전력량이 반드시 필요하다.

주조공정은 박리된 아연 음극판을 저주파 유도로에 용융시켜 여러 종류의 아연제품을 생산하는 공정으로 고순도 아연의 경우 순도는 99.995% 이상으로 건식 제련을 통해 생산된 아연보다 순도가 높다. 아연 음극판을 주조로에서 주조하여 최종 제품인 아연괴를 생산하고, 정액공정에서 불순물 제거를 위한 아연말도 생산하며, 주조시에 발생된 아연산화물인 드로스는 배소공정으로 보내어 아연을 회수하고 있다.