구리

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배경

구리는 기본 화학 원소 중 하나입니다. 거의 순수한 상태의 구리는 높은 열 및 전기 전도성으로 알려진 붉은 주황색 금속입니다. 그것은 일반적으로 전선, 요리 냄비 및 팬, 파이프 및 튜브, 자동차 라디에이터 및 기타 여러 제품을 포함한 다양한 제품을 생산하는 데 사용됩니다. 구리는 또한 종이, 페인트, 직물 및 목재의 안료 및 방부제로 사용됩니다. 아연과 결합하여 황동을 생성하고 주석과 결합하여 청동을 생성합니다.

구리는 10,000년 전에 처음 사용되었습니다. 기원전 8700년경 <작은> 구리 펜던트 지금의 이라크 북부 지역에서 발견되었습니다. 기원전 6400년경 <작은> 증거가 있습니다. 구리는 현재 터키로 알려진 지역에서 녹여서 주조되고 있었습니다. 기원전 4500년 <작은> , 이 기술은 이집트에서도 시행되고 있었습니다. 기원전 4000년 <소> 이전에 사용된 구리의 대부분. 천연 구리 또는 지구에 영향을 미친 운석의 고립된 노두의 무작위 발견에서 비롯되었습니다. 구리 광석의 체계적인 추출에 대한 첫 번째 언급은 B.C. 이집트 참조가 시나이 반도의 광산 작업을 설명할 때.

기원전 3000년경 <소> , 지중해의 키프로스 섬에서 구리 광석의 대규모 매장량이 발견되었습니다. 로마인들이 키프로스를 정복했을 때, 그들은 금속에 라틴어 이름 aes cyprium, 를 주었습니다. 그것은 종종 cyprium으로 단축되었습니다. 나중에 이것은 영어 단어 구리와 화학 기호 Cu가 파생된 cuprum으로 손상되었습니다.

남아메리카에서는 기원전 500년 <소형> 페루 북부 해안을 따라 구리 제품이 생산되었습니다. , 그리고 구리 야금술의 발전은 잉카 제국이 1500년대에 스페인을 정복한 군인들에게 멸망할 때까지 잘 진행되었습니다.

미국에서는 1705년 코네티컷 주 브랜비에서 최초의 구리 광산이 열렸고 1732년 펜실베니아 주 랭커스터에서 첫 구리 광산이 열렸습니다. 이러한 초기 생산에도 불구하고 미국에서 사용되는 대부분의 구리는 1844년까지 칠레에서 수입되었습니다. 슈피리어 호수 주변의 고급 구리 광석의 대규모 채굴이 시작되었습니다. 1800년대 후반에 보다 효율적인 처리 기술의 개발로 미국 서부의 거대한 노천 광산에서 저급 구리 광석을 채굴할 수 있게 되었습니다.

오늘날 미국과 칠레는 세계 2위의 구리 생산 국가이며 러시아, 캐나다, 중국이 그 뒤를 잇습니다.

원자재

순수한 구리는 자연에서 거의 발견되지 않지만 일반적으로 구리 광석의 형태로 다른 화학 물질과 결합됩니다. 전 세계 40개국에서 약 15개의 구리 광석이 상업적으로 채굴됩니다. 가장 흔한 것은 구리가 황과 화학적으로 결합된 황화물 광석으로 알려져 있습니다. 다른 것들은 존재하는 화학 물질에 따라 산화물 광석, 탄산염 광석 또는 혼합 광석으로 알려져 있습니다. 많은 구리 광석에는 상당한 양의 금, 은, 니켈 및 기타 귀금속과 상업적으로 쓸모없는 대량의 물질이 포함되어 있습니다. 미국에서 채굴되는 대부분의 구리 광석에는 중량 기준으로 약 1.2-1.6%의 구리만 포함되어 있습니다.

가장 일반적인 황화물 광석은 황동석, CuFeS ₂ , 구리 황철광 또는 황색 구리 광석으로도 알려져 있습니다. 백암석, Cu ₂ S는 또 다른 황화물 광석입니다.

큐라이트 또는 적색 구리 광석, Cu ₂ O는 산화물 광석이다. 공작석 또는 녹색 구리 광석, Cu(OH) ₂ •CuCO ₃ , 아주라이트와 마찬가지로 중요한 탄산염 광석 또는 청색 탄산구리, Cu(OH) ₂ •2CuCO ₃ .

다른 광석에는 테넌타이트, 보로나이트, 크리소콜라 및 아타카마이트가 포함됩니다.

광석 자체 외에도 여러 다른 화학 물질이 종종 구리를 처리하고 정제하는 데 사용됩니다. 여기에는 사용되는 공정에 따라 황산, 산소, 철, 실리카 및 다양한 유기 화합물이 포함됩니다.

제조
프로세스

구리 광석에서 구리를 추출하는 과정은 광석의 유형과 최종 제품의 원하는 순도에 따라 다릅니다. 각 공정은 원치 않는 물질을 물리적 또는 화학적으로 제거하고 구리 농도를 점진적으로 높이는 여러 단계로 구성됩니다. 이러한 단계 중 일부는 광산 현장 자체에서 수행되는 반면 다른 단계는 별도의 시설에서 수행될 수 있습니다.

다음은 미국 서부에서 일반적으로 발견되는 황화물 광석을 처리하는 데 사용되는 단계입니다.

채굴

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1 대부분의 황화물 광석은 거대한 노천 광산에서 드릴링 및 폭발물로 발파하여 채취합니다. 이러한 유형의 채광에서는 광석 위에 위치한 과부하(overburden) 물질을 먼저 제거하여 매장된 광상을 노출시킵니다. 이것은 1마일 또는 그 이상으로 자랄 수 있는 열린 구덩이를 생성합니다. 장비에 접근할 수 있는 도로는 구덩이의 내부 경사면을 따라 나선형으로 나 있습니다.

2 노출된 광석은 한 입에 500-900입방피트(15-25입방미터)를 적재할 수 있는 대형 전동 삽으로 퍼냅니다. 광석은 운반 트럭이라고 하는 거대한 덤프 트럭에 적재되어 구덩이 밖으로 운반됩니다.

집중

구리 광석에는 일반적으로 많은 양의 흙, 점토 및 다양한 구리를 함유하지 않는 광물이 포함되어 있습니다. 첫 번째 단계는 이 폐기물의 일부를 제거하는 것입니다. 이 과정을 농축이라고 하며 일반적으로 부유 방법으로 수행됩니다.

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3 광석은 일련의 콘 크러셔에서 파쇄됩니다. 콘 크러셔는 고정된 외부 콘 내부의 편심 수직 축에서 회전하는 내부 그라인딩 콘으로 구성됩니다. 광석이 크러셔의 상단으로 공급되면 두 개의 원뿔 사이에 압착되어 더 작은 조각으로 나뉩니다.

4 분쇄된 광석은 일련의 제분소에 의해 훨씬 더 작게 분쇄됩니다. 첫째, 물과 혼합되어 수많은 짧은 길이의 강철 막대로 채워진 큰 원통형 용기로 구성된 막대 밀에 넣습니다. 실린더가 수평축에서 회전할 때 강철 막대가 굴러 떨어져 직경이 약 0.13인치(3mm)인 조각으로 나뉩니다. 광석과 물의 혼합물은 막대 대신 강구를 사용하는 것을 제외하고는 막대 밀과 같은 두 개의 볼 밀에서 더 분해됩니다. 최종 볼 밀에서 나오는 미세하게 분쇄된 광석의 슬러리에는 직경이 약 0.01인치(0.25mm)인 입자가 포함되어 있습니다.

5 슬러리는 구리 입자를 코팅하는 다양한 화학 시약과 혼합됩니다. 거품기라고 하는 액체도 추가됩니다. 소나무 기름이나 장쇄 알코올은 종종 거품기로 사용됩니다. 이 혼합물은 부유 셀이라고 하는 직사각형 탱크로 펌핑되며, 여기서 공기는 탱크 바닥을 통해 슬러리에 주입됩니다. 화학 시약은 구리 입자가 표면으로 올라올 때 거품에 달라붙게 만듭니다. 거품기는 탱크를 넘고 물통에 수집되는 두꺼운 거품 층을 형성합니다. 거품이 응축되도록 하고 물을 빼냅니다. 구리 농축물이라고 하는 결과 혼합물은 구리 및 철의 다양한 황화물과 함께 더 작은 농도의 금, 은 및 기타 물질과 함께 약 25-35%의 구리를 포함합니다. 탱크에 남아 있는 재료를 맥석 또는 광미라고 합니다. 그들은 침전지로 펌핑되어 건조됩니다.

구리 광석에서 구리를 추출하는 과정은 광석의 종류와 최종 제품의 원하는 순도에 따라 다릅니다. . 각 공정은 원치 않는 물질을 물리적 또는 화학적으로 제거하고 구리 농도를 점진적으로 높이는 여러 단계로 구성됩니다.

제련

광석에서 폐기물이 물리적으로 제거되면 남아 있는 구리 정광은 철과 황을 제거하기 위해 여러 가지 화학 반응을 거쳐야 합니다. 이 공정을 제련이라고 하며 전통적으로 아래에 설명된 두 개의 용광로를 포함합니다. 일부 현대식 설비는 두 작업을 결합한 단일 용광로를 사용합니다.

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6 구리 정광은 플럭스라고 하는 실리카 물질과 함께 용광로에 공급됩니다. 대부분의 구리 제련소는 예열된 산소가 풍부한 공기가 연료유와 함께 연소되도록 용광로에 강제로 들어가는 산소가 풍부한 플래시로를 사용합니다. 구리 정광과 플럭스가 녹아 용광로 바닥에 모입니다. 정광에 있는 철의 대부분은 플럭스와 화학적으로 결합하여 슬래그를 형성하고 용융된 재료의 표면에서 제거됩니다. 정광에 있는 대부분의 황은 산소와 결합하여 이산화황을 형성하며, 이 이산화황은 가스로 용광로에서 배출되고 산성 공장에서 추가로 처리되어 황산을 생성합니다. 용광로 바닥에 남아 있는 용융 물질을 매트라고 합니다. 그것은 구리 황화물과 철 황화물의 혼합물이며 약 60 중량%의 구리를 함유합니다.

7 용융된 매트는 용광로에서 끌어내어 전로라고 하는 두 번째 용광로에 붓습니다. 추가 실리카 플럭스가 추가되고 산소가 용융된 재료를 통해 분사됩니다. 전로의 화학 반응은 플래시 노의 화학 반응과 유사합니다. 실리카 플럭스는 나머지 철과 반응하여 슬래그를 형성하고, 산소는 나머지 황과 반응하여 이산화황을 형성합니다. 슬래그는 플럭스로 작용하기 위해 플래시로 다시 공급될 수 있으며 이산화황은 산성 플랜트를 통해 처리됩니다. 슬래그가 제거된 후 최종 산소 주입으로 미량의 황을 제외한 모든 것이 제거됩니다. 생성된 용융 물질을 블리스터(blister)라고 하며 중량 기준으로 약 99%의 구리를 함유합니다.

정제

구리 블리스터는 99% 순수 구리이지만 추가 정제를 방해할 만큼 충분히 높은 수준의 황, 산소 및 기타 불순물을 함유하고 있습니다. 이러한 물질의 수준을 제거하거나 조정하기 위해 블리스터 구리는 최종 전기정련 공정으로 보내지기 전에 먼저 불로 정련됩니다.

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8 블리스터 구리는 위에서 설명한 전로와 유사한 정제로에서 가열됩니다. 일부 불순물을 산화시키기 위해 용융된 물집에 공기를 불어넣습니다. 미량의 비소와 안티몬을 제거하기 위해 탄산나트륨 플럭스를 첨가할 수 있습니다. 용융된 재료의 샘플을 추출하고 숙련된 작업자가 불순물이 허용 가능한 수준에 도달했을 때 결정합니다. 순도가 약 99.5%인 용융 구리를 몰드에 부어 큰 전기 양극을 형성하고, 이 양극은 전기정련 공정의 양극 단자 역할을 합니다.

9 각 구리 양극은 폴리머 콘크리트로 만들어진 개별 탱크 또는 셀에 배치됩니다. 한 번에 최대 1,250개의 탱크가 작동할 수 있습니다. 음극 또는 음극 단자 역할을 하기 위해 탱크의 반대쪽 끝에 구리 시트가 놓여 있습니다. 탱크는 양극과 음극 사이의 전기 전도체 역할을 하는 산성 황산동 용액으로 채워져 있습니다. 각 탱크에 전류가 흐르면 구리가 양극에서 벗겨지고 음극에 증착됩니다. 나머지 불순물의 대부분은 황산동 용액에서 떨어져 탱크 바닥에 점액을 형성합니다. 약 9-15일 후에 전류가 꺼지고 음극이 제거됩니다. 현재 음극의 무게는 약 136kg(300lb)이고 99.95-99.99% 순수 구리입니다.

10 탱크 바닥에 모이는 슬라임에는 금, 은, 셀레늄, 텔루르가 들어 있습니다. 이러한 귀금속을 회수하기 위해 수집 및 처리됩니다.

캐스팅

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11 정련 후 구리 음극은 용융되어 최종 용도에 따라 주괴, 케이크, 빌렛 또는 봉으로 주조됩니다. 주괴는 직사각형 또는 사다리꼴 벽돌로 다른 금속과 함께 재용해하여 황동 및 청동 제품을 만듭니다. 케이크는 두께가 약 8인치(20cm)이고 길이가 최대 28피트(8.5m)인 직사각형 슬라브입니다. 압연하여 동판, 스트립, 시트 및 호일 제품을 만듭니다. 빌릿은 지름이 약 20cm이고 길이가 수 피트(미터)인 원통형 통나무입니다. 그들은 구리 튜브와 파이프를 만들기 위해 압출되거나 당겨집니다. 막대는 직경이 약 0.5인치(1.3cm)인 원형 단면을 가지고 있습니다. 그들은 일반적으로 감겨 있는 매우 긴 길이로 주조됩니다. 그런 다음 이 감긴 재료를 더 끌어 당겨 구리선을 만듭니다.

품질 관리

전기 응용 분야에는 매우 낮은 수준의 불순물이 필요하기 때문에 구리는 거의 100% 순도로 정제되는 몇 안 되는 일반적인 금속 중 하나입니다. 위에서 설명한 공정은 매우 높은 순도의 구리를 생산하는 것으로 입증되었습니다. 이 순도를 보장하기 위해 다양한 단계에서 샘플을 분석하여 공정 조정이 필요한지 여부를 결정합니다.

부산물/폐기물

구리 제련 공정에서 황산의 회수는 수익성 있는 부산물을 제공할 뿐만 아니라 용광로 배기로 인한 대기 오염을 크게 줄입니다. 금, 은 및 기타 귀금속도 중요한 부산물입니다.

폐기물에는 채광 작업의 과부하, 농축 작업의 광미 및 제련 작업의 슬래그가 포함됩니다. 이 폐기물에는 상당한 농도의 비소, 납 및 기타 화학 물질이 포함되어 있어 주변 지역에 잠재적인 건강 위험을 초래할 수 있습니다. 미국에서는 환경 보호국(EPA)이 이러한 폐기물의 저장과 채광 및 처리 작업이 중단되면 해당 지역의 복원을 규제합니다. 관련된 물질의 엄청난 양(어떤 경우에는 수십억 톤의 폐기물)은 이것을 엄청난 작업으로 만들지만 이 폐기물에 포함된 사용 가능한 물질을 회수할 수 있는 잠재적으로 수익성 있는 기회를 제공하기도 합니다.

미래

구리에 대한 수요는 특히 전기 및 전자 산업에서 높은 수준을 유지할 것으로 예상됩니다. 구리 처리의 현재 경향은 에너지를 덜 사용하고 대기 오염과 고형 폐기물을 덜 생성하는 방법 및 장비를 지향하고 있습니다. 미국에서는 엄격한 환경 통제와 사용 가능한 매우 낮은 농도의 구리 광석으로 인해 어려운 과제입니다. 경우에 따라 생산 비용이 크게 증가할 수 있습니다.

한 가지 고무적인 추세는 재활용 구리의 사용 증가입니다. 현재 미국에서 생산되는 구리의 절반 이상이 재활용 구리에서 나옵니다. 재활용된 구리의 55%는 나사 성형과 같은 구리 가공 작업에서 발생하고 45%는 전선 및 자동차 라디에이터와 같은 사용한 구리 제품의 회수에서 발생합니다. 재활용된 구리의 비율은 새로운 구리 처리 비용이 증가함에 따라 증가할 것으로 예상됩니다.