KR20180069012A - 환원제 철과 플럭스 탄산나트륨의 재생과 재활용과 함께 직접 환원으로 금속을 함유하는 농축된 황산염 광물로부터 금속을 추출하는 방법 - Google Patents

환원제 철과 플럭스 탄산나트륨의 재생과 재활용과 함께 직접 환원으로 금속을 함유하는 농축된 황산염 광물로부터 금속을 추출하는 방법 Download PDF

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아르비에또 프란시스코 야비에르 까르데나스
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Abstract

"환원제 철과 플럭스 탄산나트륨의 재생과 재활용과 함께 직접 환원으로 금속을 함유하는 농축된 황산염 광물로부터 금속을 추출하는 방법"이라는 제목의 발명은 철금속 및 비철금속을 함유하는 황산염 광물에서 철금속 및 비철금속을 추출하는 종래의 공정에 대한 대안으로서 제시되는데, 개선된 직접 환원 공정, 즉 종래의 야금학에서 발생하는 이산화황 배출물 및 슬래그를 발생시키지 않는, 환경 오염을 최소화하는 공정이 적용된다. 그리고 환원제인 철 및 플럭스인 탄산나트륨을 재생 및 재활용함으로써 야금 공정 작동 비용이 실질적으로 감소된다
요즘에는, 채광 활동에서 금속의 추출은 종래 및 최신 공정에 의해 수행된다. 한편으로는, 용융로에서 금속을 추출하기 전 광물의 토스팅 전처리를 수반하는 종래의 고온 건식 야금의 공정이, 그리고 다른 한편으로는, 황산염 광물이 먼저 토스팅되고, 그 후 추출될 용해된 금속이 침출 및 전착되는, 고온 건식, 습식, 전기 야금의 결합된 공정이 있다. 그러나 이러한 공정은 매우 오염적이다. 최신의 공정의 경우, 금속의 추출에 박태리아를 이용하는, 공정이 느리다는 단점을 갖는, 생체 야금도 볼 수 있다. 한편, 습식 야금은 고압에서 사용되고, 고투자비용 및 운영비용을 수반한다.
새로운 야금학적 공정은 이하로 구성된다:
- 환원제로서 철 및 플럭스로서 탄산나트륨을 사용하여 용융로에서 금속을 추출
- 슬래그로부터의 황화나트륨의 물에서 선택적 용해 및 폐기물 산화제일철의 여과
- 재활용을 위한 탄산나트륨의 재생
- 황화수소의 제거 및 원소 황 획득
- 철금속의 후속 환원을 위해 산화제일철 응집체를 소결
- 환원 가스인 일산화탄소 및 수소의 생성
- 산화제일철로부터의 재활용을 위한 금속 철의 재생성
제안된 기술 혁신은 독창적인 고온 건식 및 습식 야금 공정을 결합한 것으로, 종래의 것과 달리, 황산염 광물 농축물의 토스팅 전처리를 요구하지 않으며, 기술적 및 경제적으로 현재 이용되는 공정들에 비해 이점이 있는데, 이는 금속 추출을 위해 단일 반응기를 사용하여, 금속의 양의 산화수를 0으로 직접 환원기 때문이다. 이는 야금학적 투입물을 상보적인 공정으로, 화학 반응의 속도론에서의 고속으로, 그리고 이 모든 것은 슬래그 및 오염 가스의 생성 없이, 재생성 및 재활용한다. 그 결과, 금속의 추출은 저운영비용과 환경 지속 가능한 방식으로, 즉 고 환경복원 비용을 피하면서, 달성된다.
제시된 발명은 또한 광미의 처리 및 환경 의무에도 적용되어, 환경적으로 그닥 책임감 없던 채광 활동으로 인해 몇년간 축적되어온 그리고 고비용의 수반으로 인해 현재까지 해결이 불가능했던 문제들을 해결할 수 있다는 것을 주목하는 것은 중요하다.
결과적으로, 이 공정을 적용함으로써, 더 낮은 금속 가격이라는 시나리오 하에서도, 채광 프로젝트의 경제적 상업성이 증가한다. 관련 공정은 채광 회사들이 그들의 추출 활동에 대한 더 낮은 컷오프와 현금 비용을 얻을 수 있게 하고, 결국, 광물 농축물의 수출보다도, 금속의 수출로부터 더 높은 수익을 생성하게 한다. 게다가, 깨끗하고 환경친화적 기술이기에, 광산 폐쇄 비용을 급진적으로 감소하게 한다. 결과적으로, 이 공정은 채광 활동의 더 높은 수준의 수익성과 지속성을 제공한다.
반면, 채광 활동에서 제안된 공정의 점진적인 수행으로, 수출 증가로 인한 무역수지의 증가와, 높은 기업이익에 의해 생성될 더 높은 세금 수익 덕분에, 정부는 이익을 얻을 것이다. 결국, 이는 채광 로열티로 인해 창출될 더 높은 수익으로 지역 및 지방 정부에 긍정적인 영향을 미친다. 채광 활동의 증가는 철강, 금속 가공 및 건설 산업과 같은 다른 부문의 경제를 활성화 뿐만 아니라, 직접 및 간접 고용 창출의 근원을 의미할 것이다. 이에 덧붙여, 환경 정화 책임이 비용이 낮다. 즉, 정부의 더 높은 수익 창출 및 이로써 주민에 대한 사회 경제적 복지가 확대되도록 하는 잠재력을 갖는다.
환경 분야에서의 이러한 기술 혁신의 이점은, 그 범위가 투입물의 재생 및 재활용, 추출 공정에서 슬래그와 오염가스 제거에서부터 기존의 환경 의무 뿐만 아니라 현재의 채광 활동에서 광미의 정화까지 이르고, 이는 강, 경작지 오염을 줄이고, 자연 보호 구역에 미치는 영향을 줄이는 결과를 가져온다. 즉, 채광 활동의 환경발자국(environmental footprint)을 현저히 감소시킨다.
마지막으로, 상기의 결과로서, 본 발명은 배출물과 독성 폐기물을 줄임으로써 그리고 광미에서 잠재적 댐 파열로부터 오는 리스크를 제거함으로써 광산에 근접한 지역 주민의 건강 기준을 개선한다. 유사하게, 채광 활동은, 주민의 농업, 어업, 가축 활동을 방해하는 것이 중지함으로써, 사회 갈등의 발생 가능성을 줄여 광산 프로젝트의 상업성을 높이는데, 이는 곧 더 많은 사회 사업 및 주변 인구에 대한 증가된 소득으로 해석될 수 있다. 결과적으로, 금속의 추출에 대한 본 혁신적 공정은 채광 활동, 환경, 주민 간의 하모니를 생성하는 역량을 갖는다.

Description

환원제 철과 플럭스 탄산나트륨의 재생과 재활용과 함께 직접 환원으로 금속을 함유하는 농축된 황산염 광물로부터 금속을 추출하는 방법
개발된 발명에 적용된 관련 기술 분야는 채광야금학인데, 이는 전통적인 고온 건식 야금의 설비에서 일반적으로 생성되는 이산화황의 배출 또는 슬래그의 생성 없이, 개선된 직접 환원 공정을 적용함으로써 철금속 및 비철금속을 그것을 함유하는 황산염 광물로부터 추출하여, 환경 오염을 최소화할 수 있기 때문이다. 게다가, 제시된 환원제로서의 철과 플럭스로서의 탄산나트륨의 재생 및 재활용을 통해, 이 공정의 운영비가 실질적으로 감소된다.
Aranguren F & Mallol A.(1)에 따르면, 몇몇 야금학적 환원 공정은 잘 알려져 있고 금속 추출 활동에 종종 적용되었다. 그 중, 산화철광물 (주로, 적철광 및 자철광)의 환원은 그 타당성이 두드러지는데, 이는 적용 기술에 따라 선철 또는 직접 환원된 철, 강철을 얻을 수 있는 야금 생성물을 얻을 수 있기 때문이다. 이러한 경우에는, 석탄 또는 야금 코크스 및/또는 일산화탄소 및/또는 수소 가스 및/또는 천연 가스가 환원제로서 요구되고; 석회석 및 백운광이 알칼리성 플럭스로서 요구되며, 동시에, 주요 공정이 발생함에 따라, 같은 반응기에 다른 원소의 환원이 발생하는데, 다른 원소는 예를 들어 실리콘, 티타늄, 망간, 크롬, 바나듐으로, 다른 원소들 중 항상 산화화합물로부터인 것이다. 산화철광물에 적용되는 환원 공정에서 필수적인 화학 반응이 이하와 같이 확립된다:
3 Fe2O3 + CO2 → Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO → 3 FeO + CO2
FeO + CO → FeO + CO
이와 유사하게, Aranguren & Mallol(2)에 나타난 바와 같이, 철광물 공정을 위한 최초의 용광로가 1620년 미국에 지어졌다. 이후, 수 세기 동안, 그리고 선철 및 야금 코크스의 생산을 포함하는 복합적인 설비가 창조되기 전까지, 철 및 강철 산업에서는 일반적으로 발생로 가스를 연료로 사용하였고, 발생로 가스는 가열제와 환원제의 이중 기능을 수행했다. 발생로 가스는 역청탄, 무연탄, 갈탄 또는 동일한 코크스와 같은 고체 연료의 전체 가스화에 의해 생산되었고, 공기만으로, 공기 및 수증기, 또는 산소와 수증기로 가스화를 일으킬 수 있다. 가스 동력형 반응기에서 일어나는 기본 반응은 이하와 같다:
C + O2 → CO2
C + CO2 → 2 CO
C + H2O → CO + H2
C + 2 H2O → CO2 + 2 H2
CO + H2O → CO2 + H2
2 C + 2 H2O → CH4 + 2 CO
1918년 Wieber(3)는 기존 철광물 환원 공정을 개선하고, 일산화탄소를 환원제로서 이용하면서, 주로 환원제로 사용된 잔여 일산화탄소와 함께 이산화탄소인, 철광물의 환원으로부터 발생한 가스가 석탄 연소가 일어나게될 다른 반응기로 전도되도록 할 것을 제시했다. 이는 동일한 재활용된 이산화탄소 및 석탄으로부터, 이들의 소비는 줄이면서, 더 많은 일산화탄소를 발생시킬 것이다.
상기 개선된 공정이 그 큰 가열력으로 인해, 환원제로서 수소 가스의 사용을주목할 정도로 요구한다는 점을 고려했을 때, 환원 가스의 조성비 중 수소 가스의 존재는 20% 내지 35%의 범위에 해당해야 하는데, 이는 고온에서의 수증기에 대한 이하의 반응과 함께, 천연 가스가 상보적인 방식으로 사용되는 경우 달성될 수 있다:
CH4 + H2O → 3 H2 + CO
이하의 기본적인 반응을 이용하여 수소 가스로 산화철광물을 환원시키는 것이 가능하다:
3 Fe2O3 + H22 → Fe3O4 + H2O
Fe3O4 + H2 → 3 FeO + H2O
FeO + H2 → Fe + H2O
반면, 황산염 광물로부터 비철금속 보통 금속 (납, 구리, 아연, 안티몬 등)을 추출하기 위해 현재 사용되는 종래의 기술은 이들을 토스트하여 상기 금속의 산화화합물을 얻고, 이어서 납, 구리, 아연, 안티몬 등을 추출하기 위한 고온 건식 야금의 공정을 적용하거나, 또는, 대안적으로, 아연 추출의 경우에서와 같이, 비철금속 보통금속(4)의 고온 건식 야금의 추출에서 기본적인 이하의 반응의, 습식 전기 야금 공정을 적용한다:
2 PbS + 3 O2
Figure pct00001
2 PbO + 2 SO2
2 PbO + C
Figure pct00002
2 Pb + CO2
2 Cu2S + 3 O2
Figure pct00003
2 Cu2O + 2 SO2
2 Cu2O + C
Figure pct00004
4 Cu + CO2
2 ZnS + 3 O2
Figure pct00005
2 ZnO + 2 SO2
2 ZnO + C
Figure pct00006
2 Zn + CO2
2 Sb2S3 + 9 O2
Figure pct00007
2 Sb2O3 + 6 SO2
2 Sb2O3 + Sb2S3
Figure pct00008
6 Sb + 3 SO2
이러한 최근의 공정을 수행하는 설비의 특징 중 하나는 이들이 생성하는 이산화황의 대량 배출이며, 영향권 내 환경을 오염시키는 야금 설비 근처에 비축되는 다량의 슬래그뿐만 아니라, 환경 오염을 최소화하기 위해 비싼 황산 제조 설비를 설치하도록 강요된다.
같은 방식으로, 석탄 가스 (용광로용 코크스의 부산물)는 사용 전에 제거되어야 하는 성분 중 하나인 황화수소 가스를 포함하는 것으로 알려져 있다. 그 대안은 이하의 반응(5)을 얻기 위해 황화수소 가스를 수화된 산화철 덩어리에 통과시키는 것이다.
Fe2(OH)6 + 3 H2S
Figure pct00009
Fe2S3 + 6 H2O
그러므로, 수화된 산화철 덩어리가 황으로 포화되면, 생성된 화합물은 가스가 첨가되어, 산소 및 물의 존재로 인해 야기되는 이하의 반응으로 인해 원소 황(S) 뿐만 아니라, 수화된 산화철의 재생도 얻을 수 있다:
Fe2S3 + 3 H2O + 3/2O2
Figure pct00010
Fe2 (OH)6 + 3 S
1823년에야 산업적 규모의 최초의 탄산나트륨 생산 설비가 영국에 설립되었는데, Nicolas Leblanc (6)에 의해 고안된 공정을 적용하였고, 약 1885년까지 이용되었다. 이하은 상기 공정의 주요 화학 반응이다:
NaCl + H2 SO4 → NaHSO4 + HCl
NaCl + NaHSO4 → Na2SO4 + HCl
Na2SO4 + 2 C → Na2S + 2 CO2
Na2S + CaCO3 → Na2CO3 + CaS
1861년에, Ernest Solvay (7)는 자신의 이름을 딴 공정을 개발하였고, 이는 빠르게 전 세계적으로 탄산나트륨을 생산하는 주요 공정이 되었다. 이 공정을 적용한 첫번째 산업 설비는 1865년 벨기에에 설립되었다. 그 후, 1874년에 또 다른 설비가 영국에 설립되었고, 1882년에는 그 당시 가장 큰 설비가 미국에 설립되어 현재까지도 가동 중에 있다. 그 후, 1988년에 전 세계에서 가장 큰 탄산나트륨 산업 생산 설비가 프랑스에 설립되었고, 이하의 주요 화학 반응을 갖는 솔베이 공정을 사용하였다:
CaCO3 → CaO + CO2
CaO + H2O → Ca(OH)2
NH3 + CO2 + H2O + NaCl → NaHCO3 + NH4Cl
2 NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2
Ca(OH)2 + 2 NH4Cl → 2 H2O + CaCl2 + 2 NH3
페루에서는, 1955년(8)이래로, 탄산나트륨 설비의 실행 가능성을 분석하는 연구가 수행되었다. 그러나, 1978년(9)에 탄산나트륨 설비의 실행이 구상되었고, 1988년(10)에 효과적으로 가동되기 시작했다. 이 기술은 소다-이산화탄소 가스 공정으로 알려졌으며 이하와 같은 화학 반응을 기반으로 한다:
2 NaOH + CO2 → Na2CO3+ H2O
개발된 기술 혁신은, 철뿐만 아니라, 납, 은, 아연, 구리, 몰리브덴, 안티몬, 비소와 같은, 그러나 이에 국한되지 않는 금속을, 결합된 철 없이 또는 함께, 그리고 어떤 경우 개재물로서 포함될 수 있는 금과 함께, 이들을 함유하는 황산염 광물로부터 추출가능하게 한다. 이러한 목적으로, 추출될 금속에 개선된 직접 환원 공정이 적용되는데, 일반적으로 종래의 고온 건식 야금의 설비에 의해 생성되는 이산화황 배출물이나 슬래그를 생성하지 않고 이루어지므로 환경 오염을 최소화한다. 또한, 제시된 환원제로서의 철 및 플럭스로서의 탄산나트륨의 재생 및 재순환을 통해, 공정의 가동 비용이 실질적으로 감소된다.
본 기술은 다양한 철금속 및 비철금속 황화물을 함유하는 광미 침전물(tailings deposits)의 정화에 적용될 수 있다. 현재, 전 세계의 야금 채광 매트릭스는 농축 설비가, 부선 공정(selective flotation process)을 통하여, 함은방연광:Ag를 함유하는 PbS, 황동광:Au을 함유하는 CuFeS2, 섬아연광:ZnS와 같은 상업적 가치가 있는 금속성 황화물만을 회수하는데, 이 때 광미에 황철광, 자황철광, 황비철광과 같은 다량의 철황화물을 남기며, 이는 부선기(flotation cell)에서, 대부분의 경우 부적절한 조건 하에 광미 침전물에 축적된, 주로 석영(SiO2) 및 다른 규산염광물인, 비금속성 광물과 함께 비축된 것임을 진술한다. 이는 상기 광미 침전물이 우기에 비소 및 산성수와 같은 오염 물질을 생성하기 쉬운 주요 원인 중 하나인데, 상기 광미 침전물이 비소 및 철황화물을 다량 함유하기 때문이다.
이러한 농축 설비의 광미의 정화가 채광 환경 의무(mining environmental liabilities)로 등록되는 것은 오직 상기 광미에 존재하는 대부분의 광물종의 경제적 이익을 취할 경우에만 실현 가능할 것인데, 주로 황철광, 자황철광, 황비철광과 같은 처분된 금속성 광물종을 회수하려는 노력이며, 이는 주요 오염종의 일부인 이러한 광물이 금과 은이라는 중요한 가치를 갖고 있기 때문 뿐만 아니라, 그것들이 환경 부하가 적고 저비용인 본 기술 혁신을 사용하여 금속성 철을 얻기 위한 원료로 사용될 수 있기 때문이다; 따라서 철은 건설 및 금속 기계 산업에서 철강을 얻을 수 있는 중요한 상업적 가치를 지닌 야금 생성물이 된다.
또한, 상업적 가치를 지닌 다른 잔여 금속성 황화물 역시, 광미 침전물에 포함되어있는 경우에, 부선 공정을 통해 회수될 수 있다. 이는 개발된 기술 혁신을 통해 비철금속을 함유하는 황산염 광물로부터 추출될 비철금속의 판매로부터의 수익을 증가시키는데 도움이 될 뿐만 아니라, 본 발명의 적용으로 건설 산업에서 골재 (미세 모래) 또는 백색 벽돌 제조용 원료로 사용될 수 있는 완전히 깨끗한 고형 폐기물을 얻을 수 있기 때문에, 중요하게 고려되어야 한다.
본 공정의 용융로에서, 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 농축된 황산염 광물은, 적용되는 바에 따라, 제련된다. 이러한 목적으로, 철은 훤원제로서 사용되고, 탄산나트륨은 플럭스로서 사용되어, 그 결과 물리적 성질에 따라 제련된 또는 분말의 금속 또는 금속들, 산화제일철 및 황화나트륨으로 형성된 제어된 조성의 슬래그, 및 가스상 배출물 이산화탄소가 발생한다. 환원제 및 플럭스를 재생 및 재순환시키는 데 필수적인 슬래그 조성의 효과적 제어를 위해, 이하의 일반적인 정의를 고려하여, 아래의 경우들에 대한 일반적 반응이 확립된다:
- 철은 산화수가 0인 반응성 원소이다; 주반응기에 첨가될 때, 적용 가능한 경우, 황과 나트륨 사이 원자 교환을 위한 환원제 또는 촉진제의 역할을 한다.
- Na 2 CO 3 는 탄산나트륨으로 알려진 반응성 화합물로서 주반응기에 플럭스로서 첨가된다.
- Na 2 S는 일반 화학 반응에서 얻어지는, 황화나트륨으로 알려진, 슬래그 구성 요소 중 하나로, 매우 가용성이다.
- FeO는 일반 화학 반응에서 얻어지는, 산화제일철로 알려진, 또다른 슬래그 구성 요소로, 불용성이다.
- CO 2 는 일반 화학 반응에서 얻어지는, 이산화탄소로 알려진, 가스상 유출물이다.
가. 단일 비철금속 황산염 광물의 경우 :
MxSy + y Fe + y Na2CO3 → x M + y Na2S + y FeO + y CO2
- M은 납, 은, 아연, 구리, 몰리브덴, 안티몬과 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
- M x S y 는 금속 M이 추출될 황산염 광물에 대한 화학식이다.
- x 및 y는 각각 추출될 MxSy에 존재하는 금속 M 및 황의 원자 수를 나타내며; 잔여 반응물의 화학량론적 계수 및 공정에서 얻어진 생성물의 화학량론적 계수는 그 값에 따른다.
나. 단일 철금속 황산염 광물의 경우:
MxFeySz + (z-y) Fe + z Na2CO3 → x M + z Na2S + z FeO+ z CO2
- M은 구리, 비소, 납, 아연과 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
- M x Fe y S z 는 금속 M이 추출될 철금속 황산염 광물에 대해 확립된 화학식이다.
- x, y, z는 각각 추출될 MxFeySz에 존재하는 금속 M, 철, 황의 원자의 수를 나타내며; 잔여 반응물의 화학량론적 계수 및 공정에서 얻어진 생성물의 화학량론적 계수는 그 값에 따른다.
다. 금 및/또는 은을 포함하는, 철금속 및/또는 비철금속인, 단일 금속 황산염 광물의 경우:
MxFeySz+ (Au,Ag)m + n Pb + (z-y) Fe + z Na2CO3 →
→ x M + m (Au,Ag) + n Pb + z Na2S + z FeO + z CO2
- M은 구리, 비소, 납, 아연과 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
- M x Fe y S z 는 금속 M 및 다른 결합된 귀금속을 추출하는, 철금속 및 비철금속 황산염 광물 (y=0인 경우)에 대해 확립된 화학식이다.
- x, y, z는 각각 추출될 MxFeySz에 존재하는 금속 M, 철, 황의 원자의 수를 나타내며; 다른 반응물의 화학량론적 계수 및 공정에서 얻어진 생성물의 화학량론적 계수는 그 값에 따른다.
- (Au,Ag) m 는 MxFeySz 광물 매트릭스 내 "m" 숫자로 표시된 개재물 금(Au), 은(Ag), 엘렉트럼(Au/Ag)을 나타낸다.
- Pb는 납 금속을 나타내고, "n" 만큼의 양이 반응물과 함께 첨가되어 금과 은의 최종 베어러(bearer)가 된다.
라. 몇몇 철금속 및/또는 비철금속인 단일 금속 황산염 광물의 결합물의 경우:
[(M1)aFebSc + (c-b) Fe + c Na2CO3] + [(M2)xFeySz + (z-y) Fe + z Na2CO3] →
→ a (M1) + x (M2) + (c + z) Na2S + (c + z) FeO + (c + z) CO2
다른 방식으로 표현된 것은 이하와 같다:
(M1)aFebSc + (M2)xFeySz + [(c - b) + (z - y)] Fe + (c + z) Na2CO3 →
→ a (M1) + x (M2) + (c + z) Na2S + (c + z) FeO + (c + z) CO2
- M1, M2는 구리, 비소와 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
- (M1) a Fe b S c 및 (M2) x Fe y S z 는 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물 (y=0인 경우)에 대해 확립된 비철금속 M1 및 M2를 추출하는 화학식이다.
- 첨자 a, b, c 그리고 x, y, z는 각각 금속 M1 및 M2의 원자 수 그리고 (M1)aFebSc 및 (M2)xFeySz에 존재하는 철 및 황의 원자 수를 각각 나타낸다. 잔여 반응물(환원제 및 플럭스)의 화학량론적 계수 및 공정에서 얻어진 생성물(용융 금속, 슬래그 및 가스상 유출물)의 화학량론적 계수는 그 값에 따른다.
마. 철금속 및/또는 비철금속인 바이메탈릭 황산염 광물의 경우::
(M1)a(M2)bFeySz + (z-y) Fe + z Na2CO3 → a(M1) b(M2) + z Na2S + z FeO+ z CO2
- M1, M2는 안티몬, 아연, 구리, 은, 비소, 코발트와 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
- (M1) a (M2) b Fe y S z 는 비철금속 M1 및 M2가 추출되는, 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물 (y=0인 경우)에 대해 확립된 화학식이다.
- 첨자 a, b 그리고 y, z는 각각 금속 M1 및 M2 원자수 그리고 (M1)a(M2)bFeySz에 존재하는 철 및 황의 원자 수를 나타낸다. 잔여 반응물(환원제 및 플럭스)의 화학량론적 계수 및 공정에서 얻어진 생성물(용융 금속, 슬래그 및 가스상 유출물)의 화학량론적 계수는 그 값에 따른다.
바. 철금속 및/또는 비철금속인 바이메탈릭 황산염 광물의 조합의 경우: :
[(M1)a(M2)bFecSd + (M3)w(M4)xFeySz + [(d - c)+(z - y)] Fe + (d+z) Na2CO3] →
→ a (M1) + b (M2) + w (M3) x (M4) + (d+z) Na2S + (d+z) FeO + (d+z) CO2
- M1, M2, M3, M4는 안티몬, 아연, 구리, 은, 비소, 코발트와 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
- (M1) a (M2) b Fe c S d 및 (M3) w (M4) x Fe y S z 는 비철금속 M1, M2, M3, M4가 추출될, 철 및 비철금속 황산염 광물에 대해 확립된 화학식이다.
- 첨자 a, b, c, d 및 w, x, y, z는 금속 M1, M2, M3, M4의 원자 수를 나타내고, (M1)a(M2)bFecSd 및 (M3)w(M4)xFeySz에 존재하는 철 및 황의 원자 수를 각각 나타낸다. 잔여 반응물(환원제 및 플럭스)의 화학량론적 계수 및 공정에서 얻어진 생성물(용융 금속, 슬래그 및 가스상 유출물)의 화학량론적 계수는 그 값에 따른다따른다학량론적 공식은 이하의 경우 중 일부 (또는 모두)가 발생하더라도 유효하다는 점에 유의해야 한다:
- 바이메탈릭 황산염 광물의 화학식이 비철금속을 공통적으로 포함할 때, 즉, (M1, M2)가 부분적으로 (M3, M4)와 동일한 경우.
- 바이메탈릭 황산염 광물의 조합일 때, 황산염 광물 중 하나가 철금속이고 다른 황산염 광물이 비철금속인 경우.
이러한 의미에서, 상기 두 경우가 동시에 존재하는 경우, M4=M2이고, y=0인 이하의 화학량론적 공식을 갖게된다:
[(M1)a(M2)bFecSd + (M3)w(M2)xSz + [(d - c)+(z)] Fe + (d + z) Na2CO3] →
→ a (M1) + (b + x) (M2) + w (M3) + (d + z) Na2S + (d + z) FeO + (d + z) CO2
도 1: 야금 추출 공정
- 1a 적용되는 경우, 금 개재물을 함유하는, 농축된 철금속 및 비철금속 황산염 광물.
- 1b 환원제 (Fe)
- 1c 플럭스 (Na2CO3)
- 1d 슬래그 (FeO 및 Na2S)
- 1e 용융 금속
- 1f 재활용할 이산화탄소 CO2
- 1g 용융로
도 2: 슬래그 성분의 용해 및 여과
- 2a 물 (H2O)
- 2b 슬래그 (FeO and Na2S)
- 2c 소결 (FeO)
- 2d 여과된 용액 (Na2S + H2O)
- 2e 용해 및 여과
도 3: 재활용을 위한 탄산나트륨의 재생
- 3a 황화수소 가스 또는 황화수소 (H2S)
- 3b 여과된 용액 (Na2S + H2O)
- 3c 재활용된 이산화탄소 가스 (CO2)
- 3d 탄산나트륨의 과포화 용액 (Na2CO3 + H2O)
- 3e 탄산나트륨 (Na2CO3) 또는 재생된 플럭스
- 3f 농축용 용융로
- 3g 물 (H2O)
- 3h 용액 반응기 (Na2S + H2O + Na2CO3) : 과포화 및 여과 용액
도 4: 황화수소 가스 제거 및 황 원소 추출
- 4a 물 (H2O)
- 4b 공기 (O2)
- 4c 황화수소 가스 (H2S)
- 4d 고체/가스 반응기 (수화된 철 산화물 Fe2(OH)6 및 황화 수소 H2S)
- 4e 재생된 수화된 산화철 (Fe2(OH)6)
- 4f 원소 황 (S)
- 4g 황화제이철과 물 (Fe2S3 + H2O)
도 5: 소결
- 5a 산화제일철 (FeO) 잔여물
- 5b 산화제일철 (FeO) 펠렛
- 5c 소결로
도 6: 환원 가스의 발생
- 6a 환원 가스 (CO + H2)
- 6b 공기 산소 및 수증기 (O2 및 H2O)
- 6c 석탄 (C) 또는 야금 코크스 (탈황 C) 또는 천연 가스 (CH4)
- 6d 재활용된 가스 (CO2 및 CO)
- 6e 연소로
도 7: 재활용을 위한 환원제로서의 철의 재생
- 7a 환원 가스 (CO + H2)
- 7b 금속성 철(Fe)
- 7c 산화제일철 펠렛 (FeO)
- 7d 환원로
도 8: 적용되는 경우 개재물로서의 금과 철금속 및/또는 비철금속을 이들을 함유하는 농축된 황산염 광물의 제련을 통해, 야금학적 투입물의 재생과 재활용과 함께 추출하는 통합적인 과정
- 8a 적용되는 경우, 금 개재물을 포함하는, 농축된 금속 함유 황산염 광물
- 8b 환원제로서 재활용된 철(Fe)
- 8c 플럭스로서 재활용된 탄산나트륨 (Na2CO3)
- 8d 슬래그로서 산화제일철 및 황화나트륨(FeO + Na2S)
- 8e 용융금속
- 8f 재활용할 이산화탄소(CO2)
- 8g 농축물 용융로
- 8h 물 (H2O)
- 8i 용해 및 여과
- 8j 산화제일철(FeO) 잔여물
- 8k 용액 반응기 (Na2S + H2O)
- 8l 물 (H2O)
- 8m 준비된 용액(Na2CO3 + H2O)
- 8n 재생된 탄산나트륨 (Na2CO3)
- 8
Figure pct00011
황화수소 가스(H2S)
- 8o 소결로
- 8p 산화철 (FeO) 펠렛
- 8q 금속성 철 또는 직접 환원된 철(Fe)
- 8r 재활용된 가스 (CO2 and CO)
- 8s 환원로
- 8t 연소로
- 8u 석탄 (C) 또는 야금 코크스 (탈황 C) 또는 천연가스 (CH4)
- 8v 공기 및 수증기(O2 and H2O)
- 8w 환원 가스 (CO and H2)
- 8x 고체/가스 반응기 : 수화된 산화철 (Fe2(OH)6) 및 황화 수소 (H2S)
- 8y 황화제이철+ 물 (Fe2S3+ H2O)
- 8z 원소 황(S)
- 8aa 수화된 산화철 (Fe2(OH)6)
- 8ab 물 (H2O)
- 8ac 공기 (O2)
본 발명은 7단계의 새로운 기술 공정을 포함하며, 이는 이하의 다이어그램에서 도식화된다:
도 N˚1: 적용되는 경우, 함유된 납, 은, 아연, 구리, 몰리브덴, 안티몬, 비소, 철, 금과 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 금속의 추출에 대한 야금 공정 다이어그램을 도시하는데, 추출은 이들(1a)을 함유하는 농축된 비철금속 및/또는 철금속의 황산염 광물의 제련을 통한 것이다. 이 공정은 용융로(1g)에서 3가지 반응물을 첨가하면서 수행된다: 적용되는 바에 따라, 개재물로서 금을 함유하는, 비철 및/또는 철광물 농축물(1a), 야금 공정의 결과로서 나중에 얻게될 환원제로서의 철 또는 Fe(1b)과 플럭스로서의 탄산나트륨 또는 Na2CO3(1c), 적용되는 바에 따라, 금을 포함하는, 비철금속 및/또는 철금속 농축물에 함유된 금속성 원소로 형성된 용융 금속 또는 금속들(1e), 산화제일철 또는 FeO 및 황화나트륨 또는 Na2S로 구성된 슬래그(1d), 그리고 포집되고 전달되어 재활용될 이산화탄소 또는 CO2의 가스상 유출물(1f)이다.
도 N˚2: 이전 단계에서 언급한, 농축된 황산염 및/또는 비황산염 광물(concentrated sulphurated and/or non sulphurated minerals)의 용융로에서 생성된 슬래그의 구성 요소의 용해 공정을 도시하는 다이어그램으로, 물 또는 H2O(2a)와 함께 산화제일철 또는 FeO 및 황화나트륨 또는 Na2S로 형성된 슬래그(2b)가 후속되는 여과와 함께 용해 반응기에 첨가되어(2e), 두 가지 생성물을 얻는다: 물 또는 H2O 및 황화나트륨 또는 Na2S의 여과된 용액 (2d), 그리고 이전에 응집되고, 후에 소결될(2c) 산화제일철 또는 FeO의 고체 잔여물.
도 N˚3: 플럭스로서의 탄산나트륨의 재생 공정을 도시하는 다이어그램이다. 이 공정은, 황화나트륨(Na2S + H2O)의 여과된 용액(3b), 탄산나트륨과 물의 과포화 용액(3d)을, 이 혼합물에 재활용된 이산화탄소 가스 또는 CO2를 불어넣으면서, 첨가하는 용액 반응기(3h)에서 일어나며, 이로써 이하의 세가지 생성물을 획득한다: 후속 공정을 위해 포집될 황화수소가스 또는 H2S(3a), 물 또는 H2O(3g), 및 공정에 재활용될 재생된 탄산나트륨(Na2CO3)(3e)으로, 대부분은 농축물의 용융로(3f)에서 사용될 것이고, 나머지 작은 부분들은 물과 탄산나트륨 과포화 용액(Na2CO3 + H2O)(3d)을 준비하는데 사용될 것이다.
도 N˚4: 황화수소 가스의 제거 및 황 추출 공정을 도시하는 다이어그램이다. 이러한 목적으로, 황화수소 가스 또는 H2S(4c)가 수화된 산화철 또는 Fe2(OH)6 (4e)의 결정체를 포함하는 고체/가스 반응기(4d)에 불어 넣어진다. 두 화합물 모두 황화제이철 또는 Fe2S3과 물 또는 H2O(4g)을 생성하며 반응한다. 이후, 산소 또는 O2를 함유하는 공기(4b)를 이들 생성물에 첨가하는데, 이로써 3가지 생성물을 생성하는 반응을 생산한다: 물 또는 H2O(4a), 동일 공정에 재활용될 원소 황 또는 S(4f), 수화된 산화철 또는 Fe2(OH)6(4e).
도 N˚5: 슬래그 구성 요소의 용해 및 후속 여과로부터 얻어지는 산화제일철 또는 FeO(5a)의 고체 잔여물에 대한 소결 공정을 나타내는 다이어그램이다. 소결 이전에, 상기 고체 잔여물은 응고되고(5b), 소결로(5c)에서 제어된 온도로 가열되기 쉽도록 준비되는데, 소결로(5c)에서 압축된 후 후속 냉각으로 경화되어, 환원제로서의 철을 재생하는데 요구되는, 압축에 강한, "펠렛"을 만든다.
도 N˚6: 다시 환원 가스인 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)(6a)를 연소로에서 얻기 위해, 석탄 또는 야금 코크스 또는 천연 가스(6c), 공기 및 수증기(O2 and H2O)(6b) 및 이산화탄소 또는 CO2 재활용된 가스 (철 환원 공정의 잔여물) 및 일산화탄소 또는 CO (비반응성 환원 가스의 잔여물), 만약 이하의 후자가 사용되었다면, 수증기 또는 H2O 및 천연 가스 또는 CH4 (6d)를 첨가함으로써 연소로(6e)에서 얻어지는 환원 가스, 일산화탄소 및 수소 생성을 위한 석탄, 야금 코크스 또는 천연 가스 연소 공정을 나타내는 다이어그램이다.
도 N˚7: 제1 산화철을 숙주로 하는 철의 환원을 통한 환원제 재생 공정을 도시하는 다이어그램이다. 이러한 목적으로, 환원 가스인 일산화탄소 및 수소가 사용된다. 이 공정에서, 산화제일철 또는 FeO(7c)의 펠렛은 환원로(7d)에 공급되고, 그 후 환원 가스인 일산화탄소 또는 CO 및 수소 또는 H2(7a)가 주입되며, 이에 따라 산화제일철 산화를 +2에서 0으로 환원함에 따라 금속성 철 또는 Fe(7b)를 얻는다. 이러한 방식으로, 환원제의 재생은 농축된 황산염 광물 용융로로의 재활용을 위해 달성되는데, 용융로에서 가스상 유출물인 이산화탄소 또는 CO2(7e)와 함께, 비철금속이 추출되고, 공정에서 반응하지 않은 잔여 환원 가스 일산화탄소 또는 CO 또한 생성된다.
도 N˚8: 마지막으로, 상기 모든 도면의 순차적 통합을 통해, 황산염 광물(8a)로부터의 비철금속 및 철금속의 추출에 대한 새로운 야금 공정이 설정되는데, 이는 환원제로서 철 또는 Fe(8b), 그리고 플럭스로서의 탄산나트륨 및 Na2Co3 (8c)의 재생 및 재활용의 결과 더 적은 가동 비용 및 최소의 환경 오염으로 직접 환원의 고온 건식 야금 공정의 적용을 의미하기 때문에 선행 기술을 개선한다.
본 발명의 바람직한 실시예
전술한 기술 혁신의 실제 적용의 바람직한 실시 예:
1. 제1 바람직한 실시 예: 적용되는 바에 따라, 구리 및 금, 또는 비소, 철과 같은 다른 금속의 추출로써, 이를 함유하는, 황동광, 칼코진(Calcosine), 반동광, 황비동광, 카로타이트(Carrotite), 테난타이트(Tenantite)와 같은 황산염 광물의 농축물을 제련함으로써 이루어진다.
결합될 수 있는, 구리, 개재물로서의 금, 기타 금속을 함유하는 황산염 광물(황동광: CuFeS2, 휘동광:Cu2S, 반동광:Cu5FeS4, 황비동광:Cu3AsS4, 카로타이트:CuCo2S4 및 테난타이트(Tenantite):Cu12As4S13)에서 이들을 추출하는 것은 환원제 철(Fe) 및 플럭스 탄산나트륨(Na2CO3) 모두의 적합한 양의 사용을 기반으로 하며, 상기 반응물들 간 발생하는 화학 반응의 생성물은 이하와 같다: 개재물인 경우 금과 함께 녹은 금속성 구리(Cu), 산화제일철(FeO)와 황화나트륨(Na2S)으로 구성된 슬래그, 가스상 배출물 이산화탄소(CO2).
황동광의 경우, 이 황산염 광물에 대해 확립된 화학식이 사용된다: CuFeS2로서, 구리(Cu)가 추출되고, 환원제로서 철(Fe) 및 플럭스로서 탄산나트륨(Na2CO3)과 함께 황산염 광물의 농축물을 제련하는 것은 적절한 화학량론적 양을 고려하여 수행되어야하는데, 이는 구리(Cu)의 직접 환원을 위한 것 뿐만 아니라, 생성될 슬래그의 조성을 제어하여 환원제인 철(Fe) 및 플럭스인 탄산나트륨(Na2CO3) 모두의 재생과 재활용이 이하의 하위 공정에서 가능하도록 하기 위함도 있는데, 이는 구리(Cu)의 직접 환원 공정의 슬래그가 세 가지 이상의 화합물로 구성되어서는 안되고, 오직 두 가지만 가능하며, 필수적으로 그 중 하나는 가용성이여야 하는 것을 의미하며, 즉 불용성 화합물인 산화제일철(FeO)과 고 가용성 화합물인 황화나트륨(Na2S)로 구성되어, 반응기에서 화학 반응의 생성물이, 개재물로서 금이 있다면, 금을 함유하는 고밀도 용융 구리(Cu), 알칼리 및 저밀도 유체 슬래그, 가스상 유출물 이산화탄소(CO2)가 되는 것으로, 이하의 반응에 따른다:
CuFeS2 + Au + Fe + 2 Na2CO3 → CuFeS2 + Au + Fe + 2 Na2CO3
반응기에 첨가되어야하는 플럭스의 양이 적합해야 황화철(FeS)이 슬래그에 나타나지 않는다. 화학 열역학에 따르면, 반응은 1100°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 1350°C에서 종료되어야 한다.
그것(황동광, 휘동광, 반동광, 황비동광, 카로타이트 및 테난타이트)을 함유하는 황 광물로부터의 구리의 직접 환원 공정에 관련된 반응 메커니즘으로 인해, 상기 공정에서 환원제 반응물로서 고려되어야할 철(Fe)의 그램-원자 수, 또는 이와 동일 중량이 황화구리 광물(sulphide copper mineral)에 함유된 황(S) 원자의 수와 직접 관련되고, 적용되는 경우 황동광 및 반동광과 같은, 구리황산염 광물(copper sulphurated minerals)에 함유된 철의 그램-원자, 또는 그와 동등한 무게의 등가물을 결과량으로 환원해야 한다. 반면, 상기 공정에서 반응물 플럭스로 간주되어야할 탄산나트륨(Na2CO3)의 수, 또는 이와 동일 중량 또한, 황동광 또는 휘동광, 반동광, 황비동광, 카로타이트 및 테난타이트와 같은 다른 구리 함유 황산염 광물의 화학식에 존재하는 황 원자의 양과 직접 관련되는데, 이하의 명시되는 해당하는 화학 반응에 따른다:
Cu2S + Fe + Na2CO3 → 2 Cu + FeO + Na2S + CO2
Cu5FeS4 + 3 Fe + 4 Na2CO3 → 5 Cu + 4 FeO + 4 Na2S + 4 CO2
Cu3AsS4 + 4 Fe + 4 Na2CO3 → 3 Cu +As + 4 FeO + 4 Na2S + 4 CO2
CuCo2S4 + 4 Fe + 4 Na2CO3 → Cu + 2 Co + 4 FeO + 4 Na2S + 4 CO2
Cu12As4S13 + 13 Fe + 13 Na2CO3 → 12 Cu + 4 As + 13 FeO + 13 Na2S + 13 CO2
2. 제 2 바람직한 실시 예: 단독 또는 결합된, 유은광과 같은 은 및 방연광과 같은 납의 농축된 황산염 광물을 제련함으로써 납 및 은 추출:
이 공정에서, 방연광(PbS) 또는 납 금속을 함유하고 있는 황산염 광물에서 납 금속의 추출은 적합한 양의 플럭스로서의 탄산나트륨(Na2CO3) 뿐만 아니라 환원제로서의 철(Fe) 모두를 사용하는 것을 기반으로 하며, 상기 반응물들 간 화학 반응의 생성물은 이하와 같다: 주조 금속 납, 산화제일철(FeO)와 황화나트륨(Na2S)으로 구성된 슬래그, 가스상 배출물 이산화탄소(CO2). 슬래그의 형성 시 효과적인 제어를 위해서는, 이것이 중요한 단계이므로, 방연광 또는 황화납에 대해 확립된 화학식이 사용된다: 금속 납이 추출될 황산염 광물인 PbS. 개선된 직접 환원 공정의 적용은 적합한 황화학량론적 비율의 환원제 및 플럭스의 사용을 수반하고, 이로써 언급했던 야금학적 투입물의 재생과 재활용이 다음 공정에서 실현 가능해진다. 이러한 목적으로, 슬래그는, 결국에는, 세가지 이상의 화합물이 아닌, 오직 두가지의 화합물로, 그리고 그 중 하나는 가용성으로 형성되는 것이 필수적이다. 이러한 점에서, 용융로에서 금속 납 추출로 얻은 슬래그는 오직 불용성 화합물 산화제일철(FeO)과 수용성 화합물 황화나트륨(Na2S)으로 구성되어야 하고, 이는 슬래그에서 아황산제일철(FeS)의 형성에 대한 완전한 제어가 필요하며, 환원제로서 철(Fe) 및 플럭스로서 탄산나트륨(Na2CO3)을 사용하는 직접 환원 공정의 주반응이 이하와 같을 때 성립 가능하다:
PbS + Fe + Na2CO3 → Pb + Na2S + FeO + CO2
화학 열역학에 따르면, 상기 반응은 950°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 1400°C에서 종료되어야 한다.
마찬가지로, 유은광 또는 Ag2S (177°C 초과의 온도에서 휘은광)과 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 은을 함유하는 황산염 광물에서 은의 추출은 환원제로서 철(Fe)과 플럭스로서 탄산나트륨(Na2CO3)이 모두 적합하게 사용되어야 하고, 상기 반응물들 간의 화학 반응의 생성물은 이하와 같다: 주조 금속 은, 산화제일철(FeO과 황화나트륨(Na2S)으로 구성된 슬래그, 가스상 배출물 이산화탄소(CO2). 슬래그의 구성은 동일한 기준과 기술적 배경이 적용되어, 황산염 광물 농축물이 주조되는 용융로 내 발생하는 화학적 반응이 필수적으로 이하와 같아야 한다:
Ag2S + Fe + Na2CO3 → 2 Ag + Na2S + FeO + CO2
화학 열역학에 따르면, 상기 반응은 775°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 1425°C에서 종료되어야 한다.
그러나 일반적으로, 방연광(PbS)은 유은광(Ag2S)과 같은 다양한 황화물 은 광물(sulphide Silver minerals)과 결합되어, 이하의 화학 반응을 수행하기 위해 반응물이 용융로에서 처리되도록 한다:
PbS + Ag2S + 2 Fe + 2Na2CO3 → Pb + 2Ag + 2Na2S + 2FeO + 2CO2
유은광 또는 Ag2S는 하나 이상의 황 원자(S)를 반응물에 공급하는데, 이는 첨가되어야 하는 환원제 철 및 플럭스 탄산나트륨의 양에 반영되어야 한다. 화학 열역학에 따르면, 비록 반응이 950 ℃에서 완전히 일어나는 것이 실험적으로 입증되었지만, 상기 반응은 950°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 1150°C에서 종료되어야 한다.
상기 사항을 고려했을 때, 납을 함유하는 황산염 광물에서의 납의 직접 환원 공정 시, 공정에서 반응물 플럭스로 간주되어야 할 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수 또는 이와 동일 중량은, 추출될 금속 납을 함유하는 광물학적 화합물인 방연광 또는 황화납(PbS)의 화학식에 존재하는 황 원자와 직접 관련된다고 결론 지어진다. 마찬가지로, 공정에서 반응 환원제로 간주될 필요가 있는 철(Fe)의 그램-원자 수, 또는 그와 무게가 동일한 등가물은 얻게될 산화제일철(FeO)의 그램-몰 수와 직접적으로 관련되며, 이것이 화학 반응에서 그와 같이 방출하는 산소(O2)의 그램-몰 수에 달려있기 때문에, 철(Fe) 원자의 그램-원자의 필요량은 플럭스로 간주되는 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수에 달려있으며, 또한 방연광 또는 황화납(PbS)에 함유된 황 원자(S)의 수에 달려있을 것으로 유추된다.
3. 제 3 바람직한 실시 예: 단독 또는 결합된, 유은광과 같은 은 및 방연광과 같은 아연의 농축된 황산염 광물을 제련함으로써 아연 및 은 추출
이 공정에서, 섬아연광(ZnS) 또는 아연을 함유하는 황산염 광물에서 아연 금속의 추출은 개선된 직접 환원 공정을 적용함으로써 이루어지고, 이는 환원제로서 철(Fe)과 플럭스로서 탄산나트륨 (Na2CO3)의 적합한 사용을 기반으로 하며, 반응물 간의 화학반응의 생성물은 이하와 같다: 금속 가스상 아연 (후에 응결로 인해 액화됨), 산화제일철(FeO) 및 황화나트륨(Na2S)으로 형성된 가벼운 유체 슬래그, 가스상 배출물 이산화탄소(CO2). 그 중요성을 고려하면, 직접 환원 공정 시 슬래그의 형성 시 효과적인 제어를 하는 것이 필수적이다. 이를 위해서는, 용융로가 섬아연광의 농축된 광물로 채워지면, 철(Fe)이 환원제로서 첨가되고, 탄산나트륨(Na2CO3)이 플럭스로서 첨가되어, 이러한 야금합적 투입물의 사용은 화학량론적 비율로 이루어지게 하여, 화학 반응으로 얻은 생성물로부터의 환원제와 플럭스 모두의 재생과 재활용이 가능하도록 한다. 이는 슬래그가 주로 세가지 이상의 화합물이 아닌, 오직 두가지의 화합물로, 그리고 그 중 하나는 가용성으로 형성될 때 달성 가능하다. 이러한 점에서, 용융로에서 금속 아연 추출로 얻은 슬래그는 오직 불용성 화합물 산화제일철(FeO)과 수용성 화합물 황화나트륨(Na2S)으로 구성되어야 하고, 이는 슬래그에서 아황산제일철(FeS)의 비형성에 대한 완전한 제어가 필요하며, 공정의 화학 반응이 이하를 준수하는 것이 필수적이다:
ZnS + Fe + Na2CO3 → Zn + Na2S + FeO + CO2
화학 열역학에 따르면, 반응은 1000°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 1850°C에서 종료되어야 한다.
이런 의미에서, 만약 섬아연광(ZnS)이 유은광(Ag2S)과 같은 황화 함은광물과 결합하면, 용융로에서 이하와 같은 화학 반응이 일어난다:
ZnS + Ag2S + 2 Fe + 2Na2CO3 → Zn + 2Ag + 2Na2S + 2FeO + 2CO2
은이 유은광 또는 Ag2S와 같은 형태의 유화아연과 결합하여 나타날 때, 반응물에 하나 이상의 황(S) 원자를 공급하는데, 이는 환원제 철 및 플럭스 탄산나트륨으로부터 요구되는 양에 영향을 준다. 화학 열역학에 따르면, 반응은 950°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 1150°C에서 종료되어야 한다.
상기 사항을 감안하면, 아연을 함유하는 황산염 광물로부터 아연의 직접 환원 공정 시, 공정 시 반응물 플럭스로 간주되어야할 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은, 추출될 아연 금속을 함유하는 야금학적 화합물인 섬아연광(ZnS) 화학식에 존재하는 황 원자와 직접 관련된다고 결론지어진다. 마찬가지로, 이 공정에서 반응 환원제로서 간주되어야할 철(Fe)의 그램-원자 수 또는 이와 동일 중량은, 생성물로서 얻게될 산화제일철(FeO)의 그램-몰 수와 직접적으로 관련되며, 이것이 화학 반응에서 그와 같이 방출하는 산소(O2)의 그램-몰 수에 달려있기 때문에, 철(Fe)의 그램-원자 필요량은 플럭스로 간주되는 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수에 달려있으며, 또한 섬아연광(ZnS)에 함유된 황 원자(S)의 수에 달려있을 것으로 유추된다.
4. 제4 바람직한 실시 예: 황철광, 자황철광, 백철광과 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 농축된 금-철 황산염 광물을 제련함으로써 금, 은, 철을 추출.
이 공정에서, 황철광(FeS2), 자황철광(FeS), 백철광(FeS2)과 같은, 후자의 황산염 광물에 함유된 황산염 광물에 함유된 금(Au), 은(Ag) 및 철(Fe)의 추출은 개선된 직접 환원을 적용함으로써 수행되는데, 적합한 방식으로 탄산나트륨 플럭스가 사용되고, 철이 광물학적 종에 따라 원자 교환의 촉진제로서 상보적인 방식으로 사용된다. 단황화철광물(자황철광)의 경우, 함유된 철이 반응물 간 화학 반응을 야기하기에 충분하여 금과 은의 추출을 가능하게 한다. 이황화철광물의 경우, 반응물에 두배의 황 원자가 있다는 것을 고려하면, 필수적으로 항상 반응물로서 화학량론적으로 필요한 양만큼의 철을 첨가하여, 화학 반응에서의 원자 교환의 촉진제로서 효율적으로 작용하게 한다. 그러나, 이 귀금속 금과 은의 효과적인 추출을 위해, 필요할 경우 추가 탄산나트륨 및 철 플럭스와 함께 용융로에 철 황산염 농축물(iron sulphurated concentrates)뿐만 아니라 금속 납 또한 도입할 필요가 있는데, 이로써 귀금속 금 및 은과 함께 걸러질 수 있는 고밀도 주조 금속 생성물을 형성하고, 결국, 저밀도 및 저점도인, 슬래그라고 불리는 다른 생성물로부터 쉽게 분리되는데, 슬래그가 산화제일철(FeO) 및 황화나트륨(Na2S)으로 주로 구성될 것이고, 이는 제3생성물로 이산화탄소(CO2)의 가스상 배출물을 발생하기 때문이다.
또한, 반응물과 함께 용융로에 첨가되는 금속 납이 주조 금속인 금과 은을 갖는 주조 금속 생성물로서 얻어지도록 지정하는 것은 중요하다. 반면, 슬래그 형성 시 효과적인 제어를 위해, 추가적으로 요구되는 철(Fe) 및 플럭스로서 필수적인 탄산나트륨(Na2CO3)과 함께 용융로에 도입되는 금 황철광(gold pyrites)의 경우와 같이, 황화철 농축물 제련은, 이러한 야금학적인 투입물의 적합한 화학량론적 양을 고려하여 이루어지고, 이는 금과 은의 최대 회수량을 얻기 위함 뿐만 아니라, 생성될 슬래그의 제어된 조성을 갖기 위한 조건을 충족하여 환원제 철(Fe) 및 플럭스 탄산나트륨(Na2CO3) 모두의 재생과 재활용이 후속 공정에서 가능하기 위함이다. 이는 금(Au) 추출 공정의 슬래그가 세 가지 이상의 화합물로 구성되어서는 안되고, 오직 두 가지만 가능하며, 필수적으로 그 중 하나는 가용성이도록 주의를 기울여, 용융로에 일어나는 화학 반응의 세 가지 생성물이 첫째로, 고밀도 주조 금속 생성물로 금, 은 및 납으로 구성되고, 둘째로, 산화제일철 및 황화나트륨(FeO 및 Na2S)으로 형성된 저밀도 유체 슬래그이고, 마지막으로, 가스상 배출물 이산화탄소이도록 하며, 이하의 반응을 따른다:
Au + Ag2S + Pb + FeS2 + 2 Fe+ 3Na2CO3 → Au + 2Ag + Pb + 3Na2S + 3FeO + 3CO2
화학 열역학에 따라, 그리고 수반되는 에너지 비용을 고려했을 때, 바람직하게 반응이 일어나는 온도 범위는 775°C - 950°C 사이이다. 상기 화학 반응은 단지 예시이고, 은에 함유된 광물학적 종은 황철광에 함유된 퍼센트보다 훨씬 적은 양 (온스/톤)으로 나타난다는 것이 일반적으로 알려져있다.
은이 유은광 Ag2S (177°C 이상에서 휘은광)의 형태로 황화철과 결합되고, 따라서 하나 이상의 황(S) 원자를 반응물에 공급하는데, 이는 환원제 철과 플럭스 탄산나트륨의 필요량에 영향을 주게된다는 것을 주목해야한다. 마찬가지로, 슬래그(FeS)에 아황산제일철이 형성되지 않도록 반응기에 첨가되어야 할 플럭스의 양은 정확해야 한다.
상기 사항을 고려했을 때, 은황산염 광물(silver sulphurated mineral)이 황철광(FeS2)과 결합되지 않은 경우, 그리고 황철광이 오직 금황철광인 경우, 이하의 화학 반응이 용융로에서 일어난다:
Au + Pb + FeS2 + Fe+ 2Na2CO3 → Au + Pb + 2Na2S + 2FeO + 2CO2
화학 열역학에 따라, 그리고 수반되는 에너지 비용을 고려했을 때, 바람직하게 반응이 일어나는 온도 범위는 750°C - 950°C 사이이고, 반면에, 금황철광 또는 이황화철(Iron disulphide, FeS2)로부터의 금 추출 공정은, 이 공정의 반응 환원제로 간주되어야할 철(Fe)의 그램-원자 수 또는 이와 동일 중량이 황철광 또는 이황화철(FeS2)에 함유된 황(S) 원자의 수와 직접적으로 관련됨을 특징으로 함이 지정되어야 하는데, 예외적으로 금황철광에 함유된 철의 그램-원자 또는 이와 동일 중량에는 이 계산이 공제되어야 한다. 또한 반면에, 금 추출 공정에서 반응물 플럭스로 간주될 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수 또는 이와 동일 중량 또한 황철광 또는 이황화철(FeS2)의 화학식에 존재하는 황 원자의 양과 직접 관련된다.
금속 철은 상보적인 야금 공정, 예를 들어 (수용성 황화나트륨 또는 Na2S인) 슬래그의 부분적 용해, 고체 폐기물(FeO)의 여과, 산화제일철(FeO) 펠렛의 응집 및 소결 및 가스(일산화탄소 및 수소)의 환원을 이용한 FeO 펠렛의 철의 환원을 거쳐 마침내 얻어진다는 점을 주목해야 한다.
5. 제5 바람직한 실시 예: 휘안광, 취은광, 사면동광 광물 농축물을 제련함으로써 안티몬 및 은을 추출
이 공정에서, 안티몬 금속을 함유하는 황산염 광물에서 안티몬 금속의 추출은, 관련된 야금학적 투입물의 재생과 재활용으로 개선된 직접 환원을 적용함으로써 이루어지는데, 개선된 직접 환원은 환원제로서 철(Fe)과 플럭스로서 탄산나트륨(Na2CO3)의 적합한 사용에 기초하고, 시약들 간의 화학 반응의 생성물은 이하와 같다: 금속 안티몬, 불용성 화합물 산화제일철(FeO) 및 가용성 화합물 황화나트륨(Na2S)으로 주로 형성된 슬래그, 이산화탄소(CO2)로 주로 형성된 가스상 배출물. 슬래그 형성을 효과적으로 제어하기 위해서, 금속 안티몬에서 추출된 황산염 광물인 농축된 광물 휘안광 또는 안티몬 삼화합물(Sb2S3)이 용융로에 있어야 한다. 그 후, 환원제 철(Fe) 및 플럭스 탄산 나트륨(Na2CO3)이 반응기에 화학량론적 비율로 첨가되면 상기 야금학적 투입물의 재생과 재활용이 후속 공정에서 가능해진다; 이와 같은 목적으로, 슬래그이 형성은 제어되어야 하고, 슬래그의 형성은 세 가지 이상의 화합물로 구성되어서는 안되고, 오직 두 가지만 가능하며, 필수적으로 그 중 하나는 가용성이여야 한다. 이 점에서, 금속 안티몬 추출 시 용융로에서 얻은 슬래그는 오직 산화제일철(FeO) 및 황화나트륨(Na2S)으로만 구성되도록 추구되어야 하고, 이는 슬래그에서의 아황산제일철(FeS)의 형성이 제어되어야 함을 의미하는데, 이를 위하여 환원제로서 철(Fe) 및 플럭스로서 탄산나트륨(Na2CO3)을 사용하는 직접 환원 공정의 반응이 필수적으로 이하와 같아야 한다:
Sb2S3 + 3 Fe + 3 Na2CO3 → 2Sb + 3 Na2S + 3FeO + 3 CO2
이 경우, 화학 열역학에 따르면, 반응은 300°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 625°C에서 종료되어야 한다.
상기 사항을 고려했을 때, 안티몬을 함유하는 황산염 광물에 대한 안티몬의 직접 환원 공정은, 공정에서 플럭스로서 간주되어야 하는 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수 또는 이와 동일 중량은, 추출될 금속 안티몬을 함유하는 광물학적 화합물인 취은광 또는 안티몬 삼화합물(Sb2S3)의 화학식에 존재하는 황 원자와 직접 관련된다고 결론지어진다. 마찬가지로, 공정에서 반응 환원제로 간주되어야 할 철(Fe)의 그램-원자 수, 또는 이와 동일 중량은 생성물로 얻게될 산화제일철(FeO)의 그램-몰 수와 직접 관련되는데, 이는 화학 반응에서 그와 같이 방출되는 산소(O2)의 그램-몰 수에 달려있기 때문이고, 요구되는 철(Fe)의 그램-원자는 플럭스로 간주되는 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수와 취은광 및 안티몬 삼화합물(Sb2S3)의 농축된 광물에 함유된 황 원자(S)의 수에 달려있을 것으로 결론지어진다.
취은광(Ag5SbS4)로부터의 은 및 안티몬 추출에 관련하여, 두 가지 다원자성 금속들로부터 비철 황산염 광물에 대한 설정된 과정이 적용된다:
Ag5SbS4 + 4 Fe + 4 Na2CO3 → 5 Ag + Sb + 4 Na2S + 4 FeO + 4 CO2
함은사면동광(Ag3SbS3 + x(Fe, Zn)6Sb2S9)에서 안티몬 및 은의 추출에 관련하여, 이 경우 x=1이고 유황염제에서 은이 구리로 대체된 것을 고려할 때, 철 또는 비철 바이메탈릭 황산염 광물의 결합에 대해 설정된 과정은
[Ag3SbS3 + (Fe, Zn)6Sb2S9] + 6 Fe + 12 Na2CO3 →
→ 3 Ag + 3 Sb + + 6 Zn + 12 Na2S + 12 FeO + 12 CO2
6. 제6 바람직한 실시 예: 광물 몰리브덴 농축물을 제련함으로써 몰리브덴 추출.
이 공정에서, 몰리브덴을 함유하는 황산염 광물(휘수연광 또는 MoS2)에서 몰리브덴 금속의 추출은 개선된 직접 환원을 적용함으로써 수행되는데, 개선된 직접 환원은 환원제로서의 철(Fe) 및 플럭스로서의 탄산나트륨(Na2CO3)의 적합한 사용을 기초로 하며, 반응물들 간 화학 반응의 생성물은 이하와 같다: 높은 용해점(smelting point)으로 인한 분말형 금속성 몰리브덴, 산화제일철(FeO) 및 황화나트륨(Na2S)으로 형성된 가벼운 유체 슬래그, 및 가스상 배출물 이산화탄소(CO2). 그 중요성을 고려했을 때, 상기 개선된 직접 환원 공정 동안, 슬래그의 형성의 효과적인 제어가 필수적이다. 이러한 목적으로, 휘수연광의 농축된 광물이 한번 용융로 내에 있으면, 환원제로서 철(Fe) 및 플럭스로서 탄산나트륨(Na2CO3)이 첨가되는데, 이러한 야금학적 투입물의 사용은 적절한 화학량론적 비율로 이루어져, 화학 반응으로 얻은 생성물로부터 환원제와 플럭스 모두의 재생과 재활용이 가능하도록 한다. 이는 슬래그가 세 가지 이상의 화합물로 주로 구성되어서는 안되고, 두 가지로 구성되며, 그 중 하나는 가용성일 때 달성된다. 이러한 의미에서, 용융로에서 휘수연광 금속 추출로부터 얻은 슬래그가 오직 불용성 화합물 산화제일철(FeO) 및 수용성 화합물 황화나트륨(Na2S)으로 구성되도록 추구되어야 하는데, 이는 동시에 슬래그에서 아황산제일철(FeS)의 비형성이 제어되어야 하고, 이를 위해 주 공정에서 이하의 화학 반응이 필수적임을 의미한다:
MoS2 + 2 Fe + 2 Na2CO3 → Mo + 2 Na2S + 2 FeO + 2 CO2
화학 열역학에 따라, 그리고 관련된 에너지 비용을 고려했을 때, 반응은 1175°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 1375°C에서 종료되어야 한다.
상기 사항으로부터, 몰리브덴을 함유한 황산염 광물로부터 몰리브덴의 직접 환원 공정 시, 반응물 플럭스로서 간주되어야 하는 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수, 또는 이와 동일 중량이 휘수연광 또는 이황화몰리브덴(MoS2)의 화학식의 황 원자와 직접 관련된다고 결론지어진다. 마찬가지로, 공정에서 환원제로서 간주되어야할 철(Fe)의 그램-원자 수, 또는 그와 동등한 무게의 등가물은 생성물로서 얻게될 산화제일철(FeO)의 그램-몰 수와 직접 관련되며, 이는 화학 반응에서 그와 같이 방출되는 산소(O2)의 그램-몰 수에 달려있기 때문에, 요구되는 철(Fe)의 그램-원자는 플럭스로 간주되는 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수에 달려있을 것이고, 또한 농축된 광물인 휘수연광 또는 이황화몰리브덴(MoS2)에 함유된 황 원자(S)의 수에 달려있을 것으로 추론된다.
7. 제 7 바람직한 실시 예: 금을 함유하는 황비철광 및/또는 담홍은광 농출물을 제련함으로써 각각 금과 비소 및/또는 은과 비소를 추출.
금황비철광(AsFeS with Au)에 함유된 비소(As) 및 금(Au)의 추출 공정 시, 이하의 화학 반응이 있다:
AsFeS + Au + Na2CO3 → As + Au + Na2S + FeO + CO2
화학 열역학에 따르면, 합리적인 에너지 비용을 고려했을 때, 이전 반응은 825°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 1325°C에서 종료되어야 한다.
금황비철광이 황철광(FeS2)과 결합되면, 상기 화학 반응이 이하와 같이 재진술되어야한다:
AsFeS + Au + FeS2 + Fe + 3 Na2CO3 → As + Au + 3 Na2S + 3 FeO + 3 CO2
화학 열역학에 따르면, 에너지 비용을 고려했을 때, 이전 반응은 770°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 900°C에서 종료되어야 한다.
특정한 경우에 있어, 금황비철광이 황철광(FeS2) 뿐만 아니라, 황동광(CuFeS2)과도 결합한다는 것을 고려했을 때, 해당하는 화학 반응은 이하와 같다:
AsFeS + Au + FeS2 + CuFeS2 + 2 Fe + 5 Na2CO3 →
→ As + Au + Cu + 5 Na2S + 5 FeO + 5 CO2
화학 열역학에 따르면, 합리적인 에너지 비용을 고려했을 때, 반응은 875°C부터 일어나기 시작하고, 바람직하게는 975°C에서 종료되어야 한다. 가장 적합한 화학량론적 조건 및 1000°C의 온도에서 상기 금 황비철광 농축물에 함유된 모든 비소를 추출할 수 있다는 것이 확인되었을 것이다.
금의 회수와 관련하여, 금속 비소의 상대적으로 낮은 끓는 점 때문에, 이전 반응에서 금속 납의 사용을 추가 반응물로서 간주하여 반응의 생성물에서 결국 금의 운반체가 될 수 있도록 하는 것이 필수적인데, 이는 두 금속들 간에 존재하는 친화성 때문 뿐만 아니라, 납과 금은 함께 고 비중량의 주조 금속 생성물을 형성하기 때문이며, 생성물은 적합한 주조를 얻기 위해 황화나트륨 및 산화제일철로 구성된 슬래그로부터 쉽게 분리되는 것이다.
마찬가지로, 이전의 바람직한 실시 예에서와 같이, 슬래그의 형성을 효과적으로 제어하기 위해서, 황비철광(AsFeS), 황철광(FeS2) 및 황동광(CuFeS2)에 대해 확립된 화학식이 사용되고, 화학식은 적합한 환원제 철(Fe) 및 플럭스 탄산나트륨(Na2CO3)의 화학량론적 양을 고려하여, 이 환원제 철(Fe) 및 플럭스 탄산나트륨(Na2CO3)과 함께 철 황산염 광물(ferrous sulphurated minerals)의 농축물의 제련이 수행되어야 하는 것을 지정하는데, 이는 적용되는 바에 따라 비소(As), 금(Au), 구리(Cu)의 높은 회수율을 얻기 위함 뿐만 아니라, 후속 공정에서 환원제 철(Fe)과 플럭스 탄산나트륨(Na2CO3)을 줄이고 재활용하기 위함이며, 비소(As) 및 금(Au) 및/또는 구리(Cu)의 추출 공정으로부터의 슬래그가 세 가지 이상의 화합물로 구성되어서는 안되고, 오직 두 가지만 가능하며, 산화제일철(FeO) 및 가용성 황화나트륨(Na2S)으로 구성되어야 하고, 항상 아황산제일철(Fes)은 슬래그의 구성 요소가 되지 않도록 피한다. 상기 화학 반응의 세번째 생성물은 상응하는 화학량론적 양의 가스 배출물 이산화탄소이다.
담홍은광(AgAsS3)에 함유된 금속 비소(As)과 은(Ag)의 추출 공정에 대해, 두 개의 다원자성 금속의 비철금속 황산염 광물에 대해 확립된 일반적인 참고용의 화학식이 적용되고, 이러한 의미에서, 언급된 공정은 이하의 화학식을 갖는다:
Ag3AsS3 + 3 Fe + 3 Na2CO3 → 3 Ag + As + 3 Na2S + 3 FeO + 3 CO2
상기 논의된 기술적 기준이 모든 목적에 대해 우선한다.
8. 제 8 바람직한 실시 예: 자황철광, 황철광 및 백철광과 같은 철 황산염 광물 농축물을 제련함으로써 철 추출.
자황철광(FeS), 황철광 및 백철광(둘 다 FeS2)과 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 황산염 광물에 함유된 철(Fe)의 추출 공정 시, 화학식의 화학량론적 균형에 있어 필요한 경우 철(Fe)을 원자 교환의 촉진제로서, 또한 탄산나트륨(Na2CO3)을 플럭스로서 적합한 방식으로 사용하여, 이로써 주조될 수 있는 슬래그를 공정의 생산물로서 얻을 수 있게 하는데, 슬래그는 산화제일철(FeO) 및 황화나트륨(Na2S)으로 형성될 것이므로 저밀도 및 저점도이며, 제2생성물로서 이산화탄소(CO2)로 형성된 각각의 가스 배출물을 산출한다. 마찬가지로, 슬래그의 형성을 효과적으로 제어하기 위해, 황철광의 경우 Fe2S와 같은 철 황산염 광물에 대해 설정된 화학식이 사용되며, 철(Fe)의 1 그램-원자와 탄산나트륨(Na2CO3) 플럭스의 1 그램으로 황철광의 1 그램-몰을 제련하는 것은 적합한 화학량론적 양을 고려해서 이루어져야 하는데, 이는 생성될 슬래그의 조성을 완전히 제어하여, 반응물로서 이황화철을 갖는 경우, 첨가되어야 할 플럭스인 탄산나트륨(Na2CO3)과 철(Fe)의 환원과 재활용이 후속 공정에서 가능하다. 이는 철(Fe) 추출 공정의 슬래그가 세 가지 이상의 화합물로 구성되지 않고, 오직 두 가지로 구성되며, 필수적으로 그 중 하나는 가용성이지만 (황화나트륨), 다른 하나는 가용성이 아니도록 (산화제일철) 주의를 기울여야 함을 의미하며, 슬래그 내 아황산제일철(FeS)의 형성은 이하의 반응으로 피해야 한다:
FeS2 + Fe+ 2 Na2CO3 → FeO + 2 Na2S + 2 CO2
화학 열역학에 따르면, 합리적인 에너지 비용을 고려했을 때, 상기 반응은 750°C에서 일어나고, 바람직하게는 950°C에서 종료되어야 한다.
슬래그의 조성에 대한 제어로 물(H2O)에서 황화나트륨(Na2S)의 고가용성을 갖는 이점을 가질 수 있고, 산화제일철(FeO) 화합물을 유일한 고체 잔여물로 갖는 목적으로, 황화나트륨(Na2S)의 가용성을 고려했을 때, 황화철 농축물에 대한 용융로에서 얻어지는 슬래그가 용액 반응기에서 필요한 양만큼의 수액과 혼합되는 것이 필수적여서, 이로써 이하의 전기화학적 해리반응이 일어난다:
Na2S + H2 O
Figure pct00012
2 Na+ + HS- + OH-
그 다음, 그 결과로 얻은 용액이 여과되고, 산화제일철(FeO)로 형성된 유일한 고체 폐기물이 분리된다. 그 다음, 고체 폐기물의 응집 및 후속 소결이 각각의 용광로에서 제어된 온도로 실행되고, 이로써 대략적으로 소결되고 "펠렛"으로 전환된 응집된 산화제일철(FeO) 생성물이, FeO "펠렛"이 최종적으로 보내질, 철환원로에서 요구되는 압축 저항의 기계적 성질을 얻는다. 산화제일철 "펠렛"에 함유된 철의 환원을 달성하기 위해서, 석탄, 야금 코크스 또는 천연 가스를 환원성 가스 (일산화탄소 및 수소)가 생성될 환원 연소로에서 사용 가능할 수 있어야 하고, 적용되는 바에 따라, 철환원로로부터 재활용된 가스상 배출물이산화탄소 (잔여 CO2) 및 일산화탄소 (잔존 CO)와 같이, 요구되는 공기 및/또는 수증기 모두를 불어넣어야 하고, 이로써 이하의 900°C와 1000°C 사이의 온도에서 적용되는 바에 따른 화학 반응을 야기한다:
\C + O2 → CO2
C + CO2 → 2 CO
C + H2O → CO + H2
C + 2 H2O → CO2 + 2 H2
CO + H2O → CO2 + H2
CH4 + H2O → 3 H2 + CO
소결된 "펠렛"은 철환원로에 필요한 기간동안, 연소로로부터 일산화탄소(CO) 및 수소(H2) 환원성 가스의 적합한 흐름의 지배를 받도록 하기 위해 도입되고 축적되어, 철의 산화 상태 +2가 0으로 환원되도록 하여, 이하의 화학 반응을 사용하여 금속 철(Fe)의 추출이 가능하게 만든다:
FeO + CO → Fe + CO2
FeO + H2 → Fe + H2O
상기 사항으로부터, 황철광과 백철광 (둘 다 이황화철:FeS2), 자황철광(황화철: FeS) 또는 다른 황화철로부터의 철 추출 공정에서, 공정에서 반응물로 간주되어야할 철(Fe)의 그램-원자 수, 또는 이와 동일 중량은 황철광 및/또는 백철광(FeS2)에 함유된 황(S)의 원자 수와 직접 관련된다고 결론지어지는데, 단, 주조될 황철광 및/또는 백철광에 함유된 철의 그램-원자 수 또는 그와 동등한 무게의 등가물은 이 계산에서 공제되어야 한다. 반면에, 철 추출 공정에서 반응물 플럭스로 간주되어야하는 탄산나트륨(Na2CO3)의 몰 수 또는 그와 동등한 무게의 등가물 또한 황철광 및/또는 백철광(이황화철:FeS2)의 화학식에 존재하는 황 원자의 양에 직접 관련된다.
자황철광(FeS)의 1몰 그램의 주조를 원할 시, 오직 1몰그램의 탄산나트륨이 플럭스로서 필요하다. 산화제일철(FeO) 및 황화나트륨(Na2S)으로 구성되어야 하는 슬래그의 조성에 대한 제어를 위해 이전의 설명을 고려해야 한다. 가스상 배출물 이산화탄소(CO2)는 이 경우 추가적인 생성물로 얻게된다. 전술했듯이, 슬래그 조성에 대한 적절하게 제어하면 물에서 황화나트륨의 높은 가용성을 이용할 수 있어, 결국 상응하는 여과 후 산화제일철(FeO)를 유일한 고체 잔여물로 얻을 수 있고, 그 후 응집되고 소결되어 산화제일철의 "펠렛"을 얻는다. 철 황산염 광물로부터 추출되어야 하는 금속 철은 이 펠렛에서 얻어진다.
참조자료 :
Figure pct00013
비철 및/또는 철광물 농축물(1a)

Claims (12)

  1. 철과 결합되거나 결합되지 않고, 금속을 함유하는 황산염 광물로부터 금속을 지속적으로 추출하는 공정으로서,
    관련 공정에서 발생한 슬래그, 유체 및 가스상 배출물로부터 환원제로서 철과 플럭스로서 탄산나트륨의 재생 및 재활용과 함께 추출될 특정 금속 또는 금속들의 직접 환원으로, 상기 공정은:
    - 환원제로서 상기 비철금속 및 플럭스로서 탄산나트륨을 사용하며, 어떤 경우에 금 및 은의 개재물을 포함하고, 철과 결합되거나 결합되지 않는, 납, 은, 아연, 구리, 몰리브덴, 안티몬, 비소를 포함하는, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 금속을 함유하는 농축된 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물을 제련하는 용융로에서의 금속의 추출 단계로서, 그 결과 추출된 용융 또는 분말형 금속, 산화제일철 및 황화나트륨으로 구성된 제어된 부드러운(smooth) 슬래그, 가스상 배출물 이산화탄소가 발생하는 단계;
    - 고체 산화제일철 및 여과된 황화나트륨 용액이라는 두 가지 중간 생성물을 얻기 위한 슬래그로부터의 황화나트륨의 물에서 선택적 용해 및 폐기물의 여과 단계;
    - 여과된 황화나트륨 용액과 과포화된 탄산나트륨 용액을 혼합함으로써 재활용을 위한 용액 반응기에서 탄산나트륨 재생 단계로서, 가스상 배출물 이산화탄소가 직접 환원으로 비철금속 추출 공정으로부터 포획되어 재활용되고, 상기 혼합물에 불어져, 그 결과 재생된 탄산나트륨, 황화수소가스 및 물을 중간 생성물로서 발생하는 단계;
    - 가스상 배출물을 포획하고 고체/가스 반응기로 전도하여 황화수소 가스를 제거하고 황을 얻는 단계로서, 수화된 산화철과 반응하여 아황산제이철과 물을 얻는데, 적절한 환기와 함께, 이 생성물들은 원소 황과 물로 전환되고, 재활용을 위해 수화된 산화철로 재생되는 단계;
    - 여과로 얻은 고체 폐기물의 이전의 응집 및 후속 가열로, 1100˚C와 1300˚C 사이의 제어된 온도에서의 산화제일철의 소결 단계로서, 이후 일부 슬래그가 용해되어 다음 단계인 환원제 철의 재생에서 요구되는 물리적 성질인 압축 강도를 갖는 산화제일철 펠렛을 얻는 단계;
    - 석탄, 야금 코크스 또는 천연 가스를 연료로서 사용하여 연소로에서 얻어지는 환원 가스인 일산화탄소 및 수소의 발생의 단계로서, 여기에 필요한 공기와 수증기는 공정이 수행되는 상기 용광로로 불어진다. 잔여 이산화탄소 및 잔여 일산화탄소와 같은 재활용된 가스 또한 불어진다. 이러한 가스는 환원제인 철을 재생하는 환원로에서 취해지는 단계;
    - 산화제일철에 함유된 상기 금속을 환원하여 재활용을 위한 환원제로서의 철을 재생하는 단계로서, 이 잔여물은 연소로에서 환원 가스인 일산화탄소 및 수소와 함께 적절한 반응으로 응집되고 소결된 슬래그의 용해로부터 발생되었고, 이후 금속 철이 농축된 황산염 광물 농축물의 용융로에서 얻어지고 재활용되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 공정.
  2. 비금속 및 귀금속을 함유하는 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물에서 비금속 및 귀금속을 추출하는 방법으로서,
    환원제로서 상기 비철금속 및 플럭스로서 탄산나트륨을 사용하며, 만약 황철광, 황비철광, 황동광과 같이 개재물로서 존재한다면 금 및/또는 은을 포함하는 납, 은, 아연, 구리, 몰리브덴, 안티몬, 비소를 포함하는, 그러나 이에 국한되지 않는, 농축 형태로 추출될 금속 또는 금속들을 제련하는 것을 특징으로 하고, 그 결과 추출된 용융 또는 분말형 금속, 산화제일철 및 황화나트륨으로 구성된 제어된 부드러운 슬래그, 가스상 배출물 이산화탄소가 발생하는, 방법.
  3. 산화제일철과 황화나트륨으로 구성된 슬래그의 처리로부터 금속성 철을 얻는 방법으로서, 상기 공정은:
    - 물에서 슬래그 화합물인 황화나트륨을 용해하는 단계;
    - 고체 폐기물로부터 산화제일철을 여과하는 단계;
    - 산화제일철을 이 화합물의 펠렛 형성을 위해 응집 및 소결하는 단계;
    - 산소, 수증기 및/또는 이산화탄소와 함께 석탄, 야금 코크스 또는 천연가스를 사용함으로써 연소로에서 얻은 환원 가스인 일산화탄소 및/또는 수소를 발생하는 단계로서, 선택적으로, 이 특정 단계는 환원 가스인 일산화탄소 및/또는 수소가 발생하는 대신 얻어지는 경우에, 생략될 단계;
    - 일산화탄소 및/또는 수소 가스를 환원제로 사용하여 산화제일철 펠렛에 함유된 철을 환원하는 단계를 특징으로 하는, 공정.
  4. 산화제일철과 황화나트륨으로 구성된 제련된 슬래그와 이산화탄소로부터 탄산나트륨을 얻는 공정으로, 상기 공정은:
    - 물에서 슬래그 화합물인 황화나트륨을 용해하는 단계
    - 물에서 황화나트륨의 용해로 발생한 용액을 여과 및 분리하는 단계
    - 여과된 황화나트륨을 이산화탄소 가스와 과포화된 탄산나트륨 용액으로 처리하는 단계
    - 그 결과 발생한 탄산수소나트륨 결정체를 탄산나트륨 결정체로 전환하기 위하여 여과 및 가열하는 단계
    - 여과된 황화나트륨 용액의 처리 과정에서 발생한 황화수소 가스(sulphurated hydrogen gas)를, 고체/가스 반응기에서 수화된 산화제일철 결정체와 반응하도록 하기 위해, 제거하는 단계
    - 고체/가스 반응기에서 아황산제이철 결정체와 물을 얻는 단계
    - 재활용을 위해 수화된 철산화물을 재생하기 위해, 동시에 원소 황과 물을 생성하기 위해, 아황산제이철 결정체와 물을 환기하는 단계를 특징으로 하는, 공정.
  5. 제2항에 있어서,
    철황산염광물에 개재물로서 존재하는 금과 은, 및/또는 그 황화물에 함유된 은의 추출을 위해, 황비철광, 황철광, 백철광, 자황철광, 황동광, 휘은광 또는 유은광을 포함하는, 그러나 이에 국한되지 않는, 광물 농축물을 제련하는데, 적용되는 경우, 플럭스로서 탄산나트륨을, 환원제로서 철을 사용하고, 추가적인 골재로서 반응물과 함께, 상기 귀금속 추출에서 얻은 최종 생성물 내 금속성 납, 금 및 은 운반체(carrier)를 사용하는 것을 특징으로 하는, 방법.
  6. 자황철광 및 황비철광 단황화물, 백철광 및 황철광 이황화물을 포함하는, 그러나 이에 국한되지 않는, 농축된 철 황산염 광물에서 금속성 철을 추출하는 방법으로서,
    적용되는 경우, 탄산나트륨을 플럭스로서, 추가적 철을 환원제로서 사용하여 이 농축물을 제련하여, 그 결과 산화제일철과 황화나트륨으로 구성된, 생성된 슬래그에서 금속성 철의 추출이 발생함을 특징으로 하는, 방법. 상기 야금학적 투입물은:
    - 적용되는 경우, 플럭스로서 탄산나트륨을, 환원제 또는 반응물로서 추가적인 철을 사용하여 농축된 철 황산염 광물을 제련하는 단계
    - 물에서 슬래그 화합물인 황화나트륨을 용해하는 단계
    - 고체 폐기물로부터 산화제일철을 여과하는 단계
    - 이 화합물의 펠렛 형성을 위해 산화제일철을 응집 및 소결하는 단계
    - 산소, 수증기 및/또는 이산화탄소와 함께 석탄, 야금 코크스 또는 천연 가스를 사용하여 연소로에서 얻은 환원 가스인 일산화탄소 및 수소를 생성하는 단계. 이 특정 단계는 환원 가스인 일산화탄소 및/또는 수소가 얻어지는 경우에, 생략될 것이다.
    - 일산화탄소 및/또는 수소 가스를 환원제로 사용하여 산화제일철 펠렛에 함유된 철을 환원하는 단계를 거침으로써 재생 및 재활용되는, 방법.
  7. 금속을 함유한 농축된 철금속 및 비철금속 황산염 광물로부터의 금속 직접 환원 공정에서, 단일 금속의 비철금속 황산염 광물에 대해, 환원제로서 철의 필요량 및 플럭스로서 탄산나트륨의 필요량을 결정하는 공정으로서, 상기 공정은 이하의 단계들을 특징으로 하는 방법:
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속의 직접 환원 공정에서의 반응물 간 원자 교환의 촉진제 또는 환원제로서 요구되는 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계. 이것으로부터 앞서 언급된 광물학 화합물에서 원자 화합물로 간주되는, 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량은 공제된다.
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속들의 직접 환원의 공정에서 플럭스로서 요구되는 탄산나트륨의 몰 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계.
    - 공정의 슬래그에서 생성물로서 얻는 산화제일철의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정의 반응물들 중 환원제로서 요구되는 철 원자의 총 수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 공정 슬래그 및 가스 배출물 모두에서 생성물로서 얻는 황화나트륨 및 이산화탄소의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정 반응물들 중 플럭스로 요구되는 탄산나트륨의 총수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 상기 사항은, 적용되는 바에 따라, 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 농축된 황산염 광물이 공정에서 간주하는 용융로에서 제련되는 경우들에 적용된다. 이러한 경우들에서, 철은 환원제로서, 탄산나트륨은 플럭스로서 사용되어, 그 결과, 상기 금속들의 물리적 특성에 따라 그리고 적용되는 바에 따라, 용융 또는 분말형 금속들과, 산화제일철 및 황화나트륨으로 구성된 제어된 조성의 슬래그 및 가스상 배출물 이산화탄소가 발생한다. 환원제와 플럭스의 재생과 재활용을 가능하게 하는데 필수적인, 슬래그 조성에 대한 효과적인 제어를 위해, 이하의 일반적 정의를 고려하여, 이하의 경우에 대해 이하의 일반적 반응이 확립된다:
    - Fe는 산화수 0인 원소인 반응물이고, 주반응기에 첨가될 때, 적용되는 바에 따라, 황과 나트륨 간 원자 교환의 촉진제로서 또는 환원제로서 작용한다.
    - Na 2 CO 3 는 탄산나트륨이라고 불리는 화학 반응물 화합물이고, 주반응기에 플럭스로서 첨가된다.
    - Na 2 S는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 황화나트륨이라고 불리는, 슬래그 화합물 중 하나이고, 물에서 고불용성이다.
    - FeO는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 산화제일철이라고 불리는, 또 다른 슬래그 화합물이고, 물에서 불용성이다.
    - CO 2 는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 이산화탄소라고 불리는, 가스상 배출물이다.
    단일 금속의 비철금속 황산염 광물에 대하여:
    MxSy + y Fe + y Na2CO3 → x M + y Na2S + y FeO + y CO2
    - M은 납, 은, 아연, 구리, 몰리브덴, 안티몬을 포함하는, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
    - M x S y 는 금속 M이 추출될 황산염 광물에 대해 확립된 화학식이다.
    - x 및 y는, 그 값에 따라, 잔여 반응물과 공정에서 얻은 생성물의 화학량론적 계수인 MxSy에서 추출될 황 및 금속 M의 원자 수를 각각 나타낸다.
  8. 금속을 함유한 농축된 철금속 및 비철금속 황산염 광물로부터의 금속 직접 환원 공정에서, 단일 금속의 철금속 황산염 광물에 대해, 환원제로서 철의 필요량 및 플럭스로서 탄산나트륨의 필요량을 결정하는 방법으로서, 이하를 특징으로 하는, 방법:
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속의 직접 환원 공정에서의 반응물 간 원자 교환의 촉진제 또는 환원제로서 요구되는 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계. 이것으로부터 앞서 언급된 광물학 화합물에서 원자 화합물로 간주되는, 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량은 공제된다.
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속들의 직접 환원의 공정에서 플럭스로서 요구되는 탄산나트륨의 몰 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계.
    - 공정의 슬래그에서 생성물로서 얻는 산화제일철의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정의 반응물들 중 환원제로서 요구되는 철 원자의 총 수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 공정 슬래그 및 가스 배출물에서 생성물로 얻는 황화나트륨 및 이산화탄소의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정 반응물들 중 플럭스로 요구되는 탄산나트륨의 총 수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 상기 사항은, 적용되는 바에 따라, 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 농축된 황산염 광물이 공정에서 간주하는 용융로에서 제련되는 경우들에 적용된다. 이러한 경우들에서, 철은 환원제로서, 탄산나트륨은 플럭스로서 사용되어, 그 결과, 상기 금속들의 물리적 특성에 따라 그리고 적용되는 바에 따라, 용융 또는 분말형 금속들과, 산화제일철 및 황화나트륨으로 구성된 제어된 조성의 슬래그 및 가스상 배출물 이산화탄소가 발생한다. 환원제와 플럭스의 재생과 재활용을 가능하게 하는데 필수적인, 슬래그 조성에 대한 효과적인 제어를 위해, 이하의 일반적 정의를 고려하여, 이하의 경우에 대해 이하의 일반적 반응이 확립된다:
    - Fe는 산화수 0인 원소인 반응물이고, 주반응기에 첨가될 때, 적용되는 바에 따라, 황과 나트륨 간 원자 교환의 촉진제로서 또는 환원제로서 작용한다.
    - Na 2 CO 3 는 탄산나트륨이라고 불리는 화학 반응물 화합물이고, 주반응기에 플럭스로서 첨가된다.
    - Na 2 S는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 황화나트륨이라고 불리는, 슬래그 화합물 중 하나이고, 물에서 고불용성이다.
    - FeO는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 산화제일철이라고 불리는, 또 다른 슬래그 화합물이고, 물에서 불용성이다.
    - CO 2 는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 이산화탄소라고 불리는, 가스상 배출물이다.
    단일 금속의 철금속 황산염 광물에 대하여:
    MxFeySz + (z-y) Fe + z Na2CO3 → x M + z Na2S + z FeO+ z CO2
    - M은 구리, 비소, 납, 아연을 포함하는, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
    - M x Fe y S z 는 금속 M이 추출될 철금속 황산염 광물에 대해 확립된 화학식이다.
    - x, y, z는 공정에서 얻은 생성물과 잔여 반응물의 화학량론적 계수의 기초가 되는 MxFeySz로부터 추출될 철, 황, 금속 M의 원자 수를 각각 나타낸다.
  9. 금속을 함유한 농축된 철금속 및 비철금속 황산염 광물로부터의 금속의 직접 환원 공정에서, 금 및/또는 은을 포함하는, 단일 금속의 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물에 대해, 환원제로서 철의 필요량 및 플럭스로서 탄산나트륨의 필요량을 결정하는 방법으로서, 이하를 특징으로 하는, 방법:
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속의 직접 환원 공정에서의 반응물 간 원자 교환의 촉진제 또는 환원제로서 요구되는 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계. 이것으로부터 앞서 언급된 광물학 화합물에서 원자 화합물로 간주되는, 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량은 공제된다.
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속들의 직접 환원의 공정에서 플럭스로서 요구되는 탄산나트륨의 몰 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계.
    - 공정의 슬래그에서 생성물로서 얻는 산화제일철의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정의 반응물들 중 환원제로서 요구되는 철 원자의 총 수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 공정 슬래그 및 가스 배출물 모두에서 생성물로서 얻는 황화나트륨 및 이산화탄소의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정 반응물들 중 플럭스로 요구되는 탄산나트륨의 총수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 상기 사항은, 적용되는 바에 따라, 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 농축된 황산염 광물이 공정에서 간주하는 용융로에서 제련되는 경우들에 적용된다. 이러한 경우들에서, 철은 환원제로서, 탄산나트륨은 플럭스로서 사용되어, 그 결과, 상기 금속들의 물리적 특성에 따라 그리고 적용되는 바에 따라, 용융 또는 분말형 금속들과, 산화제일철 및 황화나트륨으로 구성된 제어된 조성의 슬래그 및 가스상 배출물 이산화탄소가 발생한다. 환원제와 플럭스의 재생과 재활용을 가능하게 하는데 필수적인, 슬래그 조성에 대한 효과적인 제어를 위해, 이하의 일반적 정의를 고려하여, 이하의 경우에 대해 이하의 일반적 반응이 확립된다:
    - Fe은 산화수 0인 원소인 반응물이고, 주반응기에 첨가될 때, 적용되는 바에 따라, 황과 나트륨 간 원자 교환의 촉진제로서 또는 환원제로서 작용한다.
    - Na 2 CO 3 는 탄산나트륨이라고 불리는 화학 반응물 화합물이고, 주반응기에 플럭스로서 첨가된다.
    - Na 2 S는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 황화나트륨이라고 불리는, 슬래그 화합물 중 하나이고, 물에서 고불용성이다.
    - FeO는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 산화제일철이라고 불리는, 또 다른 슬래그 화합물이고, 물에서 불용성이다.
    - CO 2 는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 이산화탄소라고 불리는, 가스상 배출물이다.
    금 및/또는 은을 포함하는, 단일 금속의 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물에 대하여:
    MxFeySz+ (Au,Ag)m + n Pb + (z-y) Fe + z Na2CO3 →
    → x M + m (Au,Ag) + n Pb + z Na2S + z FeO + z CO2
    - M은 구리, 비소, 납, 아연을 포함하는, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
    - M x Fe y S z 는 결합된 금속 M 및 귀금속이 추출될 철금속 및 비철금속 황산염 광물 (y=0인 경우)에 대해 확립된 화학식이다.
    - x, y, z는, 그 값에 따라, 잔여 반응물과 공정에서 얻은 생성물의 화학량론적 계수인 MxFeySz에서 추출될 각각 철, 황, 금속 M의 원자 수를 나타낸다.
    - (Au, Ag)m은 MxFeySz 광물 매트릭스 내 "m"으로 표시되는 금(Au), 은(Ag), 및 일렉트럼(Au/Ag)의 개재물을 나타낸다.
    - Pb는 금 및 은의 최종 운반체가 되는 반응물과 함께 "n"의 수만큼 첨가되는 금속 납을 나타낸다.
  10. 금속을 함유한 농축된 철금속 및 비철금속 황산염 광물로부터의 금속 직접 환원 공정에서, 단일 금속의 몇몇 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물의 결합물에 대해, 환원제로서 철의 필요량 및 플럭스로서 탄산나트륨의 필요량을 결정하는 방법으로서, 이하를 특징으로 하는, 방법:
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속의 직접 환원 공정에서의 반응물 간 원자 교환의 촉진제 또는 환원제로서 요구되는 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계. 이것으로부터 앞서 언급된 광물학 화합물에서 원자 화합물로 간주되는, 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량은 공제된다.
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속들의 직접 환원의 공정에서 플럭스로서 요구되는 탄산나트륨의 몰 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계.
    - 공정의 슬래그에서 생성물로서 얻는 산화제일철의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정의 반응물들 중 환원제로서 요구되는 철 원자의 총 수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 공정 슬래그 및 가스 배출물 모두에서 생성물로서 얻는 황화나트륨 및 이산화탄소의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정 반응물들 중 플럭스로 요구되는 탄산나트륨의 총수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 상기 사항은, 적용되는 바에 따라, 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 농축된 황산염 광물이 공정에서 간주하는 용융로에서 제련되는 경우들에 적용된다. 이러한 경우들에서, 철은 환원제로서, 탄산나트륨은 플럭스로서 사용되어, 그 결과, 상기 금속들의 물리적 특성에 따라 그리고 적용되는 바에 따라, 용융 또는 분말형 금속들과, 산화제일철 및 황화나트륨으로 구성된 제어된 조성의 슬래그 및 가스상 배출물 이산화탄소가 발생한다. 환원제와 플럭스의 재생과 재활용을 가능하게 하는데 필수적인, 슬래그 조성에 대한 효과적인 제어를 위해, 이하의 일반적 정의를 고려하여, 이하의 경우에 대해 이하의 일반적 반응이 확립된다:
    - Fe는 산화수 0인 원소인 반응물이고, 주반응기에 첨가될 때, 적용되는 바에 따라, 황과 나트륨 간 원자 교환의 촉진제로서 또는 환원제로서 작용한다.
    - Na 2 CO 3 는 탄산나트륨이라고 불리는 화학 반응물 화합물이고, 주반응기에 플럭스로서 첨가된다.
    - Na 2 S는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 황화나트륨이라고 불리는, 슬래그 화합물 중 하나이고, 물에서 고불용성이다.
    - FeO는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 산화제일철이라고 불리는, 또 다른 슬래그 화합물이고, 물에서 불용성이다.
    - CO 2 는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 이산화탄소라고 불리는, 가스상 배출물이다.
    몇몇 단일 금속의 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물의 결합물에 대하여:
    [(M1)aFebSc + (c-b) Fe + c Na2CO3] + [(M2)xFeySz + (z-y) Fe + z Na2CO3] →
    → a (M1) + x (M2) + (c + z) Na2S + (c + z) FeO + (c + z) CO2
    다른 방식으로 표현된 것은 이하와 같다:
    (M1)aFebSc + (M2)xFeySz + [(c - b) + (z - y)] Fe + (c + z) Na2CO3 →
    → a (M1) + x (M2) + (c + z) Na2S + (c + z) FeO + (c + z) CO2
    - M1 및 M2는 구리, 비소와 같은, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
    - (M1) a Fe b S c 및 (M2) x Fe y S z 는 비철금속 M1 및 M2가 추출될 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물(y=0인 경우)에 대해 확립된 화학식이다.
    - 아래 첨자 x, y, z 그리고 a, b, c는 각각 (M1)aFebSc 및 (M2)xFeySz에 존재하는 철 및 황, 그리고 금속 M1 및 M2의 원자의 수를 나타낸다. 잔여 반응물(환원제 및 플럭스)의 화학량론적 계수 및 공정에서 얻어진 생성물(용융 금속, 슬래그 및 가스상 유출물)의 화학량론적 계수는 그 값에 따른다.
  11. 금속을 함유한 농축된 철금속 및 비철금속 황산염 광물로부터의 금속 직접 환원 공정에서, 철금속 및/또는 비철금속 바이메탈릭 황산염 광물에 대해, 환원제로서 철의 필요량 및 플럭스로서 탄산나트륨의 필요량을 결정하는 방법으로서, 이하를 특징으로 하는, 방법:
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속의 직접 환원 공정에서의 반응물 간 원자 교환의 촉진제 또는 환원제로서 요구되는 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계. 이것으로부터 앞서 언급된 광물학 화합물에서 원자 화합물로 간주되는, 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량은 공제된다.
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속들의 직접 환원의 공정에서 플럭스로서 요구되는 탄산나트륨의 몰 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계.
    - 공정의 슬래그에서 생성물로서 얻는 산화제일철의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정의 반응물들 중 환원제로서 요구되는 철 원자의 총 수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 공정 슬래그 및 가스 배출물 모두에서 생성물로서 얻는 황화나트륨 및 이산화탄소의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정 반응물들 중 플럭스로 요구되는 탄산나트륨의 총수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 상기 사항은, 적용되는 바에 따라, 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 농축된 황산염 광물이 공정에서 간주하는 용융로에서 제련되는 경우들에 적용된다. 이러한 경우들에서, 철은 환원제로서, 탄산나트륨은 플럭스로서 사용되어, 그 결과, 상기 금속들의 물리적 특성에 따라 그리고 적용되는 바에 따라, 용융 또는 분말형 금속들과, 산화제일철 및 황화나트륨으로 구성된 제어된 조성의 슬래그 및 가스상 배출물 이산화탄소가 발생한다. 환원제와 플럭스의 재생과 재활용을 가능하게 하는데 필수적인, 슬래그 조성에 대한 효과적인 제어를 위해, 이하의 일반적 정의를 고려하여, 이하의 경우에 대해 이하의 일반적 반응이 확립된다:
    - Fe는 산화수 0인 원소인 반응물이고, 주반응기에 첨가될 때, 적용되는 바에 따라, 황과 나트륨 간 원자 교환의 촉진제로서 또는 환원제로서 작용한다.
    - Na 2 CO 3 는 탄산나트륨이라고 불리는 화학 반응물 화합물이고, 주반응기에 플럭스로서 첨가된다.
    - Na 2 S는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 황화나트륨이라고 불리는, 슬래그 화합물 중 하나이고, 물에서 고불용성이다.
    - FeO는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 산화제일철이라고 불리는, 또 다른 슬래그 화합물이고, 물에서 불용성이다.
    - CO 2 는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 이산화탄소라고 불리는, 가스상 배출물이다.
    철금속 및/또는 비철금속 바이메탈릭 황산염 광물에 대하여:
    (M1)a(M2)bFeySz + (z-y) Fe + z Na2CO3 → a(M1) b(M2) + z Na2S + z FeO+ z CO2
    - M1 및 M2는 안티몬, 아연, 구리, 은, 비소, 코발트를 포함하는, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
    - (M1) a (M2) b Fe y S z 는 철금속 및/또는 비철금속 황산염 광물 (y=0인 경우)에 대해 설정된 M1 및 M2 비철금속을 추출하는 화학식이다.
    - 아래 첨자 y, z 뿐만 아니라 a, b는 (M1)a(M2)bFeySz에 존재하는 철 및 황과 같은 금속 M1 및 M2의 원자 수를 각각 나타낸다. 잔여 반응물(환원제 및 플럭스)의 화학량론적 계수 및 공정에서 얻어진 생성물(용융 금속, 슬래그 및 가스상 유출물)의 화학량론적 계수는 그 값에 따른다.
  12. 금속을 함유한 농축된 철금속 및 비철금속 황산염 광물로부터의 금속 직접 환원 공정에서, 철금속 및 비철금속 바이메탈릭 황산염 광물의 결합물에 대해, 환원제로서 철의 필요량 및 플럭스로서 탄산나트륨의 필요량을 결정하는 방법으로서, 이하를 특징으로 하는, 방법:
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속의 직접 환원 공정에서의 반응물 간 원자 교환의 촉진제 또는 환원제로서 요구되는 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계. 이것으로부터 앞서 언급된 광물학 화합물에서 원자 화합물로 간주되는, 철의 그램 원자 수, 또는 이와 동일 중량은 공제된다.
    - 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 광물학 화합물의 화학식에 포함된 모든 황 원자를 더하여 도출된 수를 결정함으로써, 앞서 언급된 금속들의 직접 환원의 공정에서 플럭스로서 요구되는 탄산나트륨의 몰 수, 또는 이와 동일 중량을 확립하는 단계.
    - 공정의 슬래그에서 생성물로서 얻는 산화제일철의 몰 수, 또는 이와 동일 중량은 공정의 반응물들 중 환원제로서 요구되는 철 원자의 총 수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 공정 슬래그 및 가스 배출물 모두에서 생성물로서 얻는 황화나트륨 및 이산화탄소의 몰 수, 또는 이와 동일 중량이와 동일 중량로 요구되는 탄산나트륨의 총수와 동일함을 확립하는 단계.
    - 상기 사항은, 적용되는 바에 따라, 추출될 금속 또는 금속들을 함유하는 농축된 황산염 광물이 공정에서 간주하는 용융로에서 제련되는 경우들에 적용된다. 이러한 경우들에서, 철은 환원제로서, 탄산나트륨은 플럭스로서 사용되어, 그 결과, 상기 금속들의 물리적 특성에 따라 그리고 적용되는 바에 따라, 용융 또는 분말형 금속들과, 산화제일철 및 황화나트륨으로 구성된 제어된 조성의 슬래그 및 가스상 배출물 이산화탄소가 발생한다. 환원제와 플럭스의 재생과 재활용을 가능하게 하는데 필수적인, 슬래그 조성에 대한 효과적인 제어를 위해, 이하의 일반적 정의를 고려하여, 이하의 경우에 대해 이하의 일반 반응이 확립된다:
    - Fe는 산화수 0인 원소인 반응물이고, 주반응기에 첨가될 때, 적용되는 바에 따라, 황과 나트륨 간 원자 교환의 촉진제로서 또는 환원제로서 작용한다.
    - Na 2 CO 3 는 탄산나트륨이라고 불리는 화학 반응물 화합물이고, 주반응기에 플럭스로서 첨가된다.
    - Na 2 S는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 황화나트륨이라고 불리는, 슬래그 화합물 중 하나이고, 물에서 고불용성이다.
    - FeO는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 산화제일철이라고 불리는, 또 다른 슬래그 화합물이고, 물에서 불용성이다.
    - CO 2 는 일반 화학 반응의 생성물로서 얻어지고 이산화탄소라고 불리는, 가스상 배출물이다.
    철금속 및/또는 비철금속 바이메탈릭 황산염 광물의 결합에 대하여:
    [(M1)a(M2)bFecSd + (M3)w(M4)xFeySz + [(d - c)+(z - y)] Fe + (d+z) Na2CO3] →
    → a (M1) + b (M2) + w (M3) x (M4) + (d+z) Na2S + (d+z) FeO + (d+z) CO2
    - M1, M2, M3, M4는 안티몬, 아연, 구리, 은, 비소, 코발트를 포함하는, 그러나 이에 국한되지 않는, 추출될 비철금속이다.
    - (M1) a (M2) b Fe c S d 및 (M3) w (M4) x Fe y S z 는 비철금속 M1, M2, M3, M4이 추출될 철금속 및 비철금속 황산염 광물에 대해 확립된 화학식이다.
    - 첨자 w, x, y, z 그리고 a, b, c, d는 (M1)a(M2)bFecSd 및 (M3)w(M4)xFeySz에 존재하는 철 및 황 그리고, 금속 M1, M2, M3, M4의 원자의 수를 각각 나타낸다. 잔여 반응물(환원제 및 플럭스)의 화학량론적 계수 및 공정에서 얻어진 생성물(용융 금속, 슬래그 및 가스상 유출물)의 화학량론적 계수는 그 값에 따른다.
    상기 화학량론적 공식은 아하의 경우 중 일부 (또는 모두)가 발생하더라도 유효하다는 점에 유의해야 한다:
    - 바이메탈릭 황산염 광물의 화학식이 비철금속을 공통적으로 포함할 때, 즉, (M1, M2)가 부분적으로 (M3, M4)와 동일한 경우,
    - 바이메탈릭 황산염 광물의 결합물인 경우, 황산염 광물 중 하나가 철금속이고 다른 황산염 광물은 비철금속인 경우
    이러한 관점에서, 상기 두 경우의 동시 발생 시 M4=M2이고 y=0인 이하의 화학량론적 공식을 갖는다:
    [(M1)a(M2)bFecSd + (M3)w(M2)xSz + [(d - c)+(z )] Fe + (d+z) Na2CO3] →
    → a (M1) + (b+x) (M2) + w (M3) + (d+z) Na2S + (d+z) FeO + (d+z) CO2
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