제련

제련(smelting)은 광석에 열과 화학적 환원제를 가하여 원하는 비금속(base metal) 제품을 추출하는 공정이다. 철, 구리, 은, 주석, 납, 아연 등 여러 금속을 얻는 데 사용되는 추출 야금술([extractive metallurgy](/wiki/extractive-metallurgy))의 한 형태다. 제련은 열과 화학적 환원제를 사용하여 광석을 분해하고, 다른 원소들을 기체나 슬래그(slag) 형태로 날려보낸 뒤 금속만을 남긴다. 환원제로는 흔히 탄소를 함유한 화석 연료가 쓰이는데, 코크스의 불완전 연소에서 나오는 일산화탄소가 대표적이며, 과거에는 숯이 사용되었다. 광석 속의 산소는 고온에서 탄소와 결합하는데, 이는 이산화탄소(CO2) 결합의 화학 위치 에너지가 광석 내 결합의 에너지보다 낮기 때문이다.

구리, 아연, 납을 얻는 데 흔히 쓰이는 황화물 광석은 제련에 앞서 배소(roasting) 과정을 거쳐 황화물을 산화물로 전환하는데, 산화물이 금속으로 더 쉽게 환원되기 때문이다. 배소는 공기 중 산소가 존재하는 상태에서 광석을 가열하여 광석을 산화시키고 황을 이산화황 기체로 방출한다.

제련은 무엇보다도 용광로(blast furnace)에서 가장 두드러지게 이루어지는데, 여기서 선철(pig iron)을 생산하고 이는 다시 강철로 전환된다. 알루미늄을 전해 환원하는 공장은 알루미늄 제련소(aluminium smelter)라고 부른다.

제련소는 사업 모델에 따라 두 가지 유형으로 분류할 수 있는데, 위탁 제련소(custom smelter)와 일관 제련소(integrated smelter)다. 위탁 제련소는 고객을 대신해 광석을 처리하거나 처리를 위해 광석을 매입하는 제련소다. 위탁 제련소는 소유주가 서로 다른 광산에서 정광(ore concentrate)을 확보한다. 일관 제련소는 특정 광산 작업에 직접 의존하며, 광산 인근에 위치하는 경향이 있다.

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공정

제련은 단순히 광석에서 금속을 녹여내는 것 이상의 과정을 포함한다. 대부분의 광석은 금속과 다른 원소들의 화합물로 이루어지는데, 이를테면 산소(산화물 형태), 황(황화물 형태), 또는 탄소와 산소가 함께(탄산염 형태) 결합되어 있다. 금속을 추출하려면 작업자는 이 화합물들이 화학 반응을 일으키도록 해야 한다. 따라서 제련은 이러한 산화 원소와 결합하여 금속을 분리해내는 적절한 환원 물질을 사용하는 것으로 구성된다.

배소

황화물과 탄산염의 경우, "배소(roasting)"라는 공정이 불필요한 탄소나 황을 제거하여 산화물을 남기는데, 이 산화물은 금속으로 환원하기에 더 적합하다. 배소는 보통 산화 환경에서 수행된다. 몇 가지 실제 예는 다음과 같다.

황화물 광석의 경우, 배소를 통해 황화물이 부분적으로 또는 완전히 산화물로 치환된다. 몰리브덴의 주요 광석인 이황화몰리브덴(MoS2)의 경우 배소는 다음과 같이 진행된다.

MoS2 + 3O2 → MoO2 + 2 SO2

환원

환원은 제련의 마지막 고온 단계로, 이 과정에서 산화물이 원소 상태의 금속으로 바뀐다. (공기가 부족한 노에서의 불완전 연소로 만들어진 일산화탄소가 흔히 제공하는) 환원 환경이 원료 금속에서 마지막 산소 원자를 끌어낸다. 탄소원은 광석에서 산소를 제거하는 화학 반응물로 작용하여 정제된 금속 원소를 생성물로 산출한다. 탄소원은 두 단계로 산화된다. 먼저 탄소(C)가 공기 중 산소(O2)와 연소하여 일산화탄소(CO)를 생성한다. 다음으로 일산화탄소가 광석(예: Fe2O3)과 반응하여 산소 원자 하나를 제거하고 이산화탄소(CO2)를 방출한다. 일산화탄소와의 연속적인 반응을 거치면 광석 속의 모든 산소가 제거되어 원료 금속 원소(예: Fe)만 남는다. 대부분의 광석은 불순물을 포함하므로, 동반된 암석 맥석(gangue)을 슬래그로 제거하기 위해 석회석(또는 백운석) 같은 융제(flux)를 사용하는 경우가 많다. 이 하소(calcination) 반응은 이산화탄소를 배출한다.

필요한 온도는 절대적인 값으로도, 비금속의 녹는점 대비로도 다양하다. 예를 들면 다음과 같다.

산화철은 약 1250 °C(2282 °F 또는 1523 K)에서 금속 철이 되는데, 이는 철의 녹는점 1538 °C(2800 °F 또는 1811 K)보다 거의 300도나 낮다.

산화수은은 약 550 °C(1022 °F 또는 823 K)에서 기체 상태의 수은이 되는데, 이는 수은의 녹는점 -38 °C(-36.4 °F 또는 235 K)보다 거의 600도 높고, 수은의 끓는점보다도 높다.

융제

융제(flux)는 원하는 반응을 촉진하고 불필요한 불순물이나 반응 생성물과 화학적으로 결합하기 위해 제련 중 광석에 첨가하는 물질이다. 석회(lime) 형태의 탄산칼슘이나 산화칼슘이 이 목적으로 자주 사용되는데, 이들은 황, 인, 규소 불순물과 반응하여 이들을 슬래그 형태로 쉽게 분리·폐기할 수 있게 하기 때문이다. 융제는 또한 점도를 조절하고 불필요한 산을 중화하는 역할도 한다.

융제와 슬래그는 환원 단계가 완료된 후 부차적인 역할도 할 수 있다. 이들은 정제된 금속 위에 용융된 덮개를 형성하여, 금속이 아직 쉽게 산화될 만큼 뜨거운 동안 산소와의 접촉을 막는다. 이로써 금속 안에 불순물이 형성되는 것을 방지한다.

황화물 광석

비금속의 광석은 흔히 황화물이다. 최근 수 세기 동안 반사로(reverberatory furnace)가 제련 중인 장입물을 연료와 분리해 두기 위해 사용되어 왔다. 전통적으로 반사로는 제련의 첫 단계에 사용되었는데, 두 가지 액체를 형성하는 단계다. 하나는 대부분의 불순물을 함유한 산화물 슬래그이고, 다른 하나는 귀중한 금속 황화물과 일부 불순물을 함유한 황화물 매트(matte)다. 이러한 "반사"로는 오늘날 길이 약 40미터, 높이 3미터, 너비 10미터 정도다. 한쪽 끝에서 연료를 태워, 노의 지붕에 난 구멍을 통해 공급되는 (보통 부분 배소를 거친) 건조 황화물 정광을 녹인다. 슬래그는 더 무거운 매트 위에 떠 있다가 제거되어 폐기되거나 재활용된다. 황화물 매트는 그다음 전로(converter)로 보내진다. 공정의 정확한 세부 사항은 광체의 광물학적 특성에 따라 노마다 다르다.

반사로는 구리를 거의 함유하지 않는 슬래그를 생산했지만, 상대적으로 에너지 효율이 낮았고 포집하기 어려운 저농도의 이산화황을 배출했다. 새로운 세대의 구리 제련 기술이 이를 대체해 왔다. 더 최근의 노들은 욕조 제련(bath smelting), 상부 분사 랜스 제련(top-jetting lance smelting), 플래시 제련(flash smelting), 그리고 용광로를 활용한다. 욕조 제련의 예로는 노란다(Noranda) 노, 아이사스멜트(Isasmelt) 노, 테니엔테(Teniente) 반응로, 부뉴코프(Vunyukov) 제련로, SKS 기술 등이 있다. 상부 분사 랜스 제련에는 미쓰비시 제련 반응로가 있다. 플래시 제련로는 전 세계 구리 제련소의 50% 이상을 차지한다. 이 외에도 키브셋(Kivset), 오스멜트(Ausmelt), 타마노(Tamano), EAF, BF 등 훨씬 다양한 제련 공정이 있다.

역사

고대에 알려진 일곱 가지 금속 가운데 자연에서 천연 금속(native metal)으로 정기적으로 발견되는 것은 금뿐이다. 나머지인 구리, 납, 은, 주석, 철, 수은은 주로 광물 형태로 존재하는데, 다만 천연 구리는 때때로 상업적으로 의미 있는 양으로 발견되기도 한다. 이 광물들은 주로 금속의 탄산염, 황화물, 또는 산화물이며, 실리카나 알루미나 같은 다른 성분과 섞여 있다. 탄산염과 황화물 광물을 공기 중에서 배소하면 산화물로 전환된다. 그리고 그 산화물은 제련을 통해 금속으로 만들어진다. 일산화탄소는 제련에 선호되는 환원제였으며(지금도 그렇다). 가열 과정에서 쉽게 생성되고, 기체로서 광석과 긴밀하게 접촉하기 때문이다.

구대륙에서 인류는 8000년도 더 전인 선사 시대에 금속을 제련하는 법을 배웠다. "유용한" 금속들 — 처음에는 구리와 청동, 그리고 수천 년 뒤에는 철 — 의 발견과 사용은 인류 사회에 막대한 영향을 미쳤다. 그 영향이 워낙 광범위해서, 학자들은 전통적으로 고대사를 석기 시대, 청동기 시대, 철기 시대로 나눈다.

아메리카 대륙에서는 페루 중부 안데스의 잉카 이전 문명이 16세기에 첫 유럽인이 도착하기 적어도 6세기 전에 구리와 은의 제련을 통달했으나, 무기 제작에 쓸 철 같은 금속의 제련은 끝내 통달하지 못했다.

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구리와 청동

구리는 최초로 제련된 금속이었다. 그 발견이 어떻게 이루어졌는지는 논쟁의 대상이다. 모닥불은 필요한 온도보다 약 200 °C가 부족하다.