The Effect of Oxygen Blowing on the Impurity Removal and Interfacial Phenomenon in Recycling Process

Abstract

Recently, concerns about sustainable development and eco-friendly process started getting interested. Especially, in pyro-metallurgy fields, many engineers and researchers are troubled to reuse waste materials which contains some of valuable metals such as copper (Cu), gold (Au) and silver (Ag). In recycling process, the most important point is recovery rate of metals. Therefore, issues about metal loss minimization needs to be considered. Normally, metal loss can occur in the form of droplet dispersion in the slag during converting. At this point, it is important to reveal relationship between droplet ejection and interfacial tension between liquid slag and liquid metal to control emulsification which can result metal loss. From previous novel researches, it is revealed that oxygen which participates in converting reaction can influence on the interfacial state between slag and liquid metal at high temperature condition. Therefore, several experiment based on previous studies were conducted to evaluate quantitative effect of oxygen on the impurity removal and interfacial phenomenon in recycling process. In the present work, the effect of oxygen on impurity removal and interfacial phenomena between slag and liquid copper was investigated at 1400 ℃. The removal of impurities such as silicon and iron in the molten crude metal during oxygen blowing was confirmed and its sequence can be determined by affinity with oxygen in liquid copper. Also, it was revealed that composition change of the slag occurs due to the oxygen potential difference of the slag depending on the oxygen injection method. In addition, over-blowing of oxygen after removing impurities is a factor that significantly changes interfacial tension between molten copper and slag. Over blown oxygen increases the emulsification of droplets into the slag by reducing interfacial tension between slag and liquid copper. Due to lowered interfacial tension between liquid slag and liquid copper, copper droplets can be mixed into slag phase which induces significant copper loss. Oxygen blowing is involved in chemical and weak physical reactions in the gas-slag-metal multiphase system. Its condition must be controlled, because it is closely related to the recovery rate of the metal. We hope that the result of this study will give an insight which helps to researchers. |최근, 지속 가능한 발전과 친환경적 프로세스의 구축에 대한 관심이 전세계적으로 높아지고 있다. 특히, 건식 야금 분야에서는 구리 (Cu), 금 (Au) 및 은 (Ag)과 같은 귀금속이 포함된 폐전자기기의 용융 및 불순물 제거를 통한 재자원화를 위해 여러 연구자들이 매진하고 있다. 귀금속의 재활용 공정에서 가장 중요한 요소는 금속의 회수율이다. 따라서, 금속의 손실을 최소화하기 위한 공정 조건의 제어에 대한 연구가 필요하다. 건식 야금 공정의 측면에서, 재활용 공정 중 금속의 손실을 유발하는 주요 원인은 슬래그 내 금속 액적의 생성인데, 이는 고속의 산소 취입을 통해 용탕 내 불순물을 제어하는 과정에서 주로 발생한다. 따라서, 본 연구에서는 산소 취입과 슬래그 내 금속 액적의 생성의 관계에 대해 조사하였다. 1400 ℃에서 슬래그와 폐 PCB를 용융 후, 랜스를 통해 산소를 취입한 결과 산소 취입 초기에 폐 PCB의 주요 불순물인 규소 (Si) 및 철 (Fe)이 산소 친화도에 따라 순차적으로 제거되며, 반응 순서의 합리성은 열역학적 계산을 통해 검증되었다. 또한, 산소 취입 방식은 슬래그 내 산소 퍼텐셜의 변화를 유발하여 슬래그 조성의 변화에도 기여하는데, 상부 취련은 슬래그의 융점 및 점도를 상승시키는 Fe2O3의 생성을 촉진함이 밝혀졌다. 따라서, 재활용 공정 등의 저온 용융 조건에서 상부 취련 방식은 공정 내 슬래그의 안정성 확보에 불리하게 작용한다. 불순물 제거 후 산소 과취입 시 액적의 생성량이 급증함을 확인하였는데, 이는 가스 취입의 물리적 효과보다는 산소의 과취입에 의한 용융 구리의 표면 장력이 저하된 결과로써, 용융 슬래그-용융 구리 간의 계면 장력이 낮아지므로 계면에서 구리 액적의 물리적 혼입이 촉진되기 때문이다. 즉, 산소는 가스-슬래그-금속 다원 반응계면에서 물리화학적으로 개입하며, 금속의 손실을 최소화하기 위해 산소 취입을 불순물 제거 완료 시점에서 적절히 제어해야 한다.