구리 제련 설비 유지 기능 향상시킨 제련소

텍사스 애머릴로에 있는 ASARCO 구리 제련소는 매년 50만톤의 구리 아노드(Copper anode) 및 구리 스크랩을 제련한다. 현대식 분산 제어 시스템으로 업그레이드해 반복성과 시스템 유연성을 향상시키는 한편, 통합 솔루션을 플랜트 전체로 확장했다.

편집자 주

텍사스에서는 모든 것이 크다. 이것은 애머릴로에 위치한 ASARCO 구리 제련소에도 어김없이 해당된다. 800m 이상 뻗어 있는 인상적인 이 시설은 매년 약 50만톤의 구리 아노드와 구리 스크랩을 제련한다. 이 기업은 구리 채광, 용해, 제련 분야가 통합돼 있으며 애머릴로 제련소 이외에도 애리조나에 3개의 광산, 관련 제조소, 용광로를 함께 운영하고 있다.

애머릴로에서 나오는 99.9% 순 전기동(Copper Cathode)과 동봉(Copper Rod)은 건축용 전선, 배전선, 전자전기 코일 제조를 위해 판매된다.

이 제련소는 1974년에 설립된 후 1993년 전해 정련 설비를 개축해 제련 프로세스의 품질을 향상시켰다. 20년 후 이 정련 시스템에 업그레이드가 필요해졌다.

ASARCO 정련 시스템은 전해액, 황산과 황산구리 혼합액이 들어 있는 2,400개의 탱크로 구성돼 있다. 순 전기동 박판을 탱크에 띄워 놓고 양극을 삽입한다. 양극에 전류를 통하면, 구리 원자가 음극 시트에 얇게 덮인다. 14일이 지나면 음극은 판매 가능한 중량이 되어 제거한다. 새로운 음극 시트를 삽입하고 프로세스를 다시 반복한다.

ASARCO 짐 윌리엄스(Jim Williams) 프로젝트 매니저는 “프로세스의 일차 결과는 순 전기동”이라며, “하지만 부산물도 있다. 소량의 다른 금속과 미네랄인데, 이는 광체의 성분에 따라 달라진다”고 말했다.

부산물은 제련 셀의 바닥에 가라앉거나 전해질 용액에 녹는다. 이 성분은 제련소에서 판매용으로 회수하거나 처리한다.

윌리엄스 씨는 “시장 가치는 제쳐두고라도, 전해질 용액의 품질을 유지하기 위해 용해성 성분을 회수해야만 한다”며, “이 고가의 용액은 폐루프 시스템을 통해 계속 재사용한다”고 말했다.

최근 몇 년 동안, 전해액에 용해되는 원소인 비스무트(Bismuth)의 농축 광체는 충분한 회수를 보증하기에 중요해졌다.

비스무트 회수에는 8단계의 복합 프로세스를 적용한다. 전해질 용액의 품질을 유지하기 위해, 회수 시스템의 온도를 제어해야 한다. 또한, 비스무트 농축 수준을 모니터링해 정련 프로세스를 언제 시작할지 결정한다.

ASARCO는 플랜트에 있던 기존 분산 제어 시스템(DCS)에 회수 프로세스를 실행하도록 설정했다. 그러나, 곧 20년 된 장비의 한계가 드러났다.

윌리엄스 씨는 “DCS는 3가지 서로 다른 제어 플랫폼의 복합체였다”며, “대규모의 하드와이어 인터페이스가 도처에 산재해 있었기 때문에 문제 해결이 곤란했다. 다운타임이 큰 문제가 됐다”고 설명했다.

직렬 통신 때문에 전체적인 시스템 반응 시간은 느렸고, 시스템이 완전히 자동화되지 않아 각 프로세스 순서를 시작하고 중지하려면 수작업이 필요했다. 윌리엄스 씨는 “시스템의 예측 가능성과 반복성이 문제였다”며, “정확한 정련 프로세스 시작 시간의 결정은 거의 운에 달려 있었다. 정확한 시기를 놓치면 전해질 용액의 품질이 저하될 수 있었다”고 전했다.

또한, 시스템 유지보수도 어려웠다. 부품은 노후화되기 시작한 데다가 교체 부품은 점점 구하기 어려워졌다.

단일 플랫폼의 제어 솔루션

ASARCO는 로크웰오토메이션 솔루션 파트너인 프라임 컨트롤(Prime Controls)에 새로운 정련 제어 시스템을 설계해줄 것을 요청했다. 텍사스주 루이스빌에 위치한 프라임 컨트롤은 시스템 통합 및 계측제어 장치(I&C) 제조 회사로 중공업 분야에 경험이 많았다.

트리니다드 크루즈(Trinidad Cruz) 프라임 컨트롤 지역 매니저는 “우리의 목표는 비스무트 회수 프로세스의 각 단계를 처리하기 위한 단일 플랫폼의 제어 솔루션을 설계하는 것”이라고 전했다.

기존 DCS 시스템을 교체하기 위해, 프라임 컨트롤은 로크웰오토메이션의 PlantPAx 프로세스 자동화 시스템을 설계해 설치했다. 여기에는 정보 이용이 가능한, 확장형 다분야 제어 플랫폼이 포함돼 통신 및 최첨단 I/O를 이용해 프로세스와 이산 제어를 통합하고 있다. 시스템에는 I/O 300 점이 포함돼 있으며, 광 통신 EtherNet/IP 네트워크에서 실행된다.

크루즈 씨는 “PlantPAx 시스템은 정련 프로세스 초기의 로딩 단계뿐 아니라 각 일괄작업(Batch) 순서를 처리한다”며, “또한, 광통신 네트워크에서 실행되기 때문에 모든 프로세스에 요구되는 빠른 반응 속도를 확보할 수 있다”고 설명했다.

또한, PlantPAx 시스템에는 감시 수준의 비주얼라이제이션 기능이 있어 운영자가 새로 설계된 제어실에서 편안하게 최적의 프로세스 정보를 이용할 수 있다.

윌리엄스 씨는 “새로운 솔루션을 이용해 운영자는 전해질 화학 분석 결과를 즉시 확인할 수 있다”면서, “이제 정련 프로세스가 시작하는 시간을 정확하게 선택할 수 있다”고 전했다.

프라임 컨트롤은 향후 마이그레이션을 위한 시스템도 설계했다. 이 프로젝트의 초점은 제련 프로세스에 뒀지만, ASARCO는 차후 정류 및 순환 시스템을 통합하고 별도의 소프트웨어 기능도 추가하고자 한다.

운영비·효율성·다운타임, 삼 박자 만족

윌리엄스 씨는 “이 업그레이드 프로젝트를 시작했을 때 목표는 운영비 절감, 효율성 증진, 다운타임 축소였다”면서, “비스무트 회수 솔루션은 이 세 가지 목표를 모두 달성해 줬다”고 말했다.

윌리엄스 씨는 솔루션의 성공이 여러 시스템을 하나의 통합 시스템으로 교체한 덕분이라고 말했다. “간단히 말해, 여러 개의 시스템을 더 이상 유지할 필요가 없어졌다. 그리고 광통신 네트워크는 직렬 통신의 일대 개혁이었다”고 말했다.

비주얼라이제이션 기능을 개선함으로써 시스템의 예측 가능성과 반복성은 크게 향상됐다. 운영자들은 정보를 근거로 해, 어떤 일이 발생했는지 정확하게 확인한 다음 결정 사항을 실행할 수 있다.

업체는 여전히 데이터를 수집하고 있지만, 예상 결과로 볼 때 PlantPAx 시스템으로 비스무트 회수 오버헤드 비용이 절감됐다는 사실을 알 수 있다.

윌리엄스 씨는 “솔루션은 전체적인 성공에 중요한 역할을 했다”면서, “프라임 컨트롤의 전문성과 세심한 주의력은 놀라웠다. 시스템 설계에서 실행까지 대충 넘기는 것은 하나도 없었다”고 전했다.

향후 상황을 전망하던 윌리엄스 씨는 또 하나의 핵심 장점으로 시스템의 유연성을 꼽았다. ASARCO는 회사가 준비됐을 때, 시스템 가시성을 전사적으로 확대하기 위한 하드웨어를 이미 갖춰 놓고 있다. 그는 “시스템의 진정한 매력은 유연성”이라며, “로크웰오토메이션 솔루션이 있기 때문에 어떤 기능이라도 기존의 동일한 통합 계획에 바로 추가해 넣을 수 있었다. 모든 기능이 잘 작동한다는 것을 알기 때문에 그냥 구축하기만 하면 된다”고 말했다.

로크웰오토메이션코리아 (Tel. 02-2188-4434)

FA Journal 편집국 (fa@infothe.com)

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