JP2000129367A

JP2000129367A - 製錬炉の操業方法及び製錬炉

Info

Publication number: JP2000129367A
Application number: JP30922498A
Authority: JP
Inventors: Osamu Inoue; 修井上; Susumu Okabe; 進岡部
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2000-05-09

Abstract

(57)【要約】【課題】原料装入物の反応に加え、溶体の経時的な混
合挙動も考慮した動的制御手法による制御システムによ
って操業される製錬炉の操業方法及び製錬炉を提供する
ことを目的としている。【解決手段】溶錬炉１において反応領域１２と第１混
合領域１３ａと第２混合領域１３ｂとに分割し、さらに
第１溶体停滞部１５を考慮した数学モデルを構築する。
そしてフリーパラメータである酸素効率ηＯ₂ と燃料効
率ηｆｕｅｌと混合度Ｒｍと溶体停滞部体積比率Ｒｄと
を、実測値に合うように同定する。決定された前記フリ
ーパラメータを再び前記数学モデルに与え、実炉の挙動
をシミュレートする。そして、操業目標値とシミュレー
ション結果との偏差を最小にするように操作入力値をコ
ンピュータにより求め、操作入力をコンピュータにより
自動で或いはオペレータにより手動で変化させ、実炉に
投入する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、原料の硫化金属鉱
などを溶錬して、銅を濃縮したカワと鉱石中の不純物で
ある脈石類及び鉄の一部などを含むカラミとを生成する
製錬炉の操業方法及び製錬炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】銅精鉱の乾式製錬方式には連続式や回分
式などいくつかの方法があるが、一般には硫化金属鉱、
溶剤、燃料等の原料装入物を酸素富化空気とともに高温
の炉内に吹き込み、急激に製錬反応を進行させる方法が
主流である。このような製錬操業においては、目標とす
る生成物を得るために予め計算によって前記原料装入物
の供給量などの各パラメータを設定している。例えば、
目標Ｃｕ％を含有するカワを得るために、硫化金属鉱や
溶剤等といった各原料装入物の組成を分析して求め、こ
の分析値をもとに供給する酸素量を物質収支計算より求
めたり、また、溶剤としては珪酸鉱や石灰が用いられる
が、この溶剤量を求めるためにカラミ中に含有されるＦ
ｅ％／ＳｉＯ₂ ％の比や、Ｆｅ％／ＣａＯ％の比が目標
値となるように物質収支計算により求めるのが一般的で
ある。また、これと同時に、前記物質収支計算に基づい
て反応熱、燃料燃焼熱等を計算し、これらに加えて炉体
の放散熱等も考慮した熱収支計算を行い、炉体を構成す
る煉瓦に対する熱的負荷の軽減や、カワとカラミとの分
離等に最適と考えられる目標溶体温度と一致させるよう
に供給酸素量と燃料量とを設定する。

【０００３】このように予め計算によって必要な各パラ
メータを設定し操業する方法としては、例えば特公平５
−８５６２６号に示されるものがある。これは、図８に
示すように、溶錬炉５０内部に銅精鉱などの原料装入物
５１や予熱空気５２を第１供給部５３及び第２供給部５
４から連続的に供給、反応させており、溶体５５が溶錬
炉５０内部に一定量以上たまったら、カワをレードルに
抜き出し溶融状態のまま転炉へ移送、装入する。一方、
カラミは下流側の錬かん炉５６に抜き出すといった回分
式の製錬方式に対する方法である。

【０００４】供給された原料装入物５１は反応性が高い
ため、第１供給部５３の直下に位置する反応シャフト部
５７内部でただちに反応が行われるが、この従来例で
は、該反応シャフト部５７における反応について計算を
行っている。ここでは反応シャフト部５７の反応におい
て、供給された予熱空気５２に含まれる酸素のうち、反
応に関わる酸素と関わらない酸素とに分け、反応に関わ
る酸素の装入物全体に含まれる酸素に対する割合を酸素
効率とし、この酸素効率をフリーパラメータとしてい
る。そして、溶体組成及び溶体温度を目標値通りに実現
するように、物質収支式と、各反応の標準自由エネルギ
ー変化式から求められる平衡定数に質量作用の法則を適
用した式と、熱収支式とを同時に解く計算方法により計
算し、原料、燃料及び反応用気体の供給量を調節してい
る。また操業中、実際のカワ中のＣｕ％の値と計算によ
り設定した値とに偏差が生じた場合は、フリーパラメー
タとした酸素効率を任意に決定し、この決定した酸素効
率を用いて再度計算を行い、供給すべき原料、燃料及び
反応用気体の量を算出し、前記溶体組成と溶体温度とを
目標値通りにさせる方法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな方法は反応シャフト部５７内部のみの反応を制御す
る方法であり、反応直後の原料装入物５１ａとセトラー
部５８に滞留している溶体５５との混合に関しては考慮
されていない。つまり、無限大時間後には制御量と計算
による予測値とは一致させることができるが、セトラー
部５８において混合された溶体５５の経時的な温度や組
成の変化は予測することができない。また、溶体５５の
下流側への抜き出しから次の抜き出しまでどのタイミン
グで修正を加えるかにより、実際の溶体温度及び組成と
予測値とが一致しない場合の方が多いと思われる。さら
に連続式を制御対象とした場合、回分式に比して溶体の
滞留時間が短いので従来例では全く溶体の挙動を把握す
ることができない。

【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、原料装入物の反応に加え、溶体の経時的な混
合挙動までも考慮した動的制御手法による制御システム
によって操業される製錬炉の操業方法及び製錬炉を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明は、銅精鉱を溶錬する製錬炉の操業方法であ
って、原料装入物を反応用気体とともに炉内に供給して
主要な反応が起こる反応領域と、炉内の溶体の混合及び
伝熱を考慮し複数に分割した混合領域と、溶体の混合に
寄与しない停滞部とを考慮した数学モデルに、実操業時
に観測される時々刻々の操業データを入力して計算し、
該計算で得られる溶体の温度、組成、量の経時変化と、
実操業で観測される溶体の温度、組成、量の経時変化と
が一致するように、少なくとも、反応用気体に含まれる
酸素のうち、反応に関わる酸素の反応用気体全体に含ま
れる酸素に対する割合である酸素効率と、反応に関わる
燃料の装入物全体に含まれる燃料に対する割合である燃
料効率と、前記停滞部の炉全体の体積に対する割合であ
る溶体の停滞部体積比率と、前記混合領域の分割の割合
である混合度とからなるフリーパラメータを前記数学モ
デルで時々刻々に決定し、この決定したフリーパラメー
タが与えられた前記数学モデルを用いて、現在から原料
装入物量、燃料量、反応用気体量と、これらの組成を固
定して操業した場合の溶体の温度、組成、生成量、排出
量の経時変化とを予測し、該予測値と操業目標値との間
の偏差が最小となるように、偏差を修正するような前記
原料装入物量、反応用気体量を計算により求め、これら
制御入力を自動または手動で調整しながら操業すること
を特徴とする。

【０００８】本発明によれば、炉内部を溶錬炉の原料装
入口近傍で進行する主要な製錬反応を考慮した反応領域
に加えて、操業条件により異なる数からなるいくつかの
溶体温度と組成とが均一の混合領域及び溶体の停滞部に
分割し、それらを連結して各領域間で物質移動及び熱移
動が行われるとした数学モデルを構築し、時々刻々の溶
体温度や組成の観測値から、該数学モデルが有するパラ
メータを時々刻々に決定し、決定したパラメータを与え
た前記数学モデルにより以後の溶体温度、組成、生成量
及び排出量の経時変化を計算により予測することで、コ
ンピュータに自動で、若しくはオペレータが手動で操業
の動的修正を行うことができる。

【０００９】また、銅精鉱を溶錬する製錬炉であって、
原料装入物を反応用気体とともに炉内に供給して主要な
反応が起こる反応領域と、炉内の溶体の混合及び伝熱を
考慮し複数に分割した混合領域と、溶体の混合に寄与し
ない停滞部とを考慮した数学モデルに基づいて、実操業
で観測される溶体の温度、組成、量の経時変化と、計算
で得られる溶体の温度、組成、量の経時変化とを一致さ
せるように、少なくとも、反応用気体に含まれる酸素の
うち、反応に関わる酸素の反応用気体全体に含まれる酸
素に対する割合である酸素効率と、反応に関わる燃料の
装入物全体に含まれる燃料に対する割合である燃料効率
と、前記停滞部の炉全体の体積に対する割合である溶体
の停滞部体積比率と、前記混合領域の分割の割合である
混合度とからなるフリーパラメータの同定を行うパラメ
ータ同定機構と、該パラメータ同定機構によって決定さ
れた前記フリーパラメータを与えることにより、現在か
ら原料量、燃料量、反応用気体量と、これらの組成を固
定して操業した場合の溶体温度、組成、生成量、排出量
の経時変化とを予測する予測計算機構とを備えたことを
特徴とする製錬炉を用いることにより、目標生成物を安
定して生成することができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
製錬炉の操業方法及び製錬炉を図面を参照して説明す
る。はじめに、制御対象である連続式の製錬工程を図１
を用いて説明する。

【００１１】図１に示すように、製錬工程は溶錬炉１と
分離炉２と製銅炉３との３つの炉から構成されている。
このうち溶錬炉１にはランス４が設置されている。溶錬
炉１内部にはランス４から原料装入物５や酸素富化空気
からなる反応用気体６が供給される。この原料装入物５
は、硫化金属鉱などの原料と、フラックスや粉炭などの
燃料と、石灰や珪酸鉱などの溶剤となどからなってい
る。

【００１２】溶錬炉１内部には硫化金属鉱が溶融され銅
濃度を高めたカワと、鉱石中の不純物である脈石類及び
鉄の一部からなるカラミとが滞留されている。ランス４
の出口は溶体７の浴面上方の数１０ｃｍに位置するよう
に設置されている。原料装入物５と反応用気体６とはラ
ンス４出口において１００〜１５０ｍ／ｓの速度で吹き
込まれる。このとき、原料装入物５と反応用気体６とは
特別に予熱されずにランス４から溶錬炉１内部に供給さ
れ、高温の炉内に供給されて溶融・反応が行われる。そ
して該溶錬炉１において、硫化銅及び硫化鉄を主成分と
するカワ８と、原料中の脈石や溶剤、或いは酸化鉄等を
主成分とするカラミ９とが生成され、下流側の分離炉２
に送られる。これらカワ８とカラミ９とはカーボン電極
２ａを備えた分離炉２において分離される。続いてカワ
８は、溶剤５ｂや反応用気体６を供給するためのランス
４’を備えた製銅炉３において酸化されて粗銅１０とな
り、さらに、図示しない下流側の精製炉において粗銅１
０は精製され、より銅品位の高い精製銅が精製される。

【００１３】このような製錬工程において、安定した品
質のカワ８を得るために以下に述べる方法で制御を行
う。

【００１４】制御系設計及び数値シミュレーションを行
うにあたり、数学モデルが必要となる。そこでまず、モ
デリングについて説明する。制御対象は溶錬炉１、或い
は分離炉２まで含んだ部分である。上述のような、原料
装入物５を反応用気体６とともに炉内に装入する方式の
銅製錬法では、主に硫化金属鉱に含有されたＳの酸化に
よる大きな発熱に伴って製錬反応が進行するので、該製
錬反応を取り扱うには装入口近傍に着目すれば良い。つ
まり、例えば、図１に示したような連続式製錬工程で
は、ランス４から溶錬炉１に供給された原料装入物５
は、ランス４の出口において１００〜１５０ｍ／ｓの速
度で吹き込まれるため、未反応のままランス４直下の溶
体７に到着し、限られた領域内で急速な温度の上昇と、
製錬反応の進行とが起こる。このため、制御システムを
構築するに当たり、ランス４の直下領域１１についてモ
デリングを行えばよい。

【００１５】図２は数学モデルを模式的に示した図であ
る。図２に示すように、本数学モデルは、溶錬炉１内部
を反応領域１２と混合領域１３とに分割したものであ
る。混合領域１３はさらに温度及び組成がそれぞれ均一
な第１混合領域１３ａと第２混合領域１３ｂとに分割す
る。さらに混合領域１３には、それぞれの炉で混合に関
与しない溶体の淀んだ部分である第１溶体停滞部１５が
連結する。また、溶錬炉１に連なる分離炉２についても
考慮する場合、分離炉２内部を第３混合領域１４ａと第
４混合領域１４ｂとに分割し、第３、第４混合領域１４
ａ、１４ｂに第２溶体停滞部１６を連結させる。

【００１６】反応領域１２の温度は、主に硫化金属鉱中
のＳ、Ｆｅと燃料中のＣとの酸化反応により局所的に発
生した熱と、生成物の持ち去り顕熱と、対流や放射や伝
導伝熱による熱移動とのバランスにより決まる。また、
上吹固気噴流の攪拌力により引き起こされる反応領域１
２と周囲の溶体との混合が、両者の間における熱物質移
動に支配的な役割を示すと考えられるため、反応領域１
２と混合領域１３とに分割したモデリングを行った。

【００１７】本数学モデルは、実炉操業と基本的に同じ
動作を行うシミュレータとして構成されている。つま
り、時々刻々に入力される操業条件に基づき各領域にお
いて物質収支計算と熱収支計算とを行い、各炉の溶体の
温度、組成、量を時々刻々に出力する。

【００１８】以下に、モデリングについて詳述する。は
じめに、反応領域１２における熱力学平衡計算に基づく
物質収支計算について述べる。炉内に供給される原料装
入物５及び反応用気体６は少なくとも、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｓ
を主成分とする銅硫化金属鉱、硅砂、石灰、粉炭、繰り
返しカラミ、スクラップ、繰り返し煙灰、空気、酸素か
らなっており、その他組成とそれが含む化合物形態があ
る程度分かっているものは全て計算の対象と成り得る。
これらの大部分は、Ｃｕ、Ｓ、Ｆｅ、Ｏ、Ｓｉ、Ｃａ、
Ａｌ、Ｃ、Ｈ、Ｎの１０元素のうちのいくつかからそれ
ぞれ構成されるため、これら１０元素を計算の対象とし
た。反応生成物であるカワ８、カラミ９、及びガスの構
成成分は、銅溶錬の操業条件で安定に存在する化合物と
して、カワ８はＣｕ₂ Ｓ（ｍ）、ＦｅＳ（ｍ）、ＦｅＯ
（ｍ）、Ｆｅ₃ Ｏ₄ （ｍ）、カラミ９はＦｅＯ（ｓ）、
ＦｅＯ_1.5（ｓ）、ＣｕＯ₀ _.5（ｓ）、Ｃｕ₂Ｓ（ｓ）、
ＦｅＳ（ｓ）、ＳｉＯ₂（ｓ）、ＣａＯ（ｓ）、ＡｌＯ
_1.5（ｓ）、ガスはＣＯ（ｇ）、Ｎ₂（ｇ）、ＳＯ
₂（ｇ）、Ｈ₂（ｇ）、ＣＯ₂（ｇ）、Ｏ₂ （ｇ）、Ｓ₂
（ｇ）、Ｈ₂Ｏ（ｇ）（ただし、ｍ、ｓ、ｇはそれ
ぞれカワ８、カラミ９、ガス中成分であることを示す）
を計算の対象とした。その他の化合物についても計算の
対象にすることは可能であるが、熱力学的予測からほど
んど微量しか存在しない成分を際限なく選択することは
計算を複雑にするだけで結果として上記成分の生成モル
数等にはほとんど影響しない。

【００１９】原料や溶剤、燃料、反応用気体６として炉
内に供給された元素のうち反応に関与しないもの、即ち
少なくとも反応用気体６中の酸素の一部及び燃料の一部
に含まれる元素を除いたものは、全てカワ８、カラミ
９、ガス等から成る反応生成物に含まれる。反応用気体
中の酸素の一部及び燃料の一部を除くとは、以下のこと
を示す。反応に関わる酸素の装入物全体に含まれる酸素
に対する割合を酸素効率ηＯ₂、反応に関わる燃料の装
入物全体に含まれる燃料に対する割合を燃料効率ηｆｕ
ｅｌとすると、

【数１】

【数２】Ｆ’ｉ：装入物ｉの反応に関与する量Ｆｉ：装入物ｉの全装入物量である。燃料効率ηｆｕｅｌは生成される溶体の温度に
影響するとともに、特にカワ品位にも大きく影響する。
そこで、各元素毎の収支式は次のようになる。一般的に
述べると、ｎｉ^O ：反応に関与する元素ｉの総モル数ｎｉ（ｍまたはｓ）：元素ｉのカワ８またはカラミ９中
に存在するモル数のようにして表すと、例えばＣｕについては、

【数３】として収支計算が行われる。同様に他の９元素について
物質収支式を立てる。

【００２０】上記カワ８、カラミ９、ガス中の成分から
元素の数と同数且つ全ての構成元素を含むように独立変
数を選択する。独立変数以外の成分は従属成分として取
り扱う。このようにすると、それぞれの従属成分は独立
変数のみの反応式として表すことができる。例えば、独
立成分としてＣｕ₂ Ｓ（ｍ）、ＦｅＳ（ｍ）、ＦｅＯ
（ｓ）、ＣＯ（ｇ）、Ｎ₂ （ｇ）、ＳＯ₂ （ｇ）、Ｈ₂
（ｇ）を選択した場合、従属変数は、

【数４】

【数５】

【数６】

【数７】

【数８】

【数９】

【数１０】

【数１１】

【数１２】

【数１３】のように、アンダーラインで示した独立変数のみの反応
式として表すことができる。ただし、カラミ９中のＳｉ
Ｏ₂ 、ＣａＯ、ＡｌＯ_1.5 は、独立変数にも従属変数に
も属さない不活性成分として取り扱い、カラミ９中にす
べて分配されるものとし、計算では、それぞれカラミ中
の全鉄との比、Ｆｅ／ＳｉＯ₂、Ｆｅ／ＣａＯ、Ｆｅ／
ＡｌＯ_1.5 でその含有モル数を与えるものとする。これ
ら３つの成分はカワ８への溶解度がほとんど無く、この
ように取り扱っても他の成分の計算結果に全く影響しな
い。即ち独立変数は７個、従属変数は１０個、不活性成
分を表す成分は３個であり、反応式の数は従属変数と同
数の１０個である。

【００２１】本発明の計算に用いられる化合物の標準生
成ＧｉｂｂｓエネルギーΔＧ⁰ の変化式

【数１４】の係数を表１に示す。

【表１】表１を用いて反応のΔＧ⁰を求める。例えば式（２）の
反応のΔＧ⁰（５）は表１を用いると、

【数１５】と計算される。ここで式（５）の平衡定数Ｋ（５）は次
のように表される。

【数１６】ただし、ａ_Fe3O4(m)、ａ_FeS(m) はそれぞれカワ中Ｆｅ₃
Ｏ₄、ＦｅＳの活量、ａ _FeO(s)はカラミ中ＦｅＯの活
量、ｐ_SO2(g) はＳＯ₂の分圧である。活量及び分圧は活
量係数、モル数を用いて書き換えることができる。例え
ば、Ｆｅ₃Ｏ₄の活量、ＳＯ₂の分圧は次のように書き換
えることができる。

【数１７】

【数１８】ｎ_T （ｍまたはＳまたはｇ）：カワ、カラミ、ガス中の
成分の総モル数すべての反応について式（１６）と同様に平衡定数の関
係式を立てる。ここで各成分の活量係数γを表２に示
す。

【表２】

【数１９】ｈ_i,k、ｈ_k,l：成分ｉ−ｋ、ｋ−ｌ間の相互作用エネル
ギーＸ：モル分率Ｒ：気体定数（Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）Ｔ：温度各成分間の相互作用エネルギーを表３に示す。

【表３】また、カワ８、カラミ９、ガス中の成分の総モル数は、

【数２０】

【数２１】

【数２２】以上から、物質収支式が、元素の数１０個から不活性成
分の数３個を引いた数の７個、平衡定数に関する式が反
応式と同数（式（４）〜式（１３））の１０個、総モル
数に関する式が３個（式（２０）〜式（２２））で合計
２０個の式が成立する。一方、未知数はカワ８、カラミ
９、ガス中の独立変数と従属変数の数の和で１７個、総
モル数が３個の合計２０個であり、２０個の式を連立さ
せて一義的な解が得られる。

【００２２】しかしながら一般的に多元、多次の方程式
となり代数計算により解くことは困難でありＮｅｗｔｏ
ｎ−Ｒａｐｈｓｏｎの方法を用いる。そのため、これら
の差分関数をテーラー級数展開して一次式に直し、独立
成分、総モル数に初期値を与えてその係数を求め、この
一次式を解き、更にこの方法によって求められた差分値
を用いて初期値を修正して繰り返し計算を行う。

【００２３】操業時間を例えば１０分程度の一定幅のス
テップに分割し、各ステップ間に溶錬炉１に装入される
原料装入物５をもとに上記計算を行う。反応領域１２に
おいて生成したガスは各ステップに系外に排出され、カ
ワ８、カラミ９は一つ下流の例えば第１混合領域１３ａ
に流入する。

【００２４】次に、混合領域１３における物質収支計算
について以下に説明する。物質収支は、各ステップにお
ける（系内への成分ｉの流入量）−（系外への成分ｉの
流出量）＝（系内での成分ｉの蓄積量）で考えれば良
く、各領域はそれぞれ完全混合であるから次式で表すこ
とができる。

【数２３】Ｎ：ある時点を０としたときの計算のステップ数（Ｎ＝
１、２、３・・・）Ｊ：連結している各領域の番号（反応領域：Ｊ＝０、第１混合領域：Ｊ＝１、第２混合領域：Ｊ＝２、・・・）Ｃｉ_N ^(J)：領域ＪのステップＮにおける成分ｉの濃度
（ｍｏｌ／ｍ³ ）Ｖ_N：ステップＮにおけるカワまたはカラミの体積流量
（ｍ³／ｓ） Δｔ：ステップの分割幅（ｓ）Ｖ_N ^(J)：ステップＮにおける領域Ｊの体積（ｍ³）ここで、領域Ｊの有効体積とは、例えば溶錬炉１を反応
領域１２と第１混合領域１３ａと第２混合領域１３ｂと
第１溶体停滞部１５とからなるものとすると、炉が保有
する溶体体積Ｖ_tot.は第１、第２混合領域１３ａ、１３
ｂと第１溶体停滞部１５との体積の和となる。第１、第
２混合領域１３ａ、１３ｂの２つの体積は、

【数２４】Ｒｄ：溶体停滞部体積の比率となり、第１混合領域１３ａ及び第２混合領域１３ｂの
体積はそれぞれ、

【数２５】

【数２６】Ｒｍ：混合領域分割比率（混合度を表すパラメータ）となる。

【００２５】混合領域１３を２つに分割した理由を図３
を用いて説明する。図３は、溶錬炉１中に溶体７に含ま
れない成分である例えばＬｉなどをトレーサーとしてパ
ルス的に投入し、投入後からその濃度を炉出口において
追跡・分析するパルスインプット法によって得られる濃
度変化の応答曲線を示したものである。横軸は時間を無
次元化した値θ、縦軸は濃度を無次元化した値Ｃを表
す。図３（ａ）は、混合領域１３を２つに分割したとき
の理論曲線、図３（ｂ）は、実際にパルスインプット法
で得られた実測値であり、理論値と実測値とは概ね一致
している。図３（ａ）において、曲線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ
３、Ｌ４はそれぞれ（混合度Ｒｍ，溶体停滞部体積比率
Ｒｄ）を（０．１，０．５）、（０．３，０．５）、
（０．１，０）、（０．３，０）と変化させたときの理
論曲線であり、溶体停滞部体積比率Ｒｄが同一の場合、
混合度Ｒｍを小さく変化させることにより、濃度Ｃのピ
ークは上昇するとともにそのピーク値は時間θが小さい
ほうにシフトし、逆に混合度Ｒｍを大きくして計算する
と、濃度Ｃのピークは下降しそのときの時間θは大きく
なる。また、混合度Ｒｍが同一の場合は、溶体停滞部体
積比率Ｒｄの増加とともに濃度Ｃのピークは上昇する。
一方、図３（ｂ）は実炉の混合特性を示す曲線の一例で
あり、操業条件の変化により、ピークの位置が変化する
と考えられるが、理論曲線と同一傾向を示し、かつ、範
囲内に位置する。このことから混合領域１３を２つに分
割して考え、混合度Ｒｍを変化させることによって理論
曲線が描くカーブは変わり、制御対象である製錬炉にお
ける溶体の混合特性を示すカーブを常に表現可能であ
る。つまり、混合に関して本数学モデルが実炉操業と同
じ動作を行うことが理解される。

【００２６】次に、反応領域における熱収支計算につい
て述べる。熱収支計算は２５℃を基準として行う。入熱
側は、（イ）原料装入物５（燃料含む）、反応用気体６
の保有する顕熱、（ロ）生成されるカワ８、カラミ９、
ガスを構成する化合物の２５℃における生成熱、からな
り、出熱側は、（イ）原料装入物５（燃料を含む）、反
応用気体６の２５℃における分解熱、（ロ）反応生成物
の２５℃から反応温度Ｔまでの顕熱、（ハ）反応領域１
２から第１混合領域１３ａへの熱伝導、からなる。そし
て、各ステップＮで、入熱と出熱とがバランスする温度
ＴＮを求める。

【００２７】次に、混合領域１３における熱収支計算に
ついて述べる。前ステップの温度ＴＮ−１を基準として
行う。第１混合領域１３ａにおける入熱側は、（イ）反
応領域１２から流入する溶体７の保有する顕熱、（ロ）
反応領域１２から第１混合領域１３ａへの熱伝導、から
なり、出熱側は、（イ）第１混合領域１３ａの溶体７が
温度ＴＮ−１からＴＮになるまでの顕熱、である。それ
より下流の第２混合領域１３ｂでは、入熱側は、（イ）
上流の第１混合領域１３ａから流入する溶体７の保有す
る顕熱、からなり、出熱側は、（イ）第２混合領域１３
ｂの溶体７が温度ＴＮ−１からＴＮになるまでの顕熱、
となるが、溶錬炉１の最後の混合領域（この場合第２混
合領域１３ｂ）では、出熱側に、（ロ）炉体からの放散
熱、が加わる。そして、各領域において、各ステップで
入熱側と出熱側とがバランスする温度ＴＮを求める。

【００２８】以上のような数学モデルにおいて、フリー
パラメータである酸素効率ηＯ₂と、燃料効率ηｆｕｅ
ｌと、混合度Ｒｍと、溶体停滞部体積比率Ｒｄとの同定
を行う。同定を行う際、実炉から観測された各操業デー
タを前記数学モデルに投入するとともに、実炉から観測
される各値とシミュレーション結果とが一致するように
前記４つのフリーパラメータを任意に変化させる。数学
モデルに投入する操業データとしては、原料装入物５の
供給量、反応用気体６のうち供給酸素量と送風酸素濃度
等の送風条件、装入物組成の分析値などを入力する。

【００２９】そしてシミュレーション値と実測値とが一
致するようにフィッティングを行い、前記フリーパラメ
ータや各パラメータを決定することによって、実炉のシ
ミュレータが構築される。前記構築されたシミュレータ
を基に、現在から原料量、燃料量、反応用気体量と、こ
れらの組成を固定して操業した場合の溶体の温度、組
成、生成量、排出量の経時変化とを予測する。

【００３０】図４に制御システムの概略図を示す。図４
に示すように制御部２０は、前記数学モデルからなる予
測計算機構２１とパラメータ同定機構２２とを備えてい
る。パラメータ同定機構２２には、溶錬炉１（または溶
錬炉１＋分離炉２）の実操業に追従して操業条件が時々
刻々と入力され、それと同時に前記フリーパラメータを
種々変化させて計算し、計算結果と、溶体７の温度、組
成、量からなる観測値ｓ１とが一致するようにフィッテ
ィングを行い、フリーパラメータを決定する。フィッテ
ィングには最小自乗法や偏分反復法など種々の手法を用
いることができる。そして、同定されたパラメータｐは
予測計算機構２１に与えられ、該予測計算機構２１は完
全自立型のシミュレータとして実操業と同じ動作を行う
ことができる。これにより、現時点から一定で原料装入
物５が装入された場合の溶体７の温度、組成、量の以後
の経時変化の予測計算を行い例えばモニター２３上にグ
ラフを出力する。以上のパラメータ同定及び予測計算を
時々刻々に行い、予測計算値と溶体温度、組成、量など
の操業目標値との間に偏差が生じた場合は、コンピュー
タが偏差を修正するような制御入力値を試行錯誤により
決定し、その値に基づいてコンピュータプログラムによ
り自動で、若しくは、オペレータが手動で、溶錬炉１に
供給する原料装入物５や反応用気体６の量などの制御入
力ｃ１、ｃ２を適宜調整する。

【００３１】このように、溶錬炉１内部を、原料装入口
近傍で進行する主要な製錬反応を考慮した反応領域１２
と、溶体温度と組成とがそれぞれ均一の第１、第２混合
領域１３ａ、１３ｂと、溶体７の混合に寄与しない第１
溶体停滞部１５とに分割した数学モデルを構築し、溶体
温度や組成などの各観測値から数学モデルが有するパラ
メータを時々刻々に決定し、決定したパラメータを与え
た前記数学モデルにより、以後の溶体温度、組成、生成
量及び排出量の経時変化を計算に予測することが可能と
なる。そのため、目標通りの生成物を安定して得ること
ができる。

【００３２】図５は、前記数学モデルを用いて実炉に制
御を施した時の実施例であり、溶錬炉１の出口における
溶体７の温度と時間との関係を示したものである。曲線
７０は前記数学モデルによるシミュレーション結果を、
曲線７１は実測値を示している。範囲Ｈ１では、前記予
測計算機構２１は、炉出口での実測値に合うように時々
刻々とフィッティングによりフリーパラメータの同定を
行っている。計算値と実測値とは精度良く一致している
ことが分かり、同定値は正確に導き出されている。そし
て、この実施例における各フリーパラメータの同定結果
は、酸素効率ηＯ₂ は９５．５％、燃料効率ηｆｕｅｌ
は５０％、溶体停滞部体積比率Ｒｄは０％、混合度Ｒｍ
は０％であり、このときの実際の給鉱量は８７ｔｏｎ／
ｈ、反応用気体である酸素富化空気量は２８０００Ｎｍ
³ ／ｈであった。実測値の曲線７１において、溶体７の
温度は除々に低下し、目標温度である１２２５℃に対し
て、約１２００℃以下にまで達してしまっている。その
ため、種々の給鉱量でコンピュータが試行錯誤計算を行
ったところ、給鉱量７８．５ｔｏｎ／ｈが最適であるこ
とが分かった。この計算結果によると曲線７０に示すよ
うに、数時間後に目標温度である１２２５℃に近づく結
果となった。そのため、点Ｐにおいて、実炉に対しても
給鉱量を７８．５ｔｏｎ／ｈに変更した。その結果、曲
線７１に示すように、実測値は計算値に精度良く一致し
ながら、約８時間後に目標温度である１２２５℃に収束
された。、また、カワ中Ｃｕ％についても、目標値の６
８％に対して、６８．１％とほぼ目標値通りのシミュレ
ーション結果を得て、８時間後の実測値もカワ品位は６
８．２％と目標値通りの値を得ることができた。これよ
り、前記数学モデル及び同定結果に基づくシミュレータ
は実炉を忠実に再現していることが確認できた。

【００３３】また、本数学モデルは、従来例に示したよ
うな回分式の溶錬炉に対しても原理的に適用可能であ
る。例えば、図６に示すような数学モデルを考える。図
６において、反応領域３０は、炉内における主要な反応
が起こる部分を示しており、混合領域３１は、溶体の排
出が行われるまで徐々にその保有する溶体の量が増加さ
れており、ある設定時間がくると該溶体は排出される。
このため、溶体の蓄積、排出を行うことができる１つの
混合領域３１と溶体停滞部３２とを有する数学モデルを
用いて、仮想的に回分炉をシミュレートした。図７は、
前記数学モデルを用いてシミュレーションを行った結果
である。横軸は時間を、縦軸はカワ品位を表している。
矢印Ｆで示すタイミングにおいて６０分毎に炉内の溶体
を排出している。一方、給鉱は連続的に行われる。これ
より、時間とともにカワ品位は上昇する挙動を良く表現
でき、回分式に対しても本数学モデルを適用することが
原理的に可能であることが分かる。

【００３４】

【発明の効果】本発明の製錬炉の操業方法及び製錬炉
は、以下のような効果を有するものである。（１）炉内部を溶錬炉の原料装入口近傍で進行する主要
な製錬反応を考慮した反応領域に加えて、操業条件によ
り異なる数からなるいくつかの溶体温度と組成とが均一
の混合領域及び溶体の停滞部に分割し、それらを連結し
て各領域間で物質移動及び熱移動が行われるとした数学
モデルを構築し、時々刻々の溶体温度や組成の観測値か
ら、該数学モデルが有するパラメータを時々刻々に決定
し、決定したパラメータを与えた前記数学モデルにより
以後の溶体温度、組成、生成量及び排出量の経時変化を
計算により予測することで、コンピュータに自動で、若
しくはオペレータが手動で操業の動的修正を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製錬炉の操業方法の実施形態の一例を
示す図である。

【図２】数学モデルを説明する図である。

【図３】実炉観測値と計算値との関係を説明する図であ
る。

【図４】制御システム全体を説明する図である。

【図５】実炉観測値と計算値との関係を説明する図であ
る。

【図６】回分式における数学モデルを説明する図であ
る。

【図７】回分式製錬炉のシミュレーション結果である。

【図８】従来の製錬炉を説明する図である。

【符号の説明】

１溶錬炉２分離炉４ランス５原料装入物６反応用気体７溶体８カワ９カラミ１０ランス直下領域１２反応領域１３混合領域１３ａ第１混合領域１３ｂ第２混合領域１４ａ第３混合領域１４ｂ第４混合領域１５第１溶体停滞部１６第２溶体停滞部２０制御部２１予測計算機構２２パラメータ同定機構 ηＯ₂ 酸素効率 ηｆｕｅｌ燃料効率Ｒｄ溶体停滞部体積比率Ｒｍ混合度（混合領域分割比率）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】銅精鉱を溶錬する製錬炉の操業方法であ
って、原料装入物を反応用気体とともに炉内に供給して主要な
反応が起こる反応領域と、炉内の溶体の混合及び伝熱を
考慮し複数に分割した混合領域と、溶体の混合に寄与し
ない停滞部とを考慮した数学モデルに、実操業時に観測
される時々刻々の操業データを入力して計算し、該計算で得られる溶体の温度、組成、量の経時変化と、
実操業で観測される溶体の温度、組成、量の経時変化と
が一致するように、少なくとも、反応用気体に含まれる酸素のうち、反応に
関わる酸素の反応用気体全体に含まれる酸素に対する割
合である酸素効率と、反応に関わる燃料の装入物全体に含まれる燃料に対する
割合である燃料効率と、前記停滞部の炉全体の体積に対する割合である溶体の停
滞部体積比率と、前記混合領域の分割の割合である混合度とからなるフリ
ーパラメータを前記数学モデルで時々刻々に決定し、この決定したフリーパラメータが与えられた前記数学モ
デルを用いて、現在から原料装入物量、燃料量、反応用
気体量と、これらの組成を固定して操業した場合の溶体
の温度、組成、生成量、排出量の経時変化とを予測し、該予測値と操業目標値との間の偏差が最小となるよう
に、偏差を修正するような前記原料装入物量、反応用気
体量を計算により求め、これら制御入力を自動または手
動で調整しながら操業することを特徴とする製錬炉の操
業方法。
【請求項２】銅精鉱を溶錬する製錬炉であって、原料装入物を反応用気体とともに炉内に供給して主要な
反応が起こる反応領域と、炉内の溶体の混合及び伝熱を
考慮し複数に分割した混合領域と、溶体の混合に寄与し
ない停滞部とを考慮した数学モデルに基づいて、実操業で観測される溶体の温度、組成、量の経時変化
と、計算で得られる溶体の温度、組成、量の経時変化と
を一致させるように、少なくとも、反応用気体に含まれる酸素のうち、反応に
関わる酸素の反応用気体全体に含まれる酸素に対する割
合である酸素効率と、反応に関わる燃料の装入物全体に含まれる燃料に対する
割合である燃料効率と、前記停滞部の炉全体の体積に対する割合である溶体の停
滞部体積比率と、前記混合領域の分割の割合である混合度とからなるフリ
ーパラメータの同定を行うパラメータ同定機構と、該パラメータ同定機構によって決定された前記フリーパ
ラメータを与えることにより、現在から原料量、燃料
量、反応用気体量と、これらの組成を固定して操業した
場合の溶体温度、組成、生成量、排出量の経時変化とを
予測する予測計算機構とを備えたことを特徴とする製錬
炉。