JP2003129146A

JP2003129146A - 精鉱バーナの制御方法

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Publication number: JP2003129146A
Application number: JP2001323107A
Authority: JP
Inventors: Susumu Akagi; 進赤木; Wataru Kaneda; 亙金田
Original assignee: Fuyuutec Furness Kk; Nippon Mining and Metals Co Ltd; Nippon Mining Co Ltd
Current assignee: Fuyuutec Furness Kk; Nippon Mining Holdings Inc; Eneos Corp
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-10-22
Also published as: JP3746700B2

Abstract

(57)【要約】【課題】精鉱バーナを効率的に最適化することができ
る精鉱バーナの制御方法を提供する。【解決手段】自溶炉の精鉱バーナを制御する方法にお
いて、自溶炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮した総括
反応速度式を作成し、この総括反応速度式のパラメータ
を所望の数値に設定して、精鉱バーナを制御する。自溶
炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮した総括反応速度式
を作成することで、自溶炉内の反応をモデル化すること
ができる。この総括反応速度式を形成する要素の値を適
宜変更することで、自溶炉内の反応をシミュレーション
することができるので、精鉱バーナを効率的に最適化す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自溶炉の精鉱バーナ
の制御方法に関し、より特定すれば、自溶炉の反応シャ
フトをモデル化したコンピュータシミュレーションによ
り精鉱バーナを制御する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１に、自溶炉の概略構成を示す。自溶
炉は、給鉱装置１１、精鉱バーナ１２、及び炉体１３を
具備して構成される。炉体１３は、反応シャフト１４、
セットラ１５及びアップテイク１６からなる。給鉱装置
１１には銅精鉱と溶剤が供給され、精鉱バーナ１２には
酸素と空気が供給される。

【０００３】図２に、精鉱バーナ１２の一構成例を示
す。精鉱バーナ１２は、装入シュート１７、内筒１８、
外筒１９、並びに内筒１８及び外筒１９にそれぞれ設け
られた内／外切替弁２０及び２１を具備して構成され
る。給鉱装置１１からの銅精鉱と溶剤は、装入シュート
１７を介して精鉱バーナ１２に供給される。酸素と空気
は、内／外切替弁２０、２１を介して内筒１８及び外筒
１９に供給される。

【０００４】精鉱バーナ１２は、自溶炉で最も重要な要
素と言える。例えば、精鉱バーナ１２から反応シャフト
１４内に吹き込まれる送風と精鉱粒子の状態が、反応シ
ャフト１４での反応を決定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来は、精鉱バーナ１
２を様々な条件で稼動させ、反応シャフト１４での反応
状態を把握して、これを精鉱バーナ１２の制御にフィー
ドバックしていた。このような制御では、精鉱バーナ１
２を効果的かつ効率的に制御することができず、精鉱バ
ーナ１２を最適化することは困難であるという問題点が
あった。

【０００６】従って、本発明は上記従来技術の問題点を
解決し、精鉱バーナを効率的に最適化することができる
精鉱バーナの制御方法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】上記課題を解決するため
に、本発明は、自溶炉の精鉱バーナを制御する方法にお
いて、自溶炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮した総括
反応速度式を作成し、この総括反応速度式のパラメータ
を所望の数値に設定して、精鉱バーナを制御することを
特徴とする。自溶炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮し
た総括反応速度式を作成することで、自溶炉内の反応を
モデル化することができる。この総括反応速度式を形成
する要素の値を適宜変更することで、自溶炉内の反応を
シミュレーションすることができるので、精鉱バーナを
効率的に最適化することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を説
明する。

【０００９】本発明の実施の形態では、反応シャフト内
での流体や粒子の挙動をシミュレーションするモデルを
作成し、このモデルを用いて反応シャフト内に吹き込ま
れる送風と精鉱粒子の分散挙動等を最適化する。このよ
うなモデルを作成するために、熱、反応及び粒子を以下
に説明するように取り扱う。

【００１０】まず、１界面未反応核モデルを用い、粒子
１個当りの総括反応速度を求める。この時、前記総括反
応速度式は、粒子の体積の変化を酸素濃度の変化に関連
付ける。具体的には、

【００１１】

【数３】ただし、 r_o：精鉱粒子の半径 r_i：反応界面の半径 η：無次元化反応界面半径(=r_i/r₀) Ｃ_Ｏ２：酸素濃度Ｃ_{Ｏ２、ｉｎ}：反応開始前の酸素濃度なる式を用いて、粒子の体積の変化を酸素濃度の変化に
関連付ける。このようにして粒子の体積の変化が酸素濃
度の変化に関連付けられた粒子１個当りの総括反応速度
は、後述する（３）式で記述される。

【００１２】この（３）式を熱流体に適用して、総括反
応速度式を作成する。この総括反応速度式は、後述する
（１１）式として示される反応速度定数ｋを記述する式
である。

【００１３】そして、このようにして得られた総括反応
速度式において、粒子が流体から受ける抗力がどのよう
に影響するのかを検討する。この検討が、後述する（１
２）〜（１５）式である。

【００１４】ここで、本発明の一実施の形態を説明する
前に、以下の説明で用いられるパラメータの主なものの
定義を示す。

【００１５】

【外１】自溶炉の化学反応本モデルでは、送風気流中に所定の空間密度で存在する
精鉱粒子を仮想し、その仮想の精鉱粒子と酸素との化学
反応を「１界面の未反応核モデル」で解析した。

【００１６】自溶炉内の化学反応を単純化すると

【００１７】

【化１】となり、代表的な自溶炉の熱収支より、

【００１８】

【化２】と表わせる。これから鉱石と産物の顕熱を差し引くと、
気体のみの反応式

【００１９】

【化３】が得られる。本実施の形態では、この反応が仮想の精鉱
粒子との間で起こり、それにより発生した反応熱でガス
が加熱,昇温されるものとした。ここで発熱量はO ₂の反
応熱として与える。なお、ｋは後述する反応速度定数で
ある。総括反応速度１界面未反応核モデルを用い、ガス境膜物質移動係数を
k_g，有効拡散係数をD_e，銅精鉱粒子の界面における反応
速度定数をk_rとすれば、粒子1個あたりの

【００２０】

【外２】は、

【００２１】

【数４】で表され、粒子の平均空間密度をN_pとすると単位体積あ
たりの

【００２２】

【外３】は，

【００２３】

【数５】となる。

【００２４】ガス境膜物質移動係数k_gは、

【００２５】

【数６】で表されるが、

【００２６】

【数７】となる。

【００２７】また、有効拡散係数D_eは近似的に、

【００２８】

【数８】を用いる。（４）、（５）式において、ガス拡散係数D
は次式で表される。

【００２９】

【数９】反応界面における反応速度定数k_rは、

【００３０】

【数１０】で表すことができる。

【００３１】(4)式に(6)，(7)，(8)，(9)式を代入し、

【００３２】

【数１１】とおいて整理すると、

【００３３】

【数１２】となる。界面における反応速度定数総括反応速度式（１１）を計算するには、（９）式の銅
精鉱の界面反応の反応速度定数における活性化エネルギ
ーE_ｒと頻度因子k₀の値が必要となる。

【００３４】活性化エネルギーE_rについては、ある組成
の銅精鉱をアルミナウール中に散布して酸化反応を行な
った実験から得られた値E_r=55kJ/molを採用した。

【００３５】また、頻度因子ｋ₀は10^２〜10⁵[m/s]とし
て計算し最適値を求めた。粒子に関する諸条件粒子の密度ρ_P、粒子及びガスの流速をそれぞれｕ_p, u_g
とすると、粒子が流体からうける抗力ｆ[N]は（１２）
式のように表わされる。

【００３６】

【数１３】ここでC_Dは抗力係数で、（１３）式で定義される。

【００３７】

【数１４】一般に、上記（１３）式における粒子の形状は球形であ
るが、実際の精鉱粒子は角張った形状をしている。粒子
の形状係数φ_Sを（１４）式のように定義すると、形状
係数φ_Sの粒子の抗力係数C_Dは、完全な球形粒子の抗力
係数をC_Dsとすると（１５）式で表わされる。

【００３８】

【数１５】仮に精鉱粒子の形状を球ではなく、球と同体積の立方体
と仮定すると、φ_S=0.81となり、Re_p = 0〜10で、C_Dは
C_Dsの1.2〜3.2倍になる。

【００３９】本実施の形態においては、形状係数を考慮
した影響についてシミュレーションで確認し、最適値を
選択した。モデルと実操業との比較（シャフトサンプリングについて）自溶炉のシャフト反
応の実態把握方法として、反応シャフト１４に複数個サ
ンプリング孔を設ける。この様子を図３に示す。図３
中、×が炉内サンプリング点を示す。炉内サンプリング
点で落下粒子を氷水中に捕捉採取し観察を行う。なお、
本明細書中の実測値は、このサンプリング結果である。（反発係数の最適化検討）本モデルでは、シミュレーシ
ョン計算の妥当性について、実炉での測定結果と計算結
果を比較することで評価した。図４（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）が、反発係数を変化させた場合のシミュレーショ
ンモデル計算値と実測値との粒子落下頻度分布の比較で
ある。表１にシミュレーション計算条件および実測時の
操業条件を比較して示す。

【００４０】

【表１】シミュレーションモデルにおける粒子落下頻度は、計算
数４０，０００サイクル目から５０，０００サイクル目
まで２，５００サイクル毎に５回、０．１秒間づつ各位
置で落下粒子数(重量)をカウントし、装入量を１５０ト
ン／時から1１３３トン／時に補正した。

【００４１】一方実測値は、Ａ孔とＣ孔を結ぶライン上
の測定値をプロットしたものである。図４の（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）を比較すると、反発係数1の分布幅, 分
布形状が実測値に最も近くなっており、反発係数は１を
採用した。頻度因子ｋ_０の最適化検討図５に、界面反応速度定数の頻度因子ｋ₀を１０，００
０、３００及び１００ｍ／ｓとした場合の酸素濃度分布
のシミュレーション結果を示す。これ以外の条件は上記
反発係数の最適化検討と同様である。なお、図５の結果
は、図６に示すように、精鉱バーナの出力領域をメッシ
ュに分割した座標系に、酸素濃度の分布をプロットした
ものである。

【００４２】反応終了点は、表２のようにｋ_０＝１０，
０００で２．１ｍ、３００で３．５ｍ、１００で４．８
ｍと、頻度因子ｋ₀で大きな差が生じた。

【００４３】

【表２】現実の反応終了位置は正確に把握されていないが、シャ
フトサンプリング位置、すなわち天井から４．５ｍでは
反応は完全に終了していると推定されている。また、粒
子の反応開始〜終了に０．０５〜０．１０秒必要である
ことから、落下速度を合わせると、反応終了位置は天井
下２ｍよりは下であると推定される。以上から、頻度因
子ｋ₀は３００〜１，０００ｍ／ｓが好ましい。

【００４４】以上の通り、（１１）式で定義される反応
速度定数ｋは実操業での状態を高い精度で反映してい
る。（１１）式を用いて、精鉱バーナの内筒と外筒間で
の流量の割り振りや、内筒及び／又は外筒の径の調整等
を行うことで、反応シャフト内に吹き込まれる送風と精
鉱粒子の分子挙動等を最適化することができる。

【００４５】なお、本発明を実施するに際し、汎用熱流
体解析ソフト（例えば、商品名ＳＴＲＥＡＭ）を用いた
コンピュータシミュレーションを利用することができ
る。上記商品名の汎用熱流体解析ソフトに組み込まれて
いる総括反応速度式を、以下のように改変する。第１
に、粒子１個あたりの総括反応速度を算出する前述の
（３）式を作成し、最終的に前述した（１１）式で定義
される反応速度定数ｋを求める式をメインルーチンに組
み込む。第２に、（１１）式を構成する各変数に所定の
値を取り込むためのサブルーチンを作成する。このサブ
ルーチンは、自溶炉の反応の計算を開始する時に１回呼
び出されるものである。第３に、反応を計算する各サイ
クルで、発熱量、酸素の減少量、ＳＯ_２の増加量などの
時間とともに変化する変数値をメインルーチンに取り込
むサブルーチンを作成する。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
精鉱バーナを効率的に最適化することができる精鉱バー
ナの制御方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】自溶炉の一構成例を示す図である。

【図２】精鉱バーナの一構成例を示す図である。

【図３】シャフトサンプリングを説明するための図であ
る。

【図４】シミュレーション結果と実炉での測定結果とを
比較するグラフである。

【図５】酸素濃度分布のシミュレーション結果を示す図
である。

【図６】酸素濃度分布のシミュレーションで用いられる
座標系を示す図である。

【符号の説明】

１１給鉱装置１２精鉱バーナ１３炉体１４反応シャフト１５セットラ１６アップテイク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金田亙神奈川県横浜市金沢区福浦２−７−33 株式会社フューテックファーネス内Ｆターム(参考） 3K003 EA00 FA04 FB04 FC01 4K001 AA09 DA01 GA04 GB11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自溶炉の精鉱バーナを制御する方法にお
いて、自溶炉内の反応と熱と粒子を同時に考慮した総括反応速
度式を作成し、この総括反応速度式のパラメータを所望の数値に設定し
て、精鉱バーナを制御することを特徴とする精鉱バーナ
の制御方法。
【請求項２】前記総括反応速度式は、粒子の体積の変
化を酸素濃度の変化に関連付けていることを特徴とする
請求項１記載の精鉱バーナの制御方法。
【請求項３】前記総括反応速度式は、【数１】ただし、 r_o：精鉱粒子の半径 r_i：反応界面の半径 η：無次元化反応界面半径(=r_i/r₀) Ｃ_Ｏ２：酸素濃度Ｃ_{Ｏ２、ｉｎ}：反応開始前の酸素濃度なる式を用いて、粒子の体積の変化を酸素濃度の変化に
関連付けていることを特徴とする請求項１又は２記載の
精鉱バーナの制御方法。
【請求項４】前記総括反応速度式は【数２】ただし、 r_o：精鉱粒子の半径 [m] r_i：反応界面の半径 [m] η ：無次元化反応界面半径(=r_i/r₀) [−] N_p：精鉱粒子の平均空間密度 [個/m³] ε ：気孔率 [−] D_ｏ：分子拡散係数 [m²/s] k₀：頻度因子 [m/s] E_r：活性化エネルギ [J/mol] R₀：普遍ガス定数 [J/mol・K] T ：温度 [K] であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一
項記載の精鉱バーナの制御方法。