JP2749599B2 - 高熱工程のモニター装置及びモニター方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高熱工程をモニターすることに関し、特に
燃焼又は、金属化合物が比較的高い温度で処理され、工
程オフガスを生じながら原料から金属分を回収し、金属
及び金属化合物の蒸留を含めた乾式治金法の如き、発熱
性工程をモニターするための方法及び装置に関する。

〔従来の技術〕

乾式治金法、例えば製鉄の為の熔鉱炉の或る限られた
数のものに対し処理工程のモデル化が確立されている
が、そのようなモデルは一定の供給速度及び組成、条件
の理想化及び基本的反応速度データーの知識に大きく依
存している。それらが無いと、それらのモデルは反応状
態を推測するそれらの能力の点で価値が無くなる。

もし工程のモデルが存在しないと、工程の操作者の経
験又は工程（単数又は複数）のモニター又はサンプリン
グに依存しなければならない。炉自身の相の正確なサン
プリングはしばしば困難であり、時々不可能である。し
かし、乾式治金法がガス、蒸気、煙霧、或は塵を生ずる
場合、その組成及びそれが時間と共に変化する仕方を、
炉内の反応の程度又は状態に関する指標として用いるこ
とができる。人手による煙霧のサンプリング及びその後
の化学的分析は非常に時間のかかる面倒な操作なので、
工程をモニターする連続的方法としては実際的ではな
い。

〔発明の開示〕

『解決すべき問題は、高温反応器を出るガス流の好ま
しくない環境（hostile environment）に、十分な感度
と適合性とを持って蛍光Ｘ線分析の既知技術を適用する
ことに関する問題である。

本発明は、請求項１に開示される通りの、高温反応器
を通過するガス流中で蛍光Ｘ線を検出することによって
高熱工程をモニターするための装置を提供する。

好ましい高熱工程は乾式治金の高熱工程である。乾式
治金の高熱工程は、スラグ又は他の溶融金属相からの揮
発性金属又はそれらの化合物を蒸発させる工程であるの
が適当である。乾式治金の高熱工程は、代替的には、一
次的溶解（若しくは精製）工程、二次的溶解（若しくは
精製）工程、バイ焼酸化（若しくは還元）工程、又は他
の固相酸化（若しくは還元）工程であるのが適当であ
る。

その高熱工程は、代替的には、燃焼工程であってもよ
い。

以下に述べる好ましい実施例によると、特別に設計し
た装備内に取り付けた一次Ｘ線源によって、導管の中へ
向けられたＸ線ビームを発生させる。その導管は炉自体
の一部であるか、又は、その導管は乾式治金で使用され
るキルン、炉若しくは他種の反応器からのオフガスを運
ぶ煙道である。特別に設計された取り付け器に設定され
た一次Ｘ線源を用いるのが好ましい。同じ取り付け器中
にＸ線源とはずらして設定きれたＸ線検出器は、ガス、
蒸気、煙霧又は塵中に存在する元素の励起によって生じ
た蛍光を検出する。Ｘ線管及びＸ線検出器の傾斜角度を
注意深く定め、Ｘ線管及びＸ線検出器の両方の照準を定
めることにより、Ｘ線検出器が、壁に付着した煙霧又は
塵の凝縮物又は壁を構成する材料の励起を取り込まない
ようにすることができる。Ｘ線検出器は、高温反応器を
出た排出ガス中のガス、蒸気、煙霧及び塵の成分によっ
て生じた励起蛍光だけを検出する。

与えられた元素に対するＸ線検出器の相対的感度は、
その元素の特性エネルギーの関数なので、Ｘ線源が希望
の励起度を与えるのに充分なエネルギーを確実に持つよ
うにすることが必要である。50kVの電源で、元素周期表
（atomic table）中の元素、典型的には硫黄から上の元
素から検出可能な蛍光を生じさせることができるであろ
う。

Ｘ線検出器からの出力は増幅し、その信号を離れた多
段チャネル分析器へ送り、そこから必要なＸ線強度を計
算し表示することができる。多段チャネル分析器は、夫
々小さな電圧範囲を扱う多数のチャネルを有するのが適
切である。Ｘ線検出器からの入力Ｘ線エネルギーに関連
した電圧パルスは、その電圧水準に関連した適当なチャ
ネルへカウントとして入力される。この方法を全ての入
力パルスについて繰り返し、それら水準の各々について
カウントのスペクトル（spectrum）を作り上げる。既知
のＸ線源に関連して補正することにより、得られたスペ
クトルをエネルギーへ換算し、それによりそのスペクト
ル中に存在するピークを同定することができる。典型的
には、一つのスペクトルを作り上げるのに充分なカウン
トを得るために、Ｘ線検出器出力を50〜100秒間記録す
ることが必要になるであろう。従って、Ｘ線検出器はオ
ンラインで操作されるが、各カウント期間で唯一つのス
ペクトル、従って唯一つの濃度測定が得られる。

別法として、検出器信号を送る一つ以上の１チャネル
分析器を設置することが可能である。

１チャネル分析器は本質的に調節可能な電圧窓検出器
であり、それは親定された水準間の電圧パルスだけを通
過させる。それら水準は特定のＸ線ピークを特定化する
ように調節される。従って、１チャネル分析器からの出
力は特定の元素に関連し、これを係数率計（rate mete
r）へ送り、間題になる元素全てについて１秒当たりの
カウント数として、アナログ表示を与えることができ
る。その場合、それは、ガス、蒸気、煙霧又は塵中に存
在する特定の元素（一種又は多種）についての連続的分
析装置になる。

本発明方法は、バッチ式又は連続式乾式治金法に適用
することができる。

本発明が適用できるバッチ式工程の例には、スラグ及
び他の金属含有材料からの錫及び亜鉛の発煙工程、灰吹
き（cupellation）工程、一次及び二次材料、例えば
銅、鉛、錫の精製工程が含まれる。

本発明が適用出来る連続的工程の例には、竪型炉熔
錬、流動化床焙焼及び強力な熔錬処理、例えばプラズマ
アーク炉によるものが含まれる。

本発明によるモニター装置を用いる利点は次の通りで
ある： モニター装置は、典型的には元素周期表で硫黄から上
の全ての元素についてガス、蒸気、煙霧又は塵の組成を
定性的及び定量的にモニターすることができる。

モニター装置は、ガス、蒸気、煙霧又は塵中に存在す
る成分（一種又は多種）について変動する組成を測定す
ることによりバッチ式処理での反応の終点を決定するの
に用いることができる。従って、それは過剰の処理時間
及び金属分の不必要な損失を防ぐように用いることがで
きる。

モニター装置は、現在存在する物理的サンプリング方
法が適用出来ない上昇した温度で用いることもできる。
このことは、ガス、蒸気、煙霧又は塵を、下流での処理
例えば、急冷、希釈、物理的脱落、混合によって影響を
受ける前に分析することができるので、他の方法に優る
装置の主な利点であると考えられる。

モニター装置は、ガス、蒸気、煙霧又は塵中に存在す
る低水準の一つの成分を、高濃度で含まれる他の元素の
中から検出することも出来る。従って、それは、広い濃
度範囲に亘って数多くの元素を検出し、記録することが
できる。このことは、価値ある金属成分の損失を調べる
場合に重要になることがある。モニター装置は、環境汚
染防止の為に煙突からの排出物をモニターするのに用い
ることができる程充分な感度を有する。例えば、発掘燃
科の燃焼からのガスをモニターすることができる。

モニター装置は、バッチ式処理で使用することに限定
されるものではない。工程が連続的性質をもつ場合、分
析器は、ガス、蒸気、煙霧又は塵組成の変化を生ずる定
常状態の条件からのずれを検出することができる。例え
ば、硫化鉱の流動床焙焼では、排出ガス中の全硫黄を硫
化物、硫酸塩及び二酸化硫黄としてモニターするのに用
いることができ、煙霧法では、選択的に発煙速度を制御
するのに用いることができ、発掘燃料の燃焼では、排出
ガス中の二酸化硫黄の含有量をモニターするのに用いる
ことができる。

〔実施例〕

本発明を、次の実施例に関連して記述するが、それら
実施例は本発明によるモニター装置を用いた種々の乾式
治金方法に関するものである。適当なモニター装置は、
第１図に例示されており、第１図はそのようなモニター
装置の部分的断面図である。

第１図に示す装置は、回転式取付台（すなわち、回転
可能な部位）２に取付けられた全体的に１で示したＸ線
源を有する。その取付台２は炉、導管又は煙道の外部に
固定されており、かつ、その取付台２を調節して、壁４
によって境界を付けられた炉の導管又は煙道の中に、囲
い５の開口及び壁４の開口を通して、予め定めた角度で
Ｘ線ビーム３を送ることができる。水冷された囲い５及
び空気除去系（すなわち、パージング手段）６は、導管
によって運ばれたガスの熱、煙霧及び塵からＸ線源を保
護するのに役立つ。Ｘ線検出器７は、Ｘ線源１からずれ
た位置に主ブロック８に取り付けられ、Ｘ線源１から導
管中へ送られたＸ線によって照射された元素の蛍光によ
って生じた放射線（輻射線）を、壁４の開口及び前記囲
い５の開口を通して受ける。Ｘ線ビーム３と、Ｘ線検出
器７の視界の一致領域は、図に平行線を引いて示す。Ｘ
線検出器７からの出力を多段チャネル分析器、計数率計
又は他の計数装置へ送る。

実施例１−スラグから錫の発煙 約６％のSnを含む錫スラグ100Kgを、パイロット規模
の頂部吹込み型回転炉に仕込み、溶融した。錫を硫化物
として発煙させるため黄鉄鉱を添加した。硫化錫煙霧は
炉の口の所で希釈空気により酸化され、得られた酸化錫
を袋状濾過装置で収集した。

図に示した蛍光Ｘ線（XRF）のモニター装置を、炉の
口と袋状濾過装置との間の導管機構に取り付けた。煙霧
中の錫の存在に対するモニター装置の応答が発煙工程中
モニターされ、等速煙霧試料と同様、錫スラグの試料を
規則的な時間間隔で炉から取り出した。錫スラグの試料
を分析し、煙霧中の錫に対するXRF応答をスラグ中の残
留錫水準及び煙霧試料中の錫と関係づけた。これにより
この炉装置の場合、0.3％Snの商業的反応終点での発煙
速度は、モニター装置からの読み取りで錫について15カ
ウント／秒に等しいことが決定された。

続く３回の発煙工程で、XRFの応答がこの予め決定さ
れた15カウント／秒の水準になったときにその工程を止
めた。最終スラグの分析試験により夫々0.20％、0.19％
及び0.20％のSnであることが見いだされた。従って、モ
ニター装置は、商業的反応終点をオンラインで正確に予
測していた。

実施例２−黒銅の精製 銅含有スクラップを熔錬により再循環して鉄、亜鉛、
ニッケル、錫及び鉛を含有する銅基合金を精製させた。
黒銅として知られているこの不純な銅を、空気又は酸素
に富む空気を用いて２段階で転炉で精製する。最初に鉄
及び亜鉛がスラグ相として除去される。亜鉛の発煙も起
きる。第二の吹込みで、残留亜鉛＋錫及び鉛が第二スラ
グとして又は発煙により除去される。

モニター装置を、銅転炉とそれに付随するガス清浄化
用袋状濾過装置との間の導管機構上に取り付けた。次に
１週間に亘ってモニター装置を用いて亜鉛、錫及び鉛の
発煙水準の変動を決定した。判明したそれらの変動は、
XRFの応答を工程の制御及び生成した亜鉛及び錫の煙霧
の分離を行うのに用いることができることを示してい
た。その結果、最初のスラグに対する錫の損失は減少
し、第二煙霧の錫含有量を増大させることができた。

実施例３−スラグからの亜鉛の発煙 一次銅・鉛精鉱の熔錬による亜鉛含有スラグを1100〜
1300℃の温度で発煙させた。亜鉛含有蒸気を生成させる
ため還元剤が必要であり、これは通常羽口を通して空気
と一緒に溶融スラグ中へ吹き込まれる。二次空気を浴の
上に導入し、亜鉛含有蒸気を酸化し、それを次に酸化物
煙霧として収集する。吹込み中、他の元素も揮発した。

モニター装置を、二次空気が導入される点の上の亜鉛
発煙器の壁上に取り付けた。モニターされるガス相の温
度は1200℃を越えていた。この温度で、装置は亜鉛、鉛
及びヒ素の発煙速度の変動をオンラインで連続的に示す
ことができた。

モニター装置の長期間の性能は、ガス相からの非常に
高い水準の輻射線によって影響されることはなかった。

実施例４−工程ガス流中の硫黄についてのモニター かわ（matte）の転炉処理中、二酸化硫黄が空気又は
酸素に富む空気を吹き込むことにより生成した。転炉排
出ガスの二酸化硫黄含有量又は除去される全硫黄の測定
値についての知識を、吹き込み期間を終わらせる時を決
定するために炉操作者が用いることができる。ガスの二
酸化硫黄含有量をモニターするための赤外分析の如き従
来の方法は、全て凝縮性物を含む熱い屡屡汚れたガスの
サンプリングを含んでいる。その場合、これらの試料流
は完全に冷却され、分析装置の損傷を起こさないように
清浄にされなければならない。

モニター装置を、二酸化硫黄を種々の水準で含むガス
混合物で満たされる有機ガラス容器の壁に取り付けた。
モニター装置は、これら理想的な条件で体積で100ppmの
濃度の二酸化硫黄を検出することができることが判明し
た。

次にモニター装置を、二酸化硫黄、金属硫化物及び硫
酸塩として硫黄を含むことが知られている熱い汚れたガ
ラス流が流れる導管の方へ移した。導管の温度は500〜6
00℃で、煙霧存在量は100gm^-3越え、全硫黄含有量は５
％までであった。これらの温度で煙霧は初期熔融により
粘着性であり、そのため慣用的サンプリングは不可能で
あった。このような状況で硫黄の存在に対する明確な応
答が記録され、それは高濃度で存在する他の元素とは容
易に区別することができた。

同様にして、発掘燃料の燃焼から生じたガスの硫黄含
有量をモニターすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は発明によるモニター装置の部分的断面図であ
る。 １……Ｘ線源、３……Ｘ線ビーム、４……導管の壁、７
……Ｘ線検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ピーター ジョン ティリィ イギリス国 ハートフォードシャー，ス ティブンネッジ，ホウムステッド モア ト 13 (56)参考文献 特開 昭49−101094（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−137487（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−17695（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−61003（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−240846（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−33626（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−236052（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−28157（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭51−39580（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−111653（ＪＰ，Ｕ) 米国特許4921221（ＵＳ，Ａ) 英国特許2211930（ＧＢ，Ｂ) 欧州特許315436（ＥＰ，Ｂ１)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】高温反応器を出て壁（４）を有する導管を
   通って通過するガス流の中の蛍光Ｘ線を検出することに
   よって高熱工程をモニターするための装置において、 前記導管の壁（４）に取付けられる前壁を有する囲い
   （５）と、 前記囲い（５）内に収容され、該囲い（５）の開口及び
   前記導管の壁（４）の開口を通ってＸ線ビーム（３）を
   送り、かつ、予め定めた角度で前記Ｘ線ビーム（３）を
   送るように回転可能な部位（２）に取付けられた一次Ｘ
   線源（１）と、 前記囲い（５）内に収容されたＸ線検出器（７）であっ
   て、前記ガス流中で蛍光Ｘ線によって生じる放射線は、
   前記Ｘ線ビーム（３）と交差する制限された視野にわた
   って、前記導管の壁（４）の開口及び前記囲い（５）の
   開口を経由して、前記Ｘ線検出器（７）によって受領さ
   れるようになっており、前記視野及び前記Ｘ線ビーム
   （３）が一致する領域は前記導管の壁（４）から離隔さ
   れていて、前記Ｘ線検出器（７）が前記領域内の前記ガ
   ス流からの放射線のみを検出するが、前記導管の壁
   （４）上の付着物からの放射線を受領しないようになっ
   ている、前記Ｘ線検出器（７）と、 前記一次Ｘ線源（１）及び前記Ｘ線検出器（７）を、前
   記導管内の前記ガス流によって運ばれる熱、煙霧及び塵
   から保護するための冷却手段及びパージング手段と、 前記Ｘ線検出器（７）が受領した放射線を分析して、測
   定されるべき個々の元素の寄与分を調べるための分析手
   段と、 を備えた高熱工程のモニター装置。
2. 【請求項２】前記分析手段が、元素の範囲を検出するた
   めのマルチチャネル分析器から成る、請求項１に記載の
   モニター装置。
3. 【請求項３】前記分析手段が、特定の元素を測定するた
   めのシングルチャネル分析器、又は元素の範囲を測定す
   るための複数のシングルチャネル分析器から成る、請求
   項１に記載のモニター装置。
4. 【請求項４】Ｘ線検出器（７）の軸線が前記囲い（５）
   の前記前壁に垂直である、請求項１から３までのいずれ
   か１項に記載のモニター装置。
5. 【請求項５】請求項１から４までのいずれか１項に記載
   のモニター装置を使用して、高熱工程をモニターする方
   法において、前記囲い（５）の開口及び前記導管の壁
   （４）の開口を通過して、前記一次Ｘ線源（１）からの
   Ｘ線ビーム（３）を、前記高温反応器を出て前記導管を
   通過するガス流の中へ向け、次いで、前記導管の壁
   （４）の開口及び前記囲い（５）の開口を通して、前記
   ガス流中の蛍光Ｘ線によって生じる放射線を前記Ｘ線検
   出器（７）によって受け、前記冷却手段及び前記パージ
   ング手段（６）を作動させ、次いで、前記Ｘ線検出器
   （７）の出力を前記分析手段まで送ることを特徴とする
   高熱工程のモニター方法。