JP5172652B2

JP5172652B2 - 低騒音で環境保護が図られるマット粒状化方法

Info

Publication number: JP5172652B2
Application number: JP2008331767A
Authority: JP
Inventors: ソングリンチョウ; ウェイドンリュウ
Original assignee: シアングアングカッパーカンパニーリミテッド
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-26
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2028-12-26
Also published as: JP2010159435A

Description

本発明は、冶金業の溶融材料の粒状化処理に関する。特に高温の溶融マットと冶金スラグとを粒状化する方法に関する。

“ダブルフラッシュ”精練（フラッシュ溶錬（フラッシュ溶融精錬とも言う）とフラッシュ転炉（フラッシュ空気精錬とも言う）とを含む精練）による銅の精錬技術は、環境保護が可能で、且つ効率の高い銅精錬のプロセスである。この方法の普及と発展に伴って、高温溶融マットと冶金スラグの粒状化が、銅精錬工程中の緊急且つ必要な課題となっている。現在採用されているマット粒状化の方法の基本的な工程として、加圧された冷水で高温溶融マットに直接水焼入れを行う方法が知られている。この方法では、高温溶融マットは水と直接接触するので、急速に蒸発膨張すると同時に、再度化学反応を生じる。即ち、水焼入れ過程に爆破現象が発生する（これを一般にマットブラスティング、又はパンクと呼ぶ）。

マットの爆破現象は、下記のマイナスの影響を引き起こす。第１の問題点は、作業の安全をひどく脅かすという点である。第２の問題点は、騒音が発生するという点である。第３の問題点は、化学反応による生成物の中のＳＯ_２或いはＨ_２Ｓが水焼入れの水質を悪化させると共に、設備への腐蝕を発生させる。第４の問題点は、細目のマットが多く生じるために、このマットの一部分が水の中に循環して設備を摩損し、更に一部分が空へ排出した蒸気に一緒に大気中に漂って損失する。更にこのマットが、環境を汚染する。

溶融マットの粒状化工程の原理を以下に詳細に説明する。以下に示すマット粒状化の方法は、高温の溶融マットを加圧された冷水によって水焼入れする。一般に工業利用されるマットの主な成分は、Ｃｕ_２ＳとＦｅＳであるので、高温溶融状態で水と直接接触して、次の反応を発生する。
（数１）
１．Ｃｕ_２Ｓ＋２Ｈ_２Ｏ＝Ｃｕ＋ＳＯ_２（ｇ）＋２Ｈ_２（ｇ）,
△Ｇ＝３５４３４３−３１５．０６Ｔ，Ｊ
２．ＦｅＳ＋Ｈ_２Ｏ＝ＦｅＯ＋Ｈ_２Ｓ_（ｇ），
△Ｇ＝９１２１１．２−１２３．６Ｔ，Ｊ
３．３ＦｅＳ＋４Ｈ_２Ｏ＝Ｆｅ_３Ｏ_４＋３Ｈ_２Ｓ_（ｇ）＋Ｈ_２（ｇ），
△Ｇ＝２４７７７７−４５４．１Ｔ，Ｊ
生成した可燃性ガスであるＨ_２ＳとＨ_２がまた空気の中の酸素と反応する。
（数２）
４．２Ｈ_２＋Ｏ_２＝２Ｈ_２Ｏ，
△Ｇ＝−５０３９２１＋１１７．３６Ｔ，Ｊ
５．Ｈ_２Ｓ＋Ｏ_２＝２Ｈ_２Ｏ＋ＳＯ_２（ｇ），
△Ｇ＝１１２５１６１．３＋３８９．５Ｔ，Ｊ

上記の反応は、熱を放出し、容量を増加する反応であって、高温の状況で反応の速度が極めて速い。反応が激しく進行するために熱エネルギーを放出する速度が極めて速く、システムが有効な時間以内にエネルギーを発散出すことが困難な場合には、局部の温度の激烈な上昇が発生する。それと同時に、高温な溶融マットが水と接触して、水が急速に気化膨張を引き起こす。気化膨張と反応とで瞬間的に生み出した高圧ガスの拡散が間に合わない場合、気体を圧縮する過程で巨大な圧力が出る。この圧力がガスを極めて速く拡散させると、高温高圧の気流が瞬間にエネルギーを放出する現象、即ち爆破現象を発生させる。

爆破現象は、作業現場の近傍で１１０ｄｂを越える騒音を発生させる。マットの温度が上昇するに伴って、騒音は更に著しくなる。生み出された衝撃波が、溶融マットと冷却固化した砂状のマットとを分列させ離散させる役割を持ち、これらのマットを細かい粒状に形成する。これらのマットの一部は収集が困難となり、これらの細かいマットは強い気流によって外部に流れ、材料の流失と環境汚染を引き起こす。又、反応の産物中のＳＯ_２又はＨ_２Ｓがシステムの水質を酸化させるために、設備へ腐蝕が発生する虞がある。水質を保証するためには、大量のアルカリを補充する必要がある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、低騒音で環境保護が図られるマット粒状化方法を提供することである。本発明によって水焼入れ過程中の爆破現象を克服でき、水焼入れ過程中の化学反応を阻止することができる。又、騒音の汚染を減少させ、しかもプロセスが簡単で、操作が便利であるという長所がある。このように本発明により、マットの水焼入れ過程中に存在する種々の問題を解決できる。

本発明の、低騒音で環境保護が図られるマット粒状化方法は、溶融マットをシュート（落とし樋）から流出させる工程と、噴気装置によって溶融マットにガスを噴射する工程と、噴射されたガスがシュートから流れ出した溶融マットを無数の液滴に分散させる工程と、前記ガスが空中で分散させた液滴を半溶融状態（半熔態状態）又は固体の銅粒に冷却する工程と、銅粒が下降する過程で加圧された冷水で水焼入れ処理を行う工程と、最後に銅粒と共に加圧された冷水が冷却槽に入って、更に冷却される工程と、これによって得られた砂状のマットが脱水運送システムで次の工程に運送される工程とを備えていることを特徴とする。尚、ここで言う半溶融状態（半熔態状態）とは、固体の状態と溶解して液状になっている状態のマットが共存している状態のことを言う。

本発明の課題を解決する更なる手段として、次の発明が好適に利用できる。前記の噴気装置が分散ノズルであって、この分散ノズルはシュートの直下の位置に取り付けられる。溶融マットはシュートによって、先ず粒状化器に導入される。ノズルからのガスによって粒状化器の中に溶融マットを分散させる。分散後の溶融マットは、加圧された冷水によって水焼入れ処理が行われる。この後、冷却槽の中に、冷却されて得られた砂状のマットが脱水運送システムで次の工程に運送される。

本発明のマット粒状化方法においては、冷却槽の中に可動式ノズルが取り付けられており、この可動式ノズルが加圧された冷水を噴出して動いて熱交換を行い、生み出された蒸気が空気の排出煙突によって、大気の中に排出されることを特徴とする。

溶融マットに噴射されるガスは、溶融マットと反応しない加圧したガスで、加圧したガスが低圧の飽和蒸気であることが好ましい。ガスの圧力は０．２ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下であることが好ましい。

シュートの底に清掃装置が取り付けられており、清掃装置が油圧シリンダーであることが好ましい。清掃装置は気動装置又は電動装置であることが好ましい。

本発明によって、低騒音で環境保護が図られるマット粒状化方法が提供される。本発明のマット粒状化方法は、水焼入れ過程中の爆破現象を克服でき、水焼入れ過程中の化学反応を阻止することができ、騒音が低下しており、且つプロセスが簡単で、操作が簡便である。

本発明の積極的且つ具体的な効果を以下に示す。先ず第１に、水焼入れの過程中の化学反応を阻止し、気化膨張を弱めて、爆破現象の発生を防止し、騒音を低下させることができる。具体的には、工場現場のデシベルを８０ｄｂ以下に降下することができ、作業環境を向上させることができる。第２に、生成される砂状のマットの品質が良好となる。粒状マットは、粒径１〜５ｍｍが８５重量％以上（８５％を含む）であり、２００目（スクリーンメッシュ）の粒状マットが重量１％（１％を含む）以下となる。第３に、プロセスが簡便であり、且つ操作が便利であり、安全であり、信頼性が高く、設備への投資が少額となる。

本発明が提出した低騒音マット粒状化の技術は水焼入れ過程の化学反応を阻止し、気化膨張を弱めて、爆破現象の発生を防止して、騒音汚染を下げるものである。高温溶融マットが出銅シュートから排出された後、空中で水と接触する前に、低圧飽和蒸気或いは圧縮ガスによって、溶融マットを無数の零細な液滴に分散し、溶融マットの熱の分散する表面積を増加させて、熱の分散する時間を延長させる。そして空中でマット液滴の表面固化或いは表面温度を１２００℃に下げさせて、雛形粒となったマットを加圧された冷水で槽に落とし、冷却と収集とを行う。

前記の反応方式の第１、第２、第３式の中のΔＧは、マットの温度が反応の方向と速度に極めて大きく影響する。マットの温度の降下に従って、△Ｇが増加することが明らかである。熱力学の見地から見て、温度の降下は反応の進行に不利である。動力学の見地から見て、温度の降下は反応の速度を遅くさせ、化学反応を阻害することさえ可能となる。マットが水と接触する前に、マットの分散と温度の降下が行われるので、化学反応の進行を阻止することができる。それと同時に、マットが分散させた後攪拌される水中に落ちることで、相対的な水の総量を増加させることができ、局部の気化膨張によって爆破が発生することを有意に減少させることができる。

本発明に係る低騒音で環境保護が図られるマット粒状化の方法と装置とを以下に説明する。本発明のプロセスフロー図を図２に示し、マット粒状化に用いられる装置を図３に示す。溶融マットはシュート９から流出される。最初に、噴気装置によって溶融マットにガスが噴出される。噴出したガスがシュート９から流れ出した溶融マットを無数の微細な液滴に分散する。ここで生成される微細な液滴は、０．０７ｍｍ〜８ｍｍの好ましい粒径のものが多く含まれる。それと同時に、前記ガスは空中で分散させた微細な液滴を半溶融状態又は固体の銅粒に冷却する。銅粒は、これに続く下降過程において、加圧された冷水で水焼入れ処理を施される。最後に、銅粒と加圧された冷水が冷却槽に入り、更に冷却させる。これによって得た砂状のマットは、脱水運送システムで次の工程に運ばれる。

上記で説明した噴気装置は、分散ノズル１１である。分散ノズル１１は、シュート９の下部に取り付けられているが、溶融マット流の下方の両側と上方とに取り付けてもよい。ただし、全ての噴気装置は、溶融マットが加圧された冷水と接触する前に、先ず加圧した飽和蒸気又は圧縮ガスによって溶融マットを分散させ、予備的に冷却させることを保証するように配置される。ガス分散と溶融マットの予冷却の効果を確保するために、溶融マットがシュート９によって、先ず粒状化器に導入されて、ガスが分散ノズル１１によって粒状化器の中に溶融マットを分散させる。分散後の溶融マットが加圧された冷水によって水焼入れ処理をされた後、冷却槽の中で冷却され、これによって得た砂状のマットが脱水運送システムで次の工程に運ばれる。

熱交換を早める目的、及び半溶融状態のマット粒の再結合を防止する目的で、冷却槽の中に可動式ノズル１２が取り付けられている。可動式ノズル１２は、加圧された冷水を噴出して、動きながら熱交換を行う。熱交換で生み出した蒸気は空気の排出煙突によって、大気の中に排出される。

上記で説明したガスは、溶融マットと反応しない加圧したガスであって、加圧したガスが低圧の飽和蒸気であり、圧縮ガスであることが好ましい。

繰り返しの試験と検討を行った結果、低圧の飽和蒸気と圧縮ガスの圧力が０．２ＭＰａ〜３．０ＭＰａである場合に、溶融銅液への分散と予冷却の効果が最もよいということが明らかとなった。

一定の時間マットの粒状化を行った後には、シュート９の出口に掛柱現象が出ることがある。すなわち、シュート９の出口に氷柱のような銅柱が形成して、正常の生産に影響する場合がある。このため、シュート９の底に清掃装置１０が取り付けられている。清掃装置は油圧シリンダーであることが好ましい。シュート９の出口に掛柱現象がひどい場合には、油圧シリンダーを起動して、シュート９の出口に掛かった銅柱を割り出して、正常な生産を行うことができる。

より詳細な通常の生産工程を以下に説明する。溶融マットが排出口から排出された後、シュート９によって粒状化器の中に導入される。飽和蒸気又は圧縮ガスが、レギュレーターブロック３によって０．２ＭＰａ〜１．６ＭＰａに減圧されて供給される。マットの流量によって飽和蒸気又は圧縮ガスの流量が調節される。例えば、マットの流量が０．３トン／ｍｉｎ〜１０トン／ｍｉｎで、マットの温度が１１５０℃〜１３５０℃である場合、レギュレーターバルブ５によって飽和蒸気又は圧縮ガスの流量が５００Ｎｍ／ｈｒ〜５０００Ｎｍ／ｈｒに制御されて、最終的にシュート９の下部に取り付けた分散ノズル１１によって噴出される。粒状化器の中で、溶融マットの分散と予冷却が行われる。生成される粒状マットの粒径は、１〜５ｍｍが８５重量％以上であり、２００目の粒状マットが重量１％以下となる。分散したマットが冷却槽の中で冷却され、冷却槽の中に加圧された冷水によって動き、熱交換が進行する。水圧は０．１ＭＰａ〜０．７ＭＰａに制御される必要がある。水に対するスラグの重量比は、１：５〜１：２０である事が好ましい。発生した蒸気は、空気の排出煙突によって、大気の中に排出される。産出された砂状のマットは、脱水運送システムで次の工程に運ばれる。

以下に、溶融マットを液滴に分散させる噴気装置である分散ノズルの構成例を、図を参照しつつ詳細に説明する。分散ノズルは、以下に示すように多孔板、単孔板、径の変更が可能な伸縮パイプ、多岐に分岐したパイプを備えることができる。

多孔板２４を備える分散ノズルの構成を、図４に示す。図４（ａ）は、分散ノズルの正面図であり、図４（ｂ）は、分散ノズルの上面図である。給気管２２は、フランジ部２１によって図示されない給気系統に接続されている。多孔板２４は、給気管２２に設けられたフランジ部との突合せ接合または溶接によって固定されている。給気管２２は円形または方形に成型された金属製のパイプであり、先端が閉止板２３によって閉鎖されている。給気管２２と閉止板２３とはフランジの突合せ接合または溶接によって固定されている。多孔板２４に設けられている複数の噴気孔２５は円形、楕円形、方形のいずれかの形状を備えている。噴気孔２５の直径及び個数は、飽和蒸気又は圧縮ガスの必要な流量によって決定される。また噴気孔２５の間隔はシュート９の底部形状及び流れ出す溶融マットの厚みによって決定される。例えばシュート９の底部形状が弧形であって、シュート９の底部に対応する溶融マットの厚みが厚い場合には、溶融マットを分散させるガスの流量を増大させるために、シュート９の底部に対応する噴気孔２５の間隔を小さくし、且つ噴気孔２５の直径を大きくする。噴出した飽和蒸気又は圧縮ガスが分散したマットの前で発散し過ぎないために、多孔板２４の厚みは一般的に２０〜５０ｍｍとされる。

単孔板３４を備えた分散ノズルの構成を、図５に示す。図５（ａ）は、分散ノズルの正面図であり、図５（ｂ）は、分散ノズルの上面図である。給気管３２は、フランジ部３１によって図示されない給気系統に接続されている。単孔板３４は、給気管３２に設けられたフランジ部との突合せ接合または溶接によって固定されている。給気管３２は円形または方形に成型された金属製のパイプであり、先端が閉止板３３によって閉鎖されている。給気管３２と閉止板３３とはフランジの突合せ接合または溶接によって固定されている。単孔板３４の中央に設けられている単一の噴気孔３５は楕円形又は方形のいずれかの形状を備えている。噴気孔３５の寸法（一辺の長さ又は径）は、飽和蒸気又は圧縮ガスの必要な流量によって決定される。噴気孔３５が楕円形である場合、楕円の弧度はシュート９の底部形状及び流れ出す溶融マットの厚みによって決定される。例えばシュート９の底部形状が弧形であって、シュート９の底部に対応する溶融マットの厚みが厚い場合には、溶融マットを分散させるガスの流量を増大させるために、シュート９の底部に対応する噴気孔３５の楕円の弧度を大きくする。噴出した飽和蒸気又は圧縮ガスが分散したマットの前で発散し過ぎないために、単孔板３４の厚みは一般的に２０〜５０ｍｍとされる。

径の変更が可能な伸縮パイプ４４を備える分散ノズルの構成を、図６に示す。図６（ａ）は、分散ノズルの正面図であり、図６（ｂ）は、分散ノズルの上面図である。給気管４２は、フランジ部４１によって図示されない給気系統に接続されている。伸縮パイプ４４は、給気管４２に設けられたフランジ部との突合せ接合または溶接によって固定されており、伸縮パイプ４４の内部を貫通する噴気孔４５が給気管４２に連通している。給気管４２は円形または方形に成型された金属製のパイプであり、先端が閉止板４３によって閉鎖されている。給気管４２と閉止板４３とはフランジの突合せ接合または溶接によって固定されている。噴気孔４５の断面形状は楕円形又は方形のいずれかの形状を備えている。噴気孔４５の内径寸法（一辺の長さ又は径）は、飽和蒸気又は圧縮ガスの必要な流量によって決定し、変更される。伸縮パイプ４４の噴気孔４５の断面形状が楕円形である場合、楕円の弧度はシュート９の底部形状及び流れ出す溶融マットの厚みによって決定され、変更することができる。例えばシュート９の底部形状が弧形であって、シュート９の底部に対応する溶融マットの厚みが厚い場合には、溶融マットを分散させるガスの流量を増大させるために、シュート９の底部に対応する噴気孔４５の楕円の弧度を大きくする。噴出した飽和蒸気又は圧縮ガスが分散したマットの前で発散し過ぎないために、伸縮パイプ４４の長さは一般的に２０〜１００ｍｍとされる。

複数に分岐した多岐管パイプ５４を備える分散ノズルの構成を、図７に示す。図７（ａ）は、分散ノズルの正面図であり、図７（ｂ）は、分散ノズルの上面図である。給気管５２は、フランジ部５１によって図示されない給気系統に接続されている。多岐管パイプ５４は、給気管５２に設けられたフランジ部との突合せ接合または溶接によって固定されており、多岐管パイプ５４内部に貫通する噴気孔５５が給気管５２に連通している。給気管５２は円形または方形に成型された金属製のパイプであり、先端が閉止板５３によって閉鎖されている。給気管５２と閉止板５３とはフランジの突合せ接合または溶接によって固定されている。多岐管パイプ５４の内部を貫通する噴気孔５５の断面形状は円形、楕円形又は方形のいずれかの形状を備えている。多岐管パイプ５４の分岐の数及び噴気孔５５の内径寸法（一辺の長さ又は径）は、飽和蒸気又は圧縮ガスの必要な流量によって決定される。パイプ５４の分岐の配置は、シュート９の底部形状及び流出する溶融マットの厚みによって決定される。例えばシュート９の底部形状が弧形であって、シュート９の底部に対応する溶融マットの厚みが厚い場合には、溶融マットを分散させるガスの流量を増大させるために、シュート９の底部に対応する多岐管パイプ５４の分岐の配置間隔を小さくし、且つ噴気孔５５の内径寸法を大きくする。噴出した飽和蒸気又は圧縮ガスが分散したマットの前で発散し過ぎないために、多岐管パイプ５４の分岐の長さは一般的に２０〜１００ｍｍとされる。

複数に分岐した多岐管パイプ５４の代わりに、複数のパイプを給気管５２に接合して分散ノズルを構成することができる。

本発明に詳細に説明しない技術内容については、公知な技術を適用することができる。

従来のマット粒状化方法のプロセスフローである。本発明のマット粒状化方法のプロセスフローである。本発明の原理を示す図である。多孔板２１を備えた分散ノズルの正面図と上面図である。単孔板３１を備えた分散ノズルの正面図と上面図である。径の変更が可能な伸縮パイプ４４を備えた分散ノズルの正面図と上面図である。複数に分岐した多岐管パイプ５４を備えた分散ノズルの正面図と上面図である。

符号の説明

１第一圧力計
２安全弁
３レギュレーターブロック
４第二圧力計
５レギュレーターバルブ
６流量計
７手動バルブ
８ニューマチックバルブ
９シュート（落とし樋）
１０清掃装置
１１分散ノズル
１２可動式ノズル
２１，３１，４１，５１フランジ部
２２，３２，４２，５２給気管
２３，３３，４３，５３閉止板
２４多孔板
２５，３５，４５，５５噴気孔
３４単孔板
４４伸縮パイプ
５４多岐管パイプ

Claims

溶融マットをシュートから流出させる工程と、
噴気装置によって前記溶融マットにガスを噴射する工程と、
噴射された前記ガスがシュートから流出した前記溶融マットを無数の液滴に分散させる工程と、
前記ガスが空中で分散させた前記液滴を半溶融状態又は固体の銅粒に冷却する工程と、
前記銅粒が下降する過程で、加圧された冷水で水焼入れ処理を行う工程と、
前記銅粒が加圧された冷水と共に冷却槽に入り、更に冷却される工程と、
得られた砂状のマットが脱水運送システムで次の工程に運送される工程と、
を備えており、
前記ガスが溶融マットと反応しない加圧したガスであって、
この加圧したガスが飽和蒸気であることを特徴とする低騒音で環境保護が図られるマット粒状化方法。
前記噴気装置が分散ノズルであって、前記分散ノズルが前記シュートの下に取り付けられており、
前記溶融マットが前記シュートによって、先ず粒状化器に導入され、前記ノズルからのガスが前記粒状化器の中で前記溶融マットを分散させ、
分散後の前記溶融マットが加圧された冷水によって水焼入れ処理を行われ、
前記冷却槽の中の前記処理によって得られた冷却された砂状のマットが、脱水運送システムで次の工程に運送されることを特徴とする請求項１に記載の低騒音で環境保護が図られるマット粒状化方法。
前記冷却槽の中に可動式ノズルが取り付けられており、
前記可動式ノズルが加圧された冷水を噴出し、移動しながら熱交換を行い、発生した蒸気は空気の排出煙突によって、大気の中に排出されることを特徴とする請求項２に記載の低騒音で環境保護が図られるマット粒状化方法。
前記ガスの圧力が０．２ＭＰａ以上３．０ＭＰａ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の低騒音で環境保護が図られるマット粒状化方法。
前記シュートの底に清掃装置が設けられており、
前記清掃装置は油圧シリンダーであることを特徴とする請求項４に記載の低騒音で環境保護が図られるマット粒状化方法。