JP5208898B2 - 自溶製錬炉の操業方法及び原料供給装置 - Google Patents
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Description
本発明は、原料とその反応用ガスを炉内に供給する原料供給装置を用いた自溶製錬炉操業に関する。
自溶製錬炉とは、銅、ニッケル等の非鉄金属酸化物の製錬、及び、マット処理製錬に用いられる製錬炉をいう。自溶製錬炉において、原料と反応用ガスを炉内へ供給する装置は、自溶製錬炉の性能を決定付ける重量な役割を担っている。この原料供給装置の性能が反応シャフト内での原料の反応効率、反応進行度を左右し、その結果、自溶製錬炉の能力及び採収率（メタルロス）に影響を及ぼす。自溶製錬炉における反応シャフト内での反応は、速やか、かつ、全ての原料が均一に同じ反応進行度で反応することが望ましい。また、炉内に供給されたすべての原料と反応用ガスが、反応シャフト内で反応を完了することが望ましい。この反応を、早期に完結、かつムラ無く均一に反応させるためには、原料と反応用ガスを積極的に均一に混合させることが重要である。
このような原料と反応用ガスとの混合を改善するため、原料供給装置から反応シャフト内へ供給される主送風を旋回させるものや主送風の流速をコントロールするものが提案されている（特許文献１、２）。また、反応シャフト内の反応を早期に完結させるために、シャフト内で燃料を燃焼させ原料温度を上昇させ反応を早期に完了させる方法も実施されている（特許文献３）。
しかしながら、上記のシャフト内で燃料を燃焼させる場合、燃料コストがかかるうえ、環境問題を考慮するならば、化石燃料の使用は極力避けるべきである。また、原料と反応用ガスの混合の改善を図る方法では、格段に反応状況が改善したという報告はなされていない。
そこで、本発明は、自溶製錬炉において、炉内に供給された原料と反応用ガスの混合を積極的に促進し、早期に均一な混合雰囲気を作り出すことで反応の早期完了及び反応を均一化することを目的としている。
かかる課題を解決する本発明の自溶製錬炉の操業方法は、原料を分散し、同時に反応に寄与するガス（以降、分散用ガスと記載する）をシャフト部上部のランスの先端部に設けた分散コーンから旋回流となるように吹き込み、前記分散コーンは、前記ガスが内部を通過する中空円錐台状であり、前記分散コーンの半径方向外側へ向けて、前記分散コーンの底面円の法線方向と交差するように前記ガスを吐出することを特徴とする。反応シャフト内において、旋回流を発生させることにより、原料と気体との混合が促進されて反応が早期に完了できる。また、反応の均一化を図ることができる。また上記構成により、吐出手段から吐出される分散用ガスは、分散コーンの外周部に鉛直下向きに供給される反応用主送風ガスとの相互作用により、分散コーンの軸を中心とする旋回流を形成することができる。これにより、反応シャフト内において、原料と炉内に供給される反応用の全ガスとの混合が促進されて反応が早期に完了できる。更に、反応の均一化を図ることができる。
また、上記課題を解決する原料供給装置は、原料と、前記原料を分散し且つ反応に寄与するガスを自溶製錬炉内に供給する装置であって、前記分散用ガスをシャフト部上部のランスの先端部に設けた分散コーンから旋回流となるように前記シャフト内へ吹き込み、前記分散コーンは、前記ガスが内部を通過する中空円錐台状であり、前記分散コーンの半径方向外側へ向けて、前記分散コーンの底面円の法線方向と交差するように前記ガスを吐出する吐出手段を備えたことを特徴とする。この原料供給装置によると、反応シャフト内に旋回流を発生させ、原料と気体との混合が促進されて反応が早期に完了できるとともに、反応の均一化が図られる。また、上記構成により、吐出手段から吐出される分散用ガスは、分散コーンの外周部に鉛直下向きに供給される反応用主送風ガスとの相互作用により、分散コーンの軸を中心とする旋回流を形成することができる。これにより、反応シャフト内において、原料と炉内に供給される反応用の全ガスとの混合が促進されて反応が早期に完了できる。更に、反応の均一化を図ることができる。
ここで、分散コーンの底面円の法線方向に吐出した場合を０度、接線方向に吐出した場合を９０度と定義する場合、原料供給装置において、前記吐出手段は、前記分散コーンの底面円の法線方向と５度以上８５度以下の交差角を有して前記ガスを吐出するように形成できる。このように僅かでも半径方向に角度をつけることにより、吐出される分散用ガスが、分散コーンの外周部に鉛直下向きに供給される反応用主送風ガスとの相互作用により旋回流化される。また、分散用ガスの吐出角度が分散コーンの法線方向に対して４５度以上８５度以下傾斜させた場合、効率良く旋回流を強化することができる。なお、旋回流は右回り、左回りのいずれでもよいため、分散用ガスの吐出角度を傾ける方向は右回りでも、左回りでもよい。
原料供給装置において、前記吐出手段により吐出される前記ガスの吐出方向が分散コーンの軸方向成分を含むようにすることができる。これにより、旋回流の大きさ、強度にさらに変化を付けた調整をすることができる。
また、上記の原料供給装置において、前記ランスの外側に主送風を前記分散コーンの軸方向に供給する主送風通路を備えることができる。分散コーンの外周部に鉛直下向きに供給される反応用主送風ガス自体をも、分散用ガスとの相互作用により旋回流化させることができる。また分散用ガスの吐出角度、流速等を調整することにより、反応用主送風ガスの旋回の程度を制御することができる。
また、このような原料供給装置において、前記分散用ガスの酸素濃度を２０ｖｏｌ％以上９５ｖｏｌ％以下とすることができる。旋回化される気体に酸素富化したガスを用いることで、さらに反応を改善し早期に完了させることができる。反応シャフト内でより適した温度分布を形成するためには４０〜９０ｖｏｌ％とすることが望ましい。
原料供給装置は、前記ガスの吐出流速を５０ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ以下とすることができる。吐出する気体の流速と角度を組み合わせることにより、反応シャフト内の旋回流の大きさ、強度を調整することができる。
前記吐出手段は、前記分散コーンの側面下部に前記ガスを吐出する複数の供給孔を形成したことで実現することができる。前記分散コーンは交換可能とすることができる。また、前記吐出手段は、前記分散コーンの底部に配置され、複数の供給孔が放射状に設けられたリング状のノズルとすることができる。前記ノズルは容易に交換可能である。
本発明は、炉内に供給された原料と反応用ガスの混合を積極的に促進し、早期に均一な混合雰囲気を作り出し、反応の早期完了及び均一化を実現できる。
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は自溶製錬炉の一つである銅製錬用の自溶炉１００の概略構成を示した説明図である。自溶炉１００は原料供給装置１、炉体２を備えている。原料供給装置１は原料である精鉱（銅精鉱）、反応用主送風ガス、反応用補助ガス、及び分散用ガス（反応にも寄与する）を炉体２内に供給する。炉体２は精鉱と反応用ガスとが混合する反応シャフト３、セットラ４、アップテイク５を備えている。なお、反応用主送風ガス及び反応用補助ガスは酸素富化空気であり、分散用ガスは空気または酸素富化空気である。これらの反応用ガス、および分散用ガスは、精鉱を分散し、同時に酸化させる。
図２は原料供給装置１の一部を拡大した図であって、原料、反応用ガス、分散用ガスを反応シャフト３側へ投入する投入部１０を示した説明図である。
原料供給装置１の投入部１０は、ランス１６を備え、ランス１６内には分散用ガスの通る第１通路１１、反応用補助ガスが通過する第４通路１４が形成されている。また、投入部１０は、ランス１１の外周に設けられた第２通路１２と、第２通路１２の外周に設けられた第３通路１３とを備えている。第１通路１１は分散用ガスを反応シャフト３内へ供給する。第２通路１２は精鉱を反応シャフト３内へ供給する。第３通路１３は反応用主送風ガスをエアチャンバー１７から反応シャフト３内へ供給する。また、第４通路１４は反応用補助ガスを反応シャフト３内へ供給する。
さらに、ランス１６の先端には、中空円錐台状の分散コーン１５が形成されている。分散コーン１５の側面下部１５１には第１通路１１を通過した分散用ガスを反応シャフト３内へ吐出する複数の供給孔１５２が形成されている。
図３は、図２中Ａ側から分散コーン１５を見た図である。図３に示すように、供給孔１５２は、分散コーン１５に放射状に設けられており、分散コーン１５の底面の半径方向外側へ向かって分散用ガスを吐出するように形成されている。さらに、供給孔１５２は、分散コーン１５の底面の法線方向と交差するように分散用ガスを吐出する構成となっている。分散コーン１５の底面の法線Ｂと分散用ガスの吐出方向Ｃとの交差角は５度以上８５度以下とすることができるが、精鉱と反応用ガスの混合を効率よく行うことのできる４５度以上８５度以下とすることが望ましい。特に本実施例では、分散コーン１５の底面の法線Ｂと分散用ガスの吐出方向Ｃとは６０度で交差するように形成されている。なお、図３では、説明のため１つの供給孔１５２のみから分散用ガスを吐出するように描かれているが、他の供給孔１５２からも同様に、分散用ガスの吐出方向は、分散コーン１５の底面の法線と６０度で交差する。
このような構成の供給孔１５２から反応シャフト３内へ吐出される分散用ガスは、反応シャフト３内で旋回流を形成する。この旋回流は、原料供給装置１から反応シャフト３内へ供給される原料と反応用ガスとの混合を促進する。これにより、精鉱と反応用ガスの反応を早期に完了するとともに、反応を均一化し、反応進行速度を一定にする。
また、供給孔１５２から吐出される分散用ガスの影響により、第３通路１３により反応シャフト３内へ供給される反応用主送風ガスを旋回させることもできる。このように、容易な構成で反応用主送風ガスも送風を旋回させることができる。
また、分散コーン１５から反応シャフト３内へ供給される分散用ガスは、流速５０ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ以下で吐出される。吐出する分散用ガスの流速は変更可能であり、流速を変更することにより、旋回流の大きさ、強度を調整する。さらに、反応シャフト３へ吐出する分散用ガスの酸素濃度を２０ｖｏｌ％以上９５ｖｏｌ％以下とすることができる。特に、反応シャフト３内に最適な温度分布を形成するために４０ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％以下とする。
次に、従来の原料供給装置と比較して本実施例の原料供給装置１との効果を説明する。実施例として自溶製錬炉の一つである銅製錬に用いる自溶炉への本発明の適用例を挙げる。原料組成等に依存するが、自溶炉１００の反応の効率化を考えた場合、反応シャフト３内に供給される送風ガスの総和である総送風ガスの酸素濃度は７５％程度が適当である。反応シャフト３内への総送風量を６６７Ｎｍ３／ｍｉｎとするところ、分散用ガスは、従来、酸素濃度２１％、４２Ｎｍ３／ｍｉｎのガスを反応シャフト３内へ供給していた。本実施例では、総送風量、総送風酸素濃度を同条件とする場合、酸素濃度６０％、４２Ｎｍ３／ｍｉｎのガスを反応シャフト３内へ送る。これにより、原料中の硫黄成分と酸素の結合がより容易となり燃焼が促進される。本実施例の自溶炉１００におけるマット溶錬では、硫化精鉱を２１２ｔ／Ｈｒで投入し、銅を６８％含むマットが得られ、従来例と比較してスラグ中の銅の損失を０．０５％以上低下することができる。このスラグが１日あたり２５００ｔ生成される場合、１．２５ｔもの銅の損失を減少できる。これは年間あたり２．４億円のコストダウンに相当する。また、バーナーから燃料を噴射して燃焼しないため、新たに燃料を使用せずに反応シャフト内での反応を改善でき、経済的かつ温暖化対策となる。また、反応シャフト３内で反応が完了するため、セットラ４エリアで未反応の原料が反応する後燃焼現象がなくなり、セットラ４部での熱負荷が低減されるためレンガの損耗が少なくなり、セットラ４の耐火物損傷トラブルによる生産ロスを回避でき、さらに耐火物交換等の作業負担が軽減する。
次に、汎用熱流体解析ソフトにより従来の原料供給装置と本実施例の原料供給装置１とを比較した様子を説明する。図４は、汎用熱流体解析ソフトによる反応シャフト３内の温度分布を示したシミュレーション結果の一例の説明図である。図４（ａ）は、従来の原料供給装置を用いた場合のシミュレーション結果を示し、図４（ｂ）は、本実施例の原料供給装置１を用いた場合のシミュレーション結果を示している。なお、従来の場合及び本実施例の場合も反応シャフトの構成は同一である。
図４（ａ）のように、従来の原料供給装置のように、反応シャフト３内で旋回流が形成されない条件では、反応シャフト中心部の上部から底部まで低温の領域が見られる。一方、本実施例の原料供給装置１では、低温の領域が反応シャフト３の中央部までとなっている。また、反応シャフト３内の温度分布がより平均化されている。これは、分散用ガスの旋回流が形成されることにより、反応シャフト３に供給された精鉱と反応用ガスとの混合が促進されて反応が早期に完了したためである。このシミュレーション結果は、実機においても相応の効果が得られるものと考えられる。
また、本実施例の原料供給装置１では、分散コーン１５の底面の法線と、分散用ガスの吐出方向との交差角度を変えた分散コーン１５を複数用意し、自溶製錬炉の操業条件に合わせて交換することができる。また、分散用ガスの吐出方向が分散コーン１５の軸方向成分を含む分散コーン１５を製造してもよい。このようにバリエーションに富んだ分散コーン１５へ交換可能とすることにより、自溶製錬炉の操業条件に合わせて、反応シャフト３内における旋回流を調整し、反応状態を容易に変更することができる。このような分散コーン１５の交換は操業を一時的に停止すれば３０分程度で可能であり、炉内点検時などに容易に交換することができる。また、炉内点検時などの短時間に交換可能であるため、操業計画に支障が生じることも無い。
さらに、既存の自溶製錬炉の分散コーンを本実施例の分散コーン１５へ交換することにより、本発明の効果を容易に得ることができる。実施例のような分散コーンへ変更することは、他の方法、例えば、エアチャンバー１７部分への主送風ガスの流入経路改造、エアチャンバー１７内にガイドベーン設置、あるいは主送風出口部へのガイドベーン設置などの大きな設備改造を行う場合と比較して、容易に旋回流の形成ができる。
次に、本実施例の他の構成を説明する。本実施例の原料供給装置１の構成は、実施例１の構成とほぼ同様である。但し、本実施例の原料供給装置は、リング状のノズル２６を備えた点で実施例１の原料供給装置と相違する。なお、その他の構成は実施例１と同一であるため、実施例１と同一の構成要素については、図５の図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
図５（ａ）は分散コーン２５にノズル２６を組みつけた状態を示した説明図である。図５（ｂ）はノズル２６の斜視図である。ノズル２６は半径方向外側へ向かって分散用ガスを放射状に吐出する供給孔２６２を備えている。ノズル２６の供給孔２６２は、実施例１の分散コーン１５に形成された供給孔１５２同様に、リング状のノズル２６が形成する円の法線と分散用ガスの吐出方向とが６０度で交差するように形成されている。このリング状のノズル２６が形成する円の法線と分散用ガスの吐出方向との交差角は５度以上８５度以下とすることができるが、精鉱と反応用ガスの混合を効率よく行うことのできる４５度以上８５度以下とすることが望ましい。
本実施例の原料供給装置においても実施例１の原料供給装置１同様に、反応シャフト３内に旋回流を生じさせて、原料と反応用ガスとの混合を促進し、精鉱と反応用ガスの反応を早期に完了するとともに、反応を均一化し、反応進行速度を一定にする。また、リング状のノズル２６は、分散用ガスの吐出方向、すなわち、ノズル２６が形成する円の法線と分散用ガスの吐出方向との交差角、を変えたものと交換可能である。これにより、自溶製錬炉の操業条件に合わせて反応シャフト３内に生じる旋回流の大きさ、強度を調整することができる。さらに、吐出する分散用ガスの流出速度、軸方向成分を含んだ噴射、酸素濃度を実施例１同様に変更し、バリエーションに富んだ旋回流、燃焼を反応シャフト３内に形成できる。
上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。
１ 原料供給装置
１０ 投入部
１１ 第１通路
１２ 第２通路
１３ 第３通路
１４ 第４通路
１５、２５ 分散コーン
１６ ランス
１５１ 側面下部
１５２、２６２ 供給孔
２６ ノズル
１００ 自溶炉
１０ 投入部
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２６ ノズル
１００ 自溶炉
Claims (11)
- 原料を分散し、同時に反応に寄与するガスをシャフト部上部のランスの先端部に設けた分散コーンから旋回気流となるように吹き込み、
前記分散コーンは、前記ガスが内部を通過する中空円錐台状であり、
前記分散コーンの半径方向外側へ向けて、前記分散コーンの底面円の法線方向と交差するように前記ガスを吐出することを特徴とする自溶製錬炉の操業方法。 - 原料と前記原料を分散し且つ反応に寄与するガスとを自溶製錬炉内に供給する装置であって、
前記ガスをシャフト部上部のランスの先端部に設けた分散コーンから旋回気流となるように前記シャフト内へ吹き込み、
前記分散コーンは、前記ガスが内部を通過する中空円錐台状であり、
前記分散コーンの半径方向外側へ向けて、前記分散コーンの底面円の法線方向と交差するように前記ガスを吐出する吐出手段を備えたことを特徴とする原料供給装置。 - 前記吐出手段は、前記分散コーンの底面円の法線方向と５度以上８５度以下の交差角を有して前記ガスを吐出する請求項２記載の原料供給装置。
- 前記吐出手段により吐出される前記ガスの吐出方向が分散コーンの軸方向成分を含む請求項２または３記載の原料供給装置。
- 前記ランスの外側に主送風を前記分散コーンの軸方向に供給する主送風通路を備えた請求項２乃至４のいずれか一項記載の原料供給装置。
- 前記ガスの酸素濃度を２０ｖｏｌ％以上９５ｖｏｌ％以下とした請求項２乃至５のいずれか一項記載の原料供給装置。
- 前記ガスの吐出流速を５０ｍ／ｓ以上３００ｍ／ｓ以下とした請求項２乃至６のいずれか一項記載の原料供給装置。
- 前記吐出手段は、前記分散コーンの側面下部に前記ガスを吐出する複数の供給孔を形成してなることを特徴とする請求項２記載の原料供給装置。
- 前記分散コーンは交換可能であることを特徴とする請求項８記載の原料供給装置。
- 前記吐出手段は、前記分散コーンの底部に配置され、複数の供給孔が放射状に設けられたリング状のノズルであることを特徴とする請求項２記載の原料供給装置。
- 前記リング状のノズルは交換可能であることを特徴とする請求項１０記載の原料供給装置。
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