JP7257594B1 - 製錬炉およびその操業方法 - Google Patents
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Abstract
製錬炉は、粉体状の精鉱を含む第１装入物が装入され、前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させる第１反応ゾーンと、前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有し、前記精鉱以外の原料が第２装入物として前記溶湯に対して装入され、前記溶湯中のマットの酸化熱または燃料の燃焼火炎によって前記第２装入物が溶融され、前記第１反応ゾーンよりも下方であって前記第１反応ゾーンよりも前記溶湯の上流側に位置する第２反応ゾーンと、を備えることを特徴とする。
Description
本発明は、製錬炉およびその操業方法に関する。
銅製錬などの製錬炉として、自溶炉（例えば、特許文献１参照）、底吹き炉（例えば、非特許文献１参照）などが用いられている。
世界の銅製錬技術情報（COM2016、Copper2016）
自溶炉は、固－気反応を利用するため、高反応速度かつ高反応効率で、炉の単位容積当たりの原料処理量が他のプロセスよりも多いという利点がある。しかしながら、自溶炉は、固－気反応を生じさせるために原料の物性や形状、サイズ、含水率等に制約があるという欠点も併せ持つ。
底吹炉のようなバススメルティングでは、固－液反応または気－液反応を利用するため、原料の形状、サイズ、含水率等の制約が少なく、また不純物濃度の高い原料を処理できる利点がある。しかしながら、バススメルティングは、スプラッシュの発生や反応速度が低いといった欠点も併せ持つ。スプラッシュとは、溶湯中へ吹き込まれたガス、及び反応により生じたガスが、溶湯内を浮上し、溶湯表面から気相へ抜ける際、ガスを覆う溶湯の泡が弾けて溶湯の飛沫が気相へ飛び散る現象、或いは、溶湯に向かって気相から吹き込まれたガスにより生成するキャビティーから溶湯飛沫が気相へ飛び散る現象のことを意味する。
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、自溶炉およびバススメルティングの両方の利点を兼ね備え、両方の欠点を補うことができる製錬炉およびその操業方法を提供することを目的としている。
本発明に係る製錬炉は、粉体状の精鉱を含む第１装入物が装入され、前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させる第１反応ゾーンと、前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有し、前記精鉱以外の原料が第２装入物として前記溶湯に対して装入され、前記溶湯中のマットの酸化熱または燃料の燃焼火炎によって前記第２装入物が溶融され、前記第１反応ゾーンよりも下方であって前記第１反応ゾーンよりも前記溶湯の上流側に位置する第２反応ゾーンと、を備えることを特徴とする。
上記製錬炉において、前記第１反応ゾーンの下に位置し、前記溶湯を保持する保持容器を有し、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記マットの品位を調整する第３反応ゾーンをさらに備えていてもよい。
上記製錬炉において、前記第３反応ゾーンは、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記マット中の不純物濃度を調整してもよい。
上記製錬炉において、前記第１装入物の含水率よりも前記第２装入物の含水率の方が高くてもよい。
上記製錬炉において、前記第２装入物の平均粒径は、５００μｍ以上であってもよい。
上記製錬炉において、前記第１装入物および前記第２装入物の総量に対する水分総量は、３ｍａｓｓ％以下であってもよい。
上記製錬炉において、前記第２反応ゾーンの前記溶湯に対してランスから前記酸素含有ガスが供給されてもよい。
上記製錬炉において、前記第２反応ゾーンに装入される前記第２装入物は、前記保持容器の抜き出し口から抜き出された前記溶湯を処理することによって得られたものであってもよい。
本発明に係る他の製錬炉は、粉体状の精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させる第１反応ゾーンと、前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有し、前記溶湯への酸素含有ガスの吹き込みによって前記溶湯に含まれるマットを酸化させることで、前記マットの品位を調整する第３反応ゾーンと、を備えることを特徴とする。
上記製錬炉において、前記第３反応ゾーンは、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記マット中の不純物濃度を調整してもよい。
本発明に係る製錬炉の操業方法は、第１反応ゾーンにおいて、粉体状の精鉱を含む第１装入物中の前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させ、前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有する第２反応ゾーンの前記溶湯に前記精鉱以外の原料を第２装入物として装入し、前記溶湯中のマットの酸化熱または燃料の燃焼火炎によって前記第２装入物を溶融して前記第１反応ゾーンの下方を通過させることを特徴とする。
上記製錬炉の操業方法において、前記第１反応ゾーンの下に位置し、前記溶湯を保持する保持容器を有する第３反応ゾーンにおいて、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記のマットの品位を調整してもよい。
上記製錬炉の操業方法において、前記第３反応ゾーンにおいて、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記マット中の不純物濃度を調整してもよい。
上記製錬炉の操業方法において、前記第１装入物の含水率よりも前記第２装入物の含水率が高くてもよい。
上記製錬炉の操業方法において、前記第２装入物の平均粒径は、５００μｍ以上であってもよい。
上記製錬炉の操業方法において、前記第１装入物および前記第２装入物の総量に対する水分総量を、３ｍａｓｓ％以下としてもよい。
上記製錬炉の操業方法において、前記第２反応ゾーンの前記溶湯に対してランスから前記酸素含有ガスを供給してもよい。
上記製錬炉の操業方法において、前記保持容器の抜き出し口から抜き出した前記溶湯を処理することによって、前記第２装入物として使用してもよい。
本発明に係る他の製錬炉の操業方法は、第１反応ゾーンにおいて、粉体状の精鉱を含む装入物中の前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させ、前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有する第３反応ゾーンにおいて、前記溶湯への酸素含有ガスの吹き込みによって前記溶湯に含まれるマットを酸化させることで、前記マットの品位を調整する、ことを特徴とする。
上記製錬炉の操業方法において、前記第３反応ゾーンにおいて、前記溶湯への酸素含有ガスの吹き込みによって前記溶湯に含まれるマットを酸化させることで、前記マット中の不純物濃度を調整してもよい。
本発明によれば、自溶炉および底吹き炉の両方の利点を兼ね備え、両方の欠点を補うことができる製錬炉およびその操業方法を提供することができる。
実施形態の説明に先立って、自溶炉と底吹炉のそれぞれについて説明する。
図１は、自溶炉２００の概略図である。図１で例示するように、自溶炉２００は、シャフト部２０１、セットリング部２０２、およびアップテイク部２０３が順に配置された構造を有する。シャフト部２０１の上部には、精鉱バーナ２０４が設けられている。
図２（ａ）および図２（ｂ）は、自溶炉２００の操業を例示する図である。まず、図２（ａ）で例示するように、銅精鉱、溶剤等の粉体固体原料が装入物として精鉱バーナ２０４からシャフト部２０１内に装入されるとともに、酸素含有ガスが精鉱バーナ２０４からシャフト部２０１内に吹き込まれる。それにより、銅精鉱が酸化反応を起こし、液滴シャワーとして落下して溶湯となる。溶湯は、図２（ｂ）で例示するように、シャフト部２０１の底部でマット２０５およびスラグ２０６に分離する。
酸素含有ガスとして、空気または酸素富化空気を用いることができる。酸素富化空気とは、自然の大気よりも高い酸素濃度を有する空気のことである。マット２０５は、抜き出し口から樋や溶湯保持容器などを介して転炉へと導入される。スラグ２０６は、抜き出し口から樋などを介して錬カン炉へと導入される。
シャフト部２０１では、乾燥済みの粉体固体原料と酸素含有ガスとが反応する固－気反応が生じる。表面積の大きい粉体固体原料と酸素含有ガスとが精鉱バーナなどを介して速やかに混合する条件で製錬炉内に供給され、粉体固体原料と酸素含有ガスが瞬時に容易に接触するため、この固－気反応では、粉体固体原料が瞬時に酸化される。また、粉体固体原料に酸素含有ガスが常に供給される。したがって、この固－気反応では、反応速度が高くかつ反応効率が高くなる。以上のことから、シャフト部２０１は、乾燥済みの粉体固体原料の大量処理に向いており、単位体積当たりの処理能力は、製錬炉の中で最高水準である。一方で、装入物を乾燥させて含水率を低下させる必要があり、また反応を生じやすいように粉体状に加工する必要があるため、装入物に制約がある。また、反応速度が高くかつ反応効率が高いことに起因して、スラグ２０６が過酸化の状態になり、銅ロス増大を引き起こすマグネタイトなどが生成されるおそれがある。また、過酸化物の凝固などに起因して炉内容積が減るおそれがあるが、凝固物を積極的に融解する機能を有しておらず、過酸化物を還元するための還元剤の添加量調整、スラグ組成の調整、またシャフト部で生成する溶湯の温度を調整する等の操作が求められる。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、底吹炉３００の概略図である。図３（ａ）は、底吹炉３００を側面から見た場合の断面図である。図３（ｂ）は、底吹炉３００の端面から見た場合の断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）で例示するように、底吹炉３００は、略円筒形状を有している。底吹炉３００の天井に、装入物を装入するための装入部３０１が設けられている。底吹炉３００では、装入物を撹拌された溶湯内に巻き込みながら酸化溶融させることによってマット３０２とスラグ３０３とが生成されている。マット３０２の上にスラグ３０３が浮いている。新たに装入部３０１から装入される装入物は、これらの溶湯に対して落下する。
底吹炉３００では、気－液反応または固－液反応が生じる。底吹炉３００では、溶湯に浮いた装入物が溶湯面下から吹き出てくる反応済みのガスによって焙焼される状態となり、装入物に含まれる不純物が溶融するまでに揮発するようになる。すなわち、不純物のガス化揮発が生じやすくなる。したがって、底吹炉３００は、不純物を多く含む鉱石を処理することに向いている。また、溶湯に原料を落下させるので、自溶炉のように乾燥粉体原料に限らず、未乾燥粉体原料や、非粉体原料の処理にも適している。溶湯に落下した原料は、ランス３０４から、溶湯、主にマット層に吹き込まれた反応用酸素ガスによる溶湯撹拌効果により、溶湯に巻き込まれて反応する形態をとる。また、マット層に直接に反応用酸素を供給することで、酸素をマットの酸化に有効に活用でき、スラグの過酸化を抑制しやすい。また、溶湯を攪拌することで主に融点の高い過酸化物で構成される粘性の高い化合物が炉内で安定しづらく、自溶炉と同一スラグ組成であっても、炉内容積の維持が容易であり、またスラグの流動性が悪くても溶湯撹拌力によって炉内から排出しやすい特徴を有する。一方で、気－液反応および固－液反応は、物質移動律速となり、反応用の酸素含有ガスと溶融物全体との接触が瞬時に行なわれるわけではない。また、未乾燥原料を処理する場合は原料中水分の乾燥も反応の律速となる。したがって、これらの反応は、自溶炉２００の固－気反応と比較すると反応速度が低く反応効率が低いため、底吹炉３００は、装入物の大量処理には向いておらず、単位体積での処理能力は自溶炉に比べて劣る。また、底吹炉３００では、溶湯内を上昇する気泡が溶湯表面へ到達した際、気泡表面を覆う溶湯の膜が破裂することでスプラッシュが生じやすく、排ガス道や廃熱回収ボイラにスプラッシュが飛散し、固着してガス道を閉塞する、あるいはボイラ水管に付着して伝熱効率を低下させる、ボイラや排ガス処理設備でダストなどの飛散物が凝集して巨大化した凝固物が設備内で落下し排出不良となり生産影響が生じることが操業上の大きな欠点である。また、底吹炉３００では、未乾燥原料を処理可能である反面、排ガス中の水分濃度が上昇することで排ガス中に含まれるＳＯ３ガスの酸露点温度が上昇し、排ガス処理設備、例えば排熱回収ボイラ、電気集塵機などで酸腐食による設備損傷が生じることも課題である。
表１に、自溶炉の利点および欠点と、バススメルティングの利点および欠点について整理する。
以下の実施形態では、自溶炉およびバススメルティングの両方の利点を兼ね備え、両方の欠点を補うことができる製錬炉について説明する。
（実施形態）
図４および図５は、実施形態に係る製錬炉１００を例示する図である。図４は、製錬炉１００の斜視図である。図５は、製錬炉１００の側面図である。図４および図５で例示するように、製錬炉１００は、第１反応ゾーン１０、第２反応ゾーン２０、第３反応ゾーン３０、セットリング部４０、排ガス出口流路部５０などを備えている。第２反応ゾーン２０、第３反応ゾーン３０、およびセットリング部４０が、この順に配置されている。セットリング部４０にマットの抜き出し口およびスラグの抜き出し口が設けられているため、第２反応ゾーン２０側が上流側で、セットリング部４０側が下流側である。第３反応ゾーン３０は、第１反応ゾーン１０の下方に位置している。排ガス出口流路部５０は、セットリング部４０の下流端の上に位置している。
図４および図５は、実施形態に係る製錬炉１００を例示する図である。図４は、製錬炉１００の斜視図である。図５は、製錬炉１００の側面図である。図４および図５で例示するように、製錬炉１００は、第１反応ゾーン１０、第２反応ゾーン２０、第３反応ゾーン３０、セットリング部４０、排ガス出口流路部５０などを備えている。第２反応ゾーン２０、第３反応ゾーン３０、およびセットリング部４０が、この順に配置されている。セットリング部４０にマットの抜き出し口およびスラグの抜き出し口が設けられているため、第２反応ゾーン２０側が上流側で、セットリング部４０側が下流側である。第３反応ゾーン３０は、第１反応ゾーン１０の下方に位置している。排ガス出口流路部５０は、セットリング部４０の下流端の上に位置している。
第１反応ゾーン１０は、図１で説明した自溶炉２００のシャフト部２０１と同様の構造を有している。したがって、第１反応ゾーン１０の天井部から装入される第１装入物は、含水率１ｍａｓｓ％以下の乾燥済み粉状固体原料、および酸素含有ガスである。乾燥済み粉状固体原料には、銅精鉱、溶剤、リサイクル原料等が含まれる。銅精鉱は、例えば、ＣｕＦｅＳ２を主成分とする。溶剤は、例えば、珪酸鉱（ＳｉＯ２）、ＳｉＯ２を含有する物質などである。リサイクル原料は、焼却された電子基板を粉砕したもの、メッキ工場などで発生する有価物を含むスラッジを乾燥させた粉状原料などである。第１装入物の平均粒径は、例えば、２０μｍ～５０μｍである。第１反応ゾーン１０では、乾燥済みの粉体固体原料と酸素含有ガスとが反応する固－気反応が生じる。例えば、第１反応ゾーン１０では、下記反応式（１）などにより銅精鉱が酸化反応を起こし、反応生成物の液滴が落下して溶湯となる。溶湯は、マット６０とスラグ７０とに分離する。なお、下記反応式（１）で、Ｃｕ２Ｓ・ＦｅＳがマット６０の主成分に相当し、ＦｅＯ・ＳｉＯ２がスラグ７０の主成分に相当する。
ＣｕＦｅＳ２＋ＳｉＯ２＋Ｏ２→Ｃｕ２Ｓ・ＦｅＳ＋２ＦｅＯ・ＳｉＯ２＋ＳＯ２ （１）
ＣｕＦｅＳ２＋ＳｉＯ２＋Ｏ２→Ｃｕ２Ｓ・ＦｅＳ＋２ＦｅＯ・ＳｉＯ２＋ＳＯ２ （１）
第１反応ゾーン１０においては、スラグ７０の過酸化が生じないように、酸素分圧を調整する。例えば、第１反応ゾーン１０で生成されるマット６０のＣｕ品位が５０ｍａｓｓ％～６０ｍａｓｓ％以内になるように、酸素分圧を調整する。
第２反応ゾーン２０は、第１反応ゾーン１０の下の第３反応ゾーン３０よりも上流側に位置し、第１反応ゾーン１０で生成された溶湯を保持する保持容器を備える。第２反応ゾーン２０の上流側に、天井部や側壁部に、装入物を装入するための装入部２１が設けられている。第２反応ゾーン２０に装入される第２装入物は、多様なサイズ、多様な形状、多様な含水率を有している。第２反応ゾーン２０に装入される装入物は、銅精鉱以外の原料であって、２次原料、マット、錬銅スラグ、製錬工程で発生する繰り返し物などである。２次原料は、貴金属、有価物、銅を含有するリサイクル原料、繰り返し物は、製錬工程で発生するダスト、中和滓などの原料である。反応性、非反応性いずれの原料も装入可能である。第２装入物のマットは、図６のスラグクリーニング炉１１０から排出されたマット６０を風砕処理した風砕マットや水砕処理した水砕マットであり、粉状、粒状、塊状等、形状は問わない。錬銅スラグは、図６の錬銅炉１２０から排出されたスラグ７０を風砕処理した風砕スラグや水砕処理した水砕スラグであり、粒状、粉状、塊状等、形状は問わない。
第２反応ゾーンへ装入される原料は、ロータリーキルンなどでは含水率１ｍａｓｓ％未満へ乾燥することが困難な、リサイクル原料、例えばメッキ工場で発生した貴金属を含有する粘土状のスラッジや、第１反応ゾーンの精鉱バーナからの装入や気流輸送系統での搬送が困難な含水率１ｍａｓｓ％を上回る未乾燥原料の装入が可能であり、複雑な乾燥工程の省略も可能となる。例えば、粘土状のスラッジは特殊な蒸気型パドル式ドライヤ等での乾燥が必要となるが、大規模な設備が必要な割に乾燥設備としては非効率であり、乾燥させた場合は発塵などが課題である。
多種多様なリサイクル原料の処理を進めていく中、第１反応ゾーンの精鉱バーナから原料を挿入する場合は、含水率１ｍａｓｓ％以下、粒子径は１５０μｍ以下とするために、それら夫々の原料に適した乾燥工程、破砕粉砕工程が必要となり、大規模な投資が必要となる。またリサイクル原料は集荷ロットごとに物性が異なり、今後、多様な原料処理をすすめるにあたり、前処理に要するコストが大きくなる傾向である。
一方で、本実施形態による第２反応ゾーンでは、ベルトコンベアやチェーンコンベアなどで搬送可能な原料であれば装入可能であり、乾燥、粉砕等の複雑な前処理が不要である。粒状原料の平均径は、特に制約が存在しないが、炉内での溶融時間を考慮すると、５００μｍ以上のサイズの原料処理が可能である。または、１ｍｍから２０ｍｍサイズの原料処理が可能である。塊状原料の場合も、特に制約は存在せずハンドリング設備の能力次第であるが、２０ｍｍから５０ｍｍの原料処理も可能である。
第２反応ゾーン２０で保持されている溶湯のマット６０に対して横吹きランス２２から酸素含有ガスが吹き込まれる。マット６０の酸化熱によって、第２反応ゾーン２０の系内の温度が上昇し、第２反応ゾーン２０への第２装入物が溶融する。または、天井や側壁部に設けた火炎直進性の高い燃料バーナ、酸素富化バーナ、炭化水素、硫黄などを燃料とするバーナ等を用いて、溶湯上に浮いている第２装入物に直接的に熱を与えることによって、装入物を溶融させてもよい。例えば、図５で例示するように、第２反応ゾーン２０の天井から内部に火炎を放出する天井バーナ２３、第２反応ゾーン２０の側面から内部に火炎を放出する側面バーナ２４などが設けられていてもよい。このように、第２反応ゾーン２０では、固－液－気反応、物質の溶融が生じる。第２反応ゾーン２０のマット６０およびスラグ７０は、第１反応ゾーン１０の下方を通過してセットリング部４０へと移動する。第２反応ゾーン２０でマット６０へ酸素含有ガスを吹き込むことで、マット６０中に含まれるＡｓ，Ｓｂ，Ｎｉなどの元素を酸化してスラグ７０中へ移行させることも可能となり、マット６０中の不純物調整も可能となる。
第３反応ゾーン３０は、第１反応ゾーン１０下に位置し、第１反応ゾーン１０で生成された溶湯を保持する保持容器を備える。第３反応ゾーン３０では、気－液反応が生じる。例えば、第３反応ゾーン３０で保持されている溶湯のマット６０に対して横吹きランス３１から酸素含有ガスが吹き込まれ、マット６０が酸化する。第３反応ゾーン３０では、マット６０のＣｕ品位が６０ｍａｓｓ％～７０ｍａｓｓ％以内になるように、マット６０を酸化する。第３反応ゾーン３０でマット６０へ酸素含有ガスを吹き込むことで、マット６０中に含まれるＡｓ，Ｓｂ，Ｎｉなどの元素を酸化してスラグ７０中へ移行させることも可能となり、マット６０中の不純物調整も可能となる。
本実施形態に係る構成によれば、第１反応ゾーン１０において、高反応速度かつ高反応効率で粉体固体原料を大量に処理することができる。制約の少ない装入物は、第２反応ゾーン２０に装入される。例えば、第１反応ゾーン１０に装入する装入物よりも含水率の高い装入物や、非粉体の装入物を第２反応ゾーンに装入することができる。第２反応ゾーン２０では、溶湯上に浮いている装入物が焙焼され、不純物が揮発除去される。また、第２反応ゾーン２０が第１反応ゾーン１０下の第３反応ゾーン３０よりも上流側に位置することから、第２反応ゾーン２０でスプラッシュが発生しても、第１反応ゾーン１０で発生する生成物の溶融液滴シャワーによってスプラッシュを捕捉することができる。以上のことから、第１反応ゾーン１０および第２反応ゾーン２０を備えることによって、自溶炉の利点である「反応速度、効率が高い」、「単一炉で大量処理が可能」、およびバススメルティングの利点である「不純物除去能力が高い」、「装入物の制約が少ない」の両方の利点を兼ね備えることができるとともに、自溶炉の欠点である「装入物の制約が多い」およびバススメルティングの欠点である「スプラッシュ発生」および「反応速度が低い」を補うことができる。
さらに、第２反応ゾーン２０において、溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによるマット酸化を行なう場合には、第１反応ゾーン１０では、製錬炉１００全体で求められているマット品位まで銅精鉱を酸化させなくてもよい。それにより、第１反応ゾーン１０において、スラグ７０の過酸化を抑制することができる。第２反応ゾーン２０では、マット６０に酸素を供給するバススメルティングが行われるため、スラグ７０の過酸化を抑制することができる。また、第２反応ゾーン２０に装入される第２装入物は、マット６０の酸化反応熱により溶融される。第２反応ゾーン２０にてマット６０の酸化の程度を調整することで系内の溶湯の温度を調整することもでき、溶湯の流動性を理想的な状態とできる。また系内の温度を調整することで炉壁、炉底の凝固物を溶融し、炉内の溶湯保持量の減少を回避することができる。また、第２反応ゾーンでマットへ吹き込む酸素含有ガスの流速を調整することで、溶湯撹拌状況を変化させ、炉底の凝固物の溶融が可能となる。また、マット層へ酸素含有ガスを吹き込むことで、マット中に含まれるＮｉ，Ａｓ，Ｓｂなどの元素を酸化してスラグ中へ移行させることも可能となり、マット中の不純物調整も可能となる。
また、第３反応ゾーン３０においても制約の少ない装入物を処理することができる。さらに、第１反応ゾーン１０下に位置する第３反応ゾーン３０でもマット６０をさらに酸化させることができることから、第１反応ゾーン１０では、製錬炉１００全体で求められているマット品位まで銅精鉱を酸化させなくてもよい。それにより、第１反応ゾーン１０において、スラグ７０の過酸化を抑制することができる。第３反応ゾーン３０では、マット６０に酸素を供給するバススメルティングが行われるため、スラグ７０の過酸化を抑制することができる。また、第３反応ゾーン３０は第１反応ゾーン１０の下に位置するため、第３反応ゾーン３０でスプラッシュが発生しても、第１反応ゾーン１０で発生する溶融液滴シャワーによって捕捉することができる。第３反応ゾーン３０でマット６０の酸化の程度を調整することで、系内の温度を調整することも可能である。また、マット６０へ酸素含有ガスを吹き込むことで、マット６０中に含まれるＮｉ、Ａｓ，Ｓｂなどの元素を酸化してスラグ７０中へ移行させることも可能となり、マット６０中の不純物調整も可能となる。以上のことから、第１反応ゾーン１０および第３反応ゾーン３０を備えることによって、自溶炉の利点である「反応速度、効率が高い」、「単一炉で大量処理が可能」、およびバススメルティングの利点である「不純物除去能力が高い」、「装入物の制約が少ない」、「溶錬スラグの過酸化抑制」の両方の利点を兼ね備えることができるとともに、自溶炉の欠点である「装入物の制約が多い」、「スラグ過酸化」、「過酸化物の凝固」およびバススメルティングの欠点である「スプラッシュ発生」および「反応速度が低い」を補うことができる。
なお、第１反応ゾーン１０および第２反応ゾーン２０に装入する原料の水分総量を、例えば原料総重量に対して３ｍａｓｓ％以下に調整することで、製錬炉の熱バランスを維持しつつ、排ガス処理設備での酸腐食などを防止することが可能である。例として、第１反応ゾーン１０および第２反応ゾーン２０への原料装入量２３３ｔ／ｈ（Ｓ／Ｃｕ＝１．１８、水分総量３．０％）、酸素含有ガス量７４７Ｎｍ３／ｍｉｎ、排ガス処理設備で取り込む外気（３４℃、湿度７５％）も含めた全排ガス量１，３６７Ｎｍ３／ｍｉｎ、全排ガス中のＳＯ３濃度１．２％の操業条件では、排ガス中の水分濃度が１２．４％、酸露点温度が２００℃となり、排ガス温度をそれ以上で運転することで、排ガス処理系統での酸生成によるトラブルを回避することができる。例えば、この操業条件では、第１反応ゾーン１０から装入する原料を２０１ｔ／ｈ、水分量０．５％とすれば、第２反応ゾーンから装入する残りの原料中水分量を１８．６％まで許容できる。また、装入する原料の水分総量をコントロールすることで、排ガス中水分の過剰な増加による設備内でのダスト凝集を抑制できる。また水分総量に応じて、炉内の熱バランスを維持するために、第１反応ゾーン１０および第２反応ゾーン２０へコークスや固体硫黄、液体硫黄などの補助燃料を供給することができる。原料構成によっては、原料総重量に対して３ｍａｓｓ％以上となってもかまわない。
製錬炉１００における全反応系を、固－気反応ゾーン（第１反応ゾーン１０）および気－液－固反応ゾーン（第２反応ゾーン２０および第３反応ゾーン３０）の２系に分け、熱バランスを検討した。この検討では、製錬炉への装入物の合計装入速度は２３６Ｄｒｙｔ／ｈ、装入物中の銅精鉱の比率は７３．１重量％とし、装入物の平均品位は、Ｃｕ：２０．９ｍａｓｓ％、Ｆｅ：２３．９ｍａｓｓ％、Ｓ：２４．４ｍａｓｓ％、ＳｉＯ２：１８．５ｍａｓｓ％、うち銅精鉱の平均品位は、Ｃｕ：２５．４ｍａｓｓ％、Ｆｅ：２６．３ｍａｓｓ％、Ｓ：３２．７ｍａｓｓ％、ＳｉＯ２：７．９ｍａｓｓ％の原料と、ＳｉＯ２品位９０．０ｍａｓｓ％の溶剤を使用する条件とした。その他原料はリサイクル原料や製錬所内で発生するダスト、中和物などである。
固-気反応ゾーンでは、生成スラグの酸素ポテンシャルを低く維持するため、生成マットＣｕ品位を５７ｍａｓｓ％に設定し、銅精鉱全量と必要溶剤量の約９０％を、総送風酸素濃度８２体積％のガスと反応させる条件で系の熱バランスをとった。この系では、生成するスラグ組成重量比（Ｆｅ＋Ｚｎ）／ＳｉＯ２＝０．９８、Ｆｅ３Ｏ４＝６ｍａｓｓ％、反応系温度を１２３０℃とした。なお、必要溶剤量とは、固－気反応ゾーン、気－液－固反応ゾーンの２つの系を経て、最終的に生成するスラグの組成を重量比（Ｆｅ＋Ｚｎ）／ＳｉＯ２＝１．１５とするために必要な溶剤量として算出した。各反応ゾーンの酸素反応効率は１００％とした。
必要溶剤量の１００％を固－気反応ゾーンに投入することがプロセスとしてはシンプルであるが、ベースとした物量条件で固－気反応ゾーンの炉体からの放散熱を入熱量の２０％を目安とするため、一例として固－気反応ゾーンへの溶剤投入量を全量の約９０％とし、残りの１０％は、気－液－固反応ゾーンへ投入する条件とした。固－気反応ゾーンの放散熱比率を２０％程度に維持すれば、固－気反応エリアにて連続的に反応を進行させながら炉体冷却による炉体維持が可能であるため、ここでは２０％を目安とした。なお、炉体保護の観点から放散熱比率を低下させる必要がある場合は、送風酸素濃度を低下させる、或いは冷材量を増やす等の対応で調整が可能である。気－液－固反応ゾーンでは、上記生成マットとスラグを溶融状態でインプットし、また固体状態で２次原料、錬銅スラグ、スラグクリーニング炉出マット、溶剤（残り）をインプットした。横吹き酸素によりマットＣｕ品位を上昇させ、その際に生じる高温の撹拌場で２次原料等を溶融し、最終的にＣｕ６５ｍａｓｓ％のマット、重量比（Ｆｅ＋Ｚｎ）／ＳｉＯ２＝１．１５のスラグを生成する条件で、系の熱バランスをとった。
表２は、全反応系の熱収支バランスを示す。表３は、固－気反応ゾーン（第１反応ゾーン１０）の熱収支バランスを示す。表４は、気－液－固反応ゾーン（第２反応ゾーン２０および第３反応ゾーン３０）の熱収支バランスを示す。なお、表４の「Feed material enthalpy」は、表３の「Product enthalpy」と「Off gas enthalpy」の合計である。
以上の計算結果から、反応系全体、及び各反応ゾーンにおいて反応を生じさせ、溶湯を保持しながら炉体を冷却維持できる放散熱比率の範囲に収まっていることから、第１反応ゾーン１０、第２反応ゾーン２０、および第３反応ゾーン３０を備える製錬炉１００において、連続的に反応を進行させるのに必要な熱量を確保することができることがわかる。なお、気－液－固反応ゾーンの２次原料溶融機能を高めることで、原料中のリサイクル原料（２次原料）比率を上げることも可能である。例えば、気－液－固反応ゾーンに過剰の２次原料を投入する場合、溶融に必要な熱量を気－液－固反応ゾーンへ、炭化水素、硫黄などを燃料とするバーナ等で熱補填することで、炉内の熱バランスを維持し、銅精鉱に対する２次原料の比率を高めつつ、高い不純物除去能力を有するプロセスとなる。
上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
１０ 第１反応ゾーン
２０ 第２反応ゾーン
２１ 装入部
２２ 横吹きランス
３０ 第３反応ゾーン
３１ 横吹きランス
１００ 製錬炉
２０ 第２反応ゾーン
２１ 装入部
２２ 横吹きランス
３０ 第３反応ゾーン
３１ 横吹きランス
１００ 製錬炉
Claims (20)
- 粉体状の精鉱を含む第１装入物が装入され、前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させる第１反応ゾーンと、
前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有し、前記精鉱以外の原料が第２装入物として前記溶湯に対して装入され、前記溶湯中のマットの酸化熱または燃料の燃焼火炎によって前記第２装入物が溶融され、前記第１反応ゾーンよりも下方であって前記第１反応ゾーンよりも前記溶湯の上流側に位置する第２反応ゾーンと、を備え、
前記第１装入物の含水率よりも前記第２装入物の含水率の方が高いことを特徴とする製錬炉。 - 粉体状の精鉱を含む第１装入物が装入され、前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させる第１反応ゾーンと、
前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有し、前記精鉱以外の原料が第２装入物として前記溶湯に対して装入され、前記溶湯中のマットの酸化熱または燃料の燃焼火炎によって前記第２装入物が溶融され、前記第１反応ゾーンよりも下方であって前記第１反応ゾーンよりも前記溶湯の上流側に位置する第２反応ゾーンと、を備え、
前記第２装入物の平均粒径は、５００μｍ以上であることを特徴とする製錬炉。 - 粉体状の精鉱を含む第１装入物が装入され、前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させる第１反応ゾーンと、
前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有し、前記精鉱以外の原料が第２装入物として前記溶湯に対して装入され、前記溶湯中のマットの酸化熱または燃料の燃焼火炎によって前記第２装入物が溶融され、前記第１反応ゾーンよりも下方であって前記第１反応ゾーンよりも前記溶湯の上流側に位置する第２反応ゾーンと、を備え、
前記溶湯中の前記マットおよびスラグの両方とも、前記第２反応ゾーン側から前記第１反応ゾーンの下方を経由して下流側から排出されることを特徴とする製錬炉。 - 前記第１反応ゾーンの下に位置し、前記溶湯を保持する保持容器を有し、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記マットの品位を調整する第３反応ゾーンをさらに備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の製錬炉。
- 前記第３反応ゾーンは、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記マット中の不純物濃度を調整することを特徴とする請求項４に記載の製錬炉。
- 前記第１装入物および前記第２装入物の総量に対する水分総量は、３ｍａｓｓ％以下であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の製錬炉。
- 前記第２反応ゾーンの前記溶湯に対してランスから前記酸素含有ガスが供給されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の製錬炉。
- 前記第２反応ゾーンに装入される前記第２装入物は、前記保持容器の抜き出し口から抜き出された前記溶湯を処理することによって得られたものを含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の製錬炉。
- 粉体状の精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させる第１反応ゾーンと、
前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有し、前記第１反応ゾーンの直下に備わる吹込み口からの前記溶湯への酸素含有ガスの吹き込みによって前記溶湯に含まれるマットを酸化させることで、前記マットの品位を調整する第３反応ゾーンと、を備えることを特徴とする製錬炉。 - 前記第３反応ゾーンは、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記マット中の不純物濃度を調整することを特徴とする請求項９に記載の製錬炉。
- 第１反応ゾーンにおいて、粉体状の精鉱を含む第１装入物中の前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させ、
前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有する第２反応ゾーンの前記溶湯に前記精鉱以外の原料を第２装入物として装入し、前記溶湯中のマットの酸化熱または燃料の燃焼火炎によって前記第２装入物を溶融して前記第１反応ゾーンの下方を通過させ、
前記第１装入物の含水率よりも前記第２装入物の含水率が高いことを特徴とする製錬炉の操業方法。 - 第１反応ゾーンにおいて、粉体状の精鉱を含む第１装入物中の前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させ、
前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有する第２反応ゾーンの前記溶湯に前記精鉱以外の原料を第２装入物として装入し、前記溶湯中のマットの酸化熱または燃料の燃焼火炎によって前記第２装入物を溶融して前記第１反応ゾーンの下方を通過させ、
前記第２装入物の平均粒径は、５００μｍ以上であることを特徴とする製錬炉の操業方法。 - 第１反応ゾーンにおいて、粉体状の精鉱を含む第１装入物中の前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させ、
前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有する第２反応ゾーンの前記溶湯に前記精鉱以外の原料を第２装入物として装入し、前記溶湯中のマットの酸化熱または燃料の燃焼火炎によって前記第２装入物を溶融して前記第１反応ゾーンの下方を通過させ、
前記溶湯中の前記マットおよびスラグの両方とも、前記第２反応ゾーン側から前記第１反応ゾーンの下方を経由して下流側から排出させることを特徴とする製錬炉の操業方法。 - 前記第１反応ゾーンの下に位置し、前記溶湯を保持する保持容器を有する第３反応ゾーンにおいて、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記マットの品位を調整することを特徴とする請求項１１から請求項１３のいずれか一項に記載の製錬炉の操業方法。
- 前記第３反応ゾーンにおいて、前記溶湯中のマットへの酸素含有ガスの吹き込みによる前記マットの酸化によって前記マット中の不純物濃度を調整することを特徴とする請求項１４に記載の製錬炉の操業方法。
- 前記第１装入物および前記第２装入物の総量に対する水分総量を、３ｍａｓｓ％以下とすることを特徴とする請求項１１から請求項１５のいずれか一項に記載の製錬炉の操業方法。
- 前記第２反応ゾーンの前記溶湯に対してランスから前記酸素含有ガスを供給することを特徴とする請求項１１から請求項１６のいずれか一項に記載の製錬炉の操業方法。
- 前記保持容器の抜き出し口から抜き出した前記溶湯を処理することによって、前記第２装入物として使用することを特徴とする請求項１１から請求項１７のいずれか一項に記載の製錬炉の操業方法。
- 第１反応ゾーンにおいて、粉体状の精鉱を含む装入物中の前記精鉱を酸素含有ガスによって酸化させて液滴の状態で下方に落下させ、
前記液滴の落下によって得られる溶湯を保持する保持容器を有する第３反応ゾーンにおいて、前記第１反応ゾーンの直下に備わる吹込み口からの前記溶湯への酸素含有ガスの吹き込みによって前記溶湯に含まれるマットを酸化させることで、前記マットの品位を調整する、ことを特徴とする製錬炉の操業方法。 - 前記第３反応ゾーンにおいて、前記溶湯への酸素含有ガスの吹き込みによって前記溶湯に含まれるマットを酸化させることで、前記マット中の不純物濃度を調整することを特徴とする請求項１９に記載の製錬炉の操業方法。
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