JPH08504260A - 銅の融解方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 特殊な燃料／空気混合物の試料採取および制御機構（２６）を使用し、銅の溶融に使用するバーナー（１６）を、望ましい燃料／空気比率の運転限界内に効果的に制御することにより、好ましくない酸素および／または水素を銅の中に取り込まずに、銅を溶融する方法を開示する。

Description

【発明の詳細な説明】 銅の融解方法 発明の背景 本発明は、バーナーの運転を制御する方法に関するものであって、より詳しく は、好ましくない酸素および／または水素が銅中に取り込まれるのを防止するた めの、銅の融解に使用するバーナーの燃料／空気の比率制御に関する。 銅の融解は商業的に非常に重要な工程である。この分野で良く知られ、ここに 参考として含める、１９６５年８月１０日にA．J．Phillipsらに公布された米国 特許第３，１９９，９７７号明細書に記載されている様に、銅の陰極は工業的に 製造される銅の最も一般的な形態であり、陰極は、一般的に厚さ約１インチｘ約 ２５〜４０インチの平らな長方形であるが、それより大きい、または小さいサイ ズも製造されている。 陰極電着された銅は、陰極の表面上に存在する、またはその中に閉じ込められ た通常の不純物および不可避な少量の電解質（硫酸塩）は別にして、商業的には 純粋であるが、それらの形状および物理的特性、特に堆積した銅の粒子構造のた めに、銅陰極は一般的にそのままでは使用されない。それらの銅をより有用な形 態にするため には、陰極を融解させ、融解した金属を１種以上の半製品形態、例えばケーキ、 インゴット、ワイヤバーの様なバー、ビレットおよび棒および類似の形状に鋳造 しなければならず、そこからシート、ワイヤ、チューブおよび他の多くの、商業 的に純粋な銅から加工された商業製品が製造される。しかし、融解の際に商業的 に許容されない量の酸素および硫黄により銅が汚染されないことが重要である。 というのは、商業的な観点からは、融解した銅は実質的に損なわれており、一連 の工程を通して再処理し、新しい陰極を形成しなければならない。これは経費お よび時間のかかる作業である。 したがって、銅の融解に使用するバーナーが銅を、例えば好ましくない酸素で 汚染しないことが不可欠である。一般的に、燃料／酸素（空気）混合物は、燃料 を完全に燃焼させるには不十分な酸素を含み、生じた融解火炎が還元炎になる様 に比率を調整する。ほとんどの工業用途では、融解の際に銅中に取り込まれる酸 素が銅の０．０５重量％未満になる様に、還元条件を予め設定する。好ましくは 、溶融した銅中に取り込まれる酸素が０．０３５重量％未満、最も好ましくは０ ．０１重量％未満になる様に、還元条件を予め設定する。 上記のPhillipsら、およびLittleおよびThomasへの米国特許第４，５６３，１ ５２号明細書に記載されているバーナーは、一様な還元炎を形成して未燃焼酸素 および 銅汚染を最少に抑えるために、高度の燃料／空気混合物を与える様に特に設計さ れている。米国特許第４，５６３，１５２号明細書の開示をここに参考として含 める。 先行技術のバーナー自体は銅の融解において重要であるが、過剰の燃料または 空気は銅を汚染する火炎を生じることがあるので、燃料／空気混合物を適切に調 整することも非常に重要である。したがって、本発明の目的は、融解作業に使用 するバーナーの燃料／空気比率を調整することにより、銅および他の金属および 材料を効率的に融解させる方法を提供することである。 銅の融解に最も多く使用されている炉は、上記のPhillipsらの特許に記載され ている様に、複数のバーナーを使用する垂直高炉なので、下記の説明はこの炉に 関して行なう。 発明の概要 ここで、例えば陰極銅の融解に使用するバーナーに供給する燃料および空気（ 酸素）は、例えば燃焼した燃料の水素含有量が望ましい水素値の約±０．３体積 ％以下になる還元炎を形成するために、望ましい運転限界内の燃料／空気比率を 与える様に、効果的に制御できることが分かった。水素値は通常、使用する燃料 に応じて、約１〜３体積％に維持する。天然ガスを使用する場合、水素含有量は 約１〜２％であるのに対し、プロパンでは、 水素含有量は約０．３〜０．９％になるが、これは燃料の炭素−水素の比率によ るもので、プロパンではＨ₂よりも多くのＣＯが形成されるのに対し、（天然ガ ス）メタンでは等しい部数のＨ₂およびＣＯが形成されるためである。 おおまかに言えば、例えば高炉の周辺部で複数のバーナーを制御する手順は、 （ａ）特定の物質（例えば、水素）に対して、各バーナーにとって望ましい設 定点量（含有量）を予め決定する工程、 （ｂ）１基のバーナーの燃料／空気混合物を分析用に試料採取し、この間、他 のバーナーの燃料／空気ガス混合物は各バーナーからマニホルド中に吸引する工 程、 （ｃ）試料中の物質の量を測定する工程、 （ｄ）試料採取した量を、予め決められた望ましい量と比較する工程、 （ｅ）必要であれば、燃料および／または空気の量を変化させる工程、および （ｆ）工程（ｂ）〜（ｅ）を他のバーナーについて繰り返し、融解作業の間、 工程（ｂ）〜（ｅ）を続行する工程 からなる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の原理および開示にしたがう装置のダ イアグラムである。 図２は、複数のバーナーを備えた高炉に対する燃料／空気混合物の試料採取方 式を示す、装置のダイアグラムである。 発明の詳細な説明 垂直（高）炉は、溶融すべき銅の所望のサイズおよび形状の柱状物を支持し、 その柱状物を、重力の助けを借りて、銅が柱状物から溶融するにつれて炉中に下 方に移動させる、所望の形状および大きさを有する、一般的に垂直に配置する、 どの様な炉でもよい。したがって、例えば炉は形状が正方形、長方形または好ま しくは円形でよい。 炉は、所望のどの様な様式で、所望のどの様な材料から構築されていてもよい 。好ましくは、炉の側壁および底部は、溶接により実質的に気密の鋼製シェルに 加工し、そのシェルを酸性、中性または塩基性耐火性材料でライニングするが、 高アルミナ質耐火性材料が好ましい。 本発明を実行する際、炉中の一つの、または複数の点または区域で、一つの、 または複数の流れとして炉の中に融解流（火炎）を注入することができ、燃料お よび酸素を含むガスを一つ、または複数の工程で統合することができる。また、 統合された流れの燃焼は、統合工程の後、または統合された流れが溶融すべき銅 に接触する前の何時でも開始することができる。したがって、例えば 融解流は単一の工程で統合し、次いで複数のバーナーに送り、そこで着火してか ら炉の中に注入することができる。その様な方法は使用できるが、逆火が融解流 の中で起きる可能性があるので、好ましい方法の一つではない。同様に、融解流 を単一の工程で統合し、次いで燃焼させ、燃焼の高温生成物を炉内の複数の入り 口に送ることもできる。その様な方法は使用できるが、極めて高い温度に耐えら れる、比較的長い耐火性導管を使用する必要があるので、やはり、好ましい方法 の一つではない。融解流が複数の単位流からなり、それぞれが、炉壁上に取り付 けた独自のバーナー本体から炉の中に注入され、単位流のそれぞれが、それらの 特定のバーナー本体中で着火し、次いで炉の中に注入されるのが好ましい。最も 好ましい方法では、燃料の流れおよび酸素含有ガスの流れが別々に各バーナー本 体に送られ、各バーナーが個別に送られて来る燃料および酸素含有ガスの流れを 受け、統合する統合（混合）区域を備え、次いで一つの流れをバーナー本体中の 隣接するバーナー区域に送り、そこで一つの流れに着火し、次いで炉の中に注入 する。 バーナーは、そこから放出されるガスが直接、または一般的に接線方向で、銅 の柱状物に向けられる様に炉壁内に取り付けられるが、直接放出が、高い溶融速 度を与えることが分かっているので好ましい。好ましくは、複数のバーナーを炉 壁内に、炉の底部に隣接する炉の周辺 部の回りに互いに間隔を置いて、少なくとも一列に取り付ける。好ましくは、そ の様な列は少なくとも３基のバーナーを含む。より好ましくは、炉壁内に、複数 の列内に複数のバーナーを取り付け、各列内のバーナーを炉の周辺部に互いに間 隔を置き、各列を垂直方向で間隔を置き、最下部の列が炉の底部に隣接する様に 配置する。このバーナーの配列を、特に炉の底部で内側に傾斜している炉壁と組 み合わせるのがより好ましい。というのは、融解している銅の柱状物の底部が一 般的に先細りになった形状をとり易くなることが分かっており、この形状は円形 炉の場合は一般的に円錐形になるが、その様な形状は、そうでない場合よりも溶 融速度が高くなることも分かっているためである。 さらに、一定の条件下では、ガスからの対流熱として銅に吸収される熱の量は 、柱状物に突き当たるガスの温度によって異なり、突き当たるガスの温度が高い 程、対流熱として銅に吸収される熱の量も増加することが分かっている。好まし くは、少なくとも酸素含有ガスの流れ、およびより好ましくは燃料流も、実用上 可能な限り予熱する。その様なガスを予熱する場合、１５０〜５４０℃の温度に 予熱するのが好ましい。最も好ましい方法では、少なくとも酸素含有ガスの流れ を、炉から出る高温の煙道ガスと間接的に接触させて予熱する。 一般的に、炉は、柱状物の最上部に必要に応じて銅を 加え、溶融した銅を炉の底部にあるプールに集め、湯出し口を通して連続的に、 または間欠的に取り出す。好ましくは、プールを使用せず、炉内で銅が融解した らできるだけ早く、溶融金属を開放湯出し口から自由に流出させる。炉から出た 溶融金属は好適な方法で所望の場所に送り、さらに使用することができる。好ま しくは、金属を湯出し口から加熱した樋（launder）中に流し込み、そこから炉 に隣接した鋳造手段に直接送るか、あるいは保持炉に送り、そこから好適な鋳造 手段に送ることができる。加熱した樋および／または保持炉は、銅を融解させる 炉のバーナーの制御に使用するのと同じバーナー制御機構に接続されたバーナー を使用して加熱することができる。 本発明の実行には、どの様な燃料、特にどの様な流体または流体化した燃料で も使用できる。好ましくは、燃料は、水素および一酸化炭素を含む燃料、例えば 水性ガス発生炉ガスであるか、または燃料は炭化水素燃料（すなわち、炭素およ び水素を含む燃料）である。天然ガスが最も好ましい燃料である。本発明の実行 に好ましい燃料を使用して炉の雰囲気中に還元成分を形成する場合、これらの還 元成分は、燃料の不完全燃焼のために、実質的に水素および一酸化炭素からなる 。一般的に、水素の量は、燃料および空気の燃焼した試料を分析し、望ましい水 素量を達成するために燃料／空気比率を調節するこ とにより、制御する。しかし、使用する燃料に関係なく、本発明の方法は、所望 の物質（例えば、水素、ＣＯ、Ｏ₂、Ｎ₂、Ｈ₂Ｏ、等）の予め決められた設定点 量を約±０．３体積％内に、通常は±０．２または±０．１体積％未満に調整す る。 図１に関して、単一バーナー機構の代表的なダイアグラムを示す。無論、上記 の様に、通常は炉の周辺部の回りに複数のバーナー列があり、各バーナーは、図 １に記載するのと同じ形態の装置を使用する。 天然ガスの様な燃料を燃料供給部１０から区域調整装置１１に供給し、空気圧 に対して正の燃料圧力を維持する。区域調整装置は、それぞれ燃料ラインおよび 空気マニホルド１９と通じ、この正の圧力条件を達成する２つのチューブ１１ａ および１１ｂを有する。次いで、燃料は燃料マニホルド１２に行き、ゼロ調整装 置の通常のダイアフラム制御弁１３に供給される。弁１３は、チューブ１３ａ、 および空気ラインから弁１３中のダイアフラム上の空間に伸びてダイアフラムへ の空気圧と連絡するチューブ１３ｂを有する。チューブ１３ｂは、以下に説明す る様に制御機構２６に基づいて燃料および空気の量を調節するためのブリード弁 ２０およびそれに関連するベント２１をも有する。好ましい実施態様では、モー ター駆動のブリード弁２０を使用し、燃料／空気比率を正確に制御するが、圧力 制御に相対するこのモーター制御 は、本発明により達成される優れた運転結果を得る上で非常に重要であることが 分かった。 次いで、燃料は、バーナーに供給される燃料の量を調整するのにも役立つ、調 節可能なオリフィス１４を通して供給される。通常、調節可能なオリフィス１４ は、燃料／空気比率を正確に制御するのに必要な最終的な微調整を行なうブリー ド弁による燃料流のための純然たる手動調整である。次いで燃料は混合室１５（ 通常はバーナーの一部）に送られ、空気と混合される。 空気は空気供給部１７からちょう形弁１８を通って空気マニホルド１９へ供給 され、マニホルド弁１９ａを通ってミキサー１５に送られる。混合された燃料／ 空気流はバーナー１６に供給されて燃焼する。 燃料対空気の比率は、好ましくは混合された燃料／空気流の試料を採取し、そ れを燃焼させ、燃焼生成物を分析することにより決定される。他の試料採取およ び分析手段も使用できる。これは三方電磁弁２２を使用して行なうことができる 。試料採取および分析用の弁２２により、燃料／空気混合物は、真空ポンプ２３ を通り、混合物を理想的な条件下で燃焼する炉２４に送られる。この燃焼した混 合物は、アナライザーセル２５に送られて分析され、結果が制御機構２６に入力 される。分析に応じて、より多くの燃料が必要な場合には弁の開きを減少させる ことにより、あるいはより多くの空気が必要な場合 には弁の開きを増加させることにより、ブリード弁２０を調節する。制御機構２ ６への他の入力は、それぞれのマニホルドからの空気圧および燃料圧である。 燃料／空気混合物が分析用に試料採取されていない時、電磁弁２２は混合物を 真空ポンプ２８およびベント２９に接続された真空マニホルド２７に送る。 炉の周囲に複数のバーナーの列を有する代表的なバーナー機構には、各バーナ ーが、燃料マニホルド１２および空気マニホルド１９からバーナーへの同じ配置 を有する。各バーナーもそれに関連する三方電磁弁を有し、残りの、電磁弁から 下流の装置はバーナーの数に関係なくすべてのバーナーに使用される。したがっ て、例えばバーナーの列に対してただ１つの炉２４が使用される。複数の炉、ア ナライザーセル、等も使用できるが、これは一般的に経済的ではない。 ４基のバーナーを有する高炉を示す図２に関して、運転中、ミキサー１５ａか ら試料が採取され、弁２２ａによりライン２３ａを通って真空ポンプ２３に送ら れる。ポンプ２３から、試料は炉２４で燃焼され、セル２５で分析され、その結 果が制御機構２６に入力される。本発明の重要な特徴は、ガス混合物がミキサー １５ａから試料採取され、分析されている間、弁２２ｂ、２２ｃおよび２２ｄは 、真空ポンプ２８により、ガス混合物をそれぞれミキサー１５ｂ、１５ｃおよび １５ｄから真空マニ ホルド２７およびベント２９に送っていることである。ミキサー１５ａから採取 された試料が分析され、制御機構２６により処理されると、弁２２ａが切り換え られ、ガスがミキサー１５ａからライン２７ａを通って真空マニホルド２４へ向 けられ、弁２２ｂが切り換えられ、ガス混合物がミキサー１５ｂから試料採取さ れ、試料がライン２３ｂを通って真空および分析機構へ送られ、分析される。弁 ２２ｃおよび２２ｄは上記のままであり、それぞれのガス混合物は真空マニホル ド２７に供給される。炉の運転中、上記の手順は連続的に繰り返され、すべての バーナーが繰り返し試料採取する。 上記の試料採取および分析手順により、真空マニホルド２７を使用するために 、ガス混合物試料が常に入手可能であり、炉２４およびセル２５の近くで分析さ れるので、単位時間あたりの試料および分析の数が著しく増加する。このことは 、ミキサー１５から弁２２までの距離が無くなるので、ガス試料がミキサー１５ から試料燃焼炉２４まで移動しなければならない距離を考えると、容易に理解で きる。通常の商業的運転では、真空マニホルド２７を使用しない機構と比較して 、試料および分析の量は約２倍になる。この試料採取および分析の増加により、 燃料／空気比率を精確に制御し、したがって溶融作業の効率を向上させることが できる。 複数のバーナーの列を３列有する高炉を使用して銅陰 極を融解させる商業的な運転において、本発明の方法（モーター駆動するブリー ド弁２０を含む）を使用して燃料／空気比率を制御することにより、バーナー火 炎中の水素量が制御される（望ましい水素設定点から士０．２体積％未満の変動 に）ので、製品の品質が著しく向上した。本発明を使用しない溶融作業では、水 素の量は、望ましい濃度設定点から±０．５％変動した。 本発明の精神および範囲から逸脱することなく、ここに記載する幾つかの特徴 の多くの変形および修正が可能であることは明らかである。したがって、上記の 説明は本発明を例示するためであり、本発明を限定するものではない。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複数のバーナーの燃料／空気比率を制御する方法であって、 （ａ）特定の物質に対して、各バーナーにとって望ましい設定点量を予め決定 する工程、 （ｂ）１基のバーナーの燃料／空気混合物を分析用に試料採取し、この間、他 のバーナーの燃料／空気ガス混合物は各バーナーからマニホルド中に吸引する工 程、 （ｃ）試料中の物質の量を測定する工程、 （ｄ）試料採取した量を、予め決められた望ましい量と比較する工程、 （ｅ）必要であれば、燃料または空気の量を変化させる工程、および （ｆ）工程（ｂ）〜（ｅ）を他のバーナーについて繰り返し、融解作業の間、 工程（ｂ）〜（ｅ）を続行する工程 からなることを特徴とする方法。 ２．バーナーが、炉の周辺部にバーナーの列を有する高炉上にあることを特徴 とする、請求項１に記載の方法。 ３．炉が銅の溶融に使用されることを特徴とする、請求項２に記載の方法。 ４．測定される物質が水素であることを特徴とする、 請求項３に記載の方法。 ５．機構内を流れる燃料または空気の量を調整するために、モーター駆動され るブリード弁を使用して燃料または空気の量を変化させることを特徴とする、請 求項４に記載の方法。