JPWO2019139078A1 - 原料供給装置、自溶炉及び自溶炉の操業方法 - Google Patents

Abstract

原料供給装置は、自溶炉内に原料を供給するとともに、少なくとも前記自溶炉内に前記原料の反応に寄与する反応用ガスを供給する原料供給装置であって、ランスの外側に設けられ、前記原料を前記自溶炉内に供給する原料流路と、前記原料流路の外側に設けられ、前記反応用ガスを前記自溶炉内に供給するガス流路と、前記ガス流路内に突出させて配置された可動ベーンと、を備える。

Description

本発明は、原料供給装置、自溶炉及び自溶炉の操業方法に関する。

自溶炉とは、銅、ニッケル等の非鉄金属の製錬、及び、マット処理製錬に用いられる製錬炉であり、反射炉型のセットラの上にシャフトを設け、その頂部から原料と反応に供するガスを吹き込むことで原料の酸化熱を利用し、瞬時に酸化溶融を行う炉である。自溶炉において、原料と反応用ガスを炉内へ供給する装置は、自溶炉の性能を決定付ける重要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、自溶炉の処理能力及びメタル採収率に影響を及ぼす。自溶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進行することが望ましい。このため、原料と反応用ガスとは、均一に混合されることが望ましい。

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が知られている（特許文献１）。また、管状の精鉱シュートの内側に燃料バーナーを取り囲んで酸素吹込管を設け、その開口部に案内羽根を設けて旋回流を供給することが知られている（特許文献２）。

特表２０１０-５３８１６２号公報 特開昭６０−２４８８３２号公報

ところで、原料供給装置の直下の領域は、主送風によって、温度が低く、精鉱反応が進みにくい領域となっている。特許文献１や特許文献２は、このような原料供給装置の直下の領域に積極的に旋回流を発生させるものとはなっておらず、改良の余地があった。

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、反応を均一化することを目的としている。

本発明の原料供給装置は、自溶炉内に原料を供給するとともに、少なくとも前記自溶炉内に前記原料の反応に寄与する反応用ガスを供給する原料供給装置であって、ランスの外側に設けられ、前記原料を前記自溶炉内に供給する原料流路と、前記原料流路の外側に設けられ、前記反応用ガスを前記自溶炉内に供給するガス流路と、前記ガス流路内に突出させて配置された可動ベーンと、を備える。

この場合において、前記可動ベーンは、前記ガス流路を通過する単位時間当たりのガス流量に応じて姿勢を変化させるようにしてもよい。また、前記可動ベーンは、前記ガス流路を通過する単位時間当たりのガス流量が多くなるほど、前記ガス流路の軸線方向に沿う方向に対する角度が大きく設定されるようにしてもよい。さらに、前記可動ベーンは、前記原料流路を通じて前記自溶炉内へ供給される原料の状態に応じて姿勢を変化させるようにしてもよい。

前記ガス流路は、外側流路と、内側流路とを備え、前記可動ベーンは、少なくとも、前記外側流路と前記内側流路の一方に配置された構成とすることもできる。

さらに、本発明の他の原料供給装置は、自溶炉内に原料を供給するとともに、少なくとも前記自溶炉内に前記原料の反応に寄与する反応用ガスを供給する原料供給装置であって、ランスの外側に設けられ、前記原料を前記自溶炉内に供給する原料流路と、漏斗状のエアチャンバーの下流側に連設され筒状部によって前記原料流路の外側に設けられ、前記反応用ガスを前記自溶炉内に供給するガス流路と、前記ガス流路内に突出させて配置されたベーンと、を備える。この場合において、前記ベーンは、可動ベーンとしてもよい。

本発明の自溶炉は、本発明の原料供給装置を備えている。

本明細書の自溶炉の操業方法は、自溶炉内に原料を供給するとともに、少なくとも前記自溶炉内に前記原料の反応に寄与する反応用ガスを供給する自溶炉の操業方法であって、ランスの外側に設けられた原料流路を通じて前記自溶炉内に前記原料を供給しつつ、前記原料流路の外側に設けられたガス流路を通じて前記反応用ガスを前記自溶炉に供給する工程を有し、前記反応用ガスを前記自溶炉に供給するときに、前記ガス流路に突出させて配置された可動ベーンの姿勢を調整する。

本発明の原料供給装置及び自溶炉は、原料の物性、反応用ガスの流量に応じて、適切な旋回流を形成するように可動ベーンの姿勢を調整することで、自溶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、反応を均一化することができる。

図１は実施形態に係る銅製錬用の自溶炉の構成を概略的に示す図である。 図２は第１実施形態の原料供給装置の一部を拡大した図である。 図３は漏斗状部及び筒状部の断面図である。 図４は可動ベーンのガス流路の軸線方向に沿う方向に対する角度を示す説明図である。 図５は可動ベーンの駆動部を示す説明図である。 図６（Ａ−１）及び図６（Ａ−２）は可動ベーンのガス流路の軸線方向に沿う方向に対する角度を０°とした状態を模式的に示す説明図であり、図６（Ａ−１）は斜視図、図６（Ａ−２）は原料供給装置の上方から観た図である。図６（Ｂ−１）及び図６（Ｂ−２）は可動ベーンのガス流路の軸線方向に沿う方向に対する角度を４５°とした状態を模式的に示す説明図であり、図６（Ｂ−１）は斜視図、図６（Ｂ−２）は原料供給装置の上方から観た図である。図６（Ｃ−１）及び図６（Ｃ−２）は可動ベーンのガス流路の軸線方向に沿う方向に対する角度を６０°とした状態を模式的に示す説明図であり、図６（Ｃ−１）は斜視図、図６（Ｃ−２）は原料供給装置の上方から観た図である。 図７（Ａ）は反応用ガスが少ない状態における旋回流及び反応フレームの様子を模式的に示す説明図であり、図７（Ｂ）は反応用ガスが多い状態における旋回流及び反応フレームの様子を模式的に示す説明図である。 図８（Ａ）は第２実施形態において内側流路に可変ベーンを設けた状態を示す説明図であり、図８（Ｂ）は第２実施形態において外側流路に可変ベーンを設けた状態を示す説明図である。 図９は内側流路に設けられた可変ベーンの駆動部を示す説明図である。

以下、実施形態に係る自溶炉について、図１〜図９に基づいて、詳細に説明する。図１は、実施形態に係る銅製錬用の自溶炉１００の構成を概略的に示す図である。

（第１実施形態）
図１に示すように、自溶炉１００は、原料供給装置１と、炉体２と、を備える。原料供給装置１は、精鉱バーナーとも呼ばれ、原料である精鉱（銅精鉱（ＣｕＦｅＳ₂など））、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、反応シャフト３の底部でマット及びスラグに分離する。なお、銅精鉱中の硫黄濃度は、２０ｍａｓｓ％〜４０ｍａｓｓ％である。本明細書において、Ｓ濃度が高いとは、３４ｍａｓｓ％〜４０ｍａｓｓ％の範囲であり、Ｓ濃度が低いとは、２０ｍａｓｓ％〜２５ｍａｓｓ％の範囲である。

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、反応用ガスの一部としての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。第４通路１４は、ランス１６の中心部分に設けられており、第１通路１１は、第４通路１４の周囲に設けられている。また、投入部１０は、ランス１６の外側、より具体的にランス１６の外周に設けられた原料流路としての第２通路１２を備えている。投入部１０は、さらに、第２通路１２の外側、より具体的に第２通路１２の外周に設けられ、反応用ガスの一部としての反応用主送風ガスが通過する第３通路１３と備えている。第３通路１３は、ガス流路に相当する。第３通路１３は、内側をエアチャンバー１７１とした漏斗状部１７ａの下流側に連設された筒状部１７ｂによって第２流路１２の外側に設けられている。第３通路１３は、その上方に設けられたエアチャンバー１７１と通じている。第２通路１２と、第３通路１３は、円筒状の仕切り壁２１により、仕切られた状態となっている。

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。

ランス１６の先端部（下端部）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。供給孔１５２は、ガスの吐出方向が分散コーン１５の底面円の法線方向となるように設けられている。

原料供給装置１は、第３通路１３内に突出させて配置された可動ベーン２２を備える。図３を参照すると、可動ベーン２２は、筒状部１７ｂの内周壁面１７ｂ１に設置されている。図４を参照すると、可変ベーン２２は、第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度θを変化させることができるように、軸部材２３を介して筒状部１７ｂの内周壁面１７ｂ１に取り付けられている。図５を参照すると、一端側に可動ベーン２２が設けられた軸部材２３は、筒状部１７ｂを貫通しており、他端側に歯車２４ｃが設けられている。この歯車２４ｃは、可動ベーン２２の駆動部２４に含まれる。駆動部２４は、モータ２４ａと、モータ軸に装着された歯車２４ｂを備える。歯車２４ｂは、歯車２４ｃと噛み合うことで、軸部材２３を回転させ、可動ベーン２２の姿勢を変化させる。なお、本実施形態の可動ベーン２２は、湾曲形状を有する。そのため、角度θは、凸側面２２ａにおける接線と軸線ＡＸと平行であり、軸部材２３を通過する線分とがなす角となる。

ここで、可動ベーン２２の寸法の一例について説明する。本実施形態における筒状部１７ｂの長さＬは、概ね６５０ｍｍ程度であり、その内径は概ね６９０ｍｍである。可動ベーン２２は、このような寸法の筒状部１７ｂの湾曲した内周壁面１７ｂ１に接触しないように姿勢を変化させることを考慮して、その長さは、概ね１００ｍｍ以下に設定されている。また、可動ベーン２２の幅Ｗは、筒状部１７ｂの内周壁面１７ｂ１と仕切り壁２１との間隔の概ね５０％以上９０％未満となるように設定されている。内周壁面１７ｂ１と仕切り壁２１との間隔の概ね５０％以上とするのは、第３通路１３を通過する反応用ガスに適切に旋回成分を付与するためである。一方、内周壁面１７ｂ１と仕切り壁２１との間隔の概ね９０％未満とするのは、可動ベーン２２の姿勢を変化させるときに、可動ベーン２２を内周壁面１７ｂ１や仕切り壁２１に接触させないためである。

可動ベーン２２は、複数設けられている。本実施形態では、１０個設けられているが、その数は、これに限定されるものではなく、適宜変更することができる。

可動ベーン２２は、筒状部１７ｂの内周壁面１７ｂ１に装着されているが、筒状部１７ｂの下端縁１７ｂ２に近すぎると操業中の鋳付き付着にその動作に影響が生じることが考えられる。そのため、下端縁１７ｂ２からある程度の距離離れた位置に設置されている。その一方で、下端縁１７ｂ２から離れすぎると、反応用ガスの旋回流が消失することが考えられる。そこで、可動ベーン２２は、概ね６５０ｍｍ程度の長さの筒状部１７ｂに対し、その下端縁１７ｂ２から１００ｍｍ以上３００ｍｍ未満の位置に軸部材２３が位置するように設置することが望ましい。

なお、本実施形態の複数の可動ベーン２２は、筒状部１７ｂの下端縁１７ｂ２からの距離が同一となるように設けられているが、下端縁１７ｂ２からの距離を変えて複数の可動ベーン２２を設置するようにしてもよい。例えば、下端縁１７ｂ２からの距離が異なるように可動ベーン２２を複数段設置するようにしてもよい。

次に、図６及び図７を参照しつつ、可動ベーン２２の動作について説明する。可動ベーン２２は、第３通路１３を通過する単位時間当たりのガス流量に応じて姿勢を変化させる。より具体的に、可動ベーン２２は、第３通路１３を通過する単位時間当たりのガス流量が多くなるほど、第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度が大きく設定される。

すなわち、本実施形態の自溶炉１００の操業方法は、ランス１６の外側に設けられた第２通路１２を通じて自溶炉１００内に原料を供給しつつ、第２通路１２の外側に設けられた第３通路１３を通じて反応用ガスを自溶炉１００に供給する工程を有する。また、反応用ガスを自溶炉１００に供給するときに、第３通路１３に突出させて配置された可動ベーン２２の姿勢を調整する工程を有する。

図６（Ａ−１）及び図６（Ａ−２）を参照すると、可動ベーン２２の第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度θが０°に調整された状態が示されている。これは、第３通路１３を通過する単位時間当たりのガス流量が比較的少ない状態における操業形態である。例えば、低負荷操業であったり、低Ｓ濃度原料を用いたりする場合である。第３通路１３を通過する単位時間当たりのガス流量は、操業条件に応じて変更されるが、単位時間当たりのガス流量が少ない場合には、反応用ガスを旋回させることなく、原料と反応用ガスの混合状態を実現することができる。このような場合には、可動ベーン２２の第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度θを０°とする。反応用ガスに旋回成分が付与されないと、図１０（Ａ）に示すように反応用ガスの旋回流ｆ１、反応フレームｆ２が広がることがない。

図６（Ｂ−１）及び図６（Ｂ−２）を参照すると、可動ベーン２２の第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度θが４５°に調整された状態が示されている。これは、第３通路１３を通過する単位時間当たりのガス流量が図６（Ａ−１）及び図６（Ａ−２）に示す状態よりも多い状態における操業形態である。例えば、高負荷操業であったり、高Ｓ濃度原料を用いたりする場合である。可動ベーン２２の第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度θが大きくなることで、第３通路１３を通過する反応用ガスに旋回成分が付与される。これにより、反応シャフト３内における原料と反応用ガスとの混合が促進される。反応用ガスに旋回成分が付与されると、図１０（Ｂ）に示すように反応用ガスの旋回流ｆ１、反応フレームｆ２が反応シャフト３の壁部に近づくように広がる。これにより、反応シャフト３内での原料滞留時間が長くなり、反応シャフト３内で反応が完結し易い状態が形成されやすくなる。

図６（Ｃ−１）及び図６（Ｃ−２）を参照すると、可動ベーン２２の第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度θが６０°に調整された状態が示されている。これは、第３通路１３を通過する単位時間当たりのガス流量が図６（Ｂ−１）及び図６（Ｂ−２）に示す状態よりも多い状態における操業形態である。例えば、さらなる高負荷操業であったり、さらなる高Ｓ濃度原料を用いたりする場合である。可動ベーン２２の第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度θが大きくなることで、第３通路１３を通過する反応用ガスにさらに大きな旋回成分が付与される。これにより、反応シャフト３内における原料と反応用ガスとの混合が促進される。反応用ガスに旋回成分が付与されると、反応用ガスの旋回流ｆ１、反応フレームｆ２がさらに反応シャフト３の壁部に近づくように広がる。これにより、反応シャフト３内での原料滞留時間がさらに長くなり、反応シャフト３内で反応が完結し易い状態が形成されやすくなる。

なお、可動ベーン２２の内周壁面１７ｂ１との対向面２２ｂの形状は、可動ベーン２２の第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度θが６０°となったときに内周壁面１７ｂ１と密着することができる湾曲形状となっている。これにより、可動ベーン２２の第３通路１３の軸線ＡＸ方向に沿う方向に対する角度θが６０°となったときに、対向面２２ｂが内周壁面１７ｂ１に密着し、可動ベーン２２と内周壁面１７ｂ１との間の隙間が消滅する。この結果、より効果的に反応用ガスに旋回成分を付与することができる。角度θを大きくしたいときは、反応用ガスに効率よく旋回成分を付与したいときであるため、角度θを大きく設定するときに対向面２２ｂを内周壁面１７ｂ１に密着させることは効果的である。

本実施形態では、第３通路１３を通過する単位時間当たりのガス流量が多くなるほど、角度θを大きく設定する。ただし、角度θを大きく設定し過ぎると、反応フレームｆ２が反応シャフト３の壁部に近づき過ぎ、反応シャフト３の壁部を損傷する可能性がある。そこで、角度θには、所定の上限値を設けておくことが望ましい。また、操業時において、反応フレームｆ２が広がり過ぎることがあれば、角度θを小さくし、旋回成分を弱める措置を取ることもできる。

本実施形態の原料供給装置１によれば、自溶炉１００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、反応を均一化することができる。また、反応シャフト壁面への過剰な熱負荷を抑制することができる。

本実施形態の原料供給装置１によれば、原料条件、操業条件の変更に伴い、反応用ガスの量が変化するため、条件ごとに、適正な反応状態を維持するために可動ベーン２２の角度θを調整する。また、原料組成、粒度に起因する反応性の差異への対応として、難反応性原料比率が多い操業では、可動ベーン２２の角度θを大きくする側へ調整することで、旋回流の広がりを大きくする。これにより、反応シャフト３内での原料滞留時間を長くし、シャフト内で反応が完結しやすい条件を形成することができる。すなわち、可動ベーン２２は、第２通路１２を通じて自溶炉１００へ供給される原料の状態に応じて姿勢を変化させる態様とすることができる。また、反応シャフト３の壁部へ過度の熱負荷が加わらないように、適切な旋回パターンへの調整することができる。

例えば、反応シャフト３の壁部への熱負荷が高すぎたり、局所的に高い箇所が存在したりする場合は、可動ベーン２２の角度θを０度側へ調整することで、反応シャフト３の壁部への熱負荷を低減することができる。

なお、本実施形態における可動ベーン２２の形状は、湾曲形状であるが、平滑形状であってもよい。また、本実施形態では、可動ベーン２２を用いているが、可動ベーン２２に代えて、その姿勢を変化させることがない固定ベーンを採用してもよい。

（第２実施形態）
つぎに、図８、図９を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態では、第３通路１３内に円筒状の分割壁２５が設置されており、第３通路１３が外側流路１３ａと内側流路１３ｂとに分割されている。そして、図８（Ａ）に示すように、分割壁２５の内周壁面２５ａｓに可動ベーン２６が設置されている。可動ベーン２６は、可動ベーン２２と共通であるため、その詳細な説明は省略する。

図９を参照すると、可動ベーン２６は、軸部材２７を介して分割壁２５の内周壁面２５ａに取り付けられている。一端側に可動ベーン２６が設けられた軸部材２７は、分割壁２５及び筒状部１７ｂを貫通しており、他端側に歯車２８ｃが設けられている。この歯車２８ｃは、可動ベーン２６の駆動部２８に含まれる。駆動部２８は、モータ２８ａと、モータ軸に装着された歯車２８ｂを備える。歯車２８ｂは、歯車２８ｃと噛み合うことで、軸部材２７を回転させ、可動ベーン２６の姿勢を変化させる。図示した歯車による駆動以外に、チェーン等を介した駆動方法を採用することもできる。

なお、外側流路１３ａと内側流路１３ｂを備える形態である場合、可動ベーンは、外側流路１３ａと内側流路１３ｂの少なくとも一方に設置されていればよい。外側流路１３ａに可動ベーン２２を設置する場合は、図９（Ｂ）に示すように筒状部１７ｂの内周壁面１７ｂ１に可動ベーン２２を設置すればよい。可動ベーン２２の設置は、第１実施形態の場合と共通であるため、その詳細な説明は省略する。

このような第２実施形態であっても、第１実施形態と同様に、自溶炉１００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、反応を均一化することができる。

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。

１ 原料供給装置
２ 炉体
３ 反応シャフト
１０ 投入部
１１ 第１通路
１２ 第２通路
１３ 第３通路
１４ 第４通路
１４ａ 下端部
１６ ランス
１７ａ 漏斗状部
１７ｂ 筒状部
１７ｂ１ 内周壁面
２２、２６ 可動ベーン
２５ 分割壁
２５ａ 内周壁面
１００ 自溶炉

Claims (9)

1. 自溶炉内に原料を供給するとともに、少なくとも前記自溶炉内に前記原料の反応に寄与する反応用ガスを供給する原料供給装置であって、
   ランスの外側に設けられ、前記原料を前記自溶炉内に供給する原料流路と、
   前記原料流路の外側に設けられ、前記反応用ガスを前記自溶炉内に供給するガス流路と、
   前記ガス流路内に突出させて配置された可動ベーンと、
   を備えた原料供給装置。
2. 前記可動ベーンは、前記ガス流路を通過する単位時間当たりのガス流量に応じて姿勢を変化させる請求項１に記載の原料供給装置。
3. 前記可動ベーンは、前記ガス流路を通過する単位時間当たりのガス流量が多くなるほど、前記ガス流路の軸線方向に沿う方向に対する角度が大きく設定される請求項１又は２に記載の原料供給装置。
4. 前記可動ベーンは、前記原料流路を通じて前記自溶炉内へ供給される原料の状態に応じて姿勢を変化させる請求項１乃至３のいずれか一項に記載の原料供給装置。
5. 前記ガス流路は、外側流路と、内側流路とを備え、前記可動ベーンは、少なくとも、前記外側流路と前記内側流路の一方に配置された請求項１乃至４のいずれか一項に記載の原料供給装置。
6. 自溶炉内に原料を供給するとともに、少なくとも前記自溶炉内に前記原料の反応に寄与する反応用ガスを供給する原料供給装置であって、
   ランスの外側に設けられ、前記原料を前記自溶炉内に供給する原料流路と、
   漏斗状のエアチャンバーの下流側に連設され筒状部によって前記原料流路の外側に設けられ、前記反応用ガスを前記自溶炉内に供給するガス流路と、
   前記ガス流路内に突出させて配置されたベーンと、
   を備えた原料供給装置。
7. 前記ベーンは、可動ベーンである請求項６に記載の原料供給装置。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の原料供給装置を備える自溶炉。
9. 自溶炉内に原料を供給するとともに、少なくとも前記自溶炉内に前記原料の反応に寄与する反応用ガスを供給する自溶炉の操業方法であって、
   ランスの外側に設けられた原料流路を通じて前記自溶炉内に前記原料を供給しつつ、前記原料流路の外側に設けられたガス流路を通じて前記反応用ガスを前記自溶炉に供給する工程を有し、
   前記反応用ガスを前記自溶炉に供給するときに、前記ガス流路に突出させて配置された可動ベーンの姿勢を調整する自溶炉の操業方法。

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