(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素系可燃物質を充填した縦型充填層を炉内に形成するとともに、前記縦型充填層を高温還元状態に維持して、前記充填層の上部に非鉄金属酸化物である処理対象物を投入し、前記処理対象物の溶融、流下に伴って、生成される還元溶融物を充填層底部より取り出す還元溶融方法であって、
前記縦型充填層に対して、その縦方向の中間部位に空気比制御可能な自燃型の第１加熱機構を、前記第１加熱機構より炉下部側の部位に空気比制御可能な自燃型の第２加熱機構を備えた縦型溶融炉を使用し、
前記第１加熱機構により、前記縦型充填層の第１加熱機構対応部位及び第１加熱機構対応部位より上部側の部位を、前記処理対象物を還元溶融可能な高温還元状態に維持するとともに、
前記第２加熱機構により、前記縦型充填層の炉低部位を、前記還元溶融物の出滓に適した出滓温度に維持して、還元溶融をおこなう還元溶融方法。
【請求項２】
炭素系可燃物質を充填した縦型充填層を炉内に形成可能な縦型充填層形成部を備えるとともに、前記縦型充填層形成部の上部側に、非鉄金属酸化物である処理対象物を投入する材料投入口と煙道とを備え、前記縦型充填層形成部の炉底部に、還元溶融物を取り出す還元溶融物導出部を備えた還元溶融炉であって、
前記縦型充填層形成部に対して、その縦方向の中間部位に空気比制御可能な自燃型の第１加熱機構を、前記第１加熱機構より炉下部側の部位に空気比制御可能な自燃型の第２加熱機構を備え、
前記第１加熱機構及び前記第２加熱機構を作動させて、
前記縦型充填層の第１加熱機構対応部位及び第１加熱機構対応部位より上部側の部位を、前記第１加熱機構により、前記処理対象物を還元溶融可能な高温還元状態に維持するとともに、
前記縦型充填層の炉低部位を、前記第２加熱機構により、前記還元溶融物の出滓に適した出滓温度に維持する加熱機構制御手段を備えた還元溶融炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、非鉄金属酸化物の還元溶融技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
還元溶融の対象となる非鉄金属酸化物としては、鉛、銅等がある。
このような非鉄金属酸化物を還元溶融する場合、従来、図５に示すようなキュポラを使用するのが一般的である。
酸化鉛を還元溶融する場合、キュポラ内に、コークス等の炭素系可燃物質からなる充填層を形成し、この充填層を還元状態で１５００〜１６００℃程度に維持し、還元溶融処理をおこなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなキュポラを使用する技術にあっては、キュポラ内の温度、雰囲気環境を、目的に適した状態に維持することが比較的難しいという問題があった。
即ち、この方法では、コークス等の固体燃料をキュポラ内に充填して、これを高温化させるため、酸素含有ガスを固体燃料充填層に取り付けた羽口から供給する必要があるが、この場合、羽口付近は酸化雰囲気となり炉内の各部によっては不均一な還元ゾーンが発生しやすい。さらに、このように固体燃料を用いる場合、安定した溶融を得るために多くの燃料で充填層を形成させ、比較的高温（１５００℃〜１６００℃）に、キュポラ内を維持する必要があり、余分な熱量、固体燃料を必要とした。さらに、キュポラ内の温度を、内部各部位で、個別に管理、制御することは、実質上できなかった。
さらに、運転作業員に関しては、上記のような状況から、キュポラ内を、還元溶融をおこなうのに適する、高温、還元状態に継続的に維持することは、多分に熟練を要するものであり、この熟練運転員を育成するための時間、費用が膨大になっていた。
【０００４】
従って、本発明の目的は、熟練度の低い作業員にあっても、還元溶融を比較的容易に実行でき、さらに、還元溶融に適した、還元状態、温度状態を充填層各部位で的確に実現して、エネルギーコストを低減化した状態で、還元溶融をおこなうことができる還元溶融方法を得るとともに、この方法に使用できる還元溶融炉を得ることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための、炭素系可燃物質を充填した縦型充填層を炉内に形成するとともに、前記縦型充填層を高温還元状態に維持して、前記充填層の上部に非鉄金属酸化物である処理対象物を投入し、前記処理対象物の溶融、流下に伴って、生成される還元溶融物を充填層底部より取り出す還元溶融方法の特徴手段は、以下の通りである。
即ち、前記縦型充填層に対して、その縦方向の中間部位に空気比制御可能な自燃型の第１加熱機構を、前記第１加熱機構より炉下部側の部位に空気比制御可能な自燃型の第２加熱機構を備えた縦型溶融炉を使用し、
前記第１加熱機構により、前記縦型充填層の第１加熱機構対応部位及び第１加熱機構対応部位より上部側の部位を、前記処理対象物を還元溶融可能な高温還元状態に維持するとともに、
前記第２加熱機構により、前記縦型充填層の炉低部位を、前記還元溶融物の出滓に適した出滓温度に維持して、還元溶融をおこなうことにある。
上記特徴手段における空気比が、燃焼状態における実際の空燃比／理論空燃比であることは良く知られていることである。ここで、空燃比は、加熱機構に供給される燃料と空気との質量流量の比を表し、理論空燃比は、理論上燃料と空気とがすべて完全燃焼物に転じるときの空燃比を表す。
この方法にあっては、還元溶融をおこなうに、縦型充填層が形成され、この縦型充填層の上部に処理対象物が投入され、この処理対象物が充填層内を上部から下部へ移動しながら、溶融、還元がおこり、炉底部での還元溶融物が取り出される。
ここで、この方法にあっては、縦型充填層に於ける、温度、雰囲気管理は、第１加熱機構及び第２加熱機構の働きにより、個別に行われる。そして、これらの機構の充填層縦方向に於ける位置関係から、第１加熱機構は、処理対象物の還元溶融に必要な状態を実現するために使用し、第２加熱機構は、炉低部位に落下してくる還元溶融物の出滓に必要な状態を実現するために使用する。即ち、この方法にあっては、還元溶融に必要な状態の実現と、出滓に必要な状態の実現とを、炉高さ方向で異なった位置に配設される加熱機構でおこない、還元溶融処理をおこなうのである。従って、各加熱機構は、別個の目的に則した条件で使用されることとなり、充填層全体を過剰に高温に維持する必要はなくなる。
結果、炉全体を余分に加熱する必要がなくなり、投入される熱量を比較的抑えた状態においても、良好な運転状態を維持できる。さらに、還元溶融加熱と出滓の条件を、別個の機構により独立に管理できるため、それぞれの状態に適した炉管理を良好におこなうことができ、結果的に、熟練度の低い運転員でも運転し易くなる。また、充填層とは別個に、加熱機構を備えるため、この加熱機構から発生する高温ガスの状態（還元状態かどうか）を、適切に維持するだけで、炉全体を所望の還元状態に維持することが容易に行え、従来型のキュポラのように、充填層特定部位（羽口近傍）に、酸化雰囲気部が発生し、製品特性が安定しない等の問題を発生することもない。
さて、上記のように、縦型充填層を炉内に形成して、還元溶融をおこなう場合、上記のような加熱機構を、充填層縦方向に、一箇所設けて、おこなうことも考えられる。しかしながら、この場合は、単一の加熱機構により、充填層上下方向に於ける還元溶融条件、及び、出滓条件を満たすように炉を運転することが必要となる。この条件では、処理対象物が投入される充填層上部から還元溶融に必要な還元溶融流下長を確保して炉底部に至る構成（物理的な構成）で、炉底部を適切な下限に近い出滓温度に維持しようとすると、充填層上部が低温になりすぎ、初期的な還元が良好に発生しない状況となりやすい。従って、従来型のキュポラで行われているように、充填層全体を、比較的、高温側にシフトさせて炉の運転をおこなうこととなりやすく、熱利用、管理、制御の点で問題が残る。
さらに、この場合は、還元溶融における反応長さ（炉内に於ける高さ方向の距離）を、充填層内で温度との関係で、充分に取り得ない状況が発生しやすいが、本願のように、少なくとも上下２段の自燃型の加熱機構を備える場合は、この反応長さを充分に取ることができ、炉設計、炉制御が容易となる。
【０００６】
さて、上記の方法で使用する還元溶融炉としては、炭素系可燃物質を充填した縦型充填層を炉内に形成可能な縦型充填層形成部を備えるとともに、前記縦型充填層形成部の上部側に、非鉄金属酸化物である処理対象物を投入する材料投入口と煙道とを備え、前記縦型充填層形成部の炉底部に、還元溶融物を取り出す還元溶融物導出部を備えた還元溶融炉に、以下の構成を付与することで、これを得ることができる。
即ち、縦型充填層形成部に対して、その縦方向の中間部位に空気比制御可能な自燃型の第１加熱機構を、この第１加熱機構より炉下部側の部位に空気比制御可能な自燃型の第２加熱機構を備え、
前記第１加熱機構及び前記第２加熱機構を作動させて、
前記縦型充填層の第１加熱機構対応部位及び第１加熱機構対応部位より上部側の部位を、前記第１加熱機構により、前記処理対象物を還元溶融可能な高温還元状態に維持するとともに、
前記縦型充填層の炉低部位を、前記第２加熱機構により、前記還元溶融物の出滓に適した出滓温度に維持する加熱機構制御手段を備えるのである。
このようにしておくと、第１加熱機構は、縦型充填層形成部に形成される充填層に於ける、この機構配置部より上側の部分を、適切な還元、溶融状態に維持し、第２加熱機構は、還元溶融物が落下して、排出処理を受けるべき炉底部近傍にある充填層部位を出滓温度に適した温度に維持して、良好に炉の運転をおこなう。
加熱機構制御手段は、各加熱機構に対応した縦型充填層対応部位の温度を、適切維持するように、各加熱機構を作動させる。
【０００７】
結果、比較的熟練度の低い作業員によっても、還元溶融処理対象の非鉄金属化合物を、良好に処理できる炉を得ることができる。従って、処理対象物の還元処理に要する温度、ガス雰囲気並びに時間を、適切に制御することが可能となったことにより、よい品質の製品を効率よく、かつ安易に得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本願の還元溶融方法に使用する還元溶融炉１の構成を図面に基づいて説明する。
図１には、本願の鉛を対象とする還元溶融炉１の縦断面図が示されている。
図示するように、還元溶融炉１は、縦型充填層形成用の縦型円筒状の縦型充填層形成部２を備え、この縦型充填層形成部２の側部に接続される上下２段の自燃型の第１加熱機構３ａ、自燃型の第２加熱機構３ｂを備えて構成されている。以下、本願で採用する自燃型の加熱機構を単に加熱機構と称する。
炉頂部４には、処理対象物、還元促進材、溶融物の流動性を調整するための流動性調整材等を投入可能な材料投入口５が設けられ、この材料投入口５の近傍で、これとは別に、排ガス放出用の煙道６が、水平方向に延出されている。一方、炉底部７には、炉底部７に流下してくる還元溶融物８を炉外９に取り出すための還元溶融物導出部１０が備えられている。
【０００９】
次に前述の加熱機構３の構成に関して説明すると、この機構３としては、縦型充填層形成部２の中間部位に配設される第１加熱機構３ａと、この第１加熱機構３ａに対して下部側で、ほぼ炉底部７に対する位置に位置する第２加熱機構３ｂを備えている。
これらの加熱機構３は、空気比を制御可能なバーナ１１（都市ガスバーナ）を備えて構成されており、第１加熱機構３ａは、炉断面中央Ｃに向かって、炉の両側部に一対のバーナ１１が備えられている。この加熱機構３ａの縦方向の位置は、縦型充填層形成部２に形成される縦型充填層１２にあって、処理対象物の還元溶融に必要な高温を維持する必要がある部位に対応した高さ位置である。図１に示す例にあっては、炉底部７から１１００ｍｍ程度の高さ位置に位置されている。
一方、第２加熱機構３ｂに関しては、炉底部７の炉断面中央Ｃに向かって、炉の一側に備えられている。この機構３ｂの縦方向の位置は、炉底部７に溜まる還元溶融物８を加熱できる位置とされており、図１に示す例にあっては、炉底部７から６００ｍｍ程度の高さ位置に位置されている。
さらに、各加熱機構３に対応する縦型充填層対応部位の温度を検出する温度検出機構１３が、各加熱機構３に対して設けられており、これらの温度検出機構１３からの検出温度に基づいて、各対応部位の温度を、所望の温度域に維持すべく各加熱機構３を作動させるための制御情報を生成する制御プログラムを備えた加熱機構制御手段１４が備えられている。
従って、この還元溶融炉１にあっては、温度検出機構１３によって検出された情報に基づいて、各加熱機構３に制御情報が加熱機構制御手段１４から送られ、所定対応部位を所望の温度域に維持することができる。この加熱機構制御手段１４は、コンピュータ等で構成され各加熱機構３の空気比も制御する。
【００１０】
以上が、還元溶融炉１の概略構成である。
【００１１】
以下、この還元溶融炉１の運転状態について説明する。
運転にあたっては、前記縦型充填層形成部２に炭素系可燃物質であるコークスの縦型充填層１２が、運転前段階で形成される。この充填層の高さは、１．５ｍ程度とされ、充填層頂部１５から、第１加熱機構３ａの配設部位までに、還元溶融が発生する反応時間を確保するのに、充分な高を有している。この高さは、酸化鉛を対象とする場合、上記の第１加熱機構３ａが配設される高さ位置に形成される充填層部位（第１加熱機構対応部位）の温度が１０００〜１２００℃程度に維持された状態で、充填層最上部１６の温度を処理対象物の還元が起こる温度（８００℃程度）となる高さである。
そして、還元溶融前の準備状態で、第１、第２加熱機構３ｂに備えられるバーナ１１を運転した状態で、充填層１２は、赤熱高温状態に維持されるのであるが、この状態にあって、炉底部７における温度を１２００〜１３００℃（この温度は、Ｐｂの還元物の溶融が発生し、のろと呼ばれる酸化物の溶融出滓をも容易に行える温度である）に、第１加熱機構３ａが備えられる炉中間部位が１０００〜１２００℃程度（この温度は、ＰｂＯをＰｂに、さらに、鉄との関係でＰｂＳをＰｂに、還元できるとともに、これらを溶融できる温度である）に、さらに、充填層最上部１６の温度を８００℃程度（この温度は、ＰｂＯ2をＰｂＯに還元できる温度である）に設定、維持する。そして、処理対象物の投入直前に、加熱機構３に於ける燃焼の燃焼制御により、バーナ１１の空気比を０．９程度に設定し、炉内全体の状態を還元状態とする。
結果、第１加熱機構３ａにより、充填層の第１加熱機構対応部位３０ａ及び第１加熱機構対応部位３０ａより上部側の部位は、処理対象物を還元溶融可能な高温還元状態に維持され、第２加熱機構３ｂにより、縦型充填層の炉低部位３０ｂを、還元溶融物の出滓に適した出滓温度に維持して、還元溶融をおこなうこととできる。
【００１２】
そして、還元溶融処理する処理対象物である非鉄金属酸化物（具体的には、酸化鉛）を材料投入口５から投入する。この時、処理対象物に対して重量比約１〜１０％のコークスを合わせて投入する。一般に、処理対象物である酸化鉛は泥状であるため、粉状のコークス等の炭素系可燃物質を混合して、同時投入する。このような混合をおこなう場合、粉状コークスとしては粒径が３ｍｍ以下のものを使用することが好ましい。このようにすると、この粉状物と処理対象物との接触面積を増すことができ、還元力を増すことができる。
この様な泥状の処理対象物と粉状コークスとは、投入前に混合状態で塊状に成型して炉内に投入する。このようにすることにより、充填層内に於ける通気性を確保して、充填層に於ける処理を促進することができる。
さらに、連続運転状態にあっては、第１加熱機構３ａ及び第２加熱機構３ｂは、先に説明した加熱機構制御手段１４からに制御指令情報を受けて、各対応部位を適切な温度域に維持する。この場合、同時に、雰囲気並びに充填高さが制御されることとなる。
投入した処理対象物は、上記のような運転状態で、充填層を流下するに伴って、溶融しながら還元され、炉底部に到り、還元溶融物導出部１０から還元溶融物を連続取り出される。
【００１３】
〔別実施の形態〕
上記の実施の形態にあっては、還元処理される材料としては、これが酸化鉛である例を示したが、還元処理する材料以外、例えば多くの材料から構成されるものの不純物除去などにも使用できる。具体的には、銅、アルミニウム、錫等の非鉄金属を対象とすることができる。
銅を先に説明したと同様な手法で還元溶融処理する場合の、炉プロフィール、充填層各部位の温度分布、さらに、第１加熱機構３ａ、第２加熱機構３ｂの位置等を図２に示した。第１加熱機構３ａのバーナ１１の配置を図４に、第２加熱機構３ｂのバーナ１１の配置を図３に示した。図３、４に於ける炉径は、図２に示すものと異なるが、これは、これらの図面を縮尺して描いているためである。
この例にあっては、炉は、上記の例と同様に縦型円筒形の炉として形成されているが、炉頂部側の小径シャフト部２１と炉底部側の大径シャフト部２０を備える構成とされる。第１加熱機構３ａ、第２加熱機構３ｂは共に、この大径シャフト部２０に備えられる構成とする。そして、第１加熱機構３ａが配設される部位が、充填層内に於ける最高温部位とされ、炉低部位３０ｂにあっても第２加熱機構３ｂにより、１２００℃程度の温度が保たれることとなる。このようにすることにより、銅の還元溶融を良好におこなうことができる。
【００１４】
さらに、上記の実施の形態にあっては、加熱機構を炉上下方向で、２段設けたが、さらに、多くの段を設けることも好ましい。この場合でも、還元溶融を主目的とする空気比制御可能な加熱機構と、出滓管理を目的とする空気比制御可能な加熱機構を別個に設けることが、本願の必須の要件である。
【００１５】
さらに、上記の処理対象物を同時に投入される処理材としては、これを、還元促進材（鉄）としたが、こういった材料としては処理対象物との関係でコークス等も利用できる。さらに、この他、還元溶融物の流動性を調整する流動性調整材（酸化カルシウム、二酸化珪素等）を同時に投入してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本願の鉛を対象とする還元溶融炉の縦断面図
【図２】  本願の銅を対象とする還元溶融炉の縦断面図
【図３】  図２に示す溶融炉の第２加熱機構のバーナ配置を示す図
【図４】  図２に示す溶融炉の第１加熱機構のバーナ配置を示す図
【図５】  従来のキュポラの縦断面図
【符号の説明】
１    還元溶融炉
２    縦型充填層形成部
３ａ  第１加熱機構
３ｂ  第２加熱機構
５    材料投入口
６    煙道
８    還元溶融物
１０  還元溶融物導出部
１２  縦型充填層
１４  加熱機構制御手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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