(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自溶炉が備えたシャフトの頂部から精鉱バーナを用いて銅精鉱、コークス、フラックスその他の装入物を酸素富化空気とともに吹き込む銅製錬自溶炉の炉内還元度の制御方法において、前記自溶炉の操業中に操業条件を変更するに際し、シャフトの熱バランスおよび酸素バランスからマットの銅品位とコークス燃焼率の収束計算を行い、コークス燃焼率に基づいてセットラ内の溶融スラグ層に滞留するコークス量を算出し、目標コークス量との過不足をフィードバックしてセットラ内の溶融スラグ層に滞留するコークス量が一定になるように精鉱バーナから供給するコークス量を制御することを特徴とする銅製錬自溶炉における炉内還元度の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自溶炉が備えたシャフトの頂部から精鉱バーナを用いて銅精鉱、コークス、フラックスその他の装入物を酸素富化空気と一緒に供給する銅製錬自溶炉における炉内還元度の制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来からシャフト、セットラおよびアップテークからなる銅製錬自溶炉（以下、自溶炉という）では、シャフトの頂部から精鉱バーナを用い、Cu、Ｓ等の組成がなるべく均一となるように産地の異なる銅精鉱を調合して得られる硫化銅精鉱（以下、銅精鉱という）、フラックスその他の装入物および重油、微粉炭またはコークス等の燃料を、予熱した酸素富化空気とともにシャフト内に吹き込み、熱源の大半を占める銅精鉱などの酸化による反応熱に燃料の燃焼熱を加えて，銅精鉱などの溶解とシャフト内での酸化製錬を行い、硫化銅（Cu2S）および硫化鉄（FeS ）を主体とする溶体であるマットと、酸化鉄の珪酸塩を主体とした溶体であるスラグを産出する。この際、セットラ内での反応に伴って発生する亜硫酸ガスは、アップテークを経て硫酸工場へ導入され、硫酸製造の原料とされる。
【０００３】
このように、自溶炉は銅精鉱などの原料鉱石の酸化反応熱を大半の熱源としているが、不足熱量を補うために従来は重油を燃料として燃焼していた。しかしながら、重油価格の高騰に伴い、代替固体炭素質原料として、まず微粉炭が積極的に使用されるようになり、さらに微粉炭からコークスへの燃料転換が進められ、現在では 100％コークスを使用しての自溶炉の操業が行われるようになった。
【０００４】
例えば、特開昭59-50132号公報には、銅精鉱、フラックスその他の装入物が装入されマットとスラグを産出する銅製錬自溶炉において、炉内操業温度維持のための補助燃料として粉状コークスを装入する銅製錬自溶炉の操業方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開昭59-50132号公報では、精鉱バーナから粉・粒状コークスを供給する場合、炉内セットラの湯面にはコークスが浮遊することになり、浮遊量が増加傾向にならないように炉内条件と装入量を制御すれば安定した操業が得られるとあるが、その方法および燃焼率に関して詳細には記述されていない。
【０００６】
セットラ内のスラグ層に滞留するコークスは、炉内還元度に影響し、例えばマグネタイト（Fe3O4 ）を還元し、スラグ中への銅損失量を低下させるとともに敷上がりを改善する。また、このコークスはスラグ層で燃焼してスラグを広範囲に加熱し、その下にあるマット層を保温・加熱する作用がある。
しかしながら、装入されたコークスのシャフト内での燃焼率は、使用する原料鉱石の種類、装入量、酸素富化空気中の酸素濃度等、さまざまなパラメータに影響され、一定量のコークスをシャフトに装入しても、スラグ層までたどり着いてスラグの還元に寄与するコークスの量にはばらつきが大きい。このため、例えばコークス不足によりマグネタイトが還元されず、マット層が接する炉床へのマグネタイト堆積による敷上がりによってセットラ部に蓄積できるマット量、すなわちマットプールの容量が減少するという問題が生じていた。また逆に、コークス過剰により敷上がりが解消し、炉底レンガを保護してきたコーティングが無くなって炉底レンガの損耗などのトラブルの原因になっていた。このようにコークスは炉内還元度に大きな影響を及ぼし、一定量のコークスをシャフトに装入することよりもセットラ内の溶融スラグ層に滞留するコークス量を一定に維持することの方が重要である。
【０００７】
本発明は、自溶炉のシャフト内に装入されたコークスのうち、セットラ部に滞留するコークス量を常に一定に維持することができる銅製錬自溶炉における炉内還元度の制御方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明は、自溶炉が備えたシャフトの頂部から精鉱バーナを用いて銅精鉱、コークス、フラックスその他の装入物を酸素富化空気とともに吹き込む銅製錬自溶炉の炉内還元度の制御方法において、前記自溶炉の操業中に調合、原料鉱石装入量、酸素富化空気中の酸素濃度、マットの銅品位、マット温度等、操業条件を変更するに際し、シャフトの熱バランスおよび酸素バランスからマットの銅品位とコークス燃焼率の収束計算を行い、コークス燃焼率に基づいてセットラ内の溶融スラグ層に滞留するコークス量を算出し、目標コークス量との過不足をフィードバックしてセットラ内の溶融スラグ層に滞留するコークス量が一定になるように精鉱バーナから供給するコークス量を制御することを特徴とする銅製錬自溶炉における炉内還元度の制御方法である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１に示すように自溶炉１は、円筒状のシャフト２、セットラ３およびアップテイク４を備えており、シャフト２の頂部に設けた精鉱バーナ９から供給される乾燥した粉状の銅精鉱、コークス、フラックスその他の装入物は、炉頂ダクト10から吹き込まれる空気と酸素プラント産出の酸素とを混合して予熱した熱風と一緒にシャフト２内に導かれる。なお、空気と酸素プラント産出の酸素とを混合した気体は、一般に酸素富化空気と呼ばれている。
【００１０】
銅精鉱中の硫黄、鉄は、シャフト２内において酸素や珪酸分を主成分とするフラックスと反応し、主組成がCu2S、FeS からなる溶融マット５およびFeO 、Fe3O4 、SiO2からなる溶融スラグ６を生成し、これらはセットラ３に落下して溜められる。
このセットラ３内の溶融スラグ６層には、精鉱バーナ９から供給されたコークスの大半が未燃焼のまま滞留する。この滞留コークスがマグネタイト（Fe3O4 ）を還元し、スラグ中への銅損失を低下させるとともに炉底へのマグネタイトの沈着（敷上がり）に影響を及ぼすため、セットラ３内の溶融スラグ６層に滞留するコークス量を一定に維持し、還元度を安定させることが重要になる。
【００１１】
そこで、本発明では、シャフト３での熱バランスおよび酸素バランスから適合するマットの銅品位とコークス燃焼率の収束計算を行い、コークス燃焼率に基づいて得られたコークス量を精鉱バーナ９からのコークス供給量にフィードバックし、セットラ３内の溶融スラグ６層に滞留するコークス量が一定になるようにシャフト２内に装入するコークス量を制御する。
【００１２】
シャフト２の直下付近のセットラ３内に溜まった溶融マット５や溶融スラグ６の温度はそれぞれ約1200℃、約1250℃であり、溶融マット５は炉底部に配設された複数個のマットホール７から間欠的に炉外に排出される。一方、溶融スラグは、溶融スラグ６の層厚50cm位の高さ方向中間部位置で、かつ、セットラ３のアップテイク４側に配置された１個のスラグホール８から炉外に連続的に排出される。セットラ３内における排ガスの温度は 1300 ℃程度であり、アップテイク４を経由してボイラ（図示せず）に導いて冷却するとともに、ボイラで発生した蒸気をタービン発電機に使用して発電を行う。
【００１３】
自溶炉を操業するには、図２に示すように、銅精鉱、銅滓、フラックスなどの鉱石および煙灰等、原料鉱石組成を分析して求め、これら原料鉱石を使用して生産するマットの目標銅品位（％）を定め、この値からマットのＳ％、Fe％、また同時に生成するスラグの銅品位を推定する。また、スラグの珪酸量に対するFe量の比（Fe／SiO2）を設定し、物量バランス計算によりマット量、スラグ量、フラックス量を計算する。また、マットおよびスラグの生成に必要なFeやＳの下記の反応に要する酸素量を求めると同時に、鉱石との反応に起因する SO2ガスを含む排ガス量を算出する。
【００１４】
2・CuFeS2＝Cu2S＋FeS ＋FeS2
FeS2＋O2＝FeS ＋SO2
2FeS＋3O2 ＋SiO2＝2FeO・SiO2＋2SO2
3FeS＋5O2 ＝Fe3O4 ＋3SO2
一方、反応温度やマットとスラグの分離、マットやスラグを炉から抜き出しするときの粘性などから操業上最も望ましいと考えられる目標マット温度を設定する。なお、シャフト２の反応終了位置におけるマットやスラグなどの反応生成物温度は約1350℃で、一般にセットラ部の目標マット温度より 150℃程度高いと想定される。シャフト２の反応温度を維持するのに必要で、かつ、溶融スラグ６層に滞留させるに必要なコークス量を、原料鉱石の反応熱、コークス燃焼熱、送風空気その他の顕熱から定まる入熱量をもとに出熱との熱バランスがとれるように計算により求める。出熱量については、溶融マット５や溶融スラグ６の顕熱、輻射熱、放散熱（主に炉壁水冷ジャケットの冷却水による）、排ガスやダストの顕熱などを計算により求める。
【００１５】
また、装入物、送風空気および酸素プラント産出酸素が自溶炉に持ち込む全酸素量と、コークス燃焼排ガスを含む SO2ガス含有排ガス、溶融マット５、溶融スラグ６のそれぞれに含まれる酸素分とを含めたシャフト部からの持ち去り全酸素量とを求めて酸素バランスを計算する。すなわち、コークスの燃焼に必要な酸素量をコークス燃焼率を考慮して算出し、これに上述したマットおよびスラグ生成に必要な酸素量を加え、装入物中に含まれる酸素分を勘案してシャフト２に供給する全酸素量を算出する。炉内還元度の制御にあたっては、これらの計算がベースとなり、この計算値を基準としてシャフト２へ供給するコークス量、空気量および酸素プラント産出酸素量を調節する。
【００１６】
なお、原料鉱石装入量、調合銘柄、調合比率、酸素富化空気中の酸素濃度、産出マットの目標銅品位（％）、産出スラグの目標 Fe/SiO2比、目標マット温度などの操業条件に変更があった場合には、これに対応してコークス燃焼率が変わるので、供給コークス量、送風空気量なども変わる。
ところで、表１に示すように、シャフト２の頂部にセットした精鉱バーナ９からシャフト内に、原料鉱石：90t/h 、コークス：2.1t/h、および空気： 22000Nm3/h と酸素プラント産出の酸素： 10000Nm3/h とを混合した酸素富化空気（以下、全風量とも呼ぶ）： 32000Nm3/h (O2:44.5％) を吹き込む。
【００１７】
【表１】
0003842908.tif 000002
【００１８】
シャフト２出口付近における反応生成物、すなわち、ガス、溶融マット、溶融スラグなどの温度は1350℃である。なお、セットラ３内におけるガス、溶融マット５および溶融スラグ６の温度はそれぞれ1300℃、1200℃、1250℃であり、セットラ３を経由し、アップテイク４から排出される排ガス量は30129Nm3/hである。この場合の熱バランス：〔（入熱／出熱）×100 〕は 100％であり、また、酸素バランスは：〔（入酸素／出酸素）×100 〕は 100％であり、これらに基づいて自溶炉の操業計算を行う。
【００１９】
このような条件にて自溶炉１の操業中に、熱バランスを 100％および酸素バランスを 100％にするには、マットの銅品位とコークス燃焼率が一定になるまで収束計算を行ってマットの銅品位が 61.75％、コークス燃焼率が35％になると計算された。それゆえに、シャフト２内で燃焼後、セットラ３の溶融スラグ６層に滞留するコークス量は、2.1 ×（1.00−0.35）＝1.37t/h となり、この滞留コークスが溶融スラグ６などの還元度に寄与する。
【００２０】
次に、自溶炉１の操業条件を表２に示すように変更し、精鉱バーナ９から原料鉱石を表１の場合の90t/h より10t/h 少ない80t/h に減らし、コークスは同じく2.1t/hを供給しつつ、酸素富化空気の吹き込み量を、空気：23000Nm3/h、酸素:8500Nm3/h、全風量31500Nm3/h(O2:44.5％) とする。
【００２１】
【表２】
0003842908.tif 000003
【００２２】
シャフト２内反応生成物の温度は1330℃、セットラ部のガス、溶融マット５および溶融スラグ６の温度はそれぞれ1280℃、1180℃、1230℃であり、表１の場合の温度と比べてそれぞれ20℃低い。これは装入鉱石量が減って反応熱量が減ったことなどによるものである。セットラ３を経由し、アップテイク４から排出される排ガス量は29850Nm3/hである。この場合の熱バランスを 100％、酸素バランスを 100％にするには、マットの銅品位とコークス燃焼率が一定になるまで収束計算を行ってマットの銅品位が 63.52％、コークス燃焼率が42％になると計算された。したがって、シャフト２内で燃焼後、セットラ３の溶融スラグ６層に滞留するコークス量は、2.1 ×（1.00−0.42）＝1.22t/h となる。
【００２３】
セットラ３内の溶融スラグ６層に、表１の場合と同量のコークスを確保するには、（1.37−1.22）／0.42＝0.4t/hのコークス増量が必要になる。これをフィードバックし、0.4t/hを上乗せし、精鉱バーナ９から（2.1 ＋0.4 ）＝2.5t/hのコークスを供給することにより、セットラ３内のコークス量を確保して必要な還元度に基づく自溶炉の安定した操業を継続できる。このとき、燃料としてのコークス供給量が増えるので表２中の温度はやや上昇する。
【００２４】
炉内還元度の制御不足に起因したマグネタイト増加によるセットラ３の炉底部の敷上がりは、従来、０〜30cmの範囲でばらついていたのに対し、本発明の還元度制御後には、還元過不足が修正されたために10cm程度に低減かつ安定した。この結果、マットプールの容量が安定化し、また、炉底部のレンガについても、敷上がりが０cm付近では高融点であるマグネタイトのコーティングが無くなって損傷を受けていたが、還元度制御後はマグネタイトのコーティングに保護されて損傷が無くなった。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、シャフトの頂部から精鉱バーナを用いて銅精鉱、コークス、フラックスその他の装入物を酸素富化空気とともに吹き込む銅製錬を行う自溶炉の操業中に、シャフトの熱バランス、酸素バランスからマットの銅品位とコークス燃焼率の収束計算を行い、求められたコークス燃焼率に基づいて、セットラ内の溶融スラグ層に滞留するコークス量が一定になるようにフィードバックしてコークス供給量を制御する。
【００２６】
その結果、セットラ内の溶融スラグ層に滞留するコークスに起因する還元度を一定に維持する制御ができるようになり、滞留コークスの制御不足による敷上がりトラブルや炉底レンガの損耗が低減される。これにより、セットラ部においてマットを十分に蓄えることができるマットプールの容量の確保と安定化が実現でき、自溶炉の生産性向上は勿論のこと、次工程である転炉操業の安定化も達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の自溶炉の操業系統を示す説明図である。
【図２】本発明の自溶炉の操業に伴う熱収支の状況を示す説明図である。
【符号の説明】
１  自溶炉
２  シャフト
３  セットラ
４  アップテイク
５  溶融マット
６  溶融スラグ
７  マットホール
８  スラグホール
９  精鉱バーナ
10  炉頂ダクト
【図１】
0003842908.tif 000004
【図２】
0003842908.tif 000005