銅製錬技術の歴史と今後の技術展開
高橋純一を行うことで濃縮し，銅濃度 20～30 massの精鉱としたも.

は じめにのを輸入している．
図は主な金属元素(M)の硫黄(S)酸素(O)ポテンシャル

銅は人類が最初に手にした金属のひとつであり，古代より図である．一般的に硫化物を大気中で酸化すると PSO2＝0.1

機能材料として重要な役割を果たしてきた．電気伝導性，熱で酸化が進む(図中矢印)．銅製錬における最大の不純物であ伝導性に優れた銅の需要は今日でも増加を続けている．
本報では銅の需要を支える銅製錬の発達の歴史を整理し，現在の銅製錬の問題点についてまとめた．

る硫化鉄が点 a で酸化物になるのに対し，硫化銅は酸化していけば点 e でメタルになることがわかる．銅製錬はこの原理を利用しており，大部分の鉄を酸化してファイアライトスラ
からみグ(

.

現在の銅製錬プロセス

FeOSiO2)で分離し，一部残留させた硫化鉄と硫化かわ

銅の化合物である，マット( )銅濃度 58～63 mass Cu2SFeS を得る．これが図 1 中に示す熔錬工程である．

銅は日本国内で年間約 150万 t 生産されている．主な原料は硫化鉱石(黄銅鉱 CuFeS2)で全量海外産から輸入されている．
図は現在の銅製錬処理法(フローシート)である．鉱石中熔錬工程での反応に伴う相の変化は以下のようになる．
CuFeS2＋O2 → Cu2S－FeS＋FeO＋SO2(1)FeO＋SiO2 → FeO－SiO2(2)からみ製銅(精銅)工程では，若干残留した硫化銅をスラグ()

しら かわの銅濃度は 0.5～2 massであり，それを粉砕して浮遊選鉱

図1

銅製錬処理フロー．

除去して硫化銅(白図2) を 得 ， さ ら に 酸 化 し て 粗 銅 ( 99.8MSO 系ポテンシャル図．

住友金属鉱山株式会社 技術本部 新浜研究所研究主幹(〒7920002 新居浜市磯浦町175)
History and Future Technology Development of Copper Smelting; Junichi Takahashi (Niihama Research Labs., Sumitomo Metal MiningCO., Ltd., Niihama, Ehime)
Keywords: copper smelting, history, flash furnace, mechanism, recycling
2019年 6 月24日受理[doi:10.2320/materia.58.548]

ミ ニ 特 集

続く 吹(熔錬)工程では，焼鉱に溶剤としての珪砂と炭をmass)を得る．
Cu2S－FeS＋O2 → Cu2S＋FeO(3)

添加し，空気を供給して炭を酸化させることで熔融に必要な

Cu2S＋O2 → CuO＋SO2(4)

熱量を供給し，酸化した鉄を熔剤によって低温で熔融するフ処理を 2 段に分ける理由は，スラグ中に含まれる銅量を最少に抑えるためである．得られた粗銅は電解精製により99.99 mass以上の純銅(精製銅)となる．

ァイアライトスラグ化して，マットと分離する．
吹工程での生成マットは，焙焼工程で既に多くの鉄が酸化されていることから，鉄はほとんどがスラグ化しており，しらかわ

マットというよりも Cu2S 主体の白 である．

.

日本の銅製錬の歴史

また，この工程では床尻銅(粗銅図)が生成していた．
マット共存下で平衡状態にあれば銅メタルは生成しないはず

日本の銅製錬の歴史を住友の銅製錬技術の変遷を代表として示す．

であるが，焙焼工程での局所的な過酸化やマットの局部酸化が生じたと考えられ，その際には銅メタルが生じ得る．江戸

銅製錬技術は，奈良時代に仏像作製のために発達したが，平安時代になると技術は廃れた．その後，戦国大名による鉱期の技術では，炉全体に渡って平衡状態を保つことは難しく，局部酸化が生じていたのである．

山開発をきっかけとして次第に盛んになった．江戸時代には別子銅山の鉱石中には Pb, As, Sb などの不純物がほとん

硫化鉱石からの製錬技術が高度化し，当時日本は世界最大のど含まれていなかったこともあり，得られた粗銅や床尻銅の銅輸出国であった．

純度は非常に高かったことが最近の調査により分かってい江戸時代の製錬方法については，住友が発行した故銅図る．一例として床尻銅の化学分析値を表に示す．

録(1)にその工程が示されている．図にその一部を示すが，明治になると処理法の近代化が図られ，図の別子銅山の図録には採鉱から製錬工程までが絵を伴った簡単な文章で示産銅量の推移に示すように，銅の生産量は飛躍的に増大しされており，その様子が詳しくわかる．故銅図録に示された

た(3)．

処理フローの概略を図に示す(2)．江戸時代の住友の銅製錬は，焙焼(脱硫工程)－ 吹(熔錬マット化工程)－真吹(粗銅化工程)－間吹(精製工程)－小吹(鋳造工程)という工程で行われていた．真吹工程までは各鉱山の山元で行われていたのに対し，間吹以降の処理は，全国から粗銅が大阪に集められ幕府から指定を受けた製錬業者によって，幕府の管理下で行われていた．これは当時の日本にとって銅が最大の輸出戦略物質だったことに因るものである．
処理フローの簡単な説明を以下に示す．
住友の経営する別子銅山で採掘され手選された鉱石は，まず焼鉱窯で 30 日間焙焼をすることにより，鉄を酸化するとともに脱硫して焼鉱を得る．この理由は，当時の床吹き式の処理だけでは鉄の酸化と脱硫に時間がかかりすぎて効率が悪かったためである．この焙焼操作は電化と共にエアーブロー方式に変化したが，明治末期に至るまで続けられた．

図4

図3

鼓銅図録の 吹(左)真吹(右)図．

ま て り あ 第58巻 第10号(2019)
Materia Japan

故銅図録に示された江戸時代の製錬フロー．

図5

別子初の床尻銅．



S

表1

床尻銅の化学分析値．(単位)N.D. 検出されず．

AlSi

KCa

TiMn

FeCo

NiCuZnAsAgSbAu

Pb

N.D.

N.D. ＜0.1 N.D.

N.D.

N.D.

N.D.

0.02

0.01

0.03

―＜0.10.01
240 ＜0.01 0.01

4

0.03 ＜0.01 0.5

住友の別子を例にすると，明治時代の最重要技術課題のひとつが耐火物寿命であった．硫黄の燃焼や鉄の酸化による発SnBiO

1922 年に採用したことが，操業の安定化による生産性向上の大きな転機であった．

熱で，特に羽口部煉瓦の熔損が常に顕在化していた．熔錬工

.

程では 1891 年に導入したジャケット式の水冷機構を有する

現在の銅製錬の技術課題

水套炉(図)の導入により局部過熱による煉瓦熔融が大幅に軽減され安定操業が可能になった．製銅工程では，図に示

現代の熔錬炉には，自熔炉， MI 法の S 炉(4) ， TSL 炉等

す塩基性レンガを使用したグレートフォールス型転炉(4) をが用いられており(図～)，過去の溶鉱炉時代にあった刃口煉瓦の局部加熱は問題とならなくなった．一方で，世界的な鉱石不足に伴い精鉱中の銅濃度低下が著しく，同一装置で処理量を増加させる必要性が日々高まってきている．この課
題へは各工場で日々操業改善がなされているが，銅濃度の低下とともに生成スラグ量が増加することになり，処理コスト増とそれに伴って生じるスラグ中への銅のロス量増大が大きな課題のひとつとなっている．


銅ロス低減

日本国内の銅製錬で発生する熔錬スラグ量は年間約300万トンであり，その中に 0.71.0 massの銅が含まれている．
図6

別子銅山の産銅量の推移．

すなわち 3 万トン程度の銅が回収されずに系外に排出されているが，銅価格が 70万円/トン( 2019年 2 月)であると 210

図7

図8
長方形水套炉．

グレートフォールス炉．

図9

自熔炉模式図．

図10

MI 法模式図．

ミ ニ 特 集図12

図11

自熔炉での反応メカニズム(2 粒子モデル)．

TSL 炉模式図．

億円/年と莫大な金額になる．
銅ロスには，スラグ中に銅が酸化物として溶け込む化学的ロスとマット粒子が物理的にスラグ中に懸垂する物理的ロス

図13

自熔炉バーナー模式図．とがある．溶錬炉の最終酸素分圧には大きな変化がないので化学的ロスの変化は小さく，物理的ロスが全体のロス量を決定する．すなわち，この物理的ロス量の低減が技術開発の対象となる．

消滅させて FeOSiO2 スラグの形成を促進させることである．
両者を達成するための最も重要な装置はバーナーである．

次に，世界の銅製錬所の約 40で用いられている自熔炉自熔炉バーナーには図に示すセントラルジェット式バーナ(図 9)について説明を行う．自熔炉では精鉱を，バーナーをーと住友式バーナーの 2 種類がある．セントラルジェット用いてリアクションシャフト内で燃焼させる．図にリアク

バーナーは量的性能に優れ，多量の鉱石を安定に処理するこションシャフト内での精鉱粒子の反応のメカニズムを示とができる．一方住友式バーナーは，質的性能に優れた部分す(5)．これは 2 粒子モデルと呼ばれるもので，があり，条件のセッティングが上手く行った場合には非常に◯◯◯

まず反応は不均一に生じる

良い燃焼状態を保ちかつ衝突を促進できるという特性を有す

酸素の大部分を一部の粒子(図中 CuFeS2(s)F)が消費

株 ではコンピューターシミュレーション等る．住友金属鉱山

して鉄の一部はマグネタイト(Fe3O4)になり(図 2 参照)を，バーナーの最適設計へ活かしている．入手する精鉱によ

残りの鉄はマット(Cu2SFeS)化する

り反応性状が異なることから，常にバーナーの開発は続けて未反応粒子(図中 CuFeS2(s)S)と過酸化粒子，さらには珪砂が落下しながら衝突して均一化していきスラグ・マット相を生成する

いく必要がある．
マグネタイトが消滅しない時は，スラグとマット間に滞積する．マグネタイトは固体で存在し，スラグの粘性を極端にという現象が生じていると考えられている．このメカニズム上昇させるため，マット粒子がトラップされて沈降しなくなから，リアクションシャフトでは精鉱の効率的な燃焼と粒子る．図に示するつぼ試験の結果より，200ミクロンと大き衝突を両立させる必要があることがわかる．すなわち，精鉱な粒子でも沈降が妨げられている．そのため，このスラグ底は短時間で燃焼させて酸素を有効利用するとともに，粒子を部に沈降したマグネタイトを消滅させる手段の開発を大学と早く熔融させて粒子の結合を進み易くする．また，粒子の衝の共同研究などで行っている．

突は，マット粒子の粗大化させるとともに，マグネタイトをま て り あ 第58巻 第10号(2019)
Materia Japan元素(砒素，カドミウム，鉛，水銀など)もある．銅鉱石の不足に伴い，精鉱中の有害元素の濃度増加が問題になっている．
例として砒素について説明する．国内には年間約 5,000 tの砒素が入って来ている．大半の砒素はスラグ中で安定化されて溶出がない状態で系外に排出されるが，スラグ中の含有上限値に徐々に迫って来ている．
技術的には砒素の分離・固定は可能であり，例えばスコロダイト(FeAsO4･ 2H2O)で固定する技術が確立している．し図14

マット粒子トラップ状態．

かしながらこの処理でコストが増大するばかりでなく，スコロダイトの保管場所・方法の問題も残る．チリでは精鉱を焙焼して砒素を揮発除去するプロセスが採用されているが，やはり除去後の処理法が問題となっている．
この問題の最も良い解決法は砒素の新規用途開発であり，例えば CdAs の半導体としての利用などが成されれば，不純物は一転して有価物化する．今後の新規用途開発を期待するところである．

図15

.

廃 LIB(リチウムイオン電池)リサイクルプロセス．

おわりに

本稿では，銅の需要を支える銅製錬の発達の歴史を整理リサイクル量の向上し，現在の銅製錬の問題点についてまとめた．
銅は今後も全世界的に需要が増加すると予測されている．

銅製錬では硫黄の燃焼熱並びに鉄の酸化熱が多量に発生

その安定供給のために，非鉄製錬各社は銅濃度低下，銅ロし，その熱をリサイクル品の熔融に利用することができる．

ス，リサイクル処理，不純物量増加といった技術課題の解決

このプロセスは大きなリサイクル設備ともいえる．国内ではを図っている．

年間15万 t の銅をスクラップとして回収しており，これは銅生産量の約 10に相当する．また，廃基板からの貴金属回金属学会の各位におかれては有害と言われる元素の新規用途開発を進めていただきたい．

収，シュレッダーダスト処理による銅回収なども盛んに行な文われている．

献

株 では廃リチウムイオン電池(LIB)
この他，住友金属鉱山

からの銅とニッケルのリサイクルを行っている(図)(7)．
製造工程内不良品や使用済みとなった廃 LIB を転炉に投入すると銅とニッケルはマット中に分配する．電解工程にて銅はメタルとして回収され，ニッケルは別途沈殿泥として濃縮される．この沈殿泥はニッケル工場で処理され，硫酸ニッケ
ルになる．この硫酸ニッケルを原料に正極材を作成し，バッテリー製造メーカーにて再び LIB 電池になる．このようなバッテリー to バッテリーの循環プロセスが成立している．
このように，非鉄製錬各社はリサイクルを積極的に行っており，その処理量は年々増加している．しかしながら，炉を( 1 ) Masuda Tsuna: KodoZuroku, Burndy Library, (1983).
( 2 ) 別子銅製錬技術研究会近世住友の銅製錬技術，泉屋博古館，(2017).
株 住友別子鉱山史編集委員会住友別子鉱山( 3 ) 住友金属鉱山
史，住友金属鉱山，(1991).
株 HP, (2019)( 4 ) 三菱マテリアル
https://www.mmc.co.jp/corporate/ja/business/metals/( 5 ) 吉村久美子愛媛県総合科学博物館研究報告， 7 ( 2002 ) , 23 86.
( 6 ) N. Kemori, et. al.: Metall. Trans. B, 20B(1989), 327336.
株 HP, (2017)( 7 ) 住友金属鉱山
http: // www.smm.co.jp / news / release / 2017 / 07 / post 1384.
html

傷めるために，ハロゲン物を含むスクラップの処理は不可で★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

あり，リサイクルならではの課題が生じている．現在，小坂
株 における銅精鉱を用いた TSL 炉による貴金属リサイ製錬
株 におけるロータリーキルンによるリクルや三菱マテリアル

サイクル炉のように，スクラップ処理に適した製錬処理プロセスが用いられ始めている．スクラップに応じたリサイクルプロセス開発がこれからの課題の一つである．


不純物処理

高橋純一

1985年 3 月 東北大学工学部金属工学科 修士課程修了
1985年 4 月 住友金属鉱山株式会社入社 金属事業本部 新居浜研究所勤務
1995年 7 月 エネルギー環境事業部 技術センター勤務
2001年 9 月 東北大学金属工学科 博士課程修了
2002年 5 月 現職
専門分野非鉄金属製錬プロセス開発◎非鉄各種製錬・金属リサイクル・海洋資源製錬プロ
セス等の開発と応用に従事．

★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★★

銅精鉱には多種多様な元素が含まれており，その中に有害ミ ニ 特 集