JP6696981B2 - プラズマ及び酸素ガス燃焼炉 - Google Patents

Description

本開示は、フレキシブルな酸化還元条件において金属を精錬及び分離するのに適した装置に関する。

酸素ガスバーナーは、複合冶金材のチャージ（投入材）を精錬するために乾式冶金において用いられている。この技術は、硫化物の供給材を金属及びＳＯ_２に変換する等の酸化条件を維持するのに非常に適している。また、この技術は、白金族金属ＰＧＭや銅等の還元し易い金属の還元等のために弱還元条件が必要とされる際にも有用である。しかしながら、鉄等の卑金属元素の還元は、酸素ガスバーナーの適用範囲外である。

強還元条件が必要とされる場合、バーナーは超希薄混合気で動作しなければならず、本質的にはＣＯを発生させ、ＣＯ_２をほとんど又は全く発生させない。結果として、バーナーガスの利用可能エンタルピーは非常に低く、炉の熱損失を補償するには不十分となり得て、及び／又は、酸化金属の還元等の吸熱反応を開始させるのに十分な熱を提供するには不十分となり得る。バーナーへの流量を増やすことはできるが、これは、バッグハウス及びポスト燃焼装置において処理されるガス量も増やす。

一方、プラズマバーナーは、超希薄混合気でもガス流量を比較的低く保ちながら非常に高い利用可能エンタルピーを生じさせるのに適している。しかしながら、プラズマバーナーには独自の欠点があり、一つの欠点は、多くの国においてむしろ高価なエネルギー源である電気の消費である。他の欠点は、高い損耗とその結果としてのメンテナンス費である。

冶金プロセスは、一連の酸化ステップ及び還元ステップを有することが多く、場合によっては相分離が介在する。典型的には、各ステップにおいて異なる炉が用いられ、溶融相又は固化相が炉から炉へ移される。そのため、各炉は、特定の酸化又は還元条件範囲で動作するように最適化される。

今回、酸素ガスバーナー及びプラズマバーナーの二つの技術を両立できるように組み込むことで、単一の装置がこれら両方を適切に備えることができることが見出された。これは、装置を何らかの方法で再構成する必要なく、酸素ガスモードとプラズマモードとの間のスムーズな移行を可能にする。実際には、必要であれば、両方のモードを同時に行うことができ、例えば、非常に高いエネルギーインプットが必要とされる場合に同時に行われる。更に、溶融浴を同じ炉内に保つことができ、連続的なプロセスステップを大幅に効率化することができる。

このため、一方が酸素ガスバーナーを備え、他方がプラズマバーナーを備えるという少なくとも二つのサブマージ羽口を介する熱ガスとして、エンタルピーが浴に直接導入される。２つよりも多くの羽口が設けられる場合には、バーナーの種類を組み合わせて、所望の冶金機能に合わせることができる。

羽口は、損耗及び破断を最少にするため短いことが好ましい。また、これは、低熱損失を保証する。浴の液面下において炉の壁に穴を開けて、羽口を水平に取り付けることができる。プラズマ又は酸素ガス燃焼のバーナーは、サブマージ可能位置（サブマージ位置とも呼ばれる）において炉の外に配置され、溶融物が逆流して深刻な損傷をもたらすことを防止するため、バーナーにガスを一定供給する必要がある。代わりに、羽口を角度を付けて取り付けることができ、浴内への吹き込みを行うが、バーナーを浴の液面の上方及び炉の外に配置することができる。この配置構成は、僅かに長い羽口をもたらすが、溶融物が炉内に逆流しないことを保証する。大型炉ではあまり推奨されないものであるが、羽口を垂直に配置することもできる。

本装置は、達成可能な酸化還元電位（ｐＯ_２）に関して特に多用途である。酸素ガスバーナーは溶融物内に補助酸素を導入するのに理想的に有用であり（リッチガス‐酸素混合気を加えることによって）、一方、プラズマバーナーは、補助還元剤の導入に理想的に適している（プラズマガスと共に天然ガスを加えることによって、又はプラズマの周りのシースガスとして導入することによって）。

本装置は、“都市鉱山”に集められたもの等のリサイクル材からなる冶金材のチャージを処理するのに特に適している。そのような供給材は極めて不均一であり、浴温度及び還元の両方を誘導するには実時間でのプロセス制御が必要とされる。二重バーナー炉の主な利点は、作業者に追加の自由度を与えることである。即ち、酸化還元電位に関係なく、エンタルピーのインプットを調整することができ、これは酸素ガスバーナー単独では実現不可能な利点である。電気プラズマ単独の使用は、還元条件におけるエンタルピーのインプットの問題を解決するが、正確なｐＯ_２にプロセスを導くことが難しい。即ち、浴に注入されるガス量が低く、結果として、ｐＯ_２がチャージの多種多様な特性によって影響される。本発明は、動作費用を軽減しながら、プラズマバーナー単独では達成が難しい利点を実現する。

これら二つのパラメータをより簡単に制御下に維持することができるプロセスが必要とされている。

このため、冶金材のチャージを精錬するための装置は、所定の高さまで溶融材のチャージを含むことができる浴炉を備えて設けられ、炉が、第一の熱ガスの発生のための少なくとも一つの非移行型プラズマトーチと、第二の熱ガスの発生のための少なくとも一つの酸素ガスバーナーと、前記所定の高さの下で第一及び第二の熱ガスを注入するためのサブマージ注入器とを備えることを特徴とする。

非移行型プラズマトーチは、電極が典型的には炭素製である移行型プラズマとは対照的である。炭素電極には、還元条件を固定して、設備の多用性を損なうという欠点がある。

サブマージ注入器とは、ガス源と注入点（注入点は浴の液面の下に位置し、つまりサブマージ位置にある）との間の接続パイプ又は羽口を意味する。これは、ガスと溶融物との直接接触を保証する。

非移行型プラズマトーチとは、プラズマトーチを用い、トーチユニット内部の電極間で電気アークが維持される熱ガス発生器を意味する。ガスは、入力ポートを介して流入室に入れられ、その流入室において電気アークが維持される。ガスは極端な温度に熱くなり、出力ポートを介してプラズマとして放出される。

酸素ガス（ｏｘｙｇａｓ）バーナーとは、炭素含有燃料と酸素含有ガスとを混合して燃焼させる熱ガス発生器を意味する。混合領域はバーナーユニット内部にあるが、燃焼領域は、ユニットの内部にあっても外部にあってもよい。

少なくとも一つのバーナー及び少なくとも一つのトーチを前記所定の高さの下に配置することが更に好ましい。この設定は非常に短い接続パイプを許容し、熱ガス発生器が炉の外において注入点の高さに配置可能となる。しかしながら、溶融物が発生器から溢れることを防止するための手段が必要とされる。注入器を介する連続的な保護ガス流を用いることができる。

想定される冶金は、プラズマトーチ及び酸素ガスバーナーによって多用な方法でエンタルピーが与えられることを要する。これら両方のシステムは、異なるプロセスステップにおいて必要とされる熱を伝えられることが望ましい。このため、酸素ガスバーナーの全公称エンタルピー（ＭＪ／ｓ単位）：プラズマトーチの全公称エンタルピーの比は、１：５から５：１であることが好ましい。同様に、酸素ガスバーナーに供給可能な全公称ガス流量：プラズマトーチに供給可能な全公称ガス流量の比は、１：１０から１０：１であることが好ましい。“公称”とは、名目上の最大値を意味する。

サブマージガス注入に対して溶融物が激しくはねることに対処するため、炉は直径に対して大きな高さを有することが望ましい。炉が直径ｄのシリンダー状の底面と高さｈを有するとすると、ｈ／ｄの比は４よりも大きいことが好ましい。

このような装置は、冶金分野における多様な精錬フローシートに対して有用である。

第一の実施形態では、本装置は冶金材のチャージを精錬するための以下の方法において使用可能であり、その方法は、遷移金属及びスラグ形成物を含む冶金材のチャージを炉に供給するステップと、酸素ガスバーナーを主エンタルピー源として用いてチャージを精錬することによって、遷移金属の第一の部分を備える合金と、遷移金属の第二の部分を備えるスラグとを形成するステップと、プラズマトーチを主エンタルピー源として用いて強還元条件でスラグを処理することによって、遷移金属の第二の部分をスラグから合金に移すことで、遷移金属の豊富な合金と、遷移金属が減ったスラグとを形成するステップと、合金と遷移金属が減ったスラグとをタッピング（出鋼）によって分離するステップとを備える。

第二の実施形態では、本装置は冶金材のチャージを精錬するための以下の方法において使用可能であり、その方法は、遷移金属及びスラグ形成物を含む冶金材のチャージを炉に供給するステップと、酸素ガスバーナーを主エンタルピー源として用いてチャージを精錬することによって、遷移金属の第一の部分を備える第一の合金と、遷移金属の第二の部分を備えるスラグとを形成するステップと、第一の合金をタッピングによって分離して、炉にスラグを残すステップと、プラズマトーチを主エンタルピー源として用いて強還元条件においてスラグを処理することによって、遷移金属の第二の部分をスラグから第二の合金に移すことで、遷移金属の豊富な第二の合金と、遷移金属が減ったスラグとを形成するステップと、第二の合金と遷移金属が減ったスラグとをタッピングによって分離するステップとを備える。

これら二つの実施形態は、“クリーンな”スラグ、つまり望ましくない元素の無いスラグを生成する。ＺｎやＣｄ等の揮発性元素をヒューミングによって抽出することができ、ＣｕやＣｏ等の不揮発性元素を合金相に移すことができる。適切な還元条件が両者において必要とされるが、達成すべきｐＯ_２に関して当業者には周知である。これらは、酸素含有ガスの流入を減らすことと、炭素含有種の流入とによって達成可能である。相の組成を分析することによって、条件の適合性を評価することができ、必要であれば修正される。このような分析は、プロセスの終了時に実時間で実行可能である。

第三の実施形態では、本装置は冶金材のチャージを精錬するための以下の方法において使用可能であり、その方法は、遷移金属及びスラグ形成物を含む冶金材のチャージを炉に供給するステップと、プラズマトーチを主エンタルピー源として用いて強還元条件でチャージを精錬することによって、遷移金属を備える合金と、遷移金属が減った第一のスラグとを形成するステップと、第一のスラグをタッピングによって分離して、炉に合金を残すステップと、酸素ガスバーナーを主エンタルピー源として用いて合金を処理することによって、遷移金属の一部を合金から第二のスラグに移すことで、遷移金属が部分的に減った合金と、遷移金属が豊富な第二のスラグとを形成するステップと、遷移金属が豊富な合金と第二のスラグとをタッピングによって分離するステップとを備える。

第三の実施形態は、還元とこれに次ぐ酸化との順での本装置の使用を記述する。最終的なスラグは“クリーン”ではなく、実際には、供給材の一部としてプロセスの第一ステップに再循環され得る。

主エンタルピー源とは、炉に供給される全エンタルピー（ＭＪ単位）の５０％よりも多くを提供する源を意味する。

上記プロセスでは、ガスがスラグ内に吹き込まれる高さにおいてサブマージ注入を行うことが好ましい。しかしながら、例えば、上記第三の実施形態に係る合金処理ステップを、合金内にガスを注入することによっても行うことができる。

この組み合わせは、深部還元、エンタルピーの十分なインプットを可能にし、非常に変化し易い供給材の場合であっても所望の条件を維持するのに十分な多用性を与える。

実施例：酸素ガスバーナー及びプラズマトーチを備えた炉でのＣｕ‐Ｎｉ‐Ｆｅ分離

表１に従う組成を有する焼成Ｃｕ‐Ｎｉ‐Ｆｅ濃縮物の６トンのバッチを、開放浴炉で処理して、経済的且つ効率的な方法でＣｕ及びＮｉを安定させる。浴炉は、一つのサブマージ羽口に接続された３ＭＷの非移行型プラズマトーチと、１．５ＭＷの酸素ガスバーナーが存在しているもう一つのサブマージ羽口とを備える。炉の内径は１．５ｍであり、利用可能な高さ（底部から供給ポートまで）は７ｍである。

第一ステップでは、酸素ガスバーナーを用いる１２００℃での弱還元条件を課して、濃縮物中に存在するＣｕの大半を還元して、スラグ相にＮｉ及びＦｅを集める。１２時間のバッチプロセスにおいて、上記濃縮物は、フラックス剤としての０．１トン／時の石灰石と共に、０．５トン／時で投入される。１２００℃の浴温度と０．７の適切なラムダで炉の熱バランスを維持するため、酸素ガスバーナーは２００Ｎｍ^３／時の天然ガスと２４０Ｎｍ^３／時の酸素を浴内に注入する。１２時間のバッチ後、略１６０ｋｇの第一の合金が形成され、５．８トンのＮｉ‐Ｆｅ含有スラグが形成される。各組成を表２及び表３に示す。

合金をタッピングして、酸素ガスバーナーをシャットダウンして、羽口を介して窒素の安全流を維持しながら、プラズマトーチを作動させて、Ｎｉ及びＦｅの回収用にスラグ浴を１５００℃まで加熱する。３時間のバッチ後、略１．６トンのＦｅ‐Ｎｉの第二の合金が得られ、４．１トンのクリーンなスラグが得られる。各組成を表４及び表５に示す。

プラズマトーチを、プラズマガスとしての７００Ｎｍ^３／時の空気と、５００Ｎｍ^３／時の天然ガスとの強還元条件で動作させて、注入ガスに対して０．３の平均ラムダを得る。このプロセスステップにおけるプラズマトーチの電力は２．３ＭＷである。液体スラグを維持するため、０．２トン／時の石灰石をスラグのクリーニングステップ中において加える。本実施例は、回収される多様な金属に応じて両方の加熱技術を用いることを例示している。

Claims (10)

1. 冶金材のチャージを精錬するための装置であって、所定の高さまで溶融材のチャージを含むことができる浴炉を備え、前記浴炉が、
   第一の熱ガスの発生のための少なくとも一つの非移行型プラズマトーチと、
   第二の熱ガスの発生のための少なくとも一つの酸素ガスバーナーと、
   前記所定の高さの下で前記第一の熱ガス及び前記第二の熱ガスを注入するためのサブマージ注入器とを備えることを特徴とする装置。
2. 前記少なくとも一つの酸素ガスバーナー及び前記少なくとも一つのプラズマトーチが前記所定の高さの下に位置する、請求項１に記載の装置。
3. 前記酸素ガスバーナーのＭＪ／ｓ単位での全公称エンタルピー：前記プラズマトーチの全公称エンタルピーの比が１：５から５：１である、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記酸素ガスバーナーに供給可能なＮＭ^３／ｓ単位での全公称ガス流量：前記プラズマトーチに供給可能な全公称ガス流量の比が１：１０から１０：１である、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記浴炉が、直径ｄの円形底面と高さｈの側壁とを有する略シリンダー形状を有し、ｈ／ｄの比が４よりも大きい、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 冶金材のチャージを精錬するための請求項１から５のいずれか一項に記載の装置の使用。
7. 請求項１から５のいずれか一項に記載の装置を用いて冶金材のチャージを精錬するための方法であって、
   遷移金属及びスラグ形成物を含む冶金材のチャージを前記浴炉に供給するステップと、
   前記酸素ガスバーナーを主エンタルピー源として用いて前記冶金材のチャージを精錬することによって、前記遷移金属の第一の部分を備える合金と、前記遷移金属の第二の部分を備えるスラグとを形成するステップと、
   前記プラズマトーチを主エンタルピー源として用いて強還元条件で前記スラグを処理することによって、前記遷移金属の第二の部分をスラグから合金に移すことで、遷移金属の豊富な合金と、遷移金属が減ったスラグとを形成するステップと、
   前記合金と前記遷移金属が減ったスラグとをタッピングによって分離するステップとを備える方法。
8. 請求項１から５のいずれか一項に記載の装置を用いて冶金材のチャージを精錬するための方法であって、
   遷移金属及びスラグ形成物を含む冶金材のチャージを前記浴炉に供給するステップと、
   前記酸素ガスバーナーを主エンタルピー源として用いて前記冶金材のチャージを精錬することによって、前記遷移金属の第一の部分を備える第一の合金と、前記遷移金属の第二の部分を備えるスラグとを形成するステップと、
   前記第一の合金をタッピングによって分離して、前記浴炉に前記スラグを残すステップと、
   前記プラズマトーチを主エンタルピー源として用いて強還元条件で前記スラグを処理することによって、前記遷移金属の第二の部分をスラグから第二の合金に移すことで、遷移金属の豊富な第二の合金と、遷移金属が減ったスラグとを形成するステップと、
   前記第二の合金と前記遷移金属が減ったスラグとをタッピングによって分離するステップとを備える方法。
9. 請求項１から５のいずれか一項に記載の装置を用いて冶金材のチャージを精錬するための方法であって、
   遷移金属及びスラグ形成物を含む冶金材のチャージを前記浴炉に供給するステップと、
   前記プラズマトーチを主エンタルピー源として用いて強還元条件で前記冶金材を精錬することによって、遷移金属を備える合金と、遷移金属が減った第一のスラグとを形成するステップと、
   前記第一のスラグをタッピングによって分離して、前記浴炉に前記合金を残すステップと、
   前記酸素ガスバーナーを主エンタルピー源として用いて前記合金を処理することによって、前記遷移金属の一部を合金から第二のスラグに移すことで、遷移金属が部分的に減った合金と、遷移金属が豊富な第二のスラグとを形成するステップと、
   前記合金と前記第二のスラグとをタッピングによって分離するステップとを備える方法。
10. 前記第一の熱ガス及び前記第二の熱ガスを前記スラグに注入するように前記サブマージ注入器が配置される、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。