JP6970044B2

JP6970044B2 - 銅製錬炉の操業方法

Info

Publication number: JP6970044B2
Application number: JP2018054884A
Authority: JP
Inventors: 浩行佐野; 在亨洪; 裕之佐久間; 悠紀相馬
Original assignee: Pan Pacific Copper Co Ltd
Current assignee: Pan Pacific Copper Co Ltd
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2038-03-22
Also published as: JP2019167570A

Description

本発明は、銅製錬炉の操業方法に関する。

近年、銅製錬で処理する原料は、銅精鉱主体の原料構成から高収益原料比率を増した原料（高マージン原料）へシフトしつつある。しかしながら、それに伴う操業悪化（スラグロス悪化）に対応できていなかった。高マージン原料の処理により、炉内でマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）主体の難溶融性物質の生成量が増加する。しかしながら、そのメカニズムについては特定されておらず、炉況悪化が生じた後の事後対応しかできなかった。また、原料調合を変更できない状況においては、他に有効な解決手段がないため、長期にわたる操業悪化を余儀なくされ、収益を大きく悪化させていた。

従来技術として、反応シャフトでの固気反応悪化により生じる過酸化スラグ（Ｆｅ_３Ｏ_４等）に起因する炉内埋まり、中間層増大などへの対応方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、当該技術は、事後対応の技術であることに加え、高マージン原料が増加した操業条件では効果が薄く、十分な対応策ではなくなっている。

そこで、出発原料に銑鉄などのＦｅメタルを含むＦｅメタル源を混合して反応シャフトに投入することで、Ｆｅメタルの還元効果によってＦｅＯの酸化を抑制し、スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３許容濃度を大きくし、複合酸化物（ＦｅＡｌ_２Ｏ_４）およびＦｅ_３Ｏ_４の生成を抑制する技術が開示されている（特許文献２参照）。

特開２００５−８９６５号公報特開２０１７−１５５２６０号公報

しかしながら、Ｆｅメタル源では酸素分圧低減効果が限定的である。銅製錬用原料のＳ／Ｃｕの上昇傾向により、カーボン等の炉内燃料の使用量も減っている。したがって、スラグの酸素分圧を十分に小さくすることは困難である。この場合、銅製錬用原料におけるＡｌ_２Ｏ_３品位の影響を受けやすく、スラグロスが発生しやすくなる。

本発明は上記の課題に鑑み、スラグロスを抑制することができる銅製錬炉の操業方法を提供することを目的とする。

本発明に係る銅製錬炉の操業方法は、銅精鉱を含む出発原料とともに反応ガスを銅製錬炉内に投入することで、マットとスラグとを生成する銅製錬炉の操業方法において、１２００℃以上、１３００℃以下の前記スラグにおけるＡｌ_２Ｏ_３比率が４．５ｍａｓｓ％以上、１０ｍａｓｓ％以下となる場合に、炭材を前記銅製錬炉内に投入することで、前記スラグの酸素分圧を１０^−８．０ａｔｍ以下に制御することを特徴とする。

上記銅製錬炉の操業方法において、前記出発原料に対して、前記炭材を０．５ｍａｓｓ％以上添加してもよい。

上記銅製錬炉の操業方法において、前記銅精鉱におけるＳ／Ｃｕは、０．８〜１．５としてもよい。

上記銅製錬炉の操業方法において、前記スラグの酸素分圧を１０^−９．５ａｔｍ以上に制御してもよい。

本発明に係る銅製錬炉の操業方法によれば、スラグロスを抑制することができる。

銅の製錬方法の一実施形態に使用する自溶炉の概略図である。（ａ）および（ｂ）は自溶炉を用いた銅製錬工程図である。スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３品位とスラグ中のＦｅ_３Ｏ_４品位との関係を示す図である。スラグ中のＡｌ_２Ｏ_３品位とスラグロスとの関係を示す図である。１２５０℃、ＦｅＯ−３３ｍａｓｓ％ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−２ｍａｓｓ％ＣａＯ−１ｍａｓｓ％ＭｇＯ系スラグにおけるＡｌ_２Ｏ_３品位と酸素分圧との関係を示す図である。図５と同系スラグのＡｌ_２Ｏ_３品位と温度との関係についての平衡計算結果を示す図である。スラグ酸素分圧が１０^−８．０ａｔｍ以下となるように炭材を添加した場合の、Ａｌ_２Ｏ_３品位とスラグロスとの関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（実施の形態）
図１は、銅の製錬方法の一実施形態に使用する自溶炉１００の概略図である。図１に示すように、自溶炉１００は、反応シャフト１０、セットラ２０およびアップテイク３０が順に配置された構造を有する。反応シャフト１０の上部には、精鉱バーナ４０が設けられている。

図２（ａ）および図２（ｂ）は、自溶炉１００を用いた銅製錬工程図である。まず、図２（ａ）で例示するように、精鉱バーナ４０から銅精鉱、溶剤、リサイクル原料等（以下、これらの固体原料を出発原料と称する）とともに、酸素を含む反応ガスが反応シャフト１０内に投入される。それにより、下記反応式（１）などにより銅精鉱が酸化反応を起こし、図２（ｂ）で例示するように、反応シャフト１０の底部でマット５０およびスラグ６０に分離する。なお、下記反応式（１）で、Ｃｕ_２Ｓ・ＦｅＳがマットの主成分に相当し、２ＦｅＯ・ＳｉＯ_２がスラグの主成分に相当する。溶剤として、珪酸鉱等が用いられている。
ＣｕＦｅＳ_２＋ＳｉＯ_２＋Ｏ_２→Ｃｕ_２Ｓ・ＦｅＳ＋２ＦｅＯ・ＳｉＯ_２＋ＳＯ_２＋反応熱（１）

反応ガスとして、例えば酸素富化空気を用いることができる。酸素富化空気とは、自然の大気よりも高い酸素濃度を有する空気のことである。例えば、酸素富化空気は、６０体積％〜９０体積％の酸素濃度を有する。それにより、銅精鉱に十分な酸化反応を生じさせることができる。

銅精鉱の成分は、例えば、Ｃｕ：２４ｍａｓｓ％〜３０ｍａｓｓ％、Ｆｅ：２３ｍａｓｓ％〜２８ｍａｓｓ％、Ｓ：２９ｍａｓｓ％〜３５ｍａｓｓ％、ＳｉＯ_２：７ｍａｓｓ％〜１２ｍａｓｓ％、Ａｌ_２Ｏ_３：３ｍａｓｓ％〜７ｍａｓｓ％である。また、Ｓ／Ｃｕは、０．８〜１．５、１．０〜１．４等の範囲にある。なお、Ｓ／Ｃｕは、近年の傾向から１．２５といった高い範囲となっている。

近年の銅精鉱中のＣｕ品位低下に伴い、Ａｌ_２Ｏ_３などの脈石成分量が増えている。Ａｌ_２Ｏ_３は、ＦｅＯと複合酸化物（ＦｅＡｌ_２Ｏ_４）を形成し、固体のマグネタイト（Ｆｅ_３Ｏ_４）に溶ける。この場合、Ａｌ_２Ｏ_３の存在により、固体のマグネタイトスピネル（以下、固体スピネルと称する）が生成され、Ｆｅ_３Ｏ_４が安定化する。その結果、溶湯においてＦｅ_３Ｏ_４の量が増える。図３は、スラグ６０中のＡｌ_２Ｏ_３品位と、スラグ６０中のＦｅ_３Ｏ_４品位との関係を示す図である。図３に示すように、スラグ６０中のＡｌ_２Ｏ_３品位の上昇に伴って、スラグ６０中のＦｅ_３Ｏ_４品位も上昇することが確かめられている。図３の結果に基づいて回帰分析を行った結果では、スラグ６０中Ａｌ_２Ｏ_３品位が４．５ｍａｓｓ％以上となる場合に、スラグ６０中Ｆｅ_３Ｏ_４品位が１０ｍａｓｓ％以上となる。なお、スラグ６０の温度は、１２００℃以上１３００℃以下である。

固体スピネルが存在すると、スラグ６０の流動性が低下し、スラグ６０中の懸垂マット量の増大により、スラグロスが大きくなる。図４は、スラグ６０中のＡｌ_２Ｏ_３品位とスラグロスとの関係を示す図である。図４の縦軸は、スラグロスを０から１００に規格化した数値を表している。図４に示すように、スラグ６０中のＡｌ_２Ｏ_３品位の上昇とともに、スラグロスが大きくなることが確かめられている。これは、スラグ６０中のＡｌ_２Ｏ_３品位が大きくなることで、スラグ６０中の固体スピネル品位が大きくなるからである。図４の結果に基づいて回帰分析を行った結果では、スラグ６０中Ａｌ_２Ｏ_３品位が４．５ｍａｓｓ％以上となる場合に、スラグロスが１．０％以上となる。図３および図４の結果から、スラグロスを１．０％以下とするためには、スラグ６０中のＦｅ_３Ｏ_４品位が１０ｍａｓｓ％以下であることが必要であると導くことができる。

図５は、１２５０℃、ＦｅＯ−３３ｍａｓｓ％ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−２ｍａｓｓ％ＣａＯ−１ｍａｓｓ％ＭｇＯ系スラグにおけるＡｌ_２Ｏ_３品位と酸素分圧との関係を示す図である。図６は、同系スラグのＡｌ_２Ｏ_３品位と温度との関係についての平衡計算結果を示す図である。

表１の組成のスラグについてスラグ６０中の酸素分圧を実測したところ、１２５０℃に基準化した値で１０^−７．７ａｔｍであった。また、スラグ６０におけるＡｌ_２Ｏ_３品位が４．５５ｍａｓｓ％であることから、図５の「●」の位置にプロットされる。また、スラグ６０の温度を測定したところ、１２６０℃であった。したがって、図６の「●」の位置にプロットされる。表１の組成のスラグは、溶融スラグの領域に位置するが、「溶融スラグ＋固体スピネル」領域との境界線近くに位置している。スラグ６０中の固体スピネルは、ＦｅＯ・（Ｆｅ，Ａｌ）_２Ｏ_３を主体としており、スラグ６０中に存在するとスラグ流動性悪化の要因となる。したがって、「溶融スラグ＋固体スピネル」領域との境界線に対してより離れた位置にあることが好ましい。

Ａｌ_２Ｏ_３品位が１０ｍａｓｓ％以下である場合、わずかな酸素分圧の上昇により、固体スピネルが生成しやすくなる。表１のスラグでも、酸素分圧が上昇した場合には、「溶融スラグ＋固体スピネル」の領域に入る。逆に、酸素分圧を低下させることにより、図６に示すように、スラグ融点が低下し流動性の高いスラグとなり、懸垂Ｃｕロスの低減によるスラグロスの低減が期待できるようになる。

図６の結果から、スラグ６０中のＡｌ_２Ｏ_３品位が４．５ｍａｓｓ％以上となる場合において、スラグ６０中の酸素分圧を１０^−８．０ａｔｍ以下とすることで、スラグ６０を十分に溶融スラグ領域に留めることができる。例えば、スラグ６０の温度が１２５０℃程度でもスラグ６０を溶融スラグ領域に留めることができる。そこで、本実施形態においては、スラグ６０の酸素分圧を１０^−８．０ａｔｍ以下に制御する。

そこで、特許文献２のように、溶湯とＦｅメタルとを共存させることで酸素分圧を低下させることが考えられる。しかしながら、Ｆｅメタルによる還元効果は限定的であり、スラグ６０の酸素分圧を１０^−８．０ａｔｍ以下にすることは困難である。特に、銅精鉱のＳ／Ｃｕは上昇傾向にあり、銅精鉱の酸化反応によって熱が得られるため、カーボンなどの燃料の使用量も低減されている。例えば、銅精鉱におけるＳ／Ｃｕは、１．０〜１．４などの高い値となっている。したがって、スラグ６０の酸素分圧を１０^−８．０ａｔｍ以下にすることは困難である。また、Ｆｅメタルを多量に反応シャフト１０に投入すると、炉底コーティング層を還元し、炉底温度が上昇するおそれがある。

そこで、本実施形態においては、スラグ６０中のＡｌ_２Ｏ_３品位が４．５ｍａｓｓ％以上である場合に、炭材添加によって酸素分圧を１０^−８．０ａｔｍ以下に制御する。スラグ６０中のＡｌ_２Ｏ_３品位が４．５ｍａｓｓ％以上になるか否かは、出発原料の組成から予め把握することができる。したがって、予め出発原料に炭材を混合しておくことができる。または、出発原料の投入後に、炭材を投入してもよい。例えば、出発原料に対する炭材添加率を０．５ｍａｓｓ％以上とすることによって、酸素分圧を１０^−８．０ａｔｍ以下にすることができる。一方、酸素分圧が低すぎると、不純物がマット５０への分配比率が高くなるおそれがある。この場合、銅製錬により得られる銅アノードにおける不純物品位の上昇による電解操業への影響や、電気銅の不純物基準オーバーが懸念される。そこで、スラグ６０の酸素分圧は、１０^−９．５ａｔｍ以上であることが好ましい。なお、炭材の添加比率とは、（炭材添加量）／（炭材添加量＋出発原料投入量）×１００ｍａｓｓ％のことである。

（実施例）
上記実施形態に従って、銅製錬炉の操業を行った。炭材添加量は、スラグ６０中の酸素分圧が１０^−８．０ａｔｍ以下となる量とした。その結果、炭材添加量を銅製錬用原料に対して０．５ｍａｓｓ％以上とすることで、スラグ６０中の酸素分圧が１０^−８．０ａｔｍ以下となることが確認された。なお、スラグ６０の温度は、１２４０℃〜１３００℃に制御した。

図７は、スラグ６０中の酸素分圧が１０^−８．０ａｔｍ以下となるように炭材を添加した場合の、Ａｌ_２Ｏ_３品位とスラグロスとの関係を示す図である。図７の縦軸は、図４と同様に、スラグロスを０から１００に規格化した数値を表している。なお、図４との比較のため、図４の回帰直線を描いてある。図７で示すように、この回帰直線と比較することで、炭材添加時にはスラグロスが低減されていることがわかる。これは、スラグ６０中のＡｌ_２Ｏ_３品位が４．５ｍａｓｓ％以上であっても、スラグ６０中の酸素分圧を１０^−８．０ａｔｍ以下としたことで、固体スピネルの生成が抑制されたからであると考えられる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０反応シャフト
２０セットラ
３０アップテイク
４０精鉱バーナ
５０マット
６０スラグ
１００自溶炉

Claims

銅精鉱を含む出発原料とともに反応ガスを銅製錬炉内に投入することで、マットとスラグとを生成する銅製錬炉の操業方法において、
１２００℃以上、１３００℃以下の前記スラグにおけるＡｌ_２Ｏ_３比率が４．５ｍａｓｓ％以上、１０ｍａｓｓ％以下となる場合に、炭材を前記銅製錬炉内に投入することで、前記スラグの酸素分圧を１０^−８．０ａｔｍ以下に制御することを特徴とする銅製錬炉の操業方法。
前記出発原料に対して、前記炭材を０．５ｍａｓｓ％以上添加することを特徴とする請求項１記載の銅製錬炉の操業方法。
前記銅精鉱におけるＳ／Ｃｕは、０．８〜１．５であることを特徴とする請求項１または２に記載の銅製錬炉の操業方法。
前記スラグの酸素分圧を１０^−９．５ａｔｍ以上に制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の銅製錬炉の操業方法。