JPS61124538A - 自溶製錬炉用精鉱バ−ナ−の性能評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は自溶製錬炉において、精鉱と反応用空気又は酸
素富化空気（以下反応用気体と記す）を吹き込み溶錬反
応をさせる精鉱バーナーの性能の評価方法に関する。

〔従来の技術〕

自溶炉においては乾燥した精鉱、例えば銅精鉱を反応用
気体と共にリアクションシャフトの上部に設けられた精
鉱バーナーから吹き込み、瞬間的に精鉱を酸化熔融し銅
等の有価金属を鋏として濃縮する。この場合、精鉱と反
応用気体とが均一に混合し、リアクシコンシャフト中を
落下する極めて短時間のうちに均一な酸化反応が進行す
るようにすることが重要である。混合状態が悪く局部的
に未反応未溶解物が生成すると、これがリアクションシ
ャフト下部のセトラーに堆積して鼓の生成を妨げたり、
鋏湛度、鼓品位の大きな変動を生じたりして操炉上の困
難を招くのみならず、反応が集中して起る部分では局部
的加熱が起りリアクションシャフトの煉瓦を損傷するこ
とになり、また精鉱の酸化反応熱が充分利用できないた
め補助燃料の使用量が増加する結果を招く。

こ＼で精鉱の反応用気体との混合の状態は自溶炉に設け
られた精鉱バーナーの構造ならびにその使用状態即ち精
鉱バーナーの性能により大きく支配される。

従来、精鉱バーナーの性能を評価するには自溶炉の装入
物及び産出物の酸素の物質収支を調べることにより反応
用気体中の酸素の何％が精鉱の酸化反応に寄与したかを
示す酸素効率を求め、この値によって行なってきた。し
かしながらこの方法では装入物及び生成物に含まれる全
ての酸化物を定は評価しなければならず、分析技術、測
定誤差、解析に要する時間及び費用の点などで多くの問
題があり、且つ正確を期することは困難であった。

また煙灰発生率、雛温度と破温度の差等の実操業データ
ーにより精鉱バーナーの性能を評価する方法もあるが、
短期間の操業データーでは正しい結論を得ることは難か
しく、原料精鉱の変動その他操業条件を一定に維持する
ことは事実上不可能であって、バーナー性能の良否の絶
対的定量評価ができない問題点があった。

精鉱の装入景が少ない軽負荷操業で精鉱バーナーの性能
に余裕があるときには、シャフト部内の高さ方向の温度
分布を測定することによって、シャフト部の反応に必要
とする最低の高さを求めることによって精鉱バーナーの
性能を評価することも考えられるが、短時間で測定を終
わることが難かしく・またンヤフト内の冶金反応が高温
酸化反応であるため温度分布のみからシャフトの必要高
さ２求めることは非常に危険なことである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は精鉱バーナーの性能及び配置高さを従来のよう
に長期間の操業結果を待たずに判定しつる方法を供せん
とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

発明者等は自溶炉内部の高温酸化反応度応の進行度を表
わす指標として溶体中の酸素分圧を選び、この酸素分圧
を溶鋼中の酸素量の測定に近年用いられるようになった
安定化ジルコニアを固体電解質として用いた酸素濃淡電
池を内蔵した酸素プローブを用いて、シャフト部及びセ
トラー部の溶体中の酸素分圧を測定し、この値を一定温
度における酸素分圧に補正（以下この補正値を標準化酸
素分圧と云う）して、自溶炉内における標準化酸素分圧
の変化を詳細に検討したところ、シャフト部出口の標準
化酸素分圧の対数値とセトラー部の標準化酸素分圧の対
数値との比を求めることによって精鉱バーナーの性能を
定量評価できることを見出した。

しかしながらセトラー部の酸素分圧を測定することは、
後述するようにセトラー部天井より酸素プローブを挿入
する必要があり、測定が困難であること、及びこの値を
シャフト部直下のマット抜口から抜取ったマットの酸素
分圧で代用できることから本発明を次のように構成した
。

即ち、本発明は酸素濃淡電池を内蔵した酸素プローブを
用いて自溶炉内のシャフト下部空間を落下する溶融物液
滴中の酸素分圧及びセトラー部のシャフト直下のマット
抜口から抜取ったマット中の酸素分圧を測定し、これら
の値から標準化酸素分圧を求め、シャフト部の標準化酸
素分圧の値とマット中の標準化酸素分圧値の対数値の比
を求め、これを精鉱バーナーの性能の評価値とするもの
である。

以下本発明を更に詳細に説明する。

（イ）酸素分圧の測定方法 自溶炉内の製錬反応の条件下で実質上完全な酸素イオン
伝導を示す酸化物、例えば安定化ジルフニアｚｒｏ十Ｍ
ｇｏを固体電解質として用いて酸素濃淡電池（１）を構
成する。

ｐｔ／Ｐａ　（＋）／ｚｒｏ　＋Ｍｇｏ／ｐｏ　（ｎ）
／ｐｔ　（１）この酸素濃淡電池（１）の起電力Ｅは次
の（２）式で表わすことができる。

但し　Ｒ：ガス定数 Ｔ：絶対温度０Ｋ Ｆ：ファラデ一定数 ｐｏ２（１）：参照電極の示す酸素分圧Ｐｏ（１１）：
測定電極の示す酸素分圧こ＼で参照電極としては一定温
度において一定の酸素分圧を示すものであれば特に限定
されるものではないが、銅製錬においては精度的にＦｅ
−Ｆｅ０が優れている。

式（２）から明らかなように酸素ａ淡電池（１）の起電
力Ｅと温度Ｔが測定できれば参照電極の示す酸素分圧Ｐ
ｏ　（１）の値は既知 〔例えば参照電極がＦｅ−Ｆｅ０の場合はＲＴｌｎ、Ｐ
ｏ　（１）−−５２６８００＋　１２９．６　Ｔ　（Ｊ
　−ｍｏｌ−’　）となる〕 であるため測定電極の示す酸素分圧ｐｏ　（ＩＩ）を求
めることができる。

（ロ）酸素分圧の標準化方法 酸素濃淡電池によって測定される酸素分圧は温度によっ
て変化するので自溶炉内の各測定場所における酸素分圧
によって反応の進行度を推定しようとしても、各測定場
所における温度は一般的に異なるため、得られた酸素分
圧をある一定の温度（銅製錬においては例えば１２００
　ｔｌｌ”　、　１２５０　ｔ：’など）における酸素
分圧に標準化する必要がある。この標準化方法としては
反応系を構成する化合物成分間に成立する酸化還元反応
式より評価するのが一般的であり、本発明においては曖
および披の構成元素に多量の鉄を含むので次の反応式を
考えるのが良い。

・シＦｅ０（１）−１−０（ｇ）−２Ｆｅ　　Ｏ（１）
　　　　（３１（３）式の標準自由エネルギー変化ΔＧ
０（Ｔ）はＦｅｄ（ノーとを用いて次式のように表わす
ことができる。

従って測定温度Ｔ、における酸素分圧ＰＯ□（Ｔ、）を
標準温度Ｔ２における酸素分圧Ｐ０２（Ｔ２）に標準化
するには、温度で　とＴ　との変化では活量αＦｅｄ’
＋２ α　　が変化せず一定であると仮定すれば、（５）式か
ら次の（６）式が得られる。

従って測定温度Ｔ　１その温度における酸素分圧が求め
られれば（３）式の反応自由エネルギーΔＧ０は既知で
あるから、これらの値を（６）式に代入すると標準温度
Ｔ　における酸素分圧Ｐｏ（ｒ）を求めることができる
。

〔測定実験例〕

本発明において自溶炉のシャフト部およびセトラー部の
どの点で酸素分圧を測定するのが良いか？調査するため
にシャフト内及びセトラー部の各所で酸素分圧の測定分
試みた。第１図の炉縦断面図及び平面図に酸素分圧の測
定場所を示す。

自溶炉のシャフト部１の側壁にその高さを変えて上下Φ
ケ所の測定孔２．３．４．５を開け、シャフト内高さ方
向及び半径方向（シャフト半径３ｍの炉壁より夫々１ｍ
及び２ｍ中心寄りの位置）の標準化酸素分圧の変化を求
めた。またセトラー部６の酸素分圧としてはシャフト部
直下の被接ロア及びそれより下流側の披抜口８〜１２及
び暖出口１３．１４のうち１回の測定につき数個所を選
んで鼓及び媛中の酸素分圧の水平方向の変化を求めた他
、セトラー中央部の天井に設けた測定孔１５からセトラ
ー内溶体中の垂直方向の標準化酸素分圧の変化も調べた
。

第１図にシャフト部及び各マットホールでの標準化酸素
分圧の値をシャフト部入口からの距離に対応して示し、
第１表にはシャフト内の測定位置の差異による結果を示
す。士だ第３図には測定孔１５で測定したセトラー部の
溶体中の垂直方向の標準化酸素分圧の値企示す。

第　　１　　表 第１表の結果からシャフト部内では高さが同じであれば
半径方向では標準化酸素分圧には殆んど差がないことが
判る。但し、酸素プローブへの溶融物液滴の衝突毒が不
充分な場合にはＰＯが高めに測定される。従って、溶融
物液滴の空間密度が高い位置、即ち精鉱バーナーのバー
ナーコーンの直下方向（第１表の例ではシャフト炉壁か
ら半径方向へ２ｍ入った位置）での測定が好ましい。

また第１図のグラフは横軸としてシャフト部中心の頂上
を原点とし、そこから垂線を下し、溶体面からセトラー
部の下流に向って延長した線の距離を示したもので、図
中のマークは測定時期が同じときのものを同マークで示
しているが、シャフト部では下に行く程（図においては
右に行く程）標準化酸素分圧が減少するが、セトラー部
ではシャフト部直下からの距離に拘わらず標準化酸素分
圧はもはや殆んど変化していない。また第２図では第１
図の測定孔１５を利用してセトラー部の酸素濃度の深さ
方向変化を４回測定したものであるが、測定時点が同じ
であればセトラー部溶体内の鉛直方向の標準化酸素分圧
が殆んど変化しないことを示している。

以上の結果から製錬反応はシャフト部若しくはシャフト
部直下のセトラー部で終了しているものと考えられ、ま
た酸素分圧の測定領分標準化する温度は第１図に示した
ものは１２５０　Ｃ、第２図に示したものは１２００　
Ｃで行なったが、これらの標準化温度を変えても得られ
る傾向は変わるものではない。

従ってシャフト部下部とセトラー部の標準化酸素分圧の
差が小さい程精鉱バーナーの性能が良い、あるいは性能
に余裕があると判断され、これらの標準化酸素分圧を用
いて精鉱バーナーの性能を定量的に且つ絶対的に評価す
ることができる。セトラー部のマット抜ロア〜１２から
抜取られる皺は、抜き始めはその抜口周辺に滞留してい
るセトラー底部に近い破が排出されるが、逐次暖表面に
近い鍼が抜口に向って流れてくる傾向を示す。従って各
タップホールでの抜取後期の破はそのマット抜目位置で
のセトラー中の酸素分圧とほぼ同じ値を示すので直接炉
内セトラー部の溶体の酸素分圧を測定する代わりに抜取
った鼓の酸素分圧を測定することで代用特性とすること
ができる。

〔バーナー性能の評価〕

例えば第１図のシャフト部の測定孔５から酸素分圧を測
定し、またシャフト部直下の鼓抜ロアから抜取った鼓の
酸素分圧？測定して、夫々の標準化酸素分圧をＰＯ（Ｒ
／Ｓ）及びＰＯ（Ｓ／Ｔ）とする。

こ−で銅製錬の通常の操業では精鉱バーナーから供給さ
れる銅精鉱中には酸化物を含んだ繰返ダスト、銅滓粉を
含有しており、またシャフトを落下する溶融物液滴は下
に行く程被品位が上昇し、且つ一般には皺品位が高いと
ＰＯは高くなるのでシャフト下部に行くほどＰＯは高く
なるべきだが、実際には溶融物液滴に含まれる破中のＦ
ｅＳがダスト、鋼滓中の高級酸化物を還元してシャフト
の下部に行くに従ってＰＯを低下させている。

このような場合精鉱バーナーの性能ηは次のようにして
求める。

ηの値はθ〜１００の値を取り得るが精鉱バーナーの性
能はηの値が大きいほど良く、定量性を有しており、換
言すれば第１図のグラフで横軸のシャフト部上部からシ
ャフト部直下のセトラー部１８までの標準化酸素分圧の
傾斜が小さいほど性能が　、良いことになる。

ηを求めるときのシャフト部のＰＯの値Ｐｏ　（Ｒ／Ｓ
）はシャフト部の下部であって、セトラー部天井煉瓦と
のつなぎ目よりや＼上部で測定することが好ましく、ま
たセトラー部のＰＯの値ＰＯ□（Ｓ／Ｔ）はセトラー部
のどの皺の抜目の値も使用できるが、シャフト直下の被
接ロアの値が好ましい。

このηの望ましい値は標準化酸素分圧をシャフト部下部
及びシャフト部直下の皺抜口で測定した場合９５以上で
ある。

また絶対性については（力式で自溶炉における製錬反応
の最終状態を示す熱力学的示強変数ｌｏｇＰｏ□（Ｓ／
’Ｉ’）で標準化しているため、熱力学上及び操業上の
全ての変数について標準化されていると考えられる。

一方精鉱バーナーから供給される銅精鉱中に繰返ダスト
や銅滓粉のような高級酸化切分含有しない場合にはＰｏ
　　の値はシャフトの下部に行くほど上昇するので、こ
のようなときにはηはとして求める。

〔実施例〕

以下実施例（こついて説明する。

実施例１ 第３図（ａ、）に示す改良型精鉱、＜−ナーを４本シャ
フト部頂部に使用した場合と、第３図（ｂ）＆こ示す従
来型精鉱バーナ−３１本シャフト部頂部Ｇこ使用した場
合についての精鉱バーナーの性能を評価する方法につい
て説明する。

第３図Ｇ）に示す従来型精鉱バーナーは精鉱ツク−す一
本体２１の下部にベンチュリー状絞り部２２を有し、そ
の下方にはすそ拡がりになったノく−ナーコーン２３が
形成されている。精鉱ノく一ナ一本体２１の中央に管状
の精鉱シュート２４が下端をベンチュリー状絞り部２２
よりや一下方に突出するように垂設され、精鉱シュート
２４・の中心企貫通して重油バーナー２５が設けられ、
重油ノく一ナー２５の下端の開口はバーナーコーン２３
の出口付近に位置している。重油バーナー２５の精鉱シ
ュート２４の下端の出口より下方のバーナーコーン２３
の部分の外周には落下する精鉱を分散する分散コーン２
６が設けられている。送風管２７を通って精鉱バーナ一
本体２１内に供給される反応用空気が精鉱シュート２４
のベンチュリー状絞り部２２から精鉱シュート２４を通
って落下する精鉱に吹込まれるように構成されている。

第３図（ａ）に示す改良型精鉱バーナーは、第１図ら）
の従来型精鉱バーナーの精鉱シュー）　２４の内側の重
油バーナー２５を囲んで酸素吹込管２８を設けてあり、
酸素吹込管２８の出口部を精鉱シュート２４の中央より
下端寄りに設け、その中央部に開口面積調整スペーサー
２９を設けて開口面積をせばめ、開口部は酸素吹込管２
８の軸方向に対し４５゜に傾斜した１０枚の案内羽根３
０を設けである。重油バーナー２５の下端外周に取付け
た分散コーン２６の下端面は精鉱シュート２４の下端３
２と実質上同一高さの平面となっている。精鉱分散コー
ン２６の外周の円錐面の傾斜は、精鉱シュート２４の下
端３２内側とバーナーコーン２３の下端内側とを結ぶ線
と平行になっている。精鉱シュート２Φの下端外周には
流速調節コーン３３が吊りロッド３４により精鉱バーナ
一本体２１の上面より上下に位置を調節できるように止
め金具３５で係止されて吊り下げられている。流速調節
コーン３３の下半外面は、精鉱バーナ一本体２１の内面
と平行に形成されている。そして高濃度酸素の一部又は
全部を酸素吹込管２８を通し精鉱シュート２Φ内に旋回
流として吹込み、精鉱シュート２Φの下端３２からベン
チュリー状絞り部２２に供給する気体流速を８０〜２４
０　ｍ／ｓｅｃとしたものである。

両精鉱バーナーを使用した操業は夫々約１ケ月継続して
行ない、その期間の操業結果の平均値を示した。

一方精鉱バーナーの評価は夫々の操業の安定していると
きのごく短時間に求めた結果であるが、シャフト部ｌの
酸素分圧はシャフト部１内頂部から、暖間までの高さ８
ｍのうち頂部から５．０ｍ下った点で測定したものであ
り、またセトラー部６−の酸素分圧として１ま、シャフ
ト部１直下の皺抜ロアから抜取った鼓の抜き始めから１
０分後に測定した値を用いてηの値を求めた。

これらの結果を第２表に示す。

第　　２　　表 上表の結果から改良型バーナーの方が従来型バーナーに
比して優れており、ηによって精鉱バーナーの性能を定
量評価できたことが判る。

実施例２ 第３図（ａ）に示す改良型精鉱バーナーを使用し、精鉱
シュート２４より高濃度酸素を吹込んで全送風中の酸素
濃度を２７％で操業していた。このときの精鉱シュート
出口周囲のベンチュリー状絞り部２２に供給する空気の
流速は１１０ｍ／ｓであった。

また精鉱バーナーの性能評価値ηは実施例１と同様に測
定したところ９７％であった。

次いで精鉱シュート２４よりの酸素供給量を増して全送
風中の酸素濃度を３８％にしたところ精鉱シュート出口
周囲のベンチュリー状絞り部２２に供給する空気の流速
は６１　ｍ／ｓとなった。このときの精鉱バーナーの性
能評価値ηは９４％に低下した。そこで精鉱シュート外
側下部に設けられた流速調節コーン３３の位置を若干下
げて精鉱シュート出口周囲のベンチュリー状絞り部２２
に供給する空気の流速を１１０　ｍ／ｓになるようにし
たところ、再び測定したηの値は９７％と良好になった
。

これらの結果を第３表に示す。

第　　３　　表 〔発明の効果〕 以上の説明から明らかなように本発明によれば自溶製錬
用精鉱バーナーの性能が定量的に、短時間で且つ経済的
に評価できるので従来使用の精鉱バーナーに代えて新た
に設定した精鉱バーナーに取替えた場合、そのバーナア
が性能的に優れているか否かが簡単に評価でき、あるい
はその評価結果に基すいて富化酸素の富化方法や、精鉱
シュート出口周囲のベンチュリ一部に供給する空気の流
速を一定値以上に保つような操業条件の変更を行なって
精鉱バーナー性能を高水準に保つようにすることが可能
であり、また充分性能の優れた精鉱バーナーであればシ
ャフト内の測定点の位置をシャフト出口に近い高さより
も更に上の位置で測定した値をη評価の計算式に適用し
て尚且つ９７％以上の数値が得られればシャフト内での
冶金反応はそれ迄で実質上終了していることになり、シ
ャフト高さが短かく、エネルギー損失の少ない自溶炉の
設計に資することができる利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、自溶炉の酸素分圧の測定位置とその測定位置
で測定した酸素分圧をシャフト部入口からの距離に対応
して示した図、第２図はセトラー部の深さ方向酸素分圧
の変化を示した図、第３図（ａ）は本発明実施例に用い
た改良型精鉱バーナーの断面図、第３図（ｂ）は本発明
実施例に用いた従来型精鉱バーナーの断面図である。 １・・シャフト部、２．３．４．５．１５・・測定孔、
６・・セトラー部、−７，８，９，１０Ｘ１１．１２−
ｆｉｌｌｉｐ口、１３．１４・・媛出口、１６・・暖、
１７・・鼓、１８・・シャフト部直下のセトラー部、２
】・・精鉱バーナ一本体、２２・・ベンチュリー状絞り
部、２３・・バーナーコーン、 ２４・・精鉱シュート、２５・・ｆｆ１Ｍバーナー、２
６・・分散コーン、２７・・送風管、２８・・酸素吹込
管、２９・・開口面積調整スペーサー、３０・・案内羽
根、３１・・下端面、３２・・下端、３３・・流速調節
コーン、３÷・・吊りロンド、３５・・止め金具。 出願人　　住友金属鉱山株式会社 １″ 第１図 □シャフト部入口ｈ゛らの距駈 第３図 （α） ３１下端面 第３図 （ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）酸素濃度電池を内蔵した酸素プローブを用いて自
   溶炉内のシヤフト部下部の空間を落下する溶融物液滴中
   の酸素分圧及びセトラー部のシヤフト部直下のマット抜
   口から抜取つたマット中の酸素分圧を測定し、これらの
   値を一定温度における酸素分圧に標準化した後、これら
   二つの標準化酸素分圧の対数値の比を求め、これを精鉱
   バーナーの評価値とすることを特徴とする自溶製錬炉用
   精鋼バーナーの性能評価方法。