銅製錬における転炉スラグの乾式処理方法及びシステム
【課題】銅製錬において転炉から排出されるスラグを製鉄原料に変換するためのシステムを提供する。
【解決手段】銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理システムであって、転炉スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分を加熱還元するとともに、スラグ中に含まれるＦｅ3Ｏ4をＦｅＯまで加熱還元するための還元炉と、揮発した還元亜鉛を除去するために還元炉に設けられた排気手段と、還元銅をスラグから沈降分離するためのセットリング炉と、還元炉から排出されたスラグをセットリング炉へ移送するための溶体樋と、沈降分離した還元銅をセットリング炉から抜き取るための粗銅樋と、を備えたシステム。
【解決手段】銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理システムであって、転炉スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分を加熱還元するとともに、スラグ中に含まれるＦｅ3Ｏ4をＦｅＯまで加熱還元するための還元炉と、揮発した還元亜鉛を除去するために還元炉に設けられた排気手段と、還元銅をスラグから沈降分離するためのセットリング炉と、還元炉から排出されたスラグをセットリング炉へ移送するための溶体樋と、沈降分離した還元銅をセットリング炉から抜き取るための粗銅樋と、を備えたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅製錬において転炉から排出されるスラグを乾式処理する方法及びシステムに関する。とりわけ、本発明は、銅製錬において転炉から排出されるスラグを製鉄原料に変換するための乾式処理方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
銅製錬の一般的手順は以下である。原料となる銅精鉱を自溶炉で酸化反応させ、銅品位約６８％のマットと、酸化鉄及び珪酸を主成分とする自溶炉スラグとを生成させ、これらを分離する。その後、マットを転炉に装入し、銅品位約９９％の粗銅と珪酸系酸化鉄を主成分とする転炉スラグとを生成させ、これらを分離する。粗銅は精製炉において更に銅純度を上げたアノードに鋳造し、このアノードを電解精製し、電気銅に仕上げる。
【０００３】
一方、転炉スラグは、固化してから粉砕し、その後浮選により銅分を回収するスラグ選鉱法が主として採用されている（資源素材学会誌、「資源と素材」１９９３．１２，Ｖｏｌ １０９「非鉄製錬号」第９５４，９６５頁，「資源と素材」１９９７，１２，Ｖｏｌ．１１３「リサイクリング大特集号」第９９６頁左欄、最終パラグラフ）。スラグ選鉱工程では、Ｃｕ品位の高いスラグ銅精鉱（約２５％Ｃｕ）とＣｕ品位の低い鉄精鉱（約０．６％Ｃｕ）に分離され、スラグ銅精鉱は自溶炉に繰り返して処理し、鉄精鉱は主にセメント原料としてリサイクルすることができる。
【０００４】
また、溶融状態の転炉スラグ中に含まれる酸化銅及びＦｅ3Ｏ4をコークス、石炭等の固体還元剤または、気体、液体の還元剤をスラグ中に吹込んで還元し、銅品位１％以下の脱銅スラグと粗銅を得るスラグの処理法が特開昭５３−２２１１５号公報に記載されている。
【０００５】
チリのＣｏｄｅｌｃｏ社、Ｃａｌｅｔｏｎｅｓ製錬所では、溶融状態の転炉スラグ中に微粉炭を吹き込み、スラグ中のマグネタイトを還元してスラグ中の銅分を回収する方法が実用化されている（Ｒｏｌａｎｄｏ Ｃａｍｐｏｓ ａｎｄ Ｌｕｉｓ Ｔｏｒｒｅｓ， ＣＡＬＥＴＯＮＥＳ ＳＭＥＬＴＥＲ：ＴＷＯ ＤＥＣＡＤＥＳ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ， Ｔｈｅ Ｐａｕｌ Ｅ． Ｑｕｅｎｅａｕ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， Ｏｎｔａｒｉｏ， ＣＡＮＡＤＡ（１９９３））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５３−２２１１５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】資源素材学会誌、「資源と素材」１９９３． １２， Ｖｏｌ １０９「非鉄製錬号」第９５４， ９６５頁
【非特許文献２】「資源と素材」１９９７，１２，Ｖｏｌ．１１３「リサイクリング大特集号」第９９６頁左欄、最終パラグラフ
【非特許文献３】Ｒｏｌａｎｄｏ Ｃａｍｐｏｓ ａｎｄ Ｌｕｉｓ Ｔｏｒｒｅｓ， ＣＡＬＥＴＯＮＥＳ ＳＭＥＬＴＥＲ：ＴＷＯ ＤＥＣＡＤＥＳ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ， Ｔｈｅ Ｐａｕｌ Ｅ． Ｑｕｅｎｅａｕ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， Ｏｎｔａｒｉｏ， ＣＡＮＡＤＡ（１９９３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、我が国のセメント業界が縮小傾向にあり、転炉スラグを特許文献１に記載のようなスラグ選鉱法で処理して得られる鉄精鉱のリサイクル先の確保が困難となりつつあることから、転炉スラグの新たなリサイクルルートが望まれる。この点、転炉スラグは鉄分を約５０質量％含んでおり、製鉄原料として利用できる可能性があるが、転炉スラグは銅分を約４質量％、亜鉛分を約２質量％含んでおり、製鉄原料として利用するには銅品位及び亜鉛品位が高すぎる。スラグ選鉱法で処理して得られる鉄精鉱であっても、銅分を約０．６質量％、亜鉛分を約２．５質量％含んでおり、やはり製鉄原料として利用するには銅品位及び亜鉛品位が高い。製鉄原料として利用するためには銅分が０．３質量％以下、亜鉛分が１質量％以下とすることが望まれる。特許文献２や特許文献３に記載の方法で転炉スラグを処理した場合も、やはり銅分及び亜鉛分の品位が高く、製鉄原料としては不適である。
【０００９】
そこで、本発明は銅製錬において転炉から排出されるスラグを製鉄原料に変換するための処理方法及びシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、亜鉛製錬に一般に適用されるスラグフューミング法を採用して還元炉でスラグから亜鉛を揮発除去する一方で銅を還元し、次いで、還元炉内で、又は還元炉に直列配列されたセットリング炉にスラグを移行した上でセットリング炉内で、銅を沈降させて還元粗銅とスラグに分離するスラグの処理方法を創作した。本方法により、転炉スラグを、銅品位及び亜鉛品位が製鉄原料として利用可能なレベルにまで低下したスラグへ変換することが可能となる。また、銅の沈降分離を還元炉ではなくセットリング炉で別途行うことで、転炉スラグの連続処理が可能となる。
【００１１】
一般に、スラグフューミング法は、溶融状態のスラグを加熱還元してスラグ中のＺｎ、Ｐｂ、Ａｓ等の金属を揮発させるもので、例えば、ガス吹き込み用のランス又は炉下部に羽口を備えた還元炉を用いる。炉内に装入したスラグにランス又は羽口の先端から還元剤（例：プロパンガスや重油）と燃焼用空気を噴出させることにより、スラグ中の金属を還元・揮発する処理である。処理後のスラグは炉底部から抜き出され、揮発金属は炉頂部から回収される。
【００１２】
スラグフューミング法は亜鉛製錬におけるスラグ処理では一般的であるが、本発明のように銅製錬の転炉スラグ処理に適用されることは従来なかったし、その必要性もなかった。従って、本発明はスラグフューミング法を銅製錬の転炉スラグ処理に適用した点に大きな特徴がある。また、還元炉から抜き出されたスラグをセットリング炉に移送し、ここで還元銅の沈降分離及び銅回収を行う実施態様では、転炉スラグの連続処理が可能になり、実装業上極めて有利である。
【００１３】
従って、本発明は一側面において、銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理方法であって、転炉スラグを還元炉に装入し、還元炉において、該スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分の加熱還元と、還元亜鉛の揮発除去とを行うことを含む方法である。
【００１４】
本発明は別の一側面において、銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理方法であって、転炉スラグを還元炉に装入し、還元炉において、該スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分の加熱還元と、還元亜鉛の揮発除去と、還元銅のスラグからの沈降分離とを行うことを含む方法である。
【００１５】
本発明は更に別の一側面において、銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理方法であって、転炉スラグを還元炉に装入し、還元炉において、該スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分の加熱還元と、還元亜鉛の揮発除去とを行い、次いで、還元銅をスラグと共に還元炉からセットリング炉へ移送し、セットリング炉内で還元銅のスラグからの沈降分離を行うことを含む方法である。
【００１６】
本発明に係る方法の一実施態様においては、還元銅をスラグから沈降分離した後のスラグを破砕処理することを更に含む。
【００１７】
本発明に係る方法の別の一実施態様においては、還元炉において、スラグ中に含まれるＦｅ3Ｏ4をＦｅＯまで加熱還元することを更に含む。
【００１８】
本発明に係る方法の更に別の一実施態様においては、転炉スラグを溶融状態で保持し、還元炉へ供給する転炉スラグの供給量の調節を行うための保持炉から、転炉スラグが還元炉に装入される。
【００１９】
本発明は更に別の一側面において、
銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理システムであって、
転炉スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分を加熱還元するための還元炉と、
揮発した還元亜鉛を除去するために還元炉に設けられた排気手段と、
沈降分離した還元銅を還元炉から抜き取るための抜取手段と、
を備えたシステムである。
【００２０】
本発明に係るシステムの一実施態様においては、スラグの破砕処理手段と、還元炉から排出されたスラグをスラグの破砕処理手段へ移送するための移送手段を更に備える。
【００２１】
本発明は更に別の一側面において、銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理システムであって、
転炉スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分を加熱還元するための還元炉と、
揮発した還元亜鉛を除去するために還元炉に設けられた排気手段と、
還元銅をスラグから沈降分離するためのセットリング炉と、
還元炉から排出されたスラグをセットリング炉へ移送するための移送手段と、
沈降分離した還元銅をセットリング炉から抜き取るための抜取手段と、
を備えたシステムである。
【００２２】
本発明に係るシステムの一実施態様においては、スラグの破砕処理手段と、セットリング炉から排出されたスラグをスラグの破砕処理手段へ移送するための移送手段を更に備える。
【００２３】
本発明に係るシステムの更に別の一実施態様においては、転炉スラグを溶融状態で保持し、還元炉へ供給する転炉スラグの供給量の調節を行うための保持炉と、保持炉から排出された転炉スラグを還元炉に移送するための移送手段とを更に備える。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、転炉スラグを、銅品位及び亜鉛品位が製鉄原料として利用可能なレベルにまで低下したスラグへ連続的に変換することが可能となる。また、スラグからの銅回収効率を高めることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】転炉スラグの連続処理システムの一発明例を示す。
【図２】転炉スラグのバッチ処理システムの一発明例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明に係る転炉スラグの処理方法及びシステムの実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００２７】
一般に、銅製錬工程において転炉から排出されるスラグの組成は、鉄分（主にＦｅ3Ｏ4やＦｅＯとして）：５０〜６０質量％、ケイ素分（主にＳｉＯ2として）：２０〜２５質量％、銅分（主にＣｕＳあるいはＣｕ2ＯやＣｕＯとして）：３〜５質量％、亜鉛分（主にＺｎＯとして）：３〜６質量％、アルミニウム分（主にＡｌ2Ｏ3として）：１〜３質量％である。
従って、本発明において、「転炉スラグ」とは、実際に銅製錬における転炉から排出されるスラグのみならず、銅製錬における転炉スラグと同様の組成を有するスラグも指す。例えば、銅製錬の自溶炉スラグ中には原料鉱石及び溶剤の珪酸鉱に由来するＡｌ2Ｏ3が３〜５％程度含まれており、製鉄原料として利用するにはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）品位が高すぎる。しかしながら、原料鉱石及び珪酸鉱中のアルミナ品位が低く、自溶炉スラグ中のアルミナ品位が低い場合には本発明を適用することができる。
【００２８】
連続処理システム
まず、転炉スラグを連続処理するシステムについて説明する。図１を参照すると、転炉（図示せず）から１２５０〜１３３０℃の溶融状態で受入樋１に流入したスラグは、溶融状態を保ったまま保持炉２へ導入される。保持炉２へのスラグの導入は溶融状態でなくてもよく、例えば、ホッパーで粒状のスラグを受け入れ、それを保持炉２に導入することもできる。保持炉２に導入されたスラグは溶融状態が維持される。保持炉２は還元炉４へのスラグの供給量を調節するための役割を果たす。例えば、還元炉４に常に一定流量のスラグを供給することでスラグ処理システムの安定的な連続操業を支援する。
【００２９】
保持炉２を出たスラグは溶融状態でスラグ樋３を通って還元炉４に装入される。還元炉４では、スラグ中の亜鉛分及び銅分その他の金属成分が還元される。また、スラグ中にはマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）もかなりの量で含まれるが、これがＦｅＯに還元されることで、スラグの粘性を下げることができる。スラグの粘性が下がると、スラグ中に懸垂している還元銅が沈降分離しやすくなり、次工程での銅の回収率が高まる。
【００３０】
還元剤としては、限定的ではないが、コークス及び石炭などの固体炭素質還元剤、水素及び炭化水素（メタン、エタン、プロパン、ブタンなど）などの気体還元剤、石油及び重油などの液体還元剤が挙げられる。典型的にはＬＰＧを使用することができる。還元剤は、還元炉４内に装入したスラグに炉頂部から挿入したランス６の先端から燃焼用空気と共に噴出させる上吹き込み方法が好ましい。これにより、還元炉４内で溶融しているスラグが強攪拌され、スラグと還元剤の反応効率を高めることが可能となる。ランスの先端はスラグ内に浸漬してもよい。還元剤の供給は炉底部に設けた羽口を利用することもできる。また、還元剤の導入流量や還元時間を増大させることで、還元反応効率を高めることができる。すなわち、スラグ中の亜鉛品位や銅品位を低下させることができる。
【００３１】
還元炉４では、例えば、還元剤としてプロパンを使用した場合、以下のような還元反応が起きる。
１０Ｃｕ2Ｏ ＋ Ｃ3Ｈ8 → ２０Ｃｕ ＋ ３ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2Ｏ
１０ＺｎＯ ＋ Ｃ3Ｈ8 → １０Ｚｎ ＋ ３ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2Ｏ
１０Ｆｅ3Ｏ4 ＋ Ｃ3Ｈ8 → ３０ＦｅＯ ＋ ３ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2Ｏ
【００３２】
還元された亜鉛はスラグ相から揮発し、他の揮発成分あるいは微細なスラグ粒子と共にスラグフューミングとして煙突６から排出される。煙道の途中にはバグフィルター７が設置されており、これによって亜鉛は回収することができる。また、排ガス温度を低下させる目的で、煙道に冷却水を噴霧したり、水冷塔（図示せず）を設置したりすることもできる。還元亜鉛は煙突６への移動途中で空気等によって酸化し、酸化亜鉛として回収することもできる。スラグフューミングダスト中には鉛も含まれるのが通常である。
【００３３】
還元反応後、還元銅を含むスラグは還元炉４から排出されると溶体樋８を通って溶融状態のままセットリング炉９へ導入される。還元銅はここでスラグとの比重差によって沈降分離する。沈降分離を還元炉４で行わず、セットリング炉９を別に設けて行うことにより、連続操業が可能となる。沈降分離の時間を長くすることで沈降分離の効率を高め、スラグ中の銅品位を低下させることができる。逆に言えば、銅の回収効率を高めることができる。
【００３４】
沈降分離後、還元銅は粗銅樋１０を通って抜き出される。還元銅は６０〜８０質量％の銅品位を有することができ、転炉に繰り返すことができる。一方、還元銅が分離されたスラグはスラグ樋１１を通ってスラグ破砕設備１２へと移送され、利用しやすい適度な粒度に破砕される。破砕設備としては、限定的ではないが、例えば、水砕機、破砕機、摩砕機等の組み合わせなどが挙げられる。
【００３５】
以上の工程を経ることで、スラグ中の銅品位を０．３質量％以下に、亜鉛品位を１％以下に低下させることが可能である。そのため、本発明によって処理されたスラグは製鉄原料として利用可能である。
【００３６】
本実施形態では、転炉スラグを連続処理することができる。そのため、システムの連続運転中は、炉内での還元反応及び還元亜鉛の揮発除去、セットリング炉での還元銅の沈降分離、スラグ破砕設備でのスラグの破砕処理は同時進行することができる。
【００３７】
バッチ処理システム
次に、転炉スラグをバッチ処理するシステムについて説明する。図２を参照すると、転炉（図示せず）から１２５０〜１３３０℃の溶融状態で受入樋１に流入したスラグは、溶融状態を保ったまま還元炉４に装入される。還元炉４では、スラグ中の亜鉛分及び銅分その他の金属成分が還元される。使用可能な還元剤や還元炉４内での還元反応は連続処理システムの場合と同様である。還元された亜鉛の回収についても連続処理システムの場合と同様である。
【００３８】
還元反応後、還元銅は還元炉４内で沈降分離する。沈降分離後、還元銅は粗銅樋１０を通って抜き出される。一方、還元銅が分離されたスラグはスラグ樋１１を通ってスラグ破砕設備１２へと移送され、利用しやすい適度な粒度に破砕される。処理スラグは製鉄原料として利用可能である。還元炉は並列に複数基設置してもよい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例は例示目的であって発明が限定されることを意図しない。
【００４０】
試験１（るつぼ試験）
銅製錬の転炉から排出されたスラグ１．１ｋｇを窒素雰囲気中でるつぼに入れ、１２５０℃に加熱してスラグを溶融した。次いで、るつぼにプロパンガスを８．２５Ｌ／ｈｒ、空気を８．２５Ｌ／ｈｒで１時間吹き込み、スラグ中の銅、亜鉛及びマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）の還元反応を行った。反応中、生成した還元亜鉛はるつぼの開口部から自然に揮発除去された。その後、生成した還元銅をセットリングして、スラグから分離した。
試験前後での、転炉スラグ中の銅品位及び亜鉛品位の変化を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
試験２（模擬実装業試験１）
上記のるつぼ試験結果からみて、図１に記載のシステムを構築して一定の条件で連続操業したときに想定される処理結果の計算結果を表２に記載する。模擬操業条件は以下とした。
還元炉寸法：φ３ｍ×８ｍ（５６ｍ3）
溶湯温度：１２５０℃
還元時間：１時間
還元剤：ＬＰＧ（４３６ｋｇ／ｈｒ）＋空気（３，１７８Ｎｍ3／ｈｒ）
セットリング時間：１時間
【００４３】
【表２】
【００４４】
試験３（模擬実装業試験２）
上記のるつぼ試験結果からみて、図１に記載のシステムを構築して別の条件で連続操業したときに想定される処理結果の計算結果を表３に記載する。模擬操業条件は以下とした。
還元炉寸法：φ３ｍ×８ｍ（５６ｍ3）
溶湯温度：１２５０℃
還元時間：１時間
還元剤：重油（６０５ｋｇ／ｈｒ）＋空気（３，８８３Ｎｍ3／ｈｒ）
セットリング時間：１時間
【００４５】
【表３】
【符号の説明】
【００４６】
１ 受入樋
２ 保持炉
３ スラグ樋
４ 還元炉
５ ランス
６ 煙突
７ バグフィルター
８ 溶体樋
９ セットリング炉
１０ 粗銅樋
１１ スラグ樋
１２ スラグ破砕設備
【技術分野】
【０００１】
本発明は、銅製錬において転炉から排出されるスラグを乾式処理する方法及びシステムに関する。とりわけ、本発明は、銅製錬において転炉から排出されるスラグを製鉄原料に変換するための乾式処理方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
銅製錬の一般的手順は以下である。原料となる銅精鉱を自溶炉で酸化反応させ、銅品位約６８％のマットと、酸化鉄及び珪酸を主成分とする自溶炉スラグとを生成させ、これらを分離する。その後、マットを転炉に装入し、銅品位約９９％の粗銅と珪酸系酸化鉄を主成分とする転炉スラグとを生成させ、これらを分離する。粗銅は精製炉において更に銅純度を上げたアノードに鋳造し、このアノードを電解精製し、電気銅に仕上げる。
【０００３】
一方、転炉スラグは、固化してから粉砕し、その後浮選により銅分を回収するスラグ選鉱法が主として採用されている（資源素材学会誌、「資源と素材」１９９３．１２，Ｖｏｌ １０９「非鉄製錬号」第９５４，９６５頁，「資源と素材」１９９７，１２，Ｖｏｌ．１１３「リサイクリング大特集号」第９９６頁左欄、最終パラグラフ）。スラグ選鉱工程では、Ｃｕ品位の高いスラグ銅精鉱（約２５％Ｃｕ）とＣｕ品位の低い鉄精鉱（約０．６％Ｃｕ）に分離され、スラグ銅精鉱は自溶炉に繰り返して処理し、鉄精鉱は主にセメント原料としてリサイクルすることができる。
【０００４】
また、溶融状態の転炉スラグ中に含まれる酸化銅及びＦｅ3Ｏ4をコークス、石炭等の固体還元剤または、気体、液体の還元剤をスラグ中に吹込んで還元し、銅品位１％以下の脱銅スラグと粗銅を得るスラグの処理法が特開昭５３−２２１１５号公報に記載されている。
【０００５】
チリのＣｏｄｅｌｃｏ社、Ｃａｌｅｔｏｎｅｓ製錬所では、溶融状態の転炉スラグ中に微粉炭を吹き込み、スラグ中のマグネタイトを還元してスラグ中の銅分を回収する方法が実用化されている（Ｒｏｌａｎｄｏ Ｃａｍｐｏｓ ａｎｄ Ｌｕｉｓ Ｔｏｒｒｅｓ， ＣＡＬＥＴＯＮＥＳ ＳＭＥＬＴＥＲ：ＴＷＯ ＤＥＣＡＤＥＳ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ， Ｔｈｅ Ｐａｕｌ Ｅ． Ｑｕｅｎｅａｕ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， Ｏｎｔａｒｉｏ， ＣＡＮＡＤＡ（１９９３））。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５３−２２１１５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】資源素材学会誌、「資源と素材」１９９３． １２， Ｖｏｌ １０９「非鉄製錬号」第９５４， ９６５頁
【非特許文献２】「資源と素材」１９９７，１２，Ｖｏｌ．１１３「リサイクリング大特集号」第９９６頁左欄、最終パラグラフ
【非特許文献３】Ｒｏｌａｎｄｏ Ｃａｍｐｏｓ ａｎｄ Ｌｕｉｓ Ｔｏｒｒｅｓ， ＣＡＬＥＴＯＮＥＳ ＳＭＥＬＴＥＲ：ＴＷＯ ＤＥＣＡＤＥＳ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＣＡＬ ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ， Ｔｈｅ Ｐａｕｌ Ｅ． Ｑｕｅｎｅａｕ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ， Ｏｎｔａｒｉｏ， ＣＡＮＡＤＡ（１９９３）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、我が国のセメント業界が縮小傾向にあり、転炉スラグを特許文献１に記載のようなスラグ選鉱法で処理して得られる鉄精鉱のリサイクル先の確保が困難となりつつあることから、転炉スラグの新たなリサイクルルートが望まれる。この点、転炉スラグは鉄分を約５０質量％含んでおり、製鉄原料として利用できる可能性があるが、転炉スラグは銅分を約４質量％、亜鉛分を約２質量％含んでおり、製鉄原料として利用するには銅品位及び亜鉛品位が高すぎる。スラグ選鉱法で処理して得られる鉄精鉱であっても、銅分を約０．６質量％、亜鉛分を約２．５質量％含んでおり、やはり製鉄原料として利用するには銅品位及び亜鉛品位が高い。製鉄原料として利用するためには銅分が０．３質量％以下、亜鉛分が１質量％以下とすることが望まれる。特許文献２や特許文献３に記載の方法で転炉スラグを処理した場合も、やはり銅分及び亜鉛分の品位が高く、製鉄原料としては不適である。
【０００９】
そこで、本発明は銅製錬において転炉から排出されるスラグを製鉄原料に変換するための処理方法及びシステムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、亜鉛製錬に一般に適用されるスラグフューミング法を採用して還元炉でスラグから亜鉛を揮発除去する一方で銅を還元し、次いで、還元炉内で、又は還元炉に直列配列されたセットリング炉にスラグを移行した上でセットリング炉内で、銅を沈降させて還元粗銅とスラグに分離するスラグの処理方法を創作した。本方法により、転炉スラグを、銅品位及び亜鉛品位が製鉄原料として利用可能なレベルにまで低下したスラグへ変換することが可能となる。また、銅の沈降分離を還元炉ではなくセットリング炉で別途行うことで、転炉スラグの連続処理が可能となる。
【００１１】
一般に、スラグフューミング法は、溶融状態のスラグを加熱還元してスラグ中のＺｎ、Ｐｂ、Ａｓ等の金属を揮発させるもので、例えば、ガス吹き込み用のランス又は炉下部に羽口を備えた還元炉を用いる。炉内に装入したスラグにランス又は羽口の先端から還元剤（例：プロパンガスや重油）と燃焼用空気を噴出させることにより、スラグ中の金属を還元・揮発する処理である。処理後のスラグは炉底部から抜き出され、揮発金属は炉頂部から回収される。
【００１２】
スラグフューミング法は亜鉛製錬におけるスラグ処理では一般的であるが、本発明のように銅製錬の転炉スラグ処理に適用されることは従来なかったし、その必要性もなかった。従って、本発明はスラグフューミング法を銅製錬の転炉スラグ処理に適用した点に大きな特徴がある。また、還元炉から抜き出されたスラグをセットリング炉に移送し、ここで還元銅の沈降分離及び銅回収を行う実施態様では、転炉スラグの連続処理が可能になり、実装業上極めて有利である。
【００１３】
従って、本発明は一側面において、銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理方法であって、転炉スラグを還元炉に装入し、還元炉において、該スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分の加熱還元と、還元亜鉛の揮発除去とを行うことを含む方法である。
【００１４】
本発明は別の一側面において、銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理方法であって、転炉スラグを還元炉に装入し、還元炉において、該スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分の加熱還元と、還元亜鉛の揮発除去と、還元銅のスラグからの沈降分離とを行うことを含む方法である。
【００１５】
本発明は更に別の一側面において、銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理方法であって、転炉スラグを還元炉に装入し、還元炉において、該スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分の加熱還元と、還元亜鉛の揮発除去とを行い、次いで、還元銅をスラグと共に還元炉からセットリング炉へ移送し、セットリング炉内で還元銅のスラグからの沈降分離を行うことを含む方法である。
【００１６】
本発明に係る方法の一実施態様においては、還元銅をスラグから沈降分離した後のスラグを破砕処理することを更に含む。
【００１７】
本発明に係る方法の別の一実施態様においては、還元炉において、スラグ中に含まれるＦｅ3Ｏ4をＦｅＯまで加熱還元することを更に含む。
【００１８】
本発明に係る方法の更に別の一実施態様においては、転炉スラグを溶融状態で保持し、還元炉へ供給する転炉スラグの供給量の調節を行うための保持炉から、転炉スラグが還元炉に装入される。
【００１９】
本発明は更に別の一側面において、
銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理システムであって、
転炉スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分を加熱還元するための還元炉と、
揮発した還元亜鉛を除去するために還元炉に設けられた排気手段と、
沈降分離した還元銅を還元炉から抜き取るための抜取手段と、
を備えたシステムである。
【００２０】
本発明に係るシステムの一実施態様においては、スラグの破砕処理手段と、還元炉から排出されたスラグをスラグの破砕処理手段へ移送するための移送手段を更に備える。
【００２１】
本発明は更に別の一側面において、銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理システムであって、
転炉スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分を加熱還元するための還元炉と、
揮発した還元亜鉛を除去するために還元炉に設けられた排気手段と、
還元銅をスラグから沈降分離するためのセットリング炉と、
還元炉から排出されたスラグをセットリング炉へ移送するための移送手段と、
沈降分離した還元銅をセットリング炉から抜き取るための抜取手段と、
を備えたシステムである。
【００２２】
本発明に係るシステムの一実施態様においては、スラグの破砕処理手段と、セットリング炉から排出されたスラグをスラグの破砕処理手段へ移送するための移送手段を更に備える。
【００２３】
本発明に係るシステムの更に別の一実施態様においては、転炉スラグを溶融状態で保持し、還元炉へ供給する転炉スラグの供給量の調節を行うための保持炉と、保持炉から排出された転炉スラグを還元炉に移送するための移送手段とを更に備える。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、転炉スラグを、銅品位及び亜鉛品位が製鉄原料として利用可能なレベルにまで低下したスラグへ連続的に変換することが可能となる。また、スラグからの銅回収効率を高めることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】転炉スラグの連続処理システムの一発明例を示す。
【図２】転炉スラグのバッチ処理システムの一発明例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明に係る転炉スラグの処理方法及びシステムの実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００２７】
一般に、銅製錬工程において転炉から排出されるスラグの組成は、鉄分（主にＦｅ3Ｏ4やＦｅＯとして）：５０〜６０質量％、ケイ素分（主にＳｉＯ2として）：２０〜２５質量％、銅分（主にＣｕＳあるいはＣｕ2ＯやＣｕＯとして）：３〜５質量％、亜鉛分（主にＺｎＯとして）：３〜６質量％、アルミニウム分（主にＡｌ2Ｏ3として）：１〜３質量％である。
従って、本発明において、「転炉スラグ」とは、実際に銅製錬における転炉から排出されるスラグのみならず、銅製錬における転炉スラグと同様の組成を有するスラグも指す。例えば、銅製錬の自溶炉スラグ中には原料鉱石及び溶剤の珪酸鉱に由来するＡｌ2Ｏ3が３〜５％程度含まれており、製鉄原料として利用するにはアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）品位が高すぎる。しかしながら、原料鉱石及び珪酸鉱中のアルミナ品位が低く、自溶炉スラグ中のアルミナ品位が低い場合には本発明を適用することができる。
【００２８】
連続処理システム
まず、転炉スラグを連続処理するシステムについて説明する。図１を参照すると、転炉（図示せず）から１２５０〜１３３０℃の溶融状態で受入樋１に流入したスラグは、溶融状態を保ったまま保持炉２へ導入される。保持炉２へのスラグの導入は溶融状態でなくてもよく、例えば、ホッパーで粒状のスラグを受け入れ、それを保持炉２に導入することもできる。保持炉２に導入されたスラグは溶融状態が維持される。保持炉２は還元炉４へのスラグの供給量を調節するための役割を果たす。例えば、還元炉４に常に一定流量のスラグを供給することでスラグ処理システムの安定的な連続操業を支援する。
【００２９】
保持炉２を出たスラグは溶融状態でスラグ樋３を通って還元炉４に装入される。還元炉４では、スラグ中の亜鉛分及び銅分その他の金属成分が還元される。また、スラグ中にはマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）もかなりの量で含まれるが、これがＦｅＯに還元されることで、スラグの粘性を下げることができる。スラグの粘性が下がると、スラグ中に懸垂している還元銅が沈降分離しやすくなり、次工程での銅の回収率が高まる。
【００３０】
還元剤としては、限定的ではないが、コークス及び石炭などの固体炭素質還元剤、水素及び炭化水素（メタン、エタン、プロパン、ブタンなど）などの気体還元剤、石油及び重油などの液体還元剤が挙げられる。典型的にはＬＰＧを使用することができる。還元剤は、還元炉４内に装入したスラグに炉頂部から挿入したランス６の先端から燃焼用空気と共に噴出させる上吹き込み方法が好ましい。これにより、還元炉４内で溶融しているスラグが強攪拌され、スラグと還元剤の反応効率を高めることが可能となる。ランスの先端はスラグ内に浸漬してもよい。還元剤の供給は炉底部に設けた羽口を利用することもできる。また、還元剤の導入流量や還元時間を増大させることで、還元反応効率を高めることができる。すなわち、スラグ中の亜鉛品位や銅品位を低下させることができる。
【００３１】
還元炉４では、例えば、還元剤としてプロパンを使用した場合、以下のような還元反応が起きる。
１０Ｃｕ2Ｏ ＋ Ｃ3Ｈ8 → ２０Ｃｕ ＋ ３ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2Ｏ
１０ＺｎＯ ＋ Ｃ3Ｈ8 → １０Ｚｎ ＋ ３ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2Ｏ
１０Ｆｅ3Ｏ4 ＋ Ｃ3Ｈ8 → ３０ＦｅＯ ＋ ３ＣＯ2 ＋ ４Ｈ2Ｏ
【００３２】
還元された亜鉛はスラグ相から揮発し、他の揮発成分あるいは微細なスラグ粒子と共にスラグフューミングとして煙突６から排出される。煙道の途中にはバグフィルター７が設置されており、これによって亜鉛は回収することができる。また、排ガス温度を低下させる目的で、煙道に冷却水を噴霧したり、水冷塔（図示せず）を設置したりすることもできる。還元亜鉛は煙突６への移動途中で空気等によって酸化し、酸化亜鉛として回収することもできる。スラグフューミングダスト中には鉛も含まれるのが通常である。
【００３３】
還元反応後、還元銅を含むスラグは還元炉４から排出されると溶体樋８を通って溶融状態のままセットリング炉９へ導入される。還元銅はここでスラグとの比重差によって沈降分離する。沈降分離を還元炉４で行わず、セットリング炉９を別に設けて行うことにより、連続操業が可能となる。沈降分離の時間を長くすることで沈降分離の効率を高め、スラグ中の銅品位を低下させることができる。逆に言えば、銅の回収効率を高めることができる。
【００３４】
沈降分離後、還元銅は粗銅樋１０を通って抜き出される。還元銅は６０〜８０質量％の銅品位を有することができ、転炉に繰り返すことができる。一方、還元銅が分離されたスラグはスラグ樋１１を通ってスラグ破砕設備１２へと移送され、利用しやすい適度な粒度に破砕される。破砕設備としては、限定的ではないが、例えば、水砕機、破砕機、摩砕機等の組み合わせなどが挙げられる。
【００３５】
以上の工程を経ることで、スラグ中の銅品位を０．３質量％以下に、亜鉛品位を１％以下に低下させることが可能である。そのため、本発明によって処理されたスラグは製鉄原料として利用可能である。
【００３６】
本実施形態では、転炉スラグを連続処理することができる。そのため、システムの連続運転中は、炉内での還元反応及び還元亜鉛の揮発除去、セットリング炉での還元銅の沈降分離、スラグ破砕設備でのスラグの破砕処理は同時進行することができる。
【００３７】
バッチ処理システム
次に、転炉スラグをバッチ処理するシステムについて説明する。図２を参照すると、転炉（図示せず）から１２５０〜１３３０℃の溶融状態で受入樋１に流入したスラグは、溶融状態を保ったまま還元炉４に装入される。還元炉４では、スラグ中の亜鉛分及び銅分その他の金属成分が還元される。使用可能な還元剤や還元炉４内での還元反応は連続処理システムの場合と同様である。還元された亜鉛の回収についても連続処理システムの場合と同様である。
【００３８】
還元反応後、還元銅は還元炉４内で沈降分離する。沈降分離後、還元銅は粗銅樋１０を通って抜き出される。一方、還元銅が分離されたスラグはスラグ樋１１を通ってスラグ破砕設備１２へと移送され、利用しやすい適度な粒度に破砕される。処理スラグは製鉄原料として利用可能である。還元炉は並列に複数基設置してもよい。
【実施例】
【００３９】
以下、本発明の実施例を説明するが、実施例は例示目的であって発明が限定されることを意図しない。
【００４０】
試験１（るつぼ試験）
銅製錬の転炉から排出されたスラグ１．１ｋｇを窒素雰囲気中でるつぼに入れ、１２５０℃に加熱してスラグを溶融した。次いで、るつぼにプロパンガスを８．２５Ｌ／ｈｒ、空気を８．２５Ｌ／ｈｒで１時間吹き込み、スラグ中の銅、亜鉛及びマグネタイト（Ｆｅ3Ｏ4）の還元反応を行った。反応中、生成した還元亜鉛はるつぼの開口部から自然に揮発除去された。その後、生成した還元銅をセットリングして、スラグから分離した。
試験前後での、転炉スラグ中の銅品位及び亜鉛品位の変化を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
試験２（模擬実装業試験１）
上記のるつぼ試験結果からみて、図１に記載のシステムを構築して一定の条件で連続操業したときに想定される処理結果の計算結果を表２に記載する。模擬操業条件は以下とした。
還元炉寸法：φ３ｍ×８ｍ（５６ｍ3）
溶湯温度：１２５０℃
還元時間：１時間
還元剤：ＬＰＧ（４３６ｋｇ／ｈｒ）＋空気（３，１７８Ｎｍ3／ｈｒ）
セットリング時間：１時間
【００４３】
【表２】
【００４４】
試験３（模擬実装業試験２）
上記のるつぼ試験結果からみて、図１に記載のシステムを構築して別の条件で連続操業したときに想定される処理結果の計算結果を表３に記載する。模擬操業条件は以下とした。
還元炉寸法：φ３ｍ×８ｍ（５６ｍ3）
溶湯温度：１２５０℃
還元時間：１時間
還元剤：重油（６０５ｋｇ／ｈｒ）＋空気（３，８８３Ｎｍ3／ｈｒ）
セットリング時間：１時間
【００４５】
【表３】
【符号の説明】
【００４６】
１ 受入樋
２ 保持炉
３ スラグ樋
４ 還元炉
５ ランス
６ 煙突
７ バグフィルター
８ 溶体樋
９ セットリング炉
１０ 粗銅樋
１１ スラグ樋
１２ スラグ破砕設備
【特許請求の範囲】
【請求項１】
銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理システムであって、
転炉スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分を加熱還元するとともに、スラグ中に含まれるＦｅ3Ｏ4をＦｅＯまで加熱還元するための還元炉と、
揮発した還元亜鉛を除去するために還元炉に設けられた排気手段と、
還元銅をスラグから沈降分離するためのセットリング炉と、
還元炉から排出されたスラグをセットリング炉へ移送するための溶体樋と、
沈降分離した還元銅をセットリング炉から抜き取るための粗銅樋と、
を備えたシステム。
【請求項２】
スラグの破砕処理手段と、セットリング炉から排出されたスラグをスラグの破砕処理手段へ移送するための破砕用スラグ樋を更に備える請求項１記載のシステム。
【請求項３】
転炉スラグを溶融状態で保持し、還元炉へ供給する転炉スラグの供給量の調節を行うための保持炉と、保持炉から排出された転炉スラグを還元炉に移送するための還元用スラグ樋とを更に備える請求項１又は２記載のシステム。
【請求項１】
銅製錬過程で発生する転炉スラグの処理システムであって、
転炉スラグ中に含まれる亜鉛分及び銅分を加熱還元するとともに、スラグ中に含まれるＦｅ3Ｏ4をＦｅＯまで加熱還元するための還元炉と、
揮発した還元亜鉛を除去するために還元炉に設けられた排気手段と、
還元銅をスラグから沈降分離するためのセットリング炉と、
還元炉から排出されたスラグをセットリング炉へ移送するための溶体樋と、
沈降分離した還元銅をセットリング炉から抜き取るための粗銅樋と、
を備えたシステム。
【請求項２】
スラグの破砕処理手段と、セットリング炉から排出されたスラグをスラグの破砕処理手段へ移送するための破砕用スラグ樋を更に備える請求項１記載のシステム。
【請求項３】
転炉スラグを溶融状態で保持し、還元炉へ供給する転炉スラグの供給量の調節を行うための保持炉と、保持炉から排出された転炉スラグを還元炉に移送するための還元用スラグ樋とを更に備える請求項１又は２記載のシステム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１２７０７（Ｐ２０１２−１２７０７Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０７８９３（Ｐ２０１１−２０７８９３）
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【分割の表示】特願２００９−８８２５７（Ｐ２００９−８８２５７）の分割
【原出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（５００４８３２１９）パンパシフィック・カッパー株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２２日（２０１１．９．２２）
【分割の表示】特願２００９−８８２５７（Ｐ２００９−８８２５７）の分割
【原出願日】平成２１年３月３１日（２００９．３．３１）
【出願人】（５００４８３２１９）パンパシフィック・カッパー株式会社 (109)
【Ｆターム（参考）】
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