特開 2024-142105 評価方法および操業方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024142105

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】評価方法および操業方法

(51)【国際特許分類】

   C22B 15/00 20060101AFI20241003BHJP

【ＦＩ】

C22B15/00 102

【審査請求】有

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023054105

(22)【出願日】2023-03-29

(71)【出願人】

【識別番号】502362758

【氏名又は名称】ＪＸ金属株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004370

【氏名又は名称】弁理士法人片山特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】本村 竜也

(72)【発明者】

【氏名】佐野 浩行

(72)【発明者】

【氏名】河内 俊彦

【テーマコード（参考）】

4K001

【Ｆターム（参考）】

4K001AA09

4K001BA03

4K001BA23

4K001DA03

4K001GA04

4K001GB01

4K001GB03

4K001GB11

4K001JA01

4K001KA02

4K001KA05

(57)【要約】

【課題】 金属銅の硫化の反応を評価することが可能な評価方法および操業方法を提供する。
【解決手段】 評価方法は、金属銅と硫黄ガスとを反応させることで前記金属銅を硫化する反応装置の内部の温度分布、前記硫黄ガスの分圧、および金属銅粒子の軌跡および流速を取得する工程と、前記温度分布および前記硫黄ガスの分圧に基づいて前記反応装置を複数の領域とし、前記複数の領域ごとの、前記金属銅の硫化の単位時間当たりの反応率を取得する工程と、前記金属銅粒子１個ごとの軌跡および流速に基づいて、該金属銅粒子が通過する領域ごとに前記金属銅粒子の反応率を算出し、前記金属銅粒子の反応率を積算することで、前記反応装置通過後の前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程と、前記反応装置に装入する複数の前記金属銅粒子の最終反応率の結果から、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程と、を有することを特徴とする。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

金属銅と硫黄ガスとを反応させることで前記金属銅を硫化する反応装置の内部の温度分布、前記硫黄ガスの分圧、および金属銅粒子の軌跡および流速を取得する工程と、
前記温度分布および前記硫黄ガスの分圧に基づいて前記反応装置を複数の領域とし、前記複数の領域ごとの、前記金属銅の硫化の単位時間当たりの反応率を取得する工程と、
前記金属銅粒子１個ごとの軌跡および流速に基づいて、該金属銅粒子が通過する領域ごとに前記金属銅粒子の反応率を算出し、前記金属銅粒子の反応率を積算することで、前記反応装置通過後の前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程と、
前記反応装置に装入する複数の前記金属銅粒子の最終反応率の結果から、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程と、を有することを特徴とする評価方法。

【請求項2】

前記複数の領域ごとの前記反応率を取得する工程は、前記複数の領域および前記金属銅の粒径ごとの前記単位時間当たりの反応率を取得する工程を含み、
前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程は、前記金属銅粒子１個ごとの軌跡および流速に基づいて前記金属銅粒子が通過する領域ごとに反応率を算出する際に、前記金属銅粒子の粒径に応じて前記金属銅粒子の反応率を算出する工程と、前記金属銅粒子の反応率を積算することで前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の評価方法。

【請求項3】

前記複数の領域ごとの前記反応率を取得する工程は、前記反応装置に装入する金属銅の粒度分布を取得する工程を含み、
前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程は、前記反応装置に装入する金属銅粒子を代表する複数の代表粒子を決定する工程と、前記各代表粒子の軌跡および流速に基づいて前記各代表粒子が通過する領域ごとに反応率を算出する際に前記粒度分布の比率に応じて前記各代表粒子の反応率を算出する工程と、前記各代表粒子の反応率を積算することで、前記各代表粒子の反応装置通過後の最終反応率を算出する工程と、を含み、
前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程は、前記反応装置に装入する複数の前記各代表粒子の最終反応率の結果から前記反応装置全体の最終反応率を求める工程であることを特徴とする請求項１に記載の評価方法。

【請求項4】

前記温度分布、前記硫黄ガスの分圧、および前記金属銅粒子の軌跡および流速を取得する工程は、シミュレーションにより前記温度分布、前記分圧、および前記軌跡および流速を取得する工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の評価方法。

【請求項5】

前記複数の領域ごとの前記反応率を取得する工程は、試験により前記複数の領域ごとの反応率を取得する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の評価方法。

【請求項6】

前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程は、前記反応装置に装入するすべての前記金属銅粒子の最終反応率の結果から、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程であることを特徴とする請求項１または２に記載の評価方法。

【請求項7】

前記反応装置は自溶炉の反応シャフトであり、
前記反応シャフトにおいて前記金属銅は硫化することでマット化し、
前記複数の領域ごとの反応率を取得する工程は、前記反応シャフトの前記複数の領域ごとの、前記金属銅が単位時間当たりにマット化する反応率を取得する工程であり、
前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程は、前記金属銅粒子ごとのマット化率を算出する工程であり、
前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程は、前記反応装置全体におけるマット化率を算出する工程である、請求項１または２に記載の評価方法。

【請求項8】

金属銅と硫黄ガスとを反応させることで前記金属銅を硫化する反応装置の内部の温度分布、前記硫黄ガスの分圧、および金属銅粒子の軌跡および流速を取得する工程と、
前記温度分布および前記硫黄ガスの分圧に基づいて前記反応装置を複数の領域とし、前記複数の領域ごとの、前記金属銅の硫化の単位時間当たりの反応率を取得する工程と、
前記金属銅粒子１個ごとの軌跡および流速に基づいて、該金属銅粒子が通過する領域ごとに反応率を算出して積算することで、前記反応装置通過後の前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程と、
前記反応装置に装入する複数の前記金属銅粒子の最終反応率の結果から、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程と、
前記反応装置全体における最終反応率に基づいて、前記反応装置の操業条件を制御する工程と、を有することを特徴とする操業方法。

【請求項9】

前記操業条件を制御する工程は、前記反応装置における前記硫黄ガスの分圧を制御する工程を含むことを特徴とする請求項８に記載の操業方法。

【請求項10】

前記操業条件を制御する工程は、前記反応装置全体における最終反応率に基づいて、前記反応装置に投入する原料の粒径を制御する工程を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の操業方法。

【請求項11】

前記反応装置は自溶炉の反応シャフトであり、
前記操業条件を制御する工程は、前記自溶炉の操業条件を制御する工程である請求項８または９に記載の操業方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、評価方法および操業方法に関する。

【背景技術】

【0002】

銅製錬自溶炉の反応シャフトでは、精鉱バーナから銅精鉱、リサイクル原料、溶剤などの出発原料とともに、反応ガスが投入される。原料が反応ガスによって酸化反応を起こすことで、反応シャフトの底部でマットおよびスラグが生成する。この反応シャフト内で出発原料についてどのような反応が生じているかを把握することが求められている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－０７５２２８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、原料中におけるリサイクル原料の比率は増加傾向にある。銅はリサイクル原料中では主に金属銅として存在している。金属銅は反応シャフト内で硫化され、マットとなることが好ましい。しかし、反応シャフト内における金属銅の挙動は、熱力学的および反応速度論的に十分に解明されていない。このため、金属銅を効率的にマット化することは困難であった。

【0005】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、金属銅の硫化の反応を評価することが可能な評価方法および操業方法を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る評価方法は、金属銅と硫黄ガスとを反応させることで前記金属銅を硫化する反応装置の内部の温度分布、前記硫黄ガスの分圧、および金属銅粒子の軌跡および流速を取得する工程と、前記温度分布および前記硫黄ガスの分圧に基づいて前記反応装置を複数の領域とし、前記複数の領域ごとの、前記金属銅の硫化の単位時間当たりの反応率を取得する工程と、前記金属銅粒子１個ごとの軌跡および流速に基づいて、該金属銅粒子が通過する領域ごとに前記金属銅粒子の反応率を算出し、前記金属銅粒子の反応率を積算することで、前記反応装置通過後の前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程と、前記反応装置に装入する複数の前記金属銅粒子の最終反応率の結果から、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程と、を有することを特徴とする。

【0007】

上記評価方法において、前記複数の領域ごとの前記反応率を取得する工程は、前記複数の領域および前記金属銅の粒径ごとの前記単位時間当たりの反応率を取得する工程を含み、前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程は、前記金属銅粒子１個ごとの軌跡および流速に基づいて前記金属銅粒子が通過する領域ごとに反応率を算出する際に、前記金属銅粒子の粒径に応じて前記金属銅粒子の反応率を算出する工程と、前記金属銅粒子の反応率を積算することで前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程と、を含んでもよい。

【0008】

上記評価方法において、前記複数の領域ごとの前記反応率を取得する工程は、前記反応装置に装入する金属銅の粒度分布を取得する工程を含み、前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程は、前記反応装置に装入する金属銅粒子を代表する複数の代表粒子を決定する工程と、前記各代表粒子の軌跡および流速に基づいて前記各代表粒子が通過する領域ごとに反応率を算出する際に前記粒度分布の比率に応じて前記各代表粒子の反応率を算出する工程と、前記各代表粒子の反応率を積算することで、前記各代表粒子の反応装置通過後の最終反応率を算出する工程と、を含み、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程は、前記反応装置に装入する複数の前記各代表粒子の最終反応率の結果から前記反応装置全体の最終反応率を求める工程でもよい。

【0009】

上記評価方法において、前記温度分布、前記硫黄ガスの分圧、および前記金属銅粒子の軌跡および流速を取得する工程は、シミュレーションにより前記温度分布、前記分圧、および前記軌跡および流速を取得する工程でもよい。

【0010】

上記評価方法において、前記複数の領域ごとの前記反応率を取得する工程は、試験により前記複数の領域ごとの反応率を取得する工程を含んでもよい。

【0011】

上記評価方法において、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程は、前記反応装置に装入するすべての前記金属銅粒子の最終反応率の結果から、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程でもよい。

【0012】

上記評価方法において、前記反応装置は自溶炉の反応シャフトであり、前記反応シャフトにおいて前記金属銅は硫化することでマット化し、前記複数の領域ごとの反応率を取得する工程は、前記反応シャフトの前記複数の領域ごとの、前記金属銅が単位時間当たりにマット化する反応率を取得する工程であり、前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程は、前記金属銅粒子ごとのマット化率を算出する工程であり、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程は、前記反応装置全体におけるマット化率を算出する工程でもよい。

【0013】

本発明に係る操業方法は、金属銅と硫黄ガスとを反応させることで前記金属銅を硫化する反応装置の内部の温度分布、前記硫黄ガスの分圧、および金属銅粒子の軌跡および流速を取得する工程と、前記温度分布および前記硫黄ガスの分圧に基づいて前記反応装置を複数の領域とし、前記複数の領域ごとの、前記金属銅の硫化の単位時間当たりの反応率を取得する工程と、前記金属銅粒子１個ごとの軌跡および流速に基づいて、該金属銅粒子が通過する領域ごとに反応率を算出して積算することで、前記反応装置通過後の前記金属銅粒子ごとの最終反応率を算出する工程と、前記反応装置に装入する複数の前記金属銅粒子の最終反応率の結果から、前記反応装置全体における最終反応率を算出する工程と、前記反応装置全体における最終反応率に基づいて、前記反応装置の操業条件を制御する工程と、を有することを特徴とする。

【0014】

上記操業方法において、前記操業条件を制御する工程は、前記反応装置における前記硫黄ガスの分圧を制御する工程を含んでもよい。

【0015】

上記操業方法において、前記操業条件を制御する工程は、前記反応装置全体における最終反応率に基づいて、前記反応装置に投入する原料の粒径を制御する工程を含んでもよい。

【0016】

上記操業方法において、前記反応装置は自溶炉の反応シャフトであり、前記操業条件を制御する工程は、前記自溶炉の操業条件を制御する工程でもよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、金属銅の硫化の反応を評価することが可能な評価方法および操業方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】図１は、実施形態に係る銅製錬用の自溶炉の構成を概略的に示す図である。

【図2】図２は、精鉱バーナの詳細を例示する図である。

【図3】図３は実施形態における処理を例示するフローチャートである。

【図4】図４（ａ）および図４（ｂ）は実施形態における処理を例示するフローチャートである。

【図5】図５はシミュレーションの結果を例示する図である。

【図6】図６はシミュレーションの結果を例示する図である。

【図7】図７はシミュレーションの結果を例示する図である。

【図8】図８はシミュレーションの結果を例示する図である。

【図9】図９はシミュレーションの結果を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

（実施形態）
図１は、実施形態に係る銅製錬用の自溶炉１００の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、自溶炉１００は、精鉱と反応用ガスとが混合する反応シャフト１、セットラ２、アップテイク３を備える。反応シャフト１の天井部には、精鉱バーナ４が備わっている。精鉱バーナ４は、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、反応用主送風ガス、反応用補助ガス、および分散用ガス（反応にも寄与する）を反応シャフト１内に供給する。例えば、反応用主送風ガスおよび反応用補助ガスは、酸素富化空気であり、分散用ガスは、空気または酸素富化空気である。

【0020】

精鉱バーナ４から出発原料が反応シャフト１内に投入されると、下記反応式（１）などにより、硫化物を含む銅精鉱が酸化反応を起こし、反応シャフト１の底部でマット５およびスラグ６に分離する。なお、下記反応式（１）で、Ｃｕ_２Ｓ・ＦｅＳがマット５の主成分に相当し、ＦｅＯ・ＳｉＯ_２がスラグ６の主成分に相当する。溶剤として、珪酸鉱が用いられている。
ＣｕＦｅＳ_２＋ＳｉＯ_２＋Ｏ_２→Ｃｕ_２Ｓ・ＦｅＳ＋ＦｅＯ・ＳｉＯ_２＋ＳＯ_２ ＋ 反応熱 （１）
マット５が例えば転炉などにおいて処理されることで、金属銅が生成される。

【0021】

図２は、精鉱バーナ４の詳細を例示する図であって、出発原料、反応用主送風ガス、反応用補助ガス、および分散用ガスを反応シャフト１側へ投入する投入部１０を示した説明図である。

【0022】

精鉱バーナ４の投入部１０は、ランス１６を備え、ランス１６内には分散用ガスの通る第１通路１１、反応用補助ガスが通過する第４通路１４が形成されている。第４通路１４は、ランス１６の中心部分に設けられており、第１通路１１は、第４通路１４の周囲に設けられている。また、投入部１０は、ランス１６の外側、より具体的にランス１６の外周に設けられた原料流路としての第２通路１２を備えている。投入部１０は、さらに、第２通路１２の外側、より具体的には第２通路１２の外周に設けられ、反応用主送風ガスが通過する第３通路１３を備えている。第３通路１３は、第２通路１２を囲むように設けられた管状部分によって形成されており、その上方に設けられた漏斗状のエアチャンバー１７と通じている。第２通路１２と、第３通路１３は、円筒状の仕切り壁２１により、仕切られた状態となっている。

【0023】

第１通路１１は、分散用ガスを反応シャフト１内へ供給する。第２通路１２は、精鉱を反応シャフト１内へ供給する。第３通路１３は、反応用主送風ガスをエアチャンバー１７から反応シャフト１内へ供給する。また、第４通路１４は、反応用補助ガスを反応シャフト１内へ供給する。

【0024】

なお、ランス１６の先端部（下端部）には、中空円錐台状の分散コーン１５が形成されている。分散コーン１５の側面下部１５１には第１通路１１を通過した分散用ガスを反応シャフト１内へ吐出する複数の供給孔１５２が形成されている。供給孔１５２は、ガスの吐出方向が分散コーン１５の底面円の法線方向となるように設けられている。

【0025】

自溶炉１００に投入される原料として、銅精鉱およびリサイクル原料がある。銅精鉱の主成分は硫化物（例えばＣｕＦｅＳ_２）である。一方、リサイクル原料は金属銅（Ｃｕ単体）を多く含む。近年、原料中におけるリサイクル原料の割合が増加している。このため、多くの金属銅が自溶炉１００に投入されることとなる。

【0026】

反応シャフト１内で銅精鉱が酸化反応することで、硫黄が発生する。金属銅は硫黄と反応し、硫化される。金属銅の一部は反応シャフト１内で硫化し、マット５となる（マット化）。残りの金属銅は、セットラ２においてマット化される。反応シャフト１内において、多量の金属銅をマット化することが好ましい。マット化を促進するためには、反応シャフト１内における金属銅のマット化の反応率を高めることが有効である。

【0027】

図３から図４（ｂ）は実施形態における処理を例示するフローチャートであり、評価方法および操業方法の工程を含む。図３に示すように、反応シャフト１内において、金属銅がマット化する反応の反応率を評価する（ステップＳ１０）。評価結果に基づいて、自溶炉１００の操業条件を制御する（ステップＳ１２）。操業条件を制御することで、反応率を高め、金属銅を効率的にマット化する。反応率とは、一定時間内で金属銅のうちマット化したものの割合を表す。

【0028】

図４（ａ）は反応率の評価の工程を示すフローチャートであり、図３のステップＳ１０に対応する。図４（ａ）に示すように、シミュレーションを行い、反応シャフト１内における硫黄ガス（Ｓ_２）の分圧、酸素（Ｏ_２）の分圧、二酸化硫黄（ＳＯ_２）の分圧、温度分布、および粒子の軌跡を取得する（ステップＳ２０）。シミュレーションされる温度分布が、操業中の反応シャフト１内の温度分布に合致するように、シミュレーションのパラメータを調整する。当該パラメータを用いて分圧および軌跡を計算する。後述のように、温度分布および硫黄ガスの分圧に基づいて、反応シャフト１を複数の領域に設定する。

【0029】

実験用の炉を用いて試験を行う（ステップＳ２２）。試験から、反応シャフト１内の複数の領域ごとの単位時間当たりの反応率を取得する（ステップＳ２４）。領域ごとの反応率と反応シャフト内に装入する金属銅粒子の軌跡および速度に基づいて、反応シャフト１の全体におけるマット化の反応率を取得する（ステップＳ２６）。具体的には、金属銅粒子１個ごとの軌跡および流速に基づいて、通過した領域と各領域ごとの存在時間から金属銅粒子ごとに最終反応率を算出する。すべての金属銅粒子の最終反応率をもとに、反応シャフト１全体の反応率を算出することができる。

【0030】

図４（ｂ）は操業条件の制御の工程を示すフローチャートであり、図３のステップＳ１２に対応する。図４（ｂ）に示すように、自溶炉１００への投入前に、リサイクル原料の前処理を行う（ステップＳ３０）。前処理により、例えばリサイクル原料を粉体とし、粉体の粒径を所望の大きさとする。自溶炉１００の反応シャフト１における硫黄ガスの分圧を制御する（ステップＳ３２）。例えば送風する酸素の濃度を下げることで、硫黄ガスの分圧を高めることができる。硫黄ガスの分圧を所望の値とする。操業条件を制御することで、反応率を高め、リサイクル原料のマット化を促進する。

【0031】

図５から図９はシミュレーションの結果を例示する図であり、自溶炉１００の反応シャフト１の内部を示している。

【0032】

図５は硫黄ガスの分圧を表す。銅精鉱の温度が上昇することで、銅精鉱から硫黄が揮発し、硫黄ガスが発生する。反応シャフト１のうち、セットラ２から遠い側の分圧は、セットラ２に近い側の分圧より高い。

【0033】

図６は酸素の分圧を表す。酸素は、例えば初速１２０ｍ／ｓで精鉱バーナ４から反応シャフト１の中に供給される。酸素は反応シャフト１の外周部において硫黄と反応し、消費される。精鉱バーナ４付近の分圧は高く、精鉱バーナ４から離れた位置での分圧は低い。図７は二酸化硫黄の分圧を表す。硫黄が酸化されることで、二酸化硫黄が発生する。

【0034】

図８は温度分布を表す。硫黄と酸素とが反応することで、温度が上昇する。精鉱バーナ４付近には未反応の酸素が多く存在するため、温度が低い。精鉱バーナ４から離れた位置では、温度が高くなる。特に反応シャフト１の中央部では、精鉱バーナ４から酸素が吹き込まれ、かつ銅精鉱の質量が多く硫黄も発生しやすい。したがって硫黄と酸素との反応が起こりやすく、温度が高くなる。図９は粒子の軌跡を表す。粒径ごとの軌跡が図示されている。粒子の比重は一定としている。シミュレーションに基づいて、領域の体積を取得する。

【0035】

シミュレーションの結果に基づいて、反応シャフト１を複数の領域に分割する。具体的には、温度分布および硫黄ガスの分圧に基づいて、複数の領域を定める。例えば、温度が１１００℃以上１２００℃未満、かつ分圧が０．０４Ｐａ以上０．０５Ｐａ未満の領域などである。試験を行い、領域ごとの単位時間当たりの反応率を求める（図４（ｂ）のステップＳ２２およびＳ２４）。

【0036】

表１および表２に単位時間当たりの反応率の例を示す。表１は温度がＴ１の例である。表２は温度がＴ１とは異なるＴ２の例である。

【表1】

【表2】

【0037】

表１において、反応シャフト１は、硫黄ガスの分圧（Ｓ_２分圧）がＸ１以上（Ｘ１～）の領域Ｒ１、Ｘ２以上Ｘ１未満（Ｘ２～Ｘ１）の領域Ｒ２、Ｘ３以上Ｘ２未満（Ｘ３～Ｘ２）の領域Ｒ３、Ｘ４以上Ｘ３（Ｘ４～Ｘ３）未満の領域Ｒ４、Ｘ４未満（～Ｘ４）の領域Ｒ５とされる。

【0038】

領域Ｒ１において、粒径が５０μｍ未満（～５０μｍ）の金属銅の単位時間当たりの反応率はＡ１１、粒径が５０μｍ以上１００μｍ未満（５０μｍ～１００μｍ）の金属銅の単位時間当たりの反応率はＡ１２、粒径が１００μｍ以上（１００μｍ～）の金属銅の単位時間当たりの反応率はＡ１３である。領域Ｒ１の体積はＢ１である。領域Ｒ２において、粒径が５０μｍ未満の単位時間当たりの反応率はＡ２１、粒径が５０μｍ以上１００μｍ未満の単位時間当たりの反応率はＡ２２、粒径が１００μｍ以上の単位時間当たりの反応率はＡ２３である。領域Ｒ１の体積はＢ２である。上記と同様に、領域Ｒ３における単位時間当たりの反応率Ａ３１、Ａ３２およびＡ３３、領域Ｒ３の体積Ｂ３、領域Ｒ４における単位時間当たりの反応率Ａ４１、Ａ４２およびＡ４３、領域Ｒ４の体積Ｂ４、領域Ｒ５における単位時間当たりの反応率Ａ５１、Ａ５２およびＡ５３、領域Ｒ５の体積Ｂ５が取得される。

【0039】

表２において、反応シャフト１は、硫黄ガスの分圧がＸ１以上の領域Ｒ６、Ｘ２以上Ｘ１未満の領域Ｒ７、Ｘ３以上Ｘ２未満の領域Ｒ８、Ｘ４以上Ｘ３未満の領域Ｒ９、Ｘ４未満の領域Ｒ１０とされる。

【0040】

領域Ｒ６において、粒径が５０μｍ未満の反応率はＡ６１、粒径が５０μｍ以上１００μｍ未満の単位時間当たりの反応率はＡ６２、粒径が１００μｍ以上の単位時間当たりの反応率はＡ６３である。領域Ｒ６の体積はＢ６である。領域Ｒ７において、粒径が５０μｍ未満の単位時間当たりの反応率はＡ７１、粒径が５０μｍ以上１００μｍ未満の単位時間当たりの反応率はＡ７２、粒径が１００μｍ以上の単位時間当たりの反応率はＡ７３である。領域Ｒ７の体積はＢ７である。領域Ｒ８～Ｒ１０における単位時間当たりの反応率Ａ８１～Ａ１０３、体積Ｂ８～Ｂ１０も取得される。

【0041】

次に、反応シャフト１に装入する金属銅粒子の軌跡と速度の結果に基づき、各金属銅粒子が通過する領域と、通過した領域に存在した時間を求める。例えば、粒径が５０μm未満である金属銅粒子が、温度Ｔ１の領域Ｒ１に時間ｔ１存在した後、次に温度Ｔ２の領域Ｒ６に時間ｔ２存在して反応を終了したとする。この場合、次の計算方法により、この金属銅粒子が反応シャフトを通過した後の最終反応率Ｙ１（％）を求めることができる。まず、領域Ｒ１における反応率Ｙ１‘を計算する。
Ｙ１‘＝Ａ１１×ｔ１
次に、領域Ｒ６における反応率Ｙ１“を計算する。領域Ｒ６の計算では、粒子のうち未反応の部分に対して計算する必要があるため、以下の式で求める。
Ｙ１“＝（１－Ｙ１‘）×Ａ６１×ｔ２
以上の計算から、領域ごとの反応率が算出される。領域ごとの反応率を積算することで、１つの金属銅粒子の最終反応率を計算する。すなわち、最終反応率Ｙ１（％）は以下となる。
Ｙ１＝Ｙ１‘＋Ｙ１“
このようにして１つ１つの金属銅粒子に対して計算を行い、各金属銅粒子の最終反応率を求める。そして、全金属銅粒子の最終反応率をもとに反応シャフト１全体における反応率を算出することができる。

【0042】

表１から表２の例では、領域の個数は１０であるが、１０以下でもよいし、１０以上でもよい。粒径の分類数は３であるが、３以下でもよいし、３以上でもよい。表１および表２では２つの温度を例としたが、２つ以上の温度に基づいて領域を定めてもよい。

【0043】

反応シャフト１に装入するすべての金属銅粒子に対して上記のような計算を行い、金属銅粒子ごとの最終反応率を算出することができる。最終反応率をすべての金属銅粒子について積算することで、反応シャフト１の全体における最終反応率を算出することができる。装入される金属銅粒子のすべてではなく、複数の金属銅粒子の最終反応を算出し、当該粒子について積算することで、反応シャフト１全体における最終反応率を算出してもよい。

【0044】

反応率の計算は例えば以下の方法で行ってもよい。シミュレーションを行う際に、複数の粒子を代表する代表粒子を定義する。反応シャフト１に装入するすべての粒子に対応するように、複数の代表粒子を決定し、それらの軌跡と速度をシミュレーションにより求める。また、反応シャフト１に装入する金属銅粒子の粒度分布を決定する。各代表粒子の軌跡と速度から、各代表粒子が通過する領域と、通過した領域に存在した時間を求める。代表粒子は、特に規則的な選択方法を用いずにランダムに決定することもできる。あるいは、粒度によって単位時間当たりの反応率や軌跡に偏りが生じることを抑制するため、反応装置に装入する金属銅粒子の粒度分布にできるだけ合わせるようにして決定することもできる。

【0045】

例えば、反応シャフト１に装入する金属銅粒子の粒度分布が、粒径５０μｍ未満がα％、５０μｍ以上１００μｍ未満がβ％、１００μｍ以上がγ％であったとする。代表粒子が、温度Ｔ１の領域Ｒ１を時間ｔ１存在した後、次に温度Ｔ２の領域Ｒ６を時間ｔ２存在して反応を終了したとする。この場合、次の計算により、この代表粒子の反応率Ｙ２（％）を求めることができる。まず、領域Ｒ１における反応率Ｙ２‘を計算する。
Ｙ２‘＝｛Ａ１１×（α／１００）＋Ａ１２×（β／１００）＋Ａ１３×（γ／１００｝×ｔ１
次に、領域Ｒ６における反応率Ｙ１“を計算する。領域Ｒ６の計算では、未反応の部分に対して計算する必要があるため、以下の式で求める。
Ｙ２“＝（１－Ｙ２‘）×［｛Ａ６１×（α／１００）＋Ａ６２×（β／１００）＋Ａ６３×（γ／１００）｝×ｔ２］
以上の結果から、最終反応率Ｙ２（％）は以下となる。
Ｙ２＝Ｙ２‘＋Ｙ２“

【0046】

このようにして１つ１つの代表粒子に対して計算を行い、各金属銅粒子の最終反応率を求めた後、全金属銅粒子の最終反応率をもとに反応シャフト１全体の反応率を算出することができる。

【0047】

本実施形態によれば、反応シャフト１での反応率がわかるため、金属銅のうち反応シャフト１でマット化する量を推定することができる。反応シャフト１でマット化しなかった金属銅は、セットラ２でマット化する。反応シャフト１およびセットラ２で金属銅がマット化されるように自溶炉１００を操業することで、金属銅のマット化の効率を高めることができる。

【0048】

例えば、酸素などのガスの反応シャフト１への吹込み量を調整し、反応シャフト１内での硫黄ガスの分圧を制御する。自溶炉１００への投入前のリサイクル原料の前処理において、リサイクル原料を粉砕し、粉体とする。粉体の粒径を制御する。分圧および粒径を所望の大きさとすることで、マット化の反応率を高めることができる。自溶炉１００の操業条件のうち、ガスの分圧および粒径以外の条件を制御してもよい。

【0049】

図５から図９に示すように、シミュレーションにより、温度分布、硫黄ガスの分圧、酸素ガスの分圧、二酸化硫黄の分圧、および粒子の軌跡を取得することができる。硫黄ガスと酸素ガスとが反応することで熱が発生する。硫黄ガスおよび酸素ガスの分圧から、温度分布を推定することができる。硫黄ガスの分圧が高く、かつ温度が高い位置では、金属銅が硫化しやすい。分圧および温度ガスの分布に基づいて、領域が定められる。

【0050】

領域ごとの反応率は、例えば試験により取得してもよいし、例えばｆａｃｔ ｓａｇｅなどのソフトウェアを用いて計算してもよい。シミュレーションは平衡状態での反応率の計算には適しているが、非平衡状態での反応率の計算は難しい。金属銅は反応シャフト１を数秒程度で通過すると考えられ、平衡状態にはなっていないと推測される。実験用の炉を用いて非平衡状態の粒子に対して試験を行うことで、精度の高い反応率を取得することができる。

【0051】

金属銅が硫黄ガスと反応し、硫化する反応装置に、上記の実施形態は適用することができる。自溶炉１００の反応シャフト１は反応装置の一例である。マット化は金属銅の硫化の一例である。

【0052】

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

【符号の説明】

【0053】

１ 反応シャフト
２ セットラ
３ アップテイク
４ 精鉱バーナ
５ マット
６ スラグ
１０ 投入部
１１ 第１通路
１２ 第２通路
１３ 第３通路
１４ 第４通路
１６ ランス
１００ 自溶炉

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】