1. はじめに
乾式銅製錬は、一次精錬銅生産の主要プロセスであり、世界の生産能力の80%以上を占めています。このプロセスでは、硫化銅精鉱（主に黄銅鉱、CuFeS₂）を一連の高温冶金操作によって高純度陰極銅（Cu含有率99.99%以上）に変換します。本稿では、自溶炉製錬、転化、陽極精錬、電解精錬からなる主流の統合フローシートについて詳しく説明します。
2. 濃縮液の調製とブレンド
銅精鉱（銅含有量25～35%）はバルク船で到着し、屋根付きの貯蔵庫に保管されます。水分含有量は通常8～12%ですが、爆発や下流の製錬工程における過剰なエネルギー消費を防ぐため、ロータリーキルンまたは流動床乾燥機を用いて0.3%以下にまで低減する必要があります。
乾燥精鉱は、フラックス（石英、石灰石）、還元鉱、転炉スラグと精密に制御された割合で混合されます。最新のプラントでは、自動ディスクフィーダーとロードセルシステムを導入し、±0.5%以内の混合精度を実現しています。
3. フラッシュ製錬
自溶製錬は硫化銅精鉱を処理する最も先進的な技術であり、世界的にはOutotec（現Metso）の自溶炉と中国開発の酸素底吹き炉が代表的である。
3.1 プロセス原理
乾燥精鉱は、850～950℃の高温酸素濃縮気流（酸素濃度75～90%）に注入されます。反応（乾燥、酸化、スラグおよびマット形成）は3～5秒で完了し、反応熱によって自熱反応が持続します。主な反応は以下のとおりです。4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂ 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂
3.2 主要装備
- 反応立坑: 高さ 11 ～ 14 メートル、直径 7 ～ 9 メートル、高品質のマグネサイトクロムレンガと銅製のウォータージャケットで裏打ちされています。
- セトラーと吸収シャフト: マット (65-75% Cu) とスラグの重力分離。
- 廃熱ボイラー: 約 550°C の排ガスから顕熱を回収して蒸気を生成します。
- 酸素対濃縮物比：1.15～1.25 Nm³ O₂/t乾燥濃縮物
- 反応シャフト温度：1250～1300℃
- マット温度：1180～1220℃
- スラグFe/SiO₂比：1.1～1.4、スラグ中の銅≦0.6%
3.3 重要な制御パラメータ
単一の自溶炉の処理能力は 4,000 ～ 5,500 t/d に達し、熱効率は 98% を超え、SO₂ 回収率はほぼ 100% です。
4. 変換
マットは、電気加熱式の樋または取鍋を経由して、Peirce-Smith 転炉または連続転炉に移送されます。
4.1 スラグ形成段階
酸素富化空気（O₂濃度25～35%）を吹き込み、硫化鉄を酸化します。2～8%の銅を含むスラグを回収し、自溶炉に戻します。
4.2 銅製造段階
吹き続けると、1180～1230℃でCu₂Sが酸化されて銅（98.5～99.3% Cu）になります。
5. 陽極炉の火力精錬
粗銅は、50～500 t の固定式または傾斜式陽極炉に投入され、酸化還元精錬されます。
5.1 酸化段階
空気または酸素ランスは、残留 Fe、Ni、As、Sb、および Bi を浮遊スラグとして除去します。
5.2 還元段階
酸素は天然ガス、ディーゼル燃料、または木製の棒を用いて150～300ppmまで還元されます。精製された銅は300～450kgの陽極（Cu ≥ 99.0%）に鋳造されます。
6. 電解精錬
陽極は、鉛またはチタンの母材ブランクを陰極として CuSO₄-H₂SO₄ 電解質中の電解セル内に配置されます。
6.1 動作条件
- 電流密度: 220～320 A/m²
- セル電圧: 0.22～0.32 V
- 電解液温度：60～65℃
- Cu2⁺: 40-55 g/L、遊離 H₂SO4: 150-220 g/L
6.2 電気化学反応
陽極溶解：Cu → Cu²⁺ + 2e⁻ より貴な元素（Au、Ag、Se、Te）は陽極スライムに溶解し、より貴でない元素は溶液に溶解します。陰極析出では、LMEグレードAの仕様を満たす99.993%以上のCuが得られます。
7. 排ガス処理と環境制御
自溶炉、転炉、陽極炉から排出されるSO₂を多く含むガスは、冷却・脱塵後、二重接触酸処理プラントで処理され、99.8%以上の硫黄回収率を達成しています。排ガス中のSO₂濃度は100mg/Nm³を大きく下回っています。ヒ素、水銀、その他の重金属は、特殊なプロセスで除去されます。
8. 結論
現代の銅乾式製錬は、高い継続性、自動化、そして環境性能を実現しています。フラッシュスメルティング、連続製錬、陽極精錬、電解精錬を統合したフローシートは、銅回収率98.5%以上、陰極1トン当たり280～320kgceの比エネルギー消費量を実現し、世界トップクラスのベンチマークとなっています。酸素濃縮、連続製銅技術、デジタルプロセス制御の継続的な開発により、効率性と持続可能性はさらに向上します。
投稿日時: 2025年12月22日