1. はじめに
乾式製錬による銅精錬は、一次精製銅生産の主流であり、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、一連の高温製錬工程を経て高純度陰極銅（99.99% Cu以上）に変換します。本稿では、フラッシュ製錬、転炉、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解説します。
2. 濃縮液の調製と混合
銅精鉱（銅含有量25～35％）は大型船で輸送され、屋根付きの貯蔵庫に保管される。水分含有量は通常8～12％であり、後工程の製錬における爆発や過剰なエネルギー消費を防ぐため、回転窯または流動床乾燥機を用いて0.3％以下に低減する必要がある。
乾燥濃縮物は、融剤（石英、石灰石）、還元物、転炉スラグと、厳密に制御された比率で混合される。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採用し、±0.5%以内の混合精度を実現している。
3. フラッシュ製錬
フラッシュ製錬は、硫化銅精鉱を処理するための最も先進的な技術であり、世界的にはOutotec（現Metso）のフラッシュ炉や中国で開発された酸素底吹き炉などが代表的である。
3.1 プロセス原理
乾燥濃縮物を850～950℃の高温酸素富化気流（酸素濃度75～90%）に注入する。反応（乾燥、酸化、スラグおよびマット生成）は3～5秒で完了し、反応熱によって自己熱運転が維持される。主な反応は以下の通り：4CuFeS₂ + 9O₂ → 4CuS + 2Fe₂O₃ + 8SO₂ 2FeS + 3O₂ + 2SiO₂ → 2FeO·SiO₂ + 2SO₂
3.2 主要機器
- 反応立坑：高さ11～14m、直径7～9m、高品質のマグネサイトクロムレンガで内張りされ、銅製の水ジャケットが設置されている。
- 沈殿槽および吸引シャフト：マット（銅65～75％）とスラグの重力分離。
- 廃熱ボイラー：約550℃の排ガスから顕熱を回収し、蒸気を発生させる。
- 酸素対濃縮物比：1.15～1.25 Nm³ O₂/t乾燥濃縮物
- 反応炉シャフト温度：1250～1300℃
- マット仕上げ温度：1180～1220℃
- スラグ中のFe/SiO₂比：1.1～1.4、スラグ中の銅含有量：0.6%以下
3.3 重要管理パラメータ
単一フラッシュ炉の処理能力は、熱効率98%以上、SO₂回収率ほぼ100%で、4000～5500トン/日の濃縮物処理能力を実現します。
4. 変換
マットは、電気加熱式の樋または取鍋を介して、ピアース・スミス式転炉または連続転炉に移送される。
4.1 スラグ形成段階
酸素濃度を高めた空気（酸素濃度25～35％）を吹き込み、硫化鉄を酸化させる。銅を2～8％含むスラグをすくい取り、フラッシュ製錬工程に戻す。
4.2 銅製造段階
吹き込みを続けると、1180～1230℃でCu₂Sが酸化されてブリスター銅（銅98.5～99.3%）になる。
5. 陽極炉火炎精錬
粗銅は、酸化還元精製のために、50～500トンの固定式または傾斜式陽極炉に投入される。
5.1 酸化段階
空気または酸素ランスによって、残留する鉄、ニッケル、ヒ素、アンチモン、ビスマスが浮遊スラグとして除去される。
5.2 削減段階
酸素濃度は天然ガス、ディーゼル燃料、または木製の棒を用いて150～300ppmまで低減される。精製された銅は300～450kgの陽極（銅純度99.0%以上）に鋳造される。
6. 電解精製
陽極は、鉛またはチタン製の母材を陰極として、CuSO₄-H₂SO₄電解液中の電解槽内に配置される。
6.1 運転条件
- 電流密度：220～320 A/m²
- セル電圧：0.22～0.32V
- 電解質温度：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）は陽極スライムに流れ込み、より貴でない元素は溶液中に溶け込む。陰極析出により、LMEグレードA規格を満たす99.993%以上のCuが得られる。
7．排ガス処理および環境制御
フラッシュ炉、転炉、陽極炉から排出されるSO₂を多く含むガスは、冷却、除塵され、二相接触式酸製造プラントで処理され、99.8%以上の硫黄回収率を達成します。排ガス中のSO₂濃度は100 mg/Nm³をはるかに下回ります。ヒ素、水銀、その他の重金属は、特殊なプロセスによって除去されます。
8．結論
現代の銅乾式製錬は、高い連続性、自動化、および環境性能を実現しています。フラッシュ製錬、連続転炉、陽極精錬、電解精錬を統合したフローシートにより、銅の回収率は98.5%以上、比エネルギー消費量は陰極1トンあたり280～320kgceという、世界最高水準の性能を達成しています。酸素富化、連続銅製造技術、デジタルプロセス制御における継続的な開発は、効率性と持続可能性をさらに向上させるでしょう。
投稿日時：2025年12月22日