JP2001518557A - 金属酸化物から金属を製造する直接製錬法 - Google Patents
金属酸化物から金属を製造する直接製錬法Info
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Abstract
Description
た鉱石、金属を含有する廃棄流等の冶金材料から、特に鉄だけではなく、溶融金
属(この用語には合金も含まれる)を製造する方法に関するものである。
直接製錬法に関するものである。
にしている。固体材料は炉頂から装入され、溶銑は炉床から出湯される。固体材
料には、鉄鉱石(焼結物、塊鉱、ペレット)、コークス、フラックスが含まれ、
下方へ移動する通過性の装入物となる。酸素を富化させた予熱空気が、炉底へ注
入され、透過性の基床を通過して上昇し、一酸化炭素を発生させ、コークスの燃
焼によって熱せられる。これらの反応の結果、溶銑とスラグが生成される。
「直接還元法」に分類され、製品はDRIと呼ばれる。
一連の流動床反応器の各反応器から重力供給される鉄鉱石の微粉が還元される。
これらの微粉は、圧縮還元ガスによって還元される。この圧縮還元ガスは、一連
の反応器の一番下の反応器の底部から注入され、微粉の下降運動に対して逆方向
に流れる。
れぞれ基本とした方法が含まれる。
に溶銑を製造する。この方法は2段階の作業を含んでいる: (a)DRIは、鉄鉱石(塊鉱またはペレット)と、石炭と、フラックスとの
透過性床からシャフト炉内で製造され、 (b)次いで、DRIは、冷却されずに、接続された溶融炉(melter)
ガス化装置内へ装入される。
元ガスが生成される。 溶銑を製造する別の公知の方法群は、サイクロンコンバータに基づくものであ
る。サイクロンコンバータでは、鉄鉱石が、上部の溶融サイクロン内で酸素と還
元ガスとの燃焼によって溶融され、溶銑浴の入った下部製錬装置内で製錬される
。下部製錬装置は、上部溶融サイクロン用の還元ガスを発生させる。
いる。 直接製錬法の公知の一群では、製錬反応用の主要エネルギー源として電気炉を
使用するのが基本である。
量の、激しく撹拌されるスラグ浴を、炉頂より装入される金属酸化物を金属に製
錬するための媒体として、またガス状反応生成物の後燃焼と、金属酸化物の製錬
継続に要する熱伝達とのための媒体として使用することを基本とする。ロメルト
法には、酸素を富化した空気または酸素を下部羽口列を介してスラグ内へ注入し
、かつ酸素を上部羽口列を介してスラグ内へ注入する作業を含み、これにより後
燃焼が促進される。ロメルト法では、金属層は重要な反応媒体とはならない。
プ・スラグ法」と呼ばれるものである。例えばDIOSやAISI等のこれらの
方法は、深くにまで達するスラグ層を形成することを基本とし、スラグ層が3帯
域を有している。すなわち、注入した酸素により反応ガスを後燃焼させるための
上部帯域と、金属酸化物を金属に製錬するための下部帯域と、上下帯域を分離す
る中間帯域とである。ロメルト法の場合同様、スラグ層の下の金属層は、重要な
反応媒体とはならない。
にヒスメルト(HIsmelt)法と呼ばれ、本出願人の名による国際出願PC
T/AU96/00197(WO 96/31627)に記述されているもので
ある。 ヒスメルト法は、前記国際出願に記述されているように、次の段階を含んでい
る: (a)容器内に溶銑・スラグ浴を生じさせる段階、 (b)浴内へ次のものを注入する段階: (i)金属含有供給材料、通常は金属酸化物、 (ii)固体炭素質材料、通常は石炭で、金属酸化物の還元剤およびエネル
ギー源として働くもの、 (c)金属含有供給材料を金属層内で金属に製錬する段階。
属含有供給材料の製錬に要する熱エネルギーに役立てるため、浴に伝達する段階
を含んでいる。
み、この移行帯域では、溶融金属および/またはスラグの小滴、飛沫、流れのい
ずれかが、昇降運動し、浴上方での反応ガスの後燃焼により発生する熱エネルギ
ーを浴に伝達する効果的な媒体となる。
料および/または固体炭素質材料および/または他の固体材料とを、キャリアガ
スと固体材料とが浴に貫入することで溶融金属および/またはスラグを浴表面上
方の空間内へ吹上げさせるように、浴と接触する炉壁の一部を通して、かつ/ま
たは浴の上方から、浴内へ注入することで移行帯域を生じさせることを特徴とし
ている。
底部から注入して移行帯域を形成し、小滴と飛沫と流れとを生じさせ、溶融金属
およびスラグを浴から吹上げさせる従来のヒスメルト法の改良である。
る改良直接製錬法を得ることである。
改良直接製錬法は、次の段階を含んでいる: (a)冶金用の容器内に金属層と金属層上のスラグ層とを有する溶融浴を生成
する段階と、 (b)1つ以上のランス/羽口を介して金属層内へ金属含有材料を注入し、か
つ金属含有材料を製錬して、少なくとも主に金属層内で金属にする段階と、 (c)金属内の溶存炭素量が炭素と金属との総重量の少なくとも3重量%を占
めるのに十分な量の固体炭素質材料を、1つ以上のランス/羽口を介して金属層
内へ注入する段階と (d)溶融浴の金属層から溶融材料の飛沫と小滴と流れとの上昇運動を生じさ
せる段階、それも、この上昇運動が、 (i)溶融浴のスラグ層内の金属の激しい混合を促進し、その結果、スラグ
層が著しい還元状態に維持されることで、スラグ層内のスラグ総重量の8重量%
未満のFeO量となり、かつまた前記上昇運動が、 (ii)溶融浴の公称静止表面上方の空間内へ広がることにより、移行帯域
が生成される段階と、 (e)酸素含有ガスを冶金容器内へ1つ以上のランス/羽口を介して注入して
、溶融浴から発生する反応ガスを後燃焼させる段階とであり、これによって、移
行帯域で溶融材料の飛沫・小滴・流れが上昇してから下降する運動により、溶融
浴への熱伝達が容易になり、かつまた移行帯域によって、移行帯域に接触してい
る側壁を介した容器からの熱損失が最少化される。
が主で、スラグはその残りの部分である。通常、溶融材料の飛沫・小滴・流れは
、下方へ移動する際に、更に溶融材料(スラグを含む)を同伴する。加えて、溶
融材料の飛沫・小滴・流れは次第に勢いを失い、金属層へ向かって落下する。金
属の密度はスラグのそれより高いため、溶融材料の飛沫・小滴・流れ内の金属の
相対量は、金属層から、移行帯域が、含むにしても僅かな量の金属を含む箇所ま
での間隔が増すにつれて減少する。
グ層内の金属が効果的に混合される。また金属層内への固体炭素質材料の注入に
よって、確実に、スラグ層内に混入されている金属内の溶存炭素量が増す。スラ
グ層の金属内の溶存炭素と、スラグ層内の金属の効果的な混合との結果として、
スラグ層は、スラグ内に低量のFeO(すなわち8重量%)を有するようになる
のが好ましい。
還元する化学反応が行われる熱的な処理を意味している。 「金属層」という用語は、ここでは、主に金属である浴帯域を意味している。
特に、この用語は、金属の連続的な体積内の分散溶融スラグを含む帯域または区
域を指すものである。
特に、この用語は、スラグの連続的な体積内の分散溶融金属を含む帯域または区
域を指す。 溶融浴との関連で言われる「静止表面」とは、ガス/固体が注入されず、した
がって浴が撹拌されていない処理状態のもとでの溶融浴の表面を意味している。
がより好ましい。
供給材料の製錬と反応速度維持とに要する量より多くなるように選択することが
含まれ、そうすることにより、容器から出るオフガス(off−gas)に同伴
するダストが少なくとも幾らかの過剰炭素を含有することになる。
のダスト重量の5〜90重量%(より好ましくは20〜50重量%)の範囲であ
り、この範囲は、オフガス内の10〜50g/Nm3のダスト発生量に相応する 。 好ましくは、本方法の段階(e)は、高レベルの1次後燃焼により行う。
質材料の添加なしで、製錬操業の結果として生じる後燃焼を意味している。 幾つかの例では、固体またはガスの炭素質材料(例えば石炭または天然ガス)
の補充源が、容器から出るオフガス内へ注入され、それにより化学エネルギー形
態の熱エネルギーが得られる。 炭素質材料のそのような補充注入の例は、天然ガスの注入である。天然ガスは
、オフガスを分解し、改質し、冷却する一方、その燃料価値を高める。
出た後にオフガス導管内で添加できる。 補充炭素質材料は、容器内での主製錬処理とは事実上無関係に下方での1次後
燃焼に使用することができる。
ある。 第1に、溶融材料の飛沫・小滴・流れが上昇した後に下降する運動は、公称静
止表面上方の頂部空間内の反応ガスの後燃焼で発生する熱を溶融材料に伝達する
効果的な手段となること。 第2に、移行帯域内の溶融材料、特にスラグは、容器側壁を介しての輻射によ
る熱損失を最少化する効果的な手段となること。 第3に、移行帯域内の炭素を含むダストは、容器側壁を介しての輻射による熱
損失を低減すること。
ち、本発明の方法では、主製帯域が金属層であり、主ガス酸化(すなわち熱発生
)帯域が、金属層から分離されている点、より詳しく言えば、移行帯域にあり、
これらの帯域が、空間的に明瞭に分離され、2つの帯域間で溶融材料が物理的に
運動することによって熱伝達が行われる点である。
、キャリアガス内の金属含有供給材料および/または炭素質材料を、下向きに延
在する1つ以上のランス/羽口を介して金属層へ向けて注入することで発生させ
るのが好ましい。 より好ましいのは、既述のように、1つ以上のランス/羽口を容器側壁を斜め
下向きに内部へ貫通させることである。
結果が生じる。 (a)固体材料/キャリアガスの勢いにより、固体材料およびガスが金属層に
貫入する、 (b)炭素質材料、通常は石炭が、液化され、それにより金属層内にガスが発
生する、 (c)炭素は、大部分は固溶し、一部が固体のまま残る、 (d)金属含有材料が、前項(c)に記載のように、注入した炭素質材料から
得られる炭素により製錬され金属にされ、且つ製錬反応は一酸化炭素ガスを発生
させる、 (e)金属層内へ装入されたガスと、液化および製錬により発生したガスとが
、溶融材料、すなわち溶融金属(溶存炭素を含む)とスラグ(固体/ガス注入の
結果として、金属層の上方から金属層内へ引入れられる)とに浮揚圧力を生じさ
せ、かつ金属層中の固体炭素が溶融金属の飛沫・小滴・流れの上昇運動を惹起し
、これらの飛沫・小滴・流れが、スラグ層を通って移動するさい、更にスラグを
同伴する。
唯一の別の選択手段という訳ではないが、金属含有供給材料と炭素質材料とを1
つ以上の羽口を介して、容器底部内へ、または金属層と接触している容器側壁内
へ注入することである。 金属含有供給材料と炭素質材料との注入は、同一の、または別のランス/羽口
を介して行うことができる。
固体材料とを浴へ注入するには、噴水形式で浴上方の空間内へ溶融材料の飛沫・
小滴・流れを吹上げさせれば十分であるようにするのが好ましい。
ば金属含有材料、炭素質材料、フラックス等の固体材料を注入するためのランス
/羽口、 (b)溶融金属およびスラグを排出する出湯口、 (c)1つ以上のオフガス出口。
部分還元鉱石、DRI(直接還元鉄)、鉄炭化物、黒皮、高炉ダスト、焼結微粉
、BOFダスト、これらの材料の混合物のいずれかでよい。 部分還元鉱石の場合、前還元の度合が、比較的低レベル(例えばFeO)から
比較的高レベル(金属化率は例えば70〜95%)までの範囲である。 このことと関連して、本方法は、更に金属含有鉱石を部分還元した後、この部
分還元鉱石を金属層内へ注入することを含んでいる。
いずれかでよい。 酸素含有ガスは、空気であるのが好ましい。 特に、空気は予熱されるのが好ましい。
好適実施例を略示する冶金容器の縦断面図である。
発明は、該用途に限定されるものではなく、適当な、どのような金属鉱石および
/または精鉱 −部分還元金属鉱石および廃棄物を含む− にも適用可能である
。 図示の容器は、底部3と、概して円筒形のバレル(barrel)を形成する
側壁5と、ルーフ(roof)7と、オフガス(off−gas)用上部出口9
と、金属とスラグとを排出する出湯口(図示せず)とを有している。
ネルは、本出願人のオーストラリア仮特許出願PP4426に詳しく記述されて
おり、該出願の開示内容は、相互参照により本明細書に取り入れられている。
と金属層15の上の溶融スラグ層16とが含まれている。符号17の矢印は、金
属層15の公称静止表面の位置を示し、符号19の矢印は、スラグ層16の公称
静止表面の位置を示している。「静止表面」という用語は、容器内へガスおよび
固体が注入されない状態の場合の表面を意味している。
体注入ランス/羽口11を有している。ランス/羽口11の位置は、下端が金属
層15の静止表面17上方に達するように選択されている。
1を介して金属層15内へ注入される。固体材料/キャリアガスの勢いによって
、固体材料とガスが金属層15内へ貫入する。石炭は、液化され、それにより金
属層15内でガスを発生する。炭素は、一部が金属中へ溶解され、一部が固体炭
素として残存する。鉄鉱石は、製錬され金属となり、製錬反応によって一酸化炭
素ガスが発生する。金属層15内へ送入され、かつ液化と製錬とにより発生した
ガスは、金属層15から溶融金属、固体炭素、溶融スラグ(固体/ガス注入の結
果として金属層15の上方から金属層内へ引込まれた)を浮揚させるかなりの浮
揚圧力を生じさせ、これによって、溶融材料と固体炭素との飛沫・小滴・流れの
上昇運動が発生し、これらの飛沫・小滴・流れは、スラグ層16を通過する際、
スラグを同伴する。
い撹拌運動が生じ、その結果、スラグ層16は体積が増大し、矢印30で示す表
面となる。この撹拌は、金属層15とスラグ層16とが、それぞれ実質的に均質
になる程度まで行われ、それにより、各層にわたって相応に一様な温度になり−
通常は1450〜1550゜C−、かつ各層にわたって相応に一様な配合状態と
なる。
沫・小滴・流れの上昇運動が、容器内の溶融材料上方の頂部空間内へ延び、移行
帯域23を形成する。 概括的に言って、スラグ層16は、液状の連続的な体積であって、気泡および
金属(通常は小滴)を含んでおり、移行帯域23は、ガスの連続的な体積であっ
て、溶融金属の飛沫・小滴・流れ(この段階では少なくとも主にスラグ)を含ん
でいる。
い撹拌により、スラグ層16内で金属が効果的に混合される。固体炭素質材料を
意図的に金属層15内へ注入することによって、スラグ層内に混合されている金
属内の溶存炭素量が増加する。スラグ層の金属内の溶存炭素と、スラグ層の金属
の効果的な混合との結果として、スラグ層には、少量(通常は8重量%未満)の
FeOが含有されるようになるのが望ましい。
、ランス13の端部周辺の自由空間25内との反応ガスCOおよびH2が後燃焼 され、かつ2000゜C程度以上の高温が、ガス空間内に発生する。この熱は、
溶融金属の、ガス注入区域内で昇降する飛沫・小滴・流れに伝達され、次いで、
この熱の一部は、金属/スラグが金属層に戻るさいに、金属層15に伝達される
。
するために重要である。なぜなら、自由空間25が存在することによって、移行
区域23上方の空間内のガスがランス13の端区域へ同伴され、それによって、
利用可能な反応ガスの後燃焼度が増すからである。 ランス13の位置と、ランス13を通るガス流量と、溶融材料の飛沫・小滴・
流れの上昇運動との組合わせ効果によって、ランス13の下方区域−おおよそ符
号27で示す−に移行帯域23を形成することができる。形成されたこの区域は
、側壁5への輻射による熱伝達に対する部分的な障壁となる。
の効果的熱伝達手段であり、その結果、側壁5の区域の移行帯域23の温度は1
450゜C〜1550゜C程度である。 本発明の方法の好適実施例では、浴に添加される固体炭素質材料量を、浴に装
入される鉄鉱石の製錬に要する量より多く選択することが含まれ、それによって
、煤形態またはチャー形態の固体炭素が、浴と移行帯域23とを通して運ばれる
。その結果、炭素が、容器からのオフガス内のダストに多量に含まれることにな
る。炭素は、また容器から排出されるスラグ内に少量含まれている。
でなければならない:すなわち、 (a)浴の金属内の炭素が少なくとも3重量%の濃度を有すること、 (b)スラグ層16および移行帯域23内のスラグのFeO含有量が8重量%
未満であること、 (c)容器から出るオフガスに同伴するダスト内の炭素が少なくとも5%であ
ること。
層16内で金属が効果的に混合されることで、スラグ層が、金属とスラグとの混
合によって十分な還元状態に確実に維持されることである。こうして得られた低
FeO含有量のスラグによって、高FeO含有量のスラグと高炭素含有量の金属
との、制御されない高速反応の可能性があることに関連する操業上の問題点が回
避される。
れることで、明確な制御は不要となる。金属からの炭素損失は、プラント操業の
観点からすれば重大な問題である。なぜなら、金属の液相線(鉄−炭素系の)が
、共晶のいずれかの側で著しく変化するからである。浴内に過剰炭素が存在する
ことは、その系が、ある程度まで自己修正することを意味し、それによって、プ
ロセスに障害が生じた場合に作業員が利用できる修正行動に、より多くの時間的
余裕が与えられる。
される過剰炭素量によって効果的に制御される。その結果、容器から排出される
未使用の炭素は、容器へリサイクルすることができる。 本出願人は、以上に説明した、図示の容器を有する大規模なパイロットプラン
トを、既述の処理条件で操業した。
間の関連データを示したものである。
irect shipping)鉱石で、無水ベースで64.6%の鉄、4.2
1%のSiO2、2.78%のAl2O3を含有するものだった。 無煙炭は、還元剤としても、燃焼用並びにプロセスへのエネルギー供給用の炭
素源および水素源としても、使用した。石炭は、発熱量が30.7MJ/kg、
灰分10%、揮発分9.5%であった。このほかの特性には、炭素総量が79.
82%、H2Oが1.8%、N2が1.59%、O2が3.09%、H2が3.09
%であることが含まれている。 石灰とマグネシアの組合わせを使用することで、スラグの塩基度が1.3(C
aO/SiO2比)に維持されるように処理した。マグネシアは、これによりス ラグ内に適量に維持され、スラグの腐食性を低減し耐火性を高めることに寄与し
た。
溶銑6.1t/hだった。固体注入率は、鉱石微粉9.7t/h、石炭6.1t
/h、フラックス1.4t/hだった。溶銑t当たり石炭1000kgの率が達
成された。これらの条件下での操業の結果、ダスト炭素量25重量%、スラグ内
のFeO量4重量%、浴中の炭素量4重量%だった。 本発明の方法の好適実施例に対しては、本発明の精神および範囲を逸脱するこ
となしに、多くの変更態様が可能である。
Claims (10)
- 【請求項1】 金属酸化物(部分的に還元金属酸化物を含有する)から金属
を製造する直接製錬法において、前記方法が次の段階、すなわち、 (a)冶金用の容器内で金属層と金属層上のスラグ層とを有する溶融浴を生成
する段階と、 (b)1つ以上のランス/羽口を介して金属層内へ金属含有材料を注入し、か
つ金属含有材料を製錬して、少なくとも主に金属層内で金属にする段階と、 (c)金属内の溶存炭素量が炭素と金属との総重量の少なくとも3重量%を占
めるのに十分な量の固体炭素質材料を、1つ以上のランス/羽口を介して金属層
内へ注入する段階と (d)溶融浴の金属層から溶融材料の飛沫・小滴・流れの上昇運動を生じさせ
る段階、それも、この上昇運動が、 (i)溶融浴のスラグ層内の金属の十分な混合を促進し、その結果、スラグ
層が著しい還元状態に維持されることで、FeO量が、スラグ層内のスラグ総重
量の8重量%未満となり、かつまた前記上昇運動が、 (ii)溶融浴の公称静止表面上方の空間内へ広がることにより、移行帯域
が生成される段階と、 (e)酸素含有ガスを容器内へ1つ以上のランス/羽口を介して注入して、溶
融浴から発生する反応ガスを後燃焼させる段階を含み、これにより移行帯域での
溶融材料の飛沫・小滴・流れの、上昇してから下降する運動により溶融浴への熱
伝達が容易になり、かつまた移行帯域によって、移行帯域に接触している側壁を
介しての容器からの熱損失が最少化される、金属酸化物から金属を製造する直接
製錬法。 - 【請求項2】 金属内の溶存炭素量が、4重量%を超える量である、請求項
1に記載された方法。 - 【請求項3】 スラグ層のスラグ内のFeO濃度が、6重量%未満である、
請求項1に記載された方法。 - 【請求項4】 前記FeO濃度が、5重量%未満である、請求項3に記載さ
れた方法。 - 【請求項5】 容器から出るオフガスに同伴するダストが少なくとも幾らか
炭素を含有するように、金属層内へ注入される固体炭素質材料量を選定すること
を含む、請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載された方法。 - 【請求項6】 容器から出るオフガスに同伴するダストの固体炭素含有量が
、オフガス内のダスト重量の5〜90重量%の範囲であり、この範囲が、オフガ
ス内での10〜50g/Nm3のダスト発生量に相応する、請求項5に記載され た方法。 - 【請求項7】 40%を超えるレベルの一次後燃焼で処理を行うことを含む
、請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載された方法。 - 【請求項8】 50%を超えるレベルの一次後燃焼で処理を行うことを含む
、請求項7に記載された処理法。 - 【請求項9】 段階(d)が、キャリアガス内の炭素質材料および冶金材料
を、金属層に向かって下方へ延在する1つ以上のランス/羽口を介して注入する
ことで、公称静止表面上方の空間内に溶融材料の飛沫・小滴・流れの上昇運動を
生じさせて、移行帯域を形成する段階を含む、請求項1から請求項8までのいず
れか1項に記載された方法。 - 【請求項10】 段階(d)が、冶金材料および炭素質材料を1つ以上の羽
口を介して容器底部または金属層に接触している容器側壁のところに注入するこ
とにより、公称静止表面上方の空間に溶融材料の飛沫・小滴・流れの上昇運動を
生じさせて、移行帯域を形成する段階を含む、請求項1から請求項8までのいず
れか1項に記載された処理法。
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