JP2011241472A - 直接製錬法 - Google Patents
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Abstract
【課題】含金属原料を直接製錬する方法を提供する。
【解決手段】鉄酸化物は予備還元容器で固体のまま部分還元される。部分還元された鉄酸化物は、鉄とスラグの溶湯を保有する直接製錬容器内で、還元剤およびエネルギー源としての固体炭素質材料と容器内で発生する水素一酸化炭素を後燃焼するための含酸素ガスを供給されて、溶融鉄に製錬される。直接製錬工程は硫黄を含有する離脱ガスを発生させ、離脱ガスは直接製錬容器から放出される。直接製錬容器から放出される離脱ガスは、部分還元された鉄酸化物とともに直接製錬容器に戻る硫黄の量を制御するため、一部だけが予備還元工程で利用される。
【選択図】図１
【解決手段】鉄酸化物は予備還元容器で固体のまま部分還元される。部分還元された鉄酸化物は、鉄とスラグの溶湯を保有する直接製錬容器内で、還元剤およびエネルギー源としての固体炭素質材料と容器内で発生する水素一酸化炭素を後燃焼するための含酸素ガスを供給されて、溶融鉄に製錬される。直接製錬工程は硫黄を含有する離脱ガスを発生させ、離脱ガスは直接製錬容器から放出される。直接製錬容器から放出される離脱ガスは、部分還元された鉄酸化物とともに直接製錬容器に戻る硫黄の量を制御するため、一部だけが予備還元工程で利用される。
【選択図】図１
Description
本発明は、含金属原料から溶融鉄を製造するための溶湯を基礎とする直接製錬法において、鉱石、部分還元鉱石および含金属廃棄物から、溶融鉄を製造する方法に関するものである。
「直接製錬法」という用語は、含金属原料から溶融材料（この場合は鉄）を製造する方法を意味するものとする。
溶融含鉄金属を製造するための、溶湯を基礎とする直接製錬法の一つがＤＩＯＳ法である。ＤＩＯＳ法は予備還元段階と製錬還元段階とを包含する。ＤＩＯＳ法では、鉱石（８mm未満）が、金属の上に厚いスラグ層を形成した、溶融状態の金属およびスラグを保有する製錬還元容器から出る離脱ガスを用い、泡立ち式流動床で予熱（７５０℃）され、かつ予備還元（１０〜３０％）される。鉱石中の微細成分（０．３mm未満）および粗大成分（８mm未満）は工程における予備還元段階で分離され、０．３mm未満のものはサイクロンで捕集されて窒素と共に製錬還元炉に吹き込まれると同時に、粗鉱石は自重落下で装入される。予め乾燥された石炭は、容器の頂部から製錬還元炉に直接装入される。石炭はスラグ層において炭と揮発物質に分解し、鉱石は溶融スラグに溶解してＦｅＯを形成する。ＦｅＯはスラグ／金属とスラグ／炭の境界面で還元され鉄となる。金属／スラグとスラグ／炭の境界面で発生する一酸化炭素が泡立つスラグを形成する。特別設計のランスを通じて酸素が吹き込まれ、泡立つスラグ内に酸素をもたらし二次燃焼を改善する。酸素噴射は製錬還元反応に伴い発生する一酸化炭素を燃焼させ、そのことにより、底部から吹き上がるガスの強い撹拌効果でまず溶融スラグへ、そして次にスラグ／金属境界面へ伝達されることとなる熱を生み出す。製錬還元容器の底部あるいは側壁から高温の金属浴にもたらされる撹拌ガスは伝熱効率を改善し還元のためのスラグ／金属境界面を増加させ、それゆえに容器の生産性と熱効率を高める。しかしながら、激しい撹拌は、スラグ中での酸素噴射と金属液滴との相互作用増大のため二次燃焼を低下させ、その結果、生産性の低下と耐火材の損耗増加を伴うので、吹き込み速度は限定すべきである。スラグと金属は定期的にタップ孔から排出される。
溶融鉄系金属の製造のための別の公知直接製錬法はＲｏｍｅｌｔ法である。Ｒｏｍｅｌｔ法は、製錬還元容器中で含金属原料を金属へと製錬するため、またガス状反応生成物を後燃焼させ、含金属原料の製錬継続に必要な熱を伝達する媒体として、大量の、高度に撹拌されたスラグを利用することを基礎とする。含金属原料、石炭、および溶剤が容器天井の開口部を通してスラグ浴中に自重で供給される。Ｒｏｍｅｌｔ法は、必要なスラグの撹拌を引き起こすために、下段列羽口を通じて酸素富化空気からなる一次衝撃風をスラグへ吹き込むこと、および後燃焼を促進するために上段列羽口を通じて酸素富化空気または酸素をスラグへ吹き込むことを含む。スラグ中で生じる溶融金属は下方に移動して金属層を形成し、前炉を経て排出される。Ｒｏｍｅｌｔ法では、金属層は重要な反応媒体ではない。
溶融鉄の製造のための、溶湯を基礎とする、別の公知直接製錬法はＡＩＳＩ法である。ＡＩＳＩ法は予備還元段階と製錬還元段階を含む。ＡＩＳＩ法では、予熱され部分還元された鉄鉱石ペレット、石炭または紛コークスおよび溶剤が炉頂より金属とスラグの溶湯を保有する加圧製錬容器に装入される。石炭はスラグ層で揮発分を失い、鉄鉱石ペレットはスラグ層に溶解してスラグ中の炭素（炭）により還元される。操業状態はスラグの泡立ちとして現れる。工程で発生する一酸化炭素と水素はスラグ層中またはスラグ層直上で後燃焼し、吸熱還元反応のための熱を供給する。酸素が、中央の水冷ランスを通して頂上から吹き込まれ、後燃焼のエネルギーを浴に伝達せしめるための十分な撹拌を確保するべく、反応装置底の羽口を通じて窒素が吹き込まれる。工程の離脱ガスは、鉱石ペレットの予熱、および、ＦｅＯまたはウスタイトへの鉱石ペレットの予備還元のために高炉型炉に供給される前に、高温サイクロンで除塵される。
溶湯を基礎とするが、前記方法とは異なり反応媒体を溶融金属層に依存する別の直接製錬法は通称ＨＩｓｍｅｌｔ法であり、次の段階を含む。
（ａ）直接製錬容器内に金属層とその上のスラグ層からなる溶湯を形成する段階、
（ｂ）複数のランス／羽口を通じて金属層中に含金属原料と石炭を吹きこむ段階、
（ｃ）金属層中で含金属原料を金属に製錬する段階、
（ｄ）溶湯の静止表面上部の飛沫、液滴、および流れが遷移帯域を形成するよう、溶融材料が飛び散るようにする段階、および
（ｄ）溶湯から放出される反応生成ガスを後燃焼するため、一つまたはそれ以上のランス／羽口を通じて容器内に含酸素ガスを吹き込み、それによって遷移帯域内で上下動する溶融材料の飛沫、液滴、および流れが溶湯への熱伝達を促進し、それによって遷移帯域に接触している容器の壁からの熱損失を遷移帯域が極少化する段階。
（ａ）直接製錬容器内に金属層とその上のスラグ層からなる溶湯を形成する段階、
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（ｃ）金属層中で含金属原料を金属に製錬する段階、
（ｄ）溶湯の静止表面上部の飛沫、液滴、および流れが遷移帯域を形成するよう、溶融材料が飛び散るようにする段階、および
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ＨＩｓｍｅｌｔ法における好ましい方式は、搬送ガスおよび固体物質が金属層を貫通し浴から溶融材料の飛散を起こさせるよう、容器側壁を貫いて下方内側に向かって伸長するランスを通じて、搬送ガス、含金属原料、石炭、および溶剤を浴中に吹き込むことにより遷移帯域を形成することを特徴とする。
このＨＩｓｍｅｌｔ法方式は、羽口を通じて底部から搬送ガスと石炭を浴中に吹き込み、溶融材料の液滴、飛沫および流れを浴から飛散させ、もって遷移帯域を形成するという初期の方式に対する改良である。
Ｒｏｍｅｌｔ、ＤＩＯＳ、ＡＩＳＩ、およびＨＩｓｍｅｌｔ直接製錬法は、石炭をエネルギー源および還元剤として使用する。これはエネルギー源および還元剤としてコークスを必要とする高炉法に対する直接製錬法の利点である。
Ｒｏｍｅｌｔ、ＤＩＯＳ、ＡＩＳＩ、およびＨＩｓｍｅｌｔ直接製錬法は、広範囲の含金属原料に対して操業できる。
鉄鉱石は、Ｒｏｍｅｌｔ、ＤＩＯＳ、ＡＩＳＩ、およびＨＩｓｍｅｌｔ法で溶融鉄を製造するための、含金属原料の主要源である。
直接製錬法の一つの工程選択肢は、鉄鉱石を、そのまま直接製錬容器に供給することである。
別の工程選択肢は、予備還元容器（高炉、または流動床、またはその他の適切な容器）内で固体のまま鉄鉱石を予熱して部分還元し、予熱／部分還元された鉄鉱石を鉄およびスラグの溶湯を保有する直接製錬容器へ移送し、予熱／部分還元された鉄鉱石を直接製錬容器内で溶融鉄に製錬することである。この工程選択肢は、予備還元容器内での鉄鉱石の予熱／予備還元に直接製錬容器の離脱ガスを使用することを含めてもよい。この工程選択肢の一つの利点は全エネルギー消費を極少化する機会を提供することである。この工程選択肢の一つの欠点は、望ましくない不純物（一般的なものとして硫黄、アルカリ塩のように石炭からもたらされるもの）が直接製錬容器内で揮発して離脱ガスの一部として排出され、予熱／部分還元された鉄鉱石と共に直接製錬容器内に戻り、蓄積されることである。つまり、硫黄は、予備還元容器内のＦｅＯと結びついてＦｅＳとなり、アルカリ塩は容器内に濃縮するが、ＦｅＳと濃縮アルカリ塩が予熱／部分還元された鉄鉱石と共に直接製錬容器に移送される。ＦｅＳの直接製錬容器への戻りは製錬工程の反応場を破壊し、生産に深刻な影響を与えるだろう。この問題に対する一つの解決策は製錬用媒体の温度を上げることである。しかし、このことは耐火材の損耗増大につながり、またやり過ぎるとスラグよりも、むしろ金属に燐を分配することに繋がり、これは大きな欠点である。
本発明の目的は、特に製錬媒体が金属である場合の公知の二段階直接製錬法の前記欠点を緩和することである。
一般的に言えば、本発明は以下の段階を包含する含金属原料直接製錬法を提供するものである。
（ａ）予備還元容器中で鉄酸化物を固体のまま部分還元して部分還元鉄酸化物を生成する段階、
（ｂ）前記段階（ａ）で生成された部分還元鉄酸化物を直接製錬容器中で直接製錬して溶融鉄にする段階であり、前記直接製錬容器は鉄とスラグの溶湯を保有し、還元剤およびエネルギー源としての固体炭素質材料ならびに前記直接製錬容器中で発生する水素と一酸化炭素を後燃焼させるための含酸素ガスが前記直接製錬容器に供給される、前記段階、
（ｃ）直接製錬段階（ｂ）で、硫黄を含む離脱ガスを発生させ、それを前記直接製錬容器から放出する段階、および
（ｄ）前記予備還元容器中で鉄酸化物を予備還元して、前記予備還元容器から前記直接製錬容器へ戻される硫黄の量を制御するために、予備還元段階（ａ）において、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの一部のみを使用する段階。
（ａ）予備還元容器中で鉄酸化物を固体のまま部分還元して部分還元鉄酸化物を生成する段階、
（ｂ）前記段階（ａ）で生成された部分還元鉄酸化物を直接製錬容器中で直接製錬して溶融鉄にする段階であり、前記直接製錬容器は鉄とスラグの溶湯を保有し、還元剤およびエネルギー源としての固体炭素質材料ならびに前記直接製錬容器中で発生する水素と一酸化炭素を後燃焼させるための含酸素ガスが前記直接製錬容器に供給される、前記段階、
（ｃ）直接製錬段階（ｂ）で、硫黄を含む離脱ガスを発生させ、それを前記直接製錬容器から放出する段階、および
（ｄ）前記予備還元容器中で鉄酸化物を予備還元して、前記予備還元容器から前記直接製錬容器へ戻される硫黄の量を制御するために、予備還元段階（ａ）において、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの一部のみを使用する段階。
予備還元段階（ａ）において直接製錬容器からの離脱ガスの全量よりも、むしろ一部のみを使用する段階（ｄ）の効果は、直接製錬容器中の好ましくない不純物（一般には、石炭からもたらされる不純物）の蓄積速度を少なくとも極少化することである。前記のとおり、公知の二段階直接製錬法の欠点は、直接製錬容器中で揮発する多数の好ましくない不純物（一般には、硫黄、アルカリ塩のような石炭からもたらされる不純物）が予備還元容器で回収され、その後直接製錬容器へ戻されることである。
好ましくは、段階（ｄ）は、直接製錬段階（ｂ）で生成される溶融鉄中の硫黄の量が溶融鉄全量の０．２重量％未満になるように、直接製錬容器から放出され予備還元段階（ｄ）で使用される離脱ガスの量を制御することを含む。
好ましくは、本方法は、残余離脱ガス部分の硫黄の大半を直接製錬容器に戻すことなく、直接製錬容器から放出される離脱ガスの残余を加熱用および／または発電用に処理することを含む。
好ましくは、直接製錬段階（ｂ）は予熱空気または酸素富化空気を含酸素ガスとして直接製錬容器へ吹き込むことを含む。
さらに好ましくは、本方法は直接製錬容器からの離脱ガスの第一の流れを予備還元段階（ａ）で使用し、離脱ガスの第二の流れを、直接製錬容器に供給する前の空気または酸素富化空気を加熱するエネルギー源として使用することを含む。
好ましくは、第二の流れは直接製錬容器から放出される離脱ガスの少なくとも２０容量％を含む。
より好ましくは、第二の流れは直接製錬容器から放出される離脱ガスの少なくとも３０容量％を含む。
第二の流れが直接製錬容器から放出される離脱ガスの少なくとも４０容量％を含むことは特段に好ましい。
好ましくは、本方法は第二の流れを空気または酸素富化空気の加熱に使用するに先立ち、含まれる硫黄とアルカリ塩を除去することを含む。
好ましくは、酸素富化空気は５０容量％未満の酸素を含む。
好ましくは、予備還元段階（ａ）は、鉄鉱石を６００℃〜１０００℃の温度範囲に予熱する。
好ましくは、予備還元段階（ａ）で生じる離脱ガスが、加熱または発電用燃料として使用される。
製錬段階（ｂ）は、適切なものならどのような直接製錬法を含んでもよく、また、製錬媒体として、鉄またはスラグのいずれを用いてもよい。
好ましくは、製錬段階（ｂ）は製錬媒体として金属の利用を含み、より好ましくは主たる製錬媒体として金属の利用を含む。
好ましくは、製錬段階（ｂ）は、次の工程を含むＨＩｓｍｅｌｔ法に従って部分還元された鉄酸化物を直接製錬することを含む。
（ｉ）前記直接製錬容器中に、溶融鉄層と、該溶融鉄上の溶融スラグ層からなる溶湯を形成する段階、
（ii）複数のランス／羽口を通じて、部分還元された鉄酸化物と石炭を前記溶融鉄層中に吹き込む段階、
（iii）前記溶融鉄層中で、前記部分還元された鉄酸化物を溶融鉄に製錬する段階、
（iv）前記溶湯の公称静止表面よりも上の空間に、飛沫、液滴および流れとして飛散させて遷移帯域を形成する段階、および
（ｖ）一つまたはそれ以上のランス／羽口を通じて前記直接製錬容器に含酸素ガスを吹き込み、溶湯から放出される一酸化炭素と水素を後燃焼させ、それによって、前記遷移帯域における溶融材料の飛沫、液滴および流れの上下動が前記溶湯に対する熱伝達を促進させ、さらに前記遷移帯域と接する容器側壁を介しての容器からの熱損失を遷移帯域が極少化するような、含酸素ガスを吹き込む段階。
（ｉ）前記直接製錬容器中に、溶融鉄層と、該溶融鉄上の溶融スラグ層からなる溶湯を形成する段階、
（ii）複数のランス／羽口を通じて、部分還元された鉄酸化物と石炭を前記溶融鉄層中に吹き込む段階、
（iii）前記溶融鉄層中で、前記部分還元された鉄酸化物を溶融鉄に製錬する段階、
（iv）前記溶湯の公称静止表面よりも上の空間に、飛沫、液滴および流れとして飛散させて遷移帯域を形成する段階、および
（ｖ）一つまたはそれ以上のランス／羽口を通じて前記直接製錬容器に含酸素ガスを吹き込み、溶湯から放出される一酸化炭素と水素を後燃焼させ、それによって、前記遷移帯域における溶融材料の飛沫、液滴および流れの上下動が前記溶湯に対する熱伝達を促進させ、さらに前記遷移帯域と接する容器側壁を介しての容器からの熱損失を遷移帯域が極少化するような、含酸素ガスを吹き込む段階。
ここで、溶湯という文脈における用語「静止表面」は、ガス／固体の吹き込みがない、従って溶湯撹拌のない場合の操業条件下にある溶湯表面を意味するものとする。
また、本明細書は下記の発明も開示している。
（ａ）予備還元容器中で鉄酸化物を固体のまま部分還元して部分還元鉄酸化物を生成する段階と、
（ｂ）前記段階（ａ）で生成された部分還元鉄酸化物を直接製錬容器中で直接製錬して溶融鉄にする段階であり、前記直接製錬容器は鉄とスラグの溶湯を保有し、還元剤およびエネルギー源としての固体炭素質材料ならびに前記直接製錬容器中で発生する水素と一酸化炭素を後燃焼させるための含酸素ガスが前記直接製錬容器に供給される、前記段階と、
（ｃ）直接製錬段階（ｂ）で、硫黄を含む離脱ガスを発生させ、それを前記直接製錬容器から放出する段階と、
（ｄ）前記予備還元容器中で鉄酸化物を予備還元して、前記予備還元容器から前記直接製錬容器へ戻される硫黄の量を制御するために、予備還元段階（ａ）において、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの一部のみを使用する段階とを含む含金属原料の直接製錬方法。
（ｂ）前記段階（ａ）で生成された部分還元鉄酸化物を直接製錬容器中で直接製錬して溶融鉄にする段階であり、前記直接製錬容器は鉄とスラグの溶湯を保有し、還元剤およびエネルギー源としての固体炭素質材料ならびに前記直接製錬容器中で発生する水素と一酸化炭素を後燃焼させるための含酸素ガスが前記直接製錬容器に供給される、前記段階と、
（ｃ）直接製錬段階（ｂ）で、硫黄を含む離脱ガスを発生させ、それを前記直接製錬容器から放出する段階と、
（ｄ）前記予備還元容器中で鉄酸化物を予備還元して、前記予備還元容器から前記直接製錬容器へ戻される硫黄の量を制御するために、予備還元段階（ａ）において、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの一部のみを使用する段階とを含む含金属原料の直接製錬方法。
前記段階（ｄ）が、直接製錬段階（ｂ）で生成される溶融鉄中の硫黄の量が溶融鉄の全重量の０．２重量％未満になるように、直接製錬容器から放出されて予備還元段階（ａ）で使用される離脱ガスの量を制御することを含む含金属原料の直接製錬方法。
前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの残余部分中の硫黄の大部分を前記直接製錬容器に戻すことなく、直接製錬容器から放出される離脱ガスの残余部分を、加熱および／または発電のために処理することを含む含金属原料の直接製錬方法。
予備還元段階（ａ）において前記直接製錬容器から出る離脱ガスの第一の流れを用い、かつ、空気または酸素富化空気を前記直接製錬容器に供給する前に加熱する目的で第二の流れを用いることを含む含金属原料の直接製錬方法。
前記第二の流れが、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの少なくとも２０容量％を含む含金属原料の直接製錬方法。
前記第二の流れが、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの少なくとも３０容量％を含む含金属原料の直接製錬方法。
前記第二の流れが、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの少なくとも４０容量％を含む含金属原料の直接製錬方法。
前記第二の流れを、空気または酸素富化空気を加熱するためのエネルギー源として利用するに先立ち、前記第二の流れに含まれる硫黄とアルカリ塩を前記第二の流れから除去することを含む含金属原料の直接製錬方法。
前記含酸素ガスが空気または５０容量％未満の酸素を含む酸素富化空気である含金属原料の直接製錬方法。
直接製錬段階（ｂ）で用いる空気または酸素富化空気を予熱することを含む含金属原料の直接製錬方法。
予備還元段階（ａ）が、鉄鉱石を６００〜１０００℃の温度範囲に予熱することを含む含金属原料の直接製錬方法。
予備還元段階（ａ）から前記離脱ガスを放出すること、および、加熱または発電の燃料として前記離脱ガスを用いることを含む含金属原料の直接製錬方法。
製錬段階（ｂ）が、部分還元された鉄酸化物を以下の段階に従って直接製錬することを含む方法であり、
（ｉ）前記直接製錬容器中に、溶融鉄層と、該溶融鉄上の溶融スラグ層からなる溶湯を形成する段階と、
（ii）複数のランス／羽口を通じて、部分還元された鉄酸化物と石炭を前記溶融鉄層中に吹き込む段階と、
（iii）前記溶融鉄層中で、前記部分還元された鉄酸化物を溶融鉄に製錬する段階と、
（iv）前記溶湯の公称静止表面よりも上の空間に、飛沫、液滴および流れとして飛散させて遷移帯域を形成する段階と、
（ｖ）一つまたはそれ以上のランス／羽口を通じて前記直接製錬容器に含酸素ガスを吹き込み、溶湯から放出される一酸化炭素と水素を後燃焼させ、それによって、前記遷移帯域における溶融材料の飛沫、液滴および流れの上下動が前記溶湯に対する熱伝達を促進させ、さらに前記遷移帯域と接する容器側壁を介しての容器からの熱損失を遷移帯域が極少化する、前記含酸素ガスを吹き込む段階とを含む含金属原料の直接製錬方法。
（ｉ）前記直接製錬容器中に、溶融鉄層と、該溶融鉄上の溶融スラグ層からなる溶湯を形成する段階と、
（ii）複数のランス／羽口を通じて、部分還元された鉄酸化物と石炭を前記溶融鉄層中に吹き込む段階と、
（iii）前記溶融鉄層中で、前記部分還元された鉄酸化物を溶融鉄に製錬する段階と、
（iv）前記溶湯の公称静止表面よりも上の空間に、飛沫、液滴および流れとして飛散させて遷移帯域を形成する段階と、
（ｖ）一つまたはそれ以上のランス／羽口を通じて前記直接製錬容器に含酸素ガスを吹き込み、溶湯から放出される一酸化炭素と水素を後燃焼させ、それによって、前記遷移帯域における溶融材料の飛沫、液滴および流れの上下動が前記溶湯に対する熱伝達を促進させ、さらに前記遷移帯域と接する容器側壁を介しての容器からの熱損失を遷移帯域が極少化する、前記含酸素ガスを吹き込む段階とを含む含金属原料の直接製錬方法。
以下、添付図を見ながら本発明の追加説明を行なう。
図１を見ると、鉄鉱石（一般に粉状）が予備還元容器１０３で加熱、部分還元され、温度６００〜１０００℃で直接製錬容器１０５に移送され、該容器中の溶湯内で溶融鉄に製錬される。
石炭、溶剤、および酸素富化空気が直接製錬容器１０５へ供給される。石炭はエネルギー源および還元剤として供給され、酸素富化空気は工程で発生する可燃反応生成物を後燃焼するため、また溶剤はスラグを形成するため供給される。
予備還元容器１０３は、適切な鉄鉱石供給材料用であればどのような種類、形状のものでもよい。例えば、もしも投入鉄鉱石が塊鉱であれば、予備還元容器は一般に高炉である。さらに、もしも投入鉱石が粉鉱であれば予備還元容器は一般に流動床を基礎とする炉である。
鉄鉱石供給材料は、直接製錬容器１０５から放出される離脱ガスによって予備還元容器１０３で加熱、部分還元される。離脱ガスは予備還元容器１０３を迂回し加熱用または発電用（図示されていない）の低エネルギー燃料として用いてもよい。
離脱ガスは、直接製錬容器１０５から予備還元容器１０３に直接移送してもよい。その場合、予備還元容器における加熱と還元の程度は離脱ガスの組成と温度の関数であり、離脱ガスの組成と温度は順送りに直接製錬容器１０５における製錬操業の関数である。
離脱ガスはまた、直接製錬容器１０５からガス改質器（図示されていない）または予備還元容器１０３の上流離脱ガスを前調整する他の手段を経て予備還元容器１０３に移送してもよい。
本発明により直接製錬容器１０５から出る離脱ガスは、二つ（またはそれ以上）に分流され、一つの流れは前記のように予備還元容器１０３に直接または間接に移送され、他の流れは直接製錬容器１０５における反応生成物を後燃焼させるための酸素富化空気を予熱する燃焼室１０７の燃焼側で利用される。
本発明の好適例において離脱ガスを分流する目的は二つある。
第一に、離脱ガスの一部のみを予備還元容器１０３へ移送することは、直接製錬容器１０５内に望ましくない不純物（一般的には硫黄およびアルカリ塩のような石炭からもたらされる不純物で直接製錬容器において揮発し、予備還元工程で回収され、そして装入される部分還元鉄鉱石とともに直接製錬容器１０５に戻されるもの）が蓄積する速度を減じる。
第二に、離脱ガスの流れの一部を燃焼室１０７の加熱のために用いることは全エネルギー消費を極少化する観点から有益である。この第二の利点は、通常予備還元容器１０３における鉄鉱石の加熱、還元に要求されるよりも多くの離脱ガスがあり、離脱ガスを分流することが予備還元容器１０３の操業に悪影響を与えない、空気を用いた直接製錬法に特に当てはまる。
直接製錬容器１０５で実行する直接製錬法は、適切であればどのような方法でもよく、冷酸素系でもよい。
直接製錬容器中で実行される好ましい直接製錬法はＨＩｓｍｅｌｔ法であり、これについては、以下で、図２を見ながら一般的に説明されており、また詳細については本件出願人による国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９９／００５３８で述べている（この国際出願で提出した特許明細書中の開示を参考文献として本明細書に援用する）。
本発明の文脈では、この国際出願で述べた直接製錬法は、下記に基づく。
（ａ）直接製錬容器１０５中に、溶融鉄層と溶融鉄上の溶融スラグ層からなる溶湯を形成する。
（ｂ）複数のランス／羽口を介して、部分還元された鉄鉱石と石炭と溶剤を鉄層中に吹き込む。
（ｃ）部分還元された鉄鉱石を鉄層中で溶融鉄へ製錬する。
（ｄ）溶湯の公称静止表面上部空間に飛沫、液滴、および流れとして溶融材料の飛散を引き起こす。
（ｅ）一つまたはそれ以上のランス／羽口を通じて直接製錬容器１０５に加熱酸素富化空気を吹き込み、溶湯から放出される反応ガス（一般に一酸化炭素と水素）を後燃焼させ、遷移帯域において２０００℃またはそれ以上の温度を作り出し、それにより遷移帯域を上昇しまた下降する溶融材料の飛沫、液滴、および流れが溶湯へ熱伝達するのを促進し、そしてそれにより遷移帯域と接している側壁を介しての容器からの熱損失を遷移帯域が極少化する。
（ａ）直接製錬容器１０５中に、溶融鉄層と溶融鉄上の溶融スラグ層からなる溶湯を形成する。
（ｂ）複数のランス／羽口を介して、部分還元された鉄鉱石と石炭と溶剤を鉄層中に吹き込む。
（ｃ）部分還元された鉄鉱石を鉄層中で溶融鉄へ製錬する。
（ｄ）溶湯の公称静止表面上部空間に飛沫、液滴、および流れとして溶融材料の飛散を引き起こす。
（ｅ）一つまたはそれ以上のランス／羽口を通じて直接製錬容器１０５に加熱酸素富化空気を吹き込み、溶湯から放出される反応ガス（一般に一酸化炭素と水素）を後燃焼させ、遷移帯域において２０００℃またはそれ以上の温度を作り出し、それにより遷移帯域を上昇しまた下降する溶融材料の飛沫、液滴、および流れが溶湯へ熱伝達するのを促進し、そしてそれにより遷移帯域と接している側壁を介しての容器からの熱損失を遷移帯域が極少化する。
直接製錬容器１０５は適切であればどのような容器でもよい。
好ましい直接製錬容器は、以下で図２を見ながら一般的に説明されるとともに、詳細については本件出願人による国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９９／００５３７で述べている容器である（この国際出願で提出した特許明細書中の開示を参考文献として本明細書に援用する）。
図２に示した容器１０５は、耐火レンガから成る基礎３と側面５５を含む炉床、炉床の側面５５から上方に伸びて一般に円筒状の胴部を構成し、上樽部分５１および下樽部分５３を含む側壁５、天井７、離脱ガスの出口９、溶融金属を連続的に排出するための前炉７７、炉床と前炉７７を連通する前炉連通路７１、および溶融スラグの排出のためのタップ孔６１を有する。
安定操業状態で使用される時、容器１０５は溶融鉄層１５と溶融鉄層１５の上の溶融スラグ層１６を含む溶湯を保有している。矢印１７は鉄層１５の公称静止表面位置を示し、矢印１９はスラグ層１６の公称静止表面位置を示す。用語「静止表面」とは、容器中にガスも固体も吹き込まれない時の表面を意味するものとする。
容器１０５はまた、側壁５を貫き垂直線に対し３０〜６０°の角度で下方かつ内側に向かってスラグ層１６中に伸びる二つの固体装入ランス／羽口１１を含む。ランス／羽口１１の位置は、安定操業状態にあるときにその下端が鉄層１５の静止表面１７上位にあるように選定される。
安定操業状態にあって使用される時、部分還元鉄鉱石、石炭、および溶剤（一般的には石灰とマグネシア）が搬送ガス（一般的にはＮ２）に乗せられランス／羽口１１を通じて鉄層１５中に吹き込まれる。固体物質／搬送ガスの勢いが固体物質とガスを鉄層１５に突入させる。炭素は部分的に金属に溶け込み、部分的に固体炭素で残る。予備還元された鉄鉱石は鉄に製錬され、製錬反応が一酸化炭素ガスを生み出す。鉄層１５中に運ばれ、および製錬を経て発生したガス類は、溶融鉄、固体炭素、およびスラグ（固体／ガスの吹き込みの結果として鉄層１５の中に引き込まれている）の浮力による顕著な浮揚を引き起こし、それが溶融材料の飛沫、液滴、および流れの上向き運動を作り出し、そしてこれらの飛沫、液滴、および流れがスラグ層１６を通過するときにスラグを随伴する。
溶融金属、固体炭素、およびスラグの浮揚は鉄層１５とスラグ層１６に相当な攪拌を引き起こし、その結果、スラグ層１６は体積が膨張し、矢印３０で示されるような表面となる。攪拌の程度は、鉄とスラグの領域において、それぞれ３０°オーダーの変動を伴った適度に均一な温度（一般的に１４５０〜１５５０℃）となるようなものである。
加えて、溶融鉄、固体炭素、およびスラグの浮揚により引き起こされた溶融材料の飛沫、液滴、および流れの上向き運動が容器中溶融材料の上部空間３１に到達し、
（ａ）遷移帯域２３を形成し、そして
（ｂ）遷移帯域２３を超え、その上部にある側壁５の上樽部分５１の方へ多少の溶融材料（主としてスラグ）を飛散させる。
（ａ）遷移帯域２３を形成し、そして
（ｂ）遷移帯域２３を超え、その上部にある側壁５の上樽部分５１の方へ多少の溶融材料（主としてスラグ）を飛散させる。
一般的に、スラグ層１６は気泡を内包する液状連続体で、遷移帯域２３は溶融金属と溶融スラグの飛沫、液滴、および流れを伴ったガス状連続体である。
容器１０５はさらに、加熱酸素富化空気を容器１０５へ吹き込むためのランス１３を含む。ランス１３は中央に位置し垂直下方に容器中に伸びる。ランス１３の位置とランス１３を通じたガスの流速は、安定操業状態にあるときに、含酸素ガスが遷移帯域２３の中央部分を貫通し、かつランス１３の下端周辺に金属／スラグが基本的にはない自由空間２５を維持するよう選定される。
安定操業状態での使用では、ランス１３を介しての含酸素ガスの吹き込みが、遷移帯域２３およびランス１３周辺の自由空間２５にある反応ガスの一酸化炭素と水素を後燃焼させ、ガス空間で２０００℃あるいはそれ以上といったオーダーの高温を作り出す。熱は、ガス吹き込み領域で上昇しまた下降する溶融物資の飛沫、液滴、および流れに伝達され、そして金属／スラグが鉄層１５に戻る際に鉄層に部分的に伝達される。
自由空間２５は、遷移帯域２３上部空間のガスをランス１３端部領域へ搬送することを可能にし、もって利用可能な反応ガスの後燃焼への接触を増加するため、高水準の後燃焼の達成に重要である。
ランス１３の位置、ランス１３を通じたガス流速、ならびに溶融材料の飛沫、液滴、および流れの上向き運動の複合効果は、ランス１３の下部領域周辺に遷移帯域２３（符号２７で概略的に確認される）を形成することである。この形づくられた領域は側壁５への放射による熱伝達に対し部分的な障害を提供する。
その上、安定操業状態では、上昇そして下降する溶融材料の飛沫、液滴、および流れは遷移帯域２３から溶湯へ熱伝達する効果的な手段であり、結果として側壁５の領域にある遷移帯域２３の温度は１４５０℃〜１５５０℃のオーダーのものである。
容器１０５は、安定操業状態にあるときの容器１０５における鉄層１５、スラグ層１６、および遷移帯域２３の高さ、ならびに安定操業状態にあるときの遷移帯域２３上方の最上部空間３１に飛び散る溶融材料の飛沫、液滴、および流れを参照して、
（ａ）鉄層、スラグ層１５、１６に接触する炉床と側壁５の下樽部分５３が耐火物のレンガで形成される（図において交差線ハッチングで示される）、
（ｂ）側壁５の下樽部分５３の少なくとも一部が水冷パネルである、
（ｃ）遷移帯域２３に接触する側壁５の上樽部分５１と天井７および最上部空間３１が水冷パネル５７、５９で形成される、ように築かれる。
（ａ）鉄層、スラグ層１５、１６に接触する炉床と側壁５の下樽部分５３が耐火物のレンガで形成される（図において交差線ハッチングで示される）、
（ｂ）側壁５の下樽部分５３の少なくとも一部が水冷パネルである、
（ｃ）遷移帯域２３に接触する側壁５の上樽部分５１と天井７および最上部空間３１が水冷パネル５７、５９で形成される、ように築かれる。
側壁５の上樽部分５１の各水冷パネル８、５７、５９（示されていない）は、平行な上、下辺および平行な側辺を持ち、円筒の一部を構成するため曲げられている。各パネルは内部冷却管と外部冷却管を含む。管は水平部分が曲管により結合された蛇紋形状に形成される。各管はさらに注水口と排水口を含む。管群は、パネルの暴露表面、すなわち容器の内側に晒される面から見たとき、外部管の水平部分が内部管の水平部分の真後ろにならないよう、垂直方向にずらされる。各管はさらに、隣り合った水平管および管の間の空隙を満たす充填耐火物質を含む。各パネルはさらにパネル外面を形成する支持板を含む。
管の注水口および排水口は、管中を高流速で水を循環させる水供給回路（示されていない）に連結される。
前記好適例に対し、本発明の精神および範囲から逸脱することなく多くの変更、修正が可能である。
３ 炉床基礎
５ 炉床側面
７ 容器天井
８ 水冷パネル
９ 離脱ガス出口
１０ 水冷パネル
１１ 固体装入ランス／羽口
１３ ランス
１５ 金属層
１６ スラグ層
１７ 金属層公称静止表面
１９ スラグ層公称静止表面
２３ 遷移帯域
２５ ランスが溶融金属、スラグから自由な空間
２７ 膨張したスラグ層表面
３１ 最上部空間
５１ 上樽部分
５３ 下樽部分
５７ 水冷パネル
５９ 水冷パネル
６１ タップ孔
７１ 前炉連通路
７７ 前炉
１０５ 直接製錬容器
５ 炉床側面
７ 容器天井
８ 水冷パネル
９ 離脱ガス出口
１０ 水冷パネル
１１ 固体装入ランス／羽口
１３ ランス
１５ 金属層
１６ スラグ層
１７ 金属層公称静止表面
１９ スラグ層公称静止表面
２３ 遷移帯域
２５ ランスが溶融金属、スラグから自由な空間
２７ 膨張したスラグ層表面
３１ 最上部空間
５１ 上樽部分
５３ 下樽部分
５７ 水冷パネル
５９ 水冷パネル
６１ タップ孔
７１ 前炉連通路
７７ 前炉
１０５ 直接製錬容器
Claims (11)
- （ａ）予備還元容器中で鉄酸化物を固体のまま部分還元して部分還元鉄酸化物を生成する段階と、
（ｂ）燐をスラグ中に分離する状態で、前記段階（ａ）で生成された部分還元鉄酸化物を、直接製錬容器中で直接製錬して溶融鉄にする段階であり、前記直接製錬容器は鉄とスラグの溶湯を保有し、還元剤およびエネルギー源としての固体炭素質材料ならびに前記直接製錬容器中で発生する水素と一酸化炭素を後燃焼させるための予熱空気または酸素富化空気を含む含酸素ガスが前記直接製錬容器に供給される、前記段階と、
（ｃ）直接製錬段階（ｂ）で、硫黄を含む離脱ガスを発生させ、それを前記直接製錬容器から放出する段階と、
（ｄ）前記予備還元容器中で鉄酸化物を予備還元して、前記予備還元容器から前記直接製錬容器へ戻される硫黄の量を制御するために、予備還元段階（ａ）において、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの第一の流れを使用する段階と、
（ｅ）前記離脱ガスから硫黄を除去し、除去された前記硫黄を前記直接製錬容器へ戻さないようにするために、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの第二の流れをスクラバへ送り、空気または酸素富化空気を前記直接製錬容器に供給する前に、前記第二の流れを燃焼させることによって該空気または酸素富化空気を加熱するためのエネルギー源として、前記第二の流れを使用する段階とを含み、
前記段階（ｄ）が、直接製錬段階（ｂ）で生成される溶融鉄中の硫黄の量が溶融鉄の全重量の０．２質量％未満になるように、直接製錬容器から放出されて予備還元段階（ａ）で使用される離脱ガスの量を制御することを含む含金属原料の直接製錬方法。 - 前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの残余部分中の硫黄の大部分を前記直接製錬容器に戻すことなく、直接製錬容器から放出される離脱ガスの残余部分を、加熱および／または発電のために処理することを含む請求項１に記載された含金属原料の直接製錬方法。
- 前記第二の流れが、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの少なくとも２０容量％を含む請求項１または請求項２に記載された含金属原料の直接製錬方法。
- 前記第二の流れが、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの少なくとも３０容量％を含む請求項３に記載された含金属原料の直接製錬方法。
- 前記第二の流れが、前記直接製錬容器から放出される離脱ガスの少なくとも４０容量％を含む請求項４に記載された含金属原料の直接製錬方法。
- 前記第二の流れを、空気または酸素富化空気を加熱するためのエネルギー源として利用するに先立ち、前記第二の流れに含まれる硫黄とアルカリ塩を前記第二の流れから除去することを含む請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された含金属原料の直接製錬方法。
- 前記含酸素ガスが空気または５０容量％未満の酸素を含む酸素富化空気である請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された含金属原料の直接製錬方法。
- 直接製錬段階（ｂ）で用いる空気または酸素富化空気を予熱することを含む請求項７に記載された含金属原料の直接製錬方法。
- 予備還元段階（ａ）が、鉄鉱石を６００〜１０００℃の温度範囲に予熱することを含む請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された含金属原料の直接製錬方法。
- 予備還元段階（ａ）から前記離脱ガスを放出すること、および、加熱または発電の燃料として前記離脱ガスを用いることを含む請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された含金属原料の直接製錬方法。
- 製錬段階（ｂ）が、部分還元された鉄酸化物を以下の段階に従って直接製錬することを含む方法であり、
（ｉ）前記直接製錬容器中に、溶融鉄層と、該溶融鉄上の溶融スラグ層からなる溶湯を形成する段階と、
（ii）複数のランス／羽口を通じて、部分還元された鉄酸化物と石炭を前記溶融鉄層中に吹き込む段階と、
（iii）前記溶融鉄層中で、前記部分還元された鉄酸化物を溶融鉄に製錬する段階と、
（iv）前記溶湯の公称静止表面よりも上の空間に、飛沫、液滴および流れとして飛散させて遷移帯域を形成する段階と、
（ｖ）一つまたはそれ以上のランス／羽口を通じて前記直接製錬容器に含酸素ガスを吹き込み、溶湯から放出される一酸化炭素と水素を後燃焼させ、それによって、前記遷移帯域における溶融材料の飛沫、液滴および流れの上下動が前記溶湯に対する熱伝達を促進させ、さらに前記遷移帯域と接する容器側壁を介しての容器からの熱損失を遷移帯域が極少化する、前記含酸素ガスを吹き込む段階とを含む請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された含金属原料の直接製錬方法。
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