JP4790109B2 - 直接製錬法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属（この用語には金属合金も含まれる）の製造方法に関し、特に、溶融浴を含む冶金用容器中の鉱石、部分的に還元された鉱石および金属含有廃流のような金属を含む供給材料であって、決して鉄だけに限定されない、前記供給材料から溶融金属を製造する方法に関する。
【０００２】
特に本発明は、金属を含む供給材料から溶融金属を製造するための溶融金属浴に基づいた直接製錬法に関する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
溶融鉄を製造するために最も広く使用された方法は溶鉱炉の使用に基づいている。固体材料を炉の上部の中に仕込み、そして溶融鉄を炉床から取り出す。固体材料には、（焼結形態、塊状形態またはペレット形態における）鉄鉱石、コークスおよびフラックス（ｆｌｕｘｅｓ）が含まれ、下方へ移動する透過性バードン（ｐｅｒｍｅａｂｌｅ ｂｕｒｄｅｎ）を形成する。酸素が豊富である予め加熱された空気を炉の底部の中に注入（ｉｎｊｅｃｔ）し、透過性床を通して上方へ移動させ、コークスの燃焼により一酸化炭素および熱を発生させる。これらの反応の結果は、溶融鉄およびスラグ（ｓｌａｇ）を造ることである。
【０００４】
製造される鉄の融点以下で鉄鉱石を還元することにより鉄を製造する方法は、一般的に、「直接還元法（ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）」として分類され、製品はＤＲＩと称される。
【０００５】
ＦＩＯＲ法（流動鉄鉱石還元法（Ｆｒｕｉｄ Ｉｒｏｎ Ｏｎｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ））は、直接還元法の例である。この方法は、鉄鉱石微粉が一連の流動床反応器における各反応器を通して重力供給されるようにして前記微粉を還元する。微粉は一連の最も低い反応器の底部に入る圧縮された還元性ガスにより固体状態において還元され、微粉の降下に向流して流される。
【０００６】
他の直接還元法には、動的シャフトの炉に基づいた方法、静的シャフトの炉に基づいた方法、回転炉床に基づいた方法、回転キルン（ｋｉｌｎ）に基づいた方法、およびレトルト（ｒｅｔｏｒｔ）に基づいた方法が含まれる。
【０００７】
コレックス法（ＣＯＲＥＸ ｐｒｏｃｅｓｓ）には、１段階としての直接還元法が含まれる。コレックス法により、コークスを必要とする溶鉱炉なしに石炭から直接溶融鉄が製造される。コレックス法には、次の２工程の操作が含まれる：
（ａ） ＤＲＩは、シャフト炉において、（塊状形態またはペレット形態における）鉄鉱石およびフラックスの透過性の床から造られ；
（ｂ） 次いで、ＤＲＩは、冷却なしに、連結された溶融室ガス化装置に仕込まれ、そして溶融される。
【０００８】
溶融室ガス化装置の流動床における石炭の部分的燃焼により、シャフト炉のための還元性ガスが造られる。
【０００９】
鉄の製造方法の他の既知のグループはサイクロンコンバーター（ｃｙｃｌｏｎｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）に基づいており、それにおいて、鉄鉱石は上部融解サイクロンにおいて酸素の燃焼および還元性ガスによって融解され、溶融鉄の浴を含む底部の溶解炉において製錬される。底部の溶解炉により上部の融解サイクロンのための還元性ガスを発生される。
【００１０】
鉱石（および部分的に還元された鉱石）から直接に溶融金属を製造する方法は、一般的に「直接製錬法」として言及される。
【００１１】
直接製錬法の１つの公知のグループは、製錬反応のためのエネルギーの主たる発生源として電気炉の使用に基づいている。
【００１２】
一般的にロメルト法（Ｒｏｍｅｌｔ ｐｒｏｃｅｓｓ）として言及される他の既知の直接製錬法は、上部に仕込まれた酸化金属を製錬するための、ガス状の反応生成物を後燃焼（ｐｏｓｔ−ｃｏｍｂｕｓｔｉｎｇ）させるための、そして酸化金属の製錬を続けるのに必要とされる熱を移すための媒体として、大容量、高攪拌のスラグを使用することに基づいている。ロメルト法には、低部の列状の羽口（ｔｕｙｅｒｅｓ）を通って酸素の豊富な空気または酸素をスラグの中に吹き込み、後燃焼を促進させるために上部列の羽口を通って酸素をスラグの中に吹き込むことを提供することが含まれる。ロメルト法においては、金属層は重要な反応媒体ではない。
【００１３】
スラグに基づいている直接製錬法の他の既知グループは、一般的に、「ディープスラグ（ｄｅｅｐ ｓｌｕｇ）」法として記載される。ＤＩＯＳ法およびＡＩＳＩ法のようなこれらの方法は、スラグの深い層を形成することに基づいている。ロメルト法のように、スラグ層の下の金属層は重要な反応媒体ではない。
【００１４】
反応媒体として溶融金属層を頼みにし、かつ一般的にヒスメルト法（ＨＩｓｍｅｌｔ ｐｒｏｃｅｓｓ）として言及される他の既知直接製錬法は、本出願人の名における国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７（ＷＯ ９６／３１６２７）に記載されている。
【００１５】
前記国際特許出願に記載されているようなヒスメルト法には、
（ａ） 容器中に金属層および金属層上にスラグ層を有する溶融浴を形成し；
（ｂ） その浴の中に、
（ｉ） 金属を含む供給材料、典型的には酸化金属；および
（ｉｉ） 酸化金属の還元剤およびエネルギー源として作用する固体の炭素質材料、典型的には石炭
を注入し；そして
（ｃ） 金属を含む供給材料を金属層において金属に製錬する
ことが含まれている。
【００１６】
また、ヒスメルト法には、浴上の空間において、浴から開放されたＣＯおよびＨ2のような反応ガスを、酸素含有ガスで後燃焼させ、そして後燃焼により発生した熱を浴に移し、金属を含む供給材料を製錬するのに必要とする熱エネルギーに寄与することも含まれている。
【００１７】
また、ヒスメルト法には、溶融金属の上昇し、次いで下降する小滴、またははね返し、または流れの存在している名目だけの静止表面上の転移帯（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）、および浴の上の反応ガスを後燃焼することによって生じた熱エネルギーを浴に移行させるのに有用な媒体を提供するスラッグ、を形成することも含まれている。
【００１８】
ヒスメルト法の好ましい態様は、担体ガス、金属を含む供給材料、固体の炭素質材料および随意に融剤を、容器の側壁を通して下方にそして内部に延びるランス（ｌａｎｃｅｓ）を通して浴の中に注入し、それで担体ガスおよび固体材料を金属層に浸透し、溶融材料を浴から放出（ｐｒｏｊｅｃｔ）させるようにすることによって転移帯を形成することを特徴とする。
【００１９】
ヒスメルト法のこの形態は、浴の中に、羽口を通して、担体ガスおよび固体の炭素物質を底部から注入し、溶融材料の小滴、跳ね返し、および流れを浴から放出させることによって転移帯を形成する、早期形態の方法を越える改良である。
【００２０】
本発明者は、ヒスメルト法の前記好ましい形態について広範囲にわたるパイロットプラントによる研究を行い、前記方法に関連して一連の重要な発見をした。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者によってなされた本発明の基礎を形成する発見の１つは、溶融浴の中に、固体物質／担体ガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ：キャリヤーガス）の注入によって生じる浴から誘導されるガスの上方への流量（ｆｒｏｗ ｒａｔｅ）は、有効な速度（ｒａｔｅ）において溶融浴に伝熱が存在するように転移帯を確立させるために、（静止条件下で）金属層およびスラグ層の界面の位置において、少なくとも０．３０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2でなければならない。
【００２２】
伝熱効率は、溶融浴に移される後燃焼によって生じた利用可能なエネルギー量の測度である。また、それは、（浴温度以上の排ガス（ｏｆｆ−ｇａｓ）の放出および容器の側壁および屋根を通る伝熱により）容器から失われる後燃焼によって生じた利用可能なエネルギー量の測度である。
【００２３】
（静止条件下で）金属層とスラグ層との界面において浴から誘導された最小のガス流量０．３０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2により、溶融浴から転移帯の中に溶融材料のはね返し、小滴および流れの十分な浮力による持ち上げを存在させ、
（ａ） 次いで、下降する溶融材料のはね返し、小滴および流れにより溶融浴への伝熱；および
（ｂ） 容器からの熱損失を減少させるスラグの保護層を形成する容器の側壁と溶融材料の接触
を最大にすることが確保される。
【００２４】
特に、前記（ｂ）項には、容器の上部バレル（ｂａｒｒｅｌ）部分において側壁を形成する冷却されたパネルおよび場合により屋根および底部バレル部において側壁を形成する水冷耐火性煉瓦が含まれる、本発明の好ましい容器の構成の状況において重要である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
一般的な用語において、本発明は、固定された（すなわち、非回転性である）冶金用容器中で金属を含む供給材料から金属を製造する直接製錬法であって、前記方法は、
（ａ） 該容器中に、金属層および該金属層上にスラグ層を有する溶融浴を形成し；
（ｂ） 金属を含む供給材料および／または固体の炭素質材料を、担体ガスと共に、１つまたはそれより多くの下方へ延びるランス／羽口を通して溶融浴の中に注入し、該金属を含む材料を溶融浴中で製錬し、それにより、固体およびガスの注入は、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面の位置において、少なくとも０．３０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の流量で、溶融浴からのガス流を生じさせ、そのガス流は、溶融浴中の溶融材料を巻き込み（ｅｎｔｒａｉｎ：飛沫同伴し）、スラグ層の上の容器中のガス連続空間の中において、はね返し、小滴および流れとして溶融材料を上方に運びそして転移帯を形成し、それにより、溶融材料のはね返し、小滴および流れを容器の側壁と接触させてスラグの保護層を形成させ；そして
（ｃ） 酸素含有ガスを、１つまたは１つより多くのランス／羽口を通して前記容器中に注入し、溶融浴から開放された反応ガスを後燃焼し、それにより、溶融材料のはね返し、小滴および流れの上昇、次いで下降が、溶融浴への伝熱を容易にし、かつ転移帯は、転移帯と接触している側壁を通して容器からの放射熱の損失を最小にする
諸工程を含む、前記直接製錬法である。
【００２６】
（静止条件下）金属層およびスラグ層の界面の位置における前述の少なくとも０．３０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の流量は、前述したロメルト法およびＤＩＯＳ法およびＡＩＳＩ法のようなディープスラグ法よりも実質的に高い浴誘導ガス流量であり、本発明方法とこれらの既知直接製錬法との間の重要な違いである。
【００２７】
特別な比較として、（新日本製鉄株式会社に譲渡された）イバラキなどの米国特許第５，０７８，７８５号には、回転可能な容器を使用するディープスラグ法が開示され、かつ、金属浴の攪拌の目的のために金属層の中にガスを底部から注入する方法が開示されている。第１４欄、第１７行から始まるパラグラフにおいて、底部からガスを注入することによって生じた“金属浴の攪拌力”は６ＫＷ／ｔより多くないことが好ましい、と開示されている。この米国特許には、より高いレベルの攪拌において、望ましくない高レベルの鉄粉ダスト（ｉｒｏｎ ｄｕｓｔ）の発生があることが開示されている。第１４欄、第２１行から始まるパラグラフに提示されている情報に基づくと、６ＫＷ／ｔの最大金属浴攪拌力は、金属浴とスラグ層との間の界面における０．１２Ｎｍ3／ｓ／ｍ2に相応する。この最大ガス流量は、本発明の０．３０Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の最小流量よりかなり低い。
【００２８】
好ましくは、本発明方法は、主として金属層において金属を含む材料を金属に製錬することを包含する。
【００２９】
好ましくは、工程（ｂ）における固体およびガスの注入は、（静止条件下）金属層と金属スラグ層との間の界面を実質的に横切って溶融浴からのガス流を生じさせる。
【００３０】
好ましくは、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面の位置において、ガス流量は、少なくとも０．３５Ｎｍ3／ｓ／ｍ2、さらに好ましくは少なくとも０．５０Ｎｍ3／ｓ／ｍ2である。
【００３１】
好ましくは、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面の位置において、ガス流量は、０．９０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2より小さい。
【００３２】
典型的には、溶融材料のはね返し、小滴および流れは、それらが上方に動くように、さらに溶融材料（特にスラグ）を巻き込む。
【００３３】
典型的には、スラグが溶融材料のはね返し、小滴および流れにおける溶融材料の主要部分であり、そして溶融金属は残りの部分である。
【００３４】
本明細書において、用語「製錬」は、酸化金属を還元する化学反応を生起させて液体金属を製造する熱加工処理を意味する。
【００３５】
本明細書において、用語「金属層」は、主として金属である浴の領域を意味する。さらに詳細には、この用語は、金属の連続した容量の中に溶融スラグの分散物を含む領域または帯をカバーしている。
【００３６】
本明細書において、用語「スラグ層」は、主としてスラグである浴の領域を意味する。さらに詳細には、この用語は、スラグの連続した容量の中に溶融金属の分散物を含む領域または帯をカバーしている。
【００３７】
好ましくは、転移帯はスラグ層の上に広がっている。
【００３８】
金属の中に溶解した炭素のレベルは４％より大きいことが好ましい。
【００３９】
スラグ層中のＦｅＯの濃度は５重量％以下であることが好ましい。
【００４０】
溶融浴の中に注入された固体の炭素質材料の量を、金属を含む供給物を製錬するために必要とされる量、および、反応速度の維持のため熱を発生させるために必要とされる量より多くなるように選択することを含み、容器を出る排ガス中に巻き込まれるダストが少なくともいくらかの過剰の炭素を含有するようにすることが好ましい。
【００４１】
容器からの排ガスの中のダスト中の固体炭素の濃度は、排ガスにおける１０〜５０ｇ／Ｎｍ3のダスト発生の割合において排ガス中のダスト重量の５〜９０重量％（さらに好ましくは２０〜５０重量％）の範囲であることが好ましい。
【００４２】
金属を含む材料および炭素質材料の注入は、同じランス／羽口または別個のランス／羽口を通して行ってよい。
【００４３】
転移帯は、スラグ層と全く異なっている。説明として、本発明方法の安定な操作条件下では、スラグ層は、液体の連続容積中にガスの泡が含まれているのに、転移帯には、ガスの連続容積中に溶融材料、主としてスラグ、のはね返し、小滴、および流れが含まれている。
【００４４】
好ましくは、本発明方法の工程（ｃ）は、溶融浴の表面上の（転移帯を包含する）上部空間において、溶融浴中で発生した一酸化炭素および水素のような反応ガスを後燃焼し、そして後燃焼によって発生した熱を溶融浴に伝熱して、溶融浴における吸熱反応にとって必要であるように溶融浴の温度を維持する。
【００４５】
好ましくは、１つまたは１つより多くの酸素含有ガスを注入するランス／羽口は、酸素含有ガスを容器の中心領域の中に注入するように置かれる。
【００４６】
酸素含有ガスは、酸素、空気または４０容量％までの酸素を含有する酸素の豊富な空気であってよい。
【００４７】
好ましくは、酸素含有ガスは空気である。
【００４８】
さらに好ましくは、空気は予め加熱される。
【００４９】
典型的には、空気は１２００℃に予め加熱される。
【００５０】
空気は酸素を豊富にしてもよい。
【００５１】
好ましくは、本発明方法の工程（ｃ）は後燃焼の高レベルにおいて、すなわち少なくとも４０％において、操作される。後燃焼は次のように定義される：
【００５２】
【００５３】
（ただし
〔ＣＯ2〕＝排ガス中のＣＯ2容量％；
〔Ｈ2Ｏ〕＝排ガス中のＨ2Ｏ容量％；
〔ＣＯ〕＝排ガス中のＣＯ容量％；および
〔Ｈ2〕＝排ガス中のＨ2容量％
である。）
【００５４】
ある種の例において、（石炭または天然ガスのような）固体またはガス状の炭素質材料の補助源は、化学エネルギーの形態における熱エネルギーを捕獲するために容器から排ガスの中に注入されてもよい。
【００５５】
炭素質材料のそのような補助注入の例は、その燃料価値を富ませながら、排ガスを熱分解し、改質し、そして冷却する天然ガスの注入である。
【００５６】
補助の炭素質材料は、容器の上部に届く範囲に、または排ガスが容器に残された後の排ガスダクトの中に、添加されてもよい。
【００５７】
好ましくは、本発明方法は、５０％より多く、さらに好ましくは６０％より多くの後燃焼において操作される。
【００５８】
好ましくは、１つまたは１つより多くのランス／羽口は容器の側壁を通って延び、そして金属層に向かって下方におよび内部の方にある角度に向けられる。
【００５９】
好ましくは、酸素含有ガスを注入する１つまたは１つより多くのランス／羽口の位置および操作のパラメーターおよび転移帯を調節する操作のパラメーターは、
（ａ） 酸素含有ガスが、転移帯に向かって注入されそして浸透し；
（ｂ） 転移帯は、ランス／羽口または各ランス／羽口のより低い部分を取り囲むように上方に向かって広がり、それによりランス／羽口または各ランス／羽口の末端において生じた燃焼帯から容器の側壁をある程度にシールドし；そして（ｃ） ランス／羽口または各ランス／羽口を取り囲む金属およびスラグを実際的に含まない「自由空間」として定義されるガスの連続空間が存在する：
ように選ばれる。
【００６０】
前述の（ｃ）項は、容器の上部空間内の反応ガスが、ランス／羽口または各ランス／羽口の末端における領域の中に引き出され、その領域内において後燃焼されることを可能にする。
【００６１】
好ましくは、本発明方法は、相対的に高い（しかし、あまり高くない）スラグ残留量を維持し、そして工程を調節する手段としてスラグの量を使用する。
【００６２】
用語「相対的に高いスラグ残留量」は、容器内の金属の量と比較するスラグ量との関係において理解してよい。
【００６３】
好ましくは、本発明方法を安定な条件下で操作するとき、金属：スラグの重量比は、４：１〜１：２である。
【００６４】
さらに好ましくは、金属：スラグの重量比は、３：１〜１：１である。
【００６５】
特に、金属：スラグの重量比は、２：１〜１：１であるのが好ましい。
【００６６】
また、用語「相対的に高いスラグ残留量」は、容器内のスラグの深さの関係において理解してもよい。
【００６７】
好ましくは、本発明方法には、安定な操作条件下でスラグ層を０．５〜４メートルの深さに調節することによって高スラグ残留量を維持することが含まれる。
【００６８】
さらに好ましくは、本発明方法には、安定な操作条件下でスラグ層を１．５〜２．５メートルの深さに調節することによって高スラグ残留量を維持することが含まれる。
【００６９】
特に、本発明方法には、安定な操作条件下でスラグ層を少なくとも１．５メートルの深さに調節することによって高スラグ残留量を維持することが含まれることが好ましい。
【００７０】
溶融浴のスラグ層中のスラグの量は、スラグの豊富な転移帯中にあるスラグの量に直接影響を与える。
【００７１】
スラグは、転移帯から容器の側壁に輻射による熱の損失を最小にすることに関連して重要である。
【００７２】
もしスラグ残留物が低すぎるならば、スラグの豊富な転移帯において金属の露出が増加し、従って金属の酸化が増加し、そして後燃焼が減少される可能性がある。
【００７３】
もしスラグ残留量が高すぎるならば、そのときは、１つまたは１つより多くの酸素含有ガス注入用のランス／羽口は転移帯の中に埋もれるようになり、そしてこれは、上部空間の反応ガスがランス／羽口または各ランス／羽口の末端へ動くのを最小にし、その結果として後燃焼のための可能性を減少させる。
【００７４】
本発明により、直接製錬法によって金属を含む供給材料から金属を製造する固定された（すなわち、非回転性である）容器であって、前記容器は、金属層および該金属層上のスラグ層を有する溶融浴を含み、かつスラグ層の上にガス連続空間を有し、しかも前記容器には、
（ａ） シェル；
（ｂ） 溶融浴と接触している基部および側部を有する耐火性材料から形成された炉床；
（ｃ） 炉床の側部から上方へ延びかつスラグ層およびガス連続空間と接触している側壁であって、前記ガス連続空間と接触している前記側壁は、水冷されたパネルおよび該パネル上のスラグ層を含む前記側壁；
（ｄ） 下方に向かって容器の中に延びかつ酸素含有ガスを金属層の上の容器の中に注入する１つまたは１つより多くのランス／羽口；
（ｅ） 担体ガスと共に金属を含む供給材料および／または炭素質材料の少なくとも一部を、溶融浴の中に注入し、それにより、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面の位置において、少なくとも０．３０Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の速度で浴から誘導されたガス流を生じ、しかも、金属層およびスラグ層から溶融材料を結果として浮力により持ち上げるような、１つまたは１つより多くの下方へおよび内部に向かって延びているランス／羽口；
（ｆ） 容器の側壁と接触しかつ側壁上に溶融材料の層を形成する溶融材料のはね返し、小滴および流れの若干量を用いて、スラグ層上のガス連続空間中に、溶融材料のはね返し、小滴および流れを上昇させ次いで下降させることによって形成される転移帯；および
（ｇ） 容器から溶融材料およびスラグを取り出すための手段
が含まれる、前記の固定された容器が提供される。
【００７５】
好ましくは、ランス／羽口または（複数の）ランス／羽口を通る固体およびガスの注入により、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面を実質的に横切る溶融浴からのガス流が生じる。
【００７６】
好ましくは、容器には、円筒形の炉床および炉床から延びる円筒形バレル（ｂａｒｒｅｌ）を形成する側壁が含まれる。
【００７７】
金属を含む供給材料は、あらゆる適当な材料でよく、またあらゆる適当な形態でよい。好ましい金属を含む供給材料は、鉄を含有する材料である。鉄含有材料は、鉱石、部分的に還元された鉱石、ＤＲＩ（直接還元鉄（ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｒｏｎ）、炭化鉄、黒皮（ｍｉｌｌｓｃａｌｅ）、溶鉱炉ダスト、焼結微粉、ＢＯＦダスト、またはそのような材料の混合物の形態であってもよい。
【００７８】
部分的に還元された鉱石のケースにおいては、予め還元の程度は、相対的に低レベル（例えば、ＦｅＯに）から相対的に高レベル（例えば、７０〜９５％の金属化）までの範囲であってよい。
【００７９】
これに関連して、本発明方法には、金属を含む鉱石を部分的に還元し、次いで、部分的に還元された鉱石を溶融浴の中に注入することも含まれる。
【００８０】
金属を含む供給材料を予め加熱してもよい。
【００８１】
担体ガスはあらゆる適当な担体ガスでよい。
【００８２】
担体ガスは酸素欠乏ガスであるのが好ましい。
【００８３】
担体ガスは窒素を含むことが好ましい。
【００８４】
本発明は、例として、第１図、第２図および第３図の添付図面に関連して説明される。
【００８５】
次の記述は、溶融鉄を造るための鉄鉱石の製錬に関連しており、そして本発明は、この適用に限定されないで、部分的に還元された金属の鉱石およびウエイストレバート材料（ｗａｓｔｅ ｒｅｖｅｒｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）を包含する、あらゆる適当な金属の鉱石及び／または濃縮物に適用できることが理解される。
【００８６】
第１図に示された容器は、耐火性煉瓦から形成された基部３および側部５５；炉床の側部５５から上方に延びる一般的な円筒形バレルを形成し、かつ上部バレル区分５１および低部バレル区分５３を含む側壁５；屋根７；排ガスの出口９；連続的に溶融鉄を排出できる炉床前部８１；炉床および炉床前部８１を相互に連結する炉床前部の連結７１；および溶融スラグを排出するための取り出し孔６１を含む円筒形を有する、固定された（すなわち、非回転性である）容器である。
【００８７】
使用において、容器には、溶融鉄層１５および金属層１５上の溶融スラグ層１６が含まれる。数１７の矢印は、金属層１５の名目上の静止表面の位置を示し、数１９の矢印はスラグ層１６の名目上の静止表面を示す。用語「静止表面」は、容器の中にガスおよび固体の注入がないときの表面を意味する。
【００８８】
また、容器には、側壁５を通って垂直に対して３０〜６０°の角度において下方にかつ内部に向かってスラグ層１６の中に延びる２つの固体注入用ランス／羽口１１が含まれる。ランス／羽口１１の位置は、低い末端が定常状態の処理条件下で鉄層１５の静止表面１７の上にあるように選ばれる。
【００８９】
使用において、担体ガス（典型的にはＮ2）中に混入された鉄鉱石、固体の炭素質材料（典型的には石炭）、およびフラックス（典型的には石灰およびマグネシア）は、ランス／羽口１１を通して金属１５の中に注入される。固体材料／担体ガスの運動量は、固体材料およびガスを金属層１５に浸透させる。石炭は揮発分を除去され、それにより、金属層１５の中にガスを生じる。炭素は、金属の中に部分的に溶解され、部分的に固体炭素として残留する。鉄鉱石は、金属に製錬され、製錬反応により一酸化炭素ガスを発生する。金属層１５の中に移行され、揮発分の除去および製錬により生じたガスは、金属層１５から（固体／ガス／注入の結果として金属層１５の中に引かれる）溶融金属、固体炭素およびスラグの十分な浮力による持ち上げを生じさせ、これは、溶融金属のはね返し、小滴および流れの上方への動きを発生させ、そしてこれらのはね返し、および小滴、および流れは、それらがスラグ層１６を通って動くように巻き込まれる。
【００９０】
本発明者は、パイロットプラントによる研究において、静止金属レベル１７において（すなわち、静止条件下の金属層１５およびスラグ層１６の界面において）金属層１５の区域の少なくとも０．３０Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の速度において、好ましくは前記区域を横切って、溶融浴からのガス流の発生により、金属層１５およびスラグ層１６に実質的に攪拌をもたらすので、
（ａ） スラグ層１６が容積において広がり、かつ矢によって示された表面を有し、そして
（ｂ） 金属層１５およびスラグ層１６は、それぞれの層の至る所が妥当な均一温度、典型的には１４５０〜１５５０℃、であり、およびそれぞれの層が至る所で妥当な均一組成である、という点で実質的にそれぞれが均一である、
ということを見出した。
【００９１】
さらに、本発明者は、パイロットプラントによる研究において、前述のガス流量および溶融材料および固体炭素のその結果としての浮力による持ち上げは、
（ａ） 転移帯２３を形成し；そして
（ｂ） いくらかの溶融材料（主としてスラグ）を、転移帯を越え、そして転移帯２３の上にある側壁５の上部バレル区分５１の部分上におよび屋根７の上に放出する、
ことを見出した。
【００９２】
一般的な用語において、スラグ層１６は、その中にガスの泡を有する流体の連続容量であり、そして転移帯２３は、溶融金属のはね返し、小滴および流れおよびスラグ層を有するガスの連続容量である。
【００９３】
さらに、容器には、その中に位置し、容器の中に垂直に下方に向かって延びている酸素含有ガス（典型的には、予め加熱された酸素の豊富な空気）を注入するためのランス１３が含まれる。ランス１３の位置およびランス１３を通るガス流量は、定常状態のプロセス条件下で、酸素含有ガスを転移帯２３の中心領域に浸透し、かつランス１３の末端のまわりに本質的に金属／スラグの自由空間２５を維持するように選ばれる。
【００９４】
使用において、ランス１３を通す酸素含有ガスの注入は、転移帯２３においておよびランス１３の末端のまわりの自由空間２５において、反応ガスのＣＯおよびＨ2を後燃焼させ、ガス空間において２０００℃またはそれ以上のオーダーの高温を発生させる。熱は、ガス注入の領域において溶融材料の上昇しかつ下降するはね返し、小滴、および流れに伝熱され、次いで熱は、金属／スラグが鉄層１５に戻るとき、鉄層１５に部分的に伝熱される。
【００９５】
自由空間２５は、高レベルの、例えば、４０％より多い、後燃焼を達成させるのに重要である。なぜなら、それは、転移帯２３の上の空間中のガスが、ランス１３の末端領域間中に巻き込む（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）ことを可能にし、それにより、後燃焼に、使用可能な反応ガスを暴露することを増加させるからである。
【００９６】
ランス１３の位置、ランス１３を通るガス流量、および溶融材料のはね返り、小滴および流れの上方への動きの組み合わせ効果は、一般的に符号２７によって確認される、ランス１３のより低い領域のまわりに転移帯２３を形造ることである。この形造られた領域により、側壁５への輻射による伝熱に対する部分的なバリヤーが提供される。
【００９７】
その上、上昇しかつ下降する溶融材料の小滴、はね返しおよび流れは、転移帯２３からの溶融浴への伝熱の有効な手段であるので、側壁５の領域における転移帯２３の温度は、１４５０℃〜１５５０℃のオーダーである。
【００９８】
容器は、本発明方法が定常状態のプロセス条件下で操作されるときの容器中の金属層１５のレベル、スラグ層１６のレベル、および転移帯２３のレベルに関連して、および発明方法が定常状態の操作条件下で操作されるときに転移帯２３の上の上部空間３１の中に放出される溶融材料のはね返し、小滴および流れに関連して、構成され、それにより、
（ａ） 金属層１５およびスラグ層１６に接触している炉床および側壁５のより低いバレル区分５３は、耐火性材料の煉瓦（図において交差線影によって示されている）から形成され；
（ｂ） 側壁５のより低いバレル区分５３の少なくとも一部は、水冷パネル８によって裏打ちされ；そして
（ｃ） 転移帯２３および上部空間３１に接触している側壁５の上部バレル区分５１および屋根７は、水冷パネル５７、５９から形成される。
【００９９】
水冷パネル８、５７、５９のそれぞれは、平行な上部端および下部端および平行な側端を有し、かつ円筒形バレルの区分を限定するように曲がっている。それぞれのパネルには、内部水冷用パイプおよび外部水冷用パイプが含まれている。パイプは、曲がった区分によってお互いに連結された水平区分を持つ曲がりくねった形状に形成されている。さらに、それぞれのパイプには、水の入口および出口が含まれる。パイプは、外部パイプの水平区分が、パイプのむき出し面、すなわち、容器の内部にさらされる面、から見たときに、内部パイプの水平区分の直後でないように垂直に置き換えられる。さらに、それぞれのパネルには、隣り合った直線状区分の間の空間およびパイプ管の空間を満たしている詰め込まれた耐火性材料が含まれる。
【０１００】
パイプの水の入口および水の出口は、パイプを通して高流量で水を循環させる水供給回路（示されていない）に連結されている。
【０１０１】
前述のパイロットプラントによる研究は、オーストラリア西部のクイナナ（ｋｗｉｎａｎａ）における本出願人のパイロットプラントで本発明者による一連の広大な研究として実施された。
【０１０２】
パイロットプラントによる研究は、第１図において示され、かつ前述された容器で、前述された加工処理条件によって実施された。特に、本発明方法は、炉床前部８１を通って溶融鉄を連続的に放出させ、そして取りだし孔６１を通って溶融スラグを周期的に取り出すように操作した。本発明に関連して炉床の直径は２．７４ｍであることに注目することは適切である。
【０１０３】
パイロットプラントによる研究により容器が評価され、加工処理は、次の広範囲の相違のもとに研究された：
（ａ） 供給材料；
（ｂ） 固体およびガスの注入速度；
（ｃ） スラグの残留量（スラグ層の深さおよびスラグ：金属の比に関して測定された）；
（ｄ） 操作温度；および
（ｅ） 装置の建設。
【０１０４】
第２図および第３図は、２種のパイロットプラントキャンペーンのための浴から誘導されたガスの伝熱効率（ＨＴＥ−ＴＳ）と（ＫＮｍ3／ｈとして表された）流量との関係をプロットしたグラフである。
【０１０５】
伝熱効率は、溶融浴に伝熱される後燃焼によって生じたエネルギー量を、後燃焼によって生じたエネルギーの全量によって割った、百分率として表される量である。もし排ガスが実質的に浴の温度であるならば、高い伝熱効率は、（主として側壁を通して生起する）容器からの低い熱損失を指示していると言うことは適正である。
【０１０６】
約７．５ＫＮｍ3／ｈの浴から誘導されたガス流量において伝熱効率の鋭い増加があることは、第２図および第３図から明らかである。この量は、静止条件下の容器の金属層１５とスラグ層１６との間の界面において０．３２Ｎｍ3／ｓ／ｍ2に相応する。
【０１０７】
本発明の概念および範囲の理論から逸脱することなしに、記載された本発明の好ましい態様の多くの変更を行ってもよい。
【０１０８】
本発明の好ましい態様は、ランス／羽口１１を通して固体材料／担体ガスの注入による金属層からの浴誘導のガス流を生じるが、本発明は、ガスの底部／側部からの注入によって浴から誘導されるガス流に少ない寄与があるように配置を拡げてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１図は、本発明方法の好ましい態様を図的形式で例示する冶金用容器を貫いた垂直断面図である。
【図２】第２図は、本発明者によって実施されたパイロットプラントによる研究のキャンペーン８．１についての浴から誘導されたガスの伝熱効率対流量のグラフである。
【図３】第３図は、パイロットプラントのキャンペーン８．２についての浴から誘導されたガスの伝熱効率対流量のグラフである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶融金属（この用語には金属合金も含まれる）の製造方法に関し、特に、溶融浴を含む冶金用容器中の鉱石、部分的に還元された鉱石および金属含有廃流のような金属を含む供給材料であって、決して鉄だけに限定されない、前記供給材料から溶融金属を製造する方法に関する。
【０００２】
特に本発明は、金属を含む供給材料から溶融金属を製造するための溶融金属浴に基づいた直接製錬法に関する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
溶融鉄を製造するために最も広く使用された方法は溶鉱炉の使用に基づいている。固体材料を炉の上部の中に仕込み、そして溶融鉄を炉床から取り出す。固体材料には、（焼結形態、塊状形態またはペレット形態における）鉄鉱石、コークスおよびフラックス（ｆｌｕｘｅｓ）が含まれ、下方へ移動する透過性バードン（ｐｅｒｍｅａｂｌｅ ｂｕｒｄｅｎ）を形成する。酸素が豊富である予め加熱された空気を炉の底部の中に注入（ｉｎｊｅｃｔ）し、透過性床を通して上方へ移動させ、コークスの燃焼により一酸化炭素および熱を発生させる。これらの反応の結果は、溶融鉄およびスラグ（ｓｌａｇ）を造ることである。
【０００４】
製造される鉄の融点以下で鉄鉱石を還元することにより鉄を製造する方法は、一般的に、「直接還元法（ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ）」として分類され、製品はＤＲＩと称される。
【０００５】
ＦＩＯＲ法（流動鉄鉱石還元法（Ｆｒｕｉｄ Ｉｒｏｎ Ｏｎｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ））は、直接還元法の例である。この方法は、鉄鉱石微粉が一連の流動床反応器における各反応器を通して重力供給されるようにして前記微粉を還元する。微粉は一連の最も低い反応器の底部に入る圧縮された還元性ガスにより固体状態において還元され、微粉の降下に向流して流される。
【０００６】
他の直接還元法には、動的シャフトの炉に基づいた方法、静的シャフトの炉に基づいた方法、回転炉床に基づいた方法、回転キルン（ｋｉｌｎ）に基づいた方法、およびレトルト（ｒｅｔｏｒｔ）に基づいた方法が含まれる。
【０００７】
コレックス法（ＣＯＲＥＸ ｐｒｏｃｅｓｓ）には、１段階としての直接還元法が含まれる。コレックス法により、コークスを必要とする溶鉱炉なしに石炭から直接溶融鉄が製造される。コレックス法には、次の２工程の操作が含まれる：
（ａ） ＤＲＩは、シャフト炉において、（塊状形態またはペレット形態における）鉄鉱石およびフラックスの透過性の床から造られ；
（ｂ） 次いで、ＤＲＩは、冷却なしに、連結された溶融室ガス化装置に仕込まれ、そして溶融される。
【０００８】
溶融室ガス化装置の流動床における石炭の部分的燃焼により、シャフト炉のための還元性ガスが造られる。
【０００９】
鉄の製造方法の他の既知のグループはサイクロンコンバーター（ｃｙｃｌｏｎｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）に基づいており、それにおいて、鉄鉱石は上部融解サイクロンにおいて酸素の燃焼および還元性ガスによって融解され、溶融鉄の浴を含む底部の溶解炉において製錬される。底部の溶解炉により上部の融解サイクロンのための還元性ガスを発生される。
【００１０】
鉱石（および部分的に還元された鉱石）から直接に溶融金属を製造する方法は、一般的に「直接製錬法」として言及される。
【００１１】
直接製錬法の１つの公知のグループは、製錬反応のためのエネルギーの主たる発生源として電気炉の使用に基づいている。
【００１２】
一般的にロメルト法（Ｒｏｍｅｌｔ ｐｒｏｃｅｓｓ）として言及される他の既知の直接製錬法は、上部に仕込まれた酸化金属を製錬するための、ガス状の反応生成物を後燃焼（ｐｏｓｔ−ｃｏｍｂｕｓｔｉｎｇ）させるための、そして酸化金属の製錬を続けるのに必要とされる熱を移すための媒体として、大容量、高攪拌のスラグを使用することに基づいている。ロメルト法には、低部の列状の羽口（ｔｕｙｅｒｅｓ）を通って酸素の豊富な空気または酸素をスラグの中に吹き込み、後燃焼を促進させるために上部列の羽口を通って酸素をスラグの中に吹き込むことを提供することが含まれる。ロメルト法においては、金属層は重要な反応媒体ではない。
【００１３】
スラグに基づいている直接製錬法の他の既知グループは、一般的に、「ディープスラグ（ｄｅｅｐ ｓｌｕｇ）」法として記載される。ＤＩＯＳ法およびＡＩＳＩ法のようなこれらの方法は、スラグの深い層を形成することに基づいている。ロメルト法のように、スラグ層の下の金属層は重要な反応媒体ではない。
【００１４】
反応媒体として溶融金属層を頼みにし、かつ一般的にヒスメルト法（ＨＩｓｍｅｌｔ ｐｒｏｃｅｓｓ）として言及される他の既知直接製錬法は、本出願人の名における国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７（ＷＯ ９６／３１６２７）に記載されている。
【００１５】
前記国際特許出願に記載されているようなヒスメルト法には、
（ａ） 容器中に金属層および金属層上にスラグ層を有する溶融浴を形成し；
（ｂ） その浴の中に、
（ｉ） 金属を含む供給材料、典型的には酸化金属；および
（ｉｉ） 酸化金属の還元剤およびエネルギー源として作用する固体の炭素質材料、典型的には石炭
を注入し；そして
（ｃ） 金属を含む供給材料を金属層において金属に製錬する
ことが含まれている。
【００１６】
また、ヒスメルト法には、浴上の空間において、浴から開放されたＣＯおよびＨ2のような反応ガスを、酸素含有ガスで後燃焼させ、そして後燃焼により発生した熱を浴に移し、金属を含む供給材料を製錬するのに必要とする熱エネルギーに寄与することも含まれている。
【００１７】
また、ヒスメルト法には、溶融金属の上昇し、次いで下降する小滴、またははね返し、または流れの存在している名目だけの静止表面上の転移帯（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｚｏｎｅ）、および浴の上の反応ガスを後燃焼することによって生じた熱エネルギーを浴に移行させるのに有用な媒体を提供するスラッグ、を形成することも含まれている。
【００１８】
ヒスメルト法の好ましい態様は、担体ガス、金属を含む供給材料、固体の炭素質材料および随意に融剤を、容器の側壁を通して下方にそして内部に延びるランス（ｌａｎｃｅｓ）を通して浴の中に注入し、それで担体ガスおよび固体材料を金属層に浸透し、溶融材料を浴から放出（ｐｒｏｊｅｃｔ）させるようにすることによって転移帯を形成することを特徴とする。
【００１９】
ヒスメルト法のこの形態は、浴の中に、羽口を通して、担体ガスおよび固体の炭素物質を底部から注入し、溶融材料の小滴、跳ね返し、および流れを浴から放出させることによって転移帯を形成する、早期形態の方法を越える改良である。
【００２０】
本発明者は、ヒスメルト法の前記好ましい形態について広範囲にわたるパイロットプラントによる研究を行い、前記方法に関連して一連の重要な発見をした。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明者によってなされた本発明の基礎を形成する発見の１つは、溶融浴の中に、固体物質／担体ガス（ｃａｒｒｉｅｒ ｇａｓ：キャリヤーガス）の注入によって生じる浴から誘導されるガスの上方への流量（ｆｒｏｗ ｒａｔｅ）は、有効な速度（ｒａｔｅ）において溶融浴に伝熱が存在するように転移帯を確立させるために、（静止条件下で）金属層およびスラグ層の界面の位置において、少なくとも０．３０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2でなければならない。
【００２２】
伝熱効率は、溶融浴に移される後燃焼によって生じた利用可能なエネルギー量の測度である。また、それは、（浴温度以上の排ガス（ｏｆｆ−ｇａｓ）の放出および容器の側壁および屋根を通る伝熱により）容器から失われる後燃焼によって生じた利用可能なエネルギー量の測度である。
【００２３】
（静止条件下で）金属層とスラグ層との界面において浴から誘導された最小のガス流量０．３０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2により、溶融浴から転移帯の中に溶融材料のはね返し、小滴および流れの十分な浮力による持ち上げを存在させ、
（ａ） 次いで、下降する溶融材料のはね返し、小滴および流れにより溶融浴への伝熱；および
（ｂ） 容器からの熱損失を減少させるスラグの保護層を形成する容器の側壁と溶融材料の接触
を最大にすることが確保される。
【００２４】
特に、前記（ｂ）項には、容器の上部バレル（ｂａｒｒｅｌ）部分において側壁を形成する冷却されたパネルおよび場合により屋根および底部バレル部において側壁を形成する水冷耐火性煉瓦が含まれる、本発明の好ましい容器の構成の状況において重要である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
一般的な用語において、本発明は、固定された（すなわち、非回転性である）冶金用容器中で金属を含む供給材料から金属を製造する直接製錬法であって、前記方法は、
（ａ） 該容器中に、金属層および該金属層上にスラグ層を有する溶融浴を形成し；
（ｂ） 金属を含む供給材料および／または固体の炭素質材料を、担体ガスと共に、１つまたはそれより多くの下方へ延びるランス／羽口を通して溶融浴の中に注入し、該金属を含む材料を溶融浴中で製錬し、それにより、固体およびガスの注入は、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面の位置において、少なくとも０．３０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の流量で、溶融浴からのガス流を生じさせ、そのガス流は、溶融浴中の溶融材料を巻き込み（ｅｎｔｒａｉｎ：飛沫同伴し）、スラグ層の上の容器中のガス連続空間の中において、はね返し、小滴および流れとして溶融材料を上方に運びそして転移帯を形成し、それにより、溶融材料のはね返し、小滴および流れを容器の側壁と接触させてスラグの保護層を形成させ；そして
（ｃ） 酸素含有ガスを、１つまたは１つより多くのランス／羽口を通して前記容器中に注入し、溶融浴から開放された反応ガスを後燃焼し、それにより、溶融材料のはね返し、小滴および流れの上昇、次いで下降が、溶融浴への伝熱を容易にし、かつ転移帯は、転移帯と接触している側壁を通して容器からの放射熱の損失を最小にする
諸工程を含む、前記直接製錬法である。
【００２６】
（静止条件下）金属層およびスラグ層の界面の位置における前述の少なくとも０．３０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の流量は、前述したロメルト法およびＤＩＯＳ法およびＡＩＳＩ法のようなディープスラグ法よりも実質的に高い浴誘導ガス流量であり、本発明方法とこれらの既知直接製錬法との間の重要な違いである。
【００２７】
特別な比較として、（新日本製鉄株式会社に譲渡された）イバラキなどの米国特許第５，０７８，７８５号には、回転可能な容器を使用するディープスラグ法が開示され、かつ、金属浴の攪拌の目的のために金属層の中にガスを底部から注入する方法が開示されている。第１４欄、第１７行から始まるパラグラフにおいて、底部からガスを注入することによって生じた“金属浴の攪拌力”は６ＫＷ／ｔより多くないことが好ましい、と開示されている。この米国特許には、より高いレベルの攪拌において、望ましくない高レベルの鉄粉ダスト（ｉｒｏｎ ｄｕｓｔ）の発生があることが開示されている。第１４欄、第２１行から始まるパラグラフに提示されている情報に基づくと、６ＫＷ／ｔの最大金属浴攪拌力は、金属浴とスラグ層との間の界面における０．１２Ｎｍ3／ｓ／ｍ2に相応する。この最大ガス流量は、本発明の０．３０Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の最小流量よりかなり低い。
【００２８】
好ましくは、本発明方法は、主として金属層において金属を含む材料を金属に製錬することを包含する。
【００２９】
好ましくは、工程（ｂ）における固体およびガスの注入は、（静止条件下）金属層と金属スラグ層との間の界面を実質的に横切って溶融浴からのガス流を生じさせる。
【００３０】
好ましくは、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面の位置において、ガス流量は、少なくとも０．３５Ｎｍ3／ｓ／ｍ2、さらに好ましくは少なくとも０．５０Ｎｍ3／ｓ／ｍ2である。
【００３１】
好ましくは、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面の位置において、ガス流量は、０．９０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2より小さい。
【００３２】
典型的には、溶融材料のはね返し、小滴および流れは、それらが上方に動くように、さらに溶融材料（特にスラグ）を巻き込む。
【００３３】
典型的には、スラグが溶融材料のはね返し、小滴および流れにおける溶融材料の主要部分であり、そして溶融金属は残りの部分である。
【００３４】
本明細書において、用語「製錬」は、酸化金属を還元する化学反応を生起させて液体金属を製造する熱加工処理を意味する。
【００３５】
本明細書において、用語「金属層」は、主として金属である浴の領域を意味する。さらに詳細には、この用語は、金属の連続した容量の中に溶融スラグの分散物を含む領域または帯をカバーしている。
【００３６】
本明細書において、用語「スラグ層」は、主としてスラグである浴の領域を意味する。さらに詳細には、この用語は、スラグの連続した容量の中に溶融金属の分散物を含む領域または帯をカバーしている。
【００３７】
好ましくは、転移帯はスラグ層の上に広がっている。
【００３８】
金属の中に溶解した炭素のレベルは４％より大きいことが好ましい。
【００３９】
スラグ層中のＦｅＯの濃度は５重量％以下であることが好ましい。
【００４０】
溶融浴の中に注入された固体の炭素質材料の量を、金属を含む供給物を製錬するために必要とされる量、および、反応速度の維持のため熱を発生させるために必要とされる量より多くなるように選択することを含み、容器を出る排ガス中に巻き込まれるダストが少なくともいくらかの過剰の炭素を含有するようにすることが好ましい。
【００４１】
容器からの排ガスの中のダスト中の固体炭素の濃度は、排ガスにおける１０〜５０ｇ／Ｎｍ3のダスト発生の割合において排ガス中のダスト重量の５〜９０重量％（さらに好ましくは２０〜５０重量％）の範囲であることが好ましい。
【００４２】
金属を含む材料および炭素質材料の注入は、同じランス／羽口または別個のランス／羽口を通して行ってよい。
【００４３】
転移帯は、スラグ層と全く異なっている。説明として、本発明方法の安定な操作条件下では、スラグ層は、液体の連続容積中にガスの泡が含まれているのに、転移帯には、ガスの連続容積中に溶融材料、主としてスラグ、のはね返し、小滴、および流れが含まれている。
【００４４】
好ましくは、本発明方法の工程（ｃ）は、溶融浴の表面上の（転移帯を包含する）上部空間において、溶融浴中で発生した一酸化炭素および水素のような反応ガスを後燃焼し、そして後燃焼によって発生した熱を溶融浴に伝熱して、溶融浴における吸熱反応にとって必要であるように溶融浴の温度を維持する。
【００４５】
好ましくは、１つまたは１つより多くの酸素含有ガスを注入するランス／羽口は、酸素含有ガスを容器の中心領域の中に注入するように置かれる。
【００４６】
酸素含有ガスは、酸素、空気または４０容量％までの酸素を含有する酸素の豊富な空気であってよい。
【００４７】
好ましくは、酸素含有ガスは空気である。
【００４８】
さらに好ましくは、空気は予め加熱される。
【００４９】
典型的には、空気は１２００℃に予め加熱される。
【００５０】
空気は酸素を豊富にしてもよい。
【００５１】
好ましくは、本発明方法の工程（ｃ）は後燃焼の高レベルにおいて、すなわち少なくとも４０％において、操作される。後燃焼は次のように定義される：
【００５２】
（ただし
〔ＣＯ2〕＝排ガス中のＣＯ2容量％；
〔Ｈ2Ｏ〕＝排ガス中のＨ2Ｏ容量％；
〔ＣＯ〕＝排ガス中のＣＯ容量％；および
〔Ｈ2〕＝排ガス中のＨ2容量％
である。）
【００５４】
ある種の例において、（石炭または天然ガスのような）固体またはガス状の炭素質材料の補助源は、化学エネルギーの形態における熱エネルギーを捕獲するために容器から排ガスの中に注入されてもよい。
【００５５】
炭素質材料のそのような補助注入の例は、その燃料価値を富ませながら、排ガスを熱分解し、改質し、そして冷却する天然ガスの注入である。
【００５６】
補助の炭素質材料は、容器の上部に届く範囲に、または排ガスが容器に残された後の排ガスダクトの中に、添加されてもよい。
【００５７】
好ましくは、本発明方法は、５０％より多く、さらに好ましくは６０％より多くの後燃焼において操作される。
【００５８】
好ましくは、１つまたは１つより多くのランス／羽口は容器の側壁を通って延び、そして金属層に向かって下方におよび内部の方にある角度に向けられる。
【００５９】
好ましくは、酸素含有ガスを注入する１つまたは１つより多くのランス／羽口の位置および操作のパラメーターおよび転移帯を調節する操作のパラメーターは、
（ａ） 酸素含有ガスが、転移帯に向かって注入されそして浸透し；
（ｂ） 転移帯は、ランス／羽口または各ランス／羽口のより低い部分を取り囲むように上方に向かって広がり、それによりランス／羽口または各ランス／羽口の末端において生じた燃焼帯から容器の側壁をある程度にシールドし；そして（ｃ） ランス／羽口または各ランス／羽口を取り囲む金属およびスラグを実際的に含まない「自由空間」として定義されるガスの連続空間が存在する：
ように選ばれる。
【００６０】
前述の（ｃ）項は、容器の上部空間内の反応ガスが、ランス／羽口または各ランス／羽口の末端における領域の中に引き出され、その領域内において後燃焼されることを可能にする。
【００６１】
好ましくは、本発明方法は、相対的に高い（しかし、あまり高くない）スラグ残留量を維持し、そして工程を調節する手段としてスラグの量を使用する。
【００６２】
用語「相対的に高いスラグ残留量」は、容器内の金属の量と比較するスラグ量との関係において理解してよい。
【００６３】
好ましくは、本発明方法を安定な条件下で操作するとき、金属：スラグの重量比は、４：１〜１：２である。
【００６４】
さらに好ましくは、金属：スラグの重量比は、３：１〜１：１である。
【００６５】
特に、金属：スラグの重量比は、２：１〜１：１であるのが好ましい。
【００６６】
また、用語「相対的に高いスラグ残留量」は、容器内のスラグの深さの関係において理解してもよい。
【００６７】
好ましくは、本発明方法には、安定な操作条件下でスラグ層を０．５〜４メートルの深さに調節することによって高スラグ残留量を維持することが含まれる。
【００６８】
さらに好ましくは、本発明方法には、安定な操作条件下でスラグ層を１．５〜２．５メートルの深さに調節することによって高スラグ残留量を維持することが含まれる。
【００６９】
特に、本発明方法には、安定な操作条件下でスラグ層を少なくとも１．５メートルの深さに調節することによって高スラグ残留量を維持することが含まれることが好ましい。
【００７０】
溶融浴のスラグ層中のスラグの量は、スラグの豊富な転移帯中にあるスラグの量に直接影響を与える。
【００７１】
スラグは、転移帯から容器の側壁に輻射による熱の損失を最小にすることに関連して重要である。
【００７２】
もしスラグ残留物が低すぎるならば、スラグの豊富な転移帯において金属の露出が増加し、従って金属の酸化が増加し、そして後燃焼が減少される可能性がある。
【００７３】
もしスラグ残留量が高すぎるならば、そのときは、１つまたは１つより多くの酸素含有ガス注入用のランス／羽口は転移帯の中に埋もれるようになり、そしてこれは、上部空間の反応ガスがランス／羽口または各ランス／羽口の末端へ動くのを最小にし、その結果として後燃焼のための可能性を減少させる。
【００７４】
本発明により、直接製錬法によって金属を含む供給材料から金属を製造する固定された（すなわち、非回転性である）容器であって、前記容器は、金属層および該金属層上のスラグ層を有する溶融浴を含み、かつスラグ層の上にガス連続空間を有し、しかも前記容器には、
（ａ） シェル；
（ｂ） 溶融浴と接触している基部および側部を有する耐火性材料から形成された炉床；
（ｃ） 炉床の側部から上方へ延びかつスラグ層およびガス連続空間と接触している側壁であって、前記ガス連続空間と接触している前記側壁は、水冷されたパネルおよび該パネル上のスラグ層を含む前記側壁；
（ｄ） 下方に向かって容器の中に延びかつ酸素含有ガスを金属層の上の容器の中に注入する１つまたは１つより多くのランス／羽口；
（ｅ） 担体ガスと共に金属を含む供給材料および／または炭素質材料の少なくとも一部を、溶融浴の中に注入し、それにより、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面の位置において、少なくとも０．３０Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の速度で浴から誘導されたガス流を生じ、しかも、金属層およびスラグ層から溶融材料を結果として浮力により持ち上げるような、１つまたは１つより多くの下方へおよび内部に向かって延びているランス／羽口；
（ｆ） 容器の側壁と接触しかつ側壁上に溶融材料の層を形成する溶融材料のはね返し、小滴および流れの若干量を用いて、スラグ層上のガス連続空間中に、溶融材料のはね返し、小滴および流れを上昇させ次いで下降させることによって形成される転移帯；および
（ｇ） 容器から溶融材料およびスラグを取り出すための手段
が含まれる、前記の固定された容器が提供される。
【００７５】
好ましくは、ランス／羽口または（複数の）ランス／羽口を通る固体およびガスの注入により、（静止条件下）金属層とスラグ層との間の界面を実質的に横切る溶融浴からのガス流が生じる。
【００７６】
好ましくは、容器には、円筒形の炉床および炉床から延びる円筒形バレル（ｂａｒｒｅｌ）を形成する側壁が含まれる。
【００７７】
金属を含む供給材料は、あらゆる適当な材料でよく、またあらゆる適当な形態でよい。好ましい金属を含む供給材料は、鉄を含有する材料である。鉄含有材料は、鉱石、部分的に還元された鉱石、ＤＲＩ（直接還元鉄（ｄｉｒｅｃｔ ｒｅｄｕｃｅｄ ｉｒｏｎ）、炭化鉄、黒皮（ｍｉｌｌｓｃａｌｅ）、溶鉱炉ダスト、焼結微粉、ＢＯＦダスト、またはそのような材料の混合物の形態であってもよい。
【００７８】
部分的に還元された鉱石のケースにおいては、予め還元の程度は、相対的に低レベル（例えば、ＦｅＯに）から相対的に高レベル（例えば、７０〜９５％の金属化）までの範囲であってよい。
【００７９】
これに関連して、本発明方法には、金属を含む鉱石を部分的に還元し、次いで、部分的に還元された鉱石を溶融浴の中に注入することも含まれる。
【００８０】
金属を含む供給材料を予め加熱してもよい。
【００８１】
担体ガスはあらゆる適当な担体ガスでよい。
【００８２】
担体ガスは酸素欠乏ガスであるのが好ましい。
【００８３】
担体ガスは窒素を含むことが好ましい。
【００８４】
本発明は、例として、第１図、第２図および第３図の添付図面に関連して説明される。
【００８５】
次の記述は、溶融鉄を造るための鉄鉱石の製錬に関連しており、そして本発明は、この適用に限定されないで、部分的に還元された金属の鉱石およびウエイストレバート材料（ｗａｓｔｅ ｒｅｖｅｒｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）を包含する、あらゆる適当な金属の鉱石及び／または濃縮物に適用できることが理解される。
【００８６】
第１図に示された容器は、耐火性煉瓦から形成された基部３および側部５５；炉床の側部５５から上方に延びる一般的な円筒形バレルを形成し、かつ上部バレル区分５１および低部バレル区分５３を含む側壁５；屋根７；排ガスの出口９；連続的に溶融鉄を排出できる炉床前部８１；炉床および炉床前部８１を相互に連結する炉床前部の連結７１；および溶融スラグを排出するための取り出し孔６１を含む円筒形を有する、固定された（すなわち、非回転性である）容器である。
【００８７】
使用において、容器には、溶融鉄層１５および金属層１５上の溶融スラグ層１６が含まれる。数１７の矢印は、金属層１５の名目上の静止表面の位置を示し、数１９の矢印はスラグ層１６の名目上の静止表面を示す。用語「静止表面」は、容器の中にガスおよび固体の注入がないときの表面を意味する。
【００８８】
また、容器には、側壁５を通って垂直に対して３０〜６０°の角度において下方にかつ内部に向かってスラグ層１６の中に延びる２つの固体注入用ランス／羽口１１が含まれる。ランス／羽口１１の位置は、低い末端が定常状態の処理条件下で鉄層１５の静止表面１７の上にあるように選ばれる。
【００８９】
使用において、担体ガス（典型的にはＮ2）中に混入された鉄鉱石、固体の炭素質材料（典型的には石炭）、およびフラックス（典型的には石灰およびマグネシア）は、ランス／羽口１１を通して金属１５の中に注入される。固体材料／担体ガスの運動量は、固体材料およびガスを金属層１５に浸透させる。石炭は揮発分を除去され、それにより、金属層１５の中にガスを生じる。炭素は、金属の中に部分的に溶解され、部分的に固体炭素として残留する。鉄鉱石は、金属に製錬され、製錬反応により一酸化炭素ガスを発生する。金属層１５の中に移行され、揮発分の除去および製錬により生じたガスは、金属層１５から（固体／ガス／注入の結果として金属層１５の中に引かれる）溶融金属、固体炭素およびスラグの十分な浮力による持ち上げを生じさせ、これは、溶融金属のはね返し、小滴および流れの上方への動きを発生させ、そしてこれらのはね返し、および小滴、および流れは、それらがスラグ層１６を通って動くように巻き込まれる。
【００９０】
本発明者は、パイロットプラントによる研究において、静止金属レベル１７において（すなわち、静止条件下の金属層１５およびスラグ層１６の界面において）金属層１５の区域の少なくとも０．３０Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の速度において、好ましくは前記区域を横切って、溶融浴からのガス流の発生により、金属層１５およびスラグ層１６に実質的に攪拌をもたらすので、
（ａ） スラグ層１６が容積において広がり、かつ矢によって示された表面を有し、そして
（ｂ） 金属層１５およびスラグ層１６は、それぞれの層の至る所が妥当な均一温度、典型的には１４５０〜１５５０℃、であり、およびそれぞれの層が至る所で妥当な均一組成である、という点で実質的にそれぞれが均一である、
ということを見出した。
【００９１】
さらに、本発明者は、パイロットプラントによる研究において、前述のガス流量および溶融材料および固体炭素のその結果としての浮力による持ち上げは、
（ａ） 転移帯２３を形成し；そして
（ｂ） いくらかの溶融材料（主としてスラグ）を、転移帯を越え、そして転移帯２３の上にある側壁５の上部バレル区分５１の部分上におよび屋根７の上に放出する、
ことを見出した。
【００９２】
一般的な用語において、スラグ層１６は、その中にガスの泡を有する流体の連続容量であり、そして転移帯２３は、溶融金属のはね返し、小滴および流れおよびスラグ層を有するガスの連続容量である。
【００９３】
さらに、容器には、その中に位置し、容器の中に垂直に下方に向かって延びている酸素含有ガス（典型的には、予め加熱された酸素の豊富な空気）を注入するためのランス１３が含まれる。ランス１３の位置およびランス１３を通るガス流量は、定常状態のプロセス条件下で、酸素含有ガスを転移帯２３の中心領域に浸透し、かつランス１３の末端のまわりに本質的に金属／スラグの自由空間２５を維持するように選ばれる。
【００９４】
使用において、ランス１３を通す酸素含有ガスの注入は、転移帯２３においておよびランス１３の末端のまわりの自由空間２５において、反応ガスのＣＯおよびＨ2を後燃焼させ、ガス空間において２０００℃またはそれ以上のオーダーの高温を発生させる。熱は、ガス注入の領域において溶融材料の上昇しかつ下降するはね返し、小滴、および流れに伝熱され、次いで熱は、金属／スラグが鉄層１５に戻るとき、鉄層１５に部分的に伝熱される。
【００９５】
自由空間２５は、高レベルの、例えば、４０％より多い、後燃焼を達成させるのに重要である。なぜなら、それは、転移帯２３の上の空間中のガスが、ランス１３の末端領域間中に巻き込む（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ）ことを可能にし、それにより、後燃焼に、使用可能な反応ガスを暴露することを増加させるからである。
【００９６】
ランス１３の位置、ランス１３を通るガス流量、および溶融材料のはね返り、小滴および流れの上方への動きの組み合わせ効果は、一般的に符号２７によって確認される、ランス１３のより低い領域のまわりに転移帯２３を形造ることである。この形造られた領域により、側壁５への輻射による伝熱に対する部分的なバリヤーが提供される。
【００９７】
その上、上昇しかつ下降する溶融材料の小滴、はね返しおよび流れは、転移帯２３からの溶融浴への伝熱の有効な手段であるので、側壁５の領域における転移帯２３の温度は、１４５０℃〜１５５０℃のオーダーである。
【００９８】
容器は、本発明方法が定常状態のプロセス条件下で操作されるときの容器中の金属層１５のレベル、スラグ層１６のレベル、および転移帯２３のレベルに関連して、および発明方法が定常状態の操作条件下で操作されるときに転移帯２３の上の上部空間３１の中に放出される溶融材料のはね返し、小滴および流れに関連して、構成され、それにより、
（ａ） 金属層１５およびスラグ層１６に接触している炉床および側壁５のより低いバレル区分５３は、耐火性材料の煉瓦（図において交差線影によって示されている）から形成され；
（ｂ） 側壁５のより低いバレル区分５３の少なくとも一部は、水冷パネル８によって裏打ちされ；そして
（ｃ） 転移帯２３および上部空間３１に接触している側壁５の上部バレル区分５１および屋根７は、水冷パネル５７、５９から形成される。
【００９９】
水冷パネル８、５７、５９のそれぞれは、平行な上部端および下部端および平行な側端を有し、かつ円筒形バレルの区分を限定するように曲がっている。それぞれのパネルには、内部水冷用パイプおよび外部水冷用パイプが含まれている。パイプは、曲がった区分によってお互いに連結された水平区分を持つ曲がりくねった形状に形成されている。さらに、それぞれのパイプには、水の入口および出口が含まれる。パイプは、外部パイプの水平区分が、パイプのむき出し面、すなわち、容器の内部にさらされる面、から見たときに、内部パイプの水平区分の直後でないように垂直に置き換えられる。さらに、それぞれのパネルには、隣り合った直線状区分の間の空間およびパイプ管の空間を満たしている詰め込まれた耐火性材料が含まれる。
【０１００】
パイプの水の入口および水の出口は、パイプを通して高流量で水を循環させる水供給回路（示されていない）に連結されている。
【０１０１】
前述のパイロットプラントによる研究は、オーストラリア西部のクイナナ（ｋｗｉｎａｎａ）における本出願人のパイロットプラントで本発明者による一連の広大な研究として実施された。
【０１０２】
パイロットプラントによる研究は、第１図において示され、かつ前述された容器で、前述された加工処理条件によって実施された。特に、本発明方法は、炉床前部８１を通って溶融鉄を連続的に放出させ、そして取りだし孔６１を通って溶融スラグを周期的に取り出すように操作した。本発明に関連して炉床の直径は２．７４ｍであることに注目することは適切である。
【０１０３】
パイロットプラントによる研究により容器が評価され、加工処理は、次の広範囲の相違のもとに研究された：
（ａ） 供給材料；
（ｂ） 固体およびガスの注入速度；
（ｃ） スラグの残留量（スラグ層の深さおよびスラグ：金属の比に関して測定された）；
（ｄ） 操作温度；および
（ｅ） 装置の建設。
【０１０４】
第２図および第３図は、２種のパイロットプラントキャンペーンのための浴から誘導されたガスの伝熱効率（ＨＴＥ−ＴＳ）と（ＫＮｍ3／ｈとして表された）流量との関係をプロットしたグラフである。
【０１０５】
伝熱効率は、溶融浴に伝熱される後燃焼によって生じたエネルギー量を、後燃焼によって生じたエネルギーの全量によって割った、百分率として表される量である。もし排ガスが実質的に浴の温度であるならば、高い伝熱効率は、（主として側壁を通して生起する）容器からの低い熱損失を指示していると言うことは適正である。
【０１０６】
約７．５ＫＮｍ3／ｈの浴から誘導されたガス流量において伝熱効率の鋭い増加があることは、第２図および第３図から明らかである。この量は、静止条件下の容器の金属層１５とスラグ層１６との間の界面において０．３２Ｎｍ3／ｓ／ｍ2に相応する。
【０１０７】
本発明の概念および範囲の理論から逸脱することなしに、記載された本発明の好ましい態様の多くの変更を行ってもよい。
【０１０８】
本発明の好ましい態様は、ランス／羽口１１を通して固体材料／担体ガスの注入による金属層からの浴誘導のガス流を生じるが、本発明は、ガスの底部／側部からの注入によって浴から誘導されるガス流に少ない寄与があるように配置を拡げてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１図は、本発明方法の好ましい態様を図的形式で例示する冶金用容器を貫いた垂直断面図である。
【図２】第２図は、本発明者によって実施されたパイロットプラントによる研究のキャンペーン８．１についての浴から誘導されたガスの伝熱効率対流量のグラフである。
【図３】第３図は、パイロットプラントのキャンペーン８．２についての浴から誘導されたガスの伝熱効率対流量のグラフである。
Claims (14)
- 固定された冶金用容器中で金属を含む供給材料から金属を製造する直接製錬法であって、
（ａ） 該容器中に、金属層および該金属層上にスラグ層を有する溶融浴を形成し；
（ｂ） 金属を含む供給材料および／または固体の炭素質材料を、担体ガスと共に、１つまたはそれより多くの下方へ延びるランス／羽口を通して溶融浴の中に注入し、該金属を含む材料を溶融浴中で金属に製錬し、それにより、固体およびガスの注入は、静止条件下、金属層とスラグ層との間の界面の位置において、少なくとも０．５０ Ｎｍ3／ｓ／ｍ2の流量で、溶融浴からのガス流を生じさせ、そのガス流は、溶融浴中の溶融材料を巻き込み、スラグ層の上の容器中のガス連続空間の中において、はね返し、小滴および流れとして溶融材料を上方に運びそして転移帯を形成し、それにより、溶融材料のはね返し、小滴および流れを容器の側壁と接触させてスラグの保護層を形成させ；そして
（ｃ） 酸素含有ガスを、１つまたは１つより多くのランス／羽口を通して前記容器中に注入し、溶融浴から開放された反応ガスを後燃焼し、それにより、溶融材料のはね返し、小滴および流れの上昇、次いで下降が、溶融浴への伝熱を容易にし、かつ転移帯は、転移帯と接触している側壁を通して容器からの放射熱の損失を最小にする
諸工程を含む、直接製錬法。 - 前記金属を含む材料を、金属層中で金属に製錬することを含む、請求項１の方法。
- 工程（ｂ）における固体およびガスの注入は、静止条件下、金属層と金属スラグ層との間の界面を横切って溶融浴からのガス流を生じる、請求項１または請求項２の方法。
- 転移帯はスラグ層の上に広がっている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の方法。
- 金属中に溶解した炭素のレベルは４重量％より多い、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の方法。
- スラグ層中のＦｅＯの濃度は５重量％以下である、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の方法。
- 溶融浴の中に注入する固体の炭素質材料の量を、金属を含む供給物を製錬するために必要とされる量、および、熱を発生させて反応速度を維持するために必要とされる量より多くなるように選択して、容器を出る排ガス中に巻き込まれるダストが過剰の炭素を含有するようにすることを含む、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の方法。
- 容器からの排ガス中のダストの中の固体炭素の濃度は、排ガスにおける１０〜５０ｇ／Ｎｍ3のダスト発生の割合において、排ガス中のダスト重量の５〜９０重量％の範囲である、請求項７に記載の方法。
- 容器からの排ガス中のダストの中の固体炭素の濃度は、２０〜５０重量％の範囲である、請求項８に記載の方法。
- 工程（ｂ）における金属を含む材料および炭素質材料の注入は、同じランス／羽口または別個のランス／羽口を通して実施する、請求項１〜請求項９のいずれか１項に記載の方法。
- 酸素含有ガスは、酸素、空気、または４０容量％までの酸素を含有する酸素の豊富な空気である、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の方法。
- 工程（ｃ）は、後燃焼の高レベルにおいて、すなわち少なくとも４０％において、操作し、後燃焼は、
〔ＣＯ 2 〕＋〔Ｈ 2 Ｏ〕
〔ＣＯ2〕＋〔Ｈ2Ｏ〕＋〔ＣＯ〕＋〔Ｈ2〕
（ただし
〔ＣＯ2〕＝排ガス中のＣＯ2容量％；
〔Ｈ2Ｏ〕＝排ガス中のＨ2Ｏ容量％；
〔ＣＯ〕＝排ガス中のＣＯ容量％；および
〔Ｈ2〕＝排ガス中のＨ2容量％；
である）
として定義される、請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載の方法。 - 工程（ｂ）は、固体およびガスを、容器の側壁を通って延び、かつ金属層に向かって下方におよび内部の方にある角度に向けられている１つまたは１つより多くのランス／羽口を通して、溶融浴の中に注入することを含む、請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載の方法。
- 工程（ｃ）は、
（ａ） 酸素含有ガスが、転移帯に向かって注入されそして浸透し；
（ｂ） 転移帯は、酸素含有ガス注入ランス／羽口または各ランス／羽口のより低い部分を取り囲むように上方に向かって広がり、それにより酸素含有ガス注入ランス／羽口または各ランス／羽口の末端において生じた燃焼帯から容器の側壁をシールドし；そして
（ｃ） 酸素含有ガス注入ランス／羽口または各ランス／羽口を取り囲む金属およびスラグを含まない「自由空間」として定義されるガスの連続空間が存在する：
ように、酸素含有ガスを１つまたは１つより多くの酸素含有ガス注入ランス／羽口を通して容器の中に注入することを含む、請求項１〜請求項１３のいずれか１項に記載の方法。
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