JP5039945B2 - 鉄鉱石を含む装入物から銑鉄又は流動性のある一次鉄を製造する方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶鉱炉内で銑鉄又は流動性のある一次鉄（liquid primary steal products）を製造する方法に関する。この方法では、還元シャフト炉から発生する炉頂ガスの流れの少なくとも一部からＣＯ₂が実質的に取り除かれ、かつ適切な場合には、この流れの一部は加熱されて還元ガスとして溶鉱炉に導入される。また本発明は、この方法を実施するための装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
この種の方法は、独国特許出願公開第４４２１６７３号明細書によって公知となっている。この方法では、ＣＯ₂が取り除かれた後、炉頂ガスは高温の窒素又は高温の窒素含有及びアルゴン含有ガスと混合され、かくして８００℃以上に加熱される。本方法では、実質的にＣＯ₂が取り除かれた、加熱された炉頂ガスは、熱気配給パイプを介して溶鉱炉へ供給される。炉頂ガスの加熱は、ボーダード平衡（Boudouard equilibrium）に従ってＣＯガスが反応しないうちに、かつ不均一な水性ガス反応に係るＨ₂ガスが反応しないうちに、できる限り迅速に行われねばならず、その結果方法及び装置技術にかなりの費用がかかる。
【０００３】
米国特許第３，９５４，４４４号明細書は、鉄鉱石の直接的な還元方法に関する。この方法では、還元ガスの一部がシャフト炉から取り除かれ、処理され、次いでシャフト炉に戻される。この場合、特有の実施形態では、還元ガスはまた、還元剤として溶鉱炉に導くこともできる。この方法はまた、ガスの再生が困難であり、かつ方法及び装置技術にかかる出費が高額となる。
【０００４】
上記の従来技術に基づき本発明の目的は、方法及びこの方法を実行するための装置を発展させることにあり、その結果従来技術と比較して、エネルギーバランスを改善し、かつプロセスマネージメント改善することができる。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、一連の目的は、本発明に係る方法に関する請求項１に特徴づけられた部分、及び本発明に係る装置に関する請求項５に特徴づけられた部分によって達成される。
【０００６】
約５分の３の高さで上部を切り取られた溶鉱炉の上部錐台は、当業者にはタームシャフト（term shaft）と呼ばれている。
【０００７】
加熱された炉頂ガスを溶鉱炉のシャフトの下部領域に導くという本発明に係る特徴は、従来技術と比較してプロセスマネージメントにとって極めて好都合なものとなる。
【０００８】
本発明は特に、シャフト炉からの炉頂ガスを完全に再利用するための方法を提供する。シャフト炉からの炉頂ガスは、再利用のために、好ましくは還元特性を利用するために供給される。本発明に係る方法によれば、この炉頂ガスの流れの一部を溶鉱炉へ導くことができるが、その流れのさらなる一部を、例えばエネルギーを生成するために利用することができる。しかしながら、例えば従来技術のように流れの一部をシャフト炉で分岐するのではなく、炉頂ガスがシャフト炉を通過した後に炉頂ガスを分離する方が自然である。この従来技術と比較して、本発明に係る方法は、シャフト炉内で装入物をさらにより効率的に加熱することができ、これは重要な操業規準となる。
【０００９】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、シャフト炉からの炉頂ガス全てが溶鉱炉に導入される。
【００１０】
その上、腹部の上方で行われる、本発明に係るこの種のガス供給は、腹部及びボッシュ（bosh）の熱負荷を減少させ、かつこの領域のガス漏洩量及び液相（liquid phase）の流出を改善する。
【００１１】
溶鉱炉のシャフトの下部領域において炉頂ガスが供給される箇所は、当該方法の炉頂ガスの組成によって実質的に決定される。
【００１２】
各炉頂ガスは、一般的に抽出する方法の特徴に応じた特定の組成を有しているので、既知の構成条件は、最適化された操作箇所で溶鉱炉を稼動することができるように、溶鉱炉のシャフトにおけるガスの導入箇所を決定するために用いねばならない。
【００１３】
炉頂ガスが溶鉱炉に導入される、溶鉱炉のシャフトにおける前記箇所については、次のように述べることができる。
【００１４】
導入箇所は一般に、位置に関しては、凝集ゾーンの上方又は直接還元ゾーンの上方に、かつそれゆえに溶鉱炉のシャフトに位置している。炉頂ガスが溶鉱炉のシャフトに導入される箇所は、炉頂ガスの温度及び組成によって決定されるが、溶鉱炉の稼動によっても決定される。炉頂ガスの導入の結果達成される効果が、重大な要素となる。
【００１５】
炉頂ガスの組成を調和させるためにこの点で決定的となる溶鉱炉プロセスの装入手段に炉頂ガスが与える影響は、還元ガスの供給による間接還元の割合の増加と、溶鉱炉内で望ましくない炭素の消費及び本方法によるエネルギーの大消費へ繋がる直接還元の割合が、本方法で減少するのと同様の方法とにおいて見出されるだけでなく、著しく高い加熱率及びそれゆえに鉱石のより少ない分解においても見出される。この影響はまた、溶鉱炉の装入領域の内部にあるより大きな反応容積と関連してもいる。
【００１６】
本発明の好ましい実施形態によれば、溶鉱炉に入る前の炉頂ガスの温度は７５０℃以上であり、好ましくは７５０℃から１１００℃の間であり、好都合には８００℃から９２０℃の間であり、特に好都合には８２０℃から８８０℃の間である。このガスは、ウスタイト（wustite）を還元するために、溶鉱炉のシャフトの下端で溶鉱炉に導入される。
【００１７】
本方法では、従来技術でいうと従来の溶鉱炉においてガスが導入される箇所で、１１００℃及びそれ以下の温度、好都合な実施形態では１０００℃以下、特に好都合な実施形態では９００℃以下の温度が、溶鉱炉の装入領域の外部層において達せられる。
【００１８】
特に好都合な実施形態によれば、銑鉄又は流動性のある一次鉄を製造する本発明に係る方法は、ガス溶融炉を有しており、このガス溶融炉は還元鉄粒子を銑鉄に転化し、かつ本方法では還元ガスを形成する。この還元ガスは、特に還元シャフト炉で連続的に使用するのに適しており、かつさらに炉頂ガスの主成分として役に立つ。炉頂ガスは、本発明の目的のために、溶鉱炉のシャフトの下部領域に導入される。
【００１９】
本発明のさらなる特徴によれば、実質的にＣＯ₂のない炉頂ガスは、部分燃焼によって８００℃以上に加熱される。
【００２０】
上述したように、このようにして、溶鉱炉に導入されるべき炉頂ガスの組成を適切に適合させるために、かつ特に溶鉱炉内における炭素の付着を減少させるために、部分燃焼をすると、炉頂ガスのＣＯ₂／Ｈ₂Ｏ量に合わせて調整される。細かく分散されたこの種の炭素の発生を低くすると、本方法のエネルギーバランスに対して有益な効果をもたらす。
【００２１】
具体的な方法に特有の、炉頂ガスの組成に基づく作用によって、溶鉱炉のシャフトの下部領域で溶鉱炉に導入された炉頂ガスにより還元されたコークスが消費されるだけでなく、炉頂ガスが導入されるべき溶鉱炉の特定の領域に応じて、導入された炉頂ガスの酸化の程度が決まる。そしてこのようにして溶鉱炉の稼動が最適化される。
【００２２】
加熱された炉頂ガスがこれまでに通常の熱気ラインを介して溶鉱炉へ導入され、かつそれゆえに必然的にＣＯ₂及びＨ₂Ｏのレベルが特に低い場合には、溶鉱炉のシャフトにある通常の熱気ラインのかなり上の位置にガスを導くには、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏ量がより高いことが特に望ましいことを意味する。
【００２３】
実質的にＣＯ₂のない炉頂ガスを部分燃焼によって加熱する本発明に係る手段は、高温の窒素又は窒素含有及びアルゴン含有ガスで炉頂ガスを加熱することを提供する従来技術に係る方法に取って代わり、その結果、炉頂ガスを加熱する際にさらにより適切な形式を導入することとなる。部分酸化によって炉頂ガスを少なくとも部分的に反応させると、ガスの温度が著しく上昇する。というのも、炉頂ガスのＣＯ₂及びＨ₂Ｏ量は、従来技術ですでに知られている上流のＣＯ₂除去の後に再び増加するが、この増加は、ガスの組成と溶鉱炉のシャフトにおいて炉頂ガスが導入される箇所との間の相互作用によって決定される範囲内だからである。その上、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏ量の上昇は十分に低く、最も近い従来技術における方法と比べて還元処理が著しく減少したことを確認するのは不可能である。
【００２４】
この方法のさらなる利点は以下の点である。
ガスの溶鉱炉に供給される箇所が従来技術と比べて改善されているという事実により、単に部分燃焼を行うことによって炉頂ガスを所望の温度まで加熱することが可能となる。これは、原則としてＣＯ₂及びＨ₂Ｏレベルは反対の作用を持たないからである。高温の窒素ガス又はアルゴンガスと混合することによって炉頂ガスを加熱するという困難な方法は、従来技術で述べたように、このようにして克服される。溶鉱炉プロセスにおける直接還元レベルが上昇することによって、エネルギーが著しく節約され、その結果、エネルギー及びガスバランスに関して、著しく改善された操作ポイントで溶鉱炉を稼動することができる。
【００２５】
本発明に係るさらなる特徴によれば、ＣＯ_２の取り除かれた炉頂ガスは、部分燃焼される上に、復熱装置かつ／又は熱交換器によって（recuperatively and/or regeneratively）予熱される。
【００２６】
この場合、復熱装置及び／又は熱交換による加熱と部分燃焼とは、互いにかつプロセス全体に適合し、かくしてＣＯ_２／Ｈ_２Ｏ量を特に効率的かつ円滑にセットすることが可能となる。
【００２７】
いったん還元ガスの溶鉱炉に導入される箇所が決まると、ＣＯ₂除去及び／又は予熱及び／又は部分酸化のパラメータを溶鉱炉の稼動に適切なやり方で、コントロールされた変更をすることによって、還元ガスのＣＯ₂／Ｈ₂Ｏ量がセットされる。
【００２８】
復熱による及び／又は熱交換による予熱と、それに続く部分酸化とを備えた、炉頂ガスを加熱する２つの段階は、金属ダストの発生を防止し、かつ溶鉱炉内に炭素が過度に堆積するのを防止する。
【００２９】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、ＣＯ_２及びＨ_２Ｏの取り除かれた炉頂ガスは、部分燃焼の前に、復熱装置又は熱交換器によって３００〜６００℃、好ましくは４００〜５００℃の温度範囲で予熱される。
【００３０】
この方法は、部分燃焼に関する予熱を特に好都合に適合させることによって特に特徴づけられた、特に適切なプロセスの構成を可能にする。予熱が復熱装置及び／又は熱交換器によって行われることは、炉頂ガスのＣＯ２／Ｈ２Ｏ量はほとんど増加しないか又は増加したとしても最低限だけであることを意味し、これによりプロセスが続く限り好都合であることがわかる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
本発明の制限されない最良の実施形態は、概略図を参照して以下詳細に説明される。
還元シャフト炉として構成された直接還元装置には、符号１が付されている。還元シャフト炉１の還元ゾーン２には、塊状の酸化鉄含有装入物（lumpy iron-oxide-containing charge materials）と共に、適切な場合には供給ライン４を介して導入された不燃性添加物と共に、供給ライン３を介して上方から充填される。シャフト炉１は、ガス溶融炉５に接続されており、ガス溶融炉５内では、還元ガスが炭素キャリヤー（carriers）及び酸素含有ガスから生成され、その還元ガスは供給ライン６を介してシャフト炉１に供給され、ガス洗浄及び／又はガス冷却装置７が供給ライン６に設けられている。
【００３２】
ガス溶融炉５は、固体、塊状の炭素キャリヤーのための供給管８と、ダストを戻すための供給ライン９と、酸素含有ガスのための供給ライン１０と、炭化水素のような、室温で液体又はガス状の炭素キャリヤーのための、及び燃焼添加物のための供給ライン１１，１２とを有している。ガス溶融炉５においては、溶融した銑鉄１４及び溶融したスラグ１５が、溶融／ガス化ゾーン１３の下方に集まっており、かつタップ１６，１７を介して取り出される。
【００３３】
還元ゾーン２でシャフト炉１に海綿鉄を形成するために還元された塊状の鉱石は、還元ゾーン２で燃焼した添加物と共に、シャフト炉１をガス溶融炉５へ接続するライン１８を介してガス溶融炉へ、例えば排出ウオーム（discharge worms）（図示せず）によって、搬送される。
【００３４】
シャフト炉１の上部は、還元ゾーン２内で形成する炉頂ガスのために、炉頂ガス吐出ライン１９によって接続されている。およそ２００〜４００℃の温度にあるこの炉頂ガスは、ガス洗浄装置２０を介してＣＯ₂スクラバー２１へ供給される。そして流入時には、このスクラバーはおよそ周囲の温度にある。炉頂ガスの化学組成は、実質的に次のようである。
【表１】

【００３５】
一度ＣＯ₂スクラバーから生成されると、現在の実質的にＣＯ₂のない炉頂ガスは実質的に次の化学組成を有する。
【表２】

【００３６】
その上、炉頂ガスは復熱装置又は熱交換器２２に供給され、そこで約４５０℃に加熱される。次いで、洗浄された実質的にＣＯ_２のない炉頂ガスは反応器２３を通過し、そこで酸素含有媒質、特に純粋な酸素がライン３３を介して供給されるとき、部分的に燃焼される。本方法では、ガスの温度は約８５０℃に達する。部分燃焼ガスは実質的に次の組成を有する。
【表３】

【００３７】
次いで加熱された炉頂ガスは、ライン２４を介して溶鉱炉２６のリングパイプライン２５へ供給され、溶鉱炉のシャフトの下部領域において溶鉱炉に導入される。コークス及び添加物と一緒になった酸化鉄は、通常の構成であってよい溶鉱炉へ、供給ライン２７を介して上方から供給される。溶融した銑鉄２８及び溶融したスラグ２９は、タップ３０，３１を介して通常のやり方で排出される。熱気は熱気供給ライン３２を介して供給される。
【００３８】
本発明によれば、この種の方法及びこの種の装置は結果として次の利点を有する。
直接還元法からの炉頂ガスが、溶鉱炉で好都合に用いられ、かつこの点で、直接還元法を実行している間に生成される炉頂ガスが、現存の溶鉱炉における銑鉄の付加的な生産に利用されることによって、現存の溶鉱炉において、直接還元法による特に効率的な鉄の生産量を拡大することができる。
装入物の間接的なガス還元を介することによる還元度の増加、及びそれゆえにボッシュ内の熱バランスと溶鉱炉の炉床との改善の結果として、溶鉱炉の容量を増加させることができる。
直接溶鉱炉で使われる場合には、塊状の添加物をより効率的に焼成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 鉄鉱石を含む装入物から銑鉄又は流動性のある一次鉄を製造するための一連の概略方法及び本発明に係る装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１ 還元シャフト炉
２ 還元領域
５ ガス溶融炉
６ 供給ライン
６ 吐出ライン
８ 石炭
８，９，１０ 供給ライン
１０ 酸素含有ガス
１８ 吐出ライン
１８ ライン
１９ 炉頂ガス吐出ライン
２１ ＣＯ₂除去装置
２３ 加熱反応装置
２５ ライン
２６ 溶鉱炉
３３ ライン

Claims (10)

1. 溶鉱炉内で銑鉄又は液体鋼原料を製造する方法であって、還元シャフト炉（１）から発生する炉頂ガスの流れの少なくとも一部からＣＯ_２を実質的に除去し、還元ガスとして前記溶鉱炉に導入する方法において、
   実質的にＣＯ_２のない前記炉頂ガスを、前記溶鉱炉のシャフトの下部領域に導入し、かつ前記溶鉱炉のシャフトに導入される前に部分燃焼によって加熱することを特徴とする方法。
2. 前記ＣＯ_２を実質的に除去された炉頂ガスの流れの少なくとも一部は、加熱されて、還元ガスとして前記溶鉱炉に導入されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 請求項１又は２記載の方法において、
   鉄鉱石を含む装入物の一部を、還元ガスによって前記還元シャフト炉（１）内で還元し、かつ
   得られた還元鉄粒子を石炭（８）と共にガス溶融炉（５）内で溶融し、酸素含有ガス（１０）を供給し、還元ガスを同時に形成し、かつ該還元ガスを前記還元シャフト炉（１）の還元領域（２）に供給する
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法において、
   前記実質的にＣＯ_２のない炉頂ガスを、前記部分燃焼によって７５０℃以上に加熱することを特徴とする方法。
5. 請求項４記載の方法において、
   ＣＯ_２の取り除かれた前記炉頂ガスを、前記部分燃焼の前に、復熱装置及び／又は熱交換器において予熱することを特徴とする方法。
6. 前記復熱装置及び／又は熱交換器における予熱は、３００℃から６００℃の温度範囲にて行われることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 請求項１又は２に記載の方法を実行するための装置であって、
   銑鉄又は液体鋼原料を製造するための少なくとも一つの溶鉱炉を有し、かつ
   塊状の鉄鉱石のための少なくとも一つの還元シャフト炉（１）を有し、前記還元シャフト炉（１）は、該還元シャフト炉（１）内に形成された還元生成物のための少なくとも一つの吐出ライン（１８）と、少なくとも一つの炉頂ガス吐出ライン（１９）とを有し、
   前記炉頂ガスライン（１９）は、ＣＯ_２除去装置（２１）に通じており、かつ実質的にＣＯ_２のない炉頂ガスを前記溶鉱炉（２６）に導くための少なくとも一つのさらなるライン（２５）をさらに備えた装置において、
   前記炉頂ガスを前記溶鉱炉のシャフトの前記下部領域に導くための少なくとも一つのライン（２５）と、
   前記溶鉱炉のシャフトに導入する前に前記炉頂ガスを部分燃焼するための加熱反応装置であって、前記ＣＯ_２除去装置及び前記溶鉱炉のシャフトへのラインに接続された加熱反応装置と、
   を備えることを特徴とする装置。
8. 請求項７記載の装置において、
   前記還元シャフト炉（１）には還元ガスのための少なくとも一つの供給ライン（６）が設けられ、かつ
   少なくとも一つのガス溶融炉（５）を備え、
   前記ガス溶融炉（５）には、前記還元シャフト炉から前記還元生成物を搬送する少なくとも一つのライン（１８）が通じており、かつ
   前記ガス溶融炉（５）は、酸素含有ガス、ダスト、及び炭素キャリヤーのための数多くの供給ライン（８，９，１０）と、前記還元シャフト炉に通じている、形成された還元ガスのための前記少なくとも一つの供給ライン（６）とを有する
   ことを特徴とする装置。
9. 請求項７又は８記載の装置において、
   前記炉頂ガスの部分燃焼のための酸素含有媒質を供給するための少なくとも一つのライン（３３）を備えることを特徴とする装置。
10. 前記少なくとも１つのライン（３３）は、前記炉頂ガスの部分燃焼のための酸素含有媒質を加熱反応装置（２３）に供給することを特徴とする請求項９に記載の装置。

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