JP5248333B2 - 直接製錬プラント - Google Patents

Description

本発明は、鉱石、一部還元された鉱石、金属含有屑の流れなどの金属含有供給材料から溶融金属を製造するための直接製錬プラントに関するものである。

主として反応媒体として溶融浴に依存しており、一般にハイスメルト（ＨＩｓｍｅｌｔ）法と称される既知の直接製錬処理が、本出願人名義の国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７（ＷＯ９６／３１６２７）（特許文献１）に記載されている。この国際出願の開示内容は、本明細書に相互参照によって援用される。

溶融鉄を製造するという文脈で上記国際出願に記載されているハイスメルト法は、以下の工程を含む。
（ａ）溶融鉄およびスラグからなる溶融浴を直接製錬容器内に形成し、
（ｂ）（ｉ）通常は鉄酸化物である金属含有供給材料、および（ｉｉ）鉄酸化物の還元剤、及びエネルギー源として作用する通常は石炭である固体の炭素含有材料を溶融浴に注入し、
（ｃ）金属層中で金属含有供給材料を鉄に製錬する。

本明細書において、用語「製錬」とは、金属酸化物を還元する化学反応を起こさせて溶融金属を製造する熱プロセスを意味すると理解される。

また、ハイスメルト法は、酸素含有ガスとともに、溶融浴から放出されたＣＯおよびＨ_２などの反応ガスを溶融浴の上方の空間で後燃焼させ、後燃焼で生じる熱を溶融浴に伝達させて、金属含有供給材料の製錬に必要な熱エネルギーに寄与することを含む。

また、ハイスメルト法は、溶融浴の公称静止表面の上方に遷移帯域を形成することを含み、この遷移帯域中には、溶融金属及び／又はスラグから成る、適量の、上昇してその後下降する液滴又は飛沫又は流れが存在し、これらが、溶融浴の上方での反応ガスの後燃焼によって生じる熱エネルギーを溶融浴に伝達するための有効な媒体になる。

ハイスメルト法では、直接製錬容器の側壁を貫通して下向き且つ内向きに容器の下側領域内に延在し、容器底部の金属層に固体材料の少なくとも一部を送るように、鉛直軸線に対して傾斜する複数のランス／羽口を通して金属含有供給材料及び固体の炭素含有材料が溶融浴内に注入される。容器の上側部分での反応ガスの後燃焼を促進するために、高酸素にしてもよい熱空気の衝風が下方向に延在する熱空気注入ランスを通して容器の下側領域に注入される。容器内での反応ガスの後燃焼により生じる排ガスが、排ガス・ダクトを通って容器の上側部分から取り除かれる。容器は、その側壁及び屋根に耐火物でライニング処理された水冷式パネルを有し、水が、連続した循環路中を、パネルを通して継続的に循環される。
国際公開第９６／３１６２７号パンフレット

ハイスメルト法により、単一の小型容器で直接製錬によって溶融鉄などの大量の溶融金属を製造することが可能となる。これを達成するためには、直接製錬容器へ、および直接製錬容器から、大量の高温ガスを輸送すること、鉄含有供給材料などの大量の金属含有供給材料を容器に輸送すること、処理中に生じる大量の溶融金属生成物及びスラグを容器から排出すること、そして大量の水を水冷式パネルを通して循環させることといったすべてを比較的限られた領域内で行う必要がある。これらの機能は、望ましくは少なくとも１２ヶ月を超えて継続する長期間にわたる製錬作業中において終始継続されなければならない。また、立入り及び取り扱いを容易にし、製錬工程の合間における容器への立入り及び機器の持ち上げを可能にする必要がある。

直径（耐火用炉床の内径）６ｍの容器を用いた商業用ハイスメルト直接製錬プラントが、西オーストラリア州、クイナナに建設されている。このプラントは、ハイスメルト法を利用するように設計されており、容器内で年間８００，０００トンの溶融鉄を生産する。

そこで、本出願人は、ハイスメルト法を利用して年間１００万トンを超える溶融鉄を生産するための大型の商業用ハイスメルト直接製錬プラントを設計するための研究開発を行った。

本出願人は、ハイスメルト法のスケールアップにおいて多くの問題に直面したが、ハイスメルト直接製錬プラントのための代替デザインを作り出した。

本発明は、上述の商業用ハイスメルト直接製錬プラントの代替のデザインである直接製錬プラントに関するものである。

本発明の直接製錬プラントは、他の直接製錬処理の実行にも使用できる。

本発明によれば、溶融浴に基づく直接製錬法を使用して、金属含有供給材料から溶融金属を製造するための直接製錬プラントが提供される。この直接製錬プラントは、以下のものを含む。
（ａ）金属及びスラグの溶融浴並びにこの溶融浴の上方のガス空間を保持するための固定された直接製錬容器。直接製錬容器は、炉床および側壁を有し、側壁は、（ｉ）下側円筒領域、（ｉｉ）下側領域よりも直径の小さい上側円筒領域、および（ｉｉｉ）上側領域及び下側領域を相互連結させる遷移領域を含む。
（ｂ）容器から離れた固体供給材料の供給位置から容器内へ、金属含有供給材料および炭素含有材料を含む固体供給材料を供給するための固体供給組立体。
（ｃ）容器から離れた酸素含有ガスの供給位置から容器内へ酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給組立体。酸素含有ガス供給組立体は、（ｉ）容器の側壁の遷移領域の開口部を通って下向きに延在する、酸素含有ガスを容器に注入するための複数のガス注入ランスを有するガス注入組立体および、（ｉｉ）酸素含有ガスをガス注入組立体に送るための、容器から離れたガス供給位置から延在するガス給送ダクト組立体を有する。
（ｄ）容器からの排ガスの流出を促進させるための排ガス・ダクト組立体。
（ｅ）製錬工程中に溶融浴から溶融金属を出湯するための金属出湯組立体。
（ｆ）製錬工程中に溶融浴からスラグを出湯するためのスラグ出湯組立体。

ガス注入ランスの目的は、溶融浴から放出された一酸化炭素及び水素などの反応ガスを燃焼させるために酸素含有ガスを容器内に注入して、溶融浴に熱を戻すことである。

単一のランスではなく複数のガス注入ランスを使用することにより、同等のガス流量を送ることのできる単一のランスよりもサイズ及び重量の小さいランスを使用することが可能になる。したがって、より小さいランスを選択することにより、ランスの支持及び精錬工程中に必要となる場合のあるランスの取替えに関する構造的問題が低減される。８００，０００トンのハイスメルトプラント用の単一ガス注入ランスは重量が約５０トンであるが、２百万トンのハイスメルトプラント用の単一ランスは重量が約９０トンとなる。本明細書に記載した同等の複数ガス注入ランスは、それぞれの重量が約２０トンである。さらに、本出願人によって行われた研究では、複数ランスが、同等のガス流量を供給するより大きな単一のランスと同等の性能を有することが示される。

ガス注入ランスは、容器内へ注入される酸素含有ガスに旋回運動を起こさせるために、ランス構造の一部として内部旋回翼（スワラ）を備えることができる。しかし、内部旋回翼によりランスの複雑さとコストは増大するので、容器内へ酸素含有ガスを旋回運動させながら注入することは必須ではなく、好適には、ランスは、注入の時点で酸素含有ガスを旋回運動することなくガスの直接的な流れとして容器内へ注入する。本出願人によって行われた研究では、独立した複数の旋回を起こさせるランスは、同等のガス流量を送ることのできる同じサイズの複数の旋回を起こさせないランスと比較して熱伝達を発生させるための運動量が不足していることが示される。さらに、旋回を起こさせるランスではなく旋回を起こさせないランスを用いた直接製錬処理の利用が可能であることにより、ランスの構築における複雑さ及びコストが大幅に低減される。

任意の所与の状態にけるガス注入ランスの数の選択は、容器のサイズ及び構造を含む要因の範囲並びに容器内で行われる処理の作業上の要請に応じて決まる。本出願人によって行われた研究では、容器がハイスメルト法によって年間２百万トンの溶融金属を生産するように設計されている場合には、３個又は４個のランスが好適であることが示されている。

好ましくは、ガス注入ランスの位置は、容器内での処理中に形成される溶融材料の上向きに延在する、一般的には環状噴水である噴水に向けて酸素含有ガスを注入するように選択される。単一のランスではなく複数のランスを使用することは、噴水と酸素との、より詳細には、溶融浴から放出された噴水中の一酸化炭素及び水素などの可燃性ガスと酸素との相互作用を最大限にするという観点から好適である。

好ましくは、各ガス注入ランスは、ガスの流れを下向き且つ容器の中央鉛直中心から外向きに向けるように配置される。

好ましくは、各ガス注入ランスは、ガスの流れを容器の側壁に向かって下向き且つ外向きに向けるように配置される。ガス注入ランスをこのように配置することにより、上向きに流れる排ガスによる容器からの直接上方向の熱損失につながるような、反応ガスの燃焼が容器の中央領域へ集中することの危険性が低減される。

好ましくは、各ガス注入ランスは、容器内で下向きに向くように、および容器内の鉛直平面及び半径方向平面に対して角度がつくように配置され、それにより、ランスからのガス流の流れ方向が半径方向成分及び円周方向成分を有する。

好ましくは、各ガス注入ランスは、容器内で下向きに向くように配置され、ランスの軸線は、容器内の半径方向平面に対して４０〜８０°の角度で延在する垂直面内に配置され、且つランスの軸線は、水平面に対して４０〜８０°の角度で垂直面内に延在する。

好ましくは、各ガス注入ランスの出口端は、容器内で、容器の側壁の上側円筒領域の直径よりも大きい直径を有する仮想円の円周上に配置される。

好ましくは、容器内での各ガス注入ランスの位置は、
（ａ）ランスの先端が要求された位置にくるようにランスを鉛直方向に関して位置決めし、次いで、
（ｂ）ランスの先端を固定した状態で、先端と交差しており、さらに、ランスの先端と交差する半径方向平面に対して垂直である鉛直面上で、ランスを３０〜４０°、より好ましくは３５°枢動させ、次いで、
（ｃ）ランスの先端を固定した状態で、ランスを、半径方向平面に向かって外向きに、２５〜３５°、より好ましくは３０°回転させる
ことによって確定される。

好ましくは、遷移領域は円錐台形である。

好ましくは、ガス注入ランスのための複数のランス用開口部は、容器の同じ高さにあり、容器の側壁の周囲に等間隔で配置される。

好ましくは、金属含有材料は鉄鉱石を含む。

好ましくは、炭素含有材料は石炭を含む。

本発明を、例として添付の図面を参照して以下でより詳細に説明する。

図に示した直接製錬プラントは、国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７（ＷＯ９６／００１９７）に記載されたハイスメルト法によって金属含有材料を製錬するのに特に適している。

このプラントは、ハイスメルト法による金属含有材料の製錬のみに限定されない。

以下の説明は、ハイスメルト法による溶融鉄を製造するための微粉鉄鉱石の製錬に関するものである。

本発明は溶融鉄の製造に限定されず、任意の金属含有材料の直接製錬に及ぶものである。

以下の説明では、直接製錬プラントの直接製錬容器、並びに、容器に直接付随する固体注入ランス及びガス注入ランスなどの装置を対象とする。

直接製錬プラントは、容器の上流で容器への供給材料を処理するための装置及び容器で製造される製造物（溶融金属、溶融スラグ及び排ガス）を処理するための装置を含む他の装置をも有する。これらの他の装置は、本明細書では詳細には説明されない。なぜならば、これらは本発明の対象でないからである。しかし、これらはプラントの一部を形成する。これらの他の装置は本出願人名義の他の特許出願及び特許に記載されており、これらの特許出願及び特許の開示内容は、本明細書に相互参照によって援用される。

本発明の文脈において図面を参照すると、図面に示した直接製錬プラントの実施例の主な構成は、以下の通りである。
（ａ）金属及びスラグの溶融浴４１並びに溶融浴の上方のガス空間４３を収容するための固定された直接製錬容器３。
（ｂ）金属含有供給材料及び炭素含有材料を含む固体供給材料を容器内に供給するための、１２個の固体注入ランス５ａ、５ｂを有する固体供給組立体。
（ｃ）酸素含有ガスを容器に供給するための酸素含有ガス供給組立体。酸素含有ガス供給組立体は、
（ｃ）（ｉ）酸素含有ガスを容器内のガス空間及び／又は溶融浴に注入するための、４つのガス注入ランス７の形態のガス注入組立体、及び、
（ｃ）（ｉｉ）環状主回路９、並びに各々が各ガス注入ランス７に連結されており、さらに、酸素含有ガス、通常は空気又は酸素富化空気をガス注入ランス７に送るために環状主回路９とガス注入ランス７とを連結させる複数の部材４９とを有するガス給送ダクト組立体
を有する。
（ｄ）容器からの排ガスの容器から離れようとする流れを促進するための２つの排ガス・ダクト１１を有する排ガス・ダクト組立体。

図１、図２及び図１０を参照すると、直接製錬プラントは、さらに、八角形形状の外側周縁部９１を形成するように一体に組み立てられた鋼梁で形成される上部構造体８９、八角形形状の内側周縁部９３、及び周縁部梁を相互連結させる一連の横材９５を有するという点に気づくであろう。上部構造体８９は、吊り手（図示せず）によりガス給送ダクト組立体の環状主回路９を支持する。上部構造体は、容器３の異なる高さにおいて作業者が容器３に入ることを可能にする複数のプラットフォーム（図示せず）も有する。

容器３は、（ａ）耐火煉瓦により形成された基部２１及び側部２３を含む炉床、（ｂ）炉床から上向きに延在する側壁２５、及び、（ｃ）皿型の屋根２７を有する。この文脈における容器３のサイズについては、年間２百万トンの溶融鉄を生産するように設計された容器３では、直径（内径）が約８ｍの炉床が必要である。

容器３の側壁２５は、容器が、（ａ）下側円筒領域２９、（ｂ）下側領域２９よりも直径の小さい上側円筒領域３１、及び、（ｃ）２つの領域２９、３１を相互連結させる円錐台形領域３３を有するように形成される。

以下の説明及び図面から、容器の側壁２５の３つの領域２９、３１、３３が側壁２５を３つの別個のゾーンに分割していることは明白である。下側領域２９は固体注入ランス５ａ、５ｂを支持する。円錐台形領域３３はガス注入ランス７を支持する。最後に、上側領域３３は実際には、排ガスが容器を離れる排ガスチャンバである。

容器３の側壁２５及び屋根２７は複数の水冷式パネル（図示せず）を支持しており、プラントは冷却水循環路を有している。図５を参照すると、上側領域３３は単一の鋼パネルを有しており、下側領域２９は二重の鋼パネルを有している。冷却水循環路は水冷式パネルに水を供給しさらにそこから加熱水を除去し、その後、水冷式パネルに水を戻す前に加熱水から熱を取り除く。

容器３の側壁２５の円錐台形領域３３は、ガス注入ランス７のための開口部３５を有する。ランス７は開口部３５を通って延在する。ランス用開口部３５は取り付け用フランジ３７を有しており、ランス７は、このフランジ３７に取り付けられて支持される。ランス用開口部３５は、容器３の同じ高さにあり、容器３の側壁２５の周囲に等間隔で配置される。

図５を参照すると、ハイスメルト法により微粉鉄鉱石を製錬して溶融鉄を製造するために容器３を使用する場合、容器３は、容器３の炉床内に収容される溶融鉄の層（図示せず）及び金属層２２上の溶融スラグの層（図示せず）を含む鉄及びスラグの溶融浴４１を含む。図５に示す溶融浴４１は、静止状態（すなわち、容器３内への固体及びガスの注入がない状態）にある。通常、年間２百万トンの溶融鉄を生産するために容器３内でハイスメルト法を操業する場合、容器３は、５００トンの溶融鉄及び７００トンの溶融スラグを収容する。

図３及び図４を参照すると、容器３は、容器内部の張替え又は他の保守管理のために容器１１の内部へ入ることを可能にするために、炉床の側部２３に２つの点検口４５をさらに有する。

点検口４５は鋼板の形態であり、側部２３に溶接されている。容器３の内部への立入りが必要なときは鋼板を炉床の側部２３から切り離し、容器３内での作業が完了した後、代わりの板をその位置に溶接する。点検口４５は容器３の同じ高さ位置にある。点検口４５は、容器３の周囲で少なくとも９０°離間して配置される。このように離間していることにより、容器が高温のうちに、耐火壁解体機器が点検口４５を通して容器内まで伸びて、耐火物で内張りされた側壁の耐火物のかなりの部分を解体することが可能となる。さらに、点検口４５は、ボブ・キャット（ｂｏｂ−ｃａｔ）又は類似の機器が容器３内部に入るのに十分な大きさであり、通常は直径が２．５ｍである。

図３を参照すると、容器３は、容器３の内部の張替え又は他の保守管理のために容器１１の内部に入るのを可能するために、容器３の屋根２７に同様の点検口４７をさらに有する。

使用中は、ガス注入組立体の４つのガス注入ランス７が、還元容器１１からある程度の距離を隔てて配置された高温ガス供給ステーション（図示せず）から高温の酸素富化空気の衝風を注入する。高温ガス供給ステーションは一連の高温ガス加熱炉（図示せず）及び酸素設備（図示せず）を有しており、酸素富化空気流れが、高温ガス加熱炉を通って、環状主回路９に連結されている高温ガス給送ダクト５１（図２及び１１）まで通過することが可能である。別法として、空気流れを加熱炉で加熱した後に酸素を空気流れに追加してもよい。

ガス注入ランス７の目的は、十分な流量の高温の酸素富化空気を十分な速度で注入することであり、それにより、ハイスメルト法の一環として、熱空気が、容器３内で上向きに発射される通常は環状噴水である溶融金属及びスラグの噴水を貫通し、高温の酸素富化空気が、溶融浴から放出された噴水中の二酸化炭素及び水素などの可燃性ガスを燃焼させる。可燃性ガスの燃焼により熱が発生し、この熱は、溶融金属及びスラグが溶融浴に戻るために下向きに移動する際に、溶融浴に伝達される。

ガス注入ランス７は、基本的な構成の単純な注入ランスであり、ランスを通って流れる酸素富化空気に旋回を加えるための旋回翼を有していない。上記に示したように、本出願人の研究により、旋回なしで作動するガス注入ランス７は旋回を有して作動するランスと同等の性能を達成することができることが分かった。

ガス注入ランス７は、容器３の側壁２５の円錐台形領域３３を通って容器３の上側領域まで下向きに延在する。ランス７は、円錐台形領域３３の周りに等間隔で配置され、それらの高さは同じである。ランス７は、側壁２５の下側領域２９に向かって熱空気を注入するために、下向き且つ外向きに延在するように配置される。酸素含有ガスが容器の側壁２５に接触することは望ましくないという点（容器の寿命という観点からは、燃焼によって発生する側壁での高い温度は望ましくない）に留意することが重要である。したがって、ランス７は、ランス７の先端５３が水平の円を指すように配置される。

また、上述した、酸素含有排ガスの下向き及び外向きの注入は、図５で符号１３９により全体として示される容器の中央鉛直中心でのＣＯなどの反応ガスの燃焼を回避するという観点から望ましく、それにより、排ガス・ダクト１１からの排ガスによる熱損失が回避される。

図３に最もよく示すように、ガス給送ダクト組立体の環状主回路９は、容器３の上方に配置される円形ダクトである。上述したように、環状主回路９は高温ガス給送ダクト５１に連結され、このダクト５１から酸素富化空気を受け取る。

環状主回路９は４つの出口６５を有する。

ガス給送ダクト組立体の連結部材４９が、環状主回路９とガス注入ランス７とを一体に連結する。

各ガス注入ランス７用の高温接続部材４９は、ランス７の入口端部から延在するスプール６１と、一方の端部がスプール６１に連結されておりさらに他方の端部が環状主回路９の出口６５に連結されている拡張ジョイント６３とを有する。

使用中は、ガス注入ランス７は、環状主回路９を介して、さらには、ランス７を環状主回路９に連結させる連結部材４９を介して、高温の酸素富化空気流れを受け取る。環状主回路９は、それぞれのランス７に同じ流量の熱空気を送る。

図６及び図８を参照すると、容器３内での各ガス注入ランス７の位置は、理論的に、
（ａ）ランス７の先端５３が要求された位置（図６及び図８において像５５によって示される）にくるようにランス７を鉛直方向に関して位置決めし、次いで、
（ｂ）ランスの先端５３を固定した状態で、ランスの先端５３と交差しており、さらに、ランスの先端３５と交差する半径方向平面に対して垂直である鉛直面上で、ランスを３５°枢動させ、次いで、
（ｃ）ランスの先端５３を固定した状態で、ランスを半径方向平面に向かって外向きに３０°回転させる
ことによって確定できる。

ガス注入ランス７は、容器３から取り外しができるように配置される。

具体的には、スプール６１および付随の連結部材４９の拡張ジョイント６３を各ランス７及び環状主回路９から分離させ、さらにその後、側壁２５の円錐台形領域３３にあるランス用開口部３５の取り付け用フランジ３７からランス７を取り外し、さらにその後、ランス７を天井クレーン（図示せず）に接続して開口部３５からランス７を上向きに持ち上げることにより、各ランス７を抜き取ることができる。

交換用ランス７は、前の段落で説明した手順の逆の手順により容器３内に挿入できる。

固体供給組立体の１２個の固体注入ランス５ａ、５ｂは、容器３の側壁２５の下側領域２９の側壁２５にある開口部（図示せず）を通って、溶融浴４１のスラグ層（図示せず）まで下向き且つ内向きに延在する。ランス５ａ、５ｂは、ランスの先端が仮想の水平円の点になるように配置される。側壁２５は取り付け用フランジ６９を有しており、ランス５ａ、５ｂはフランジ６９に取り付けられて支持される。

図７及び図９を参照すると、固体注入ランス５ａ、５ｂは、（ａ）微粉鉄鉱石及びフラックスを容器３に注入するための８つのランス５ａ、及び、（ｂ）固体炭素含有材料及びフラックスを容器３に注入するための４つのランス５ｂを有する。

固体材料は酸素欠乏搬送ガスにより運ばれる。すべてのランス５ａ、５ｂは外径が同じであり、容器３の同じ高さのところに配置される。ランス５ａ、５ｂは側壁２５の下側領域２９の円周の周りに等間隔で配置され、且つ、鉄鉱石注入ランス５ａが対になって配置され、石炭注入ランス５ｂが鉄鉱石注入ランス５ａと隣接して各対を分離するように配置される。高温の鉄鉱石を容器に注入するための鉄鉱石ランス５ａを対にすることにより、容器周りの配管アクセス問題が低減される。

使用中、鉄鉱石注入ランス５ａは、高温鉱石注入システムを介して高温の微粉鉄鉱石及びフラックスを受け取り、石炭注入ランス５ｂは、製錬工程中に炭素含有材料注入システムを介して石炭及びフラックスを受け取る。

図９を参照すると、高温鉱石注入システムは、微粉鉄鉱石を加熱するための予熱器（図示せず）、および高温鉱石搬送システムを有している。高温鉱石搬送システムは、一連の主供給ライン７３、および鉄鉱石注入ランス５ａの各対のための、供給ライン７１、７３内の高温微粉鉱石を搬送し、さらに６８０℃程度の温度で容器３に高温微粉鉱石を注入する搬送ガスの供給のための複数の対の分岐供給ライン７５を含む。

図９を参照すると、炭素含有材料／フラックス注入システムが、各石炭注入ランス５ｂのための単一の供給ライン７７を有する。

石炭供給ライン７５の外径は、一般的には、高温鉱石分岐ライン７５の外径の４０〜６０％よりも小さい。ランス５ａ、５ｂの内径は同じであることが好ましいが、高温鉱石供給ライン７５及び高温鉱石分岐ライン７７を離隔する必要があることにより、ランスの外径は著しく増大する。一般的には、高温鉱石分岐ライン７５は、４００〜６００ｍｍの範囲で同じ外径を有し、石炭供給ライン７７は、１００〜３００ｍｍの範囲で同じ外径を有する。具体的な一実施例では、高温鉱石分岐ライン７５は５００ｍｍの外径を有し、石炭供給ライン７７は２００ｍｍの外径を有する。

固体注入ランス５ａ、５ｂは、容器３から取り外しできるように配置される。

具体的には、固体供給組立体は、容器からランスを取り外す間および容器３内に交換用ランスを挿入する間に、各固体注入ランス５ａ、５ｂを支持するための組立体を有する。各ランス５ａ、５ｂのためのこの支持組立体は、容器３の側壁２５から上向き且つ外向きに延在する延長通路（図示せず）と、通路に沿って移動可能である運び台（図示せず）と、通路に沿って運び台を移動させるように作動可能である運び台駆動装置（図示せず）とを有しており、運び台は、ランスが通路上で支持されさらに運び台駆動装置の作動により上向き並びに下向きに移動しさらにそれにより容器３から抜き取られることを可能にするために、ランス５ａ、５ｂに連結可能である。支持組立体は、本出願人名義の国際出願ＰＣＴ／２００５／００１１０１及びＰＣＴ／ＡＵ２００５／０１１０３に記載されており、この国際出願の開示内容は、本明細書に相互参照によって援用される。

上述の説明から明らかなように、直接製錬プラントは、４つのガス注入ランス７及び１２個の固体注入ランス５ａ、５ｂを含む１６個のランスの取外し及び取替えに対応している。容器３は比較的小型の容器である。容器３のこのコンパクトさ、並びに、容器３に対する環状主回路９及びガス・ダクト１１の位置により、ランス７、５ａ、５ｂの取外し及び取替えに対して厳しい空間的制約が課される。

図１０を参照すると、ランス７、５ａ、５ｂの取外し及び取替えを容易にするために、直接製錬プラントは、鉛直に延在する複数の天井クレーン入口領域９７ａ、９７ｂを有する。

入口領域９７ａは、環状主回路９の外側であり上部構造体８９の外側周縁部９１の内側にある。１２個の固体注入ランス５ａ、５ｂに対応して、合計で１２の入口領域９７ａが存在する。入口領域９７ａは、固体注入ランス５ａ、５ｂの取外し及び取替えを可能にする。

入口領域９７ｂは環状主回路９の内側にある。４つのガス注入ランス７に対応して、合計で４つの入口領域９７ｂが存在する。入口領域９７ｂは、ガス注入ランス７の取外し及び取替えを可能にする。

排ガス・ダクト組立体の排ガス・ダクト１１の対により、容器３内で作用するハイスメルト法により発生する排ガスが、大気に放出される前に下流で処理されるために容器３から流れ出ることが可能になる。

上で示したように、ハイスメルト法は、空気又は酸素富化空気を用いて操業することが好ましく、それにより、かなりの量の排ガスが発生することから、直径が比較的大きい排ガス・ダクト１１が必要となる。

排ガス・ダクト１１は、側壁２５の上側領域３１から、水平面に対して７°の角度で延在する。

図１１及び図１２で最もよく示すように、排ガス・ダクト１１は、容器３の上方から見た場合にＶ形を示す。排ガス・ダクト１１の長手方向軸線Ｘ同士は、６６．３２°の角度を形成する。排ガス・ダクトは、ダクト１１の中心軸線Ｘが互いに交差するように、容器３の中心鉛直軸線１０５から延在する半丙方向線Ｌ上の点１０１と交差するように配置される。言い換えると、排ガス・ダクト１１の軸線Ｘは、容器３の中心鉛直軸線１０５からの半径方向線ではない。

図１及び図２を参照すると、直接製錬プラントは、容器３からの排ガスを冷却するために各排ガス・ダクト１１に連結している個別の排ガス・フード１０７を有する。排ガス・フード１０７は、排ガス・ダクト１１の出口端から鉛直方向上向きに延在する。排ガス・フード１０７は、フードを通過する水／蒸気との熱交換によって容器３からの排ガスを９００〜１１００℃程度の温度まで冷却する。

図１及び図２をさらに参照すると、直接製錬プラントは、冷却された排ガスから粒子状物質を除去するために各排ガス・フード１０７に連結された個別の排ガス洗浄装置（スクラバ）１０９も有する。さらに、各排ガス・フード１０７は、排ガス・フード１０７を通る容器からの排ガスの流れを制御する流量制御バルブ（図示せず）に連結されている。流量制御バルブは排ガス洗浄装置１０９と一体であってもよい。

図１及び図２をさらに参照すると、直接製錬プラントは、両方の排ガス洗浄装置１０９に連結された単一の排ガス冷却器１１１も有する。使用中は、排ガス冷却器１１１は、両方の排ガス・スクラバ１０９からの洗浄された排ガス流れを受け取り、その排ガスを２５〜４０℃程度の温度まで冷却する。

使用中は、排ガス冷却器１１１からの冷却された排ガスは必要に応じて処理される。例えば、排ガスから化学エネルギーを回収するために加熱炉（図示せず）又は廃熱ボイラ（図示せず）で燃料ガスとして使用されることによって処理され、その後、きれいな排ガスとして大気中に放出される。

直接製錬プラントは、容器３から継続的に溶融鉄を出湯するために、前炉１３を含む金属出湯組立体も有する。製錬作業中に製造された溶銑は、前炉１３及び前炉１３に連結された溶銑樋（図示せず）通って容器３から放出される。溶銑樋の出口端は、溶銑取鍋ステーション（図示せず）の上方に配置され、ステーションに置かれた下方の取鍋に溶融金属を供給する。

直接製錬プラントは、製錬作業の終了時に容器３から溶融鉄を容器３の下側部分の外に向けて出湯してさらにその溶融金属を容器３から離れたところへ搬送するために、最終金属出湯組立体１５をも有する。最終金属出湯組立体は、容器３内に複数の最終金属出湯穴１５を有する。

直接製錬プラントは、製錬工程中に容器３から溶融スラグを定期的に容器の下側部分から出湯してさらにそのスラグを容器３から離れたところへ搬送するために、スラグ出湯組立体をも有する。スラグ出湯組立体は、容器３内に複数のスラグ用ノッチ１７を有する。

直接製錬プラントは、製錬工程の終了時に容器３からスラグを排出するためのスラグ最終出湯組立体をも有する。スラグ最終出湯組立体は、容器３内に複数のスラグ出湯穴１９を有する。

ハイスメルト法による製錬工程では、微粉鉄鉱石及び適当な搬送ガス、並びに石炭及び適当な搬送ガスが、ランス５ａ、５ｂを通して溶融浴に注入される。固体材料及び搬送ガスの運動量により、固体材料が溶融浴４１の金属層を貫通する。石炭から揮発分が除去され、それによって金属層内にガスが発生する。炭素は、一部が金属に溶解し、一部が固体炭素として残る。

微粉鉄鉱石は製錬されて溶融鉄になり、製錬反応により一酸化炭素が発生する。溶融鉄は、前炉１３を介して容器３から継続的に除去される。

溶融スラグは、スラグ用ノッチ１７を介して容器３から定期的に除去される。

金属層内に搬送され揮発及び製錬反応によって発生したガスは、（固体／ガス／注入の結果として金属層の中に引き込まれた）溶融金属、固体炭素及びスラグの、金属層からの浮力による顕著な浮揚を引き起こし、それにより、溶融金属及びスラグの飛沫、液滴及び流れの上昇運動が起こり、これらの飛沫、液滴及び流れがスラグ層を通過するときにスラグを巻き込む。浮力による溶融金属、固体炭素及びスラグの浮揚は、スラグ層に相当の攪拌を引き起こし、その結果、スラグ層の体積が膨張する。さらに、浮力による溶融金属、固体炭素及びスラグの浮揚によって引き起こされた溶融金属及びスラグの飛沫、液滴及び流れの上昇運動は、溶融浴の上方の空間まで達し、上述した噴水を形成する。

ガス注入ランス７を介して酸素含有ガスを噴水内に注入することにより、容器３内で一酸化炭素や水素などの反応ガスが後燃焼する。後燃焼によって発生した熱は、溶融材料が溶融浴内に落ちて戻ったときに溶融浴に伝達される。

容器３内での反応ガスの後燃焼により発生する排ガスは、排ガス・ダクト１１を通って容器３から排出される。

上述した本発明の実施例は、本発明の原理及び範囲から逸脱することなく多くの修正を行うことが可能である。

例として上述の実施例は２つの排ガス・ダクト１１を含むが、本発明はこの数の排ガス１１に限定されず、任意の適当な数の排ガス・ダクト１１にまで及ぶ。

また、上述の実施例は、ガス注入ランス７に酸素含有ガスを送るための環状主回路９を含むが、本発明はこの構成に限定されず、任意の適当なガス給送組立体にまで及ぶ。

また、上述の実施例は、４つのガス注入ランス７を含むが、本発明はこの数及びこの構成のランス７に限定されず、任意の適当な数及び構成のランス７にまで及ぶ。

また、上述の実施例は、８つのランス５ａが対になって配置される鉄鉱石注入ランスであり、残りの４つのランス５ｂが石炭注入ランスである、１２個の固体注入ランス５ａ、５ｂを含むが、本発明はこの数及び構成のランス５ａ、５ｂに限定されない。

また、上述の実施例は、容器３から継続的に溶融鉄を出湯するための前炉１３を含むが、本発明は、前炉を使用すること並びに溶融鉄を継続的に出湯することに限定されない。

本発明による直接製錬プラントの一実施例の一部を形成する、直接製錬容器及び排ガス・ダクトシステムの一部分を示す、一方向からの斜視図。 本発明による直接製錬プラントの一実施例の一部を形成する、直接製錬容器及び排ガス・ダクトシステムの一部分を示す、別の一方向からの斜視図。 容器の斜視図。 容器の側面図。 容器の内部にある耐火煉瓦の配置を示す、容器の側面図。 容器の固体注入ランス及び熱空気注入ランスの配置を示す、容器の側面図。 図６の線Ａ−Ａに沿った断面図。 図６の線Ｂ−Ｂに沿った断面図。 容器内の固体注入ランスの配置を示す図。 容器からの固体注入ランス及び熱空気注入ランスのための抽出及び挿入エンベロープを示す、容器の選択された構成要素の概略上面図。 容器の上面図。 排ガス・ダクト及び熱空気衝風送出システムを取り外した状態の容器の上面図。

Claims (11)

1. 溶融浴に基づく直接製錬法を使用して金属含有供給材料から溶融金属を製造するための直接製錬プラントにおいて、
   （ａ）金属及びスラグの溶融浴並びに前記溶融浴の上方のガス空間を保持するための固定された直接製錬容器であって、炉床と、（ｉ）下側円筒領域、（ｉｉ）前記下側円筒領域よりも直径の小さい上側円筒領域、および（ｉｉｉ）前記上側円筒領域及び下側円筒領域を相互連結させる遷移領域を含む側壁とを有する直接製錬容器と、
   （ｂ）前記直接製錬容器から離れた固体供給材料の供給位置から前記直接製錬容器内へ金属含有供給材料および炭素含有材料を含む固体供給材料を供給して溶融材料からなる環状噴水を形成するための固体供給組立体と、
   （ｃ）前記直接製錬容器から離れた酸素含有ガスの供給位置から前記直接製錬容器内へ酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給組立体であって、（ｉ）前記直接製錬容器の前記側壁の前記遷移領域の開口部を通って下向きに延在して、前記酸素含有ガスを前記直接製錬容器のガス空間に注入するための複数のガス注入ランスを有するガス注入組立体であって、各ガス注入ランスは前記直接製錬容器の前記側壁の下部に向けて、下向きかつ前記直接製錬容器の中央鉛直中心から外向きに、前記酸素含有ガスの流れを向けるように配置されたガス注入組立体と、（ｉｉ）前記酸素含有ガスを前記ガス注入組立体に送るための、前記直接製錬容器から離れたガス供給位置から延在するガス給送ダクト組立体とを有する酸素含有ガス供給組立体と、
   （ｄ）前記直接製錬容器からの排ガスの流出を促進させるための排ガス・ダクト組立体と、
   （ｅ）製錬工程中に前記溶融浴から溶融金属を出湯させるための金属出湯組立体と、
   （ｆ）製錬工程中に前記溶融浴からスラグを出湯させるためのスラグ出湯組立体と
   を有する直接製錬プラント。
2. 各ガス注入ランスが、前記直接製錬容器内で下向きに向き、前記直接製錬容器内の半径方向平面及び該半径方向平面に対して垂直である鉛直面に対して角度をつけるように配置され、それにより、前記ランスからのガス流の流れ方向が半径方向成分及び円周方向成分を有する、請求項１に記載された直接製錬プラント。
3. 各ガス注入ランスが、前記直接製錬容器内で下向きに配置され、前記各ガス注入ランスの軸線が、前記直接製錬容器内の半径方向平面に対して４０〜８０°の角度で延在する鉛直面内に配置され、前記各ガス注入ランスの軸線が、水平面に対して４０〜８０°の角度で前記鉛直面内に延在する、請求項１に記載された直接製錬プラント。
4. 各ガス注入ランスの出口端が、前記直接製錬容器内で、前記直接製錬容器の前記側壁の前記上側円筒領域の直径よりも大きい直径を有する仮想の円の円周上に配置される、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された直接製錬プラント。
5. 前記直接製錬容器内での各ガス注入ランスの位置が、
   （ｉ）前記各ガス注入ランスを鉛直方向に関して位置決めし、次いで、
   （ｉｉ）前記各ガス注入ランスの先端を固定した状態で、前記先端と交差しており、前記ランスの先端と交差する半径方向平面に対して垂直である鉛直面上で、前記各ガス注入ランスを３０〜４０°枢動させ、次いで、
   （ｉｉｉ）前記各ガス注入ランスの先端を固定した状態で、前記各ガス注入ランスを、前記半径方向平面に向かって外向きに、２５〜３５°回転させる
   ことによって確定される、請求項１に記載された直接製錬プラント。
6. 前記（ｉｉ）段階で、前記各ガス注入ランスを３５°枢動させる、請求項５に記載された直接製錬プラント。
7. 前記（ｉｉｉ）段階で、前記各ガス注入ランスを、前記半径方向平面に向かって外向きに、３０°回転させる、請求項５または請求項６に記載された直接製錬プラント。
8. 前記遷移領域が円錐台形である、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された直接製錬プラント。
9. 前記ガス注入ランスのための複数のランス用開口部が、前記直接製錬容器の同じ高さにあり、前記直接製錬容器の前記側壁の周囲に等間隔で配置される、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された直接製錬プラント。
10. 前記金属含有材料が鉄鉱石を含む、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載された直接製錬プラント。
11. 前記炭素含有材料が石炭を含む、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された直接製錬プラント。

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