JP6654133B2 - 固形物注入ランス - Google Patents

Description

本発明は、固形物注入ランスによる固形物供給材料の注入に関する。

本発明は、他を排除するわけでは決してないが、特に、固形物の金属含有材料、通常高温の固形物の金属含有材料と、固形物の炭素質材料、通常常温の固形物の炭素質材料との、固形物注入ランスを通しての注入に関する。

本発明は、他を排除するわけでは決してないが、特に、固形物の金属含有材料、通常高温の固形物の金属含有材料と、固形物の炭素質材料、通常固形物の炭素質材料との何れかまたは両者から選択される固形物の供給材料の、固形物注入ランスを通しての直接製錬容器の中への注入に関する。この直接製錬容器は、例えば鉄のような溶融金属を、直接製錬プロセスにおいて製造するための溶融浴に基づく直接製錬容器である。

既知の溶融浴に基づく製錬プロセスは、一般的に「ＨＩｓｍｅｌｔ」プロセスと呼称され、当出願人の名前によるかなり多数の特許および特許出願に記載されている。

ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは、一般的に金属含有材料の製錬に適用可能であるが、特に、鉄鉱石または他の鉄含有材料からの溶融鉄の製造に関係している。

溶融鉄の製造に関して、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは次のステップを含む。すなわち、
（ａ）直接製錬容器の主チャンバ内に溶融鉄およびスラグの浴を形成するステップと、
（ｂ）溶融浴の中に、（ｉ）通常微粉末の形態の鉄鉱石と、（ｉｉ）鉄鉱石供給材料の還元剤およびエネルギー源として作用する固形物の炭素質材料、通常石炭とを注入するステップと、
（ｃ）浴中において鉄鉱石を鉄に製錬するステップと、
を含む。

本明細書において、「製錬（ｓｍｅｌｔｉｎｇ）」という用語は、溶融金属を製造するために金属酸化物を還元する化学反応が生起する熱的な処理を意味すると理解される。

ＨＩｓｍｅｌｔプロセスにおいては、金属含有材料（予熱することができる）および炭素質材料および任意選択でフラックス材料の形の固形物の供給材料が、搬送ガスと共に、数本の水冷の固形物注入ランスを通して溶融浴の中に注入される。この固形物注入ランスは、固形物の供給材料の少なくとも一部分を主チャンバの底部にある金属層の中に供給するために、製錬容器の主チャンバの側壁を通して、容器の下部領域の中に下向きかつ内向きに延びるように、垂直線に対して傾けられている。固形物の供給材料および搬送ガスは、溶融浴の中に貫入し、溶融金属および／またはスラグを浴表面の上部の空間の中に飛散させて、遷移領域を形成する。溶融浴から放出される反応ガスを容器の上部領域において後燃焼させるために、酸素含有ガスの送風、通常、酸素富化空気または純酸素が、容器の主チャンバの上部領域の中に下向きに延びるランスを通して注入される。遷移領域においては、上昇し、その後下降する溶融金属および／またはスラグの好ましい一団の液滴または飛沫または流れが存在し、この一団が、浴上部における反応ガスの後燃焼によって発生する熱エネルギーを浴に伝達する効果的な媒体になる。

通常、溶融鉄製造の場合に、酸素富化空気が使用される時には、酸素富化空気は、熱風炉で生成され、１２００℃程度の温度で容器の主チャンバの上部領域の中に供給される。工業等級の冷酸素を使用する場合には、工業等級の冷酸素は、通常、主チャンバの上部領域の中に大気温度またはそれに近い温度で供給される。

製錬容器内の反応ガスの後燃焼から生じるオフガスは、製錬容器の上部領域から、オフガスダクトを通して取り出される。

製錬容器は、金属含有材料を製錬するための主チャンバと、容器からの金属製品の連続的な流出を可能にする前炉接続部を介して主チャンバに接続される前炉とを含む。主チャンバは、下部炉床の耐火物内張り部分と、側壁における水冷パネルと、主チャンバの屋根とを含む。水は、連続的にパネルを通して連続回路において循環される。前炉は、溶融金属充満サイホンシールとして運転され、溶融金属が製造されると、余剰の溶融金属を製錬容器から自然に「溢流（ｓｐｉｌｌｉｎｇ）」させる。これによって、製錬容器の主チャンバ内の溶融金属の液位を知ることができ、かつ液位を小さい許容誤差内に制御できる。これは、プラントの安全にとって必須である。

ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは、大量の溶融鉄、通常少なくとも０．５Ｍｔ／ａの溶融鉄を単一の小型の容器における製錬によって製造することを可能にする。

このようなレベルの製造量を可能にするためには、大量の固形物の金属含有材料および固形物の炭素質材料を容器に供給しなければならない。

本発明は、固形物の金属含有材料と、固形物の炭素質材料と、場合によっては固形物のフラックス材料とを直接製錬容器の中に同時注入する効率的かつ確実な方法を提供する。

本発明は、また、固形物の金属含有材料と、固形物の炭素質材料と、場合によっては固形物のフラックス材料とを直接製錬容器の中に同時注入するための効率的かつ確実な固形物注入ランスを提供する。

本発明は、さらに、固形物の金属含有材料と、固形物の炭素質材料と、場合によっては固形物のフラックス材料とを直接製錬容器に供給するための効率的な装置およびプロセスを提供する。

上記の記述は、オーストラリアまたは他国における共通の一般的知識を容認するものと解釈されるべきではない。

本発明は、固形物の供給材料を、固形物の注入ランスを通して注入する方法であって、流路に沿って流れる供給材料の少なくとも一部分が、流路を画定する管の壁面と、流路の中心部分に沿って流れる供給材料との間に緩衝区域を形成するように、ランスの注入流路内に流れの条件を作出するステップを含む方法である。

本発明は、また、上記の緩衝区域を作出することが可能な固形物注入ランスである。

緩衝区域用の固形物の供給材料を適切に選択することによって、管の摩耗および／または熱衝撃を最少化できる。この管の摩耗および／または熱衝撃は、拡張されたキャンペイン期間にわたって固形物注入ランスの効率的かつ確実な運転を提供するという観点から見ると、重大な問題になる可能性があるのである。

固形物の供給材料は任意の適切な材料とすることができる。

固形物の供給材料は金属含有材料を含むことができる。

固形物の供給材料は金属含有材料および炭素質材料を含むことができる。

固形物の供給材料は、金属含有材料と炭素質材料とフラックス材料とを含むことができる。

本発明は、金属含有材料および炭素質材料がランスを経由して注入される場合に拡大される。例えば、緩衝区域の材料は、炭素質材料のみ、または炭素質材料と金属含有材料との混合物とすることができる。中心部分の材料は、金属含有材料、または炭素質材料と金属含有材料との混合物とすることができる。通常、中心部分の材料は、主として、すなわち７０重量％より多くが金属含有材料である。炭素質材料は常温、金属含有材料は高温とすることができる。金属含有材料が鉄鉱石の場合は、鉄鉱石は少なくとも５００℃とすることができる。炭素質材料および金属含有材料は常温とすることができる。

本発明は、金属含有材料のみがランスを経由して注入される場合にも拡大される。緩衝区域における金属含有材料は、流路の中心部分における金属含有材料と異なるものでもよい。例えば、緩衝区域の材料は微粉末の材料とすることができ、中心部分の材料は、より大きな粒子サイズの材料、例えば顆粒状の材料とすることができる。緩衝区域の材料は常温とすることができ、中心部分の材料は高温材料とすることができる。金属含有材料が鉄鉱石である場合、鉄鉱石は少なくとも５００℃とすることができる。緩衝区域の材料および中心部分の材料は常温とすることができる。

本発明は、フラックス材料が炭素質材料と共に注入される場合にも拡大される。

本発明は、上記３段落に記述される場合に限定されない。

本発明の以下の記述は、金属含有材料および炭素質材料の同時注入に焦点が合わされているが、上記の段落から理解されるように、本発明は、これらの材料の同時注入に限定されない。

金属含有材料との接触による管の摩耗が主要な考慮因子で、管の熱衝撃が二次的な考慮因子である場合は、緩衝区域に炭素質材料がある方が有利である。通常、炭素質材料の摩耗性の方が金属含有材料のそれより低いからである。

管の熱衝撃が主要な考慮因子で、管の摩耗は二次的な考慮因子である場合は、緩衝区域における供給材料が、ランスの中心部分における供給材料の温度に比べて相対的に低温度（好ましくは常温）の材料または相対的に低温度の材料の混合物を含むことが重要な考慮因子になる。従って、緩衝区域の材料の選択は、すべて好ましくは常温の炭素質材料と、金属含有材料と、炭素質材料および金属含有材料の混合物との何れか１つ以上を含むことができる。

緩衝区域は連続区域とすることができる。

緩衝区域は均等な厚さとすることができる。

実際的な観点からは、緩衝区域は連続区域でなくてもよく、均等な厚さでなくてもよい点が指摘される。しかし、この場合においても、緩衝区域が存在しない場合に比べると、緩衝区域は（供給材料の選択に応じて）摩耗および／または熱衝撃の問題を緩和するであろう。

また、最終的には、供給材料が流路に沿って流れるに連れて、緩衝区域および流路の中心部分における供給材料が混合し、結局は、流路に沿って流れる供給材料の均等な混合物が生じることが指摘される。

この方法は、緩衝区域が、流路内に流れる材料を加速する管の部分におけるベンチュリ管のテーパ化された部分の長さに少なくとも部分的に沿って広がるように、緩衝区域を形成するステップを含むことができる。

この方法は、緩衝区域が、ベンチュリ管のテーパ化された部分の全長に沿って広がるように、緩衝区域を形成するステップを含むことができる。

この方法は、緩衝区域が、ベンチュリ管のテーパ化された部分と、そのテーパ化された部分の前方との全長に沿って広がるように、緩衝区域を形成するステップを含むことができる。

基本的には、この方法は、緩衝区域が、管の必要長さに沿って広がって、高い摩耗または熱衝撃を受ける管の部分を遮蔽するように緩衝区域を形成するために、運転条件を選択するステップを含むことができる。

この方法は、流路に沿う金属含有材料の流れを確立して、別の供給材料の流れを、流路に沿う金属含有材料の動きの方向に対して横方向に、通常垂直に、流路の中に供給し、それによって、金属含有材料の流れが、上記別の供給材料の流れを、緩衝区域を形成するように流路の中に方向転換させるステップを含むことができる。

上記別の供給材料は、炭素質材料のみ、金属含有材料のみ、または、炭素質材料および金属含有材料を含む混合物とすることができる。この混合物はフラックス材料を含むことができる。

本発明は、さらに、固形物の金属含有材料と、固形物の炭素質材料とを注入する方法を提供する。この方法は、固形物の金属含有材料を、金属含有材料の流入口を経由して、ランスの後端部から前端部に延びる流路の中に注入して、ランスに沿う金属含有材料の流れを作出するステップと、固形物の炭素質材料を、炭素質材料の流入口を経由して、流路に対する金属含有材料の流入口の下流側で、流路の中に注入するステップであって、その注入を、炭素質材料の少なくとも一部分が、流路を画定する管の壁面と、流路に沿って流れる金属含有材料との間の緩衝区域を形成するように実施するステップとを含む。

本発明は、また固形物注入ランスを提供する。この固形物注入ランスは、管であって、その管を通って注入されるべき固形物の供給材料用の流路を画定する管を含み、かつ、その後端部における固形物の供給材料用の流入口と、固形物の供給材料用の別個の流入口であって、流路に沿う供給材料の動きの方向の上記後部流入口の下流側の管の壁面における別個の流入口と、前端部における固形物の供給材料排出用の流出口とを有する。この場合、このランスは、供給材料の少なくとも一部分が、流路を画定する管の壁面と、流路に沿って流れる供給材料との間の緩衝区域を形成するように、供給材料を、上記下流側の流入口を経由して流路の中に供給する態様に構成される。

固形物の供給材料は任意の適切な材料とすることができる。

固形物の供給材料は金属含有材料を含むことができる。

固形物の供給材料は金属含有材料および炭素質材料を含むことができる。

固形物の供給材料は金属含有材料、炭素質材料およびフラックス材料を含むことができる。

使用中、供給システムが、供給材料を、流路に沿う供給材料の動きの方向に対して横方向に、通常垂直に、管の壁面の流入口を経由して流路の中に供給し、それによって、金属含有材料の流れが、管の壁面の流入口からの供給材料の流れを、緩衝区域を形成するように流路の中に方向転換させる。

ランスは、１つより多い管の壁面の流入口を含むことができる。

管の壁面の流入口は、緩衝区域の形成を促進するように、管の壁面の長さの回りの選択された位置および／またはその長さに沿って選択された位置に設けることができる。

管の壁面の複数の流入口は、管の壁面の周囲に間隔を開けて配置することができる。

管の壁面の複数の流入口は、固形物注入管の後端部から同じ距離において、管の壁面の周囲に間隔を開けて配置することができる。

管の壁面の複数の流入口は、固形物注入管の後端部から異なる距離において、管の壁面の周囲に間隔を開けて配置することができる。

固形物注入管は、管の後方部分に、それを通って流れる固形物の供給材料を加速するためのベンチュリ管を含むことができ、そのベンチュリ管は、幅の広い後端部から狭い前端部に内向きにテーパ化された部分を含む。

上記ベンチュリ管のテーパ化された部分は、使用中に、緩衝区域が、そのテーパ化された部分の長さに少なくとも部分的に沿って広がるように、後部流入口と管の壁面の流入口との下流側に設けることができる。

上記テーパ化された部分は、そのテーパ化された部分における金属含有材料の加速のために非常に摩耗性が高い領域であり、従って、テーパ化された部分における摩耗を低減するために、テーパ化された部分の長さに少なくとも部分的に沿って、好ましくはその全長に沿って緩衝区域が広がることはきわめて有利である。

摩耗がまだなお問題である管においては、テーパ化された部分の後に、緩衝区域の好適な影響をできる限り広く広げることができる。

固形物注入管は、ベンチュリ管のテーパ化された部分と管の前端部との間において、管の長さに沿って一定の断面積を有することができる。

ランスは水冷ランスとすることができる。

ランスは、ランスの長さの本質的部分に沿って延びる外側の環状のジャケットと、その環状のジャケット内に収納される水冷システムとを含むことができる。

ランスは、固形物注入管内の圧力の変化、あるいは、その管内へのまたはその管からのガスの流れを、その管における穿孔の結果として検出するように構成される穿孔検出システムを含むことができる。

この穿孔検出システムは、本出願人の名前におけるオーストラリアの仮特許出願第２０１３９０１５９９号明細書に記載されるものと同様にすることができ、この仮出願と共に提出された特許明細書における開示は、参照によって本願に組み込まれる。

固形物注入管はランスの中心に配置することができる。

管は、構造材料の外側の管と耐摩耗材料の内側の管とが一緒に接合されたアセンブリを含むことができる。

外側の管はステンレス鋼のような鋼から形成することができる。

外側の管は少なくとも１ｍｍの厚さとすることができる。

外側の管の厚さは３〜３０ｍｍの範囲内とすることができる。

内側の管は、フェロクロム白鋳鉄、セラミックまたはこの両者の混合物のような白鋳鉄からなる耐摩耗ライニングから形成することができる。

この耐摩耗ライニングは、少なくとも３ｍｍ厚さ、好ましくは少なくとも５ｍｍ厚さとすることができる。

外側の管と内側の管との間の接合は、２つの管の間の界面の少なくともほぼ全表面積にわたって広がることができる。

外側の管と、金属の内張り材の場合の内側の管との間の接合は、冶金的な接合とすることができる。

管は少なくとも２ｍの長さとすることができる。

管は５０ｍｍの最小内径を有することができる。

管は３００ｍｍの最大内径を有することができる。

管は４００ｍｍの最大外径を有することができる。

本発明は、さらに、固形物の供給材料を固形物注入ランスに供給する装置を提供する。この装置は、
（ａ）固形物の供給材料を、上記の固形物注入ランスの後端部における流入口に供給するための固形物供給材料の供給システムであって、貯蔵／払い出しユニットと、金属含有材料を貯蔵／払い出しユニットからランスに供給するための固形物供給ラインとを含む供給システムと、
（ｂ）固形物の供給材料を、上記の固形物注入ランスの管の壁面における流入口に供給するための供給システムであって、貯蔵／払い出しユニットと、別の供給材料を貯蔵／払い出しユニットからランスに供給するための固形物供給ラインとを含む供給システムと、
を含む。

固形物の供給材料は任意の適切な材料とすることができる。

固形物の供給材料は金属含有材料を含むことができる。

固形物の供給材料は金属含有材料および炭素質材料を含むことができる。

固形物の供給材料は金属含有材料、炭素質材料およびフラックス材料を含むことができる。

本発明は、さらに、少なくとも固形物の金属含有材料を固形物注入ランスに供給する装置を提供する。この装置は、
（ａ）固形物の金属含有材料を、上記の固形物注入ランスに供給するための固形物の金属含有材料の供給システムであって、貯蔵／払い出しユニットと、金属含有材料を貯蔵／払い出しユニットからランスに供給するための固形物供給ラインとを含む供給システムと、
（ｂ）別の供給材料を、上記の固形物注入ランスに供給するための供給システムであって、貯蔵／払い出しユニットと、別の供給材料を貯蔵／払い出しユニットからランスに供給するための固形物供給ラインとを含む供給システムと、
を含む。

上記別の供給材料は、炭素質材料のみ、金属含有材料のみ、または、炭素質材料および金属含有材料の混合物とすることができる。

金属含有材料は、鉄鉱石、好ましくは鉄鉱石の微粉末とすることができる。

固形物の金属含有材料が鉄鉱石である場合は、鉄鉱石を、固形物供給ラインにおいて少なくとも５００℃の温度にすることが望ましい。

固形物の炭素質材料は石炭とすることができる。

本発明は、さらに、上記の固形物注入ランスを有する直接製錬容器を含む直接製錬プラントを提供する。

本発明は、さらに、次の各項を含む直接製錬プラント、すなわち、
（ａ）直接製錬容器であって、固形物の金属含有材料および固形物の炭素質材料をその容器の中に注入するための上記の固形物注入ランスを有する直接製錬容器と、
（ｂ）上記の材料供給装置と、
を含む直接製錬プラントを提供する。

このプラントは、固形物の金属含有材料を加熱するための予備処理ユニットを含むことができる。

固形物の金属含有材料は、鉄鉱石、好ましくは鉄鉱石の微粉末とすることができる。

固形物の金属含有材料が鉄鉱石である場合は、鉄鉱石を、固形物供給ラインにおいて少なくとも５００℃の温度にすることが望ましい。

固形物の炭素質材料は石炭とすることができる。

本発明は、さらに、固形物の金属含有供給材料から溶融金属を製造するための溶融浴に基づく直接製錬プロセスであって、固形物の金属含有材料および固形物の炭素質材料の何れかまたは両者から選択される固形物の供給材料を、直接製錬容器内の溶融浴の中に、上記の固形物注入ランスを経由して注入するステップを含むプロセスを提供する。

金属含有材料の一例は鉄鉱石である。

鉄鉱石は鉄鉱石の微粉末とすることができる。

鉄鉱石は少なくとも６００℃の温度に予熱することができる。

このプロセスは、金属含有材料と、炭素質材料と、フラックス材料または他の任意の固形物材料とを、溶融鉄および溶融スラグの形態の溶融材料の浴を含む製錬容器の中に注入して、溶融浴内におけるガスの発生によって浴／スラグの噴き上げを発生させ、オフガスを発生させ、溶融浴内において金属含有材料を製錬して溶融鉄を形成するステップを含むことができる。

このプロセスは、金属含有材料を、３００℃より低い温度の燃料ガスを燃焼することによって予熱するステップを含むことができる。この場合、燃料ガスは、製錬容器から排出されるオフガスから製造される。燃料ガスは、製錬容器から放出される高温のオフガスであって、３００℃未満の温度に冷却されるオフガスから製造される燃料ガスとすることができる。

固形物の金属含有供給材料が鉄鉱石であり、固形物の炭素質材料が石炭である場合は、このプロセスは、少なくとも１６０ｔ／ｈの鉱石と、少なくとも７０ｔ／ｈの石炭との合計を直接製錬容器に供給するステップを含むことができる。

このプロセスは、加熱された固形物の金属含有材料および固形物の炭素質材料を、直接製錬容器に、ランスを経由して、１．０〜２．０ｂａｒ（ゲージ）の圧力低下で供給するステップを含むことができる。

本発明は、さらに、固形物の金属含有材料を直接製錬して溶融金属を製造するためのプロセスであって、次の各ステップを含むプロセス、すなわち、
（ａ）直接製錬容器内に溶融金属およびスラグの浴を形成するステップと、
（ｂ）上記容器の中に固形物の金属含有材料および固形物の炭素質材料を供給するステップであって、固形物の金属含有材料および固形物の炭素質材料の何れかまたは両者を、容器の中に延びる上記の固形物注入ランスを経由して供給するステップと、
（ｃ）酸素含有ガスを、容器の中に、かつ、容器内で発生する後燃焼可能なガスの中に注入するステップと、
（ｄ）固形物の金属含有材料を、上記浴内において溶融金属に製錬するステップと、
を含むプロセスを提供する。

固形物の金属含有材料は、鉄鉱石、好ましくは鉄鉱石の微粉末とすることができる。

固形物の金属含有材料が鉄鉱石である場合は、鉄鉱石を、固形物供給ラインにおいて少なくとも５００℃の温度にすることが望ましい。

固形物の炭素質材料は石炭とすることができる。

固形物の金属含有供給材料が鉄鉱石であり、固形物の炭素質材料が石炭である場合は、このプロセスは、少なくとも１６０ｔ／ｈの鉱石と、少なくとも７０ｔ／ｈの石炭との合計を直接製錬容器に供給するステップを含むことができる。

このプロセスは、加熱された固形物の金属含有材料および固形物の炭素質材料を、直接製錬容器に、ランスを経由して、１．０〜２．０ｂａｒ（ゲージ）の圧力低下で供給するステップを含むことができる。

以下、単なる例示用である添付の図面を参照して、本発明をさらに詳しく説明する。

図１は、本発明による直接製錬プラントの一実施形態の一部分を形成する直接製錬容器の垂直断面図である。 図２は、直接製錬プラントの上記の実施形態を図解する模式図である。 図３は、図１および２に示す固形物注入ランスの一実施形態の上部部分の図解的な部分断面図であって、ランスから注入される高温の鉱石および常温の石炭／石灰に関する温度の輪郭を含む図である。 図４は、図３に示すランスの図解的な部分断面図であって、ランスを通る石炭の流れを表す石炭の軌跡を示す図である。

図１は、本出願人の名前による国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７号明細書（国際公開第１９９６／０３１６２７号パンフレット）において例として記述されるＨＩｓｍｅｌｔプロセスを実行するのに特に適した直接製錬容器１１を示す。

以下の記述は、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスに従って鉄鉱石の微粉末を製錬し溶融鉄を製造する場合に関係する。

本発明は、鉱石、部分還元鉱石、および金属含有廃棄物の流れを含む任意の金属含有材料の、任意の適切な溶融浴に基づく直接製錬プロセスによる製錬に適用可能であり、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスに限定されないことが認められるであろう。また、鉱石は、鉄鉱石の微粉末の形態とし得ることが認められるであろう。

以下の記述は、金属含有材料および炭素質材料の固形物注入ランスからの同時注入に焦点を合わせているが、上記から理解されるように、本発明は、これらの材料の同時注入に限定されず、炭素質材料を伴わない金属含有材料の注入にも拡大される。

以下の記述は、固形物注入ランスの摩耗および熱衝撃を最少化するために、金属含有材料および炭素質材料の同時注入に焦点を合わせている。しかし、上記から理解されるように、本発明は、これに限定されず、摩耗の最少化の方が熱衝撃の最少化に比べて主要な考慮因子である場合、あるいはその逆の場合に拡大される。

容器１１は、耐火物のレンガから形成される基礎１２および側面１３を含む炉床と、炉床の側面１３から上向きに延びる一般的に円筒形の筒体を形成する側壁１４と、屋根１７とを有する。側壁１４および屋根１７から熱を伝達するために水冷パネル（図示されず）が設けられる。容器１１には、さらに、製錬の間溶融金属が連続的にそれから排出される前炉１９と、製錬の間溶融スラグが周期的にそれから排出される出滓口２１とが設けられる。屋根１７には、プロセスのオフガスが排出される流出口１８が設けられる。

ＨＩｓｍｅｌｔプロセスに従って鉄鉱石の微粉末を製錬して溶融鉄を製造するために容器１１を使用する場合には、容器１１は、溶融金属の層２２と、金属層２２の上の溶融スラグの層２３とを有する鉄およびスラグの溶融浴を含む。金属層２２の名目的な静止表面の位置は矢印２４で示される。スラグ層２３の名目的な静止表面の位置は矢印２５で示される。「静止表面（ｑｕｉｅｓｃｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ）」という用語は、容器１１内へのガスおよび固形物の注入が行われない場合の表面を意味すると理解される。

容器１１には、容器の側壁１４における開口（図示されていない）を貫通してスラグ層２３の中に下向きかつ内向きに延びる固形物注入ランス２７が設けられる。固形物注入ランス２７については、図３および４に関連してさらに詳細に記述する。図１には、２本の固形物注入ランス２７が示されているが、容器１１は任意の適切な個数のこのようなランス２７を有し得ることが理解できる。使用中、加熱された鉄鉱石の微粉末および常温の石炭（およびフラックス、通常石灰）が、適切なキャリヤガス（例えば酸素欠乏キャリヤガス、通常窒素）内に同伴されて、ランス２７に別個に供給され、ランス２７の流出端部２８から、溶融浴の中に、好ましくは金属層２２の中に同時注入される。以下の記述は、鉄鉱石の微粉末および石炭用のキャリヤガスが窒素である場合を想定している。

固形物注入ランス２７の流出端部２８は、プロセスの運転の間、金属層２２の表面の上部にある。ランス２７のこの位置によって、溶融金属との接触による損傷のリスクが低減され、さらに、以下に詳述するように、強制的な内部水冷によるランスの冷却が、水が容器１１内の溶融金属と接触するという重要なリスクなしに可能になる。

容器１１は、また、容器１１の上部領域の中に高温空気の送風を供給するためのガス注入ランス２６を備えている。ランス２６は、容器１１の屋根１７を貫通して容器１１の上部領域の中に下向きに延びている。使用中、ランス２６は、高温ガス供給ステーション（図示されず）から延びる高温ガス供給ダクト（同様に図示されず）から、酸素富化された高温空気流れを受け入れる。

図２は、本発明による直接製錬プラントの一実施形態であって、プラントが、加熱された鉄鉱石の微粉末および常温の石炭を１本の固形物注入ランス２７に供給することが想定される場合の実施形態を模式的に示す。

このプラントは、図１に示す直接製錬容器１１を含む。

このプラントは、さらに、鉄鉱石の微粉末を、通常少なくとも６００℃の温度に加熱するための予熱器の形態の予備処理ユニット３４を含む。予熱器は任意の適切なタイプの予熱器とすることができる。

このプラントは、さらに、鉄鉱石の微粉末をランス２７に供給するための鉱石供給システムを含む。

この鉱石供給システムは、（ａ）加熱された鉄鉱石の微粉末を貯蔵および払い出しするための鉱石貯蔵／払い出しユニット３２と、（ｂ）加熱された鉱石を鉱石貯蔵／払い出しユニット３２からランス２７に供給するための鉱石供給ライン３６とを含む。

鉱石貯蔵／払い出しユニット３２は、窒素キャリヤガス内に同伴される加熱された鉄鉱石の微粉末を貯蔵および払い出しするように構成される。鉱石貯蔵／払い出しユニット３２は、加熱された鉄鉱石の微粉末を、標準的な大気圧の状態から加圧されたキャリヤガスの環境に移行させ得る複数の貯鉱ビンの形態にすることができる。しかし、本発明の目的のためには、鉱石貯蔵／払い出しユニット３２を単一ユニットと考えることができる。

使用中、鉄鉱石の微粉末は貯留場所（図示されていない）から予熱器３４に供給され、予熱器が微粉末を加熱する。予熱器３４は、微粉末が、容器１１の中への注入点において少なくとも５００℃、通常６００℃〜７００℃の程度の温度になるように、微粉末を加熱する能力に構成される。オフガスは、熱がオフガスから鉄鉱石の微粉末に伝達され得るように、流出口１８から予熱器３４に供給できる。予熱器３４は、加熱された鉄鉱石の微粉末を鉱石貯蔵／払い出しユニット３２に供給するように構成される。

加熱された鉄鉱石の微粉末を貯蔵／払い出しユニット３２からランス２７に輸送するための鉱石供給ライン３６は、（ａ）微粉末を容器１１に近接する位置に搬送する第１部分４８と、（ｂ）微粉末を容器１１の基礎１２とほぼ同じレベルの位置から少なくともランス２７の高さに搬送する上方に延びる部分４２と、（ｃ）このラインをランス２７における鉱石流入口に接続する下向きに延びる部分４６とを含む。この部分４６は、図２に示すような運転位置にある場合は、ランス２７と同軸になるように形成される。ランス２７における鉱石の流入口およびランス２７の全体的な構造については、図３および４に関連してさらに詳しく説明する。

このプラントは、さらに、石炭をランス２７に供給する石炭供給システムを含む。

石炭供給システムは、（ａ）石炭を貯留場所（図示されていない）から受け入れて、常温の石炭を貯蔵および払い出しする石炭貯蔵／払い出しユニット３８と、（ｂ）石炭貯蔵／払い出しユニット３８から石炭を輸送する供給ライン４０とを含む。

使用中、石炭は、常温において、石炭払い出しアセンブリ３８から排出され、窒素キャリヤガス内に同伴されて、石炭供給ライン４０を経由してランス２７に搬送される。

石炭貯蔵／払い出しユニット３８は、石炭を、標準的な大気圧の状態から加圧された窒素キャリヤガスの環境に移行させ得る複数の貯炭ビンの形態にすることができる。しかし、本発明の目的のためには、石炭払い出しアセンブリ３８を単一ユニットと考えることができる。

石炭供給ライン４０は、ランス２７における石炭流入口に接続される。ランス２７における石炭流入口およびランス２７の全体的な構造については、図３および４に関連してさらに詳しく説明する。通常、石炭供給システムは、石炭と、石灰のようなフラックス材料とを供給する。

図３は、図１および２に示す固形物注入ランス２７の上部部分の図解的な部分断面図であって、ランス２７から注入される高温の鉄鉱石の微粉末および常温の石炭（および石灰）に関する温度の輪郭を含む図である。

図４は、図３に示すランスの図解的な部分断面図であって、ランス２７を通る石炭の流れを表す石炭の軌跡を示す図である。

図３および４を参照すると、ランス２７は、固形物の供給材料用の流路６２を画定する管６０であって、固形物の供給材料が、その管６０を通して注入され、図１および２に示すランスの流出端部２８を経由してランス２７から流出する管６０を含む。

管６０は、管６０の上端部分に、全体的に符号５２で示されるベンチュリ管であって、それを流れる固形物の供給材料を加速するためのベンチュリ管を有する。このベンチュリ管５２は、幅の広い後端部分５６と、ベンチュリ管の狭い前端部分５８と、幅の広い部分５６から狭い部分５８に内向きにテーパ化している部分５４とを含む。

ベンチュリ管５２からランス２７の前端部２８までの管６０の残りの部分は、均等な断面を有する。

管６０は、管６０の後端部における加熱された鉄鉱石の微粉末用の流入口６４と、鉱石の流入口６４の下流側の管６０における石炭用の直径上の反対側に位置する１対の別個の流入口６６とを有する。石炭の流入口６６はベンチュリ管５２の幅の広い部分５６に形成される。鉱石の流入口６４および石炭の流入口６６は、使用中、石炭の流入口６６から流路６２の中に供給される石炭の少なくとも一部分が、管の壁面と、流路６２の中心部分に流れる鉄鉱石の微粉末との間に緩衝区域７０を形成するような流路６２内の流れの条件を作出するように構成される。石炭は鉄鉱石の微粉末より摩耗性が低く、従って、緩衝区域７０は、管６０の壁面を形成する材料の摩耗を低減する。さらに、上記の実施形態のように、鉄鉱石の微粉末が高温で石炭が常温である場合においては、緩衝区域７０は、管の壁面の有効寿命を短縮する可能性がある熱衝撃を最少化する。

任意の適切な個数および任意の適切な配置の流入口６６を設けることができる。石炭の流入口６６は、管６０の長さに沿う同じ位置、および／または、管６０の長さに沿って間隔配置される位置に設けることができる。

石炭の流入口６６の位置および個数は、鉱石の流入口６４と、石炭および鉄鉱石の微粉末の注入パラメータ（容積流量、注入速度、粒子サイズ分布など）との関連において、次のような状況が現出するように選択される。すなわち、流路６２内の鉄鉱石の微粉末の流れが、石炭の流入口６６から流路６２の中への石炭の横方向の流れ、通常垂直な流れを方向転換して、注入された石炭の十分な量の流れの方向が緩衝区域７０を形成する方向に向けられる状況が現出するように選択される。

ベンチュリ管５２のテーパ化された部分５４は、そのテーパ化部分における供給材料の加速のために摩耗性が高い領域であるので、緩衝区域７０が、テーパ化部分５４の長さの少なくとも一部分に沿って、好ましくはその全長に沿って広がり、それによってテーパ化部分５４における摩耗を低減することはきわめて有利である。

基本的に、この方法は、緩衝区域７０が管の必要長さに沿って広がって、高い摩耗および熱衝撃を受ける管の部分を遮蔽するように緩衝区域７０を形成するために、注入流量および注入速度のような運転条件を選択するステップを含むことができる。

図３および４は、高温の鉄鉱石の微粉末および常温の石炭が注入される上記の実施形態におけるランス２７内の温度を示す温度の輪郭を含む。緩衝区域７０における温度が、流路６２の中心部分における温度より大幅に低いことが明示されている。

図４は、さらに、流路６２内の石炭の動きの径路を表す軌跡を含む。特に、この図は、流路６２内における鉄鉱石の微粉末の前方への流れが、図の特定の注入条件の下で、流路内の石炭の流れをどのように方向転換させるかを表している。

緩衝区域７０によってもたらされる利点によって、管の壁面に対する現在の高い耐摩耗材料および耐熱衝撃材料の要件が低減され、これによって高価な材料の範囲が限定され、より広範囲の安価な材料の使用の可能性が生じる。

実際的な観点からは、緩衝区域７０は、連続区域でなくてもよく、また均等な厚さでなくてもよく、さらにまた、その区域の中に鉄鉱石の微粉末が存在してもよいことが指摘される。しかし、この場合においても、比較の視点から見て、図３および４に関連して記述した緩衝区域７０は、緩衝区域が存在せず、鉄鉱石の微粉末および石炭の混合物が流路６２に沿って流れる場合に比べて、摩耗および熱衝撃の問題を緩和するであろう。

さらにまた、最終的には、材料が流路６２に沿って流れるに連れて、緩衝区域７０および流路６２の中心部分における材料が混合され、流路６２に沿って流れる鉄鉱石の微粉末および石炭の均等な混合物になることが指摘される。

図面に関連付けて記述した本発明の固形物注入ランスの実施形態に対して、本発明の本質および範囲から逸脱することなく多くの変更を行うことができる。

例えば、固形物注入ランスの実施形態がＨＩｓｍｅｌｔ直接製錬プロセスに関連付けて記述されているが、本発明は、それに限定されず、任意の溶融浴に基づく製錬プロセスに拡大されることを容易に認めることができる。

例えば、固形物注入ランスの実施形態が鉄鉱石の製錬に関連付けて記述されているが、本発明は、この材料に限定されず、任意の適切な金属含有材料に拡大されることを容易に認めることができる。

例えば、固形物注入ランスの実施形態が鉄鉱石および炭素質材料の形の固形物の供給材料の注入に関連付けて記述されているが、本発明は、これに限定されず、任意の適切な供給材料の注入に拡大されることを容易に認めることができる。

本発明の以下の請求項、および以上記述した明細書においては、明白な言語または必然の意味によって文脈がそうでない旨要求している場合を除いて、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語またはその文法的変化形（「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」など）は包含的な意味において用いられている。すなわち、言及された特徴の存在を規定するが、本発明の種々の実施形態におけるさらに別の特徴の存在または追加を排除しない。

Claims (26)

1. 固形物の供給材料を、固形物の注入ランスを通して製錬容器に注入する方法において、流路内の流れの状況を確立するステップであって、供給材料を、流路の中心部分に沿って流れる別の供給材料の移動方向に対して横方向に、垂直に流路に供給することにより、前記流路に沿って流れる前記供給材料の少なくとも一部分が、前記流路を画定する管の壁面と、前記流路の中心部分に沿って流れる別の供給材料との間に管の摩耗および／または管への熱衝撃を緩和する緩衝区域を形成するようにするステップを含む、ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記供給材料が金属含有材料を含む、ことを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記供給材料が炭素質材料をさらに含む、ことを特徴とする方法。
4. 請求項３に記載の方法において、前記供給材料がフラックス材料をさらに含む、ことを特徴とする方法。
5. 請求項２または３に記載の方法において、前記緩衝区域の材料が、（ａ）炭素質材料のみ、（ｂ）炭素質材料と金属含有材料との混合物、または、（ｃ）炭素質材料と金属含有材料とフラックス材料との混合物である、ことを特徴とする方法。
6. 請求項３乃至５の何れか１項に記載の方法において、前記中心部分の材料が、（ａ）金属含有材料、（ｂ）炭素質材料と金属含有材料との混合物、または、（ｃ）炭素質材料と金属含有材料とフラックス材料との混合物である、ことを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、前記中心部分の材料が、主として、すなわち７０重量％より多くが金属含有材料である、ことを特徴とする方法。
8. 請求項３乃至７の何れか１項に記載の方法において、前記炭素質材料が常温であり、前記金属含有材料が予熱される、ことを特徴とする方法。
9. 請求項３乃至７の何れか１項に記載の方法において、前記炭素質材料および前記金属含有材料が常温である、ことを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９の何れか１項に記載の方法において、前記緩衝区域が、連続しており均等な厚さである、ことを特徴とする方法。
11. 請求項１乃至１０の何れか１項に記載の方法において、前記緩衝区域が、前記流路内に流れる供給材料を加速する管の部分におけるベンチュリ管のテーパ化された部分の長さに少なくとも部分的に沿って広がるように、前記緩衝区域を形成するステップを含む、ことを特徴とする方法。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載の方法において、前記緩衝区域が、前記ベンチュリ管のテーパ化された部分の全長に沿って広がるように、前記緩衝区域を形成するステップを含む、ことを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、前記緩衝区域が、前記ベンチュリ管のテーパ化された部分と、前記テーパ化された部分の前方との全長に沿って広がるように、前記緩衝区域を形成するステップを含む、ことを特徴とする方法。
14. 請求項１に記載の方法において、前記供給材料が、固形物の金属含有材料と、固形物の炭素質材料とを含み、当該方法が、前記固形物の金属含有材料を、金属含有材料の流入口を経由して、ランスの後端部から前端部に延びる流路の中に注入して、ランスに沿う金属含有材料の流れを作出するステップと、前記固形物の炭素質材料を、炭素質材料の流入口を経由して、流路に対する金属含有材料の流入口の下流側で、流路の中に注入するステップであって、その注入を、前記炭素質材料の少なくとも一部分が、流路を画定する管の壁面と、前記流路に沿って流れる金属含有材料との間の緩衝区域を形成するように実施するステップとを含む、ことを特徴とする方法。
15. 管であって、前記管を通って製錬容器へ注入されるべき固形物の供給材料用の流路を画定する管を含み、かつ、その後端部における固形物の供給材料用の流入口と、前記後端部における流入口より下流の管の壁面における別個の流入口であって、前記流路の中心部分に沿って流れる供給材料の動きに対して横方向に、垂直である別個の流入口と、前端部における固形物の供給材料排出用の流出口とを有する固形物注入ランスにおいて、前記ランスが、次のような態様に構成される、すなわち、前記供給材料の少なくとも一部分が、前記流路を画定する管の壁面と、前記流路の中心部分に沿って流れる供給材料との間に管の摩耗および／または管への熱衝撃を緩和する緩衝区域を形成するように、供給材料を、前記下流側の流入口を経由して前記流路の中に供給する態様に構成される、ことを特徴とするランス。
16. 請求項１５に記載のランスにおいて、１つより多い管の壁面の流入口を含む、ことを特徴とするランス。
17. 請求項１６に記載のランスにおいて、前記管の壁面の流入口が、前記緩衝区域の形成を促進するように、前記管の壁面の長さの回りの選択された位置および／またはその長さに沿って選択された位置に設けられる、ことを特徴とするランス。
18. 請求項１６または１７に記載のランスにおいて、前記管の壁面の複数の流入口が、前記管の壁面の周囲に間隔を開けて配置される、ことを特徴とするランス。
19. 請求項１８に記載のランスにおいて、前記管の壁面の複数の流入口が、前記固形物注入管の後端部から同じ距離において、前記管の壁面の周囲に間隔を開けて配置される、ことを特徴とするランス。
20. 請求項１８に記載のランスにおいて、前記管の壁面の複数の流入口が、前記固形物注入管の後端部から異なる距離において、前記管の壁面の周囲に間隔を開けて配置される、ことを特徴とするランス。
21. 請求項１５乃至２０の何れか１項に記載のランスにおいて、前記固形物注入管が、前記管の後方部分に、ベンチュリ管であって、それを通って流れる固形物の供給材料を加速するためのベンチュリ管を含み、前記ベンチュリ管は、幅の広い後端部から狭い前端部に内向きにテーパ化された部分を含む、ことを特徴とするランス。
22. 請求項２１に記載のランスにおいて、前記ベンチュリ管のテーパ化された部分が、使用中に、前記緩衝区域が、前記テーパ化された部分の長さに少なくとも部分的に沿って広がるように、後部流入口と管の壁面の流入口との下流側に設けられる、ことを特徴とするランス。
23. 固形物の供給材料を固形物注入ランスに供給する装置において、
    （ａ）固形物の供給材料を、請求項１５乃至２２の何れか１項に記載の固形物注入ランスの後端部における流入口に供給するための固形物供給材料の供給システムであって、貯蔵／払い出しユニットと、金属含有材料を前記貯蔵／払い出しユニットから前記ランスに供給するための固形物供給ラインとを含む供給システムと、
    （ｂ）固形物の供給材料を、請求項１５乃至２２の何れか１項に記載の固形物注入ランスの管の壁面における流入口に供給するための供給システムであって、貯蔵／払い出しユニットと、別の供給材料を前記貯蔵／払い出しユニットから前記ランスに供給するための固形物供給ラインとを含む供給システムと、
    を含む、ことを特徴とする装置。
24. 少なくとも固形物の金属含有材料を固形物注入ランスに供給する装置において、
    （ａ）固形物の金属含有材料を、請求項１５乃至２２の何れか１項に記載の固形物注入ランスに供給するための固形物の金属含有材料の供給システムであって、貯蔵／払い出しユニットと、金属含有材料を前記貯蔵／払い出しユニットから前記ランスに供給するための固形物供給ラインとを含む供給システムと、
    （ｂ）別の供給材料を、請求項１５乃至２２の何れか１項に記載の固形物注入ランスに供給するための供給システムであって、貯蔵／払い出しユニットと、前記別の供給材料を前記貯蔵／払い出しユニットから前記ランスに供給するための固形物供給ラインとを含む供給システムと、
    を含む、ことを特徴とする装置。
25. 請求項１５乃至２２の何れか１項に記載の固形物注入ランスを有する直接製錬容器を含む、ことを特徴とする直接製錬プラント。
26. 固形物の金属含有供給材料から溶融金属を製造するための溶融浴に基づく直接製錬プロセスにおいて、固形物の金属含有材料および固形物の炭素質材料の何れかまたは両者から選択される固形物の供給材料を、直接製錬容器内の溶融浴の中に、請求項１５乃至２２の何れか１項に記載の固形物注入ランスを経由して注入するステップを含む、ことを特徴とする直接製錬プロセス。

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