JPH0129850B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炉内の粒子の運動炉床（moving
bed）が重力により下降する運動炉床高炉におけ
る鉄酸化物のガス直接還元に関し、さらに特定す
ると、熱ブリケチング又は直接融解に適した、高
温の還元済み鉄粒子の流出方法及び装置であつて
工程全体のエネルギーを保存しつつ固体処理を行
なうための高炉及びその補助装置の実用的かつ経
済的設計を可能ならしめるものに関する。本発明
は、例えば貯溜容器（storage bins）又はサイロ
のような高温の金属鉄を含む粒子を扱うための他
の形態の容器にも適用できる。

当該技術分野においては、運動還元炉内におい
て、代表的な例である水素及び一酸化炭素を含む
還元ガスの上昇流と逆方向に下降する鉄鉱石粒子
の炉床を還元する技術がいくつか知られている。
これらの炉は一般的に円筒形状であつて、炉容器
の金属壁が800℃ないし1100℃の高い還元温度に
耐えると共に粒子の下降炉床による摩耗及び圧力
にも耐えるように、断熱されかつ耐火材が張られ
ている。

従つて、すべの粒子が一様に還元されて均質な
組成の生成物が得られるためには、粒子固体の多
量流（mass−folw）を得るための高炉を設定す
る必要がある。

多量流という語は、当該技術分野で使用される
ように容器内固体炉床の容積全体の領域すべてに
わたり固体が運動することを意味する。また前記
炉の還元領域全体に一様な粒子の流れを発生する
高炉を設計することも特に望ましい。このことは
すべての粒子が詰め合い流れ（plug flow）とな
つて運動すること、すなわち同一速度で運動する
こと、その結果、上記還元領域内で同一の滞留時
間を有することを意味する。またガス取り入れ口
及び流出口を適当に設計することによつて炉全体
に実質上一様な逆方向ガス流が得られるように、
注意が払われる。

固体の滞留時間は炉の底部に配置される適当な
機構によつて調整される。この機構は固体流出率
を調整する。この機構は当該技術分野で知られた
ロータリー型の送り装置、又は星型送り装置、振
動式送り装置等でよい。例えば、本出願人及びそ
の共同出願人に付与された米国特許第4427135号
を参照されたい。この流出機構が実質的な大きさ
のものであるためには、炉底部の固体流出流口は
還元領域の断面積よりも小さな断面積のものとさ
れ、この理由から炉の下方部分は代表的な場合下
方に収束するコーン（円錐）形状をとる。

円筒形の還元領域内に詰め合い流を維持するた
めにはこの流出コーン内に粒子の多量流がなけれ
ばならないこと、すなわち、炉壁に接触している
粒子を含めた前記粒子がその粒子の占める体積の
すべての領域内で流れなければならないこと、が
知られている。この目的のため、コーン形部分の
角度は、当該粒子相互間のみならずコーン形壁の
内側表面及びその状態（例えば温度、流度分布、
表面粗度等）の双方に関する流れ特性に基づいて
選択されなければならない。この角度は、炉内で
重力流を中断するような粒子のアーチあるいはド
ームを形成してつながることを回避するように選
択される。このことは例えば高熱の直接還元鉄
（これはDRI又はスポンジ鉄としても知られる）
のような潜在的に粘着性の又は凝集性の粒子を扱
うときは特に重要である。

高温でDRIを流出するためには、熱損失を避け
ることが必要であること、翻つて熱がコーン壁か
ら失われるべきでないこと、が論に叶うと思われ
る。このことは、熱損失を最小限に留めるために
これらの炉の円筒形還元部分の壁に通例被覆され
ると同一の断熱兼耐火用材料をコーン部分に被せ
ることを示唆する。

しかしながら本出願人は耐火材の粗さは流出コ
ーンを通る粒子の流れを減衰すること、その結果
コーンへの粒子の必要多量流を維持するためには
一層急唆なコーン壁を必要とすることを発見し
た。さらに本出願人はDRIの流れ特性は温度と共
に変化し、温度の増大に応じて明瞭な摩耗の増大
をきたすことも発見した。このことは再びより急
唆な壁を流出コーンに要求することとなる。

他方、実際上は現在行なわれているように低温
においてDRIを流出するに必要なより急唆な壁を
備えた直接還元炉を建設することは実現性はない
であろう。その理由はこれらの炉は長すぎて経費
がかかるからであり、また流出開口が大きすぎる
からである。さらに、長いコーンを使用する結
果、粒子は高温にて炉内に長い滞留時間を有する
ために結合し若しくは粘着する傾向がある。

上記の問題を解決する試みとして、固体の流れ
を促進する内部的機構を作動させることが過去に
提案された。この代案的な解決法は実用的でな
い。その理由はこの機構は還元炉内において非常
に厳しい内部条件の下で作動するからであり、ま
た機構が一様な流れを阻害して好ましからざる屑
を発生するからである。

直接溶解（immediate melting）又は直接熱ブ
リケツチングに適した最高可能の温度にてDRIを
流出することに大きな関心が持たれているので、
DRIを少なくとも500℃好ましくは700℃以上の温
度にて生成する要望が依然としてある。

本発明はこれらの矛盾する要求を、当該技術分
野で特に有利かつ有用である新規にして合理的方
法で解決することに向けられている。

従つて本発明の目的は経済的かつ実用的方法で
高熱DRIを生成するための方法及び装置を与える
ことである。

固体流の問題を含まず、かつ高品質を維持しつ
つ、鉛直高炉から重力により高熱DRIを流出する
ための方法及び装置を与えることが本発明の別の
目的である。

高温DRI粒子流が重力により流れると共に同時
に体積平均温度を直接溶解及び高熱ブリケツチン
グに適した高さに維持しうるように、冷間流出と
同様に炉の下方流出部分の大きさを全体的に一層
短く維持する方法及び装置を与えることが本発明
のさらに別の目的である。

本発明は実用的かつ経済的方法で炉のコーン壁
をより低温に選択的に冷却することによつて高温
でDRIを生成するための方法と装置を与える。上
記の壁の内部表面は好ましくはDRI粒子の流れを
促進するために比較的滑らかな金属で作られる。
選択された領域の壁の温度を制御することによつ
て前記粒子及び前記金属壁間の摩耗が重力による
固体流に対して許容可能な範囲に維持されるよう
に、上記壁と直接に接触している粒子の温度が低
下される。前記粒子の熱損失は制御されて最小化
される。同時に粒子間の粘着傾向も、壁上の粒子
若しくは壁付近の粒子について低下される。驚く
べきことに、壁際の粒子の冷却をしても壁から隔
離された粒子を著しく冷却することはない。従つ
て所望の高温流出が維持される。好ましい実施例
では温度の制御は壁に接触している冷却用ジヤケ
ツトを循環する冷却流体の量を調整すること、及
びもしも適当であれば前記炉のコーンの最下方流
出部分を断熱することによつて、温度制御が達成
される。

この明細書及び添付の図面においては本出願人
は発明及びそのいくつかの望ましい実施例を説明
し、種々の代案及びその設計変更を示した。しか
し、それらで例を上げ尽くしたことを意図してい
ないこと、及び本発明の特許請求の範囲内で多数
の設計変更ができることを了解されたい。ここに
挙げた提案は当業者が本発明及びその原理を一層
良く了解し、従つて各々特定の用途条件に最適と
なるべく本発明を設計変更して種々の形態で実施
できるようにとの目的から選択して含めたのであ
る。

本発明は、凝塊、パレツト又はそれらの混合体
の形態の鉄鉱石の粒子を還元するための直接還元
高炉に好ましく実施される場合について説明す
る。当該技術分野の当業者には、本発明はもつと
広い用途として例えば貯溜用容器又はサイロのよ
うな、高温の金属鉄を含んだ粒子を取り扱うため
の他の形式の容器に適用できることが明らかであ
ろう。

第１図を参照すると、代表的な場合、断熱され
かつ耐火材を張られた円筒形状の上方領域１０を
含む高炉が示されており、この炉では前記鉄鉱石
を金属鉄に変換するための高熱還元ガスの上昇流
に、逆方向に運動する鉄鉱石粒子下降炉床が接触
するようにされている。

鉄鉱石粒子は少なくとも一つの送りパイプによ
つて高炉に送られるが、このパイプは前記高炉の
頂部と共同してガス出口２４に通ずるガス遊離室
（gas disengaging plenum）を形成する。換気さ
れる還元ガスはこの出口から前記炉を出て行く。

粒子の炉床２０はガス取り入れ口１４を通つて
前記炉にはいる高熱還元ガスにより加熱される。
このガスは、次いで分配室（distribution
plenum）１６に流入して均等に分配され、送り
オリフイス１８によつて前記炉床に送られる。こ
られオリフイスは場合によつて連続的な室の形態
をとつてもよい。炉床２０は還元ガスの入り口点
の付近でその700℃ないし1000℃程度の最高温度
に到達し、炉の下方領域１２を下に向けて連続的
に流れる。

領域１２は固体流出出口２８に向けてテーパ付
けされたコーン形状もので、高熱DRI粒子に直接
接触する滑らかな炭素鋼製の金属表面を有する。
コーン壁３２は複数の熱交換ジヤケツト３４，３
６，３８により囲まれており、これらジヤケツト
各々は、壁の温度、従つて領域４０，４２、及び
４６におけるDRI粒子の温度が炉からの一様かつ
円滑なDRI炉床流を確実ならしめる所定の高さに
維持されるように、前記ジヤケツトを循環する冷
却流体量を選択的に制御し又は停止するための在
来形式の調整装置（図示してない）によつて、冷
却流出、好ましくは液体の水若しくは蒸気、を循
環せしめる個別の装置を有する。

前記コーン領域１２の最下方部分には、適当な
支持装置５１により支持された壁３２によつて確
定される容器に固定された金属製の壁５０があ
る。この装置５１は壁と接触するDRI粒子の温度
に必要とされる壁５０の熱的膨張及び変形を許容
する。壁５０は、熱損失を最小化するに必要であ
れば任意選択的に断熱材料５２の層で囲まれ、ま
た連続的な壁３２により密閉される。ジヤケツト
３４，３６、及び３８を通して循環する冷却流体
量を調整することより、壁３２の領域４０と接触
している粒子の層は100℃ないし300℃の程度まで
下げられる。その結果、コーン底部１２内に適当
な多量流を確実に維持することにより還元領域１
０全体に、一様の固体流が得られる。

本開示において、冷却率及び冷却ジヤケツトと
コーンと絶縁された部分の相対的寸法は、与えら
れた設計において流出されるDRIの所望の平均温
度を有利に達成すべく、適当に調節できることは
当業者には明白であろう。

本発明のいくつかの実施例ではコーンの断熱さ
れた部分４８は、流れ特性、炉の還元領域で鉱石
が還元されるべき温度、DRIの所望の流出口温度
等に応じて小さく、あるいは全く無くし、又は別
の冷却ジヤケツト（図示して無し）により置換で
きる。

粒子２０の炉床が底部のコーン部分１２を流れ
て下方に運動するにつれて、炉の直径は減少し、
中心付近の粒子が壁付近の粒子よりも早く流れる
ように速度勾配が中心線とコーンの壁との間に作
られる。粒子が下降するにつれて、コーン内のそ
れより上の任意の高さを規準点として、すべての
粒子の平均速度が増大する。これは第２図にグラ
フで示される。これは、ある与えられた仮想材料
および壁表面について計算されたもので、コーン
領域１２の頂部（これはそこで領域１０に内部的
に会合する）がR₁で示され、領域１２の底部流
出口がR₂により示され、R₁は領域１２の中心に
おける中間点を示す。

従つてR₂の曲線は壁（角度16゜）から流出口の
中心線（角度0゜）までの速度の差を示す。コーン
領域の頂部における、R₁に対する曲線により示
される速度差は非常に小さいことがわかる（拡大
された尺度で示したとしても、この曲線の形は非
常に類似する）。

壁に最接近した粒子の層は粒子が領域４０の水
冷表面に接触するので、過度の急唆な壁角度を要
せずに壁に沿つて流れる冷えた粒子の境界層上を
粒子の高熱炉床が下方に運動するように、冷却さ
れる。

第３図は第２図に使用したと同一の材料、壁表
面及び寸法の数学的モデルに基づいて計算された
コーン領域１２の壁３２付近の粒子に対する温度
プロフイルを示す。これはR₁の粒子がすべて800
℃の一様温度に有すると仮定している。この800
℃等温線から（流出流特性を改良するために壁に
冷却が加えられたにもかかわらず）大抵の粒子は
なんの冷却もされずに流出されることが了解され
よう。これは流出口２８における粒子の平均温度
はこの例では697℃である事実を説明している。
驚くべきことに、この境界層は、DRI粒子の炉床
の熱的拡散性の値が低いために炉の寸法に比較し
てかなり薄いことが発見されている。これはほと
んどすべての粒子が高熱にとどまることを許す一
方、壁に接触しているか又は非常に接近している
比較的小数の粒子はその流れ特性が炉のすべての
領域内で多量流を発生するように冷却される。粒
子の炉床が下降するにつれ、壁上の速度は第３図
に示すように境界層を保持しながら増大する。最
後に、粒子は炉から出た後、典型的な場合その後
の処理を受ける間に、冷却された粒子が他の粒子
により再び加熱されるように混合される。このよ
うにして温度はさらに加えるDRI高温処理、例え
ば高熱ブリケツチング又は直接溶解等、に適した
均一かつ適当なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例の装置の鉛直
断面図である。第２図はコーン内の三つの異なる
高さに対応するいろいろのコーン角度（選んだ代
表的放出コーンの中心線からその外側壁まで、す
なわち0゜＜θ＜16゜）におけるコーン半径すなわ
ちR₁，R₁及びR₂（第３図参照）における粒子の相
対速度を示すグラフである。第３図は計算で求め
た、第２図の放出コーンの壁からの温度プロフイ
ルを示す極座標グラフの一部である。 符号の説明、１０……高炉上方部分（還元領
域）、１２……炉の下方部分（コーン底部）、１４
……ガス取り入れ口、１６……分配室、１８……
送りオリフイス、２０……粒子炉床、２６……固
体流出口、３２……コーン壁、３４，４６，３８
……熱交換ジヤケツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 還元領域内で鉛直に下降する該粒子状鉄鉱石
   の多量流運動炉床を700℃以上の高温で還元する
   工程と、得られた該還元済み粒子の炉床を少なく
   とも一つの流出口まで下方流出領域内で下方に収
   束的にテーパ形状とする工程と、500℃以上の平
   均温度で該流出口から該還元済み粒子を流出する
   工程とを備え、凝塊、パレツト又はそれらの混合
   体の形態の粒子状鉄鉱石のガス還元による鉄の生
   成方法において、 該流出領域が比較的滑らかな容器表面により確
   定されることと、該容器表面の少なくとも一部の
   冷却によつて、かかる冷却がないときの流量率に
   対して相対的に該表面における粒子の実効流量率
   を増大させるに適したある速度および程度にて、
   該表面と接触している還元済み粒子を充分に冷却
   することとを特徴とする直接還元鉄の生成方法。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の方法におい
   て、該流出領域内のスポンジ鉄の主要体積を実質
   的に冷却することなく該容器壁表面に隣接したス
   ポンジ鉄層を実質的に冷却するため、該容器表面
   の少なくとも上方部分を制御可能に能動的に冷却
   することを特徴とする直接還元鉄の生成方法。 ３ 特許請求の範囲第１または２項に記載の方法
   において、該流出領域内の粒子の中心部分にはほ
   とんど又は全く冷却が生じないことにより、該還
   元領域及び該流出領域内の多量流形態（mass−
   flow pattern）を維持するに要する流出領域の高
   さを実質的に短縮化することを特徴とする直接還
   元鉄の生成方法。 ４ 前記特許請求の範囲第１〜３項のいずれかに
   記載の方法において、該容器表面の冷却が、該表
   面及び該炉床内の他粒子に対する該粒子の摩擦角
   を減少させるに適当な速度及び程度で、該表面に
   接触している還元済み粒子を冷却するに十分であ
   ることにより、少なくとも該還元領域内で多量流
   形態が実質的に維持され、その結果還元領域から
   流出口までの流出領域の長さが著しく短縮される
   ことを特徴とする直接還元鉄の生成方法。 ５ 前記特許請求の範囲第１〜４項のいずれかに
   記載の方法において該流出領域が単一の流出口を
   有していることおよび該容器表面がコーン形状で
   あることを特徴とする直接還元鉄の生成方法。 ６ 前記特許請求の範囲第１〜５項のいずれかに
   記載の方法において、該容器表面が鉛直に対し
   10゜ないし20゜の間の円錐角を有することを特徴と
   する直接還元鉄の生成方法。 ７ 前記特許請求の範囲第１〜６項のいずれかに
   記載の方法において、該容器表面が金属壁製の内
   部表面であると共に該表面の少なくとも一部分の
   該冷却が冷却流体を該壁に接触させて循環させる
   ことにより遂行されることを特徴とする直接還元
   鉄の生成方法。 ８ 前記特許請求の範囲第１〜７項のいずれかに
   記載の方法において、別個に制御可能な複数の冷
   却領域が該壁に沿つて相互に共心的に隣接されて
   確定されていること並びに該領域の冷却が該多量
   流の形態及び該還元済み粒子の所望の平均流出温
   度を維持しうるように選択的に制御できることを
   特徴とする直接還元鉄の生成方法。 ９ 前記特許請求の範囲第１〜８項のいずれかに
   記載の方法において、該壁の該別個の領域に接触
   して循環する冷却流体の相対量を調節することに
   より該選択的制御が行われることを特徴とする直
   接還元鉄の生成方法。 １０ 前記特許請求の範囲第１〜９項のいずれか
   に記載の方法において、該冷却流体が水であるこ
   とを特徴とする直接還元鉄の生成方法。 １１ 前記特許請求の範囲第１〜１０項のいずれ
   かに記載の方法において、該冷却が該壁の上方部
   分の冷却であること及び該壁の比較的下方部分に
   接触する粒子の温度が50℃ないし400℃の温度領
   域内にあることとを特徴とする直接還元鉄の生成
   方法。 １２ 前記特許請求の範囲第１〜１１項のいずれ
   かに記載の方法において、該冷却が該壁の上方部
   分の冷却であること並びに該下方部分からの熱損
   失を低減するために該壁の比較的下方部分を断熱
   することとを特徴とする直接還元鉄の生成方法。 １３ 前記特許請求の範囲第１〜１２項のいずれ
   かに記載の方法において、該壁の比較的下方部分
   に接触する粒子の温度が100℃ないし300℃の温度
   範囲内にあることを特徴とする直接還元鉄の生成
   方法。 １４ 前記特許請求の範囲第１〜１３項のいずれ
   かに記載の方法において、該容器表面がコーン形
   状であつて鉛直線に対し10゜ないし20゜の範囲の円
   錐角を有することを特徴とする直接還元鉄の生成
   方法。 １５ 該還元が700℃以上で行なわれ、鉛直高炉
   と、重力の下に実質的に詰め合い流の形態で該炉
   を下降する該鉄鉱石の運動炉床を包含しうるよう
   にされた上方還元部分と、一般的に下方にテーパ
   付けられたコーン形状を有する下方領域と、該下
   方領域の円錐頂点にある流出オリフイスとを有
   し、凝塊、パレツト又はそれらの混合体の形態の
   粒子状鉄鋼石をガス還元するようにした鉄の生成
   装置において、 該下方領域が金属製の比較的に滑らかな表面の
   コーン壁を有すること、その場合該下方領域がそ
   の内容物全体の全般的な能動的冷却から孤立され
   ていること、該還元された粒子が該壁に接触して
   又は少なくとも密に隣接しているため該粒子初期
   温度を急速にかつある実質的な温度まで低下させ
   るべく該下方領域の該壁の少なくとも一部分を冷
   却するための局所的冷却装置が該下方領域に含ま
   れること、その場合該下方領域の鉛直線に対する
   円錐角が、該下方領域の能動的冷却が全く無いと
   きに該炉の還元部分及び下方領域に通過する実効
   多量流を実現する角度よりも大きいこと、ならび
   に該角度が、該局所的冷却装置のあるときに該炉
   の還元部分及び下方領域を通過する多量流を阻害
   する角度よりも小さいことを特徴とする直接還元
   鉄の生成装置。 １６ 特許請求の範囲第１５項に記載の装置にお
   いて、該下方部分を流れる粒子によるいかなる余
   分の不必要な熱損失をも低減すべく該コーン形状
   の下方領域が断熱されていることを特徴とする直
   接還元鉄の生成装置。 １７ 前記特許請求の範囲第１５〜１６項のいず
   れかに記載の装置において、該冷却装置が、該下
   方領域の該壁の少なくとも一部分に接触して冷却
   流体が循環される熱交換ジヤケツトであることを
   特徴とする直接還元鉄の生成装置。 １８ 前記特許請求の範囲第１５〜１７項のいず
   れかに記載の装置において、該冷却装置が該下方
   領域の該壁の予定領域を選択的にかつ別個に冷却
   するための複数の装置を含むことを特徴とする直
   接還元鉄の生成装置。 １９ 前記特許請求の範囲第１５〜１８項のいず
   れかに記載の装置において、該冷却流体が水であ
   ることを特徴とする直接還元鉄の生成装置。