JPH0688143A

JPH0688143A - 金属鉱石の溶融還元方法

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Publication number: JPH0688143A
Application number: JP5042695A
Authority: JP
Inventors: Karl Brotzmann; ブロッツマンカール
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 1992-03-04
Filing date: 1993-03-03
Publication date: 1994-03-29
Anticipated expiration: 2013-01-19
Also published as: EP0563559A3; ES2115688T3; DE69318750D1; KR930019835A; DE4206828C2; CN1078499A; EP0563559A2; ZA931339B; KR0159789B1; DE4206828A1; ATE166669T1; BR9300745A; EP0563559B1; DE69318750T2; AU3394593A; TW210356B; JP2698525B2; AU658717B2; US5401295A; CN1036471C

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、金属鉱石を１またはそれ以上の段
階で部分還元した後に溶解反応装置内で完全に金属にま
で還元する複合処理系を含む金属鉱石の溶融還元方法に
関し、経済的に生産性を向上させることを目的とする。【構成】複合処理は少なくとも３つの処理単位を有
し、溶解反応装置が１つの処理単位を構成すると同時に
金属鉱石の部分的還元を他の少なくとも２つの処理単位
で行い、上記少なくとも３つの処理単位の各々において
異なる廃ガスを生成させる、金属鉱石の溶融還元方法に
おいて、上記部分的還元装置すなわち処理単位Ｃからの
部分還元された鉱石を上記溶解反応装置すなわち処理単
位Ａの溶湯中に供給し、処理単位Ａで発生した後燃焼し
た廃ガスを初期還元装置すなわち処理単位Ｂに供給しそ
こで完全に燃焼させ、複合処理の系外へ排除するように
構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属鉱石を１またはそ
れ以上の段階で部分的に還元し、次に溶融反応装置内で
完全に還元する複合処理を含む金属鉱石の溶融還元法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】金属と酸素との化合物、望ましくは金属
鉱石を溶融浴中で還元すること、および炭素質燃料と酸
素質ガスとによって溶湯に必要なエネルギーを供給する
ことは新しいことではないし、溶融還元法に関して多く
の特許権や先行刊行物が存在する。

【０００３】種々の空気吹き精錬法を用いた製鋼分野で
は、鉱石を転炉内で炭素還元する努力が既になされてき
ている。吹込み媒体中の含有物質のうちで特に酸素は、
上記の炭素の一部を酸化することによって、必要な熱を
発生させる作用がある。ドイツ特許第６０５９７５号
（１９３２発行）に記載されている方法においては、吹
込み媒体と炭素とは別個にそして交互に溶湯に供給さ
れ、そして興味深いのは、炭素を炭素質ガスの形で用い
ている点である。このことについてはその特許請求の範
囲にも次のように表現されている。「羽口を設けた転炉
または空気吹き炉内で、鉱石を溶鉄溜まり内で還元し、
酸素質吹込み媒体により搬送された炭素を添加する製鋼
方法において、空気または酸素富化空気または純酸素
と、中性ガスまたは炭素自体を放出するか還元作用を持
つガスとを交互に、吹込み媒体および炭素搬送体として
用いる製鋼方法。」溶融金属浴内で金属鉱石の還元を経済的に行うための基
本的な方策は、溶融浴上方のガス空間において反応ガス
（主としてＣＯおよびＨ₂）を後燃焼させ、発生した熱
を溶融浴にリサイクルすることであった。この、反応ガ
スの後燃焼および溶融浴への発生熱の有効な再伝達につ
いては、鋼精錬における熱バランスの向上法として世界
各国で特許になっている方法、例えば米国特許第４，１
９５，９８５号に最初に記載されている。この米国特許
の第１４欄第３９行には、製鋼時の冷却材としてスクラ
ップの代わりに鉄鉱石を用いることも記載されている。
この方法の特に効果的な形および後燃焼率を高めるよう
に改良を加えた方法および専用の装置については、国際
的に特許になっている方法および反応ガスの後燃焼装置
例えば米国特許第５，０５２，９１８号に記載されてい
る。

【０００４】炭素量２〜３％の鉄および粗鋼を製造する
非常に巧妙な方法がドイツ特許第３３１８００５号に記
載されている。この方法では、溶鉄約１２０トンを収容
する溶解（メルトダウン）容器内で、１時間に約７０ト
ンの粗鋼が製造される。この方法は複合システムであ
り、溶解反応装置、ガス調整容器、および鉱石予備還元
用シャフト炉を用いる。鉱石から鉄を製造するこの方法
は、鉄溶湯から出てくる反応ガスが溶解容器内で部分的
に後燃焼し、その結果発生した熱の大部分が溶湯に伝達
され、反応ガスは鉱石還元容器への進行中に還元剤で還
元および冷却されることを特徴とする。この方法の特徴
は上記の生産性にのみあるのではなく、８０，０００Ｎ
ｍ³／ｈという比較的少量のリサイクルガスで鉄鉱石１
１０トンを金属化率約７５％まで還元でき、また炉から
排出される使用済ガスの組成はほぼＣＯ４１％、ＣＯ₂
３０％、Ｈ₂２３％、Ｈ₂Ｏ１％、Ｎ₂４％程度であ
り、これは例えば加熱用の有効なガスとして使用できる
という特徴もある。

【０００５】以上説明した従来技術が、溶融還元法を経
済的に実施できるように一歩一歩前進させたことは明ら
かである。例えば、製鋼分野において鉄鉱石の還元に関
する基本的な考え方は比較的古くからあるが、上記の一
番最後に引用した方法では、その実施例において溶融還
元法を実際の生産に適用した例が製造実績値およびガス
の組成および量と共に示されている。これとは対照的
に、新たに特許された溶融還元法の多くは、単に公知の
処理工程を並べたに過ぎず、その方法による製造量およ
び材料バランスについての定量的なデータは全く示され
ていない。その一例として無作為に米国特許第４，９８
５，０６８号を参照すると、そのメインクレームには次
のように記載されている。「(a) 予備還元した酸化鉄を
周囲を囲まれた溶解炉内に供給する工程、(b) 天然ガス
の余剰分を酸素で燃焼させることにより上記酸化鉄を加
熱、溶解および還元して溶融金属とし、解離した炭素を
この溶融金属中に溶かし込むことによりこの溶融金属を
加炭し、そして反応済の廃ガスを生成する工程、(c) 上
記周囲を囲まれた溶解炉内の該溶融浴の上方に高温の空
気を導入し、上記廃ガスの一部を酸化してフリューガス
（燃焼ガス）を生成させる工程、(d) このフリューガス
を清浄化し、約８００℃から９５０℃の温度にまで冷却
する工程、(e) 上記酸化鉄を上記清浄化したフリューガ
スと接触させて上記予備還元を行わせる工程、および
(f) 生成した溶融鉄を取り出す工程を含んで成る酸化鉄
の溶融還元法。」１９９１年９月にグラスゴウで開催された欧州製鉄会議
(European IronmakingConference)で、Cusack/Hardie/B
urke が提出した溶融還元法の発展に関する膨大な報告
書"HIsmelt - Second Generation Direct Smelting"(Ｈ
Ｉ溶融還元法−第二世代の直接溶融還元法）には、多数
の重要なプロセスパラメータとそれら相互の関係を示さ
れている。そこでは、反応ガスの後燃焼の度合いの関数
としての鉱石の予備還元の度合いと、それに応じて製鉄
上必要になる石炭について、また従来の溶融還元法の発
展段階およびその基本的な特徴について論じられてい
る。ＨＩ溶融還元プロセスのための単純化された材料お
よび熱バランスが述べられており、建設中の生産能力１
４トン銑鉄／毎時すなわち１００，０００トン／年の実
証プラントについて述べられている。

【０００６】上記従来の金属鉱石の溶融還元法の多くに
は、鉱石予備還元工程を溶解容器と組み合わせることか
ら来る幾つかの共通する欠点があり、それは従来法に基
づいたパイロットプラントや生産設備でも具体的に現れ
ている。従来の生産能力すなわち単位時間当たりの金属
生産量は比較的低い。これは恐らく、溶解反応装置にお
けるエネルギー転換率が高いことに原因がある。またも
う一つの驚くべきことは、処理過程で排出されるガスの
量およびその残留エネルギー量に差異はあるものの、ど
の従来方法でも処理過程で比較的熱量の高いかなりの量
のガスが排出されてしまうことである。これについて
は、溶解容器から出る部分的に後燃焼したガスを金属化
率の比較的低い鉱石の予備還元に利用する方法でも状況
は同じである。依然としてこの方法の経済性は、余剰ガ
スの販売で得られる利益いかんにかかっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、溶融
還元プラントの溶解容器における生産性を経済的に見合
う形で大幅に向上させることができる、すなわち単位時
間当たりの溶融金属収量を従来公知の方法よりも飛躍的
に高め且つプロセス全体でのガスの利用率を高めること
ができる方法を提供することを目的とする。すなわち本
発明は、溶融還元法による金属製造の経済性を向上させ
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、本発明に
よれば、複合処理プロセスが少なくとも３つの処理単位
を持ち、溶解反応装置が１つの処理単位を構成すると同
時に金属鉱石の部分還元処理を他の少なくとも２つの処
理単位で行い、上記少なくとも３つの処理単位の個々に
おいて異なる排ガスを生成させ、上記溶解反応装置で発
生する廃ガスを部分還元用の１つの処理単位内のみに導
くことによって達成される。

【０００９】すなわち本発明は、金属鉱石を幾つかの段
階で部分的に還元し、次に溶解反応装置内で完全に還元
して金属とする複合処理を含み、この複合処理は少なく
とも３つの処理単位を有し、上記溶解反応装置が１つの
処理単位を構成すると同時に上記金属鉱石の部分的還元
を他の少なくとも２つの処理単位で行い、上記少なくと
も３つの処理単位の各々において異なる廃ガスを生成さ
せる、金属鉱石の溶融還元方法において、上記部分的還
元装置すなわち処理単位Ｃからの部分還元された鉱石を
上記溶解反応装置すなわち処理単位Ａの溶湯中に供給
し、処理単位Ａで発生した後燃焼した廃ガスを初期還元
装置すなわち処理単位Ｂに供給しそこで完全に燃焼さ
せ、上記複合処理の系外へ排除することを特徴とする金
属鉱石の溶融還元方法である。

【００１０】

【作用】本発明の方法によれば、幾つかの処理単位から
成る複合処理系として構成された溶融還元プラントの溶
解反応装置内での溶湯浴の生産効率を、予測し得ない手
段により、種々の溶融還元プラントのほぼ２倍に高める
ことができる。更に、本発明の方法は、溶湯浴１トンを
生成するための石炭消費量を公知方法に比べて１０％以
上も低減することができる。恐らく、このように燃料消
費を節約できる理由は、溶解反応装置内での反応ガスの
後燃焼率が驚くほど高いことであり、また同時にガスの
後燃焼で発生するエネルギーが極めて効率良く溶融金属
浴に伝達されることであろう。

【００１１】鉱石の予備還元を組み込んだ従来の溶融還
元法はいずれも、溶解容器からの反応ガスを金属鉱石の
予備還元に用いている。金属鉱石の予備還元に用いるこ
とができる還元ガスを用意するためには、溶解容器内で
の反応ガスの後燃焼率を低くしてもしなくてもよい。溶
解容器内での後燃焼率を高くした場合、廃ガスはその還
元ポテンシャルを高めるために適切な調整処理を施す必
要がある。そのためのガス調整処理装置は細密なもので
あり、ガスはＣＯ₂洗浄するために冷却する必要があ
る。清浄化したガスを、金属鉱石の還元に都合の良い温
度まで再び加熱する。公知のように、溶解反応装置から
の廃ガスを鉱石還元容器への搬送中に炭素や天然ガスの
ような適当な還元剤で直接に還元するためには、これま
ではこの処理工程の操作の安定性および再現性を確保す
ることが困難であった。

【００１２】この点について本発明は、驚くべき好結果
が得られる全く新規な方法を提供するものである。基本
的な点は、複数但し３つ以上の処理単位から成る、金属
鉱石の溶融還元のための複合処理系である。用語「処理
単位」は、従来法の工程に対して本明細書中で意図的に
用いたものであり、複合処理系全体の中で各単位がそれ
ぞれ別個の装置（具体的な構造は限定しない）を構成す
ることを明確にすることを意図している。個々の処理単
位についてプロセスエンジニアリングの設計データを単
に調整するだけで、本発明の複合処理のために材料のフ
ローを均一にすることができる。例えば、少なくとも２
つの部分還元単位のそれぞれを多段階の構造にすること
ができる。また、金属鉱石の部分還元のための処理単位
の１つあるいは全てとして、多段階の循環流動床を用い
ることができる。

【００１３】本発明の方法は、鉄鉱石または鉄含有鉱石
の還元に特に適している。但し、本発明の方法は、１種
またはそれ以上の遷移金属の酸化物、特にバナジウム、
クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜
鉛、および鉛の酸化物、望ましくは主成分が鉄である酸
化物を含む鉱石、ダスト類、および類似の物質に対して
全般的に適している。

【００１４】本発明の金属鉱石の溶融還元のための複合
処理系の有利な構成は、３つの処理単位から成ることが
でき、そのうち処理単位Ａを溶解反応装置とすることが
できる。溶解反応装置からの廃ガスは後燃焼率が高く、
処理単位Ｂすなわち金属鉱石の予備加熱および初期還元
装置に直接送り込まれる。この処理単位Ｂからのあ廃ガ
スは完全に燃焼させられ、その物理的残留熱は例えば直
接あるいは熱交換器を介して加熱に利用することができ
る。処理単位Ｂにおいて加熱されそして恐らくある程度
還元された金属鉱石は、第３の処理単位Ｃすなわち実際
の部分還元装置に供給され、そこで明瞭に高い金属化率
にまで予備還元され、次に処理単位Ａすなわち溶解反応
装置に供給される。

【００１５】本発明の方法では、量、ガス組成、および
熱量の異なる廃ガス流が個別の３つの処理単位から発生
する。以下の説明においては、後燃焼率でガス組成を表
現する。後燃焼率は、方法全体、複合処理および個々の
処理単位を評価する上で重要な特性である。％表示した
後燃焼率は下記のように定義される。ＡＢ＝１００％×〔ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ〕／〔ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ＋Ｈ₂〕ここで、ガス成分量の単位は vol％ＡＢ＝後燃焼率（％）である。

【００１６】溶解反応装置内で反応ガスとして溶融金属
浴から出現するのは実際上はＣＯおよびＨ₂だけであ
り、これらが浴上方のガス空間内で酸素または空気によ
って後燃焼するので、各処理単位の廃ガスの成分は（微
量の不純物を別にすれば）ＣＯ、Ｈ₂、ＣＯ₂、Ｈ
₂Ｏ、および後燃焼用空気のＮ₂だけである。例えば、
ガス組成が１６．３％ＣＯ、１０．０％ＣＯ₂、３．５
９％Ｈ₂、９．８９％Ｈ₂Ｏおよび６０．２３％Ｎ₂の
ときの後燃焼率は、定義によれば５０％である。以下の
説明において、後燃焼率についてのこの表現はガス組成
についての実質的な量としても適用する。

【００１７】本発明による金属鉱石を溶融還元するため
の複合処理系の上記有利な構造では、高品位の鉄鉱石か
ら約３．５％炭素の溶融鉄１トンを製造する際に、それ
ぞれの処理単位で下記のように廃ガス流が発生する。溶
解反応装置すなわち処理単位Ａからは温度１６８０℃、
後燃焼率６０％のガス約２０００Ｎｍ³が流出し、予備
加熱および初期還元装置すなわち処理単位Ｂに流入す
る。この処理単位から流出する廃ガス流は、温度約９０
０℃、後燃焼率１００％（完全燃焼）のガス約２６００
Ｎｍ³である。処理単位Ｃすなわち部分還元装置では、
石炭と酸化性ガス（主として高温空気）から還元性ガス
が選択的に生成し、この装置から流出するガスは温度９
５０℃、後燃焼率３０％、熱量１．２Ｍｃａｌ／Ｎｍ³
の高品位燃焼ガスが約８２５Ｎｍ³である。このガスは
例えば高温空気を生成させるため等に利用できる。

【００１８】本発明の溶融還元方法を行うために複合さ
せる各処理装置あるいは各処理単位は、例えば下記のよ
うに作製および設計することができる。溶解反応装置す
なわち処理単位Ａとして、傾斜させたドラム容器に、そ
の浴面下の位置には保護媒体で囲んだ羽口を設け、また
種々の固体の供給手段と、反応容器の上部空間内で反応
ガスを後燃焼させるための１個または２個以上の酸素ま
たは酸素質ガス上吹き羽口とを設ける。実際に試用され
た浴面下羽口は、ドイツ特許第２４３８１４２号に記載
されているように一般的な同心円状の２重管構造のもの
であり、それに加えて、例えば溶解反応装置内の所定領
域で浴の運動を促進するために別の循環用ガスを供給す
るための単管である。また、上記容器のスラグ帯域に循
環ガスおよび反応ガスを供給することも本発明の範囲内
である。もちろん、上記容器あるいはそのライニングの
側壁または所定の供給高さにも、高い位置に羽口を設け
る。溶解反応装置のガス空間に後燃焼用酸素を供給する
ために、幾つかの単管を用いてもよいし、あるいは通孔
が幾つかある金属ブロックを通してシャワー状にガスジ
ェットを噴出させる、いわゆるブロック羽口を用いても
よいし、あるいは望ましくは米国特許第５，０５１，１
２７号による上吹き羽口を用いてもよい。後燃焼用の酸
素質ガスとしては、純酸素、空気、または酸素富化空
気、望ましくは高温の空気すなわち予熱された空気（酸
素を添加あるい無添加）を用いることができる。

【００１９】固体はいずれも、浴面下から装入してもよ
いし、浴面上に装入してもよい。溶湯中への望ましい固
体装入方法は、その組成、粒度および温度に応じて、浴
面下に装入すると共に、上吹き羽口あるいはその内部に
ある専用の供給管からも装入することである。例えばプ
ラントの種々の部位で選別されたダストを底部羽口を通
して溶湯中に再投入することもしばしば行われている。
石炭（通常はその全量のうちの一部が必要）および鉱石
（場合によっては、予熱および部分還元された鉱石も加
わる）を同時に底部羽口から溶解反応装置内へ吹き込
む。しかし通常は、予熱された高温の鉱石は処理単位Ｃ
から溶解反応装置へ上方から直接投入される。

【００２０】本発明の方法においては、溶解反応装置す
なわち処理単位Ａから出た廃ガスは予熱装置すなわち処
理単位Ｂに流入する。この処理単位のプラント形態は制
限しない。例えば、回転式管状炉あるいはシャフト炉あ
るいは普通の流動床であってよい。循環式流動床が有利
であることが分かった。この循環式流動床内で、溶解反
応装置からの廃ガスが酸素または空気望ましくは高温空
気によって完全に燃焼させられる。しかし、この廃ガス
の還元ポテンシャル（還元能力）は金属鉱石を予備還元
するために予め利用され、予備還元された金属鉱石は導
入された熱により更に乾燥および加熱される。石灰石を
この循環式流動床内で更に脱酸し、生成した生石灰を例
えば溶解ガス化装置内で造滓材として用いることができ
る。更に、装入材料特に造滓材をここで加熱（場合によ
ってはカ焼）することもできる。廃ガスの後燃焼で発生
する余剰エネルギーは、循環式流動床の公知の冷却体で
水蒸気を発生させる作用をする。この処理単位Ｂから出
る廃ガスは完全燃焼しており、温度は約９００℃であ
る。予熱された鉱石は循環式流動床を出るときの予備還
元率が通常は１０〜３０％であるが、この鉱石を処理単
位Ｂ内で単に乾燥および加熱のみを行い、予備還元率の
非常に低い状態あるいは予備還元を全くしない状態で、
実際の部分還元装置すなわち処理単位Ｃに供給すること
も本発明の範囲内である。

【００２１】本発明によれば、部分還元装置すなわち処
理単位Ｃは循環式流動床である。一般的に知られている
ように、循環式流動床は材料の流れる順序で混合室、上
昇管およびサイクロンによって実質的に構成され、サイ
クロンには混合室への固体還流管がある。このような流
動床反応装置（例えばフラックスフロータイプのもの）
では、装入材料は混合室に装入され、上昇管は冷却系
（主に熱交換器）を持っている。温度約９００℃の僅か
に予備還元された鉱石と一緒に、予備加熱および初期還
元装置（処理単位Ｃ）からの造滓材を石炭および燃焼に
必要な酸素（望ましくは高温空気として）と共に装入す
る。固体材料を、望ましくは粒状化あるいは粉砕した状
態で、通常の量の搬送ガスと一緒に部分還元装置へ気流
により供給する。

【００２２】本発明によれば、処理単位Ｃ内でそこに導
入された酸化性ガスで燃焼できる量よりも多い量の石炭
を供給することにより、望みの高品位還元性ガスを生成
させる。この余剰石炭は揮発成分が部分還元装置内で除
去され、これにより生成したコークスと予備還元された
鉱石（金属化率は通常５０％程度止まり）と処理単位Ｃ
からの造滓材とが一緒に溶解反応装置（処理単位Ａ）に
流入し、これによりこの複合処理系内の材料循環の輪が
完結する。

【００２３】循環式流動床およびそれによる金属鉱石の
選択的部分還元作用および高エネルギーの有用な廃ガス
を生成する制御された作用は、本発明の金属鉱石の溶融
還元方法の本質的な特徴である。この処理単位によっ
て、溶解反応装置内での反応ガスの後燃焼率とは関係な
く還元ガス自体と鉱石の予備還元率とを最適化すること
ができるし、溶解反応装置の廃ガスを再利用することが
できる。石炭と燃焼用酸素との量的比率だけでなく、循
環式流動床内での鉱石の滞在時間および気流搬送用ガス
あるいは付加的な不活性ガスの量も、金属鉱石の金属化
率を３０％〜７０％、望ましくは３５％〜６５％に調節
するために用いることができる。

【００２４】また本発明では、循環式流動床内でそこに
導入された石炭から揮発成分が除去される際に付加的に
コークスが生成するため、溶解反応装置へ加熱媒体とし
ての炭素を極めて経済的に供給することができる。例え
ば、部分還元装置内に供給された石炭の半量程度がコー
クスとして、金属化率約５５％、温度９５０℃の部分還
元金属鉱石と一緒に溶解反応装置に供給される。この状
況下では、驚くべきことに、同一装入重量および同一寸
法の溶解反応装置で従来法の約２倍の銑鉄を生成させる
ことができる。このように溶解反応装置の生産性が高ま
る結果、既に説明した経済的利点として例えば造滓材の
カ焼およびコークスの生成があるだけでなく、容器の耐
火ライニングのコスト、設備の熱損失および全般的な運
転および人員のコストが銑鉄生産量に比例して増加しな
いことによる経済的な改善効果もある。

【００２５】従来知られている鉄鉱石の溶融還元法で
は、溶解容器への平均装入量に対する時間当たりのトン
数で表した生産速度（以下、生産指数と呼称する）は、
０．６以下である。例えば、ドイツ特許第３３１８００
５号には、平均鉄溶湯重量１２０トンの溶解容器で１時
間当たり７０トンの銑鉄が製造されることが記載されて
いる。この場合の生産指数は０．５８である。ここで
「溶解反応装置内の鉄溶湯の平均重量」とは、溶解容器
内の溶湯を全量または一部出湯する前後の容器内重量の
算術平均である。本発明の方法によれば、生産指数を
０．８以上、更には１．０以上にすることができる。

【００２６】本発明においては、既に説明したように３
つの処理単位を複合させることで驚異的な高生産性と顕
著な経済的改善効果とが得られるが、この複合処理系に
在来の装置およびガスの外部利用等を含めた処理装置を
更に付け加えることも本発明の範囲内である。すなわ
ち、処理単位Ｂを多段式の流動床としたり、同タイプま
たは異種タイプの別個の２基の装置で構成したりするこ
とができる。例えば、回転式管状炉を循環式流動床と組
み合わせることができる。処理単位Ｃを１基の循環式流
動床ではなく、ほぼ個別に作動する２基の循環式流動床
装置として作動させると有利である。このようにする
と、１基目の循環式流動床内での後燃焼率を高めに調整
すること、すなわち添加された石炭の持つ化学的エネル
ギーの利用を促進することができる。これにより、２基
目の循環式流動床内では鉱石の金属化率を高めることが
できるようになる。このように処理単位を付加するこ
と、すなわち処理単位Ｃの後に２基目の循環式流動床を
設けることにより、石炭消費量が約２０％低減されるの
で、複合処理系としてのエネルギーバランスにとって有
利になる。

【００２７】生産性を高め、更にできれば必要エネルギ
ー量すなわち石炭消費量を低減するために望ましい態様
においては、石炭消費量および反応ガスの後燃焼に有利
になるように高温空気の温度を高めることである。通常
に生成される高温空気は温度が高々１２００℃である。
空気を予熱するために普通利用されている、公知の溶融
還元法で発生する廃ガスでは、高エネルギーガスを添加
しないで高温空気の温度を更に上昇させることはできな
い。処理単位Ｃからの高エネルギー廃ガスを用いれば、
高温空気の温度を容易に１４００℃程度まで上昇させる
ことができる。この空気加熱用装置としては、例えばド
イツ特許第３８４１７０８号に記載されている、いわゆ
るペブルヒータを用いることができる。

【００２８】上記と同じ目的で更に有利な態様において
は、高温空気の酸素富化を行う。高温酸素の酸素富化は
酸素濃度５０％まで可能である。しかし、僅かな酸素富
化、例えば酸素量２５％以下でも、非常に効果的であ
る。本発明の方法の特に有利な態様においては、上記２
つの有利な態様を組合せ、高温空気の温度上昇と酸素富
化とを同時に行う。例えば、高温空気の温度を１３５０
℃にすると共に酸素量を約２５％増加させた場合、溶融
銑鉄生成量１トン当たり約５０ｋｇの石炭が節約でき、
溶解反応装置での生産性が約４０％高まるという予期し
得ない効果が得られた。

【００２９】最後に、物理的な熱供給、例えば高温に加
熱した不活性な挙動をするガスの供給により、個々の処
理単位の必要エネルギーの一部を賄うことも本発明の範
囲内である。温度９００〜１６００℃、望ましくは１２
００〜１４００℃の複数種類のガスを用いることができ
る。例えば、処理単位Ｂからの完全燃焼しリサイクルさ
れたガス、二酸化炭素および窒素が有用であることが分
かった。これら高温のガスによる熱供給は、上記タイプ
のガスのみに限定されないことはもちろんであり、同等
のガスあるいはその混合ガスであってもよい。

【００３０】本発明の方法は燃料の選択の自由度が非常
に高い。固体、液体、気体の燃料を単独または混合して
用いることができる。ガスフレーム炭（gas flame coal
s)から無煙炭までどの品位の石炭も用いることができる
し、グラファイトおよびアルミニウムの製造で発生する
可燃性残滓も使える。製油所の残滓、重油の全等級、デ
ィーゼル油や家庭用燃料まで含めた全てのタイプの油を
用いることができる。ガス燃料については、天然ガス、
メタン、エタン、プロパン、ブタン、およびこれらの混
合ガスが適していることが分かった。

【００３１】以下に、添付図面を参照して、実施例によ
り本発明を更に詳細に説明する。

【００３２】

【実施例】図１に、金属鉱石の溶融還元を行うために少
なくとも３つの処理単位を有する本発明の複合処理系を
示す。処理単位Ａは、耐火ライニング（図示せず）を有
し溶湯浴２を収容する溶解反応装置１を含んで構成され
ている。反応する材料は、底部羽口３と、浴面上方の供
給手段４と、酸素質ガス望ましくは高温空気のための上
吹き羽口５から、溶解反応装置１のガス空間６に吹き込
まれる。溶湯２から出る反応ガスはガス空間６内で羽口
５からの高温空気の酸素と反応し、その際に発生する熱
は８０％より高い効率で溶湯２に伝達される。その結果
生じた廃ガスは矢印７で示した廃ガス口から溶解反応装
置１の外部へ排出される。生成した溶湯浴およびスラグ
は流出口８から溶解反応装置１外へ出る。

【００３３】処理単位Ｂすなわち予備加熱および初期還
元装置は、混合室１０と、蒸気発生用熱交換器１２を備
えた上昇管１１と、固体還流管１４および排出口１５を
備えたサイクロン１３とを含んで構成されている。処理
単位Ａからの廃ガスは、流入口１７を通って処理単位Ｂ
の混合室１０に流入する。導入されたガスの後燃焼およ
び鉱石のための高温空気と、カ焼されるべき造滓材と
は、開口１８から混合室１０に流入する。この処理単位
の廃ガスは開口１６から排出される。流出口１９は、予
備加熱された固体を処理単位Ｃへ気流搬送するためのも
のである。

【００３４】処理単位Ｃでは、全ての固体材料が注入口
２０を通して混合室２１に流入する。これら固体材料と
しては、加熱され初期還元された金属鉱石、カ焼され加
熱された造滓材、および石炭があり、気流搬送に必要な
搬送ガスも含まれる。酸素質ガス（通常は高温空気）
は、注入口２２を通して混合室２１内に供給され、混合
室２１に導入された石炭を燃焼（望ましくは部分的に燃
焼）させるために用いられる。処理単位Ｃからの固体材
料（すなわち主として高い金属化率にまで選択的に還元
された金属鉱石と、造滓材と、コークス）は、流出口２
３から流出し溶解反応装置すなわち処理単位Ａに流入す
る。処理単位Ｃからの比較的高エネルギーの廃ガスは、
廃ガス口２４から流出して、これを消費する装置、例え
ば高温空気生成用のペブルヒータのバーナー等に供給さ
れる。

【００３５】処理単位Ｃおよびこれと同様に本実施例で
は循環式流動床である処理単位Ｂは基本的に下記のよう
に作動する。開口２０および固体還流管２９を通って固
体材料が混合室２１に供給され、注入口２２から流入し
てくる酸素質ガスによって燃焼する。このガスおよび固
体によって流動床が形成され、冷却器２５を備えた上昇
管３０の中を上昇する。冷却器２５には流入口２６から
水が供給され、発生した蒸気は流出口２７から排出され
る。流動床は次に接線方向からサイクロン２８に流入
し、このサイクロン２８内で固体分をほぼ除去された廃
ガスが廃ガス口２４から排出される。固体分の一部は固
体管３１および流出口２３を通って溶解反応装置に流入
し、他の部分は固体還流管２９を通って混合室２１に戻
る。この固体流の分割は、制御弁（図示せず）例えばス
ライド弁やセル状回転仕切り弁のような排出手段によっ
て分割される。混合室から出た固体流は、前述のように
装置内を再び循環する。

【００３６】以下に、幾つかの例によって本発明を更に
詳細に説明する。下記の例で記載した数値データは全
て、高品位の鉄鉱石例えば典型的な豪州鉱石から１トン
の溶融銑鉄を製造する場合のものである。各例では溶解
反応装置の規模そしてまた銑鉄製造量も比較的小規模と
し、溶解反応装置内の溶湯重量が平均で約１５トンのパ
イロットプラントに対応する程度とした。鉱石の予備還
元すなわち処理単位ＢおよびＣは、例えばフラックスフ
ロータイプの循環式流動床として具体的構造を決めた。

【００３７】第１例は、例えばＨＩ溶融還元法に関して
公表されているような鉱石予備還元段階を組み込んだ溶
融還元容器を用いた公知方法を記載した比較例である。
石炭約７００ｋｇとリサイクルダスト約１５０ｋｇと
を、底部羽口から溶融還元容器に供給し、予備還元率２
０％、温度９００℃の鉱石を浴面の上方から供給する。
後燃焼用として、温度１２００℃の高温空気約２８００
Ｎｍ³を溶湯上方のガス空間に吹き込む。溶融還元容器
から、温度１７００℃、後燃焼率５０％の廃ガス３７０
０Ｎｍ³が鉱石予備還元段階としての循環式流動床内に
流入する。この流動床には造滓材３５０ｋｇと鉱石１６
００ｋｇとが装入される。この装置からの廃ガス量は２
３００Ｎｍ³であり、その温度は９００℃、後燃焼率は
７０％である。熱量は約０．３５Ｍｃａｌである。この
公知方法では、最大生産速度として７トン／時間を得る
ことができ、これは生産指数にすると０．４７になり、
生成するスラグ量は約４００ｋｇ／トン銑鉄である。

【００３８】これに対して本発明の方法では、同じ溶解
反応装置を用いて生産速度約１３トン／時間、生産指数
にして０．８７を得ることができる。保護媒体で囲まれ
た底部羽口３から、石炭約１００ｋｇとプラント全体か
らのリサイクルダスト約２５０ｋｇとを必要な搬送ガス
と一緒に溶解反応装置１に導入する。供給手段４から、
石炭２５０ｋｇと、予備還元率６５％、温度９５０℃の
予備還元鉱石約１３００ｋｇとが、溶解反応装置１の溶
湯中に流入する。後燃焼用として、溶湯２からの廃ガス
と、温度１２００℃の高温空気約１５５０Ｎｍ³とを、
後燃焼用羽口５からガス空間６内に吹き込む。廃ガス口
７から、温度約１７００℃、後燃焼率約６０％の廃ガス
約２０００Ｎｍ³が流出し、流入口１７を通って予備加
熱・初期還元装置の混合室１０内に流入する。この処理
単位Ｂには、流入口を通して造滓材３５０ｋｇ、鉱石１
５００ｋｇ、および高温空気約４５０Ｎｍ³も供給され
る。この処理単位Ｂからの廃ガスの量は２５００Ｎ
ｍ³、温度は９００℃であり、完全燃焼しており、すな
わち後燃焼率は１００％である。この廃ガスは開口１６
から流出し、その物理的熱を利用する箇所へ送られる。

【００３９】この処理単位Ｂからは、予備還元率１１
％、温度９００℃の僅かに還元された鉱石１６００ｋｇ
が流出口１９を通して排出され、処理単位Ｃの循環式流
動床中に流入する。処理装置Ｃには石炭５００ｋｇおよ
び高温空気３００Ｎｍ³も供給する。この装置からの廃
ガスの量は８００Ｎｍ³、温度は９５０℃、後燃焼率は
３０％、熱量は１．２Ｍｃａｌ／Ｎｍ³である。この部
分還元装置からは、この例の最初に記した量の鉱石およ
び造滓材が溶解反応装置に供給される。

【００４０】本発明の典型的な一例においては、生産速
度は約１５トン／時間、生産指数にして１．０である。
部分還元装置（処理単位Ｃ）から溶解反応装置へは、コ
ークス２５０ｋｇと、予備還元率６５％、温度９５０℃
の予備還元鉱石１３００ｋｇと、６０Ｎｍ³の搬送ガス
とが流入する。また、石炭９０ｋｇとリサイクルダスト
約２５０ｋｇが底部羽口を通して流入する。廃ガスの後
燃焼用として、温度１２００℃の高温空気１５００Ｎｍ
³を溶解反応装置内で用いる。後燃焼率７０％、温度１
７００℃の廃ガス約１８００Ｎｍ³が、予備加熱・初期
還元装置（処理単位Ｂ）の流動床内に流入する。この装
置には、造滓材３４０ｋｇ、鉱石１５４０ｋｇおよび高
温空気２７０Ｎｍ³も供給される。処理単位Ｂからは、
温度９００℃の完全燃焼した廃ガス（後燃焼率１００
％）が２３００Ｎｍ³排出される。既に説明したよう
に、この廃ガスは、その物理的熱を利用するための所望
の装置に供給される。

【００４１】部分還元装置（処理単位Ｃ）内では、石炭
５４０ｋｇと高温空気６６０Ｎｍ³から高品位の還元ガ
スが生成し、処理単位Ｂからこの処理単位Ｃに搬送され
てきていた温度９００℃、予備還元率１１％の鉱石１６
００ｋｇを、前記の予備還元率（６５％）まで還元す
る。処理単位Ｃからは、温度９５０℃、後燃焼率３８
％、熱量０．９Ｍｃａｌ／Ｎｍ³の高エネルギー廃ガス
１２００Ｎｍ³が排出される。このガスは本発明の複合
処理系に用いる高温空気をペブルヒータ内で加熱するた
め等に利用することができる。

【００４２】最後に、第３例は本発明の方法の特に有利
な態様を利用するもので、高温空気の温度を高くすると
共に高温空気の酸素富化をも行うものであり、下記の熱
バランスおよび材料バランスが得られる。溶解反応装置
内の溶湯に、浴面下から、石炭約５０ｋｇとリサイクル
ガス約１００ｋｇを、通常量の搬送ガスと一緒に供給す
る。浴面上方からは、予備還元率６０％、温度９００℃
の部分還元鉱石１４００ｋｇを装入する。後燃焼用とし
て、温度１３５０℃、酸素含有量２４．５％の高温空気
約１０００Ｎｍ³を用いる。処理単位Ａから排出され処
理単位Ｂに供給される廃ガスの量は１２６０Ｎｍ³、温
度は１７２０℃、後燃焼率は６６％である。処理単位Ｂ
には、鉱石１５４０ｋｇと、造滓材３３０ｋｇと、前述
と同様の１７２０℃で酸素量が２４．５％の高温空気約
１９０Ｎｍ³とを装入する。処理単位Ｂからは、温度９
００℃の完全燃焼した廃ガス１６８０Ｎｍ³が排出され
る。この予備加熱・初期還元装置から排出される予備還
元率１１％、温度９００℃の鉱石１６４０ｋｇが、石炭
５３０ｋｇおよび高温空気５３０Ｎｍ³と一緒に、処理
単位Ｃの循環式流動床中に流入する。この部分還元装置
からの廃ガスの量は１１００Ｎｍ³、温度は９５０℃、
後燃焼率は４０％、熱量はＭｃａｌ／Ｎｍ³である。

【００４３】この例では、生産速度約２０トン／操業時
間、生産指数にして１．３３という著しく高い生産性が
得られた。本発明の方法は、少なくとも３つの処理単位
を含む複合処理系で金属鉱石をある程度の金属化率にま
で選択的に部分還元すること、そしてこれを溶解反応装
置内で従来得られなかった高い生産性で金属にまで完全
に還元することを可能にするものであり、非常に汎用性
が高いという特徴がある。本発明の方法は、在来の冶金
工場例えば製鋼所等にうまく適用することができるし、
種々の製造条件に良く適合することができる。既に説明
したように、予備加熱・初期還元装置と実際の部分還元
装置とを一段かあるいは多段階の構造にすることができ
る。４つ目の処理単位を、例えばそのために設計された
溶解反応装置に同時に供給するために、主として説明し
た３つの処理単位で構成される複合処理系に付加するこ
ともできる。

【００４４】本発明の処理単位ＢおよびＣからは別個に
廃ガスが流出するため、これら２つの処理単位間の材料
の流れを途中で全量あるいは一部何かに利用することが
容易に行えることが分かった。乾燥および部分還元され
た金属鉱石を全量あるいは一部、ある時間だけ途中で貯
蔵することも考えられる。この操作はエネルギーバラン
ス上は好ましくないが、本発明の複合処理を在来の製造
ラインに適合させる上で有用であり、したがって本発明
の発明の範囲内である。

【００４５】また、操業実績に応じて、個々の処理単位
内での材料フローを変えることにより本発明の複合処理
を適当に改変することも通常の構想の範囲内である。こ
れら実際的な適合化および改善も本発明による方法の範
囲内である。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、金属鉱石の溶融還元を行うために少な
くとも３つの処理単位を有する本発明の複合処理系を示
す概念図である。

【符号の説明】

１…溶解反応装置２…溶湯浴３…底部羽口４…浴面上方の供給手段５…上吹き羽口６…ガス空間７…廃ガス口８…流出口１０…混合室１１…上昇管１２…蒸気発生用熱交換器１３…サイクロン１４…固体還流管１５…排出口１６…開口１９…流出口２０…注入口２１…混合室２２…注入口２３…流出口２４…廃ガス口２５…冷却器２６…流入口２７…流出口２８…サイクロン２９…固体還流管３０…上昇管３１…固体管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属鉱石を幾つかの段階で部分的に還元
し、次に溶解反応装置内で完全に還元して金属とする複
合処理を含み、この複合処理は少なくとも３つの処理単
位を有し、上記溶解反応装置が１つの処理単位を構成す
ると同時に上記金属鉱石の部分的還元を他の少なくとも
２つの処理単位で行い、上記少なくとも３つの処理単位
の各々において異なる廃ガスを生成させる、金属鉱石の
溶融還元方法において、上記部分的還元装置すなわち処
理単位Ｃからの部分還元された鉱石を上記溶解反応装置
すなわち処理単位Ａの溶湯中に供給し、処理単位Ａで発
生した後燃焼した廃ガスを初期還元装置すなわち処理単
位Ｂに供給しそこで完全に燃焼させ、上記複合処理の系
外へ排除することを特徴とする金属鉱石の溶融還元方
法。
【請求項２】処理単位ＢおよびＣが多段階構造を有す
ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】上記溶解反応装置内の上記反応ガスを酸
素質ガスにより５０〜８０％の高い後燃焼率で後燃焼さ
せることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】上記予備加熱あるいは初期還元装置内
で、上記金属鉱石を加熱して０〜３０％の予備還元率で
予備還元することを特徴とする請求項１から３までのい
ずれか１項に記載の方法。
【請求項５】上記鉱石還元容器用の造滓材特に石灰石
とフラックスを、上記予備加熱あるいは初期還元装置内
で脱酸することを特徴とする請求項１から４までのいず
れか１項に記載の方法。
【請求項６】上記予備加熱および初期還元装置からの
加熱されわずかに還元された金属鉱石を上記部分的還元
装置に供給し、そこで余剰石炭により更に還元すること
を特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載
の方法。
【請求項７】添加された石炭の一部は燃焼させ、その
他の部分は上記部分的還元装置内でその揮発成分を分離
することを特徴とする請求項１から６までのいずれか１
項に記載の方法。
【請求項８】上記金属鉱石を上記部分的還元装置内で
金属化率３０％〜７０％まで、望ましくは３５％〜６５
％まで選択的に予備還元することを特徴とする請求項１
から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】上記部分的に還元された鉱石、上記コー
クスおよび上記造滓材を、上記加熱された状態で、上記
部分的還元装置から上記溶解反応装置へ供給することを
特徴とする請求項１から８までのいずれか１項に記載の
方法。
【請求項１０】酸素、空気および酸素富化空気を、全
ての処理単位において添加された燃料の燃焼のために、
そして上記溶解反応装置内での上記反応ガスの後燃焼の
ために用いることを特徴とする請求項１から９までのい
ずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】酸素富化ガス、主として空気および酸
素富化空気を、１０００℃〜１６００℃、望ましくは１
２００℃〜１４００℃の温度に予備加熱することを特徴
とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方
法。
【請求項１２】上記溶解容器内の溶湯の平均重量（単
位トン）に対する溶融浴の生成率（単位トン／時間）で
定義される生産指標を、０．８より大、望ましくは１．
０より大に設定することを特徴とする請求項１〜１１ま
でのいずれか１項に記載の方法。