JPS585229B2 - 冶金利用のための還元ガスを製造する方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、冶金のために、好ましくは鉄鉱石を還元する
ために使用する還元ガスを製造する方法およびこの方法
を実施するための装置に関するものである。

独立して実施される化学プロセスで製造した還元ガスの
使用は、近年、鉄鉱石の還元において重要性を増してき
た。

おもに鉄ペレットを製造するのに役立つ各種のいわゆる
「直接還元プロセス」が次第に広がったことが、還元ガ
スの使用をかなりの程度促進した。

さらに経験に、高炉内での鉱石の還元において、コーク
スの一部分が還元ガスの導入によって置換えられた。

（鈴木続−：製銑技術の最近の進歩、第３３・３４回西
山記念技術講座、（１９７０）、Ｐ、３４、図２４〔日
本鉄鋼協会〕参照） 今日一般的に還元ガスは天然ガスから製造される。

天然ガスは実質的にメ°タンを構成要素として含み、か
つ適切な化学プロセスによってメタンが、約７５％の水
素及び約２５％の一酸化炭素なる概略の組成を有するガ
スへ転化させられる。

同様の組成のガスが他の炭素含有及び炭化水素含有の材
料から製造できることも明白であろう。

還元ガスの製造は、今日一般的に、出発ガス又はガス化
される固体材料の化学的転化 （ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ）後に
、これと同時に生じる二酸化炭素、水蒸気及び二酸化硫
黄のような小量存在する不都合な不純物ガスを還元から
除去するような方法で行なわれる。

不必要な成分ガスを取り除く物理的及び化学的方法がい
くつかある。

これら公知のガス浄化プロセスの共通の欠点は、比較的
に低い温度でしかこれらプロセスが実施できないという
ことにある。

還元ガスから二酸化炭素及び水蒸気を除去することは、
一般的に８００℃以上であるこれらガスの使用温度では
不可能である。

しかしながら冶金的及び経済的な見地の両方から最適な
形態で還元プロセスを行わせしめるために還元プロセス
と調和した好都合な温度で還元ガスを製造するのには、
還元ガスを浄化した後にこのガスを再熱する必要がある
。

ガスを再熱するためには蓄熱式に操業する熱交換器以外
の好ましい各種の熱交換器が使用される。

鉄鉱石を還元する還元ガスの製造のための総合的な装置
一式及び制御システムは比較的高価であり、そしてコス
トが高くなる。

特にこの事は高炉内で使用される還元ガスに当てはまる
。

使用温度が約１３００℃までと高いことに加えて、また
前記ガスを約５気圧までの比較的高い圧力へ圧縮しなげ
ればならない。

このような技術の水準から出発して、本発明が基礎とす
る問題は、鉄鉱石の還元用として適切な還元ガスへ炭素
含有及び／又は炭化水素含有の材料を転化する方法であ
って、最適な条件で冶金のために使用するのに、特に還
元プロセスを操業するために圧力及び温度が必要な値に
なっている方法を提供することにある。

炭素含有及び／又は炭化水素含有の材料を溶融鉄浴内へ
浴液面下で導入し、その場所で酸素及び／又は酸素含有
媒体によって実質的に一酸化炭素水素かつもし必要なら
ば不活性ガスを構成要素として含み、かつ冶金装置内へ
の導入のために十分な圧力の還元ガスへ転化し、そして
この還元ガスを還元プロセスに必要な温度（約７００な
いし１３００℃）へ単に冷却して冶金装置へ直接に導入
するという冶金、好ましくは鉄鉱石還元、のために還元
ガスを製造する本発明に係る方法によって前記問題は解
決されうる。

本発明に係る方法では、溶融鉄浴を有する反応容器の耐
火物内張り内に設けられかつ炭化水素含有媒体による保
護を受けて耐火物の内張りの摩滅と一様に焼失する少な
くとも１本のノズル通して酸素および／又は酸素含有ガ
スを溶融鉄浴内へその浴表面下で導入し、かつ反応容器
の耐火物内張り内に設けられている少なくとも１本のノ
ズルを通して炭素含有および／又は炭化水素含有の材料
を溶融鉄浴内へその浴表面下で導入し、還元ガスを形成
する化学量論的燃焼（ｓｔｏｉｅｈｉｏｍｅｔｒｉ ｃ
ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）のために必要な量割合で前記両
者を導入する。

鉄浴反応容器内にこの溶融鉄が存在することが、使用が
予定されている冶金用途、例えば還元プロセス、に応じ
て還元ガスが有すべきガス圧力の圧力維持を可能にする
。

圧力は常に大気圧より上にあり、すなわち１気圧よりも
大きいことを出発点として採用することができる。

溶融鉄浴中で酸素による炭素含有及び又は炭化水素含有
材料の転化は、実質的に一酸化炭素及び水素を構成要素
として含んでいる還元ガスの製造を可能にする。

溶融鉄浴の介在を伴なわずに前述の材料を直接転化する
ならば、すすが形成されるか、または仮にすすの形成を
抑制するならば二酸化炭素及び水蒸気の割合がかなりの
割合になるであろう。

不都合な成分を除去する還元ガスの浄化は、全体として
のプロセスを非常に高価にしかつその経済性に不利な影
響を及ぼす前述の欠点を導へ低いパーセントでも二酸化
炭素及び水蒸気成分が還元プロセスガスの効果に不利な
影響を有するので、鉄鉱石還元に使用するガスはそれら
の含有量をできるだけ低くしなければならない。

本発明に係る方法では、これら不必要な二酸化炭素及び
水蒸気の少量も存在しない。

還元ガスが含みうるただ一つの物はわずかな量の鉄蒸気
であり、それは冶金、好ましくは鉄鉱石の還元、を害せ
ず、そしてさらに鉄蒸気が通り抜ける際に鉄蒸気は鉱石
上に堆積する。

鉄浴内で製造される還元ガスが反応容器を離れる際にお
およそ１３５０℃から約１４５０°Ｃの温度を一般的に
有する。

しかしながら本発明に係る方法は、この点で特に適応性
があり、かつ前述の温度範囲が広い限度内にて上方及び
下方の両方へ超えることを許容する。

還元ガスの製造プロセスは、溶融鉄浴の温度を調整する
ことによって製造された還元ガス温度が簡単に影響を受
ける限りでは、制御でき、この温度調整は炭素含有及び
炭化水素含有の物質の添加によって浴へ供給された熱量
に依存しており、さらに温度を不活性ガス、窒素及び同
様なガス又はこれらの混合物の添加によって下げること
ができまた酸素含有媒体の予熱によって上げることがで
きる。

各種の炭素含有及び炭化水素含有の材料の使用において
微細に分割した固体材料の使用が有利であると分った。

通常は商業上入手できる種類の石炭全てがその熱容量及
び硫黄含有量とは無関係に使用できる。

明らかに比較的純粋でエネルギーの高い炭素、例えば無
煙炭又はコークスのような炭素、は操業上高い硫黄含有
量を有する低エネルギー品位の石炭よりもほとんど問題
が少ない。

しかしながらスラグ、実質的に高い石灰の塩基性スラグ
、の利用によって、溶融鉄内の硫黄含有量を注目に価す
るほど下げることができる。

本発明に係る還元ガスの製造のために困難を伴なわずに
これら低品質の石炭の使用が可能である。

第１にこれらの有利なコストのため、これらの低エネル
ギ一種類の石灰、例えばかつ炭と炭化したかつ炭及び歴
青成型の石炭のような石炭であって、大抵は［オープン
燃焼石炭（ｏｐｅｎ−ｂｕｒｎｉｎｇ ｃｏａｌｓ）
Ｊの名のもとに流通している石炭がまさに調査された
ものであった。

本発明に係る本方法の重要な利点の１つは、溶融鉄反応
容器内で製造した還元ガスをガスの冶金利用、好ましく
は還元プロセスへ分離あるいは清浄工程を経ることなく
直接に供給することにある。

還元プロセスに必要とされる温度よりも高い温度をガス
が鉄浴反応容器を離れる際に通常有しているので、冶金
装置へのガスの移動中にガスが所望の温度へ冷却される
。

還元ガスの所望な冷却を熱交換器によるオーツドックス
な形態で行うことができる。

還元ガスの温度内で制御された還元を達成する有利な方
法の１つは、例えば窒素のような冷たい不活性ガスを還
元ガスが反応容器から離れる際に還元ガスに加えること
である。

窒素の付加は高炉内での還元ガス利用に特に好都合であ
ると分った。

酸素の製造から安価なガスとして窒素が製鉄工場でしば
しば入手できる。

バラストとして還元ガスへの窒素付加によって冷却段階
から回収される熱量はプロセス内に残っている。

メらに、おもに還元ガスが高い一酸化炭素含有量の還元
ガスである場合には、窒素付加はいわゆるブードアール
反応（Ｂ ｏｕｄｏｕａｒｄｒｅａｃ ｔ ｉｏｎ ）
によってすすを形成する還元ガスの傾向をも大きく抑制
する。

使用のための適切な水準へ温度を調節するために反応容
器に続いて還元ガスへ窒素を上述した如くに付加する代
りに、同じ目的のために、冷却した還元ガスを使用する
ことも可能である。

例えばアル直接還元プロセスでは、還元ガスが低い温度
で還元装置を離れ、かつこのガスから二酸化炭素及び水
蒸気成分を中間冷却を伴なわない簡単な化学プロセスに
よって分離することができる。

この方法で製造された純粋だが冷たい還元ガスを上述し
たように溶融鉄浴内で製造した還元ガスの温度を調節す
るために使うことができる。

反応容器の耐火物内張り内に溶融鉄の浴表面の下方で設
けられかつ炭化水素含有媒体によって保護を受けている
１つ又はそれ以上のノズルを通して、還元ガスを製造す
るための反応成分が溶融鉄浴へ供給される。

酸素の流れは炭化水素又は炭化水素含有のガス及び／又
は液体の保護媒体に囲われている。

反応成分のための上述の供給ノズルが容器の耐火物内張
りの摩滅と一様に焼失する。

本発明を、制限されない実施例及び主要部を示している
図面でさらに説明する。

鉄浴反応容器は、圧力漏れのない薄鋼板の外被１を含み
かつ所望の形を有することができるが好ましくは転炉と
同様な形を有する。

前記容器は耐火物層２を備え、その中に溶鉄浴３があっ
てその上にスラグ４がある。

前記スラグは炭素含有及び／又は炭化水素含有の材料か
ら灰成分及び大部分の硫黄を捕える。

炭素含有及び／又は炭化水素の材料５が酸素６及び炭化
水素含有の保護媒体７と一緒に１つ又はそれ以上のノズ
ル８を通して加圧下にある溶融鉄内へ吹き込まれる。

溶融鉄３とスラグ４の上方の空間９内の圧力は例えば約
５気圧の圧力に達し、この場合には還元ガスは高炉内で
使用のために予定され、また例えば約２気圧である場合
には直接還元プロセスのために使われることになる。

還元ガスが耐火物の内張りされた管１０を通して還元プ
ロセスへ、もし必要ならば意図した中間冷却を伴って、
導入される。

高炉内での還元ガスの使用を下記の実施例１でさらに説
明する。

実施例 １ 例えば毎日５０００ トンの銑鉄生産量を有する高炉が
本発明による還元ガスを製造するための溶融鉄浴反応容
器と協働して操業された。

還元ガスの付加を伴なわない高炉のコークス消費量は銑
鉄１トン当り５５０ｋｇであった。

還元ガスの導入によって銑鉄１トン当りコークス２００
ｋｇが節約され、そして総計で１日当り石炭１． ＯＯ
Ｏトンが反応容器内でガス化された。

この利用のために反応容器は新しく内張りされた状態で
約３０立方メートルの内容積を有した。

それ故に、比較的大きな１基の高炉のために比較的小さ
な１基の付加装置だけが還元ガスを製造するために必要
であった。

この実施例では溶融鉄の温度は約１４５０℃であった。

高炉内の還元ガスの操業温度を決定するうえで、他の高
炉補助装置の操業資料、例えば送風温度、を考慮しなげ
ればならなかった。

通常還元ガスは高炉へ約１０００℃から１３００℃の間
の温度で供給されていた。

例えば室温（２０℃）にて体積で約２０％の窒素の付加
は還元ガスの温度を約１１００℃にした。

体積で約１０％の窒素が加えられ他の状態が同じ場合に
は還元ガスの温度は１３００°Ｃであった。

約２気圧の圧力で操業される直接還元プロセス内で還元
ガスを使用するために製造された場合には、溶融鉄浴反
応容器の容積が上記実施例で記述されたよりも約５０％
大きかった。

直接還元プロセスのための最適の還元ガス温度は一般的
に約７００℃から約１０００℃の間であった。

この実施例で目標とされた温度は約８５０℃であった。

この還元ガス温度は体積で約４５％の窒素の付加によっ
て達成できた。

次に、実施例２により還元ガス製造例を説明する。

実施例 ２ 新たに内張りした状態で約５０立方米の自由炉体績をも
つ６０トン酸素底吹転炉を使用した。

鉄浴中に以下の組成を有する南アフリカ石炭を微細分割
して１時間当り１５トンの割合で２本の炉底ノズルから
導入した。

上記微細分割石炭の導入のキャリアーガスとしては窒素
を用いた。

８本の炉底ノズルより酸素を導入し、この際保護媒体と
して２重量％のプロパンを用いた。

７０トンの鉄を転炉に装入した。

鉄の組成は次のとおりであった。

スラグの組成は次のとおりであった。

スラグの量は石炭量トン当り２００−３００ｋｇで、石
炭の合計量は約１５０トンであった。

酸素流量は石炭量トン当り約５８ＯＮｍ’、８７０ＯＮ
ｍ”／時間相当であった。

窒素（キャリヤーガス）の流量は石炭量トン当り４５Ｎ
ｍ、７０ ＯＮｍ”／時間相当（Ｎ２）であった。

還元ガスの量は石炭量トン当り１９０ＯＮｍ’で、２８
’５００ Ｎｉ／時間相当であり、１５０トンの南アフ
リカ石炭のガス化により２８５００ＯＮｍ’に達した。

還元ガスの組成は次のとおりであった。

基本的な原理を考慮して、上述にて言及した本発明に係
る方法の利用及び装置を拡大しかつ一層発展させること
は本発明の範囲内である。

【図面の簡単な説明】

第１図は１気圧より高い圧力で還元ガスを製造するため
の溶融鉄浴反応容器の断面図である。 １・・“・°薄鋼板の外被、２・・・・・・耐火物層、
３・・−・・溶鉄浴、４．・・・・・スラグ、５−・・
・・・炭素含有及び／又は炭化水素含有の材料、６−・
・・・・酸素、７・・・・・・炭化水素含有の保護媒体
、８・・・−・・ノズル、９・・・・・・空間、１０・
・・−・・管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 鉄鉱石還元に使用するのに特に適する還元ガスの製
   造方法において、 耐火物で内張りされ、かつ大気圧以上の圧力を受けるこ
   とのできる容器内に溶融鉄浴を用意し、前記容器の耐火
   物内張り内に設けられかつ炭化水素含有媒体による保護
   を受けて耐火物内張りの摩滅と一様に焼失する少なくと
   も１本のノズル通して酸素および／又は酸素含有ガスを
   前記溶融鉄浴内へその浴表面下で導入し、前記容器の耐
   火物内張り内に設けられている少なくとも１本のノズル
   を通して炭素含有および／又は炭化水素含有の材料を前
   記溶融鉄浴内へその浴表面下で導入し、それで前記溶融
   鉄浴内で前記炭素含有および／又は炭化水素含有の材料
   と前記酸素および／又は酸素含有ガスとが反応して、実
   質的に一酸化炭素および水素からなりかつほとんど二酸
   化炭素および水蒸気のない還元ガスを高温で製造しかつ
   大気圧以上の圧力を形成し、これらのことが製造した還
   元ガスを鉄鉱石還元のための使用に特に適するようにす
   ることを特徴とする鉄鉱石還元に使用するのに特に適す
   る還元ガスの製造方法。 ２ 前記還元ガスが還元プロセスのために必要とされる
   ７００ないし１３００℃の温度へ冷却されかつ鉄鉱石の
   還元のために直接に使用されることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の製造方法。 ３ 溶融鉄浴反応容器内で製造された前記還元ガスの圧
   力が該容器内で大気圧すなわち１気圧より高く設定され
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項の
   １項に記載の製造方法。 ４ 前記還元ガスを好ましくは約１３５０℃ないし約１
   ４５０℃の温度で製造することを特徴とする特許請求の
   範囲第１項から第３項の１項に記載の製造方法。 ５ 炭素含有および炭化水素含有の材料として、歴青炭
   の各種品質の石炭、例えばガス用炭、かつ炭、炭化した
   かつ炭、コークス、木炭及び同様な材料を別々に及び／
   又は混合物として還元ガスを製造するために使用するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲の第１項から第４項の１
   項に記載の製造方法。 ６ 酸素、空気、熱風、不活性ガス、窒素及び同様なガ
   ス又はこれらガスの所望の混合物を前記還元ガスの製造
   に付加的に使用することを特徴とする特許請求の範囲第
   １項から第５項の１項に記載の製造方法。 ７ 前記溶融鉄浴反応容器から離れた後に、前記還元ガ
   スを不活性ガス及び／又は同様なガス好ましくは窒素の
   導入、冷たい還元ガスの導入あるいは熱交換によって還
   元プロセスのために必要な温度へ冷却することを特徴と
   する特許請求の範囲の第１項から第６項の１項に記載の
   製造方法。 ８ 圧力漏れのない転炉に類似の容器１が耐火物の内張
   り２を有し、この内張りの中にノズルが前記容器１内の
   溶融鉄浴３の浴表面下で設けられていること、および前
   記容器１内の圧力が１気圧より高いことを特徴とする鉄
   鉱石還元に使用するのに特に適する還元ガスの製造方法
   を実施するための装置。