JP4790124B2

JP4790124B2 - 溶融鉄を製造する方法

Info

Publication number: JP4790124B2
Application number: JP2000576066A
Authority: JP
Inventors: ドライ、ロドニイ、ジェームズ
Original assignee: テクノロジカルリソーシズプロプライエタリーリミテッド
Priority date: 1998-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2019-10-14
Also published as: EP1137815A4; CN1240850C; ATE294243T1; EP1137815B1; KR20010099690A; DE69925029D1; KR100586143B1; DE69925029T2; EP1137815A1; US6440195B1; AUPP647198A0; CN1323357A; JP2002527616A; WO2000022176A1

Description

【０００１】
本発明は、溶融金属（本用語は金属合金を含む）を製造する方法、特に、決して鉄のみに限るわけではないが、溶融浴を含む冶金容器中で、鉱石、部分還元鉱石および金属を含有する廃棄物等の金属含有供給材料から溶融金属を製造する方法に関する。
【０００２】
本発明は、特に金属含有供給材料から溶融金属を製造する方法および装置に関し、
（ａ）金属含有供給材料を部分的に還元しそして少なくとも部分的に溶融する装置、および
（ｂ）溶融し部分的に還元した供給材料を完全に還元する装置
を組み合わせることを基本とする。
【０００３】
予備還元／溶融装置の一例は、サイクロン変換器である。
還元装置の一例は、溶融浴を含む容器である。
【０００４】
Ｆａｓｓｂｉｎｄｅｒらの米国特許第４，８４９，０１５号およびＤｅｎＨａｒｔｏｇらの米国特許第５，８００，５９２号には、予備還元／溶融装置と還元装置との上述した組み合わせを用いる、鉄鉱石から溶融鉄を製造する特定の方法が開示されている。
【０００５】
本発明の１つの目的は、予備還元／溶融装置と還元装置とを組み合わせて、鉄鉱石から溶融鉄を製造する新規な方法を提供することである。
【０００６】
本発明によれば、予備還元／溶融装置内で鉄含有供給材料を部分的に還元し且つ少なくとも部分的に溶融する段階、および還元装置内で部分的に還元された前記鉄含有供給材料を還元装置内で完全に還元する段階を含む、前記鉄含有供給材料から溶融鉄を製造する方法が提供される。ここで、還元装置は、鉄層と、該鉄層上部のスラグ層とを有する溶融浴を含有する容器を含み、そして、前記方法が、
（ａ）前記金属層に向かって下方に延在する２つ以上のランス／羽口を通して、前記溶融浴の鉄高濃度領域中に搬送ガスを用いて固体炭素質材料を注入する段階であり、（ｂ）前記金属層から上方に向かう、材料の小滴、飛沫および液流の動きを起こさせて、
（ｉ）前記スラグ層中で前記鉄層から来る材料を混合し、また前記鉄層中で前記スラグ層から来る材料を混合し、かつ
（ｉｉ）前記溶融浴の上の空間内に延在する移行帯を形成させる前記注入段階と、
（ｂ）前記容器中に下方かつ内側に向かって延在するとともに、少なくとも部分的に溶融し部分的に還元された前記鉄含有供給材料との接触が最小となるように配置された２つ以上のランス／羽口を通して、酸素含有気体を前記容器内に注入し、且つ前記溶融浴中で発生した反応気体の一部を再燃焼させる段階と、
（ｃ）前記溶融浴中で発生した前記反応気体の少なくとも一部を還元気体として前記還元装置から前記予備還元／溶融装置へと上方に流動させ、前記予備還元／溶融装置内で前記鉄含有供給材料を部分的に還元させる段階と、
（ｄ）前記予備還元／溶融装置内に酸素含有気体を注入し、前記反応気体の一部を再燃焼させ、それにより部分的に還元された鉄含有供給材料の少なくとも一部を溶融させる熱を発生させる段階とを含むことを特徴とする。
【０００７】
ここで、用語「鉄高濃度領域」は、鉄が高濃度に存在する溶融浴の領域（または複数領域）を意味する。例えば、鉄層は鉄高濃度領域の一種である。
【０００８】
用語「鉄層」は、大部分が鉄である浴領域を意味する。具体的には、本用語は、連続する鉄領域中における分散した溶融スラグを含む領域または帯域を範囲とする。
【０００９】
用語「スラグ層」は、大部分がスラグである浴領域を意味する。具体的には、本用語は、連続するスラグ領域中における分散した溶融鉄を含む領域または帯域を範囲とする。
【００１０】
用語「移行帯」は、本明細書に示す（少なくとも大部分がスラグである）溶融材料の小滴、飛沫および液流を含む連続する気体の領域を意味する。
【００１１】
好適には、２つ以上のランス／羽口が容器の側壁を貫通して、鉄層に対して内側かつ下方に向かって延在している。
【００１２】
鉄層への固体炭素質材料および搬送ガスの注入は、噴射法において溶融材料の小滴、飛沫および液流を上方に移動させるのに充分であることが好ましい。
【００１３】
下方に延びるランス／羽口を介して鉄層中へ固体炭素質材料および搬送ガスを注入することは、以下の結果を有する。
【００１４】
（ｉ）固体炭素質材料／搬送ガスの勢いにより固体炭素質材料およびガスが鉄層に浸透する；
（ｉｉ）主として石炭等の固体炭素質材料から揮発成分が除去され、それにより鉄層で気体が発生する；
（ｉｉｉ）炭素は大部分が金属に溶解し、そして一部は固体として残存する；
（ｉｖ）鉄層中に移動しそして揮発成分の除去により発生した気体は、鉄層からの材料に大きく浮力を与え、その結果、前記のように材料の小滴、飛沫および液流を上方に移動させることとなり、そしてこれらの小滴、飛沫および液流がスラグ層を通って移動する際にさらにスラグと混合される。
【００１５】
段落（ｃ）で示した材料は、固体／気体注入の結果として鉄層上部から鉄層中に引き込まれる溶融鉄（これは溶解した炭素を含む）および溶融スラグを含む。
【００１６】
唯一の選択肢という訳ではないけれども、上述した材料の小滴、飛沫および液流を上方に移動させる他の選択肢は、鉄層と接触する容器底部中または容器側壁中の１つまたは１つ以上の羽口を介して固体炭素質材料および搬送ガスを注入することである。
【００１７】
好ましくは、少なくとも部分的に溶融し部分的に還元された鉄含有供給材料が還元装置中に下方に流動するように、より好ましくは溶融浴におけるスラグ層の激しく攪拌された中心領域中に流動するように、予備還元／溶融装置を還元装置の上部に位置させて還元装置と連通させる。
【００１８】
好ましくはこの配置で、還元装置内で生成した高温反応気体は、予備還元／溶融装置中へと上方に流動する。
【００１９】
以上示したように、鉄層からの材料の小滴、飛沫および液流の上方への移動は、スラグ層中での鉄層からの材料の混合および鉄層中でのスラグ層中の材料の混合を促進する。好ましくは、混合の程度は、スラグ層が組成および温度についてほぼ均一であるのに充分な程度である。
【００２０】
層間で材料を混合すると、鉄中に溶解している炭素により溶融浴中に存在する金属酸化物の還元を促進する。これに関連して、鉄層中へ固体炭素質材料を注入すると、鉄層中に炭素（およびできる限り固体炭素）が高濃度に溶解し、その結果鉄層が強力に還元されることになる。
【００２１】
鉄中に３．５重量％より高い濃度で炭素が溶解していることが好ましい。
【００２２】
予備還元／溶融装置中に鉄含有供給材料を供給する前に、鉄含有供給材料を予備加熱する段階を含むことが好ましい。
【００２３】
廃棄ガスとして予備還元／溶融装置から反応気体を放出し、そして高温であれ低温であれこの廃棄ガスで鉄含有供給材料を予備加熱する段階を含むことが好ましい。
【００２４】
酸素含有気体を容器および予備還元／溶融装置に注入する段階（ｂ）および（ｄ）において、溶融浴中で生成した反応気体を少なくとも７０％の再燃焼濃度になるまで再燃焼させることが好ましい。
【００２５】
用語「再燃焼」は、

を意味する。（式中、
［ＣＯ_２］は反応気体中のＣＯ_２容量％；
［Ｈ_２Ｏ］は反応気体中のＨ_２Ｏ容量％；
［ＣＯ］は反応気体中のＣＯ容量％；および
［Ｈ_２］は反応気体中のＨ_２容量％である）。
【００２６】
より好ましくは、容器中での再燃焼という面での用語「再燃焼」とは、他の目的では補助的な炭素質材料を何ら添加せずに再燃焼することも意味している。
【００２７】
段階（ｂ）における容器中への酸素含有気体の注入は、容器中下方におよび内部に延びる２つ以上のランス／羽口を介することが、および予備還元／溶融装置から容器中へと下方に流動する材料を回避するようにランス／羽口を配置することが好ましい。
【００２８】
移行帯は３つの理由により重要である。
第１に、材料の小滴、飛沫および液流を上昇させてその後下降させることは、容器中の反応気体を再燃焼することにより発生する熱を溶融浴に移行する効果的な方法である。
【００２９】
第２に、移行帯中での材料および特に溶融スラグは、容器の側壁を介しての放射による熱損失を最小化させる効果的な方法である。
【００３０】
第３に、移行帯中の粉塵含有炭素は、容器の側壁への放射による熱損失を減少させる。
【００３１】
好ましくは、容器は、
（ａ）容器から溶融金属およびスラグを放出する蛇口、および
（ｂ）反応気体を予備還元／溶融装置に移行する１つまたは１つ以上の排気口、
を含有する。
【００３２】
酸素含有気体が酸素であることが好ましい。
本発明によれば、上述したステップを行うための装置も提供される。
【００３３】
より具体的には、本発明は、鉄含有供給材料から溶融鉄を製造する装置を提供し、これは鉄含有供給材料を部分的に還元し少なくとも部分的に溶融する予備還元／溶融装置、および少なくとも部分的に溶融し部分的に還元された供給材料を完全に溶融し還元する還元装置を含み、この還元装置は鉄層および鉄層上部にスラグ層を有する溶融浴を含む容器を含有し、この予備還元／溶融装置は容器上部に直接配置されて容器と連動しており、これによって少なくとも部分的に溶融し部分的に還元された供給材料が容器の中心領域中へと下方に流動され、そしてこの還元装置はさらに、
（ａ）溶融浴の鉄高濃度領域に搬送ガスを用いて固体炭素質材料を注入する１つまたは１つ以上のランス／羽口、
（ｂ）容器中で発生した反応気体を再燃焼する容器中に酸素含有気体を注入する２つ以上のランス／羽口、容器中に下方かつ内側に延び、そして予備還元／溶融装置から下方に流動する、少なくとも部分的に溶融し部分的に還元された供給材料との接触が最小となるように配置された２つ以上のランス／羽口、および
（ｃ）容器からの反応気体の少なくとも一部を再燃焼する予備還元／溶融装置中に酸素含有気体を注入する２つ以上のランス／羽口を含む。
【００３４】
以下、添付図面を見ながら本発明の一例について説明する。
【００３５】
以下の説明は、鉄鉱石から溶融鉄を製造することに関連し、本発明はこの用途に制限されず、如何なる適切な金属含有材料にも適用可能である。
【００３６】
図１に関して、鉄鉱石は一連の貯蔵器３からサイクロン変換器５の形状である予備還元／溶融装置中に搬送され、サイクロン変換器５中で（一例としてＦｅＯにまで）部分的に還元し少なくとも部分的に溶融される。
【００３７】
サイクロン変換器５は還元装置上部に直接配置されており、この還元装置は、
（ａ）金属層およびスラグ層を有する溶融浴１５を含み、溶融金属およびスラグを引き出すために適切な装置（示していない）を有し、そしてサイクロン変換器５中に直接開口している反応気体の出口を有する冶金容器７、および
（ｂ）容器７中に固体炭素質材料および任意には融剤を注入するためのランス／羽口１１、および容器７中に酸素を注入するためのランス／羽口１３であり、容器の側壁を貫通して容器内で下方かつ内側に向かって延在しているランス／羽口１１，１３、の形状である。
【００３８】
容器７およびランス／羽口１１，１３の適切な形状および容器７中で金属含有供給材料を還元する適切な方法は、本出願者名で国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９９／００５３７およびＰＣＴ／ＡＵ９９／００５３８に総括的に記載されている。これらの出願特許に提供されている特許明細書中の開示事項は相互参照として組み込まれる。
【００３９】
図１のプロセスフローシートは、ランス／羽口１１を介しての金属層１５中への固体材料および搬送ガスの注入を含む。好ましいプロセスフローシートの特徴は、注入された固体材料が固体炭素質材料（典型的には石炭）および好適には１つまたは１つ以上のスラグ形成剤（典型的には石灰）に限定されることである。金属層中への固体炭素質材料および搬送ガスの注入の結果として生成し金属層に移動した気体は、金属層からの（固体／気体注入の結果として金属層中に引き出される）溶融金属、固体炭素および溶融スラグに大きな浮力を与え、これは溶融材料および固体炭素の小滴、飛沫および液流を上方へ移動させ、そしてこれらの小滴、飛沫および液流はスラグ層を通って移動する際にスラグと混合される。
【００４０】
溶融材料および固体炭素の浮力は、金属層およびスラグ層中を実質的に攪拌し、その結果スラグ層の容量が増大する。攪拌の程度は、スラグ層中で金属層からの材料を強く混合する程度および金属層中でスラグ層からの材料を強く混合する程度である。
【００４１】
加えて、溶融金属、固体炭素および溶融スラグの浮力により引き起こされる、材料の小滴、飛沫および液流の上方への移動は、容器中溶融材料上部の気体空間に延びて移行帯を形成する。
【００４２】
サイクロン変換器５の直径は、容器７の直径に比べて比較的小さく、サイクロン変換器５は容器７の上部中央に配置されている。したがって、サイクロン変換器５中で製造される少なくとも部分的に溶融し部分的に還元された鉄鉱石は、溶融浴１５の中央領域中へと下方に流動し、溶融浴１５中で完全に還元される。金属層とスラグ層との間の材料を混合すると、完全な還元が効率的かつ効果的に行われる。
【００４３】
容器７内の溶融浴１５中で起こっている反応は、（ＣＯおよびＨ_２等の）反応気体を発生させ、そして気体は容器７を通して上方へ移行する。酸素設備１９で製造された酸素を、ランス／羽口１３を介して溶融浴１５上部の容器７内の気体空間に注入し、そして移行帯およびその他の気体空間部分中にある反応気体の一部を再燃焼する。材料の小滴、飛沫および液流を上昇させその後下降させるために熱を遷移し、そして金属／スラグが金属層に戻る際に熱を金属層に遷移させる。サイクロン変換器５から下方に流動する材料との接触による損傷を回避する位置にランス／羽口５を配置する。
【００４４】
容器７中で発生した再燃焼された反応気体は、サイクロン変換器５中へと上方に流動し、サイクロン変換器５に供給された鉄鉱石を部分的に還元する還元気体として作用する。
【００４５】
加えて、酸素設備１９で製造された酸素を、サイクロン変換器５中に注入し、サイクロン変換器５中の少なくとも一部の反応気体を再燃焼させ、そして部分的に還元された鉄鉱石を溶融させる熱を発生させる。
容器７およびサイクロン変換器５中での合わせた再燃焼濃度は、少なくとも７０％である。
【００４６】
廃棄ガスはダクト１７を介してサイクロン変換器５から放出される。ダクト１７は、水パネルにより最初に廃棄ガスを冷却しその後廃棄ガスを急冷する水冷装置９を含み、これにより廃棄ガスから混入固体を除去し廃棄ガス中の水蒸気含有率を低下させる。
【００４７】
急冷された廃棄ガスは、ライン２７を介して遷移され、燃料ガスまたは燃焼排ガスとして使用される。
【００４８】
図２に示したプロセスフローシートは、図に示したフローシートの成分全てを含む。
【００４９】
加えて、図２に示したプロセスフローシートにおいて、鉄鉱石をサイクロン変換器５に供給する前に、予備加熱装置２９中で鉄鉱石を予備加熱する。予備加熱装置２９は、ライン３１を介して供給される水冷装置９からの燃料ガスの一部を用いて運転される。予備加熱装置２９を用いることは、生産性および運転費の面において、特に鉄鉱石の発火損失の程度が大きい場合（例えば結晶水）に有利である。更には、鉄鉱石の発火損失の程度が大きい場合、予備加熱装置２９は、鉄鉱石粒子がサイクロン変換器５中で高温に曝される時に鉄鉱石粒子の熱焼け（thermal decrepitation）を最小化するという利点を有している。
【００５０】
下記に示した表は、記載した運転条件下において、図１および２のプロセスフローシートに関しての熱および物質バランスを提供している。
【００５１】

【００５２】
鉄鉱石は北アメリカで産出され、乾燥状態で鉄６８．２％、ＳｉＯ_２０．６％およびＡｌ_２Ｏ_３０．９５％を含有していた。
【００５３】
石炭は、発熱量３３．９ＭＪ／Ｋｇ、灰分５．４％および揮発成分濃度１４％であった。他の特徴として、全炭素９０．０％、Ｈ_２Ｏ２．０％、Ｎ_２１．３％、Ｏ_２３．２％およびＨ_２４．０％を含んでいた。
【００５４】
本発明の精神および意図から逸脱せずに、上述のように本発明の方法および装置の好適な実施形態のため多くの修飾を行うことができる。
【００５５】
一例として、本発明はサイクロン変換器の使用に制限されるのではなく、如何なる適切な予備還元／溶融装置にも広げることができる。
【００５６】
さらにその上、上述した実施形態は容器７内の金属層中に全ての固体炭素質材料を注入することを含み、本発明は固体炭素質材料の一部を容器７に上部充填または他の方法で供給する実施形態に範囲を広げることが容易に理解される。
【００５７】
さらにその上、上述した実施形態はランス／羽口１１を介して金属層中に搬送ガス、固体炭素質材料および任意にはスラグ形成剤を注入することを含み、金属含有供給材料等の他の固体材料を金属層中に注入する実施形態に範囲を広げることが容易に理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法および装置の１つの好ましい実施形態の概略図でのフローシートである。
【図２】本発明の方法および装置の他の好ましい実施形態の概略図でのフローシートである。

Claims

予備還元／溶融装置内で鉄含有供給材料を部分的に還元し且つ少なくとも部分的に溶融する段階、および部分的に還元された前記鉄含有供給材料を還元装置内で完全に還元する段階を含む、前記鉄含有供給材料から溶融鉄を製造する方法であって、
少なくとも部分的に溶融し且つ部分的に還元された前記鉄含有供給材料が前記還元装置の中心領域中へと下方に流動するように、前記予備還元／溶融装置を前記還元装置の直上位置に配置して前記還元装置と連通状態になし、前記還元装置は、鉄層と、該鉄層上部のスラグ層とを有する溶融浴を含有する容器を含む、前記鉄含有供給材料から溶融鉄を製造する方法において、
（ａ）前記鉄層に向かって下方に延在する２つ以上のランス／羽口を通して、前記溶融浴の鉄高濃度領域中に搬送ガスを用いて固体炭素質材料を注入する段階であり、前記鉄層から上方に向かう、材料の小滴、飛沫および液流の動きを起こさせて、
（ｉ）前記スラグ層中で前記鉄層から来る材料を混合し、また前記鉄層中で前記スラグ層から来る材料を混合し、かつ
（ｉｉ）前記溶融浴の上の空間内に延在する移行帯を形成させる前記注入段階と、
（ｂ）前記容器中に下方かつ内側に向かって延在するとともに、少なくとも部分的に溶融し部分的に還元された前記鉄含有供給材料を回避する位置にある２つ以上のランス／羽口を通して、酸素含有気体を前記容器内に注入し、且つ前記溶融浴中で発生した反応気体の一部を再燃焼させる段階と、
（ｃ）前記溶融浴中で発生した前記反応気体の少なくとも一部を還元気体として前記還元装置から前記予備還元／溶融装置へと上方に流動させ、前記予備還元／溶融装置内で前記鉄含有供給材料を部分的に還元させる段階と、
（ｄ）前記予備還元／溶融装置内に酸素含有気体を注入し、前記反応気体の一部を再燃焼させ、それにより部分的に還元された鉄含有供給材料の少なくとも一部を溶融させる熱を発生させる段階とを含み、
前記段階（ｂ）および（ｄ）において前記溶融浴中で発生した前記反応気体の少なくとも７０％の再燃焼率になるまで再燃焼させることを特徴とする鉄含有供給材料から溶融鉄を製造する方法。
前記予備還元／溶融装置内に前記鉄含有供給材料を供給する前に、前記鉄含有供給材料を予備加熱する段階を含む請求項１に記載された鉄含有供給材料から金属を製造する方法。
前記予備還元／溶融装置からの反応気体を廃棄ガスとして放出し、この廃棄ガスで前記鉄含有供給材料を予備加熱する請求項２に記載された鉄含有供給材料から溶融鉄を製造する方法。