(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）鉄を含有する金属含有材料、（ｂ）固形炭素質供給材料、及び（ｃ）酸素含有ガスを金属及びスラグの溶融浴を収容する直接製錬容器に供給するステップと、
前記容器内で金属含有供給材料を直接製錬するステップと、
溶融金属、溶融スラグ及び排ガスのプロセス産物を生産するステップと
を含む直接製錬プロセスであって、
以下を含むプロセス条件を制御することを特徴とする直接製錬プロセス。
（Ａ）固形酸化物相が溶融スラグの液相から沈殿するように、溶融浴のスラグ組成及び温度をスラグの液相線温度未満に制御し、それにより、溶融スラグが固形材料と液相のスラリーであって且つプロセスの操作温度範囲において溶融スラグが０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有する；
（Ｂ）溶融スラグのＦｅＯ含有量が少なくとも３重量％になるように、金属含有材料の投入を制御する。
【請求項２】
さらに以下を含むプロセス条件を制御することを特徴とする、請求項１に記載のプロセス。
（ｉ）温度及び圧力並びに容器への固形供給材料及び酸素含有ガスの投入速度を含む、直接製錬容器内の操作条件；
（ｉｉ）スラグ組成を含む、溶融浴の組成；
（ｉｉｉ）溶融浴の特性。
【請求項３】
溶融スラグ中の固形材料が溶融スラグの少なくとも５重量％であるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１又は２に記載のプロセス。
【請求項４】
溶融スラグ中の固形材料が溶融スラグの少なくとも１０重量％であるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項５】
溶融スラグ中の固形材料が溶融スラグの３０重量％未満であるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項６】
溶融スラグ中の固形材料が溶融スラグの１５〜２５重量％であるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項７】
金属含有供給材料が鉄鉱石など鉄含有材料である、請求項１から６のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項８】
直接製錬容器内でスラグ温度が１４００〜１５５０℃の範囲にある場合、溶融スラグが０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有するようにプロセス条件を制御することを含む、請求項７に記載のプロセス。
【請求項９】
スラグ中の鉄の濃度（ａ’）と金属中の炭素の濃度（ｂ’）の比である（ａ’）：（ｂ’）を、２：１未満に制御することによってプロセス条件を制御することを含む、請求項７又は請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
前記の比を１：１〜１．３：１に制御する、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
溶融スラグが、溶鉱炉スラグに対して高い酸素ポテンシャルを有するようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１２】
溶融スラグのＦｅＯ含有量が少なくとも４重量％になるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１３】
溶融スラグのＦｅＯ含有量が少なくとも５重量％になるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１４】
金属含有供給材料が鉄含有材料である場合、溶融スラグの炭素含有量が少なくとも３重量％であるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１５】
溶融スラグの炭素含有量が少なくとも４重量％であるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
溶融スラグの粘度が０．５〜４ポアズの範囲にあるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１から１５のいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１７】
溶融スラグの粘度が０．５〜３ポアズの範囲にあるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項１８】
溶融スラグの粘度が２．５ポアズより大きくなるようにプロセス条件を制御することを含む、請求項１６に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属含有供給材料を製錬するためのプロセス及び装置に関する。
【０００２】
本発明は、決して限定するものではないが、特に直接製錬容器内で金属含有供給材料から溶融金属（この用語は金属合金を含む）を生産するための溶融浴型の直接製錬プロセスに関する。
【０００３】
本発明は、決して限定するものではないが、さらに特に、少なくとも部分的に炭素質材料の乾留（ｄｅｖｏｌａｔｉｌｉｓａｔｉｏｎ）の結果として溶融浴中へガスが発生し、そのガスの発生によって溶融浴中に生成した強力な溶湯／スラグ噴射を有する直接製錬容器内で、金属含有供給材料から溶融金属を生産するための溶融浴型の直接製錬プロセスに関する。
【発明の概要】
【０００４】
金属含有供給材料は、金属酸化物を含有するどんな材料であってもよい。金属含有供給材料は、鉱石、部分的に還元された鉱石及び含金属廃液流であってよい。
【０００５】
本発明は、決して限定するものではないが、特に鉄鉱チタン含有砂鉄又はチタン−バナジウム磁鉄鉱など、鉄を含有する金属含有供給材料の製錬に関する。
【０００６】
公知の溶融浴型の直接製錬プロセスは、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスと一般に呼ばれており、出願人の名のもとの非常に多くの特許及び特許出願に記述されている。
【０００７】
別の溶融浴型の直接製錬プロセスは、以下で「ＨＩｓａｒｎａ」プロセスと呼ばれる。Ｈｉｓａｒｎａプロセス及び装置は、出願人の名のもとの国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９９／００８８４（ＷＯ００／０２２１７６）に記述されている。
【０００８】
ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは、特に鉄鉱石からの溶融鉄の生産に関連する。
【０００９】
溶融鉄の生産との関連で、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは、
（ａ）直接製錬容器内で溶融鉄及びスラグの溶湯を形成するステップと、
（ｂ）溶湯に、（ｉ）鉄鉱石、通常は微粉の形、及び（ｉｉ）鉄鉱石供給材料の還元剤及びエネルギー源として作用する固形炭素質材料、通常は石炭を投入するステップと、
（ｃ）溶湯中で鉄鉱石を鉄に製錬するステップと
を含む。
【００１０】
本明細書において用語「製錬する」は、金属酸化物を還元する化学反応が起こって、溶融金属が生産される熱加工を意味すると理解される。
【００１１】
ＨＩｓｍｅｌｔプロセスにおいて、金属含有材料及び固形炭素質材料の形の固形供給材料は、キャリアガスと共に複数のランスを通して溶融浴に投入され、このランスは鉛直に対して傾けられて直接製錬容器の側壁を貫通して容器の下部領域内へと下向き内方に伸びて、容器の底部内の金属層に少なくとも一部の固形供給材料を送出する。固形供給材料及びキャリアガスは、溶融浴を突き抜け溶融金属及び／又はスラグを溶湯の表面の上の空間に射出させ、遷移帯域を形成する。酸素含有ガス、通常は酸素富化空気又は純酸素の噴射は、下向きに伸びるランスを通して容器の上部領域に投入されて、容器の上部領域内の溶融浴から放出された反応ガスの後燃焼を引き起こす。遷移帯域内には、適した質量の上昇しその後に下降する溶融金属及び／又はスラグの液滴又は飛沫又は流れが存在し、これらは、溶湯の上で反応ガスを後燃焼することよって生成した熱エネルギーを溶湯に伝達するのに有効な媒体となる。
【００１２】
通常、溶融鉄を生産する際に酸素富化空気が使用される場合、それは１２００℃程度の温度で供給され、熱風炉において生成される。工業的に純粋な冷たい酸素が使用される場合、通常、それは周囲温度又はそれに近い温度で供給される。
【００１３】
直接製錬容器内の反応ガスの後燃焼で生じる排ガスは、排ガスダクトを通して容器の上部領域から取り除かれる。
【００１４】
直接製錬容器は、下部炉床内に耐火ライニング部分並びに容器の側壁及び屋根内に水冷パネルを含み、水は連続回路内のパネルを通って連続的に循環する。
【００１５】
ＨＩｓｍｅｌｔプロセスにより、大量の溶融鉄、通常は少なくとも０．５Ｍｔ／ａを、直接製錬によって単一小型容器内で生産できる。
【００１６】
ＨＩｓａｒｎａプロセスは、（ａ）固形物投入ランス及び酸素含有ガス投入ランスを含み、溶融金属の溶湯を収容するように適合されている製錬容器と（ｂ）製錬容器の上に位置し、製錬容器と連通している金属含有供給材料を前処理するための製錬サイクロンとを含む製錬装置内で実施される。
【００１７】
本明細書において用語「製錬サイクロン」は通常、円筒形チャンバを画定し、チャンバに供給された供給材料がチャンバの鉛直中心軸の周りの経路を移動し、少なくとも部分的に金属含有供給材料を製錬するのに十分高い操作温度に耐えることができるように構築された容器を意味すると理解される。
【００１８】
ＨＩｓａｒｎａプロセスの１つの形において、炭素質供給材料（通常は石炭）及びフラックス（通常は石灰）は、製錬容器内の溶融浴に投入される。鉄鉱石などの金属含有供給材料は、製錬サイクロンに投入され、製錬サイクロン内で加熱され、部分的に溶融され部分的に還元される。この溶融され、部分的に還元された金属含有材料は、製錬サイクロンから製錬容器内の溶融浴中へと下向きに流れ、溶湯中で溶融金属に製錬される。溶融浴中で生産された高温反応ガス（通常はＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２及びＨ２Ｏ）は、製錬容器の上部において酸素含有ガス（通常は工業品質の酸素）によって部分的に燃焼される。後燃焼によって生成した熱は、溶融浴中に落ちて戻る上部分内の溶融材料に伝達されて、溶湯の温度を維持する。高温で、部分的に燃焼された反応ガスは製錬容器から上向きに流れ、製錬サイクロンの底部に入る。酸素含有ガス（通常は工業品質の酸素）は、水平面において、すなわち製錬サイクロンのチャンバの鉛直中央軸の周りにサイクロン様の渦巻きパターンを生成するように配置されている羽口を介して製錬サイクロンに投入される。酸素含有ガスのこの投入により、製錬容器ガスをさらに燃焼して、極めて高温の（サイクロン様の）炎が得られる。微粉化された流入する金属含有供給材料は、製錬サイクロン内の羽口を介して空気圧でこれらの炎に投入され、これにより急速な加熱及び部分的な還元（およそ１０〜２０％の還元）が同伴する部分的な溶融が起こる。還元は、製錬容器からの反応ガス中のＣＯ及びＨ２に起因する。高温で部分的に溶融した金属含有供給材料は、サイクロン様の渦巻き作用によって製錬サイクロンの壁に外方に投げ出され、上記の通り、下にある製錬容器内に下向きに流れてその容器内で製錬される。
【００１９】
ＨＩｓｍｅｌｔプロセス及びＨｉｓａｒｎａプロセスのプロセス制御は、重要な問題である。容器内で必要とされる熱伝達及び反応条件を達成し、容器の側壁及び屋根を介した熱損失を最小限に抑えるために、各プロセスは溶融浴及び溶湯の上の直接製錬容器の上部分において激しく撹拌される条件を必要とする。これらの反応条件には、スラグ内の比較的酸化的な条件（例えば溶鉱炉に比較して）及び溶融鉄内の還元的な条件及び容器の上部分から溶融浴へ、特に溶融浴の下部分内の溶融鉄への熱伝達が含まれる。
【００２０】
上記説明は、オーストラリア及び他の場所における一般常識の承認を意図するものではない。
【００２１】
本発明は、スラグ温度がプロセスの操作温度範囲にある場合、容器内の金属及びスラグの溶融浴中の溶融スラグが０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有するように、直接製錬容器内のプロセス条件を制御することを含む溶融浴型の直接製錬プロセスを提供する。
【００２２】
本発明は、（ａ）金属含有材料、（ｂ）固形炭素質供給材料、及び（ｃ）酸素含有ガスを金属及びスラグの溶融浴を収容する直接製錬容器に供給するステップと、容器内で金属含有供給材料を直接製錬するステップと、溶融金属、溶融スラグ及び排ガスのプロセス産物を生産するステップとを含む直接製錬プロセスであって、本明細書に記載の通り、プロセスの操作温度範囲において溶融スラグが０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有するように、プロセス条件を制御することを特徴とするプロセスを提供する。
【００２３】
本明細書において用語「金属含有材料」は、固形供給材料及び溶融した供給材料を含むと理解される。用語は、その範囲内に部分的に還元された金属含有材料も含む。
【００２４】
本明細書において用語「溶融スラグ」は、完全に液体であるスラグを意味すると理解される。
【００２５】
本明細書において用語「溶融スラグ」は、固形材料と液相のスラリーを含むスラグを意味すると理解される。
【００２６】
溶融スラグ中の固形材料は、プロセスにおけるスラグ温度で固形酸化物相であってよく、それによってスラグは液相スラグ中の固形酸化物相のスラリーである。
【００２７】
本明細書において用語「プロセス条件」は広範な意味を有し、一例として、（ａ）直接製錬容器内の操作条件（温度及び圧力並びに容器への固形供給材料及び酸素含有ガスの投入速度など）、（ｂ）溶融浴の組成、特にスラグ組成、及び（ｃ）溶融浴の特性にまで及ぶことを意図する。溶融浴の組成は、本明細書に記載の通り、プロセスの操作温度範囲においてスラグが溶融スラグになるようなスラグの構成要素の選択を含んでよい。上で提示した「溶融スラグ」の定義に示した通り、溶融スラグは、プロセスの操作温度範囲において固形酸化物相及び液相スラグを含んでよい。溶融スラグの特性には、一例として、前述した溶融スラグの粘度及び／又は酸素ポテンシャルが含まれる。特性には、一例として、溶融スラグの塩基性度及びスラグの乱流も含まれる。これらの特性は、操作条件及びスラグ組成の関数である。
【００２８】
本発明は、出願人によって実施された研究及び開発作業の結果として、本発明のプロセスの操作温度範囲においてスラグ粘度を０．５〜５ポアズの範囲で制御することが、プロセスを制御してより効果的に溶融金属を生産する機会を提供するという出願人の具現化に基づいている。
【００２９】
プロセスは、固形酸化物相が溶融スラグの液相から沈殿し、それによってスラグの粘度を制御するように、溶融浴のスラグ組成及び温度をスラグの液相線温度未満、通常は少し下に制御することによってプロセス条件を制御することを含んでよい。実際の２点間の溶湯温度は、スラグ層状構造を含む要因の範囲に起因して容器内で変化し得る。スラグの粘度を評価するために、プロセスが連続的に運転されている場合、溶湯温度は容器から排出されている液体金属の温度であるように取られる。
【００３０】
本明細書において用語「粘度」及び「液相線温度」は、ＦａｃｔＳａｇｅソフトウェア（液相線温度については「ＦａｃｔＳａｇｅ  ６．０」又はそれ以降、及び粘度については「ＦａｃｔＳａｇｅ  Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ  ６．０」又はそれ以降）で計算される粘度及び液相線温度を意味すると理解される。異なる測定及び計算手法から生じる基準外の結果の可能性を考える場合、ＦａｃｔＳａｇｅによる計算の正当化は、これら用語の意味に内在されるものと定義される。そのような計算は、実行された場合、ＦａｃｔＳａｇｅソフトウェアを使用するためのガイドラインと完全に整合性がとれているべきあり、必要に応じて、ＦａｃｔＳａｇｅソフトウェアの所有者によって見直され、是認されるべきである。具体的には、（意図的に又はその他の方法で）一定の可能性がある化学種の組合せを除外する計算は、本明細書における「粘度」及び「液相線温度」と整合性がとれているとみなされない。
【００３１】
プロセスは、溶融スラグ中の固形材料が、溶融スラグの少なくとも５％であるようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００３２】
溶融スラグ中の固形材料は、溶融スラグの少なくとも１０％であってよい。
【００３３】
溶融スラグ中の固形材料は、溶融スラグの３０％未満であってよい。
【００３４】
溶融スラグ中の固形材料は、溶融スラグの１５〜２５％であってよい。
【００３５】
金属含有供給材料は、どんな材料でもよい。
【００３６】
例えば、金属含有供給材料は鉄鉱石など鉄含有材料であってよい。
【００３７】
金属含有供給材料が鉄含有材料である場合、プロセスは、本明細書に記載の通り、直接製錬容器内でスラグ温度が１４００〜１５５０℃の範囲にある場合、溶融スラグが０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有するようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００３８】
金属含有供給材料が鉄含有材料である場合、プロセスは、スラグ中の鉄の濃度と金属中の炭素の濃度の比を２：１未満、典型的には１．５：１未満、より典型的には１：１〜１．３：１に制御することによってプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００３９】
プロセスは、溶融スラグが高い酸素ポテンシャルを有するようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００４０】
鉄含有材料の形の金属含有供給材料との関連で、本明細書において、「酸素ポテンシャル」との関連での用語「高い」は、溶鉱炉スラグに対して高いことを意味すると理解される。
【００４１】
金属含有供給材料が鉄含有材料である場合、プロセスは、溶融スラグのＦｅＯ含有量が少なくとも３重量％になって、溶融スラグが高い酸素ポテンシャルを有するようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００４２】
プロセスは、溶融スラグのＦｅＯ含有量が少なくとも４重量％になって、溶融スラグが高い酸素ポテンシャルを有するようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００４３】
プロセスは、溶融スラグのＦｅＯ含有量が少なくとも５重量％になって、溶融スラグが高い酸素ポテンシャルを有するようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００４４】
プロセスは、溶融スラグのＦｅＯ含有量が６重量％未満であるようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００４５】
プロセスは、溶融スラグのＦｅＯ含有量が１０重量％未満であるようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００４６】
金属含有供給材料が鉄含有材料である場合、プロセスは、溶融スラグの炭素含有量が少なくとも３重量％であるようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００４７】
プロセスは、溶融スラグの炭素含有量が少なくとも４重量％であるようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００４８】
プロセスは、溶融スラグの炭素含有量が少なくとも５重量％であるようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００４９】
プロセスは、溶融スラグの粘度が０．５〜４ポアズの範囲にあるようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００５０】
プロセスは、溶融スラグの粘度が０．５〜３ポアズの範囲にあるようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００５１】
プロセスは、溶融スラグの粘度が２．５ポアズより大きくなるようにプロセス条件を制御することを含んでよい。
【００５２】
プロセスは、１つ又は２つ以上の添加物を添加して、溶融浴中の溶融スラグ特性、例えばスラグ組成及び／又はスラグ粘度の制御を容易にすることを含んでよい。
【００５３】
一例として、添加物は、溶融スラグの塩基性を制御するように選択されてよく、例えばＣａＯを添加することによってスラグの粘度を減少させ、泡立ったスラグの危険性を最小限に抑えてよい。
【００５４】
プロセスは、直接製錬容器内で大気圧より高い圧力でプロセスを操作させることを含んでよい。
【００５５】
酸素含有ガスは、酸素富化空気又は工業品質の酸素でよい。
【００５６】
プロセスは、容器の側壁を貫通して下向き内方に伸びる固形材料投入ランスを介して溶融浴に金属含有供給材料及び固形炭素質材料及びキャリアガスを投入し、その結果固形供給材料が少なくとも部分的に溶融浴の溶融鉄層を突き抜けることにより、固形供給材料を容器に供給することを含んでよい。
【００５７】
プロセスは、固形供給材料及びキャリアガスの投入を制御すること含むプロセスを制御して、溶融浴の実質的な撹拌を引き起こすことを含んでよい。
【００５８】
溶融浴の撹拌の程度は、溶湯中で実質的に均一な温度が存在するようなものである。
【００５９】
プロセスは、別個のプロセスの流れとしてプロセスの溶融金属及び溶融スラグ産物を排出することを含んでよい。
【００６０】
プロセスは、上記の通りにＨＩｓｍｅｌｔプロセスであってよい。
【００６１】
プロセスは、上記の通りにＨＩｓａｒｎａプロセスであってよい。
【００６２】
本発明は、添付の図面を参照して以下でより詳細に記述する。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の直接製錬プロセスの一実施形態に従って操作する直接製錬容器の概略図である。
【図２】本発明の直接製錬プロセスの一実施形態におけるスラグ中のカルシア、アルミナ及びシリカについての３状態図である。
【図３】本発明の直接製錬プロセスの一実施形態における高チタン酸化物供給材料に関する状態図の２箇所の印のある部分に対するスラグと別個のスラグとの液相線プロットについての疑似的３状態図である。
【００６４】
以下の説明は、チタン／鉄含有鉱石、より具体的にはチタン磁鉄鉱の形の金属含有供給材料を製錬して、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスを介して溶融鉄を生産することに関連する。本発明は、チタン磁鉄鉱を製錬することに限定されず、どんな適切な金属含有供給材料を製錬することにも及ぶ。加えて、本発明はＨＩｓｍｅｌｔプロセスに限定されず、必要なプロセス条件を生成できるどんな溶融浴型のプロセスにも及ぶ。具体的には、一例として、上記の通り本発明はＨＩｓａｒｎａプロセスに及ぶ。
【００６５】
上で示した通り、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは出願人の名のもとの非常に多くの特許及び特許出願に記述されている。一例として、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは、出願人の名のもとの国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７に記述されている。国際出願に提出された特許明細書における開示は相互参照により本明細書に組み込まれている。
【００６６】
プロセスは、直接製錬容器３の使用に基づいている。
【００６７】
容器３は、出願人の名のもとの国際出願ＰＣＴ／ＡＵ２００４／０００４７２及びＰＣＴ／ＡＵ２００４／０００４７３に詳細に記述されている型のものである。これらの出願に提出された特許明細書における開示は相互参照により本明細書に組み込まれている。
【００６８】
容器３は、耐火レンガから形成されている底部及び側部を含む炉床５１、炉床の側部から上向きに伸びる略円筒形バレルを形成しバレル上部分及びバレル下部分を含む側壁５３、屋根５５、容器３の上部分内の排ガスダクト９、容器３から連続的に溶融金属を排出するための前炉床６７、並びに容器３から定期的に溶融スラグを排出するための出銑口（図示せず）を有する。
【００６９】
使用時には、容器は鉄及びスラグの溶融浴を収容し、この溶融浴は溶融金属の層１５及び金属層１５上に溶融スラグの層１６を含む。数字１７で示される矢印は、金属層１５の名目静止表面の位置を示し、数字１９によって示される矢印は、スラグ層１６の名目静止表面の位置を示す。用語「静止表面」は、容器へのガス及び固形材料の投入がない場合の表面を意味すると理解される。通常、溶融浴の温度は、１４００〜１５００℃の範囲である。
【００７０】
容器３には、容器３の上部空間内へと伸びる水冷式高温空気ブラスト（「ＨＡＢ」）ランス７、及び側壁を貫通してスラグ内へと下向き内方に伸びる複数の水冷式固体投入ランス５が取り付けられている。ランス５は、側壁を貫通して溶融浴中のスラグ層１６内へと鉛直に対して３０〜６０°の角度で下向き内方に伸びる。ランス５の位置は、下端が溶融浴の金属層１５の静止表面１７の上にあるように選択される。
【００７１】
使用時には、チタン磁鉄鉱及び石炭及びキャリアガス（通常はＮ２）に取り込まれたスラグ添加物は、固形物投入ランス５を介して溶湯に直接投入される。
【００７２】
投入された固形材料／キャリアガスの運動量によって、固形材料及びガスは金属層１５を突き抜ける。石炭は乾留され（ｄｅｖｏｌａｔｉｌｉｓｅｄ）、それによって金属層１５中に相当の体積のガスを生産する。炭素は部分的に金属に溶解し、部分的に固形炭素として残留する。チタン磁鉄鉱中の酸化鉄は溶融金属に製錬され、製錬反応は一酸化炭素ガスを生成する。金属層１５に移送され乾留及び製錬を介して生成したガスは、溶融金属、固形炭素、チタン磁鉄鉱（主にＴｉＯ２）中の反応していない固形材料及び（固体／ガス／投入の結果として金属層１５に引き込まれた）スラグを金属層１５から著しく浮揚上昇させ、この上昇は、溶融金属及びスラグ及び取り込まれた反応していないチタノマゲタイトの飛沫、液滴及び流れの上向きの移動を生成し、これら飛沫及び液滴及び流れはスラグ層１６を通って移動する際にスラグを取り込む。
【００７３】
上記の材料の浮揚上昇により、金属層１５及びスラグ層１６に実質的な撹拌が起こり、その結果としてスラグ層１６は体積が膨張し、矢印３０によって示される表面を有する。撹拌の程度は、金属及びスラグ領域内で適度に均一な温度、通常は各領域で３０℃程度の温度変化がある１４００〜１５５０℃が存在するようなものである。
【００７４】
加えて、上記材料の上向きの移動は容器内の溶融浴の上にある、容器３の上部空間３１にまで及び：
（ａ）遷移帯域２３を形成し；
（ｂ）いくらかの溶融材料（大部分はスラグ）を、遷移帯域を越えて、遷移帯域２３の上にある容器３の側壁の部分上に射出させる。
【００７５】
一般論として、スラグ層１６は固形材料及び気泡を含む液体連続体積であり、遷移帯域２３は溶融金属及びスラグの飛沫、液滴及び流れを含むガス連続体積である。或いは、スラグ層１６は、液相中の気泡の分散を伴う液相中の固形材料のスラリーとして記述されてよい。
【００７６】
酸素含有ガスが遷移帯域２３の中央領域を突き抜け、ランス７の末端の周囲に本質的に金属／スラグ自由空間（図示せず）を維持するように、酸素含有ガスランス７の位置及びランス７を通るガスの流速が選択される。ランス７は、渦運動で容器に酸素含有ガスを投入させる組立体を含む。
【００７７】
ランス７を介して酸素含有ガスを投入することにより、遷移帯域２３及びランス７の末端の周囲の自由空間において反応ガスＣＯ及びＨ２が後燃焼され、ガス空間に２０００℃程度又はそれ以上の高温が生成される。熱は、金属層から上昇し下降する材料の飛沫、液滴及び流れに伝達され、次いで材料が金属層１５に下向きに落ちる場合、熱は金属層１５に部分的に伝達される。
【００７８】
本発明のプロセスの記述された実施形態は、溶融スラグが選択された組成範囲内になり、その結果スラグが、本明細書に記載の通り、１４００〜１５５０℃のプロセスの操作温度範囲において溶融スラグになり、容器３内でスラグ温度が１４００〜１５５０℃の範囲にある場合、高い酸素ポテンシャル及び１〜５ポアズの範囲の粘度を有するように、プロセス条件を制御することを含む。
【００７９】
プロセス条件の必要な制御は、それらに限らないが、容器３内の溶融浴中でスラグ温度が１４００〜１５５０℃の範囲にある場合、溶融スラグのＦｅＯ含有量を制御して必要とされる高い酸素ポテンシャルを達成すること、及び溶融スラグのＣａＯ含有量を制御して１〜５ポアズの範囲の必要とされる粘度を達成することを含む一連の選択肢の１つ又は２つ以上によって達成され得る。
【００８０】
より具体的には、チタン磁鉄鉱の供給を使用する場合、プロセス条件の必要な制御には、溶融スラグが１４００〜１５５０℃の規定範囲の溶融浴中で以下の構成要素を有するように、供給材料及び操作条件を選択することが含まれる：
ＴｉＯ２：少なくとも１５重量％、
ＳｉＯ２：少なくとも１５重量％、
ＣａＯ：少なくとも１５重量％、
Ａｌ２Ｏ３：少なくとも１０重量％、及び
ＦｅＯ：少なくとも３重量％。
【００８１】
標準的な鉄鉱石が使用される場合、スラグ中のＴｉＯ２パーセンテージ制限は無視される。
【００８２】
より具体的には、プロセス条件の必要な制御には、１４００〜１５５０℃の規定範囲にあるそのスラグ組成に対して溶融スラグが下位液相線（ｓｕｂ−ｌｉｑｕｉｄｕｓ）好ましくは少し下位液相線になり、それにより固形酸化物相がスラグの５〜２５容量％の量で液体スラグから沈殿するように、スラグ組成及び操作温度を制御することが含まれる。結果として得られた溶融スラグは、液相スラグ中の固形酸化物相のスラリーである。沈殿した固形酸化物相は、プロセスの記述されている実施形態では、必要に応じて溶融スラグの粘度の制御に寄付する。加えて、粘稠性溶融スラグは、スラグと接触している容器の耐火レンガ上に保護コーティングを形成するのによく適している。
【００８３】
図２は、本発明の直接製錬プロセスの一実施形態におけるカルシア、アルミナ及びシリカの３つの主要なスラグ構成要素についての３状態図である。より具体的には、状態図は、アルミナ及びシリカの２つの主要な脈石構成要素並びに流動添加物（すなわち、カルシア）に重点を置いている。状態図は、ＦａｃｔＳａｇｅ  ６．１から得た。状態図は、スラグ中の相に対するスラグ組成の影響を例示している。具体的には、粘度のより高いスラグ（すなわち少なくとも２．５ポアズ）が必要である場合、これはスラグ組成（例えばカルシアの添加の調整によって）及び他のプロセス条件を制御して、メリライト固相を溶融スラグから沈殿させることによって達成されることが図２から決定され得る。
【００８４】
図３は、本発明の直接製錬プロセスの一実施形態における高チタン酸化物供給材料に関する状態図の２箇所の印のある部分に対するスラグと別個のスラグとの液相線プロットについての疑似的３状態図である。状態図は、（ａ）３つの主要な脈石構成要素（すなわち、アルミナ、マグネシア及びシリカ）、（ｂ）流動添加物（すなわち、カルシア）及び（ｃ）チタニアに重点を置いている。状態図は、クイーンズランド大学研究員から得た。状態図は、プロセスに必要とされるスラグ粘度１〜５ポアズを得るスラグ組成の操作域を定義する。図は、状態図の２つの部分を強調しており、これらの部分は選択された組成全体にわたる液相線温度における著しい変動を示す。容器３内の溶融浴中でスラグ温度が１４００〜１５５０℃の範囲にある場合、広範囲に固相を沈殿させそれによってスラグの粘度を変えることは、これらの部分から特に明らかである。
【００８５】
より一般論として、以下のプロセスの特徴は別個に又は組み合わせて、プロセスの妥当な制御パラメータである。
（ａ）スラグ目録、すなわちスラグ層の深度及び／又はスラグ／金属比（通常、金属：スラグの重量比が３：１から１：１の間である）を制御して、熱伝達に対する遷移帯域２３中の金属の陽性効果と、遷移帯域２３における逆反応に起因する後燃焼に対する遷移帯域２３中の金属の陰性効果とのバランスをとる。スラグ目録が低すぎる場合、酸素への金属の曝露が高すぎ、後燃焼のポテンシャルが減少する。一方、スラグ目録が高すぎる場合、ランス７は遷移帯域２３に埋没することになり、自由空間２５へのガスの取り込みが減少し、後燃焼のポテンシャルが減少することになる。
（ｂ）ランス７の位置を選択し、ランス７及びランス５を介する酸素含有ガス及び固形物の投入速度を制御して、ランス７の末端の周囲に本質的に金属／スラグ自由領域を維持し、ランス７の下部分の周囲に遷移帯域２３を形成する。
（ｃ）以下の１つ又は複数：
（ｉ）スラグ目録；及び
（ｉｉ）ランス７及びランス５を通した投入流速
を調整することによって、遷移帯域２３と接触している又は遷移帯域２３の上にある容器３の側壁の部分にスラグを飛散させることにより容器からの熱損失を制御する。
【００８６】
多くの修正が、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく上述の本発明の実施形態になされてよい。
【００８７】
一例として、上述の実施形態はＨｉｓｍｅｌｔプロセスに関するが、本発明は、これに限定されず、少なくとも部分的に炭素質材料の乾留の結果として溶融浴中へガスが発生し、そのガスの発生によって溶融浴中に生成した強力な溶湯／スラグ噴射を有する直接製錬容器内で、金属含有供給材料から溶融金属を生産するためのどんな溶融浴型の直接製錬プロセスにも及ぶ。例えば、Ｈｉｓａｒｎａプロセスはそのようなプロセスの他の１つである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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