(57)【要約】【課題】冶金電気炉及び該冶金電気炉に用いられる溶製法を提供する。【解決手段】本発明は、冶金電気炉及び該冶金電気炉に用いられる溶製法を提供する。当該冶金電気炉は、炉本体、酸素ランス、及び石炭ランスを備え、炉本体が炉室を有し、酸素ランスが炉室の側壁に位置され、溶製過程において生じたスラグに酸素を吹き込むために用いられる。酸素ランスの出口はスラグより高く、石炭ランスが炉室の側壁に位置され、スラグに石炭を噴霧するために用いられ、石炭ランスの出口はスラグより高い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉室を有する炉本体と、
前記炉室の側壁に位置され、溶製過程において生じたスラグに酸素を吹き込むために用いられ、出口が前記スラグより高い酸素ランスと、
前記炉室の側壁に位置され、前記スラグに石炭を噴霧するために用いられ、出口が前記スラグより高い石炭ランスと、を備えることを特徴とする冶金電気炉。
【請求項２】
前記炉室の側壁に沿って均一に配置される複数の前記酸素ランスと、
前記炉室の側壁に沿って均一に配置される複数の前記石炭ランスと、を備え、
前記酸素ランスが前記石炭ランスの下方に位置され、又は、前記酸素ランスと前記石炭ランスが前記炉室の側壁の同一高さに位置されることを特徴とする請求項１に記載の冶金電気炉。
【請求項３】
前記炉室の側壁に位置され、該炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧するノズルを更に備え、前記ノズルの出口が前記スラグより高いことを特徴とする請求項１又は２に記載の冶金電気炉。
【請求項４】
前記炉室のクリアランスに前記炭化水素を噴霧する方向が、前記炉室の側壁に接することを特徴とする請求項３に記載の冶金電気炉。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冶金電気炉に用いられ、前記スラグが酸素で酸化できる還元物質を含む溶製法であって、
前記酸素ランスで前記スラグに酸素を吹き込むことにより、前記還元物質を酸化物質に酸化することと、
前記石炭ランスで前記スラグに石炭を噴霧することにより、酸化された前記酸化物質を還元することと、を備えることを特徴とする溶製法。
【請求項６】
酸素が前記スラグに吹き込む深さは、前記スラグ厚さの２分の１以下であることを特徴とする請求項５に記載の溶製法。
【請求項７】
酸素が前記スラグに吹き込む深さは、前記スラグ厚さの３分の１から前記スラグ厚さの２分の１までの範囲であることを特徴とする請求項６に記載の溶製法。
【請求項８】
前記石炭は無煙炭又は瀝青炭であることを特徴とする請求項５に記載の溶製法。
【請求項９】
前記石炭ランスで前記スラグに石炭を噴霧した後、
ノズルで前記炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧することを更に備えることを特徴とする請求項５乃至８のいずれか一項に記載の溶製法。
【請求項１０】
前記炭化水素は、天然ガス又は軽油を含むことを特徴とする請求項９に記載の溶製法。
【請求項１１】
ノズルで前記炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧するとともに、
前記ノズルで前記炉室のクリアランスに液体の水及び／又は気体の水を噴霧することを更に備えることを特徴とする請求項９に記載の溶製法。
【発明の詳細な説明】
【優先権情報】
【０００１】
本願は、２０１６年７月１日に中国特許局に提出された、出願番号が２０１６１０５１５５４２．１、発明の名称が「冶金電気炉及び溶製法」である中国特許出願に基づき優先権を主張し、その内容の全てを引用することにより本願に取り入れる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、冶金分野に関し、特に、冶金電気炉及び該冶金電気炉に用いられる溶製法に関する。
【背景技術】
【０００３】
酸素は冶金工業で広く、成功して応用されている。非常に成熟して広く応用される製錬プロセスとして、酸素は製鋼用転炉にうまく応用でき、また電気アーク炉におけるスクラップ鋼の溶融にもうまく応用でき、石炭スラグと組み合わせて発泡スラグを製造して効率を向上させる。また、１９７０年代以来、非鉄金属製錬工程（ｎｏｎｆｅｒｒｏｕｓ  ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）への応用も成功するようになった。そのうち、よく知られているものとして、二つの種類が例示でき、一つ目はＯｕｔｏｔｅｃによって発展されたオースメルト（Ａｕｓｍｅｌｔ）法であり、鉛、亜鉛、ニッケル、銅、錫などの鉱物の製錬に成熟して使用される。そして、二つ目は、オーストラリアのＭＩＭおよびＣＳＩＲＯによって協調開発されたアイザスメルト（ＩＳＡＳＭＥＬＴ）法であり、これは、非鉄金属の製錬にうまく応用されている。過去十年間にわたり、リオ・ティント（ＲＩＯ  ＴＩＮＴＯ）も、製鉄プロセスに応用するＨＩＳＭＥＬＴ技術を開発して商業化したが、広く応用されていない。最近、ロシアの会社であるＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｙａＭｅｔａｌｌｏｖが、ウェブサイトでＰｒｏｊｅｃｔ  Ｍａｇｍａを発表した。その酸素・石炭吹込み技術は、非鉄金属に応用するだけではなく、黒色金属（Ｆｅｒｒｏｕｓ  Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ）にも応用できることを示した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の冶金電気炉（例えば、チタンスラグ冶金電気炉）では、酸素・石炭吹込み技術によって化学エネルギーを応用して、電気エネルギーの消費を低減し、製錬の効率を向上させる事例がまだない。そのため、本発明は、このような酸素・石炭吹込み技術を冶金電気炉に応用するように促進することを目的とする。
【０００５】
そこで、本発明の一態様は、冶金電気炉を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明のもう一つの態様は、上記冶金電気炉に用いられる溶製法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を達成するために、本発明は以下の手段を採用する。
本発明の一態様の実施例は、炉室を有する炉本体と、前記炉室の側壁に位置され、溶製過程に生じされたスラグに酸素を吹き込むために用いられ、出口が前記スラグより高い酸素ランスと、前記炉室の側壁に位置され、前記スラグに石炭を噴霧するために用いられ、出口が前記スラグより高い石炭ランスと、を備える冶金電気炉を提供する。
【０００８】
本発明の上記実施例に提供する冶金電気炉、特に明弧式の冶金電気炉は、酸素ランスの出口及び石炭ランスの出口はスラグの上面より高く、酸素ランスによってＯ２を上から下に向かってスラグに吹き込み、スラグにおける低酸化数の還元物質が高酸化数の酸化物質に酸化される。酸化過程において大量の化学エネルギーが放出され、スラグの温度が上昇して、放出された化学エネルギーがフィードを有効的に溶融することができる。また、石炭ランスによって微粉炭を上から下に向かってスラグに噴霧し、微粉炭における炭素は上記高酸化数の酸化物質を低酸化数の還元状態に還元させ、高酸化数の酸化物質が炭素に還元された時、ＣＯが放出される。該還元反応は熱を吸収する必要があるため、還元物質を酸化して放出されたエネルギーも還元反応に供給される。また、スラグにはＯ２が存在するため、ＣＯ、Ｃと燃焼反応が起こる可能性がある。該燃焼反応の燃焼熱がスラグの温度を上昇させて、フィードの溶融に熱を提供し、還元反応にエネルギーを提供することもできるため、酸化反応から放出された化学エネルギー、及び燃焼反応から放出されたエネルギーがフィードの溶融に用いられる。溶製過程において、電気エネルギー以外の化学エネルギーも、溶製過程に大量のエネルギーを提供することができ、溶製のトータルパワーを増加して、生産能力と効率を向上させ、特に高融点のスラグを溶製することに有効であり、電気エネルギーの消費が低減できる。
【０００９】
当該技術案において、酸素ランス及び石炭ランスはスラグの上方に設けられ、Ｏ２と微粉炭が上から下に向かってスラグに吹き込まれることにより、炉の裏張りから離れて、炉の裏張りに対する損害を減少し、炉の裏張りの使用寿命の低下を避ける。Ｏ２が上から下に、炉室側壁の酸素ランスの取付位置から離れる方向に傾く。即ち、Ｏ２の噴霧方向は、炉室側壁の酸素ランスの取付位置の向こう側に向かう。微粉炭も上から下に、炉室側壁の石炭ランスの取付位置から離れる方向に傾く。即ち、微粉炭の噴霧の方向は、炉室側壁の石炭ランスの取付位置の向こう側に向かって、スラグを炉室側壁の酸素ランスと石炭ランスの取付箇所の対向面に流す。しかし、対向する炉の裏張りからは遠く離れているため、受ける影響が少なく、炉の裏張りの完全性を保護することができる。
【００１０】
具体的には、スラグにおける還元物質をＭｅ２Ｏ３として例に挙げ、酸素・石炭吹込み過程において、スラグに起こる化学反応を以下に示す。
【００１１】
Ｍｅ２Ｏ３＋０．５Ｏ２＝２ＭｅＯ２（１）
２ＭｅＯ２＋Ｃ＝Ｍｅ２Ｏ３＋ＣＯ  （２）
ＣＯ＋０．５Ｏ２＝ＣＯ２              （３）
Ｏ２＋Ｃ＝ＣＯ２                          （４）
【００１２】
Ｏ２を吹き込んだ後、反応（１）が起こり、Ｏ２がＭｅ２Ｏ３をＭｅＯ２に酸化する。該酸化反応は放熱反応であり、反応において、大量の化学エネルギーが放出されて、フィードの溶融に用いられる。微粉炭を噴霧した後、反応（２）が起こり、炭素がＭｅＯ２をＭｅ２Ｏ３に還元し、同時にＣＯを放出する。反応（２）は吸熱反応であり、反応（１）で放出された化学エネルギーが、フィードの溶融に用いられる以外の、反応（２）にもエネルギーを提供する。スラグにおけるＯ２は、ＣＯ、Ｃと燃焼反応（３）及び（４）が起こる可能性がある。燃焼熱の一部がスラグに放出されて、フィードの溶融と反応（２）の供給に用いられる。反応（１）、反応（３）及び反応（４）は共に放熱反応であるため、反応において放出された化学エネルギーが電気エネルギーに追加されて、溶製トータルパワーを増加し、電気エネルギーの消費を低減する。同時に、反応（２）において、大量のＣＯが放出されて気泡を形成し、スラグは発泡スラグへと膨張し、発泡スラグの形成はＯ２の吹き込みに有利である。
【００１３】
本発明の冶金電気炉は固定され、フィードが続き、溶融鉄は一定な液体レベルに達すると、溶融金属出口が開放されて溶融金属を放出する。この際にフィードし続けられ、酸素と石炭を噴霧し続ける。溶融金属が一定な量を流した後、ストッパーで溶融金属の出口を塞がり、しばらくすると、スラグ位置のレベルが高すぎると、スラグ排出口を開けてスラグを排出し、フィードし続け、酸素と石炭を噴霧し続ける。
【００１４】
そして、本発明の上記実施例に提供する冶金電気炉によると、更に以下のような付加的な技術的特徴を有する。
【００１５】
上記技術案において、前記冶金電気炉は、前記炉室の側壁に沿って均一に配置される複数の前記酸素ランスと、前記炉室の側壁に沿って均一に配置される複数の前記石炭ランスと、を備え、前記酸素ランスが前記石炭ランスの下方に位置するか、又は、前記酸素ランスと前記石炭ランスが前記炉室の側壁の同一高さに位置することが好ましい。
【００１６】
本発明の一実施例において、酸素ランスは石炭ランスの下方に位置され、酸素ランスの数量と石炭ランスの数量は等しく、石炭ランスは酸素ランスの真上に位置され、両方が上下に配置されることが好ましい。
【００１７】
本発明のもう一つの実施例において、酸素ランスと石炭ランスは炉室１の側壁１１の同一高さに位置され、左右に配置される。
【００１８】
複数の酸素ランスは、炉室の側壁円周方向に沿って均一に配置され、炉室側壁の同一高さに位置され、複数の石炭ランスは炉室の側壁円周方向に沿って均一に配置され、炉室側壁の同一高さに位置することが好ましい。
【００１９】
一つの石炭ランスと一つの酸素ランスとを同一の冷却ジャケットに配置することができ、酸素ランスと石炭ランスの溶融プールにおける入射点間の距離が３００ミリメートル以上であることが好ましい。
【００２０】
上記実施例において、酸素ランスと石炭ランスを溶融プール上方に位置し、Ｏ２と微粉炭とを上から下に炉室１に吹き込み、Ｏ２が超音速で発泡スラグを射抜き、石炭も溶融プールに射込むことができる。炉室の側壁で均一に配置される複数の酸素ランスは、Ｏ２がスラグに吹き込む均一性を向上することで、還元物質が酸化される過程において放出された化学エネルギーのスラグにおける配置の均一性を向上させ、炉室における各処のフィード溶融の均一性を向上させる。炉室の側壁に均一に配置される複数の石炭ランスは、高酸化数の酸化物質が低酸化数の還元物質に還元される転換比を向上させる。
【００２１】
酸素ランスと石炭ランスとが炉室の側壁に取り付けられ、耐火材を通して、炉室に入ることが好ましい。
【００２２】
上記技術案において、前記冶金電気炉は、前記炉室の側壁に位置され、炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧するノズルを更に備え、前記ノズルの出口が前記スラグより高いことが好ましい。
【００２３】
上記実施例において、一部の電気エネルギーと化学エネルギーとが反応（２）に用いられ、反応（２）で生じたＣＯが炉室のクリアランスに入り、ＣＯが大量エネルギーを伴って、反応（３）及び（４）で放出された燃焼熱の一部がフィードの溶融と反応（２）に用いられる。一部がガス（ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２）を昇温させて炉室のクリアランスに入り、炭化水素の熱分解ガス化のための熱源として使用されて、石炭ガスが発生するので、本発明の溶製のトータルパワーを向上する。同時に、石炭ガスが発生し、それによって、燃焼ガスに含まれたエネルギーの浪費を回避することができる。
【００２４】
炉室のクリアランスの別名はフリーボードであり、溶融プールの上方、炉蓋の下方の空間を示す。
【００２５】
具体的に、炭化水素が炉室のクリアランスにおいて起こった反応は以下のとおりである。
【００２６】
ＣｎＨｍ＝ｎＣ＋ｍ／２Ｈ２                              （５）
２ＣｎＨｍ＋ＣＯ２＝２（ｎ＋１）ＣＯ＋ｍＨ２    （６）
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ＝ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ２（７）
Ｃ＋ＣＯ２＝２ＣＯ     （８）
Ｃ＋Ｈ２Ｏ＝Ｈ２＋ＣＯ     （９）
【００２７】
炉室のクリアランスの空間が限られるため、反応（５）、（６）、（７）、（８）、（９）が化学平衡に達することは難しく、最終温度とガス組成はシステムのダイナミックバランスに依存する。
【００２８】
炉室の側壁には、複数の均一に配置されるノズルが設けられることが好ましい。
【００２９】
上記技術案において、前記炉室のクリアランスに前記炭化水素を噴霧する方向が、前記炉室の側壁に接することが好ましい。炭化水素が上から下に向かって噴霧されることが好ましい。
【００３０】
本発明の第二の態様の実施例で提供する溶製法は、上記いずれかの実施例に係る冶金電気炉に用いられ、スラグがＯ２で酸化できる還元物質を含む。前記溶製法は、酸素ランスで前記スラグに酸素を吹き込んで前記還元物質を酸化物質に酸化することと、石炭ランスで前記スラグに石炭を噴霧して、酸化された前記酸化物質を還元することと、を備える。
【００３１】
本発明の上記実施例に提供する溶製法によれば、Ｏ２が上から下に向かってスラグに吹き込み、スラグにおける低酸化数の還元物質を高酸化数の酸化物質に酸化し、酸化過程において大量の化学エネルギーが放出されるため、フィードを有効的に溶融することができる。また、微粉炭を上から下にスラグに噴霧して、上記高酸化数の酸化物質を低酸化数の還元状態に還元させ、同時にＣＯを放出する。該還元反応は吸熱反応であるため、還元物質が酸化されて放出したエネルギーも還元反応に供給される。スラグにはＯ２が存在するため、ＣＯ、Ｃと燃焼反応が起こる可能性があり、該燃焼反応の燃焼熱によって、スラグの温度を上昇させる。フィードの溶融に対して熱を提供し、還元反応に必要とするエネルギーを供給することもできる。酸化反応において放出された化学エネルギー及び燃焼反応において放出されたエネルギーはフィードの溶融に用いることができる。溶製過程において、電気エネルギー以外の化学エネルギーも溶製過程に大量のエネルギーを提供するので、溶融のトータルパワーを増加し、生産能力と効率を向上させ、特に高融点のスラグを溶製することに有効であり、電気エネルギーの消費を低減することができる。
【００３２】
上記技術案において、酸素が前記スラグに吹き込む深さは、前記スラグ厚さの２分の１以下であることが好ましい。
【００３３】
上記技術案において、酸素が前記スラグに吹き込む深さは、前記スラグ厚さの３分の１から前記スラグ厚さの２分の１までの範囲であることが好ましい。
【００３４】
上記実施例において、スラグシステムが異なると、スラグに吹き込まれるＯ２の深さとスラグの総厚さとの割合が異なり、例えば、スラグシステムは、極めて低い酸素ポテンシャルに抑え、回収する金属酸化物質を還元する場合には、酸素のスラグに吹き込む奥行きの３分の１から、スラグの奥行きの２分の１までの範囲となる。このため、微粉炭を更に深い位置に噴霧して低酸素ポテンシャルを確保することができる。
【００３５】
上記技術案において、前記石炭は無煙炭又は瀝青炭であることが好ましい。
【００３６】
アーク炉の製鋼には無煙炭又は粉コークスのみしか使うことができず、瀝青炭を使うことができないが、本出願においては、無煙炭も瀝青炭も使うことができる。勿論、本出願では、粉コークスを使用しても良い。
【００３７】
上記技術案において、前記石炭ランスで前記スラグに石炭を噴霧した後、ノズルで前記炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧することを更に備えることが好ましい。
【００３８】
上記実施例において、炭化水素が上から下に向かって炉室のクリアランスに吹き込まれ、酸化反応で放出されたＣＯによって運ばれるエネルギーおよび、ＣＯとＯ２との燃焼反応によって生じた化学エネルギー、ならびにＣとＯ２との燃焼反応によって生じた化学エネルギーを、炭化水素の熱分解ガス化の熱源とすることができ、炉室のクリアランスにおいて石炭ガスを発生じさせる。
【００３９】
上記技術案において、前記炭化水素は、天然ガス又は軽油を備えることが好ましい。勿論、炉室のクリアランスにメタンガス、固体瀝青炭等を噴霧することで石炭ガスに転化することができる。溶融プールで生じたガス（ＣＯ、ＣＯ２、Ｈ２、Ｈ２Ｏ）の温度は極めて高く（温度は１７００℃以上）、大量の熱エネルギーを引き連れて炉室のクリアランスに入り、上記炭素気化物を炉室のクリアランスに噴霧して、ＣＯ２、Ｈ２Ｏと吸熱化学反応が起こり、石炭ガスに分解される。
【００４０】
上記技術案において、ノズルで前記炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧しながら、前記ノズルで前記炉室のクリアランスに液体の水及び／又は気体の水を噴霧することを更に備えることが好ましい。
【００４１】
上記実施例において、石炭ガスにおける水素の含有量を増加しようとする場合には、炭化水素を噴霧しながら、わずかな水を噴霧することとしてもよい。勿論、炉室の側壁に、水を噴霧するための追加ノズルを設置することもできる。
【００４２】
本発明の他の態様やメリットは以下の説明によって明確になり、又は本発明を実施することで理解できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
本発明の上記及び／又は他の態様やメリットは以下の図面を結合した実施例の説明からさらに明確になり、容易に理解することができる。
【図１】本発明の実施例に係る冶金電気炉の構造模式図であり、矢印Ａは、酸素がスラグに吹き込む方向を示し、矢印Ｂは、微粉炭がスラグに噴霧する方向を示す。
【図２】図１に示す冶金電気炉の上面構造模式図であり、矢印Ｃは、酸素と微粉炭がスラグに噴霧する方向を示す。
【図３】本発明の実施例に係る冶金電気炉局部の上面構造模式図であり、矢印Ｄは、炭化水素が炉室のクリアランスに吹き込む方向を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明の上記目的、特徴及びメリットを一層明確に理解するように、以下、図面及び具体的な実施形態を結合して本発明を更に詳しく説明する。なお、矛盾しない限り、本願の実施例及び実施例における特徴を組み合せすることができる。
【００４５】
本発明を充分に理解するように、以下の説明で多くの具体的な詳細を説明するが、本発明はここで説明する形態と異なる形態で実施することもできるので、本発明の保護範囲は以下で開示する具体的な実施例に限定されない。
【００４６】
以下、図面を参照して本発明に係る一実施例の冶金電気炉及び用于該冶金電気炉の溶製法を説明する。
【００４７】
図１及び図２に示すように、本発明に係るいくつかの実施例で提供する冶金電気炉は、炉本体と、酸素ランスと、石炭ランスと、を備える。炉本体は炉室１を有し、酸素ランスが炉室１の側壁１１に位置されており、溶製過程において生じされたスラグ３に酸素を吹き込むために用いられる。酸素ランスの出口がスラグ３より高く、石炭ランスが炉室１の側壁１１に位置されており、スラグ３に石炭を噴霧するために用いられ、石炭ランスの出口はスラグ３より高い。
【００４８】
本発明の上記実施例で提供する冶金電気炉、特に連続操作の冶金電気炉、特に明弧式冶金電気炉において、酸素ランスの出口と石炭ランスの出口はスラグ３の上面より高く、Ｏ２が酸素ランスによって上から下に（図１の矢印Ａの方向、図２の矢印Ｃの方向に沿う）スラグ３に吹き込む。スラグ３における低酸化数の還元物質を高酸化数の酸化物質に酸化し、酸化過程において大量の化学エネルギーが放出される。スラグ３の温度が上昇して放出された化学エネルギーが、フィードを有効的に溶融することができる。石炭ランスで上から下に（図１の矢印Ｂの方向、図２の矢印Ｃの方向に沿う）微粉炭をスラグ３に噴霧し、微粉炭における炭素が上記高酸化数の酸化物質を低酸化数の還元状態に還元させ、高酸化数の酸化物質が炭素に還元された時に、ＣＯが放出される。同時に、該還元反応は熱を吸収する必要があるため、還元物質を酸化して放出されたエネルギーも該還元反応に供給する。スラグ３にはＯ２が存在するため、ＣＯ、Ｃと燃焼反応が起こる可能性があり、該燃焼反応の燃焼熱が、スラグ３の温度を上昇させて、フィードの溶融に熱を提供するとともに、還元反応にエネルギーを提供することもできる。このため、酸化反応から放出された化学エネルギー、及び燃焼反応から放出されたエネルギーがフィードの溶融に用いられる。溶製過程において、電気エネルギー以外の、化学エネルギーも溶製過程に大量のエネルギーを提供することができるので、溶融のトータルパワーを増加して、生産能力と効率を向上させ、特に高融点のスラグ３を製錬することに有効であり、電気エネルギーの消費を低減することができる。
【００４９】
本技術案では、酸素ランスと石炭ランスが、スラグ３上方に設けられており、Ｏ２と微粉炭が上から下に炉の裏張りから離れてスラグ３に吹き込むことによって、炉の裏張りに対する損傷を減少して、炉の裏張り使用寿命の低下を避けることができる。図１の矢印Ａに示すように、Ｏ２が上から下に、炉室１側壁１１の酸素ランスの取付位置から離れる方向に傾斜しているので、即ち、Ｏ２の噴霧方向は、炉室１側壁１１の酸素ランスの取付位置の向こう側に向かっている。図１の矢印Ｂに示すように、微粉炭も上から下に、炉室１側壁１１の石炭ランスの取付位置から離れる方向に傾斜しているので、即ち、微粉炭の噴霧方向は、炉室１側壁１１の石炭ランスの取付位置の向こう側に向かって、スラグを炉室１側壁１１の酸素ランスと石炭ランスの取付位置の対向面に流す。しかし、対向する炉の裏張りから遠く離れているので、受けた影響が少なく、炉の裏張りの完全性を保護することができる。
【００５０】
具体的に、スラグ３における還元物質はＭｅ２Ｏ３を例として挙げ、酸素・石炭吹き込み過程において、スラグ３に起こった化学反応は以下のとおりである。
【００５１】
Ｍｅ２Ｏ３＋０．５Ｏ２＝２ＭｅＯ２（１）
２ＭｅＯ２＋Ｃ＝Ｍｅ２Ｏ３＋ＣＯ  （２）
ＣＯ＋０．５Ｏ２＝ＣＯ２（３）
Ｏ２＋Ｃ＝ＣＯ２（４）
【００５２】
Ｏ２を吹き込んだ後、反応（１）が起こり、Ｏ２がＭｅ２Ｏ３をＭｅＯ２に酸化する。該酸化反応は放熱反応であり、反応において、大量の化学エネルギーが放出され、フィードの溶融に用いられ、微粉炭を噴霧した後、反応（２）が起こり、炭素がＭｅＯ２をＭｅ２Ｏ３に還元し、同時に、ＣＯを放出する。反応（２）は吸熱反応であり、反応（１）で放出された化学エネルギーが、フィード溶融に用いられる以外の、反応（２）にもエネルギーを提供する。スラグ３におけるＯ２はＣＯ、Ｃと燃焼反応（３）及び（４）が起こる可能性があり、燃焼熱の一部がスラグ３に放出されて、フィードの溶融と反応（２）の供給に用いられる。反応（１）、反応（３）及び反応（４）は共に放熱反応であるため、反応において放出された化学エネルギーによって、溶製のトータルパワーを増加し、電気エネルギーの消費を低減することができる。同時に、反応（２）において、大量のＣＯが放出されて気泡を形成して、スラグ３を発泡スラグに膨張し、発泡スラグの形成はＯ２の吹き込みに有利である。
【００５３】
電極２の炉室での配置は、図１及び図２に示すように、三つの電極が「品」字の形状で配置されることが好ましい。
【００５４】
本発明の冶金電気炉が固定され、フィードが続いて、溶銑が一定な液体レベルに達すると、溶融金属の出口を開けて溶融金属４を放出する。この際に、フィードし続け、酸素と石炭を噴霧し続ける。溶融金属４を一定の量を流した後、ストッパーで溶融金属出口を塞ぎ、しばらくした後に、スラグ位置のレベルが高すぎると、スラグ排出口を開けてスラグを排出し、フィードし続け、酸素と石炭を噴霧し続ける。
【００５５】
図１及び図３に示すように、連続式冶金電気炉は、炉室１の側壁１１に沿って均一に配置される複数の酸素ランスと、炉室１の側壁１１に沿って均一に配置される複数の石炭ランスと、を備えることが好ましい。
【００５６】
本発明の一実施例において、酸素ランスは石炭ランスの下方に位置し、酸素ランスの数量と石炭ランスの数量は等しく、石炭ランスは酸素ランスの真上に位置し、両方が上下に配置されることが好ましい。
【００５７】
本発明のもう一つの実施例において、酸素ランスと石炭ランスは炉室１の側壁１１の同一高さに位置し、左右に配置される。
【００５８】
図２に示すように、複数の酸素ランスは炉室１の側壁１１の同一高さの円周方向に沿って均一に配置され、複数の石炭ランスも炉室１の側壁１１の同一高さの円周方向に沿って均一に配置されることが好ましい。
【００５９】
一つの石炭ランスと一つの酸素ランスが同一の冷却ジャケットに配置することができ、酸素ランスと石炭ランスの溶融プールにおける入射点間の距離は３００ミリメートル以上であることが好ましい。
【００６０】
上記実施例において、酸素ランスと石炭ランスは溶融プール上方に位置し、Ｏ２と微粉炭が上から下に炉室１に吹き込むが、Ｏ２が超音速で発泡スラグを射抜き、石炭も溶融プールに射込むことができる。炉室１の側壁１１で均一に配置される複数の酸素ランスは、Ｏ２がスラグ３に吹き込む均一性を向上することで、還元物質が酸化される過程において放出された化学エネルギーのスラグ３における配置の均一性を向上させ、炉室１の各処のフィード溶融の均一性を向上させる。炉室１の側壁１１に均一に配置される複数の石炭ランスは、微粉炭を噴霧したスラグ３における均一性を向上させ、高酸化数の酸化物質が低酸化数の還元物質に還元される転換比向上させる。
【００６１】
酸素ランスと石炭ランスが炉室１の側壁１１に取り付けられ、耐火材を通して、炉室１に入ることが好ましい。
【００６２】
図３に示すように、連続式冶金電気炉は、炉室１の側壁１１に位置され、炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧するためのノズルを更に備え、ノズルの出口はスラグ３より高いことが好ましい。
【００６３】
上記実施例において、一部の電気エネルギーと化学エネルギーが反応（２）に用いられる。反応（２）で生じたＣＯが炉室のクリアランスに入り、ＣＯが大量エネルギーを引き連れて、反応（３）及び（４）で放出された燃焼熱の一部がフィードの溶融と反応（２）に用いられる。一部がガス（ＣＯ、ＣＯ２、Ｏ２）を昇温させて炉室のクリアランスに入り、炭化水素の熱分解ガス化の熱源とし、石炭ガスが生じさせるため、本発明の溶融のトータルパワーを向上することができる。また、石炭ガスを生じ、燃焼ガスに含まれたエネルギーの浪費を回避するこができる。
【００６４】
炉室のクリアランスはフリーボード（ｆｒｅｅｂｏａｒｄ）とも呼ばれ、溶融プールの上方、炉蓋の下方の空間を示す。
【００６５】
具体的に、炭化水素が炉室のクリアランスにおいて起こった反応は以下のとおりである。
【００６６】
ＣｎＨｍ＝ｎＣ＋ｍ／２Ｈ２（５）
２ＣｎＨｍ＋ＣＯ２＝２（ｎ＋１）ＣＯ＋ｍＨ２（６）
ＣｎＨｍ＋ｎＨ２Ｏ＝ｎＣＯ＋（ｎ＋ｍ／２）Ｈ２（７）
Ｃ＋ＣＯ２＝２ＣＯ  （８）
Ｃ＋Ｈ２Ｏ＝Ｈ２＋ＣＯ  （９）
【００６７】
炉室のクリアランスの空間が限られるため、反応（５）、（６）、（７）、（８）、（９）が化学平衡に達することは難しく、最終温度とガス組成はシステムのダイナミックバランスに依存する。
【００６８】
図３に示すように、炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧する方向は、炉室１の側壁１１と接することが好ましい。炭化水素が上から下に噴霧（図３の矢印Ｄの方向に沿う）されることが好ましい。噴霧方向が炉室１側壁１１に接することで、ガス循環を生じさせ、ガスが炉室１に滞る時間を延ばして、多くの反応を生じさせる。しかし、ノズルがあまりにも多くの位置を占めることでデザインに影響を与える場合には、ノズルを炉室１側壁１１に垂直して設けても良く、即ち、炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧する方向を炉室１の側壁１１に対して垂直であることとしてもよい。
【００６９】
炉室１の側壁１１には、複数の均一に配置されるノズルが設けられることが好ましい。
【００７０】
本発明の第二の態様の実施例は、スラグ３がＯ２で酸化できる還元物質を含み、上記いずれかの実施例に係る冶金電気炉に用いられる溶製法を提供する。該溶製法は、酸素ランスでスラグ３に酸素を吹き込むことによって、還元物質を酸化物質に酸化することと、石炭ランスでスラグ３に石炭を噴霧することによって、酸化された酸化物質を還元することと、を含む。
【００７１】
本発明の上記実施例で提供する溶製法によると、Ｏ２が上から下に（図１の矢印Ａの方向、図２の矢印Ｃの方向に沿う）スラグ３に吹き込み、スラグ３における低酸化数の還元物質を高酸化数の酸化物質に酸化して、酸化過程において大量の化学エネルギーが放出されるため、フィードを有効的に溶融することができる。また、微粉炭を上から下に（図１の矢印Ｂの方向、図２の矢印Ｃの方向に沿う）スラグ３に噴霧して、上記高酸化数の酸化物質を低酸化数の還元状態に還元させ、同時にＣＯを放出する。該還元反応は吸熱反応であるため、還元物質が酸化されて放出したエネルギーも還元反応に供給することができ、スラグ３において、Ｏ２がＣＯ、Ｃと燃焼反応が起こり、該燃焼反応の燃焼熱によって、スラグ３の温度を上昇させて、フィードの溶融に対して熱を提供する。また、還元反応に必要とするエネルギーを供給することができ、酸化反応において放出された化学エネルギー及び燃焼反応において放出されたエネルギーが共にフィードの溶融に用いられる。溶製過程において、電気エネルギー以外の化学エネルギーも溶製過程に大量のエネルギーを提供するので、溶融のトータルパワーを増加して、生産能力と効率を向上させる。特に高融点のスラグ３を製錬することに有効であり、電気エネルギーの消費を低減することができる。
【００７２】
酸素のスラグ３に吹き込む深さは、スラグ３厚さの２分の１以下であることが好ましい。そうすると、スラグ３の上部は高酸化区、即ち高反応区であるが、下部は噴霧の影響を受けない、高還元区のままで、金属の回収に影響を与えない。
【００７３】
勿論、酸素を吹き込んだ後、石炭を吹き込んでも良く、酸素の吹き込むと石炭の吹き込みを同時に行っても良い。
【００７４】
上記技術案において、酸素のスラグ３に吹き込む深さは、スラグ３厚さの３分の１からスラグ３厚さの２分の１までの範囲であることが好ましい。
【００７５】
上記実施例において、異なるスラグ３システムに対して、Ｏ２のスラグ３に吹き込む深さとスラグ３の総厚さの割合が異なり、例えば、スラグ３システムは、極めて低い酸素ポテンシャルに抑え、回収する金属酸化物質を還元する場合には、酸素のスラグ３に吹き込む奥行きの３分の１から、スラグ３奥行きの２分の１までの範囲であり、微粉炭が更に深い位置に噴霧して低酸素ポテンシャルを確保することができる。
【００７６】
石炭は無煙炭又は瀝青炭であることが好ましい。
【００７７】
アーク炉の製鋼には無煙炭又は粉コークスだけ使え、瀝青炭を使うことができないが、本願において、無煙炭を使うことができ、瀝青炭も使うことができ、勿論、本願において、粉コークスを使用しても良い。製鋼炉において、十分なガス（ＣＯ）を生じさせて発泡スラグを形成することが目的であり、過剰となるガスを生じて、酸素をたくさん消費し、同時に生じた過剰なガスを回収し難く、浪費することを回避するために、製鋼炉において瀝青炭の使用を避ける。しかし、本発明において、ガス生産量を増加し、ガス全部回収して利用するため、瀝青炭は一つの優れた選択となり、生産コストを低減できる。
【００７８】
石炭ランスでスラグ３に石炭を噴霧した後、ノズルで炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧することを更に備えることが好ましい。
【００７９】
上記実施例において、炭化水素が上から下に（図３の矢印Ｄの方向に沿う）炉室のクリアランスに吹き込み、酸化反応で放出されたＣＯに引き連れたエネルギーと、ＣＯとＯ２が起こった燃焼反応によって生じた化学エネルギーと、ＣとＯ２が起こった燃焼反応によって生じた化学エネルギーを、炭化水素の熱分解ガス化の熱源とすることができ、それにより、炉室のクリアランスに石炭ガスを生じさせる。
【００８０】
炭化水素は、天然ガス又は軽油を備えることが好ましい。勿論、炉室のクリアランスにメタンガス、固体瀝青炭などを噴霧して石炭ガスに転化することもできる。溶融プールで生じたガス（ＣＯ＋ＣＯ２＋Ｈ２＋Ｈ２Ｏ）の温度は極めて高いので（温度は１７００℃以上）、大量の熱エネルギーを引き連れて炉室のクリアランスに入り、上記炭素気化物を炉室のクリアランスに噴霧して、ＣＯ２、Ｈ２Ｏと吸熱化学反応が起こり、石炭ガスに分解される。
【００８１】
勿論、石炭を噴霧しながら炭化水素を炉室のクリアランスに吹き込むこともできる。
【００８２】
ノズルで炉室のクリアランスに炭化水素を噴霧しながら、ノズルで炉室のクリアランスに液体の水及び／又は気体の水を噴霧することを更に含むこととしてもよい。
【００８３】
上記実施例において、石炭ガスにおける水素の含有量を増加しようとする場合には、炭化水素を噴霧しながらわずかな水を噴霧することとしてもよい。勿論、炉室の側壁に、水を噴霧するための追加ノズルを設置することもできる。液体の水及び／又は気体の水と、炭化水素の噴霧順序は、炭化水素を噴霧しながら水を噴霧しても良いし、連続して噴霧することとしてもよい。具体的には、炭化水素を先に噴霧しても良いし、水を先に噴霧しても良い。
【００８４】
以下、バナジウムチタン磁鉄鉱の製錬を例として挙げ、一つの中間試験冶金電気炉において、酸素・石炭吹き込みを実行する。操作パラメータは、原材料の条件の違いにより異なる。下表では、二つ異なる製錬方式のいくつの操作パラメータ及び得られた鉄量、石炭ガス量及び石炭ガス成分を挙げる。
【表１】
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【００８５】
実施例１と実施例２の違いは、実施例１では、冶金電気炉に直接にコールドフィードを加えているのに対し、実施例２では、バナジウムチタン磁鉄鉱を高金属化率に予備還元した後に、ホットフィードが冶金電気炉に入ることにある。
【００８６】
実施例１及び実施例２のパラメータから、冶金電気炉で酸素・石炭吹込み技術を採用した後、実施例１の電気エネルギーが総エネルギーの３７％を占め、実施例２の電気エネルギーが総エネルギーの３０％を占める。このため、酸素・石炭吹込み技術を採用した後、製錬において、電気エネルギーの消費が減少したことがわかる。
【００８７】
実施例１と実施例２では、総エネルギーが同じであり、両者によって生じた石炭ガスの量及び成分もほぼ同じであるが、実施例２における鉄量は、実施例１における鉄量の２．４倍である。実施例１では、直接コールドフィードを加え、予備還元がないため、設備は単純で、投資は少なくて済むが、完成品１トン当たりの総エネルギーの消費は多く、還元剤としての無煙炭の使用量が多い。実施例２では、予備還元ホットフィードには、予備還元設備を投資する必要があるが、燃料と還元剤として、廉価の瀝青炭を採用することができるので、無煙炭の使用量を減少して、製錬のエネルギー消費を低減することができる。実際の使用において、直接コールドフィードを加えるか、予備還元ホットフィードを加えるかは、エネルギー価格によって選択することができる。
【００８８】
なお、説明すべきは、本技術案は、主としてバナジウム、チタン、鉄鉱石を含む製錬に関するものであり、このときに、反応（１）と（２）の酸化物質はＴｉＯ２、還元物質はＴｉ２Ｏ３であるが、しかし、ＦｅＯ／Ｆｅ３Ｏ４システムに存在する硫化銅、硫化ニッケルの製錬にも応用することができる。
【００８９】
このように、本発明の実施例で提供する連続式冶金電気炉によると、酸素・石炭吹き込み技術を採用し、Ｏ２でスラグ３における低酸化数の還元物質を高酸化数の酸化物質に酸化し、酸化過程において放出された化学エネルギーによって、フィードを有効的に溶融できる。また、微粉炭をも上から下にスラグ３に噴霧して、上記高酸化数の酸化物質を低酸化数の還元状態に還元させる。スラグ３では、Ｏ２がＣＯ、Ｃと燃焼反応が起こり、更にフィードの溶融に熱を提供するため、溶製過程において電気エネルギー以外の化学エネルギーも溶製過程に大量のエネルギーを提供することができるので、溶融のトータルパワーを増加して、生産能力と効率を向上させることができる。特に、高融点のスラグ３を製錬することに有効であり、電気エネルギーの消費を減少することができる。
【００９０】
明細書の説明において、明確且つ具体的な限定がない限り、「複数の」という用語は、二つ又は二つ以上であることを意味する。限定又は説明がない限り、「接続」、「固定」などの用語の意味を広く解釈されるべきと理解される。例えば、「接続」は固定的な接続であっても、取り外し可能な接続であってもよく、又は一体的接続であってもよく、直接的に接続することや、中間媒体を介して間接的に接続することも可能である。当業者にとって、具体的な状況に応じて上記用語の本発明における具体的な意味を理解するべきである。
【００９１】
明細書の記載において、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」などの用語で示す方位又は位置関係は図面に示す方位又は位置関係に基づくものであり、本発明を説明し易く、又は説明を容易にするためのみに用いられる。示される装置またはユニットは必ず特定の方向を有し、特定の方位構造と操作を有することを表す又は暗示することではないことを理解するべきであり、そのため、本発明に対する制限とみなされるべきではない。
【００９２】
明細書の記載において、「一つの実施例」、「いくつかの実施例」、「具体的な例示」などの説明は、当該実施例又は例示的に説明した具体的な特徴、構造又は材料が本発明の少なくとも一実施例又は例示に含まれることを意味する。本明細書において、上記用語の説明は、必ず同一の実施例又は例示を意味するものではない。そして、説明した具体的な特徴、構造又は材料は、いずれかの一つ又は複数の実施例又は例示で適当な方式で結合することができる。
【００９３】
以上は、本発明の好適な実施例に過ぎず、本発明を限定するものではない。当業者であれば本発明に様々な修正や変形が可能である。本発明の精神や原則内での全ての修正、置換、改良などは本発明の保護範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００９４】
ここで、図１〜図３における符号と部品名称との対応関係は以下のとおりである。
１：炉室
１１：側壁
２：電極
３：スラグ
４：溶融金属。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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