(57)【要約】  溶融浴を有する直接製錬方法は、スラグの温度が容器の溶融浴内で１４００〜１５５０℃の範囲にあるときにこの容器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、直接製錬容器内でのプロセス条件を制御することを含む。
2013527322.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）酸化鉄及び少なくとも３重量％の酸化チタンを含有する金属含有供給材料、（ｂ）固体炭素質供給材料、及び（ｃ）酸素含有ガスを、鉄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段階と、
前記直接製錬容器で前記金属含有供給材料を直接製錬し、溶融鉄、酸化チタンを含有する溶融スラグ、及び排ガスのプロセス生成物を生成する段階と
を含む直接製錬方法において、
前記直接製錬容器の前記溶融浴内でスラグ温度が１４００〜１５５０℃の範囲にあるときに前記溶融スラグが０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有するように、本明細書に記載のようにプロセス条件を制御することを特徴とする、直接製錬法。
【請求項２】
前記溶融スラグが固体材料と液相とのスラリーであり、前記固体材料が、前記直接製錬法のスラグ温度で固体酸化物相であり、そのため前記溶融スラグは液体スラグ相中に固体酸化物相があるスラリーである、請求項１に記載された直接製錬法。
【請求項３】
前記固体酸化物相が前記液相から析出し、それによって前記スラグの粘度が制御されるように、スラグの組成を制御し、前記溶融浴の温度を前記スラグの液相線温度よりも低くなるように制御することによって、前記プロセス条件を制御することを含む、請求項２に記載された直接製錬法。
【請求項４】
前記溶融スラグ中の前記固体材料が前記溶融スラグの少なくとも５％であるように、前記プロセス条件を制御することを含む、請求項２又は請求項３に記載された直接製錬法。
【請求項５】
前記溶融スラグ中の前記固体材料が前記溶融スラグの少なくとも１０％であるように、前記プロセス条件を制御することを含む、請求項２から請求項４までのいずれか一項に記載された直接製錬法。
【請求項６】
前記溶融スラグ中の固体材料が前記溶融スラグの３０％未満であるように、前記プロセス条件を制御することを含む、請求項２から請求項５までのいずれか一項に記載された直接製錬法。
【請求項７】
前記溶融スラグ中の固体材料が前記溶融スラグの１５〜２５％であるように、前記プロセス条件を制御することを含む、請求項２から請求項６までのいずれか一項に記載された直接製錬法。
【請求項８】
前記金属含有供給材料が、チタン磁鉄鉱、チタノマグネタイト及びイルメナイトのいずれか１種又は複数を含む、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された直接製錬法。
【請求項９】
前記金属含有供給材料がチタノマグネタイトのみを含むとき、前記酸化チタンが前記金属含有供給材料の４０重量％未満である、請求項８に記載された直接製錬法。
【請求項１０】
前記金属含有供給材料がチタノマグネタイトのみを含むとき、前記酸化チタンが前記金属含有供給材料の３０重量％未満である、請求項８又は請求項９に記載された直接製錬法。
【請求項１１】
前記金属含有供給材料がチタノマグネタイト及びイルメナイトを含むとき、前記酸化チタンが前記金属含有供給材料の５０重量％未満である、請求項８に記載された直接製錬法。
【請求項１２】
前記金属含有供給材料が、酸化バナジウムなどのその他の金属酸化物も含む、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載された直接製錬法。
【請求項１３】
前記金属含有供給材料が酸化バナジウムを含有する場合、前記直接製錬法が、溶融鉄及びバナジウム、酸化チタン及び酸化バナジウムを含有する溶融スラグ、及び排ガスのプロセス生成物を生成することを含む、請求項１２に記載された直接製錬法。
【請求項１４】
前記スラグ中の鉄と前記金属中の炭素との濃度の比が２：１未満になるように制御することによって、前記プロセス条件を制御することを含む、請求項１から請求項１３までのいずれか一項に記載された直接製錬法。
【請求項１５】
前記スラグ中の鉄と前記金属中の炭素との濃度の比が１．５：１未満になるように制御することによって、前記プロセス条件を制御することを含む、請求項１から請求項１４までのいずれか一項に記載された直接製錬法。
【請求項１６】
前記スラグ中の鉄と前記金属中の炭素との濃度の比が１：１〜１．３：１になるように制御することによって、前記プロセス条件を制御することを含む、請求項１から請求項１５までのいずれか一項に記載された直接製錬法。
【請求項１７】
前記溶融スラグが高い酸素ポテンシャルを有するように、前記プロセス条件を制御することを含む、請求項１から請求項１６までのいずれか一項に記載された直接製錬法。
【請求項１８】
溶融浴を有する直接製錬法により、酸化鉄及び少なくとも３重量％の酸化チタンを含有する金属含有供給材料を製錬するために使用される直接製錬容器であって、前記直接製錬容器は、金属及びスラグの溶融浴を収容し、前記溶融スラグは１４００〜１５５０℃の温度範囲及び０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有する、直接製錬容器。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８までのいずれか一項に記載された直接製錬法によって生成された、溶融鉄生成物。
【請求項２０】
請求項１から請求項１７までのいずれか一項に記載された直接製錬法によって生成された、ＴｉＯ２の形の酸化チタンを少なくとも５０％有するスラグ生成物。
【請求項２１】
請求項１から請求項１７までのいずれか一項に記載された直接製錬法により生成される顔料用チタニアを生成するための、硫酸塩法のための供給材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接製錬容器で、酸化鉄及び酸化チタンを含有する金属含有供給材料から溶融金属を生成するための、溶融浴による直接製錬法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
金属含有供給材料は、酸化鉄及び酸化チタンを含有する任意の材料であってよい。適切な供給材料の１つの例は、チタン磁鉄鉱である。これはチタノマグネタイト又は「砂鉄」としても知られている。別の例はイルメナイトである。チタン磁鉄鉱の適切な供給源は、スウェーデン、中国及びニュージーランドで見出される。イルメナイトの適切な供給源は、西オーストラリア及びマダガスカルで見出される。本発明は、チタン磁鉄鉱及びイルメナイトに限定するものではなく、これら供給源から得られるチタン磁鉄鉱及びイルメナイトに限定されるものではない。
【０００３】
金属含有供給材料は、酸化鉄及び酸化チタンと、酸化バナジウムなどのその他の金属酸化物とを含有する任意の材料であることができる。適切な供給材料の１つの例は、スウェーデン、中国及びニュージーランドで見出されるような、又はＴｉＯ２顔料供給プロセス（Ｂｅｃｈｅｒ法）での残渣としての、チタン−バナジウム磁鉄鉱である。
【０００４】
公知の溶融浴による直接製錬法を、一般にハイスメルト（ＨＩｓｍｅｌｔ）法と呼び、出願人によりかなりの数の特許及び特許出願に記載されている。
【０００５】
ハイスメルト法は、鉄鉱から溶融鉄を生成することに特に関連するものである。
【０００６】
溶融鉄を生成するという状況において、ハイスメルト法は、
（ａ）直接製錬容器に溶融鉄及びスラグの浴を形成するステップ、
（ｂ）この浴に、（ｉ）通常は粒子形態の鉄鉱、及び（ｉｉ）鉄鉱供給材料の還元剤及びエネルギー供給源として作用する通常は石炭である固体炭素質材料を注入するステップ、
（ｃ）浴内で鉄鉱を鉄に製錬するステップ
を含む。
【０００７】
本明細書において、「製錬」という用語は、金属酸化物を還元する化学反応が生じて溶融金属が生成される熱処理を意味すると理解される。
【０００８】
ハイスメルト法では、金属含有材料の形態の固体供給材料及び固体炭素質材料がキャリア・ガスと共に、直接製錬容器の側壁を経て下向き及び内向きに延びるように鉛直に対して傾斜したいくつかのランスによって溶融浴内に注入され、且つ固体供給材料の少なくとも一部が容器の底部の金属層に到達するようにこの容器の下部領域に注入される。固体供給材料及びキャリア・ガスは、溶融浴に侵入して、溶融金属及び／又はスラグを浴の表面の上方にある空間に突出させて、遷移領域を形成する。酸素含有ガス、通常は酸素に富む空気又は純粋な酸素の噴射を、下向きに延びるランスにより容器の上部領域に注入して、容器の上部領域にある溶融浴から放出された反応ガスを二次燃焼させる。遷移領域では、好ましい量の、上昇しその後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、浴の上方で反応ガスを二次燃焼させることによって発生した熱エネルギーを浴に移動させるのに有効な媒体が提供される。
【０００９】
通常は、溶融鉄を生成する場合、酸素に富む空気を使用する際には、その空気は１２００℃程度の温度で供給され、熱風炉で発生させられる。技術的に純粋な冷酸素が使用される場合、この酸素は通常は周囲温度又は周囲温度付近で供給される。
【００１０】
直接製錬容器での反応ガスの二次燃焼から生じる排ガスは、排ガス・ダクトを通して容器の上部領域から除去される。
【００１１】
直接製錬容器は、下方の炉床に耐火物裏打ち部を、容器の側壁及び屋根に水冷却パネルを含み、連続回路でパネルを通して水を連続的に循環させる。
【００１２】
ハイスメルト法は、通常は少なくとも０．５Ｍｔ／ａの大量の溶融鉄を、単一の小さな容器で直接製錬することによって製造することを可能にする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６，４４０，１９５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、この時点までの出願人の見方は、チタノマグネタイト及びイルメナイトなどの酸化鉄及び酸化チタンを含有し且つ任意選択で酸化バナジウムなどのその他の金属酸化物も含有する金属含有供給材料を製錬するには、ハイスメルト法は適切ではないということであった。出願人は次に、ハイスメルト法に関して研究及び開発を、特にこのハイスメルト法におけるスラグの特徴を調査する作業を実施し、プロセス条件の適切な制御によって、ハイスメルト法において酸化鉄及び酸化チタンと任意選択で酸化バナジウムとを含有する金属含有供給材料を製錬することが可能になることを示す。この発見は、ハイスメルト法に類似した特徴を有し又はハイスメルト法を採用するその他の溶融浴による方法にも当てはまる。
【００１５】
上記考察は、オーストラリア及びその他の地域において共通する一般的な知識であることを認めるものではない。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、直接製錬容器内でプロセス条件を制御することにより、この容器内の金属及びスラグの溶融浴内にある溶融スラグが、容器内の溶融浴におけるスラグ温度が１４００〜１５５０℃の範囲にあるときに０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有するようにすることを含む、溶融浴による直接製錬法を提供する。
【００１７】
本発明は、（ａ）酸化鉄及び少なくとも３重量％の酸化チタンを含有する金属含有供給材料、（ｂ）固体炭素質供給材料、及び（ｃ）酸素含有ガスを、鉄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段階と、及び容器で金属含有供給材料を直接製錬し、溶融鉄、酸化チタンを含有する溶融スラグ、及び排ガスのプロセス製造物を生成する段階とを含む直接製錬法において、スラグ温度が直接製錬容器の溶融浴内で１４００〜１５５０℃の範囲にあるときに溶融スラグが０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有するように、本明細書に記載のようにプロセス条件を制御することを特徴とする、直接製錬法を提供する。
【００１８】
本明細書では、「溶融スラグ」という用語は、完全に液体であるスラグを意味すると理解される。
【００１９】
本明細書では、「溶融スラグ」という用語は、固体材料及び液相のスラリーを含むスラグも意味すると理解される。
【００２０】
溶融スラグ中の固体材料は、この直接製錬法のスラグ温度で固体酸化物相であってもよく、スラグは、液体スラグ相中に固体酸化物相があるスラリーである。
【００２１】
本明細書では「プロセス条件」という用語は広い意味を有するものとし、例えば（ａ）温度及び圧力、固体供給材料及び酸素含有ガスの容器内への注入速度などの直接製錬容器内の動作条件、（ｂ）溶融浴の組成、特にスラグ組成、及び（ｃ）溶融浴の特性に及ぶことが意図されている。溶融浴の組成は、溶融浴の温度が１４００〜１５５０℃の範囲で本明細書に記述されるようにスラグが溶融スラグになるように、スラグの構成成分の選択を含むことができる。上述の「溶融スラグ」の定義に示されるように、溶融スラグは、この直接製錬法の動作温度範囲で固体酸化物相及び液体スラグ相を含むことができる。溶融スラグの特性には、例として、上述の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、例として、溶融スラグの塩基度及びスラグの乱流も含まれる。これらの特性は、動作条件及びスラグ組成に依存する。
【００２２】
本発明は、上述の研究及び開発の結果としての出願人の認識に基づいている。
（ａ）ハイスメルト法と、ハイスメルト法に類似した特徴を有し又はハイスメルト法を採用するその他の溶融浴による方法では、酸化鉄、酸化チタン、及び任意選択で酸化バナジウムを含有する金属含有供給材料を直接製錬するための動作の窓がある。
（ｂ）この窓内で動作する溶融浴による方法は、これらチタン含有材料を製錬して、酸化バナジウムを含有するチタノマグネタイトを含むチタノマグネタイトを製錬するのに現在使用されている高炉よりも効果的に、溶融鉄を生成する機会を提供する。
【００２３】
特に、出願人は、本発明が、ハイスメルト型の方法の溶融浴をベースとする製錬法から、２種の価値ある生成物、即ち（ａ）バナジウム金属を含有できる溶融鉄生成物と、（ｂ）顔料用チタニアを生成するための硫酸塩法の供給材料として使用できるＴｉＯ２形の酸化チタンを少なくとも５０％などの高濃度の有するスラグ生成物とを生成する機会を提供することに気付いた。特に、出願人は、溶融浴を有する方法で、この方法から放出された溶融スラグの冷却速度を制御することにより、硫酸塩法での処理に適したミクロ構造を優先的に形成する機会があることに気付いた。
【００２４】
この方法は、スラグの組成を制御し、且つ溶融浴の温度をスラグの液相線温度よりも低く、通常は僅かに低く制御して、固体酸化物相が溶融スラグの液相から析出するようにし、それによってスラグの粘度を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ことができる。
【００２５】
本明細書で使用される「粘度」及び「液相線温度」という用語は、ＦａｃｔＳａｇｅソフトウェア（液相線温度の場合はＦａｃｔＳａｇｅ  ６．１以降、及び粘度の場合は「ＦａｃｔＳａｇｅ  Ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ  ６．０以降」）により計算された粘度及び液相線温度を意味すると理解される。種々の測定及び計算技法から得られる非標準的結果の可能性を考えれば、ＦａｃｔＳａｇｅ計算による合理的説明は、これらの用語の意味において暗黙的であるように定義される。その計算は、実行される場合、ＦａｃｔＳａｇｅソフトウェアを使用するための指針に完全に一致し、必要なら、ＦａｃｔＳａｇｅソフトウェアの所有者によって見直し及び認可がなされる。特に、ある可能性のある化学種の組合せを（故意に又はそれ以外の理由で）省略する計算は、本明細書で使用される「粘度」及び「液相線温度」に一致しているとは見なされないことになる。
【００２６】
この直接精錬法は、溶融スラグ中の固体材料がこの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むことができる。
【００２７】
溶融スラグ中の固体材料は、溶融スラグの少なくとも１０％であることができる。
【００２８】
溶融スラグ中の固体材料は、溶融スラグの３０％未満であることができる。
【００２９】
溶融スラグ中の固体材料は、溶融スラグの１５〜２５％を構成できる。
【００３０】
金属含有供給材料は、酸化鉄及び酸化チタンを含有する任意の材料であることができる。適切な供給材料の実例は、チタン磁鉄鉱、チタノマグネタイト及びイルメナイトである。
【００３１】
金属含有供給材料がチタノマグネタイトのみを含む状況では、酸化チタンは、金属含有供給材料の４０重量％未満であることができる。
【００３２】
金属含有供給材料がチタノマグネタイトのみを含む状況では、酸化チタンは、金属含有供給材料の３０重量％未満であることができる。
【００３３】
金属含有供給材料がチタノマグネタイト及びイルメナイトを含む状況では、酸化チタンは、金属含有供給材料の５０重量％未満であることができる。
【００３４】
金属含有供給材料は、酸化鉄及び酸化チタンと、酸化バナジウムなどのその他の金属酸化物を含有する任意の材料であることができる。適切な供給材料の１つの実例は、チタン−バナジウム磁鉄鉱である。
【００３５】
金属含有材料が酸化バナジウムを含有する状況では、この直接精錬法は、溶融鉄及びバナジウム、酸化チタン及び酸化バナジウムを含有する溶融スラグ、及び排ガスのプロセス生産物を生成することを含む。
【００３６】
プロセス条件に応じてこの直接精錬法での金属とスラグ生成物との間のバナジウムの分配は、金属生成物に対して少なくとも５０％、通常は少なくとも６５％、より典型的には少なくとも８０％であることができる。
【００３７】
一般論として、金属含有材料が酸化バナジウムを含有する状況のみならず、この直接精錬法は、スラグ中の鉄と金属中の炭素との濃度の比を２：１未満、典型的には１．５：１未満、より典型的には１：１から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むことができる。
【００３８】
この直接精錬法は、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むことができる。
【００３９】
本明細書では、「酸素ポテンシャル」の文脈における「高い」という用語は、高炉スラグに対して高いことを意味すると理解される。
【００４０】
この直接精錬法は、スラグ中の酸化チタンが＋４価の状態からより低い原子価状態に還元されることを最小限に抑えるため、溶融スラグの酸素ポテンシャルが十分高くなるようにプロセス条件を制御することを含むことができる。原子価のより低い状態は、スラグ粘度を低減させ、泡沫状のスラグが形成されるリスクが増大する。泡沫状のスラグは、プロセス制御に関する問題をもたらすので望ましくない。
【００４１】
この直接精錬法は、溶融スラグが高い酸素ポテンシャルを有するように溶融スラグのＦｅＯ含量が少なくとも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ことができる。
【００４２】
この直接精錬法は、溶融スラグが高い酸素ポテンシャルを有するように溶融スラグのＦｅＯ含量が少なくとも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ことができる。
【００４３】
この直接精錬法は、溶融スラグが高い酸素ポテンシャルを有するように溶融スラグのＦｅＯ含量が少なくとも５重量％であるように、プロセス条件を制御することを含むことができる。
【００４４】
この直接精錬法は、溶融スラグのＦｅＯ含量が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むことができる。
【００４５】
この直接精錬法は、溶融スラグのＦｅＯ含量が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むことができる。
【００４６】
この直接精錬法は、溶融スラグの炭素含量が少なくとも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ことができる。
【００４７】
この直接精錬法は、溶融スラグの炭素含量が少なくとも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ことができる。
【００４８】
この直接精錬法は、溶融スラグの炭素含量が５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ことができる。
【００４９】
この直接精錬法は、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むことができる。
【００５０】
この直接精錬法は、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むことができる。
【００５１】
この直接精錬法は、溶融スラグの粘度が２．５ポアズ超であるように、プロセス条件を制御することを含むことができる。
【００５２】
この直接精錬法は、溶融浴において、溶融スラグの特性、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ために、１種又は複数の添加剤を添加することを含むことができる。
【００５３】
例として、添加剤は、スラグの粘度を低下させ泡沫状スラグのリスクを最小限に抑えるため、例えばＣａＯによって溶融スラグの塩基度を制御するように選択できる。
【００５４】
この直接精錬法は、溶融スラグが下記の構成成分を、表示される範囲内で有するように、プロセス条件を制御することを含むことができる。
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％
【００５５】
溶融スラグは、少なくとも２０重量％のＴｉＯ２を含むことができる。
【００５６】
溶融スラグは、少なくとも５０重量％のＴｉＯ２を含むことができる。
【００５７】
溶融スラグは、１５〜２０重量％のＳｉＯ２を含むことができる。
【００５８】
溶融スラグは、１５〜３０重量％のＣａＯを含むことができる。
【００５９】
溶融スラグは、１０〜２０重量％のＡｌ２Ｏ３を含むことができる。
【００６０】
溶融スラグは、４〜１０重量％のＦｅＯを含むことができる。
【００６１】
スラグ組成物は、ＭｎＯなどのその他の構成成分を含むことができる。
【００６２】
本発明によるスラグ組成物の特定の実例は、下記の通りである。
【００６３】
【表１】
2013527322.tif 000003
【００６４】
【表２】
2013527322.tif 000004
【００６５】
【表３】
2013527322.tif 000005
【００６６】
化学成分Ａ及びＢは、中国産チタノマグネタイトの形をした１００％の供給材料の使用に基づき、化学成分Ｃは、ニュージーランド産チタノマグネタイトの形をした１００％の供給材料の使用に基づく。
【００６７】
この直接精錬法は、この方法を、直接製錬容器内で大気圧よりも高い圧力で操作することを含むことができる。
【００６８】
酸素含有ガスは、酸素に富む空気又は工業用酸素であることができる。
【００６９】
この直接精錬法は、固体供給材料が溶融浴の溶融鉄層に少なくとも部分的に侵入するように、容器の側壁を経て下向き及び内向きに延びる固体材料注入ランスを介して、溶融浴内に金属含有供給材料及び固体炭素質材料及びキャリア・ガスを注入することにより、固体供給材料を容器内に供給することを含むことができる。
【００７０】
この直接精錬法は、溶融浴の実質的な撹拌をもたらすために、固体供給材料及びキャリア・ガスの注入を制御することを含めてこの方法を制御することを含むことができる。
【００７１】
溶融浴の撹拌の程度は、浴内が実質的に均一な温度であるようなものであってもよい。
【００７２】
この直接精錬法は、個別のプロセス流として、この直接精錬法の溶融金属及び溶融スラグ生成物を放出することを含むことができる。
【００７３】
この直接精錬法は、硫酸塩法での処理に適したミクロ構造を優先的に形成するように、工程で放出される溶融スラグの冷却速度を制御することを含むことができる。
【００７４】
この直接精錬法は、上述のようなハイスメルト法であることができる。
【００７５】
この直接精錬法は、（ａ）米国特許第６，４４０，１９５号に記載されているような直接製錬容器上の製錬サイクロン及び（ｂ）供給材料を直接製錬容器に供給する前の金属含有供給材料の前還元、と併せてハイスメルト容器を必要とする、ハイスメルト法の変形例であってもよい。
【００７６】
本発明は、溶融浴を有する直接製錬法によって、酸化鉄及び少なくとも３重量％の酸化チタンを含有する金属含有供給材料を製錬するために使用する直接製錬容器も提供し、この容器は、金属及びスラグの溶融浴を収容し、溶融スラグは１４００〜１５５０℃の温度範囲及び０．５〜５ポアズの範囲の粘度を有する。
【００７７】
本発明は、上述の直接製錬法により生成されたバナジウム金属を含有できる溶融鉄生成物も提供する。
【００７８】
本発明は、上述の直接製錬法により生成された、少なくとも５０％などのＴｉＯ２の形の酸化チタンを高濃度で有するスラグ生成物も提供する。
【００７９】
本発明は、上述の直接製錬法により生成された、顔料用チタニアを生成するための硫酸塩法に用いられる供給材料も提供する。
【００８０】
本発明について、以下、添付図面を参照しながらより詳細に記述する。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の直接製錬法の一実施例により動作する直接製錬容器の概略図。
【図２】本発明の直接製錬法の一実施例におけるスラグのカルシア、アルミナ及びシリカの三元系状態図。
【図３】本発明の直接製錬法の一実施例における高酸化チタン供給材料に関するスラグの擬似三元系状態図と、この状態図の２つのマークされた部分に関する個別のスラグの液相線プロット。
【発明を実施するための形態】
【００８２】
以下の記述は、ハイスメルト法を介して溶融鉄を生成するためのチタノマグネタイトの製錬に関するものである。本発明は、チタノマグネタイトの製錬に限定されるものではなく、酸化鉄及び酸化チタンを含有する任意の適切な金属含有供給材料の製錬に及ぶ。例えば、本発明は、チタン−バナジウム磁鉄鉱の製錬にまで及ぶ。さらに、本発明はハイスメルト法に限定されるものではなく、必要なプロセス条件を発生させることのできるハイスメルト型の方法の、任意の溶融浴を有する方法に及ぶ。特に、例として、本発明は、（ａ）米国特許第６，４４０，１９５号に記載されているような直接製錬容器上の製錬サイクロンと、（ｂ）供給材料を直接製錬容器に供給する前の金属含有供給材料の前還元とを含むハイスメルト法の変形例にまで及ぶ。
【００８３】
上述のように、ハイスメルト法は、出願人の名の下に、かなりの数の特許及び特許出願に記載されている。例として、ハイスメルト法は、出願人の名の下に国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７に記載されている。国際出願で提出された特許明細書の開示は、相互参照により本明細書に援用する。
【００８４】
この直接精錬法は、直接製錬容器３の使用に基づいている。
【００８５】
容器３は、出願人の名の下に、国際出願ＰＣＴ／ＡＵ２００４／０００４７２及びＰＣＴ／ＡＵ２００４／０００４７３に詳述されたタイプのものである。これら出願で提出された特許明細書の開示は、相互参照により本明細書に援用する。
【００８６】
容器３は、耐火レンガから形成された基部及び側部を含む炉床５１と、炉床の側部から上向きに延びる通常は略円筒状のバレルを形成し且つ上部バレル領域及び下部バレル領域を含む側壁５３と、屋根５５と、容器３の上部領域にある排ガス・ダクト９と、容器３から連続的に溶融金属を放出するための前炉床６７と、容器３から周期的に溶融スラグを放出するためのタップ・ホール（図示せず）とを有する。
【００８７】
使用中、容器は、溶融金属の層１５とこの金属層１５上にある溶融スラグの層１６とを含む、鉄及びスラグの溶融浴を収容する。符号１７が付された矢印は、金属層１５の名目上の静止面の位置を示し、符号１９が付された矢印は、スラグ層１６の名目上の静止面の位置を示す。「静止面」という用語は、容器内へのガス及び固体材料の注入がない場合の表面を意味すると理解される。通常は、溶融浴の温度は１４００〜１５５０℃の範囲にある。
【００８８】
容器３は、容器３の上部空間内を延びる、下向きに延びた水冷式高温空気ブラスト（「ＨＡＢ」）ランス７と、側壁を経てスラグ内に下向き及び内向きに延びる、複数の水冷式固形分注入ランス５とを備える。ランス５は、側壁を経て鉛直に対して３０〜６０°の角度で下向き及び内向きに、且つ溶融浴のスラグ層１６内へと延びる。ランス５の位置は、下端が溶融浴の金属層１５の静止面１７の上方にあるように選択される。
【００８９】
使用中、キャリア・ガス（通常はＮ２）に取り込まれたチタノマグネタイト及び石炭及びスラグ添加剤は、固形分注入ランス５を介して浴に直接注入される。
【００９０】
注入された固体材料／キャリア・ガスの運動量は、固体材料及びガスを金属層１５に侵入させる。石炭からは揮発分が除去され、それによってかなりの体積のガスが金属層１５内で生成される。炭素は、金属に部分的に溶解し、固体炭素が部分的に残される。チタノマグネタイト内の酸化鉄を製錬して溶融金属にし、製錬反応によって一酸化炭素ガスが発生する。金属層１５に輸送され、揮発分除去及び製錬によって発生したガスは、溶融金属、固体炭素、チタノマグネタイト中の未反応の固体材料（主にＴｉＯ２）、及びスラグ（固体／ガス／注入の結果として金属層１５に引き出される）に著しい金属層１５からの浮力上昇をもたらし、それが、溶融金属及びスラグと取り込まれた未反応のチタノマグネタイトの飛沫、液滴及び流れの上向きの運動を発生させ、これらの飛沫、液滴及び流れは、スラグ層１６内を移動する際にスラグを取り込む。
【００９１】
上述の材料の浮力上昇により、金属層１５及びスラグ層１６にかなりの撹拌が引き起こされ、その結果、スラグ層１６はその体積を膨張させ、矢印３０により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が適度に均一な温度になる程度であり、通常は１４００〜１５５０℃であり、その温度変化は各領域で３０°程度である。
【００９２】
さらに、上述の材料の上向きの運動は、容器の溶融浴の上方にある容器３の上部空間３１内に及び、
（ａ）遷移領域２３を形成し、且つ
（ｂ）一部の溶融材料（主にスラグ）が、遷移領域を越えて、遷移領域２３の上方にある容器３の側壁領域上に突出する。
【００９３】
一般論として、スラグ層１６は、固体材料及び気泡を含む液体連続体積体であり、遷移領域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の連続体積体である。或いは、スラグ層１６は、気泡の分散体を液相中に含む、液相中の固体材料のスラリーと記述できる。
【００９４】
酸素含有ガスのランス７の位置及びこのランス７を通るガス流量は、酸素含有ガスが遷移領域２３の中心領域に侵入し且つ本質的に金属／スラグを含まない空間（図示せず）をランス７の端部の周りに維持するように選択される。ランス７は、酸素含有ガスを渦巻き状態で容器内に注入させる組立体を含む。
【００９５】
ランス７を介した酸素含有ガスの注入によって、反応ガスＣＯ及びＨ２が遷移領域２３内及びランス７の端部の周りの自由空間内で二次燃焼し、２０００℃程度又はそれ以上の高温をガス空間内に発生させる。熱は、金属層から、上昇し下降する材料の飛沫、液滴及び流れに移動し、次いで材料が金属層１５へと下向きに落下するときに、金属層１５に熱が部分的に移動する。
【００９６】
本発明の方法で記述される実施例は、溶融スラグが、（ａ）本明細書に記述されるように、スラグが溶融スラグであるよう選択された組成範囲内にあり、（ｂ）高い酸素ポテンシャルを有し、且つ（ｃ）スラグ温度が容器３の溶融浴内で１４００〜１５５０℃の範囲内にある場合、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。
【００９７】
プロセス条件の必要な制御は、必要とされる高い酸素ポテンシャルが実現されるように溶融スラグのＦｅＯ含量を制御すること、及びスラグ温度が容器３の溶融浴内で１４００〜１５５０℃の範囲にある場合、１〜５ポアズの範囲で必要とされる粘度が実現されるように溶融スラグのＣａＯ含量を制御することを含むがこれらに限定することのなく、一連の選択肢の１つ又は複数によって実現することができる。
【００９８】
より具体的には、記述される実施例において、プロセス条件の必要な制御は、溶融スラグが下記の構成成分を、溶融浴の１４００〜１５５０℃の記述される範囲内で有するように、供給材料及び動作条件を選択することを含む。
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％。
【００９９】
より具体的には、記述される実施例において、プロセス条件の必要な制御は、溶融スラグが、溶融浴の１４００〜１５５０℃の記述される範囲でスラグ組成に関して部分液相線（サブ液相線）にあり、好ましくは僅かにサブ液相線にあるようにスラグ組成を制御し、その結果、固体酸化物相が、スラグの５〜２５体積％の量で液体スラグから析出させることを含む。得られた溶融スラグは、液体スラグ相中に固体酸化物相があるスラリーである。析出した固体酸化物相は、この直接製錬法の記述される実施例に必要とされるように、溶融スラグの粘度の制御に寄与する。さらに、粘性溶融スラグは、スラグに接触している容器の耐火物質表面に保護コーティングを形成するのに十分適している。
【０１００】
図２は、本発明の直接製錬法の一実施例における、カルシア、アルミナ及びシリカの３種の主なスラグ成分に関する三元系状態図である。より具体的にはこの状態図は、アルミナ及びシリカの２種の主な脈石成分と、フラックス添加剤、即ちカルシアに焦点を当てている。状態図は、ＦａｃｔＳａｇｅ  ６．１によるものである。状態図は、スラグの相にスラグ組成が及ぼす影響を示す。特に、図２からは、粘度のより高いスラグ（即ち、少なくとも２．５ポアズの粘度を有するスラグ）が必要であると決定でき、これは、スラグ組成を制御することによって、例えばカルシアの添加を調節することによって、及び溶融スラグからメリライト固相が析出するようにその他のプロセス条件を制御することによって実現することができる。
【０１０１】
図３は、本発明の直接製錬法の一実施例における、高酸化チタン供給材料に関するスラグの擬似三元系状態図と、この状態図の２つのマークされた部分に関する個別のスラグの液相線プロットである。状態図は、（ａ）３種の主な脈石成分、即ちアルミナ、マグネシア及びシリカ、（ｂ）フラックス添加剤、即ちカルシア、及び（ｃ）チタニアに焦点を当てている。状態図は、Ｑｕｅｅｎｓｌａｎｄ大学の研究者によるものである。状態図は、方法で必要とされる１〜５ポアズのスラグ粘度を提供する、スラグ組成に関する動作窓を定義する。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を通して液相線温度の著しい変化を示している。これらの部分から、かなりの範囲で固相を析出し、それによって、溶融浴の１４００〜１５５０℃の温度範囲内でスラグの粘度が変化することが特に明らかである。
【０１０２】
さらなる一般論として、下記の方法の特徴は、個別に又は組み合わせて、方法の適切な制御パラメータとなる。
【０１０３】
（ａ）スラグの残量、即ちスラグ層の深さ、及び／又はスラグ／金属の比（通常は、３：１から１：１までになる金属：スラグの重量比）を制御して、遷移領域２３内の金属が熱移動に及ぼす良い影響と、遷移領域２３における逆反応に起因して遷移領域２３内の金属が二次燃焼に及ぼす悪影響とのバランスをとること。スラグの残量が少なすぎると、酸素に対する金属の曝露は非常に高く、二次燃焼の可能性が低くなる。一方、スラグの残量が多すぎると、ランス７は遷移領域２３に埋め込まれることになり、自由空間２５内へのガスの取込みが減り、二次燃焼の可能性が低くなる。
【０１０４】
（ｂ）ランス７の位置を選択すること、及びランス７及びランス５を介した酸素含有ガス及び固形分の注入速度を制御して、本質的に金属／スラグを含まない領域をランス７の端部の周りに維持し、ランス７の下部領域の周りに遷移領域２３を形成すること。
【０１０５】
（ｃ）（ｉ）スラグの残量、及び
（ｉｉ）ランス７及びランス５を通る注入流量
のうちの１つ又は複数を調節することによって、遷移領域２３に接触している又は遷移領域２３の上方にある容器３の側壁領域にスラグをはねかけることにより、容器からの熱損失を制御すること。
【０１０６】
本発明の原理及び範囲から逸脱することなく、上述の本発明の実施例に、多くの修正を行うことができる。
【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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