(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固形物の供給材料用の流路を画定する管であり、前記固形物の供給材料が前記管を通して注入される管であって、前記管の後端部における固形物の供給材料用の流入口および前端部における固形物の供給材料排出用の流出口を有する管と、前記管における穿孔を検出するためのシステムであって、前記管の半径方向の外側に環状のチャンバを含むシステムとを含み、前記環状のチャンバが不活性ガスを含み、前記システムが、前記管における穿孔を検出するために、前記不活性ガスの圧力の変化を検出するように構成されることを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項２】
請求項１に記載の固形物注入ランスにおいて、前記システムが、前記管内の圧力の変化、または、前記管内へのもしくは前記管からのガスの流れを、前記管における穿孔の結果として検出するように構成される、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固形物注入ランスにおいて、水冷却システムを含み、穿孔を検出するための前記システムが、前記管と前記水冷却システムとの間に配置される、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項４】
請求項１または２に記載の固形物注入ランスにおいて、酸素含有ガスを、前記固形物注入ランスを通して前記固形物注入ランスの後端部から前端部に注入するガス注入システムを含み、穿孔を検出するための前記システムが、前記管と前記ガス注入システムとの間に配置される、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の固形物注入ランスにおいて、前記管が前記固形物注入ランスの中心のコア管である、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項６】
請求項５に記載の固形物注入ランスにおいて、前記システムは、前記環状のチャンバ内の圧力の変化、または、前記環状のチャンバ内へのもしくは前記環状のチャンバからのガスの流れを、前記管における穿孔の結果として検出するように構成される、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項７】
請求項５に記載の固形物注入ランスにおいて、前記システムが、前記管の半径方向の外側の環状のチャンバと、前記環状のチャンバもしくは前記管内の圧力の変化、または、前記環状のチャンバもしくは前記管内への、またはそれらからのガスの流れであって、前記管内に穿孔が存在することを指示する圧力の変化またはガスの流れを検出するセンサと、前記センサに応答するアラームであって、前記管内における穿孔を指示するアラームとを含む、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項８】
請求項６または７に記載の固形物注入ランスにおいて、前記圧力の変化またはガス流れが、前記管に穿孔が生じた際の、前記環状のチャンバ内の圧力の低下または前記環状のチャンバ内へのガスの内向きの流れである、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項９】
請求項８に記載の固形物注入ランスにおいて、使用中、前記管に穿孔が生じた際に、不活性ガスが前記環状のチャンバから前記管内の流路の中に流入するように、前記環状のチャンバにおける前記不活性ガスが、前記管内の平均のガス圧力より高い圧力状態である、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項１０】
請求項９に記載の固形物注入ランスにおいて、前記環状のチャンバ内のガス圧力を維持するために、前記環状のチャンバが、前記環状のチャンバに不活性ガスを供給する流入口を含む、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項１１】
請求項６または７に記載の固形物注入ランスにおいて、前記圧力の変化またはガス流れが、前記管に穿孔が生じた際の、前記管内の流路から前記環状のチャンバ内へのガスの流入による、前記環状のチャンバ内の圧力の増大、または、前記環状のチャンバからのガスの外向きの流れの増大である、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項１２】
請求項１１に記載の固形物注入ランスにおいて、前記環状のチャンバが、前記管内の平均のガス圧力より低い圧力状態の前記不活性ガスを含む、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項１３】
請求項１１に記載の固形物注入ランスにおいて、前記環状のチャンバが減圧状態にある、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項１４】
請求項６乃至１３の何れか１項に記載の固形物注入ランスにおいて、前記環状のチャンバが、１〜５ｍｍの半径方向の深さによって規定されている、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項１５】
請求項６乃至１４の何れか１項に記載の固形物注入ランスにおいて、前記環状のチャンバが、環状の冷却ジャケットの長さにほぼ沿って延びる、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項１６】
請求項６乃至１５の何れか１項に記載の固形物注入ランスにおいて、前記不活性ガスが窒素である、ことを特徴とする固形物注入ランス。
【請求項１７】
請求項１乃至１６の何れか１項に記載の少なくとも１つの固形物注入ランスを有する直接製錬容器を含む、ことを特徴とする直接製錬プラント。
【請求項１８】
固形物の金属含有供給材料から溶融金属を製造するための溶融浴に基づく直接製錬プロセスにおいて、金属含有供給材料のような前記固形物の供給材料を、直接製錬容器内の溶融浴の中に、請求項１乃至１６の何れか１項に記載の少なくとも１つの固形物注入ランスを経由して注入するステップと、前記固形物注入ランスにおける穿孔を検出するためにシステムによって前記固形物注入ランスを監視するステップとを含む、ことを特徴とするプロセス。
【請求項１９】
請求項１８に記載の溶融浴に基づく直接製錬プロセスにおいて、前記固形物注入ランスの前記管内の圧力の変化、または、前記管内へのもしくは前記管からのガスの流れを、前記管における穿孔の結果としてチェックするステップを含む、ことを特徴とするプロセス。
【請求項２０】
請求項１８に記載の溶融浴に基づく直接製錬プロセスにおいて、前記環状のチャンバ内の内部ガス圧を維持するために、前記固形物注入ランスの環状のチャンバに不活性ガスを供給するステップと、前記内部ガス圧を維持するために、不活性ガスの流れの変化をチェックするステップとを含む、ことを特徴とするプロセス。
【請求項２１】
金属含有供給材料から溶融金属を製造するための溶融浴に基づく製錬プロセス用の装置であって、請求項１乃至１６の何れか１項に記載の少なくとも１つの固形物注入ランスと、酸素含有ガスを注入するための少なくとも１つのガス注入ランスとを有する直接製錬容器、および、オフガスを燃料ガスとして利用して前記金属含有供給材料を予熱するオフガス処理システムを含み、前記直接製錬容器が、溶融金属および溶融スラグの形態の溶融材料の浴を含み、前記溶融浴内におけるガスの発生によって浴／スラグの噴き上げを発生させて、前記オフガスを発生させ、予熱された金属含有供給材料を製錬して溶融鉄を形成する、ことを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば鉄のような溶融金属を製造するための溶融浴に基づく直接製錬容器のような容器の中に固形物材料を注入するためのランスに関する。
【０００２】
本発明は、また、金属含有材料、例えば鉄鉱石のような鉄を含む材料を製錬して溶融鉄を製造するためのプロセスおよび装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
既知の溶融浴に基づく製錬プロセスは、一般的に「ＨＩｓｍｅｌｔ」プロセスと呼称され、当出願人の名前によるかなり多数の特許および特許出願に記載されている。
【０００４】
ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは、一般的に金属含有材料の製錬に適用可能であるが、特に、鉄鉱石または他の鉄含有材料からの溶融鉄の製造に関係している。
【０００５】
溶融鉄の製造に関して、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは次のステップを含む。すなわち、
（ａ）直接製錬容器の主チャンバ内に溶融鉄およびスラグの浴を形成するステップと、
（ｂ）溶融浴の中に、（ｉ）通常微粉末の形態の鉄鉱石と、（ｉｉ）鉄鉱石供給材料の還元剤およびエネルギー源として作用する固形物の炭素質材料、通常石炭とを注入するステップと、
（ｃ）浴中において鉄鉱石を鉄に製錬するステップと、
を含む。
【０００６】
本明細書において、「製錬（ｓｍｅｌｔｉｎｇ）」という用語は、溶融金属を製造するために金属酸化物を還元する化学反応が生起する熱的な処理を意味すると理解される。
【０００７】
ＨＩｓｍｅｌｔプロセスにおいては、金属含有材料（予熱することができる）および炭素質材料の形の固形物の供給材料が、搬送ガスと共に、数本の水冷の固形物注入ランスを通して溶融浴の中に注入される。この固形物注入ランスは、固形物の供給材料の少なくとも一部分を主チャンバの底部にある金属層の中に供給するために、製錬容器の主チャンバの側壁を通して、容器の下部領域の中に下向きかつ内向きに延びるように、垂直線に対して傾けられている。固形物の供給材料および搬送ガスは、溶融浴の中に貫入し、溶融金属および／またはスラグを浴表面の上部の空間の中に飛散させて、遷移領域を形成する。溶融浴から放出される反応ガスを容器の上部領域において後燃焼させるために、酸素含有ガスの送風、通常、酸素富化空気または純酸素が、容器の主チャンバの上部領域の中に下向きに延びるランスを通して注入される。遷移領域においては、上昇し、その後下降する溶融金属および／またはスラグの好ましい一団の液滴または飛沫または流れが存在し、この一団が、浴上部における反応ガスの後燃焼によって発生する熱エネルギーを浴に伝達する効果的な媒体になる。
【０００８】
通常、溶融鉄製造の場合に、酸素富化空気が使用される時には、酸素富化空気は、熱風炉で生成され、１２００℃程度の温度で容器の主チャンバの上部領域の中に供給される。工業等級の冷酸素を使用する場合には、工業等級の冷酸素は、通常、主チャンバの上部領域の中に大気温度またはそれに近い温度で供給される。
【０００９】
製錬容器内の反応ガスの後燃焼から生じるオフガスは、製錬容器の上部領域から、オフガスダクトを通して取り出される。
【００１０】
製錬容器は、金属含有材料を製錬するための主チャンバと、容器からの金属製品の連続的な流出を可能にする前炉接続部を介して主チャンバに接続される前炉とを含む。主チャンバは、下部炉床の耐火物内張り部分と、側壁における水冷パネルと、主チャンバの屋根とを含む。水は、連続的にパネルを通して連続回路において循環される。前炉は、溶融金属充満サイホンシールとして運転され、溶融金属が製造されると、余剰の溶融金属を製錬容器から自然に「溢流（ｓｐｉｌｌｉｎｇ）」させる。これによって、製錬容器の主チャンバ内の溶融金属の液位を知ることができ、かつ液位を小さい許容誤差内に制御できる。これは、プラントの安全にとって必須である。溶融金属の液位は、（常時、）主チャンバの中に延びる固形物注入ランスのような水冷要素の下部の安全距離に維持されなければならない。さもなければ、水蒸気爆発の可能性が生じる。
【００１１】
ＨＩｓｍｅｌｔプロセスは、大量の溶融鉄、通常少なくとも０．５Ｍｔ／ａの溶融鉄を単一の小型の容器における製錬によって製造することを可能にする。
【００１２】
この製錬容器において使用する固形物注入ランスの構造の一例を米国特許第６，３９８，８４２号（本出願人に譲渡された）明細書に見ることができる。この形のランスは、金属含有材料または炭素質材料のような固形物の粒子状材料を製錬容器の中に注入するために用いることができる。通常、金属含有材料および炭素質材料は、別個のランスから注入される。金属含有材料は予熱することができる。金属含有材料および炭素質材料は１本のランスから同時注入することもあり得る。
【００１３】
米国特許第６，３９８，８４２号明細書に記載されるランスは、中心のコア管および、外側の環状の冷却ジャケットを含む。コア管は冷却ジャケットの内部にきっちりと装着される。使用中、固形物の粒子状材料は、中心のコア管を通過し、ランスの前方の先端から放出される。強制循環される内部の冷却水システムが、外側の環状の冷却ジャケットの内部に設けられ、直接製錬容器の内部で高温に曝露されてもランスが問題なく機能することを可能にする。この高温は、金属含有材料として鉄鉱石を製錬する場合には、１４００℃を超える可能性がある。
【００１４】
金属含有材料および炭素質材料は摩耗性である可能性があり、従って、摩耗は、製錬容器用の固形物注入ランスの設計における一考慮因子である。製錬容器が溶融鉄製造用に用いられ、金属含有材料が鉄鉱石の微粉末を含む場合に特にそうである。
【００１５】
米国特許第６，３９８，８４２号明細書に記載されるランスのような固形物注入ランスにおける内部冷却水システムの使用は、ランス設計における重要な考慮因子である安全問題である。潜在的な爆発のリスクが伴うため、固形物の供給材料が、ランスのコア管の壁面を摩耗貫通して穿孔を形成することなく、かつ、冷却水システムを固形物の供給材料に曝露させないことが決定的に重要である。
【００１６】
さらなる考慮点は、直接製錬プラントは、１２か月以上の製錬キャンペインの間運転することが望ましいという点である。従って、固形物注入ランスも、安全対策を勘案してできるだけ長い期間運転できることが望ましいのである。
【００１７】
米国特許第６，３９８，８４２号明細書に開示される上記の水冷ランスとは異なるタイプの直接製錬容器用のいくつかの固形物注入ランスがある。このような他のランスは、直接製錬容器の中に固形物の供給材料と酸素含有ガスとを別個に注入するランスを含む。これらのランスは、水冷ランスとすることもしないこともできるが、ランスの固形物注入構成要素の穿孔をもたらす摩耗に対する同じ安全対策が施される。
【００１８】
本発明は、直接製錬容器の中に金属含有材料および／または炭素質材料を注入するための効率的かつ確実な固形物注入ランスを提供する。
【００１９】
上記の記述は、オーストラリアまたは他国における共通の一般的知識を容認するものと解釈されるべきではない。
【発明の概要】
【００２０】
本発明の固形物注入ランスは、固形物注入ランスの固形物注入構成要素の、穿孔をもたらす摩耗から生じるリスクおよび安全上の懸念を、効果的な穿孔検出システムによって最小化する。
【００２１】
本発明の固形物注入ランスは、（ａ）管であり、その管を通って注入されるべき固形物の供給材料用の流路を画定する管であって、その管の後端部における固形物材料用の流入口と、前端部における固形物材料排出用の流出口とを有する管と、（ｂ）固形物注入管における穿孔を検出するための穿孔検出システムとを含む。
【００２２】
穿孔検出システムは、固形物注入管内の圧力の変化、または、その管内へのもしくはその管からのガスの流れを、その管における穿孔の結果として検出するように構成することができる。
【００２３】
固形物注入ランスは水冷システムを含むことができ、穿孔検出システムは、固形物注入管と冷却水システムとの間に配置することができる。この例の場合、穿孔検出システムの目的は、穿孔が内部の冷却水システムに広がる可能性がある前に穿孔を検出することにある。穿孔が冷却水システムに広がると、壊滅的な結果が生じる可能性がある。
【００２４】
水冷システムは、内部の水冷システムを含む外側の環状の冷却ジャケットとすることができる。
【００２５】
水冷式の固形物注入ランスが本発明の記述の焦点であるとしても、本発明は上記の２段落に記述される構成に限定されない。
【００２６】
例えば、本発明は、固形物の供給材料および酸素含有ガスを別個に注入するランスであって、水冷システムを含まないランスにも拡大される。穿孔がランスの酸素ガス注入構成要素に拡大する可能性が生じる前に、ランスの固形物注入構成要素における穿孔を検出することが重要なのである。
【００２７】
例えば、特に、この固形物注入ランスは、固形物注入管と、ランスを通してランスの後端部から前端部に酸素含有ガスを注入するシステムとを含むことができ、穿孔検出システムを、固形物注入管とガス注入システムとの間に配置することができる。この例の場合、穿孔検出システムの目的は、穿孔が固形物注入管からガス注入システムに広がる可能性がある前に穿孔を検出することにある。穿孔がガス注入システムに広がると、壊滅的な結果が生じる可能性がある。
【００２８】
このガス注入システムは、ランスの回りに間隔を開けて配置される１つ以上の個別の平行なガス管を含むことができる。
【００２９】
このガス注入システムは環状のチャンバを含むことができる。
【００３０】
本明細書においては、「酸素含有ガス（ｏｘｙｇｅｎ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  ｇａｓ）」という用語は、少なくとも幾分かの酸素を含有する任意のガスを意味すると理解される。この用語は、例えば、空気、１００％酸素および酸素富化空気に拡大される。
【００３１】
固形物注入管はランスの中心のコア管とすることができる。
【００３２】
穿孔検出システムは、コア管の半径方向の外側に環状のチャンバを含むことができる。穿孔検出システムは、この環状のチャンバ内の圧力の変化、または、環状のチャンバ内への、もしくは環状のチャンバからのガスの流れを、コア管における穿孔の結果として検出するように構成することができる。
【００３３】
穿孔検出システムは、コア管の半径方向の外側の環状のチャンバと、環状のチャンバもしくはコア管内の圧力の変化、または、環状のチャンバもしくはコア管内への、またはそれらからのガスの流れであって、コア管内に穿孔が存在することを指示する圧力の変化またはガスの流れを検出するセンサと、そのセンサに応答するアラームであって、コア管における穿孔を指示するアラームとを含むことができる。
【００３４】
圧力の変化またはガス流れは、コア管に穿孔が生じた際の、環状のチャンバ内の圧力の低下または環状のチャンバ内へのガスの内向きの流れとすることができる。
【００３５】
例えば、使用中、コア管に穿孔が生じた際に、不活性ガスが環状のチャンバからコア管内の流路の中に流入するように、環状のチャンバが、コア管内の平均のガス圧力より高い圧力状態の不活性ガスを含むことができる。
【００３６】
チャンバ内のガス圧力を維持するために、チャンバは、チャンバに不活性ガスを供給することができる流入口を含むことができる。
【００３７】
この構成を使用する場合、固形物の粒子状材料がコア管を摩耗して貫通すると、環状のチャンバ内の圧力状態の不活性ガスが、穿孔を通ってコア管が画定する流路内に流入し、コア管内の供給材料によるコア管のその部分におけるコア管のさらなる摩耗を完全に停止するか、または最少化するので、環状のチャンバ内の不活性ガスはこの理由からだけでも有利である。さらに、環状のチャンバからコア管内への不活性ガスの流入は、環状のチャンバ内への不活性ガスの流れの増大をもたらし、その流れの増大がセンサによって検出される。そのセンサは、コア管に穿孔が生じたとのアラームを作動させる。このアラームによって、ランス交換の手順が開始される。環状のチャンバ内の圧力状態の不活性ガスが穿孔を通過する流れは、欠陥が生じたコア管を交換するのに合理的な時間窓を提供する。
【００３８】
圧力の変化またはガス流れは、コア管に穿孔が生じた際に、コア管内の流路から環状のチャンバ内に流入するガスによる、環状のチャンバ内の圧力の増大または環状のチャンバからのガスの外向きの流れとすることができる。
【００３９】
例えば、使用中、コア管に穿孔が生じた際に、ガスがコア管内の流路から環状のチャンバの中に流入するように、環状のチャンバは、コア管内の平均のガス圧力より低い圧力状態の不活性ガスを含むことができる。
【００４０】
環状のチャンバは減圧状態にすることができる。
【００４１】
本発明のランスの利点は次の各項を含む。
・安全性−穿孔の検出およびランスの交換時間（通常数時間）を可能にする点の両者において。
・ランス交換前のより長い運転時間の可能性−コア管寿命の最大化。コア管は、穿孔検出システムがない場合は予防保全プログラムの一部として、必要な時期より早期に交換しなければならない場合がある。
・コア管の寿命に影響を及ぼす可能性がある注入パラメータ、コア管材料、またはコア管の製造技術を、寿命の期待値を判定するために経緯を再構成する必要なしに変更する可能性。
【００４２】
環状のチャンバの半径方向の深さは１〜５ｍｍとすることができる。
【００４３】
環状のチャンバは、環状の冷却ジャケットの長さにほぼ沿って延びることができる。
【００４４】
不活性ガスは任意の適切な不活性ガスとすることができる。
【００４５】
不活性ガスは窒素とすることができる。
【００４６】
環状のチャンバ内のガス圧力は、コア管内の平均圧力に対して任意の適切な圧力とすることができる。上記のように、環状のチャンバを減圧状態にすることができる。
【００４７】
環状のチャンバ内のガス圧力は、不活性ガスが、環状のチャンバからコア管の中にまたはその外部に、コア管の穿孔を経由して、コア管内の内部圧力に抗して、またはその内部圧力のために流れるように選択することができる。
【００４８】
任意の所与の状況において必要な実際の圧力は、ランスのこの部分における機械的な設計を含む一連の因子によって変化するであろう。
【００４９】
単なる例として、環状のチャンバ内のガス圧力が、コア管内の平均ガス圧力より高く選択される状況においては、環状のチャンバ内のガス圧力を、少なくとも１ゲージｂａｒ、通常少なくとも２ゲージｂａｒ、通常５〜１５ｂａｒにすることができる。
【００５０】
コア管は、構造材料から作製することができ、例えば白鋳鉄のような、また、フェロクロム白鋳鉄、セラミックまたはこの両者の混合物のような耐摩耗材料の内部の内張りまたは表面材を含むことができる。
【００５１】
コア管は、構造材料の外側の管と耐摩耗材料の内側の管とが一緒に接合されたアセンブリを含むことができる。
【００５２】
外側の管はステンレス鋼のような鋼から形成することができる。
【００５３】
外側の管は少なくとも１ｍｍの厚さとすることができる。
【００５４】
外側の管の厚さは３〜３０ｍｍの範囲内とすることができる。
【００５５】
内側の管は、フェロクロム白鋳鉄、セラミックまたはこの両者の混合物のような白鋳鉄からなる耐摩耗ライニングから形成することができる。
【００５６】
この耐摩耗ライニングは、少なくとも３ｍｍ厚さ、好ましくは少なくとも５ｍｍ厚さとすることができる。
【００５７】
外側の管と内側の管との間の接合は、２つの管の間の界面の少なくともほぼ全表面積にわたって広がることができる。
【００５８】
外側の管と、金属の内張り材の場合の内側の管との間の接合は、冶金的な接合とすることができる。
【００５９】
コア管は少なくとも２ｍの長さとすることができる。
【００６０】
コア管は５０ｍｍの最小内径を有することができる。
【００６１】
コア管は３００ｍｍの最大内径を有することができる。
【００６２】
コア管は４００ｍｍの最大外径を有することができる。
【００６３】
本発明は、さらに、少なくとも１つの上記の固形物注入ランスを有する直接製錬容器を含む直接製錬プラントを提供する。
【００６４】
本発明は、さらに、固形物の金属含有供給材料から溶融金属を製造するための溶融浴に基づく直接製錬プロセスであって、金属含有供給材料のような固形物の供給材料を、少なくとも１つの上記のような固形物注入ランスを経由して直接製錬容器内の溶融浴の中に注入するステップと、ランスにおける穿孔を検出するためにランスを監視するステップとを含む直接製錬プロセスを提供する。
【００６５】
このプロセスは、固形物注入ランスの固形物注入管内の圧力の変化、または、その管内へのもしくはその管からのガスの流れを、その管における穿孔の結果としてチェックするステップを含むことができる。
【００６６】
このプロセスは、環状のチャンバ内の内部ガス圧を維持するために、固形物注入ランスの環状のチャンバに不活性ガスを供給するステップと、内部ガス圧を維持するために、不活性ガスの流れの変化をチェックするステップとを含むことができる。
【００６７】
金属含有供給材料の一例は鉄鉱石である。
【００６８】
鉄鉱石は鉄鉱石の微粉末とすることができる。
【００６９】
鉄鉱石は少なくとも６００℃の温度に予熱することができる。
【００７０】
このプロセスは、金属含有供給材料と、固形物の炭素質材料と、フラックスまたは他の任意の固形物材料とを、溶融鉄および溶融スラグの形態の溶融材料の浴を含む製錬容器の中に注入して、溶融浴内におけるガスの発生によって浴／スラグの噴き上げを発生させ、オフガスを発生させ、溶融浴内において金属含有材料を製錬して溶融鉄を形成するステップを含むことができる。
【００７１】
このプロセスは、金属含有材料を、３００℃より低い温度の燃料ガスを燃焼することによって予熱するステップを含むことができる。この場合、燃料ガスは、製錬容器から排出されるオフガスから製造される。燃料ガスは、製錬容器から放出される高温のオフガスであって、３００℃未満の温度に冷却されるオフガスから製造される燃料ガスとすることができる。
【００７２】
本発明は、また、金属含有供給材料から溶融金属を製造するための溶融浴に基づく製錬プロセス用の装置を提供する。この装置は、少なくとも１つの上記の固形物注入ランスと、少なくとも１つの酸素含有ガス注入用ランスとを有する直接製錬容器を含み、この直接製錬容器は、溶融金属および溶融スラグの形態の溶融材料の浴を含み、溶融浴内におけるガスの発生によって浴／スラグの噴き上げを発生させて、オフガスを発生させ、予熱された金属含有供給材料を製錬して溶融鉄を形成する。
【００７３】
この装置は、金属含有供給材料を予熱するための予熱器と、製錬容器から排出されるオフガスを冷却するオフガス処理システムであって、３００℃未満の温度に冷却されたオフガスを、予熱器における金属含有供給材料予熱用の燃料ガスとして使用するために予熱器に供給するオフガス処理システムとを含むことができる。
【００７４】
以下、単なる例示用である添付の図面を参照して、本発明をさらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】図１は、直接製錬容器の垂直断面図である。
【図２】図２は、鉱石を図１に示す容器の中に注入するための本発明による固形物注入ランスの一実施形態の部分縦断面図である。
【図３】図３は、図２に示すランスの図解的な断面図であって、穿孔が生じたランスの注入システムを示す。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
図１は、本出願人の名前による国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７号明細書（国際公開第１９９６／０３１６２７号パンフレット）において例として記述されるＨＩｓｍｅｌｔプロセスを実行するのに特に適した直接製錬容器１１を示す。容器１１は、供給材料を貯蔵しかつそれを容器１１に供給するための装置と、溶融金属、スラグ、および、容器１１から排出されるオフガスを取り扱い／処理するための装置とを含む直接製錬プラント（図示されず）の一部分を形成する。
【００７７】
以下の記述は、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスに従って鉄鉱石の微粉末を製錬し溶融鉄を製造する場合に関係する。
【００７８】
本発明は、鉱石、部分還元鉱石、および金属含有廃棄物の流れを含む任意の金属含有材料の、任意の適切な溶融浴に基づく直接製錬プロセスによる製錬に適用可能であり、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスに限定されないことが認められるであろう。また、鉱石は、鉄鉱石の微粉末の形態とし得ることが認められるであろう。
【００７９】
容器１１は、耐火物のレンガから形成される基礎１２および側面１３を含む炉床と、炉床の側面１３から上向きに延びる一般的に円筒形の筒体を形成する側壁１４と、屋根１７とを有する。側壁１４および屋根１７から熱を伝達するために水冷パネル（図示されず）が設けられる。容器１１には、さらに、製錬の間溶融金属が連続的にそれから排出される前炉１９と、製錬の間溶融スラグが周期的にそれから排出される出滓口２１とが設けられる。屋根１７には、プロセスのオフガスが排出される流出口１８が設けられる。
【００８０】
ＨＩｓｍｅｌｔプロセスに従って鉄鉱石の微粉末を製錬して溶融鉄を製造するために容器１１を使用する場合には、容器１１は、溶融金属の層２２と、金属層２２の上の溶融スラグの層２３とを有する鉄およびスラグの溶融浴を含む。金属層２２の名目的な静止表面の位置は矢印２４で示される。スラグ層２３の名目的な静止表面の位置は矢印２５で示される。「静止表面（ｑｕｉｅｓｃｅｎｔ  ｓｕｒｆａｃｅ）」という用語は、容器１１内へのガスおよび固形物の注入が行われない場合の表面を意味すると理解される。
【００８１】
容器１１には、容器の側壁１４における開口（図示されず）を通して下向きかつ内向きにスラグ層２３の中に延び込むいくつかの固形物注入ランス２７が設けられる。使用中は、鉄鉱石の微粉末および／または固形物の炭素質材料（例えば石炭または粉コークス）およびフラックスの形態の供給材料が、（酸素欠乏キャリヤガス、通常、窒素のような）適切なキャリヤガス内に同伴され、ランス２７の流出端部２８を通して金属層２２の中に注入される。
【００８２】
ランス２７の流出端部２８は、プロセスの運転の間、金属層２２の表面の上部にある。ランス２７のこの位置によって、溶融金属との接触による損傷のリスクが低減され、さらに、以下に詳述するように、強制的な内部水冷によるランスの冷却が、水が容器１１内の溶融金属と接触するという重要なリスクなしに可能になる。
【００８３】
容器１１は、また、容器１１の上部領域の中に高温空気の送風を供給するためのガス注入ランス２６を備えている。ランス２６は、容器１１の屋根１７を貫通して容器１１の上部領域の中に下向きに延びている。使用中、ランス２６は、高温ガス供給ステーション（図示されず）から延びる高温ガス供給ダクト（同様に図示されず）から、酸素富化された高温空気流れを受け入れる。
【００８４】
図２および３は、本発明による固形物注入ランス２７の一実施形態の一般的な構造を示す。
【００８５】
ランス２７は、鉄鉱石の微粉末および／または炭素質材料の形の固形物材料用の流路７１を画定する管の形のコア管アセンブリ３１の形態のコア管を含み、その固形物材料は、適切なキャリヤガス内に同伴されて、ランス２７の流入端６０から前方の端部６２に図の矢印の方向において搬送される。
【００８６】
図２を参照すると、コア管アセンブリ３１は、ステンレス鋼のような構造材料の外側の管部分５６と、フェロクロム白鋳鉄のような耐摩耗材料の内側の管部分７２とを含む。内側および外側の管部分５６および７２は冶金的に一緒に接合される。通常、この冶金的接合は管部分の間の界面の全表面積に及ぶ。内側および外側の管部分５６および７２は任意の適切な厚さとすることができる。外側の管部分５６は、コア管アセンブリ３１の構造的要件を提供する。内側の管部分７２は、コア管アセンブリ３１の耐摩耗要件を提供する。各管部分５６、７２は、構造要件および耐摩耗要件を最適化するため別個に形成される。
【００８７】
ランス２７は、さらに、コア管アセンブリ３１を取り囲む環状の冷却ジャケット３２であって、コア管アセンブリ３１の長さの本質的部分全域に延びる環状の冷却ジャケット３２を含む。環状の冷却ジャケット３２は、ランス２７用の冷却水システムを含む。
【００８８】
環状の冷却ジャケット３２は、外側および内側の管４２および４３を有する長い中空の環状構造４１の形のものであり、この外側および内側の管４２および４３は、それぞれ、前端の結合片４４によって相互に結合される。細長い筒状構造４５が中空の環状構造４１の内部に配置され、構造４１の内部が、内側の細長い環状の水の流路４６と、外側の細長い環状の水の流路４７とに分割される。ランス２７の環状の冷却ジャケット３２の後端部（図示されず）には、水の流入口（同様に図示されず）および流出口（同様に図示されず）が設けられ、その流入口から冷却水の流れを内側の環状の水の流路４６に導くことができ、その流出口を通して、水が、ランス２７の後端部において外側の環状の流路４７から引き抜かれる。水の流路４６、４７と、水の流入口および流出口とのこの配置によって、冷却水システムが規定される。その結果、ランス２７の使用中、冷却水は、ランスの下向き前方に内側の環状の水の流路４６を通って流れ、続いて、外側の環状の流路４７を通ってランス２７に沿って後方に流れる。従って、冷却水は、使用中、製錬容器１１内部に発生する熱に曝露された場合、ランス２７を効率的に冷却する。
【００８９】
ランス２７は、さらに、コア管アセンブリ３１の壁面における穿孔を検出するための穿孔検出システムであって、コア管アセンブリ３１と、環状の冷却ジャケット３２内に収納される冷却水システムとの間の配置される穿孔検出システムを含む。
【００９０】
特に図３を参照すると、この穿孔検出システムは、コア管アセンブリ３１と、環状の冷却ジャケット３２（従って冷却水システム）との間の環状のチャンバ５８を含む。この環状のチャンバ５８は任意の適切な半径方向厚さを有することができる。通常、環状のチャンバ５８の半径方向厚さは１〜５ｍｍである。環状のチャンバ５８は、窒素、または任意の他の適切な不活性ガス、または任意の他の適切なガスを圧力状態の下で含んでいる。窒素は、チャンバを所定のガス圧力に維持するために、流入口７４から環状のチャンバ５８に供給される。ガス圧力は、窒素が、コア管アセンブリ３１における穿孔を経由して環状のチャンバ５８からコア管アセンブリ３１の中に、コア管アセンブリ３１内の内部圧力に抗して流れ得るのに十分な圧力に選択される。任意の所与の状況における好ましいガス圧力は、ランス２７のこの部分における機械的な設計と、コア管アセンブリ３１を通る固形物供給材料注入の運転圧力とを含む一連の因子によって変化するであろう。通常、このガス圧力は、少なくとも２ゲージｂａｒであって、通例的には２〜１５ゲージｂａｒ、さらに通例的には５〜１２ゲージｂａｒの範囲であろう。
【００９１】
この穿孔検出システムは、さらに、流入口７４から環状のチャンバ５８の中への窒素の流れを検出するセンサ（図示されず）であって、環状のチャンバ５８内に圧力低下が存在し、従ってコア管アセンブリ３１に穿孔が存在することを指示するセンサを含む。例えば、このセンサは、チャンバ５８内の所定のガス圧力を維持するために必要な、流入口７４から環状のチャンバ５８の中への不活性ガスの流量の増大を検出するように構成することができる。
【００９２】
穿孔検出システムは、さらに、ガス流れセンサに応答してコア管アセンブリ３１における穿孔を指示するアラーム（図示されず）を含む。このアラームは、容器１１の制御室内において可視および／または可聴な任意の適切なアラームとすることができる。
【００９３】
使用中に、高温の鉄鉱石の微粉末のような固形物の粒子状材料が、コア管アセンブリ３１を摩耗して貫通し、アセンブリ３１に穿孔（図３において符号７６で示す）を形成すると、環状のチャンバ５８内の圧力状態の窒素ガスが、その穿孔を通って、コア管アセンブリ３１が画定する流路の中に流入し、コア管内の供給材料によるコア管アセンブリ３１のその部分におけるコア管アセンブリ３１のさらなる摩耗を完全に停止するか、または最少化するので、環状のチャンバ５８内の不活性ガスはこの理由からだけでも有利である。さらに、環状のチャンバ５８からコア管アセンブリ３１の中への窒素の流入は、環状のチャンバ５８内への流入口７４からの窒素の流れの増大をもたらし、その流れの増大がセンサによって検出される。そのセンサは、コア管アセンブリ３１に穿孔が生じたとのアラームを作動させる。このアラームによって、ランス２７の交換の手順が開始される。この手順は、次のステップを含む任意の適切な手順とすることができる。すなわち、（ａ）ランス２７の安全な交換を可能にするために、ＨＩｓｍｅｌｔプロセスの運転条件を「保持（ｈｏｌｄ）」状態に変更するステップであって、ランス２７への供給材料の供給停止を含むステップと、（ｂ）ランス２７を供給材料供給ラインから切り離すステップと、（ｃ）ランス２７を容器１１から取り外すステップと、（ｄ）代わりのランス２７を挿入するステップと、（ｅ）代わりのランス２７を供給材料供給ラインに接続するステップと、（ｆ）ＨＩｓｍｅｌｔプロセスの運転条件を「保持」状態から定常状態に変更するステップとを含む手順である。環状のチャンバ５８内の圧力状態の窒素が穿孔を通過する流れは、交換手順を開始して、ランス２７を交換するのに合理的な時間窓を提供する。
【００９４】
ランス２７のこの穿孔検出システムは次の利点を提供する。
・安全性−穿孔の検出およびランスの交換時間（通常数時間）を可能にする点の両者において。
・コア管交換前のより長い運転時間の可能性−これによってランス寿命が最大化されるであろう。この可能性は、穿孔検出システムが、ランス２７の最大運転寿命の明確な指標を提供する点から得られるものである。
・コア管の寿命に影響を及ぼす可能性がある注入パラメータ、コア管材料、またはコア管の製造技術を、寿命の期待値を判定するために経緯を再構成する必要なしに変更する可能性。
【００９５】
図面に関連付けて記述した本発明の固形物注入ランスの実施形態に対して、本発明の本質および範囲から逸脱することなく多くの変更を行うことができる。
【００９６】
例えば、穿孔検出システムを、水冷式の固形物注入ランスの場合について図面に関連付けて記述しており、この穿孔検出システムの目的は、ランスの固形物注入管（中心のコア管として記述しているが必ずしもそれに限定されない）における穿孔を、それが水冷システムに広がる前に検出することにあるとしているが、本発明はこのタイプのランスおよび穿孔検出システムの目的に限定されないことを容易に認めることができる。例えば、本発明は、水冷システムを含まないランスであり、固形物の供給材料および酸素含有ガスを別個に注入するランスであって、ランスの固形物注入構成要素における穿孔を、それがランスの酸素ガス注入構成要素に広がる可能性がある前に検出することが重要であるようなランスにも拡大される。
【００９７】
例えば、本発明は、図面に関連付けて記述される、コア管アセンブリ３１および環状の冷却ジャケット３２のランス構成要素の特定の構造と、これらのランス構成要素が構成される材料とに限定されない。本発明は、任意の適切な材料から作製される任意の水冷の固形物注入ランスに適用可能である。
【００９８】
例えば、本発明は、図面に関連付けて記述される、構造材料の外側の管部分５６と、冶金的に一緒に接合された耐摩耗材料の内側の管部分７２とを含むコア管アセンブリ３１に限定されない。
【００９９】
例えば、図面に示されるランス２７の穿孔検出システムは、圧力状態の窒素を含有する環状のチャンバ５８であって、チャンバ内のガス圧力を維持するために、窒素がその環状のチャンバ５８に供給される流入口７４を含む環状のチャンバ５８と、環状のチャンバの中への不活性ガスの流入を検出するためのセンサであって、コア管に穿孔が存在することを指示するセンサと、ガス流れセンサに応答して、コア管アセンブリ３１における穿孔を指示するアラームとを含むが、本発明は、それに限定されず、コア管アセンブリ３１における穿孔を検出するための任意のシステムに拡大される。
【０１００】
例えば、本発明は、コア管アセンブリ３１における穿孔を指示するコア管アセンブリ３１または環状のチャンバ５８内の圧力の変化を検出するための任意のシステムに拡大される。この圧力の変化は、環状のチャンバ５８内の圧力の増大または環状のチャンバ５８内の圧力の低下とすることができる。
【０１０１】
例えば、固形物注入ランスの実施形態がＨＩｓｍｅｌｔ直接製錬プロセスに関連付けて記述されているが、本発明は、それに限定されず、任意の溶融浴に基づく製錬プロセスに拡大されることを容易に認めることができる。
【０１０２】
例えば、固形物注入ランスの実施形態が鉄鉱石の製錬に関連付けて記述されているが、本発明は、この材料に限定されず、任意の適切な金属含有材料に拡大されることを容易に認めることができる。
【０１０３】
本発明の以下の請求項、および以上記述した明細書においては、明白な言語または必然の意味によって文脈がそうでない旨要求している場合を除いて、「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という用語またはその文法的変化形（「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」など）は包含的な意味において用いられている。すなわち、言及された特徴の存在を規定するが、本発明の種々の実施形態におけるさらに別の特徴の存在または追加を排除しない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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