(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直接製錬法により金属含有供給材料から鉄の溶融金属を生産する容器であって、金属層と金属層上のスラグ層とを有する溶融浴を含むと共にスラグ層の上方にガス連続空間を有し、前記容器が、
（ａ）  溶融金属に接触している底部および側部を有する耐火物製炉床と、
（ｂ）  炉床の側部から上方に延在していると共にスラグ層およびガス連続空間に接触している側壁であって、ガス連続空間に接触している部分が水冷パネルを含み、該水冷パネルが、蛇行形状を有する、一方の端に吸水口を、他端に排水口を有する水冷管を含み、凝固したスラグ層が水冷パネルの内側面に付着している、側壁と、
（ｃ）  容器中に下向きに伸びていると共に容器内の金属層の上方に酸素含有ガスを噴射する１個以上のガス噴射用ランスと、
（ｄ）  容器の側壁を通ってスラグ層内に下向き且つ内向きに延びている複数の固体材料噴射用ランスであって、該複数の固体材料噴射用ランスは、金属含有供給材料の少なくとも一部および炭質材料をキャリヤーガスと一緒に金属層に浸入するように溶融浴中に噴射して、溶融材料の飛沫、液滴および流れをガス連続空間へ上昇させ、複数の固体材料噴射用ランスの下端が、容器内の静穏操業状態での金属層の位置よりも上方に位置付けられている、複数の固体材料噴射用ランスと、
（ｅ）  容器から溶融金属およびスラグを吐出させるための吐出手段であって、該吐出手段が容器から溶融金属を連続吐出させ得る前炉床を含む吐出手段と
を含む容器。
【請求項２】
ガス連続空間に接触している屋根部をさらに含み、屋根部が、水冷パネルと水冷パネル表面上のスラグ層とを含む、請求項１に記載の容器。
【請求項３】
水冷パネルを介した熱損失が、定常作業条件下で容器内部に露出されたパネルの面積１ｍ2当たり１５０ｋW未満である、請求項１または請求項２に記載の容器。
【請求項４】
各水冷パネルが、蛇行形状を有する外側水冷管をさらに含む、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の容器。
【請求項５】
各パネルが、管で占められていない空間に突き固めたまたはガン噴射された耐火物をさらに含む、請求項４に記載の容器。
【請求項６】
各内側水冷管および外側水冷管が、パネルの幅にわたって延在する平行な水平部と水平部の両端を相互接続する彎曲部とを含む、請求項４または請求項５に記載の容器。
【請求項７】
水冷管は、互いに離して配置され、外側水冷間の水平部が他の水冷管の水平部の真後ろにこないように配置されている、請求項６に記載の容器。
【請求項８】
各水冷パネルの露出表面が、パネルの露出表面積を増大させ、かつ凝固したスラグの前記表面への付着を促進する波状表面または蜂巣表面などの表面仕上げを含む、請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の容器。
【請求項９】
各水冷パネルが、パネルの内側露出面から内側に突出して、パネル上の凝固したスラグの生成および成長を促進するピンおよびカップなどの部材を含む、請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の容器。
【請求項１０】
スラグ層に接触している側壁の少なくとも一部が、水冷パネルと、パネルの内側に配置されている耐火物製ライニングと、ライニング上のスラグ層とを含む、請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の容器。
【請求項１１】
側壁が、溶融材料の飛沫、液滴および流れによって形成された転移ゾーンに接触している水冷パネルを含む、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の容器。
【請求項１２】
水冷パネルを介した冷却が、転移ゾーンに接触している水冷パネル上にスラグ層を堆積させかつ維持するのに十分である、請求項１１に記載の容器。
【請求項１３】
側壁が転移ゾーンの上方にある水冷パネルを含む、請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の容器。
【請求項１４】
水冷パネルを介した冷却が、転移ゾーンの上方にあるパネル上にスラグ層を堆積させかつ維持するのに十分である、請求項１３に記載の容器。
【請求項１５】
固体材料噴射用ランスが、容器中に垂直線に対して３０〜６０°の角度で下方かつ内側に延在している、請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の容器。
【請求項１６】
固体材料噴射用ランスの下端が、溶融金属のレベルより上にある、請求項１から請求項１５までのいずれか１項に記載の容器。
【請求項１７】
固体材料噴射用ランスを介して固体材料を噴射することにより、ガス連続空間への溶融材料の飛沫、液滴および流れの上方運動が生じる、請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の容器。
【請求項１８】
転移ゾーンで反応ガスの一酸化炭素と水素を後燃焼させるために酸素含有ガスを噴射する１個以上のガス噴射用ランスが酸素含有ガスを転移ゾーン中に噴射するように配置されている、請求項１１から請求項１４までのいずれか１項又は請求項１７に記載の容器。
【請求項１９】
請求項１から請求項１８までのいずれか１項に記載の容器内で金属含有供給材料から鉄の溶融金属を生産するための直接製錬法であって、
（ａ）  金属層と金属層上のスラグ層とを有する溶融浴を形成する段階と、
（ｂ）  金属含有供給材料の少なくとも一部および固体炭素質材料をキャリヤーガスと一緒に複数の固体材料噴射用ランスを介して溶融浴中に噴射し、金属層中で金属含有材料を製錬し、上記固体噴射により、金属層から、金属層の溶融材料を同伴し、かつ溶融材料を飛沫、液滴および流れとして上方に運ぶガス流を起こさせ、容器内のスラグ層の上方のガス連続空間内に転移ゾーンを形成し、それによって、溶融材料の飛沫、液滴および流れが容器の側壁に接触して保護スラグ層を形成する段階と、
（ｃ）  １個以上のガス噴射用ランスを介して酸素含有ガスを容器中に噴射し、溶融浴から放出された反応ガスを後燃焼させ、それによって、上昇し次いで下降する溶融材料の飛沫、液滴および流れにより、溶融浴への熱伝達を容易にする段階と、
（ｄ）  固体の噴射および／または酸素含有ガスの噴射および／または水冷パネルを通る水の流速を、水冷パネルを介した熱損失が定常作業条件下に容器の内部に対して露出されたパネルの面積１ｍ2当たり１５０ｋＷ未満になるようにコントロールする段階と
を含む方法。
【請求項２０】
水冷パネルを介した熱損失が定常作業条件下に容器の内部に対して露出されたパネルの面積１ｍ2当たり１００ｋＷ未満である、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
水冷パネルを介した熱損失が定常作業条件下に容器の内部に対して露出されたパネルの面積１ｍ2当たり９０ｋＷ未満である、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、鉱石、部分還元鉱石、および金属含有廃棄物流などの金属含有供給材料から溶融金属（この用語は金属合金を包含する）を生産するための直接製錬容器に関する。
本発明は、特に、溶融浴ベースの直接製錬法に使用し得る容器に関する。
また、本発明は、上記容器内で実施する直接製錬法にも関する。
【０００２】
用語「製錬」とは、本明細書において、液体金属を生産するために金属含有供給材料を還元する化学反応を行う熱処理を意味するものと了解される。
用語「直接製錬法」とは、本明細書において、鉄鉱石および部分還元鉄鉱石などの金属含有供給材料から直接溶融金属を生産する方法を意味するものと了解される。
溶融浴の気／液環境内で溶融浴ベースの直接製錬法を行うために開発された様々な既知容器が存在する。
【０００３】
鉄鉱石から溶融鉄を生産するための１つの既知溶融浴ベース直接製錬法は、一般にロメルト法（Romelt process）と称され、大量の高攪拌スラグ浴の使用に基づいており、このスラグ浴は、上部装入された（top-charged）金属酸化物を金属に製錬し、ガス反応生成物を後燃焼させて、金属酸化物の製錬を続けるのに必要な熱を伝達するための媒体として用いられる。ロメルト法は、スラグを攪拌するために下列の羽口を介して酸素富化空気または酸素をスラグ中に噴射し、後燃焼を促進させるために上列の羽口を介して酸素をスラグ中に噴射することを含む。ロメルト法において、金属層は重要な反応媒体ではない。
【０００４】
鉄鉱石から溶融鉄を生産するための別の既知グループの溶融浴ベース直接製錬法もスラグをベースとしており、一般に「ディープスラグ」法と称されている。ＤＩＯＳ法およびＡＩＳＩ法などのこれらの方法は、３つの領域、すなわち、噴射された酸素で反応ガスを後燃焼させるための上部領域と、金属酸化物を金属に製錬するための下部領域と、上部領域と下部領域を分離する中間領域とを有する深いスラグ層を形成することに基づいている。ロメルト法と同じように、スラグ層の下の金属層は重要な反応媒体ではない。
【０００５】
鉄鉱石から溶融鉄を生産するための別の既知浴ベース直接製錬法は、反応媒体として溶融金属層に依存し、一般にＨＩスメルト法（HIsmelt process）と称され、本出願人名義の国際特許出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７（ＷＯ９６／３１６２７）に記載されている。
【０００６】
上記国際特許出願に記載されているＨＩスメルト法は、
（ａ）  容器内に溶融鉄およびスラグの浴を形成するステップと、
（ｂ）  浴中に、
（i）  金属含有供給材料、典型的には金属酸化物、および
（ii）  金属酸化物の還元剤かつエネルギー源としての働きをする固体炭質材料、典型的には石炭
を噴射するステップと、
（ｃ）  金属層中で金属含有供給材料を金属に製錬するステップと
を含む。
【０００７】
また、ＨＩスメルト法は、浴から浴上方の空間に放出されたＣＯおよびＨ2などの反応ガスを、噴射された酸素含有ガスと共に後燃焼させ、後燃焼により生成した熱を浴に伝達して、金属含有供給材料の製錬に必要な熱エネルギーに貢献させることを含む。
【０００８】
さらに、ＨＩスメルト法は、浴の公称静穏表面の上方に転移ゾーンを形成することを含み、この転移ゾーンには、浴上方の反応ガスを後燃焼させることによって生成した熱エネルギーを浴に伝達するのに有効な媒体を提供する、上昇し次いで下降する好適な量の溶融金属および／またはスラグの液滴、飛沫および流れが存在する。
【０００９】
上述の直接製練法をおこない得る容器の構成には重要な問題点が伴う。
より詳細に言えば、経済性および安全性のために、容器は、最小の熱損失で直接製練法をおこない、かつ長期操作持続期間にわたるプロセスに典型的な浸食／腐食条件に耐え得ることが重要である。
【００１０】
プロセスを維持することは、反応物を噴射する手段および反応物を混合して容器内に種々のゾーンを形成かつ維持する手段およびプロセスからの生成物を分離する手段とも組み合わさなければならない。
【００１１】
直接製錬法のプロセス化学反応は、一般に、金属含有供給材料を製錬するための低酸素ポテンシャル領域と、水素および一酸化炭素を燃焼させて燃焼エネルギーを得るための高酸素ポテンシャル領域とを必要とする。その結果、典型的には、容器の設計に対して様々な要求が提起される直接製錬法を封じこめる容器全体にわたって温度および化学組成に広範な変化がある。
【００１２】
設計、テストされた直接製錬容器のなかには、スチール製外殻と、典型的にはレンガおよび／または塑造物形態の耐火物製内側ライニングとを含むものがある。熱や化学的攻撃および浸食に対する耐性を最大にするために容器の異なる部分に異なる組成および物性を有するレンガを用いることは公知である。
【００１３】
例えば、容器底部の耐火レンガは、通常、主として金属である溶融材料に暴露されるのに対し、容器側壁の中間部の耐火レンガは、通常、主としてスラグである溶融材料やＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2およびＨ2Ｏなどの気体反応体に暴露される。溶融金属に暴露されるレンガと溶融スラグに暴露されるレンガには、金属とスラグによる化学的攻撃に耐える異なる化学的性質が必要である。
【００１４】
さらに、ロメルト法、ＤＩＯＳ法およびＡＩＳＩ法などのスラグベースの直接製錬法を実施する容器の場合、典型的には、スラグ領域は攪拌されるが、金属領域は（ＨＩスメルト法の場合に比べ）比較的撹乱されない。そのために、スラグ領域に暴露されるレンガには、攪拌されたスラグとの接触による浸食に耐える物性が必要とされる。
【００１５】
さらに、ＨＩスメルト法などの金属浴ベースの直接製錬法を実施する容器の場合、典型的には、金属領域も攪拌される。そのために、この領域に暴露されるレンガには、レンガに対する金属の浸食作用による浸食に耐える物性が必要とされる。
【００１６】
さらに、反応ガスの後燃焼により、一般に、２，０００℃またはそれ以上の程度の高温が生成し、そのために、後燃焼が生じる上部空間／転移ゾーン／スラグ領域に暴露されるレンガには、高温に耐える物理的および化学的性質が必要である。
【００１７】
実際には、耐火物製ライニングは、開発中の多くの直接製錬法に対し無条件に成功を収めたわけではなかった。
ライニングを水冷することにより耐火物ライニングの性能を向上させようとする提案があった。１つの特定の提案が、ＡＩＳＩディープスラグ法を実施するための容器に関するスチール・テクノロジー社（Steel Technology Corporation）名義のオーストラリア特許出願第６９２４０５号に記載されている。また、耐火物の代わりに水冷パネルを用いる提案もいくつかあった。本出願人が入手し得た情報によれば、これらの提案は熱損失が高すぎるために不成功に終わった。
【００１８】
本発明の目的は、改良型直接製錬容器を提供することである。
本発明の別の目的は、上記容器内で実施する改良型直接製錬法を提供することである。
本発明は、これらの目的を１つの直接製錬容器を構成することによって達成し、この容器は、容器の側壁と屋根部に水冷パネルを有すると共に、容器中に伸びる即ち容器中に延在する酸素含有ガス噴射用ランスおよび固体材料噴射用ランスを有し、それによって、容器からの熱損失を低減させるように有効な断熱体としての働きをするスラグ層を水冷パネル上に堆積かつ維持する容器内で直接製錬法を操作することが可能になる。
【００１９】
本発明により、直接製錬法により金属含有供給材料から金属を生産する容器が提供され、この容器は、金属層と金属層上のスラグ層とを有する溶融浴を含むと共に、スラグ層の上方にガス連続空間を有し、
（ａ）  溶融金属に接触している底部および側部を有する耐火物製炉床と、
（ｂ）  炉床の側部から上方向に伸びていると共にスラグ層およびガス連続空間に接触している側壁であって、ガス連続空間に接触する側壁が水冷パネルと水冷パネルにスラグ層とを含む側壁と、
（ｃ）  容器中に下向きに伸びていると共に容器内の金属層の上方に酸素含有ガスを噴射する１個または１個以上のランス／羽口と、
（ｄ）  金属含有供給材料の少なくとも一部および炭質材料即ち炭素質材料をキャリヤーガスと一緒に金属層に浸入するように溶融浴中に噴射する複数のランス／羽口と、
（ｅ）  容器から溶融金属およびスラグを吐出させる（tapping）ための手段とを含む。
【００２０】
直接製錬法は、定常作業条件下に、熱損失が水冷パネルの露出されたパネル面積１ｍ2当たり１５０ｋＷ未満になる状態で実施するのが好ましい。
用語「定常作業条件」とは、本明細書において、プロセスが安定している期間を意味し、始動時などの高ピーク流束荷重になる可能性がある期間は除くものと了解される。
【００２１】
直接製錬法は、定常作業条件下に、熱損失が水冷パネルの露出されたパネル面積１ｍ2当たり１００ｋＷ未満になる状態で実施するのが好ましい。
直接製錬法は、定常作業条件下に、熱損失が、水冷パネルの露出されたパネル面積１ｍ2当たり９０ｋＷ未満になる状態で実施するのがより好ましい。
【００２２】
水冷パネルはいずれの適当な形状のものであってもよい。
水冷パネルの１つの好ましい構造は、蛇行形状（serpentine shape）を有し、一方の端に吸水口を、他端に排水口を有する（容器の内部に関して）内側の水冷管を含む。
水冷パネルはさらに、蛇行形状を有し、一方の端に吸水口を、他端に排水口を有する外側水冷管を含むのが好ましい。
１つの代替構造において、パネルの内側水冷管と外側水冷管は連通しており、単一の吸水口と単一の排水口とを含む。
【００２３】
水冷パネルがさらに、管でふさがれていない空間に突き固めたまたはガン噴射された（rammed or gunned）耐火物を含んでいるのが好ましい。実際に、この耐火物は、容器の耐用年数の間に漸進的に摩滅し、直接製錬法の始動段階およびプロセスでの撹拌によって最も有意な磨耗が生じると考えられる。突き固めたまたはガン噴射された耐火物の浸食により、内側水冷管に少なくとも部分的な露出が生じ得る。
【００２４】
突き固めたまたはガン噴射された耐火物が水冷パネルの内面を構成しているのが好ましい。
水冷パネルはその外面を構成する支持板を含んでいてよい。
水冷管および支持板は、いずれの適当な材料から構成してもよい。水冷管に適した材料にはスチールや銅が含まれる。スチールは支持板に適した材料の一例である。
【００２５】
各水冷管は、水冷パネルの幅にわたって伸び即ち延在し、ストレート部分の両端で彎曲部に相互接続される平行な水平部を含んでいるのが好ましい。
外側水冷管は、その水平部が内側水冷管の水平部の真後ろにこないように内側水冷管から変位しているのが好ましい。その結果、容器内部に露出されているパネルの内面の少なくとも実質的な部分が、内側および外側水冷管を通って流れる水によって水冷される。
【００２６】
水冷パネルの内側の露出面は、パネルの露出表面積を増大させ、かつこの露出面への固着スラグの付着を促進する波状表面または蜂巣表面（ripple or waffle surface）などの表面仕上げを含んでいるのが好ましい。
水冷パネルは、その露出面から内側に突出し、パネル上の固着スラグの形成および成長を促進し、かつスラグのパネルへの定着を支援するピンまたはカップなどの部材を含んでいるのが好ましい。
【００２７】
スラグ層に接触している側壁は、水冷パネルと、耐火物製ライニングと、ライニング上のスラグ層とを含んでいるのが好ましい。
耐火ライニングは耐火レンガ製であるのが好ましい。
容器は、スラグ層の上方のガス連続空間に、上昇し次いで下降する溶融材料の飛沫、液滴および流れによって形成された転移ゾーンを含み、これらの飛沫、液滴および流れの一部が容器の側壁に接触して、側壁に溶融スラグを堆積しているのが好ましい。
【００２８】
水冷パネルは転移ゾーンに接触しているのが好ましい。
水冷パネルを介した冷却が、転移ゾーンに接触している水冷パネルにスラグ層を堆積かつ維持するのに十分であるのが好ましい。
溶融材料の飛沫、液滴および流れが、転移ゾーンの上方に達し、転移ゾーン上方の容器の側壁に接触するのが好ましい。
水冷パネルを介した冷却が、転移ゾーンより上にあるパネルにスラグ層を堆積かつ維持するのに十分であればなお好ましい。
【００２９】
容器は、ガス連続空間に接触していると共に水冷パネルを含む屋根部を含んでいるのが好ましい。
溶融材料の飛沫、液滴および流れが転移ゾーンの上方に達し、屋根部に接触するのが好ましい。
水冷パネルによる冷却が、パネルにスラグ層を堆積かつ維持するのに十分であればなお好ましい。
【００３０】
スラグは、水冷パネルに「湿潤」層または「乾燥」層として生成し得る。「湿潤」層は、パネルの内面に付着した凍結層と、半固体〔かゆ状（mush）〕層と、外側液状皮膜とを含む。「乾燥」層は、実質的にすべてのスラグが固着している層である。
【００３１】
炉床の底部と側部は、溶融浴に接触している耐火物製ライニングを含んでいるのが好ましい。
耐火ライニングは耐火レンガ製であるのが好ましい。
固体材料噴射用ランス／羽口は、容器中に３０〜６０°の角度で下方かつ内側に延在しているのが好ましい。
固体材料噴射用ランス／羽口の末端は溶融金属のレベルより上にあるのが好ましい。
固体材料ランス／羽口を介した固体材料の噴射により、ガス連続空間への溶融材料の飛沫、液滴および流れの上方運動が生起させるのが好ましい。
【００３２】
酸素含有ガスを噴射する１個または１個以上のランス／羽口は、転移ゾーンで反応ガスの一酸化炭素と水素を後燃焼させるために、酸素含有ガスを転移ゾーン中に噴射するように配置されているのが好ましい。
吐出手段は、容器から溶融金属を連続的に吐出させ得る前炉床を含んでいるのが好ましい。
【００３３】
さらに、本発明により、前項で説明した容器内で金属含有供給材料から金属を生産するための直接製錬法も提供され、この方法は、
（ａ）  金属層と金属層上のスラグ層とを有する溶融浴を形成する段階と、
（ｂ）  金属含有供給材料の少なくとも一部および固体炭素質材料をキャリヤーガスと一緒に複数のランス／羽口を介して溶融浴中に噴射し、金属層中で金属含有材料を製錬し、上記固体噴射により、金属層から、金属層の溶融材料を同伴すると共に溶融材料を飛沫、液滴および流れとして上方に運ぶガス流を生成させ、容器内のスラグ層の上方のガス連続空間に転移ゾーンを形成し、それによって、溶融材料の飛沫、液滴および流れが容器の側壁に接触して保護スラグ層を形成する段階と、
（ｃ）  １個または１個以上のランス／羽口を介して容器中に酸素含有ガスを噴射し、溶融浴から放出された反応ガスを後燃焼させ、それによって、上昇し次いで下降する溶融材料の飛沫、液滴および流れにより、溶融浴への熱伝達を容易にする段階と、
（ｄ）  水冷パネルを介した熱損失が、定常作業条件下に容器の内部に対して露出されたパネルの面積１ｍ2当たり１５０ｋＷ未満になるように、固体の噴射および／または酸素含有ガスの噴射および／または水冷パネルを通る水の流速をコントロールする段階と
を含む。
【００３４】
水冷パネルを介した熱損失は、定常作業条件下に容器の内部に対して露出されたパネル面積１ｍ2当たり１００ｋＷ未満であるのが好ましい。
水冷パネルを介した熱損失が、定常作業条件下に容器の内部に対して露出されたパネル面積１ｍ2当たり９０ｋＷ未満であればなお好ましい。
【００３５】
添付図面を参照して実施例により本発明をさらに説明する。
以下の説明は、溶融鉄を生産するための鉄鉱石の直接製錬に関連するが、本発明はこの用途には限定されず、いずれの適当な金属鉱石および精鉱ならびに部分還元金属鉱石および金属含有廃棄物流を含めた他の金属含有供給材料にも適用可能であるものと了解される。
【００３６】
図面に示されている容器は、耐火レンガ製の底部３および側部５５を含む炉床と、炉床の側部５５から上方に延在する略円筒形バレルを構成すると共にバレル上部５１およびバレル下部５３を含む側壁５と、屋根部７と、排ガス用出口９と、溶融鉄を連続的に吐出させるための前炉床５７と、溶融スラグを定期的に吐出させるための栓孔６１とを含んでいる。
【００３７】
使用時には、容器は、溶融金属層１５と金属層１５上の溶融スラグ層１６とを含む鉄およびスラグの溶融浴を含んでいる。数字１７で示されている矢印は金属層１５の静穏表面の位置を示し、数字１９で示されている矢印はスラグ層１６の静穏表面の位置を示している。用語「静穏表面」とは、容器中へのガスや固体の噴射がないときの表面を意味するものと了解される。
【００３８】
容器はさらに、側壁５を貫通してスラグ層１６中に垂直線に対して３０〜６０°の角度で下方かつ内側に延在する２つの固体噴射用ランス／羽口１１を含んでいる。ランス／羽口１１の位置は、その下端が金属層１５の静穏表面１７の上にくるように選択される。
【００３９】
使用時には、キャリヤーガス（典型的にはＮ2）に同伴された鉄鉱石（典型的には微紛）、固体炭素質材料（典型的には石炭）およびフラックス（典型的には石灰およびマグネシア）は、ランス／羽口１１を介して金属層１５中に噴射される。固体材料／キャリヤーガスの運動量により、固体材料およびキャリヤーガスは金属層１５中に浸入する。石炭は揮発成分が除去され、それによって金属層１５中でガスを生成する。炭素は、一部は金属に溶解し、一部は固体炭素として残留する。鉄鉱石は金属に製錬され、製錬反応により一酸化炭素ガスを生成する。金属層１５中に輸送されたガすおよび液化および製錬を介して生成されたガスは、（固体／ガス／噴射の結果として金属層１５中に引き込まれた）溶融金属、固体炭素およびスラグを金属層１５から有意に浮力上昇させ、それによって、溶融金属およびスラグの飛沫、液滴および流れの上方運動が生じ、これらの飛沫、液滴および流れは、スラグ層１６を通って移動するときにスラグを同伴する。
【００４０】
溶融金属、固体炭素およびスラグの浮力上昇により、金属層１５およびスラグ層１６中に実質的な攪拌が生じ、その結果、スラグ層１６は体積が膨張し、矢印３０で示されている表面を有する。攪拌の規模は、金属領域およびスラグ領域が妥当な均一温度、典型的には、１，４５０〜１，５５０℃になる程度であるが、各領域において３０℃以下の温度変動がある。
【００４１】
さらに、溶融金属、固体炭素およびスラグの浮力上昇によって生じた溶融材料の飛沫、液滴および流れの上方運動は、容器内の溶融浴の上方の空間３１（「上部空間」）に達し、
（ａ）  転移ゾーン２３を形成し、かつ
（ｂ）  一部の溶融材料（主としてスラグ）を、転移ゾーンを越えて側壁５のバレル上部５１の転移ゾーン２３より上の部分および屋根部７にまで吹き上げる。
【００４２】
一般に、スラグ層１６は気泡を内包する液体連続容積であり、転移ゾーン２３は溶融材料（主としてスラグ）の飛沫、液滴および流れを含む気体連続容積部分である。
容器はさらに、容器の中心に配置されていると共に容器中に垂直に下方に延在し且つ酸素含有ガス（典型的には予熱された酸素富化空気）を噴射するためのランス１３を含んでいる。ランス１３の位置およびランス１３を通るガスの流速は、酸素含有ガスが転移ゾーン２３の中心領域に侵入して、ランス１３の末端周囲に実質的に金属／スラグ自由空間２５を維持するように選択される。
【００４３】
ランス１３を介して酸素含有ガスを噴射することにより、転移ゾーン２３およびランス１３の末端周囲の自由空間２５で反応ガスＣＯおよびＨ2が後燃焼され、気体空間が２，０００℃またはそれより高い程度の高温になる。この熱は、ガス噴射領域内で上昇し次いで下降する溶融材料の飛沫、液滴および流れに伝達され、次いで、この熱の一部は金属／スラグが鉄層１５に戻るときに金属層１５に伝達される。
【００４４】
自由空間２５は、高レベルの後燃焼を達成させるために重要である。何故なら、自由空間により、転移ゾーン２３の上方の上部空間のガスがランス１３の末端領域に同伴され、それによって、利用可能な反応ガスの後燃焼への暴露量を増大させ得るからである。
【００４５】
ランス１３の位置、ランス１３を通るガスの流速、ならびに溶融材料の飛沫、液滴および流れの上方運動の総合作用は、該して数字２７で識別されるランス１３の下部領域周囲に転移ゾーン２３を形成することである。形成されたこの領域は、側壁５への放射による熱伝達に対する部分バリヤーを提供する。
さらに、上昇し次いで下降する溶融材料の液滴、飛沫および流れは、転移ゾーン２３から溶融浴への有効な熱伝達手段であり、その結果、側壁５の領域内の転移ゾーン２３の温度は１，４５０〜１，５５０℃の範囲になる。
【００４６】
本発明の好ましい実施態様によれば、容器は、プロセスを定常作業条件下に実施しているときの容器内の金属層１５、スラグ層１６および転移ゾーン２３のレベル、ならびにプロセス実施中に転移ゾーン２３の上方の上部空間３１中に吹き上げられる溶融材料（主としてスラグ）の飛沫、液滴および流れを考慮して構成され、従って、
（ａ）  金属層／スラグ層１５／１６に接触している炉床と側壁５のバレル下部５３は、上記層中の金属およびスラグに直接接触している（図中に網状線で示されている）耐火物製レンガから形成され、
（ｂ）  側壁５のバレル下部５３の少なくとも一部は水冷パネル８で裏打ちされ、かつ
（ｃ）  側壁５のバレル上部５１の転移ゾーン２３に接触している部分と、転移ゾーン２３より上のバレル上部５１の残りの部分と、屋根部７とは、水冷パネル５７、５９から形成される。
【００４７】
側壁５のバレル上部５１の各水冷パネル８、５７、５９（図示せず）は、平行な上縁および下縁ならびに平行な側縁を有し、円筒形バレルの一部を規定するように曲がっている。図２および図３で最もよくわかるように、各パネル５７、５９は、内側水冷管６３と外側水冷管６５を含んでいる。管６３、６５は、平行な水平部が彎曲部によって相互接続された状態の蛇行形状を形成している。管６３、６５は、吸水口／排水口６９をさらに含んでいる。管６３、６５は、パネルの露出面、すなわち、容器内部に対して露出された面から見たときに、外側管６５の水平部が内側管６３の水平部の真後ろにこないように垂直方向に変位している。各パネル６３、６５はさらに、各管６３、６５の隣接する水平部の間および管６３と管６５の間の空間を充填すると共にパネルの内面を構成する突き固めたまたはガン噴射された耐火物を含んでいる。各パネルはさらに、パネルの外面を構成する支持板６７を含んでいる。
【００４８】
管の吸水口／排水口６９は、管を通って高流速で水を循環させる給水回路（図示せず）に接続されている。
使用時には、水冷パネル５７，５９を通る水の流速、ランス／羽口１１を通る固体／キャリヤーガスの流速、およびランス１３を通る酸素含有ガスの流速は、パネルに接触するスラグが十分存在し、かつパネル上に固着スラグ層を堆積かつ維持するのに十分なパネルからの冷却が存在するようにコントロールされる。スラグ層は有効な熱バリヤーを構成し、それゆえに、プロセスの定常作業条件下における容器の側壁５および屋根部７からの熱損失が１５０ｋＷ／ｍ2以下まで最小限に抑えられる。
【００４９】
本出願人が実施した長期間にわたるパイロットプラント研究において、本発明の容器は、他の容器に関して報告されたものより著しく低い熱損失を記録した。
上述のパイロットプラント研究は、本出願人により、西オーストラリアのクウィナナ（Kwinana）所在の本出願人のパイロットプラントにおいて、一連の長期にわたる組織的活動として実施された。
パイロットプラント研究は、図面に示され、かつ先に説明した容器を用い、上述の作業条件に従って実施された。
【００５０】
パイロットプラント研究により容器を評価し、
（ａ）  供給材料、
（ｂ）  固体およびガスの噴射速度、
（ｃ）  スラグ：金属比、
（ｄ）  作業温度、および
（ｅ）  装置の構成
を広範に変えてプロセスを調査した。
【００５１】
以下の表１は、パイロットプラント研究の典型的な始動条件および安定作業条件下の関連データを示している。
【００５２】
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鉄鉱石は、標準微紛直輸入鉱石（normal fine direct shipping ore）であり、乾量規準で、６４．６％の鉄と、４．２１％のＳｉＯ2と、２．７８％のＡｌ2Ｏ3とを含んでいた。
【００５３】
還元剤として、また燃焼させてプロセスにエネルギーを供給するための炭素および水素源として無煙炭を用いた。無煙炭は、３０．７ＭJ／ｋｇの発熱量と、１０％の灰分と、９．５％の揮発分レベルとを有していた。他の特性値としては、７９．８２％の全炭素、１．８％のＨ2Ｏ、１．５９％のＮ2、３．０９％のＯ2および３．０９％のＨ2を含んでいた。
【００５４】
１．３（ＣａＯ／ＳｉＯ2比）のスラグ塩基度を維持するために、石灰とマグネシアのフラックス組み合わせを用いてプロセスを実施した。マグネシアはＭｇＯを提供し、それによって、スラグ中のＭｇＯの適切なレベルが維持されることにより耐火物に対するスラグの腐食性が低減した。
【００５５】
始動条件下に、１，２００℃で２６，０００Ｎｍ3／ｈの熱風噴射速度、６０％〔（ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ）／（ＣＯ＋Ｈ2＋ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ）〕の後燃焼率でパイロットプラントを実施し、５．９ｔ／ｈの供給速度の鉄鉱石微紛、５．４ｔ／ｈの供給速度の石炭および１．０ｔ／ｈの供給速度のフラックスはすべて、キャリヤーガスとしてＮ2を用いて固体として噴射した。容器内にはほとんどスラグは存在せず、側部パネル上に固着スラグ層を形成するのに十分な条件は存在しなかった。その結果、水冷による熱損失は１２ＭＷで比較的高かった。３．７ｔ／ｈのホットメタル（４．５重量％Ｃ）生産速度および生産されたホットメタル１トン当たり１，４５０ｋｇ石炭の石炭比でパイロットプラントを実施した。
【００５６】
安定作業条件下に、スラグ残留量および側壁５および屋根部７を構成する水冷パネル上の固着スラグ層をコントロールすることにより、８ＭＷという比較的低い総水冷熱損失が記録された。この総水冷熱損失は、側壁５および屋根部７の水冷パネルからの水冷熱損失と、ランス／羽口１１およびランス１３などの容器の他の水冷部品からの水冷熱損失を合わせたものである。この総水冷熱損失は、側壁５および屋根部７の露出されたパネル表面１ｍ2当たり１５０ｋＷ未満と同等であると了解される。水冷システムに対して失われる熱を低減することにより、生産性が６．１ｔ／ｈホットメタルまで向上した。この生産性の増大は、始動時と同じ熱風噴射速度および後燃焼で得られた。固体噴射速度は、紛鉱石が９．７ｔ／ｈ、石炭が６．１ｔ／ｈ、フラックスが１．４ｔ／ｈであった。生産性が向上すると、石炭比も、ホットメタル１トン当たり１，０００ｋｇ石炭まで向上した。
【００５７】
パイロットプラント容器の側壁５および屋根部７用の水冷パネルの初期設計は、ＥＡＦおよびＥＯＦ炉操作での経験に基づいていた。この設計の熱流束値は、
屋根部：      ２３０ｋＷ／ｍ2
バレル上部：  ２３０ｋＷ／ｍ2
バレル下部：  ２９０ｋＷ／ｍ2
であった。
水冷回路は、３５０ｋＷ／ｍ2の熱流束を達成するために最大流速を用いて設計された。
【００５８】
パイロットプラント実験を開始する前には、容器内部に直接露出された水冷パネル、すなわち、レンガで裏打ちしなかった水冷パネルは、約２５０ｋＷ／ｍ2の熱損失を有するものと予測された。しかし、定常作業条件下に、熱損失は予想外に低く、特に転移ソーン２３の上方のバレル上部５１および屋根部７を構成する露出水冷パネルでは、８０および６５ｋＷ／ｍ2もの低さであった。パネルの突き固めたまたはガン噴射された耐火物の磨耗が最も小さかった初期の組織的研究では、熱損失の範囲および平均は、
屋根部：      ８０〜１７０    １２０ｋＷ／ｍ2
バレル上部：  ６０〜１６５    ９５ｋＷ／ｍ2
バレル下部：  ４０〜１６０    ７０ｋＷ／ｍ2
であった。
バレル下部５３のパネルは、部分的に耐火レンガで保護されていた。
【００５９】
後期の組織的研究から類似のデータが得られた。この組織的研究から得られた以下のデータは、水冷パネルの突き固めたまたはガン噴射された耐火物の磨耗の増大による影響を反映している：
屋根部：      ８０〜２４５    １４５ｋＷ／ｍ2
バレル上部：  ７５〜１８０    １３０ｋＷ／ｍ2
バレル下部：  ５０〜１７０    １１０ｋＷ／ｍ2
本発明の精神および範囲を逸脱しなければ、上述の容器の好ましい実施態様に対して多くの改良を行い得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の好ましい実施態様を概略形態で示す冶金容器の縦断面図。
【図２】  図１に示されている容器の左側の詳細図。
【図３】  図１および図２に示されている容器の円筒形バレルにおける多くの水冷パネルの水冷管配置を示す正面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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