(57)【要約】鉄および／または鉄合金を冶金容器内において商業規模で製造する直接製錬法が開示されている。本方法は、多数の固体噴射ランス２７を経て固体材料を溶湯中に吹き込むこと、および１本以上のランス２６を経て後燃焼目的の含酸素ガスを容器中へ吹き込むことを含む。本方法は、（１）隆起部７０を有する膨張溶湯帯域２８が酸素ガス吹き込み領域と容器側壁の間にある酸素ガス吹き込み領域の周囲にできるように、（２）溶融材料の飛沫、液滴および流れが隆起部から上方に飛散し、酸素ガス吹き込み領域と容器側壁の間にある酸素ガス吹き込み領域の周囲にカーテン７２を形成し、また側壁を濡らすように、そして、（３）酸素ガス噴射ランス下端の周囲に、膨張溶湯帯域の溶湯材料濃度よりも低い溶湯材料濃度を有する自由空間２９ができるように、固体噴射ランスおよび酸素ガス噴射ランスの数およびそれらの相対的位置を選択し、また操業条件を制御することによって特徴づけられる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉床、側壁および天井を有するとともに、少なくとも４ｍ（より好ましくは６ｍ）の炉床内幅寸法を有する冶金容器で商業規模により操業する、鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法であり、この方法が以下の段階、すなわち：
（ａ）固体材料と搬送ガスである供給材料を、下向きに伸長する３本以上の固体噴射ランスを通じて、溶融金属と溶融スラグから成る溶湯に吹き込むことによってガス流を作り、もって（ｉ）膨張溶湯帯域を形成するとともに、（ｉｉ）該膨張溶湯帯域から上向きに飛沫、液滴および流れを飛ばす、供給材料注入段階と、
（ｂ）前記冶金容器内に、少なくとも１本の酸素ガス噴射ランスを通じて、含酸素ガスを吹き込んで、溶湯から放出される可燃性ガスを後燃焼させる段階とを含み、
前記直接製錬法が、
前記固体噴射ランスと前記酸素ガス噴射ランスの数、および、これらのランスの相対的位置を選択すること、および
前記段階（ａ）および（ｂ）における、前記ランスを通じての供給材料と含酸素ガスの吹き込み速度を含む操業条件を以下のように制御することによって特徴づけられる直接製錬法、
（ｉ）前記膨張溶湯帯域が、前記冶金容器内の酸素ガス噴射領域と容器側壁との間にある酸素噴射領域の周囲の隆起領域を含むこと、
（ｉｉ）溶融材料の飛沫、液滴および流れが、前記隆起領域から上方に飛び出して、前記隆起領域と前記容器側壁との間の前記酸素ガス噴射領域の周囲にカーテンを作るとともに、前記容器側壁を濡らすこと、および
（ｉｉｉ）前記酸素ガス噴射ランスの下端の周囲に自由空間が生じ、該自由空間の溶融材料濃度が前記膨張溶湯帯域における溶融材料の濃度よりも低いこと。
【請求項２】
前記段階（ａ）で作られる前記ガス流が前記溶湯内の材料の十分な動きと前記溶湯の強い撹拌を引き起こす請求項１に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項３】
前記段階（ａ）における供給材料の吹き込み、および、該供給材料の吹き込みと、前記溶湯中での前記供給材料の反応とによって生じるガス流が、前記膨張溶湯帯域に対する材料の十分な出入り運動を引き起こす請求項１に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項４】
溶融スラグを前記冶金容器から定期的に排出することを含む請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項５】
溶融スラグを前記冶金容器から連続的に排出することを含む請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項６】
溶融鉄および／または溶融鉄合金を前記冶金容器から定期的に排出することを含む請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項７】
溶融鉄および／または溶融鉄合金を前記冶金容器から連続的に排出することを含む請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項８】
前記段階（ａ）が、製錬工程で使用される固体材料の全重量のうち少なくとも８０重量％を、前記固体噴射ランスを通じて吹き込むことを含む請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項９】
前記段階（ａ）が、前記固体噴射ランスを通じて、少なくとも４０ｍ／秒の速度で前記溶湯中に供給材料を吹き込むことを含む請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項１０】
前記吹き込み速度が８０〜１００ｍ／秒である請求項９に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項１１】
前記段階（ａ）が、固体噴射ランスを通じて、固体材料を２．０ｔ／ｍ２／秒（ここでｍ２は前記供給ランス管の断面積に意味する）の質量流速で前記溶湯中に吹き込むことを含む請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項１２】
前記段階（ａ）が、前記固体噴射ランスを通じて、固体／ガス比１０〜１８ｋｇ／Ｎｍ３で前記溶湯内に供給材料を吹き込むことを含む請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項１３】
前記段階（ｂ）が、酸素ガス噴射ランスを通じて、温度８００〜１４００℃、速度２００〜６００ｍ／秒で、前記含酸素ガスとして空気または酸素富化空気を前記冶金容器内に吹き込むことを含む請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項１４】
前記段階（ｂ）において、前記含酸素ガスとして空気または酸素富化空気を、渦巻状の動きで、前記冶金容器内に吹き込むことを含む請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項１５】
前記段階（ａ）において、少なくとも０．３５Ｎｍ３／秒／ｍ２（ここで、ｍ２は炉床最小幅位置における水平横断面積を意味する）のガス流が生じる請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項１６】
少なくとも０．５Ｎｍ３／秒／ｍ２のガス流が前記段階（ａ）で生じる請求項１５に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項１７】
２Ｎｍ３／秒／ｍ２未満のガス流が前記段階（ａ）で生じる請求項１５に記載された鉄および／または鉄合金を製造するための直接製錬法。
【請求項１８】
（ａ）金属に富む帯域と、該金属に富む帯域の上位の膨張溶湯帯域とを含む、金属とスラグから成る、溶湯を収容するための傾斜できない固定容器であり、少なくとも４ｍの最小内部幅寸法を有する耐火材料から成る炉床と、該炉床から上方に伸長する、水冷パネルを含む側壁とを含む該固定容器、
（ｂ）前記溶湯の上位領域に含酸素ガスを吹き込むための、容器内へ下方に伸長する少なくとも１本のランス、
（ｃ）前記溶湯中に供給材料と搬送ガスを吹き込むための少なくとも３本の固体噴射ランス、および
（ｄ）前記固定容器から溶融金属とスラグを排出するための手段を含む、直接製錬法によって鉄および／または鉄合金を製造するための装置。
【請求項１９】
前記固体噴射ランスは細長く、前記固定容器の前記側壁における水冷パネルを貫通し、前記固定容器の前記炉床の領域に向かって下方かつ内方に伸長している請求項１８に記載された、直接製錬法によって鉄および／または鉄合金を製造するための装置。
【請求項２０】
前記炉床が前記固定容器内の円筒領域を規定し、前記固体噴射ランスの出口端から鉛直下方に引いた線が前記炉床内の円上の多数の位置で前記炉床の底と交差するように、下方に伸長する前記固体噴射ランスが位置づけられている請求項１８または請求項１９に記載された直接製錬法によって鉄および／または鉄合金を製造するための装置。
【請求項２１】
前記円が、前記炉床の幅径の３分の２と同等以上である直径を有する請求項２０に記載された直接製錬法によって鉄および／または鉄合金を製造するための装置。
【請求項２２】
前記酸素ガスの吹き込み領域が、前記固定容器の中央領域である請求項１８から請求項２１までのいずれか１項に記載された直接製錬法によって鉄および／または鉄合金を製造するための装置。
【請求項２３】
（ａ）前記炉床によって規定される領域よりも大きな直径の、前記固定容器内に円筒領域を画成する上樽部分と、（ｂ）耐火材料の内張りを含み、前記固定容器内に截頭円錐形状領域を画成する下樽部分とを前記側壁が含み、前記截頭円錐形状領域が前記上樽部分と前記炉床の間の移行部分を形成している請求項１８から請求項２２までのいずれか１項に記載された直接製錬法によって鉄および／または鉄合金を製造するための装置。
【請求項２４】
前記固体噴射ランスが、前記固定容器内に少なくとも１ｍ伸長し、かつ、その長さに沿って自己支持状態になっている請求項１８から請求項２３までのいずれか１項に記載された直接製錬法によって鉄および／または鉄合金を製造するための装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、鉄鉱石を包含する含鉄材料、鉄を含むその他の鉱石（例：クロマイト）、部分還元鉱石、および含鉄廃棄物（例：回収鋼材）から、鉄および／または鉄合金を製造するための方法と装置に関するものである。
【０００２】
具体的に言えば、本発明は、溶融鉄および／または溶融鉄合金を製造するための、溶融金属浴を用いた直接製錬法と装置に関するものである。
【０００３】
溶融鉄製造のための、溶湯を用いた一つの公知直接製錬法は、ＤＩＯＳ法である。ＤＩＯＳ法は、予備還元段階と製錬還元段階とを含む。ＤＩＯＳ法では、鉱石（８ｍｍ未満）が、製錬還元容器（鉄とスラグから成る溶湯を収容し、スラグは鉄の上に厚いスラグ層を作る）からの離脱ガスを用いた沸騰流動床で予熱され（７５０℃）、予備還元（１０〜３０％）される。鉱石の微粒成分（０．３ｍｍ未満）および粗粒成分（８ｍｍ未満）は工程の予備還元段階において分離され、０．３ｍｍ未満の成分はサイクロンで捕集されて窒素と共に製錬還元容器に吹き込まれ、一方で、粗粒鉱石は重力落下で装入される。予め乾燥された石炭が、その頂部から製錬還元炉に直接装入される。石炭はスラグ層において炭と揮発成分に分解し、鉱石は溶融スラグに溶解してＦｅＯを形成する。ＦｅＯは、スラグ／鉄の境界面およびスラグ／炭の境界面で還元されて鉄になる。鉄／スラグの境界面およびスラグ／炭の境界面で生じる一酸化炭素が泡立ちスラグを作る。特別設計のランスを通じて酸素が吹き込まれ、泡立ちスラグ内に酸素をもたらし二次燃焼を改善する。酸素噴射は、製錬還元反応に伴い生じる一酸化炭素を燃焼させ、底部から吹き上がるガスの強い撹拌効果で最初に溶融スラグへ、次にスラグ／鉄境界面へ伝達される熱を生み出す。製錬還元容器の底部または側壁から高温の鉄浴にもたらされる撹拌ガスは伝熱効率を向上させ、還元のためのスラグ／鉄境界面を増加させ、もって容器の生産性と熱効率を高める。しかしながら、激しい撹拌は、スラグ中での酸素ジェットと鉄液滴との間の相互作用を増大させて二次燃焼を低下させ、その結果、生産性の低下と耐火材の損耗増加を伴うので、噴射速度は限定的でなければならない。スラグと鉄は定期的にタップ孔から排出される。
【０００４】
溶融鉄製造のための別の公知直接製錬法はＲｏｍｅｌｔ法である。Ｒｏｍｅｌｔ法は、製錬還元容器中で含金属原料を鉄に製錬し、またガス状反応生成物を後燃焼させ含金属原料の製錬継続に必要な熱を伝達する媒体として、大量の、高度に撹拌されたスラグを用いることを基礎とする。含金属原料、石炭、および溶剤が容器天井の開口部を通してスラグ浴中に重力落下で供給される。Ｒｏｍｅｌｔ法は、必要なスラグの撹拌を引き起こすため下段列羽口を通じて酸素富化空気からなる一次衝撃風をスラグ中に吹き込むこと、および後燃焼を促進するため上段列羽口を通じて酸素富化空気または酸素をスラグ中に吹き込むことを含む。スラグ中で生産された溶融鉄は下向きに移動して鉄層を形成し、前炉を経て排出される。Ｒｏｍｅｌｔ法における鉄層は、重要な反応媒体ではない。
【０００５】
溶融鉄の製造のための、溶湯を用いた別の公知直接製錬法がＡＩＳＩ法である。ＡＩＳＩ法は、予備還元段階と製錬還元段階とを含む。ＡＩＳＩ法では、予熱され部分的に予備還元された鉄鉱石ペレット、石炭または紛コークス、および溶剤が炉頂より鉄とスラグの溶湯を保有する加圧製錬容器に装入される。石炭はスラグ層で揮発分を失い、鉄鉱石ペレットはスラグ層に溶解してスラグ中の炭素（炭）により還元される。操業状態はスラグの泡立ちに現れる。工程で生成される一酸化炭素と水素はスラグ層中またはスラグ層直上で後燃焼し、吸熱還元反応に要する熱を供給する。中央に位置した水冷ランスを通して炉頂から酸素が吹き込まれ、後燃焼エネルギーを浴へ伝達させるに十分な撹拌を確保するため反応装置の底の羽口を通して窒素が吹き込まれる。工程の離脱ガスは鉱石ペレットの余熱とＦｅＯまたはウスタイトへの予備還元のため、高炉型炉へ供給される前に高温サイクロンで除塵される。
【０００６】
反応媒体を溶融鉄層に依存し、一般にＨＩｓｍｅｌｔ法と称される別の直接製錬法が、本件出願人による国際出願ＰＣＴ／ＡＵ９６／００１９７
（ＷＯ　９６／３１６２７）に記載されている。
【０００７】
前記国際出願に記載されているＨＩｓｍｅｌｔ法は、（ａ）容器内に鉄層とスラグ層からなる浴を形成すること、（ｂ）含金属供給材料（代表的には鉄酸化物）および固体炭素材料（代表的には石炭で、鉄酸化物の還元剤およびエネルギー源として作用する。）を浴中に吹き込むこと、そして（ｃ）鉄層中で含金属供給材料を金属に製錬することを含む。
【０００８】
また、ＨＩｓｍｅｌｔ法は、含酸素ガスを浴上方の空間へ吹き込み、溶湯から放出される反応生成ガス（ＣＯとＨ２）を後燃焼させ、それによって生み出される熱を、含金属供給材料の製錬に必要な熱エネルギーとして利用するために、浴に伝達することを含む。
【０００９】
さらに、ＨＩｓｍｅｌｔ法は、浴上部の反応ガスの後燃焼によって生み出された熱エネルギーを浴に伝達するための効果的な手段を提供するところの、上下動する好適質量の溶融材料の飛沫、液滴、および流れがその中に存在する、そのような遷移帯域を浴の静止表面上部空間に形成することを含む。
【００１０】
前記国際出願に記載されたＨＩｓｍｅｌｔ法は、搬送ガス、含金属供給材料および固体炭素材料を、搬送ガスと固体材料が浴に貫通して溶融材料が浴表面上方空間に飛散されるように、浴と接した容器側面部分を通じおよび／または浴上方から、浴中に吹き込むことにより遷移帯域を形成することにより特徴づけられる。
【００１１】
前記国際出願に記載されたＨＩｓｍｅｌｔ法は、ガスおよび／または炭素材料を底から浴に吹き込み、それが溶融材料の液滴、飛沫および流れを浴から飛散させて遷移帯を形成するＨＩｓｍｅｌｔ法の初期の形態に対する改善である。
【００１２】
本件出願人は、商業的な操業に必要な事項に関する研究開発を含む広範な研究開発を直接製錬法について行い、それら種々の工程について一連の重要な発見をなした。
【００１３】
広い意味で言えば、本発明は、鉄および／または鉄合金を製造するための、炉床、側壁、天井および少なくとも４ｍ（より好ましくは６ｍ）の炉床内幅寸法を有する冶金容器内で商業規模により操業する直接製錬法である。
【００１４】
具体的に言うと、本発明製錬法は、以下の段階、すなわち、
（ａ）固体材料と搬送ガスである供給材料を、下向きに伸長する３本以上の固体噴射ランスを通じて、溶融金属と溶融スラグから成る溶湯に吹き込むことによってガス流を作り、もって（ｉ）膨張溶湯帯域を形成するとともに、（ｉｉ）該膨張溶湯帯域から上向きに飛沫、液滴および流れを飛ばす、供給材料注入段階と、
（ｂ）前記冶金容器内に、少なくとも一本の酸素ガス噴射ランスを通じて、含酸素ガスを吹き込んで、溶湯から放出される可燃性ガスを後燃焼させる段階とを含む。
【００１５】
さらに具体的に言うと、本発明は、固体噴射ランスと前記酸素ガス噴射ランスの数、および、これらのランスの相対的位置を選択すること、および
前記段階（ａ）および（ｂ）における、前記ランスを通じての供給材料と含酸素ガスの吹き込み速度を含む操業条件を以下のように制御することによって特徴づけられる：
（ｉ）膨張溶湯帯域が、冶金容器内の酸素ガス噴射領域と容器側壁との間にある酸素噴射領域の周囲の隆起領域を含むこと、
（ｉｉ）溶融材料の飛沫、液滴および流れが、隆起領域から上方に飛び出して、隆起領域と容器側壁との間の酸素ガス噴射領域の周囲にカーテンを作るとともに、容器側壁を濡らすこと、および
（ｉｉｉ）酸素ガス噴射ランスの下端の周囲に自由空間が生じ、該自由空間の溶融材料濃度が膨張溶湯帯域における溶融材料の濃度よりも低いこと。
【００１６】
前記工程は、固体材料と搬送ガスである供給材料を、冶金容器の酸素ガス吹き込み領域周囲に位置する、冶金容器内の多数の領域に吹き込むことに帰着する。本発明は、吹き込まれた固体材料と搬送ガスの高濃度領域からの上方へのガス流（前記領域の上方に溶湯を持ち上げて、溶融材料の一部を冶金容器の頂部空間に放出することのできるガス流）に依存するものである。
【００１７】
溶融材料の上昇は、膨張溶湯帯域の前記隆起領域、および、該隆起領域から飛び出した溶融材料の飛沫、液滴および流れから成る前記カーテンの形成を引き起こす。
【００１８】
前記溶融材料の飛沫、液滴および流れは、「指（複数本）」に譬えることもできる。
【００１９】
また、溶融材料の上昇は、固体／搬送ガスの溶湯中への吹き込みに関する高濃度領域から上方に伸長する溶融材料の噴水列の形態をなすと言ってもよい。
【００２０】
さらに、本発明は、固体噴射ランスと、酸素ガス噴射ランスの位置の選択にも依存するものである。この選択は、前記膨張溶湯帯域である隆起領域と、投げ出されて噴水を成す溶融材料の飛沫、液滴または流れが、冶金容器の酸素ガス吹き込み領域周囲に生じるように行われる。
【００２１】
膨張溶湯帯域である前記隆起領域と、酸素ガス吹き込み領域周囲の前記隆起領域から投げ出された溶融材料から成る前記カーテンの目的は、（ａ）浴ガスと吹き込まれた含酸素ガスの巻き込み、混合のために、酸素ガス噴射ランスと前記隆起領域／カーテンとの間に空間を与えて後燃焼を最適化すること、（ｂ）発生した燃焼エネルギーを高い割合で溶湯に熱伝達するための媒体を与えること、（ｃ）容器の熱損失を低減化するための媒体（すなわち、隆起領域／カーテン）を与えること、および、（ｄ）後燃焼を減らすことになる、鉄およびスラグの液滴と含酸素ガスとの間の反応を極小化することである。
【００２２】
好ましくは、下方に向って伸長する固体噴射ランスが、固体噴射ランスの出口端から鉛直下方に引いた線が炉床底と円上の多数の位置で交差するように配置される。
【００２３】
好ましくは、前記段階（ａ）が、吹き込まれた固体材料の高濃度領域が前記円の内側にあるように、十分な勢いをもって供給材料を吹き込むことを含む。
【００２４】
より好ましくは、前記円が炉床底直径の３分の２以上の直径を有する。
【００２５】
前記隆起領域は連続的でも非連続的でもよい。
【００２６】
前記カーテンは連続的でも非連続的でもよい。
【００２７】
好ましくは、酸素ガス吹き込み領域は冶金容器の中央領域である。
【００２８】
好ましくは、少なくとも４本の固体噴射ランスを用いる。
【００２９】
膨張溶湯帯域は、該帯域内の溶融材料全体に亘る高いガス空隙容積比によって特徴づけられる。
【００３０】
好ましくは、前記ガス容積比が膨張溶湯帯域の体積の少なくとも３０％である。
【００３１】
前記段階（ａ）で生じたガス流は、溶湯内材料のかなり大きな動きと、溶湯の強い攪拌とを引き起こす。
【００３２】
供給材料の吹き込み、および、供給材料の吹き込みと溶湯中での供給材料の反応で生じるガス流は、膨張溶湯帯域に対する出入りにおける大きな材料移動を引き起こす。
【００３３】
好ましくは、炉床低部領域に金属に富む帯域が生じ、該帯域の上に膨張溶湯帯域が生じる。
【００３４】
好ましくは、本発明工程が、冶金容器からの溶融スラグの定期的または連続的な排出を含む。
【００３５】
また、好ましくは、本発明工程が、冶金容器からの溶融鉄および／または鉄合金の定期的または連続的な排出を含む。
【００３６】
前記段階（ａ）で吹き込まれる供給材料は、鉄鉱石を包含するあらゆる適切な含鉄材料、鉄を含むその他の鉱石（例：クロマイト）、部分還元鉱石、および含鉄廃棄物（例：回収鋼材）を含む。含鉄材料（すなわち、鉄が主成分である材料）が好ましいが、本発明は含鉄材料の使用に限定されない点に留意すべきである。
【００３７】
好ましくは、前記固体材料が含鉄材料および／または固体炭素質材料を含む。
【００３８】
好ましくは、前記段階（ａ）が、工程を実行するために必要な固体材料の全重量のうち少なくとも８０重量％を固体噴射ランスから吹き込むことを含む。
【００３９】
好ましくは、前記段階（ａ）が、固体噴射ランスを通じて、少なくとも速度４０ｍ／秒で溶湯中に供給材料を吹き込むことを含む。
【００４０】
好ましくは、前記速度が８０〜１００ｍ／秒の範囲にある。
【００４１】
好ましくは、前記段階（ａ）が、固体噴射ランスを通じて、２．０ｔ／ｍ２／秒（ここでｍ２は、供給ランス管の横断面積を意味する）の流速で溶湯中に供給材料を吹き込むことを含む。
【００４２】
好ましくは、前記段階（ａ）が、固体噴射ランスを通じて、「固体／ガス」比１０〜１８ｋｇ／Ｎｍ３で溶湯中に供給材料を吹き込むことを含む。
【００４３】
好ましくは、含酸素ガスが空気または酸素富化空気である。
【００４４】
好ましくは、本発明方法は、温度８００〜１４００℃、２００〜６００ｍ／秒で、酸素ガス噴射ランスを通じて空気または酸素富化空気を冶金容器内に吹き込むことを含む。
【００４５】
好ましくは、酸素ガス噴射ランスの下端周囲の自由空間における溶融材料の濃度が空間容積の５％以下である。
【００４６】
好ましくは、酸素ガス噴射ランスの下端周囲の自由空間が、酸素ガス噴射ランスの下端外径の少なくとも２倍の直径を有する半球形容積部分である。
【００４７】
好ましくは、酸素ガス噴射ランスの下端周囲の自由空間が、酸素ガス噴射ランスの下端外径の４倍を超えない。
【００４８】
空気中または酸素富化空気中の酸素の、好ましくは少なくとも５０容量％（より好ましくは、少なくとも６０容量％）が、酸素ガス噴射ランスの下端部周囲の自由空間で消費される。
【００４９】
好ましくは、本発明方法が、空気または酸素富化空気を渦巻状の動きで容器内に吹き込むことを含む。
【００５０】
本発明の文脈において、「製錬」とは、溶融鉄および／または溶融鉄合金を製造するために、供給材料を還元する化学反応が起きる熱的処理を意味する。
【００５１】
好ましくは、前記段階（ａ）において、溶湯中に生じるガス流が、少なくとも０．３５Ｎｍ３／秒／ｍ２（ここで、ｍ２は炉床の最も狭い位置における水平横断面積に関する）である。
【００５２】
好ましくは、前記段階（ａ）において、溶湯中に生じるガス流が少なくとも０．５Ｎｍ３／秒／ｍ２である。
【００５３】
好ましくは、前記段階（ａ）で、溶湯中に生じるガス流速が２Ｎｍ３／秒／ｍ２未満である。
【００５４】
溶湯中に生じるガス流は、部分的に、底壁および／または側壁から溶湯中へのガス噴射の結果として、生じさせてもよい。
【００５５】
溶融材料が、側壁上に「濡れ」層または「乾いた」層を形成してもよい。「濡れ」層は、側壁に付着する固化層、半固体（粥状）層および液状外皮膜を含む。「乾いた」層は、ほぼ全てのスラグが固化したものである。
【００５６】
冶金容器内でのスラグの製造は、含鉄供給材料、炭素材料、および溶剤の、容器に対する供給速度、および含酸素ガス噴射速度等の操業変数（パラメーター）を変えることによって制御される。
【００５７】
本発明方法が製鉄に用いられる場合には、好ましくは、本発明方法は、溶融鉄中の溶解炭素を少なくとも３重量％になるように制御すること、および、鉄酸化物の水準が６重量％未満（より好ましくは、５重量％未満（冶金容器から排出されるスラグ中の鉄酸化物の鉄量で測定）になるように、スラグを強い還元状態に維持することを含む。
【００５８】
含鉄材料と炭素質材料の吹き込みは、同一ランスまたは別体ランスによって行なってよい。
【００５９】
好ましくは、後燃焼の水準は少なくとも４０％である。ここで、後燃焼は、次の定義による。
【００６０】
【化１】
2004503681.tif 000003
ここで、
［ＣＯ２］＝離脱ガス中のＣＯ２容量％
［Ｈ２Ｏ］＝離脱ガス中のＨ２Ｏ容量％
［ＣＯ］　＝離脱ガス中のＣＯ容量％
［Ｈ２］　＝離脱ガス中のＨ２容量％
【００６１】
広い意味で言えば、本発明は、直接製錬法による鉄および／または鉄合金の製造装置をも提供する。その装置は傾斜できない固定容器を含み、該固定容器は、炉床、側壁、天井を有するとともに、鉄とスラグの溶湯（金属に富む帯域と、該金属に富む帯域の上の膨張溶湯帯域とを含む）を収容するために、炉床の内側で少なくとも４ｍ（好ましくは、６ｍ）の最小幅寸法を有する。
【００６２】
より具体的には、（ａ）炉床が耐火材で造られ、底と側部を有し、（ｂ）側壁が、炉床側部から上方に伸長するとともに、水冷パネルを含み、（ｃ）含酸素ガスを溶湯の上位の容器の領域に吹き込むために、少なくとも１本のランスが容器内下方に向かって伸長し、（ｄ）含鉄材料および／または炭素質材料である供給材料と搬送ガスを溶湯中に（好ましくは、溶湯の金属に富む帯域に）吹き込むための少なくとも３本の固体噴射ランスがあり、また（ｅ）冶金容器から溶融金属と溶融スラグを排出するための手段がある。
【００６３】
好ましくは、固体噴射ランスが長く延びて、容器側壁内水冷パネルを貫いて下向きかつ内向きに容器炉床帯域まで伸長する。
【００６４】
さらに好ましくは、炉床が容器内の円筒状領域を規定し、下向きに伸長する固体噴射ランスが、該ランスの出口端から鉛直下方に引いた線が炉床底と円上の多数位置で交差するように、配置される。
【００６５】
より好ましくは、前記円が炉床底直径の３分の２以上の直径を有する。
【００６６】
好ましくは、酸素ガス吹き込み領域が容器中央領域である。
【００６７】
より好ましくは、側壁が、（ａ）炉床によって規定される領域よりも大きな直径の、固定容器内に円筒領域を画成する上樽部分と、（ｂ）耐火材料の内張りを含み、固定容器内に截頭円錐形状領域を画成する下樽部分とを含む。
【００６８】
前記截頭円錐形状領域は、炉床と上樽部分の間の移行部分を提供する。
【００６９】
固体噴射ランスは好ましくは少なくとも１ｍ、より好ましくは１．５ｍだけ容器中に伸長し、その区間で支えを必要としない。
【００７０】
固体噴射ランスの数は炉床寸法に応じて変えてもよい。例えば、炉床が直径４ｍの概略円筒形である場合には、好ましくは最小限４本の固体噴射ランスが存在する。炉床直径が６ｍである場合には、好ましくは最小限６本の固体噴射ランスが存在する。炉床直径が８ｍである場合には、好ましくは最小限８本の固体噴射ランスが存在する。また、固体噴射ランスの数は、各々の材料処理能力を増すように、実用性の制約内で、寸法を変えることで変更可能である。
【００７１】
好ましくは、固体噴射ランスは、冶金容器の円周に沿って等間隔で配置される。
【００７２】
本発明製錬法および装置の好適例を、添付図を見ながら説明する。添付図は、本発明の製錬法および装置の好適例を模式的に示す縦断面図である。
【００７３】
以下の説明は、鉄鉱石を製錬して溶融鉄を製造するという文脈であり、本発明がこの用途に限られるものでなく、あらゆる適切な供給材料の製錬に適用可能である点に留意すべきである。
【００７４】
図示の直接製錬装置は、全体を１１で示す冶金容器を含む。容器１１は、耐火レンガから造られた底１２と側面１３を含む炉床、炉床側面１３から上向きに伸長して全体で円筒状の樽を形成し、水冷パネルからなる上樽部分５１と耐火レンガの内張りを有する水冷パネルからなる下樽部分５３を含む側壁１４、天井１７、離脱ガス出口１８、溶融鉄を連続的に排出するための前炉１９および溶融スラグの排出のためのタップ孔２１を含む。
【００７５】
炉床と上樽部分５１が容器内の円筒状領域を構成する。商業規模の設備、すなわち少なくとも年間５０万トンの溶融鉄を生産し、炉床直径が少なくとも４ｍ、より好ましくは少なくとも６ｍの設備では、下樽部分５３は容器内に概ね截頭円錐形状の円筒状領域を画成し、より小さい直径の炉床とより大きい直径の上樽部分５１の間の移行部分を提供する。
【００７６】
本発明はこの容器の幾何形状に限定されず、商業規模で溶融鉄を製造するために適切な他のどんな形状、寸法の容器にも及ぶことに留意すべきである。
【００７７】
稼動中、容器は鉄とスラグの溶湯を保有する。
【００７８】
容器には、熱衝風を容器中央上部領域９１へ吹き込み溶融浴から放出される反応ガスを後燃焼するため、下向きに伸長する熱風吹き込みランス２６が取り付けられる。ランス２６は、ランス下端で外径Ｄを有する。ランス２６は、（ｉ）ランス２６の中心軸が水平軸に対して角度２０〜９０度であり（図１に示されたランス２６は９０度である）、（ｉｉ）ランス２６が少なくともランス下端の外径Ｄの長さ分だけ容器中に伸長し、そして（ｉｉｉ）ランス２６の下端がランス下端外径Ｄの少なくとも３倍だけ溶湯の静止面（示されていない）上方にあるように設置される。
【００７９】
用語「静止表面」は、容器へのガスおよび固体の装入がないときの溶湯の表面を意味する。
【００８０】
容器の寸法および幾何形状を含む相互に関連するファクターにより、ランス２６は２本以上でも差し支えないことに留意すべきである。
【００８１】
容器にはまた、側壁１４を貫いて下向きかつ内向きに、そして溶湯中に水平に対し２０〜７０度の角度で伸長し、原料である鉄鉱石、固体炭素原料および溶剤を酸素を含まない搬送ガスに乗せて溶湯中に吹き込むための６本の固体噴射ランス２７（そのうち２本のみが図示されている）が取り付けられる。
【００８２】
ランス２７は、ランス２７の出口端３９が容器中心軸の周囲に等間隔に離隔されるように配置される。さらに、ランス２７は出口端３９から下方垂直に引いた線が炉床底１２と炉床直径の３分の２オーダーの直径を有する円上の個所７１において交わるように配置される。
【００８３】
ランス２７の位置は、容器側壁１４とランス２６との間のランス２６の周囲に少なくとも実質的に溶融材料のカーテン７２を形成する目的および酸素ランスの位置との脈絡において選定されること、ならびに容器／ランス２６の異なった配置形状においてこの目的を達成するためには、ランス２７の異なった配置がより適切かもしれないことに留意すべきである。特に、本発明はランス２６が中央に置かれた配置に限定されないことに留意すべきである。
【００８４】
実操業では、鉄鉱石、固体炭素原料（典型的には、石炭）および溶剤（典型的には、石灰とマグネシア）が、搬送ガス（典型的には、Ｎ２）に乗せられて、ランス２７を経て、少なくとも４０ｍ／秒、好ましくは８０〜１００ｍ／秒の速度で溶湯中に装入される。固体材料／搬送ガスの勢いが固体材料とガスを炉床底１２の方に向けて容器中心軸の周囲に位置する領域（符号２４で示される円で囲まれた領域）へ運ぶ。これら領域は、以下の記述において、固体／ガス装入の高濃度な領域２４と称する。石炭は揮発分を失い、それによりガスを生じる。炭素は一部が金属に溶解し、一部が固体炭素として残る。鉄鉱石は金属に製錬され、製錬反応によって一酸化炭素ガスが生じる。溶湯中に運ばれたガス、および、揮発と製錬を経て生じたガスは、溶湯からの溶融材料（金属およびスラグを含む）と固体炭素の大きな浮揚隆起を作り出す。
【００８５】
溶融材料と固体炭素の浮揚隆起は、溶湯内、特に固体／ガス装入の高濃度領域２４の直上外側に強い攪拌を引き起こし、その結果、矢印３０で示される表面を有する膨張溶湯帯域２８が生じる。具体的に言うと、膨張溶湯帯域２８の表面は中央領域９１と容器側壁１３の間に環状隆起部７０を形成する。この攪拌の程度は、膨張溶湯帯域内に溶融材料の大きな動きがあり、そして帯域内を通し、温度変動が３０℃であるといった適度に均一な温度（典型的には、１４５０〜１５５０℃）であるような、溶融材料の強い混合がある程度である。
【００８６】
膨張溶湯帯域２８内の溶融材料の強い混合にもかかわらず、溶融鉄は漸進的に炉床下部の方へ定着して金属高濃度帯を形成し、前炉１９を経て連続的に取り去られる。
【００８７】
膨張溶湯帯域２８と金属高濃度帯２３の間の境界面は、主として固体／ガス装入の高濃度領域２４によって決定される。これら領域からの溶融材料の大きな上向きの動きは、ランス２７を経ての原材料のさらなる連続的供給とすでに溶けた材料の下向きの動きによって埋め合わされる。
【００８８】
加えて、固体／ガス装入の高濃度領域２４からの上向きのガス流はいくらかの溶融材料（主としてスラグ）を飛沫、液滴および流れとして膨張溶湯帯域２８の盛り上り部７０を超えて飛散させ、前記のカーテンを形成する。カーテン７２中の溶融材料は膨張溶湯帯域上方の、側壁１４の上樽部分５１および天井１７に接触する。
【００８９】
広義の観点で言えば、膨張溶湯帯域２８とは、その中にガスによる空隙を持つ液状連続体である。
【００９０】
上述の溶融材料の動きは、膨張溶湯帯域２８の盛り上り部７０と溶融材料のカーテン７２を形成する、固体／ガス装入の高濃度領域からの噴水列と見ることもできる。
【００９１】
実際の操業では前記に加え、温度８００〜１４００℃、速度２００〜８００ｍ／秒の熱風がランス２６を経て容器中央部領域９１へ吹き込まれ、その領域の上向きに飛散する溶融材料をそらせて、実質的に金属、スラグともに存在しない自由空間をランス２６の先端周囲に形成させる。この下向きの熱衝風は、飛散する溶融材料を前記のカーテン７２の形にするのに寄与する。
【００９２】
ランス２７の位置は、ランス出口端３９が工程操業中ずっと金属高濃度帯の上方にあるように選定される。ランス２７のこの位置は、溶融金属との接触による損傷のリスクを減少し、容器中の溶融金属と冷水が接触するといった重大なリスクなしにランスを強制内部水冷で冷却することを可能にする。具体的には、ランス２７の位置は、出口端２８が静止中の金属高濃度帯２３の表面から１５０〜１５００ｍｍ上方にあるように選定される。これに関して、図ではランス２７が容器中に伸長するように示されているが、ランス２７出口端は側壁１４と同じ高さで、同一面で差し支えないことに留意すべきである。
【００９３】
ランス２６を経た熱衝風はランス２６の末端周囲の自由空間内および周りの溶融材料内の反応ガス（一酸化炭素および水素）を後燃焼し、２０００℃以上のオーダーの高温を生む。熱はガス吹き込み領域内の溶融材料へ伝えられ、次に溶融原料経由で金属高濃度帯２３へ伝えられる。
【００９４】
自由空間２９は、それが膨張溶湯帯域２８上方空間の種々のガスをランス２６先端領域へ巻き込むことを可能にし、もってある限りの反応ガスの後燃焼への接触を増すため、高水準の後燃焼の達成にとって重要である。
【００９５】
カーテン７２もまた、後燃焼の火炎から側壁への放射エネルギーに対し部分的な遮蔽を提供することで重要である。
【００９６】
その上、上下動するカーテン７２内の溶融材料の液滴、飛沫および流れは後燃焼で生み出された熱を溶湯に伝達する効果的な方法である。
【００９７】
本発明は図に基づいて説明された細目に決して限定されることなく、多くの修正と変更が本発明の精神および範疇に入るだろうことが理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の製錬法および装置の好適例を模式的に示す縦断面図。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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