(57)【要約】エネルギー効率のよい石炭ベースの方法及び装置であって、環境に優しい反応器（１０）によって、大量の石炭若しくはその他の炭素材料、並びに低コスト微粉（若しくは精鉱）から直接的に金属／炭素製品及び溶融金属が圧力下で製造されて、該溶融金属には脈鉱が含まれず、続いての処理のために顕熱が保持されるという固有の利点を有する方法及び装置。
2004538363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融金属及び溶融スラグを作るべく次に溶融室内で融解される高温の金属／炭素製品を製造するように、装入端部及び排出端部を各々が備えている1以上のチャンバ内で炭素材料を用いて金属酸化物を熱的に処理するための方法であって、
前記金属酸化物及び前記炭素材料を前記の1以上のチャンバの前記装入端部に供給し、且つ前記金属酸化物及び前記炭素材料を前記の1以上のチャンバの前記排出端部に向かって強制するステップと、
前記炭素材料内に含まれるエネルギーの少なくとも一部が利用されるような方法でオキシダントを噴射して、熱エネルギーを放射させて還元性の加圧ガスを生成して、前記金属酸化物を還元させて高温の金属／炭素製品を形成するステップと、
前記の高温の金属／炭素製品を前記の1以上のチャンバから前記溶融室の中に排出するステップと、
前記溶融室内の前記金属／炭素製品を加熱して、加圧された高温の排ガス、溶融金属、及び溶融スラグを生成するステップと、
前記排ガス、前記溶融スラグ、及び前記溶融金属を分離するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項２】
溶融金属及び溶融スラグを作るべく次に溶融室内で融解される高温の金属／炭素製品を製造するように、装入端部及び排出端部を各々が備えている1以上のチャンバ内で炭素材料を用いて金属酸化物を熱的に処理するための方法であって、
前記金属酸化物を前記炭素材料と効果的に反応させるように、周囲に環状部を備えた芯材に形成されるような方法で、前記の1以上のチャンバの前記装入端部に前記金属酸化物及び前記炭素材料を供給し、且つ前記金属酸化物及び前記炭素材料を前記の1以上のチャンバの前記排出端部に向かって強制するステップと、
前記炭素材料内に含まれるエネルギーの少なくとも一部が利用されるような方法でオキシダントを噴射して、熱エネルギーを放射させて還元性の加圧ガスを生成して、前記金属酸化物を還元させて高温の金属／炭素製品を形成するステップと、
前記の高温の金属／炭素製品を前記の1以上のチャンバから前記溶融室の中に排出するステップと、
前記溶融室内の前記金属／炭素製品を加熱して、加圧された高温の排ガス、溶融金属、及び溶融スラグを生成するステップと、
前記排ガス、前記溶融スラグ、及び前記溶融金属を分離するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項３】
オキシダントを噴射する前記ステップは、前記の1以上のチャンバの前記排出端部の中に前記オキシダントを噴射するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
スケール・アップ及び保守が容易になるように、各チャンバが別個のモジュールであるチャンバの集団がバッテリ形式に1つに組立てられていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記溶融室内で前記金属／炭素製品を加熱するステップは、前記溶融室内で前記炭素の少なくとも一部を消費するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
更に、前記方法の前記ステップを平衡状態に保持するように、圧力を制御するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項７】
更に、補助加熱として溶融室に誘導加熱を提供するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記誘導加熱を補助するように、オキシダントを付加するステップを有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記オキシダントは、概ね純粋な酸素であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記オキシダントは、空気を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
前記オキシダントは、酸素が豊富な空気であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
更に、処理される前記材料に向かって熱エネルギーを反射して、放射によって効果的な熱移動を行い、前記金属酸化物の金属／炭素製品への転換が加速されるように、前記の1以上のチャンバの前記排出部の下流に放射加熱ゾーンを提供するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
更に、誘導によって前記チャンバ内の前記材料を付加的に加熱するように、前記チャンバの壁の内部に設けられた送気管を通して高温のガスを通過させることにより前記チャンバを加熱するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
前記金属酸化物の還元を更に加速させるように、その中でガスを燃焼させることによって、前記放射ゾーン内に付加的なエネルギーが導入されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
前記チャンバの前記排出端部で処理される前記材料の新しい面が繰返し提供されるような方法で、前記チャンバ内の前記材料が進められて、且つ前記チャンバから排出されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１６】
更に、前記溶融金属及び前記溶融スラグを貯槽の中に案内するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１７】
更に、液体シールを提供するように、前記溶融金属及び前記溶融スラグを貯槽の中に、液中の状態で案内するステップを有することを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
汚染物の放出を防止するように、環境的に閉じていることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項１９】
前記チャンバは、前記チャンバの前記排出部に向かって広がるテーパされた部分を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２０】
前記金属酸化物は、酸化鉄を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２１】
前記炭素材料は、石炭を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２２】
更に、熱エネルギー放出のために燃焼されるガスの流れと共に、前記溶融金属及び前記溶融スラグを貯槽の中に案内するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２３】
更に、前記溶融室内の溶融金属を均質化するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２４】
更に、前記溶融金属を鉄に均質化するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２５】
更に、前記溶融金属を鋼に均質化するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２６】
ランスを用いて前記オキシダントを噴射するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２７】
複数のランスを用いて前記オキシダントを噴射するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２８】
更に、前記金属酸化物及び前記炭素材料への溶剤材料の付加を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項２９】
更に、前記金属酸化物及び前記炭素材料への脱硫材料の付加を有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３０】
更に、混合物を形成するように、前記金属酸化物の中に前記炭素材料の少なくとも一部を含めるステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３１】
更に、燃料芯材が形成されるような方法で、前記チャンバの中に前記炭素材料を装入するステップを有することを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項３２】
更に、前記チャンバの前記排出端部から前記燃料芯材に向かってオキシダントを方向付けるステップを有することを特徴とする請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記オキシダントが前記燃料芯材に浸透することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
溶融金属及び溶融スラグを作るべく次に溶融室内で融解される高温の金属／炭素製品を製造するように、装入端部及び排出端部を各々が備えている1以上のチャンバ内で炭素材料を用いて金属酸化物を熱的に処理するための方法であって、
前記金属酸化物及び前記炭素材料を前記の1以上のチャンバの前記装入端部に供給し、且つ前記金属酸化物及び前記炭素材料を前記の1以上のチャンバの前記排出端部に向かって強制するステップと、
前記炭素材料内に含まれるエネルギーの少なくとも一部が利用されるような方法でオキシダントを噴射して、熱エネルギーを放射させて還元性の加圧ガスを生成して、前記金属酸化物を還元させて高温の金属／炭素製品を形成するステップと、
前記の高温の金属／炭素製品を前記の1以上のチャンバから容器の中に排出するステップと、
前記の金属／炭素製品を前記容器から溶融室の中に排出し、前記溶融室内の前記金属／炭素製品を加熱して、加圧された高温の排ガス、溶融金属、及び溶融スラグを生成するステップと、
前記排ガス、前記溶融スラグ、及び前記溶融金属を分離するステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項３５】
前記容器は、前記加熱を保持して、且つ前記金属／炭素製品の再酸化を防止するのに役立つことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
更に、前記製品を大気に露出させる前に、前記金属／炭素製品を前記容器内で冷却するステップを有することをことを特徴とする請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記金属／炭素製品は、前記容器内に排出される前にブリケッティングされることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
前記のブリケッティングされた金属／炭素製品は、前記製品が大気に露出される前に冷却されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
1以上のチャンバ内で金属酸化物及び炭素材料を熱的に処理するための装置であって、
装入端部及び排出端部を備えている加熱チャンバを含む反応器と、
前記金属酸化物及び前記炭素材料を前記チャンバの前記装入端部の中に供給して、且つ前記金属酸化物及び前記炭素材料を前記チャンバの前記排出端部に向かって強制するための供給装置と、
前記炭素材料の温度を上昇させて、前記金属酸化物と反応を生じさせて、前記金属／炭素製品が形成されるように、オキシダントを噴射できるように適合されたオキシダント噴射手段と、
前記チャンバから前記金属／炭素製品を受取るように適合されている、前記チャンバの前記排出端部と連通している溶融室であって、加圧された高温の排ガス、溶融金属、及び溶融スラグを製造するように、前記金属／炭素製品を加熱できるように適合されている溶融室と、
前記排ガス、前記溶融スラグ、及び前記溶融金属を分離するための手段とを有することを特徴とする装置。
【請求項４０】
更に、前記溶融室から溶融金属及び溶融スラグを受取るための貯槽を有することを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
更に、前記溶融室から溶融金属及び溶融スラグを液中で受取るための貯槽を有することを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記貯槽は、前記溶融スラグから前記溶融金属を分離して引出すように適合されていることを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
前記チャンバは、前記チャンバの前記排出端部に向かって熱エネルギーを放射するように適合されている放射ゾーンを含むことを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４４】
更に、システムの圧力を平衡にするように適合されている圧力平衡手段を有することを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４５】
前記オキシダント噴射手段は、選択的に前進若しくは後退ができるように適合されていることを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４６】
更に、前記溶融室と機能的に接続されているオキシダント噴射手段を有することを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４７】
更に、前記溶融室と機能的に接続されている誘導加熱手段を有することを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４８】
更に、前記溶融室に補助加熱を供給するための手段を有することを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項４９】
前記溶融室に補助加熱を供給するための前記手段は、誘導加熱手段を有することを特徴とする請求項４８に記載の装置。
【請求項５０】
前記溶融室に補助加熱を供給するための前記手段は、オキシダント噴射手段を有することを特徴とする請求項４８に記載の装置。
【請求項５１】
更に、燃料及びオキシダントを噴射するための配合オキシダント噴射手段を有することを特徴とする請求項３９に記載の装置。
【請求項５２】
前記燃料は、ガスであることを特徴とする請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記燃料は、微粉炭であることを特徴とする請求項５１に記載の装置。
【請求項５４】
1以上のチャンバ内で金属酸化物及び炭素材料を熱的に処理するための装置であって、
装入端部及び排出端部を備えている加熱チャンバを含む反応器と、
前記金属酸化物及び前記炭素材料を、周囲に環状部を備えた芯材として前記チャンバの前記装入端部の中に供給して、且つ前記金属酸化物及び前記炭素材料を前記チャンバの前記排出端部に向かって強制するための供給装置と、
前記炭素材料の温度を上昇させて、前記金属酸化物と反応を生じさせて、前記金属／炭素製品が形成されるように、オキシダントを噴射できるように適合されたオキシダント噴射手段と、
前記チャンバから前記金属／炭素製品を受取るように適合されている、前記チャンバの前記排出端部と連通している溶融室であって、加圧された高温の排ガス、溶融金属、及び溶融スラグを製造するように、前記金属／炭素製品を加熱できるように適合されている溶融室と、
前記排ガス、前記溶融スラグ、及び前記溶融金属を分離するための手段とを有することを特徴とする装置。
【請求項５５】
更に、周囲が前記金属酸化物である前記芯材を、前記炭素材料から形成するための手段を有することを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
更に、前記オキシダントを前記芯材に方向付けるように適合されているオキシダント噴射手段を有することを特徴とする請求項５４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素材料を利用した金属酸化物からの金属精製に関するものであり、1999年2月1日に提出され、Art Unit 1742に指定された係属中の特許文献１に含まれる開示内容を向上させたものである。特に、この発明には、原材料の供給、その加熱、及びそれら原材料を互いに反応させることに関する前記の特許文献１に開示されている材料の更なる改良点が取入れられている。更に、本明細書には、溶融作業及びスラッギング作業に関して付加的な改良点が開示されており、それにより、環境に優しく、且つ金属製造に関して価格競争力を有する、それらの作業を実行するための効果的な統合されたプロセス及び装置が提供される。
【背景技術】
【０００２】
金属原材料を鉄製品若しくは非鉄製品に処理するための現存の方法が、非効率的であり、汚染行為であり、且つ資金調達、作業、及び調整に非常に費用がかかることは公知である。更に、非常に高い温度に曝されることや、有害な粉塵及び汚染ガスの吸入が原因で、これらの業界の作業者に健康面で被害を与えてしてしまう等の問題が存在している。
【０００３】
本明細書で開示されている方法及び装置は、粉塵、廃棄物、及びリバート（revert）を含んでいる鉄、アルミニウム、銅等の種々の金属鉱石の処理に対する適用性を有している。鉄鉱石は、冶金の分野で支配的な材料であり、一例として、本出願の開示では、溶融鉄を生成するべくオキシダントを用いて「酸素融解（oxymelting）」と呼ばれる融解処理がなされる鉄／炭素製品を製造するための、石炭等の炭質材料を用いた「炭素処理（carbotreat）」と呼ばれる鉄鉱石の処理に焦点が当てられている。
【０００４】
【特許文献１】
特許出願第09/241,649号
【発明の開示】
【発明の効果】
【０００５】
本開示の主な目的は、エネルギー効率がよくて温暖化ガスを減少させる方法及び装置を提供することである。
【０００６】
本発明の別の目的は、環境的に閉じており、環境保護局及び一般市民を含む種々の団体によって許容されること、及び受入れられることが容易化され得る方法及び装置を提供することである。
【０００７】
本発明の更に別の目的は、低コストの製品を製造して、産業界が競争の激しい世界市場で生き残ることを可能にするために、同じことを実行するのに機能的に効率のよい方法及び装置を提供することである。
【０００８】
本発明の更に別の目的は、設備への融資が容易化され、且つ雇用が創出されるように、必要となる設備投資が安価である方法及び装置を提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、作業条件の危険性と、健康に関わる長期間の有害な影響との両方の観点において、雇用者に有害でない方法及び装置を提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、以下の説明及び付随の請求項から明らかになるであろう。金属ユニットを製造するこの方法を実行するための所定の装置の構造と、それらの装置が、鉄が、直接還元鉄、ホット・ブリケット・アイアン、鉄／炭素製品、及び溶融鉄の形態にされるのにどのように関係しているかとが図示されている付随の図面も参照されたい。この溶融鉄はその後に、直接的に鋼鉄に変換されてもよいし、冷却されて、加工設備に固形物として輸送される銑鉄に鋳造若しくはキャストされてもよい。ここで開示される方法及び装置は、鉄を有する材料の加工にのみ制限されるものではないことを理解されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の詳細を説明する前に、本発明が、付随の図面に図示されている配置若しくは詳細な記述に制限されるものではなく、別の実施例を用いて実施することも可能であることを理解されたい。同様に、本明細書に含まれる専門用語は、説明を目的としたものであり、制限を目的としたものでないことも理解されたい。
【００１２】
図１を参照すると、鉄／炭素製品を製造するために、石炭を用いて鉄鉱石の処理（この処理は、以下で「炭素処理（carbontreating）」と呼ぶ）が行われる反応器が数１０で示されている。溶融金属及びスラグを作るように、オキシダントを用いて鉄／炭素製品の融解（以下で「酸素融解（oxymelting）」と呼ぶ）が行われる溶融室／ホモジナイザが、数１１によって示されている。数１２で示される直立管が、溶融室／ホモジナイザ１１に接続されている。溶融金属及びスラグを受取るように、数１３で示される金属貯槽が設けられている。図４を参照すると、原材料を収容するための貯蔵システムが数１４で示されており、該システムは、例えば、鉱石、石炭、及び溶剤等の供給材料を各々貯蔵するためのホッパ５８、５９、及び６０を有している。数６１で示される原材料ミキサは、上側弁８４及び下側供給調整部６２を備えているロック・ホッパ３６に前記の原材料が搬送される際に、それらを混合するように機能する。
【００１３】
本方法を実行し得る構造をより詳しく説明するために、再度、図１を参照すると、反応器１０は、該反応器１０の装入端部にラム１６を備えた、数１５で示される押込装置を有している。この押込装置１５は、ホッパ３６から落下した混合供給材料をキャビティ１７の中に押込むように機能する。押込装置１５によって作動されたラム１６は、供給材料を加圧して、長手方向に沿ってテーパされている処理チャンバ２８の内部に該材料を進める。処理チャンバ２８は、キャビティ１７に接続されており、圧力シェル２６、絶縁材２７、及び壁加熱素子２５でできている。バーナ１９が、入口ポート２９を介して加熱素子２５と通じている。加熱素子２５には、図２において数５３で示される通路が設けられている。通路は、入口２９を通してバーナ１９からの高温のガスを方向付ける導管として機能し、それにより、高温のガスは、処理チャンバ２８の長手方向に沿って、該通路（送気管）５３を通って流れて、出口３０を介してそのチャンバから退出する。チャンバ２８の排出端部２０は、エルボ２１に取付けられる。エルボ２１は、絶縁材で支持される反射壁２３を備え、且つ圧縮ケーシングの内部に収容されるように設計されており、それにより、排出端部２０で炭素処理がなされる材料に対して強い熱エネルギーを反射するように放射ゾーンを形成する。数２２で示されている第1ランス（若しくは複数のランス）が、エルボ２１の中に取付けられており、進んでくる材料に向かって前進若しくは後退できるように適合されている。制御部２４は、空気／酸素及び冷却材によってランス２２が作動するように制御するべく機能する。更に、ランス２２には、始動の目的で燃料が含まれてもよい。
【００１４】
反応器１０は、還元材料（鉄／炭素製品）をチャンバ２８から、シェル８５、ライニング８６、上部８７及び下部８８を有する溶融室／ホモジナイザ１１に方向付ける移行部分３２によって溶融室／ホモジナイザ１１と連通している。数３４で示される第2ランスは、空気若しくは酸素（若しくはその2つを配合したもの）の形態でオキシダントを提供するように機能し、それにより、鉄／炭素製品内の炭素をプロセス中で生成されたガスと反応させて、溶融鉄４２と溶融鉄４２の上部に浮遊する溶融スラグ４３とが産出されるように、鉄／炭素製品中の還元鉄を融解するのに必要な熱を供給する。冷却状態に保持されるランス３４は、そのレベルを溶融室／ホモジナイザ１１の内部で作業する高さに調整するように、ホイスト３９を用いて上昇及び下降がなされる。溶融室／ホモジナイザ１１の下部に配置されているドレイン／ポート３１は、直立管１２と接続されている。ドレイン／ポート３１を通って、ガス、溶融鉄、及び溶融スラグが流れる。数４７で示される排ガス排出部が直立管１２に設けられており、それにより、制御目的で、ガスの副流が転換されて、収集用本管３７を介してサイクロン４６に方向付けられる。大量のガス流が鉄及びスラグと共に流れる際に、溶融鉄及び溶融スラグが共に、貯槽１３の中に落とし込まれる。排出部４７と連通しているサイクロン４６によって、排ガスから粒子物質が除去される。サイクロン４６の底部には、サージ・ホッパ４０が備え付けられており、そこからロック・ホッパ４１、制御弁４４及び４５、ロック＆アンロック・ロック・ホッパ４１の中に送込まれることにより、粒子物質が排出されて、大箱３３中に収集されて、その物質を反応器１０の中に装入することで再利用される。圧力制御装置５０は、溶融室／ホモジナイザ１１及び反応器１０及び直立管１２の背圧を制御するサイクロン４６の下流に配置される。又、当技術分野で公知の更なるガス処理（図示せず）が容易化されるように、副流はダクト４９を介してシステムから退出する。
【００１５】
溶融室／ホモジナイザ１１の底部８８は、円錐状に構成されており、ドレイン／ポート３１が直立管１２と接続されており、更に、直立管１２は、液中にあるように金属貯槽１３に接続されている。溶融金属及び溶融スラグが溶融室／ホモジナイザ１１を出ても凝固しないことを保証するように、補助的な熱を提供するための誘導加熱コイル手段３５が設けられている。そのような凝固が生じる場合、特に、溶融室／ホモジナイザの運転が停止した場合、誘導加熱手段３５には、凝固した鉄及びスラグを融解するように電圧が印加される。直立管１２のライニングは、誘導加熱手段３５が結合され得る材料でできている。金属貯槽１３は、ローラ・セクション・ベッド９３に関して回転するように適合されているライニングされたチャンバで構成されており、それにより、溶融鉄４２がタップ・ホール５５を介して取鍋５１の中に注がれて、且つスラグ４３が注ぎ口５４を介してポット５２の中に注がれる。
【００１６】
図３を参照すると、チャンバ２８の長手軸方向に沿った加熱素子２５が除去されている修正された構成が数１０で示されている。この構成では、熱の投入は、ベッド２８の中に突き通されるように適合されたランス２２を介して、点火後にオキシダントを用いて行われる。ランス２２には、複数の方向にオキシダントを噴射するための多方向ノズルを有し得る噴射先端部が設けられている。装入された石炭から生じるガス、及び混合された石炭及びコークスを燃焼させるように、ランス２２に補助オキシダント開口部９２が設けられている。加熱チャンバ２８は、一部が数１１７で示されるように金属であり、且つ一部が数２７で示されるように耐火材である複合構造で作られていてよい。
【００１７】
再度、図４を参照すると、数１０４で示されるバッテリ１０４を形成するように、反応器１０等の複数の反応器が並行して取付けられている構成になっており、この反応器１０によって、共通の溶融室／ホモジナイザ１１の中に鉄／炭素製品が排出される。地面に配置されている反応器１０は予備として機能する。クレーン６３が、サービス・バッテリ１０４に付加されてもよい。
【００１８】
図５では、本発明は、敷地外で融解され得る鉄／炭素製品若しくは直接還元鉄（DRI）を製造するように構成されている。反応器１０は、下流サージ・ホッパ６４を備えており、更に冷却器６５が続いている。冷却器６５は、冷却スクリュー式供給機を含む複数の公知の手法のうちの1つを取り得る。この冷却器によって、冷却されたDRI若しくは鉄／炭素製品がサージ・ホッパ６６の中に供給される。サージ・ホッパ６６の下にあるのが、ロック・ホッパ６７であり、弁６８及び６９を用いて、製品のDRI若しくは鉄／炭素製品を密封された方法で大気中に、且つコンベヤ７０上に排出することを可能にする。図６に図示されており、且つ以下で説明されるサイクロン９５と類似のサイクロンが、同伴の粒子物質の分離に用いられてもよい。
【００１９】
図６を参照すると、数１０が反応器であり、数２１がエルボーである。エルボー２１の下に、数９４で示される移行部分が設けられており、その移行部分を通して、炭素処理をされた材料が、炭素処理された材料からブリケットを形成するように適合されているホット・ブリケッタ７１の上に降下管７３経由で排出される。数７２で示されるスクリュー式供給機は、ブリケッタの中への供給を制御するようにブリケッタ７１の上流に配置されている。ブリケッタ７１の下に、ロック・ホッパ７４が後に続くサージ・ホッパ７４が設けられており、それにより、形成されたブリケットが大気中に、且つコンベヤ７０上に排出される。弁７６及び７７は、ロック・ホッパ７５をロック及びアンロックするように機能する。
【００２０】
高温ガスがサイクロン９５を通過して、ガスから粒子物質が除去されるように、移行部分９４に隣接して、パイプ７８を用いてサイクロン９５が取付けられている。カスケーディング・バッフル８９等の衝撃面を備えている移行部分９４によって、高温の炭素処理された材料は離散されて、過剰な粒子材料が放出される。排ガス中に同伴して残存するそのような物質は、サイクロン９５内で分離される。サイクロン９５は圧力制御手段９８を備えており、サージ・ホッパ９６はロック・ホッパ９７が後に続いている。ガスから除去された再利用される（図示せず）粒子物質を受取るように、収集用大箱７９が、ロック・ホッパ９７の下に配置される。
【００２１】
図７を参照すると、鉄／炭素製品を収容するように、数１１８で示される箱が、ロック・ホッパ７５の下に提供されてもよく、又、更なる処理のためにリフト・トラック等の公知の手段のうちの任意の1つを用いて輸送されてもよい。高温の製品を受取って、熱エネルギーの保持、及び製品の再酸化の防止が可能であるように、箱１１８は断熱がなされる方法で設計されている。
【００２２】
次に、金属鉱石で囲まれている芯材として炭素材料を供給するための構成を説明するために、図８を参照されたい。炭素材料（燃料）を収容するためのホッパ８１と、鉱石を収容するためのホッパ８２とを有する、材料貯蔵配置８０が提供されている。供給機１０１及び１０２によって、ホッパ８１及び８２からの各々、燃料及び鉱石の流れが制御される。弁１０３及び１０５は、ロック・ホッパ８１のために機能し、弁１０４及び１０６は、ロック・ホッパ８２のために機能する。装入管８３は、材料貯蔵室８０の底部に設けられており、一方の側には、装入装置９０が配置されており、他方の側には、反応器１０が配置されている。装入装置９０は、押込ラム９９及び押込プランジャ１００で構成されており、ラム９９は、シリンダ１０７等のアクチュエータ手段によって前進及び後退されて、押込プランジャ１００は、シリンダ１０８等のアクチュエータ手段によって前進及び後退されて、それにより、ラム９９若しくはプランジャ１００のいずれに対しても独立的な運動が提供されており、プランジャ１００は、環状構成であるラム９９の内部に収納されており、更に、ラム９９は、装入管８３の内部に収納されている。ラム９９は、装入孔１０９を横切っており、それにより、プランジャ１００が後退位置になっている場合に、キャビティの中に燃料が落下する。以下の、芯材を形成するための動作の詳述の際に、図８−１乃至図８−６を用いて更なる説明が開示される。
【００２３】
（動作の詳述）
本明細書で開示されている方法及び動作の説明において、その内容は、以下のようになっている。
【００２４】
（i）鉱石及び石炭を供給するモード、及び鉱石を炭素処理して金属／炭素製品を生産するためにそのような材料を加熱するモード
（ii）溶融金属を生産するために、酸素融解を介して金属／炭素製品を融解する
装入された金属酸化物（鉱石）の中に燃料芯材が形成される炭素処理に関して、図８、一連の図８−１乃至図８−６、及び図９を参照されたい。図８−１では、ラム９９及びプランジャ１００が共に前進位置にあり、燃料芯材が数１１０で示されており、それを囲んでいる酸化物が数１１１で示されている。プランジャ１００が、シリンダ１０８によって図８−２で示される位置に後退されるのに対して、ラム９９は、前進位置に残されている。数１１２で示される所定量の燃料（石炭）が装入孔１０９を介してキャビティ１１３の中に落とされる。次に、図８−３に示されているように、前回のサイクルの際に装入及び圧縮がなされた燃料芯材に向かってプランジャ１００が途中まで前進される。次に、プランジャ１００を前進位置の途中で一時停止させたまま、シリンダ１０７のフル・ストロークを用いてラム９９が後退される。図８−４で示されているように、空洞がプランジャ１００の周囲にできており、所定量の酸化物１１４が、この空洞１１５の中に落とされる。このステップに続いて、ラム９９及びプランジャ１００が同時に進められる。最初に、図８−５において数１１６で示されるように、疎らな材料の圧縮が開始される。ラム９９及びプランジャ１００が前進するにつれて、酸化物の内部に芯材が形成されつつ、且つ酸化物が燃料心材を全体的に囲みつつ、燃料及び酸化物が完全に圧縮されていく。図８に示されるように、圧縮後もラム９９及びプランジャ１００の両方のストロークは前進が続けられて、反応器１０全内容物が移動されて、それにより、高温金属／炭素製品が反応器１０の排出端から排出される。そのような製品の排出は、ラム９９及びプランジャ１００が前進位置に達するフル・ストロークになった時点で停止される。ラム９９及びプランジャ１００のストロークの終わりには、図８−６で示されるラムとプランジャとの関係は、図８−１に示されるものと同じになっている。この時点で、サイクルが完了する。燃料心材１１０の形成が周期的に進行されて、それにより、図９に断面が示されている、酸化物１１１で囲まれた芯材１１０が提供される。従って、この繰返しサイクルによって、反応器１０のチャンバ２８の長手方向に沿って、酸化物で囲まれた燃料芯材が提供される。
【００２５】
図１、図３、及び図４に関連した炭素処理の動作は以下のとおりである。
【００２６】
この方法において、既に、定常状態且つ定圧になっており、材料排出システム１４内に収容されている鉱石（好適には、微細で濃縮された形態になっている）、石炭、及び溶剤が、適切に混合されて、ホッパ３６を介して処理チャンバ２８内の空洞１７の中に供給されているものと仮定する。次に、反応器１０の装入端に濃密表示（数１１８）で示されているように、概ね不浸透性になる程度にまでその混合物を圧縮するように、ラム１６が押込装置１５によって作動される。混合物は、反応器１０のチャンバ２８内を進むにつれて、以下の加熱方法、即ち、放射、誘導、対流、若しくはこれらのシステムを任意に組合わせた方法のいずれかによって加熱されて、それにより、石炭からのガスの放出が生じ、且つこのガスが、混合物の不浸透性によってチャンバ２８内を排出端２０に向かって流れるように強制される。これらのガスの一部は、排出端で燃焼されて、高い放射ゾーンを提供する。このゾーンによって、混合物に強い熱エネルギーが反射されて、混合物は、鉱石中の酸素が石炭から遊離された非常に還元性の強いガス、及び／又は石炭からの残留炭素と反応を生じる温度に加熱されて、それにより、鉱石が溶融鉄に還元される。混合物への熱移動を向上させるように、ランス２２等のランスが設けられている。このランスは、チャンバ２８内の材料の混合物が前進する際に、空気、酸素、若しくはその両方を組合わせた形態のオキシダントをその混合物中に噴射するように適合されている。更に、冷却材を用いて冷却状態に保持されているこれらのランスは、最適な熱移動のために前進及び後退できるように適合されている。オキシダント・ランスの噴射の変形実施例は、燃焼後に混合物中への熱移動を更に向上させるように、オキシダントの補助的噴射を伴っており、図１及び図３に示されるように、混合物自体の中に侵入する形態をとっていてもよい。チャンバ２８の壁を通して伝導熱が供給されない場合には、一度、石炭中の石炭ガス及び炭素の燃焼が安定状態になってしまえば、ランスからの燃料投入が停止されて、石炭及びそのガスによって反応を保持するための熱エネルギーが提供されて、それにより、溶融室／ホモジナイザ１１の中に排出される鉄／炭素製品が製造されるという条件で、ランス２２は、燃焼を開始するための酸素−燃料（石炭、ガス、若しくは油）バーナの形態であってよい。代替的な配置として、鉱石上に微粉炭が噴射される等のランス２２を通して燃料が供給される配置が用いられてもよいし、若しくは本明細書で説明されている配置、及び当技術分野で公知であるその他の配置を組合わせたものが用いられてもよい。
【００２７】
この方法により製造された鉄／炭素製品は、鉄鉱石の容積密度と比較した場合に、特に、溶融金属と比較した場合に、非常に軽量であり、更に、反応器１０から排出されるので、鉄／炭素製品の大きさが多種多様であり、不均一である。そのような製品が溶融金属及びスラグを含む溶融室の中に排出されると、鉄／炭素製品はスラグ及び溶融金属の上部に浮遊する傾向を有し、この鉄／炭素製品を容易に溶液にすることができないので、生産の遅延及びエネルギー損失が生じてしまう。このために、溶融鉄及び溶融スラグが形成された際にそれらを排出することが可能な溶融室／ホモジナイザ１１の形態で、溶融金属及び溶融スラグの槽のないホモジナイザとしても機能する溶融室が提供される。
【００２８】
次に、図１を参照して、金属／炭素製品の酸素融解を説明していく。溶融室／ホモジナイザ１１の内部で、降下管３２を介して反応器１０から供給される高温の鉄／炭素製品を融解するように、ランス３４によってオキシダントが提供される。このオキシダントが炭素処理ステップで生じた炭素及びガスと反応して、鉄／炭素製品の中の鉄、酸化鉄の一部の脈石、石炭の灰、及び添加剤として用いられる溶剤／脱硫材料を融解させる強いエネルギーを放出し、それにより溶融鉄及び溶融スラグが生じる。この組合わせが、生成された種々の高温加圧ガスと共に、ドレイン／ポート３１を介して溶融室／ホモジナイザ１１を連続的に出て行く。ドレイン／ポート３１を通って流れるそのようなガスによって、先端部が貯槽１３の内部の溶融金属の液中に沈められている直立管１２を利用した、溶融室／ホモジナイザ１１から貯槽１３の中への溶融鉄及びスラグの流れが保持される。先端部が液中に沈められていることによって、システム内の圧力を保持する液体シールが提供されている。
【００２９】
制御弁５０を用いて、反応器１０、溶融室／ホモジナイザ１１、及び直立管１２内の背圧の平衡状態が保たれる一方で、反応器１０内の炭素処理の際に生成されたガス、及び溶融室／ホモジナイザ１１内で酸素融解されたガスが、溶融金属及び溶融スラグと共に貯槽１３に案内されて、そのようなガスは浴槽で泡立てられて、ノズル１１９を通したオキシダントの噴射によって、付加的なエネルギーが放出されるように燃焼される。図示はされていないが、当技術分野で公知の処理を行うために、この排ガスはフード１２０内に収集される。そのようなガス中に同伴している金属粉塵、炭素、及び灰は、洗浄装置として機能する浴槽のおかげで浴槽内に残存し、それにより、溶融金属の収率が増大される。本管３７を通って流れる前記ガスの副流は、弁５０を用いた圧力制御に用いられて、処理を行うために排出部４７を介してサイクロン４６に方向付けられる。サイクロン４６内で分離された粒子材料は、供給材料と、必要に応じて、誘導加熱部３５によって直立管１２内に保持されている補助熱とを用いて再利用される。反応器１０の内部での作業及びの溶融室／ホモジナイザ１１の内部での作業は、石炭から生じる硫黄を除去するために効率的な脱硫化条件を提供するのと同時に、鉄の再酸化の防止、及びNOx及びCO2の生成の最小化のために、意図的に還元性に保持されている。
【００３０】
非鉄材料に対して本発明を適用する場合、開示されている内容の変形が生じ得るが、しかしながら、本発明がこの開示内容の精神から外れるものではない。概して言えば、本明細書により提示されているのは、本発明によって、安価な原材料を利用可能で、エネルギー効率がよく、環境に優しく、且つ必要な設備投資が低く抑えられる、従来式の実行方法／冶金を上回る重要な改良が提供されるということである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図1は、溶融金属を作るべく次に溶融がなされる金属／炭素製品の製造方法を実行するのに用いられる装置を図示したものである。
【図２】図２は、その内部で炭素処理が生じる、図１に図示されている反応器の２−２線での断面図である。
【図３】図３は、図１に図示されている反応器チャンバの変形実施例である。
【図４】図４は、図１の端面図であり、単一の溶融室／ホモジナイザの中への排出を行う複数の反応器が図示されている。
【図５】図５は、直接還元鉄ユニットを製造し、且つそのようなユニットを大気中への排出前に冷却するための配置である。
【図６】図６は、大気中への排出前にブリケッティングがなされる鉄ユニットを製造するための更に別の配置である。
【図７】図７は、エネルギー保存及び再酸化防止のために絶縁及びシールがされている容器中への熱還元された金属ユニットの排出が図示されている。
【図８】図８は、システムへの材料の供給を図示したものであり、図８−１乃至図８−６の一連のステップによって供給が行われる。
【図８−１】図８−１は、燃料の芯材が生成されており、且つ還元される鉱石によってそのような芯材が取り囲まれている、供給達成のための装置の配置が図示されたものである。
【図８−２】図８−２は、燃料の芯材が生成されており、且つ還元される鉱石によってそのような芯材が取り囲まれている、供給達成のための装置の配置が図示されたものである。
【図８−３】図８−３は、燃料の芯材が生成されており、且つ還元される鉱石によってそのような芯材が取り囲まれている、供給達成のための装置の配置が図示されたものである。
【図８−４】図８−４は、燃料の芯材が生成されており、且つ還元される鉱石によってそのような芯材が取り囲まれている、供給達成のための装置の配置が図示されたものである。
【図８−５】図８−５は、燃料の芯材が生成されており、且つ還元される鉱石によってそのような芯材が取り囲まれている、供給達成のための装置の配置が図示されたものである。
【図８−６】図８−６は、燃料の芯材が生成されており、且つ還元される鉱石によってそのような芯材が取り囲まれている、供給達成のための装置の配置が図示されたものである。
【図９】図９は、図８の９−９での断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図８−３】
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【図８−４】
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【図８−５】
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【図８−６】
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【図９】
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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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