JP2001506315A - 金属酸化物団塊の直接還元 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 金属酸化物から金属および合金を製造する方法が開示される。この方法は、（ａ）金属酸化物および固体炭素質材料から形成された複合団塊床を通して高温ガスを流し、複合団塊の金属酸化物を還元して金属となし且つその金属を溶融する段階、および（ｂ）溶融金属を複合団塊から集める段階を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 金属酸化物団塊の直接還元 本発明は、広義の概念で言えば、金属酸化物から金属および合金を製造する方 法に関する。 「金属酸化物」という用語は、限定的ではないが、本明細書おいて、鉱石およ び部分的に還元された鉱石中の金属酸化物を含むものと理解される。 本発明は鉱石および（または）（and／orの意味である）部分還元された鉱石 の形態の酸化鉄から金属鉄を製造する方法に特に関する。 本発明の目的は、従来方法および装置に代る金属および合金の製造方法および 装置を提供することである。 本発明によれば、金属酸化物から金属および合金を製造する方法であって、 （ａ）金属酸化物および固体炭素質材料から形成された複合団塊床（ベッド） を通して高温ガスを流し、複合団塊の金属酸化物を還元して金属となし 且つその金属を溶融する、および （ｂ）溶融金属を複合団塊から集める、 ことを含む金属および合金の製造方法が提供される。 本発明は、金属酸化物（例えば酸化鉄）および炭素質材料（例えば石炭）から 成る複合団塊と、任意にフラックスおよび結合剤とが、適当な構造特性（例えば 気孔性および強度）、および組成、すなわち、 （ｉ） それらの塊を団塊床に形成することを可能にする、また （ｉｉ）団塊中の金属酸化物を還元して金属となし、且つ高温ガスの存在する 中でその金属を溶融するための有効な媒体となる、 ような組成を有して、製造できるということの実現を基本とする。 ペレットの形態をした酸化鉄を還元して金属鉄にするが、溶融鉄が形成される ことを回避する条件のもとで運転される、例えばミドレックス・スチール・コー ポレーション社のファストメット処理（FASTMET process）のような酸化鉄を還 元する団塊を基本とした周知の処理とは異なり、本発明の処理は団塊から溶融 金属を製造する条件のもとで意図して運転される。 「高温」という用語は、金属酸化物を還元して形成された金属の融点より高い 温度を意味すると理解される。 いずれの与えられた状況においても、最低限の高温は処理される特定金属酸化 物に応じて定められることが容易に認識できる。例えば、酸化鉄の場合には、最 低高温は１２５０／１３００℃程度である。 ガスはある程度の還元能力を有することが好ましい。 ガスは適当な組成であってよい。 ガスは部分的にＣＯおよびＨ₂を含むのが好ましい。 ガスは溶融浴を基本とした製錬装置で発生された廃ガスであるのが特に好まし い。 これに関して本発明は、団塊床が、溶融浴を基本とした製錬装置から放出され た顕熱を使用し、また製錬装置で発生された廃ガス中に残留する塵／溶融材料を ろ過する有効手段であるということの実現を基本とする。 この方法は団塊床から放出されたガスの少なくとも一部を製錬装置へ送ること を包含するのが好ましい。 １実施例において、この方法は、還元ガスおよび酸素含有ガスを製錬装置にお ける溶融浴の表面より上のガス空間内へ噴射し、還元ガスの一部を燃焼させて溶 融浴を溶融状態に保持するための熱を発生させるようにすることを包含するのが 好ましい。 他の実施例において、この方法は、金属酸化物および固体炭素質材料を製錬装 置における溶融浴中に投入し、その金属酸化物を還元して金属となした後、その 金属を溶融することを包含するのが好ましい。 この実施例において、この方法は、酸素含有ガスを製錬装置における溶融浴の 表面より上のガス空間に噴射し、ガス空間中の可燃材料の一部を燃焼させるよう にすることを包含するのが特に好ましい。 この方法は、溶融金属および（または）スラグの飛沫および（または）粒滴を 溶融浴から上のガス空間へ放出させるようにして遷移帯域を形成し、この遷移帯 域において、ガス空間中で還元ガスが燃焼して発生した熱が、溶融金属および （または）スラグの飛沫および（または）粒滴に伝達され、その後それらの溶融 金属および（または）スラグの飛沫および（または）粒滴が落下して溶融浴へ再 び戻ったときに溶融浴へ伝達されるようにすることが好ましい。 遷移帯域は、キャリヤガスおよび金属酸化物および（または）炭素質材料が溶 融浴に進入して溶融金属および（または）スラグの飛沫および（または）粒滴を 上方へ噴出飛散させるように、キャリヤガスおよび金属酸化物および（または） 炭素質材料を溶融浴へ投入することで形成されるのが特に好ましい。 酸素含有ガスは空気であるのが好ましい。 その空気は加熱されているのが特に好ましい。 団塊床は、 （ｉ） 団塊床を支持し、 （ｉｉ） 自体をガスが透過して団塊に接触させ、 （ｉｉｉ） 溶融金属を団塊床から排出して収集させる、 ような構造体上に配置されるのが好ましい。 この構造体は団塊床を支持するために水冷格子を含むのが好ましい。 この構造体は格子上に支持媒体層をさらに含むのが好ましい。 支持媒体はセラミックまたは耐火材料のような適当な材料であってよい。 団塊はいずれの適当な形状にすることもできる。 団塊はペレットまたはブリケット（固めた粒塊）の形態とされるのが好ましい 。 団塊は１０〜２５ｍｍの範囲の粒径を有するペレットとされるのが特に好まし い。 団塊は微粉状の金属酸化物および炭素質材料から形成されるのが好ましい。 団塊はいずれの適当な手段によって形成されることもできる。 金属酸化物はいずれの適当な金属酸化物とされることもできる。 金属酸化物は酸化鉄であるのが好ましい。 炭素質材料は石炭またはコークスのようないずれの適当な固体炭素質材料とさ れることもできる。 炭素質材料は軟質粘結炭であるのが好ましい。 団塊は、金属酸化物および炭素質材料中の不純物と結合して、溶融金属を覆っ て金属の酸化を抑制する溶融スラグを形成するためのフラックスをさらに含むこ とが好ましい。 このフラックスは石灰／石灰石のような適当な材料であればよい。 団塊をなす成分の相対比率は必要とされるように選定することができる。 １例として、金属酸化物、炭素質材料、およびフラックスの比率は、重量比で それぞれ５５％、３５％、および１０％であるのが好ましい。 団塊はさらに結合剤を含むのが好ましい。 結合剤はベントナイトのようないずれかの適当な材料とすることができる。 この方法は、団塊床に団塊を連続的または周期的に補充して、この方法におい て消費された団塊に代えることを含むのが好ましい。 この方法は、団塊を団塊床に補充する前にそれらの団塊を予熱することを含む のが好ましい。 この方法は、予め定められた団塊床の厚さを維持するために、団塊床に補充す る団塊を調整することを含むのが好ましい。 与えられたいずれの状況においても、必要とされる団塊床の厚さは、限定する わけではないが団塊の構造的特性、およびガスの例えば温度のような特性を含め た因子の範囲によって決る。 本発明によれば、金属酸化物から金属および合金を製造する装置であって、 （ａ） ｉ） 溶融金属の浴を保持するための下側部分、 ｉｉ） 容器にガスを導入するための入口、 ｉｉｉ） 容器からガスを排出するための出口、 ｉｖ） 入口より上方の容器内部に団塊床を支持する構造体であっ て、出口へ流れるガスが団塊床を通って流れることができ るように、また塊内部の酸化物を金属となすための還元に よって生じた溶融金属が団塊床から溶融浴へ排出できるよ うに形成されている構造体、 を有する金属容器、 （ｂ）該金属容器にガスを供給する手段、および （ｃ）団塊床に団塊を供給する手段、 を含む金属酸化物から金属および合金を製造する装置が提供される。 幾分かの還元能力をガスが有するのが好ましい。 この容器は溶融金属を排出するための出口をさらに含むのが好ましい。 この構造体は、団塊床を支持するために水冷格子を含むのが好ましい。 この構造体は、格子上に支持媒体層をさらに含むのが好ましい。 本発明は添付図面を参照して例をあげてさらに説明される。 図１は本発明の１実施例を概略図で示す。 図２は図１に示した実施例の改良形を概略図で示す。 図３は本発明の他の実施例を概略図で示す。 図１を参照すれば、本発明の１実施例において鉄鉱石、軟質炭、石灰石／石灰 、およびベントナイトで形成された団塊３が金属容器１１に供給されて詰込まれ た層すなわち床５を形成するようになされており、この床は容器１１内の鉄の溶 融浴９およびスラグの上位で水冷格子７によって支持されている。 団塊が格子７を通って落下する可能性を最小限に抑えるため、団塊３よりも粒 径の大きいセラミック材料および（または）コークスの破片、および（または） 他の適当な材料の破片で形成された層を格子７の上に配置することができる。 適当な還元ガス（例えば天然ガス）および高温空気が、容器１１内の空間１３ 、すなわち溶融浴９と格子７との間に噴射される。高温空気は還元ガスの一部を 燃焼して熱を発生させ、この熱が溶融浴９の金属およびスラグを溶融状態に保持 する。 温度１６００℃程度の廃ガスが、ガス空間１３から格子７と団塊３の床（ベッ ド）５とを通って容器１１の上部に備えられている廃ガス出口１５へ向けて上方 へ流れる。廃ガスは、団塊３の床５を通過する際に８００℃程度の温度まで冷さ れる。廃ガスの一部は、溶融浴９と格子７との間のガス空間１３へ再循環される 。 この廃ガスは還元ガスと、高温空気と、空間１１内で還元ガスの一部を燃焼さ せることで生じる反応生成物との混合物を含む。 廃ガスは団塊に接触し、その結果として、 （ｉ） 石炭が反応して燃料および還元剤の供給源となる、 （ｉｉ） 酸化鉄は廃ガスおよび反応した石炭によって還元されて金属鉄と なり、この金属鉄はその後溶融されて粒滴を形成する、そして （ｉｉｉ） 石灰石／石灰が酸化鉄中の不純物と反応して溶融スラグを形成し 、この溶融スラグが溶融鉄の粒滴を覆って鉄の酸化を抑制する、 ことになる。 溶融した鉄／スラグの粒滴は詰込まれた床５から溶融浴９へと下方へ排出され る。 周期的に溶融した鉄およびスラグが容器１１からタッピングされて取出される 。 団塊中の酸化鉄の還元はＣＯを発生し、このＣＯは廃ガスの流れに混ざり込ん で廃ガス出口１５から排出される。この結果、容器１１から排出される廃ガスは 少なくとも幾分かの還元能力を保持することになり、それ故、配管図の少なくと も一部をガス空間１３へ再循環させることが有益となる。 周期的または連続して補充される団塊３は、床５に供給され、還元反応で消費 された床５の団塊３の代りとされる。補充速度は、一般的に床厚さを一定に保持 するように調整されるのが好ましい。 団塊３はいずれかの適当な手段で形成することができ、またいずれかの適当な 形状および寸法とされることができる。好ましい団塊３はペレットおよびブリケ ットである。 ペレットの場合、そのペレットは粒径１０〜２５ｍｍであるのが好ましく、ま た１例として酸化鉄、石炭、および石灰石／石灰の比率は、重量でそれぞれ５５ ％、３５％および１０％とするのが好ましい。 上述した実施例の１つの利点は、団塊３が高温の還元能力を有すガスと接触す ることによって酸化鉄を金属鉄に還元するための、また溶融鉄を形成するように 金属鉄を溶融するための有効な媒体だということである。 この実施例の他の利点は、この設備は多大な資金の出費を必要とせず、また重 大な団塊破壊を生じることなく蓄積や取扱いができる通常の設備で団塊３を形成 できることである。 この実施例の他の利点は、多量の産出トン数を基本にして運転できることであ る。 図２を参照すれば、図１に示した実施例のエネルギー効率を改善するために、 床５の団塊３はまず最初に容器１１の上部に配置されている支持構造体１７へ供 給されて、そこで床５から流れてくる廃ガスによって乾燥され、炭化される。こ の支持構造体１７は、処理された団塊をバッチ式にまたは連続的に床５に向けて 解放できる適当な構造とすることもできる。 図３を参照すれば、図１に示した実施例を基本とする本発明の他の実施例によ り、 （ｉ） 鉄鉱石、軟質粘結炭、石灰石／石灰、およびベントナイトで形成さ れた団塊３を、溶融浴９のすぐ上に位置する塊の詰込まれた床５内 で還元および溶融する、および （ｉｉ） 溶融浴９に投入された鉄鉱石を還元／溶融するための媒体として、 溶融浴９を使用する、 ことによって溶融鉄が形成される。 特に、鉄鉱石と、部分還元された鉄鉱石（大いに還元された鉄鉱石を含む）、 木炭と、窒素のような適当なキャリヤガスに含まれるフラックスとは、容器１１ の側部（および（または）頂部）に配置されるランス１９を経て容器１１内へ噴 射注入される。 さらに、高温空気がランス２１を経て容器１１に噴射される。 鉄鉱石は溶融浴９内で還元され、溶融状態の鉄に変換される。 固体給送材料が溶融浴９に突入し、溶融鉄および（または）スラグの飛沫、流 れおよび粒滴を溶融浴９の表面より上方の空間へ噴出飛散させて遷移帯域２３を 形成するように固体給送材料を容器１内に注入するために、ランス１９が位置決 めされている。 高温空気流が遷移帯域２３へ向かって容器１１内に噴射され、溶融浴から放出 されたＣＯおよびＨ₂のようなガスの一部を後燃焼させ、またこの後燃焼によっ て放出された熱を遷移帯域２３に導いてその熱が溶融鉄およびスラグの飛沫、流 れおよび粒滴に伝達された後、飛沫、流れおよび粒滴が溶融浴９に戻るようにす る。 これらの溶融浴を基本とする反応によって発生した廃ガス、およびいずれの未 反応ガスも、容器１１の上部に配置された水冷格子７上に支持されている団塊３ の詰込まれた床５を通って上方へ向かって流れ、この結果として、 （ｉ） 団塊３中の石炭が反応して燃料および還元剤の供給源となる、 （ｉｉ） 団塊３中の酸化鉄は廃ガスおよび反応した石炭によって還元され て金属鉄となり、この金属鉄は溶融されて粒滴を形成する、およ び （ｉｉｉ） 団塊３中の石灰石／石灰が酸化鉄中の不純物と反応して溶融スラ グを形成し、溶融スラグが粒滴を覆って鉄の酸化を抑制すること になる。 塊３はホッパー２７を経て詰込まれた床５へ供給され、回転放散組立体２５が 塊３をホッパー２７から分配するために備えられている。 塊３の詰込まれた床５は、鉄溶融浴を基本とした反応によって生じた廃ガスの 顕熱を使用する効率のよい手段である。 他の利点は、詰込まれた床５が廃ガス中に含まれる固体材料および溶融材料の ための効率のよいろ過装置となることである。 詰込まれた床５から上方へ向かって流れる廃ガスは、導管４１を経て容器１１ から排出され、また水洗式浄化装置の上端に供給されるのであり、この水洗式浄 化装置は廃ガスを急冷し、廃ガス中に含まれて残留する全ての固体材料を除去す る。 冷却され、洗浄された廃ガスは出口４５を経て水洗式浄化装置から排出される 。 上述した本発明の方法および装置の好適実施例に対して、発明の精神および範 囲から逸脱せずに多くの変形が可能である。 例えば遷移帯域２３は、図３に示した好ましい実施例において、溶融浴９の上 方に配置されているランス１９を経て固体材料を溶融浴９に注入することで形成 されているが、本発明はこの構造に限定されず、遷移帯域２３を形成するために 他の手段にまで広げられることが容易に認識できよう。特に、遷移帯域２３は適 当なガスを底部から噴射することで形成することができる。 以下の請求の範囲、および前記本発明の説明において、「含む」という用語は 、「包含する」という意味あいで使用されており、すなわち、これらの言葉に関 連 して表される特徴は、明白に記載されていない他の特徴と組合わせることができ る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，Ｍ Ｗ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ， ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，Ｅ Ｓ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＧＷ，ＨＵ，ＩＤ ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ， ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，Ｍ Ｇ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，Ｖ Ｎ，ＹＵ，ＺＷ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 金属酸化物から金属および合金を製造する方法であって、 （ａ）金属酸化物および固体炭素質材料から形成された複合塊床を通して本明 細書に定義したような高温のガスを流し、それらの塊の金属酸化物を還 元して金属となし且つその金属を溶融する段階、および （ｂ）複合団塊から溶融金属を集める段階を含む金属酸化物から金属および合 金を製造する方法。 ２． 請求項１に記載された方法であって、ガスが幾分かの還元能力を有する 金属酸化物から金属および合金を製造する方法。 ３． 請求項２に記載された方法であって、ガスが一部にＣＯおよびＨ₂を含 む金属酸化物から金属および合金を製造する方法。 ４． 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載された方法であって、 ガスが溶融浴を基本とした製錬装置で発生された廃ガスである金属酸化物から金 属および合金を製造する方法。 ５． 請求項４に記載された方法であって、複合団塊床から解放されたガスの 少なくとも一部を製錬装置に送ることを含む金属酸化物から金属および合金を製 造する方法。 ６． 請求項４または請求項５に記載された方法であって、還元ガスおよび酸 素含有ガスを製錬装置における溶融浴の表面より上のガス空間内へ噴射し、還元 ガスの一部を燃焼させて溶融浴を溶融状態に保持するための熱を発生させること を含む金属酸化物から金属および合金を製造する方法。 ７． 請求項４または請求項５に記載された方法であって、金属酸化物および 固体炭素質材料を製錬装置における溶融浴中に注入し、その金属酸化物を還元し て金属となした後、その金属を溶融することを含む金属酸化物から金属および合 金を製造する方法。 ８． 請求項７に記載された方法であって、酸素含有ガスを製錬装置における 溶融浴の表面より上のガス空間に注入し、ガス空間中の可燃材料の一部を燃焼さ せることを含む金属酸化物から金属および合金を製造する方法。 ９． 請求項７または請求項８に記載された方法であって、溶融金属および（ または）スラグの飛沫および（または）粒滴を溶融浴から上方へとガス空間へ放 出させるようにして遷移帯域を形成し、ガス空間中で可燃材料が燃焼して発生し た熱がこの遷移帯域において溶融金属および（または）スラグの飛沫および（ま たは）粒滴に伝達され、その後それらの溶融金属および（または）スラグの飛沫 および（または）粒滴が落下して溶融浴へ再び戻ったときに溶融浴へ伝達される ようになされる金属酸化物から金属および合金を製造する方法。 １０． 請求項９に記載された方法であって、キャリヤガスおよび金属酸化物お よび（または）炭素質材料が溶融浴に進入して溶融金属および（または）スラグ の飛沫および（または）粒滴を上方へ噴出飛散させるように、キャリヤガスおよ び金属酸化物および（または）炭素質材料を溶融浴へ投入することで遷移帯域を 形成することを含む金属酸化物から金属および合金を製造する方法。 １１． 請求項６から請求項９までのいずれか一項に記載された方法であって、 酸素含有ガスが空気である金属酸化物から金属および合金を製造する方法。 １２． 請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載された方法であって 、団塊がペレットまたはブリケットの形態をしている金属酸化物から金属および 合金を製造する方法。 １３． 請求項１２に記載された方法であって、団塊が１０〜２５ｍｍの範囲の 粒径を有するペレットである金属酸化物から金属および合金を製造する方法。 １４． 請求項１２または請求項１３に記載された方法であって、団塊が微粉状 の金属酸化物および炭素質材料で形成されている金属酸化物から金属および合金 を製造する方法。 １５． 請求項１４に記載された方法であって、団塊が金属酸化物および炭素質 材料中の不純物と結合して、溶融金属を覆って金属の酸化を抑制する溶融スラグ を形成するためのフラックスをさらに含む金属酸化物から金属および合金を製造 する方法。 １６． 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方法であって 、この方法において消費された団塊に代えるために、複合団塊床に団塊を連続的 または周期的に補充することを含む金属酸化物から金属および合金を製造する方 法。 １７． 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方法であって 、塊を複合団塊床に補充する前にそれらの団塊を予熱することを含む金属酸化物 から金属および合金を製造する方法。 １８． 請求項１６に記載された方法であって、予め定められた複合団塊床の厚 さを保持するために、複合団塊床に補充する団塊を調整することを含む金属酸化 物から金属および合金を製造する方法。 １９． 金属酸化物から金属および合金を製造する装置であって、 （ａ） ｉ） 溶融金属の浴を保持するための下側部分、 ｉｉ） 容器にガスを導入するための入口 ｉｉｉ） 容器からガスを排出するための出口 ｉｖ） 入口より上方の容器内部に塊から成る床を支持する構造体 であって、出口へ流れるガスが団塊床を通って流れること ができるように、また塊内部の酸化物を金属となすための 還元によって生じた溶融金属が団塊床から溶融浴へ排出で きるように形成されている構造体を有して成る金属容器、 （ｂ）該容器にガスを供給する手段、および （ｃ）団塊床に塊を供給する手段を含む金属酸化物から金属および合金を製造 する装置。 ２０． 請求項１９に記載された装置であって、溶融金属を排出するための出口 をさらに含む金属酸化物から金属および合金を製造する装置。 ２１． 請求項１９または請求項２０に記載された装置であって、団塊床を支持 するために水冷格子を含む金属酸化物から金属および合金を製造する装置。 ２２． 請求項２１に記載された装置であって、構造体が格子上に支持媒体層を さらに含む金属酸化物から金属および合金を製造する装置。