JPS63410A - 高熱直接還元鉄の生成方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は炉内を粒子の運動炉床（ｍｏｖｉｎｇ　ｂｅｄ
）が重力により下降する運動炉床高炉における鉄酸化物
のガス直接還元に関し、さらに特定すると、熱ブリケチ
ング又は直接融解に適した、高温の還元済み鉄粒子の流
出方法及び装置であって工程全体のエネルギーを保存し
つつ固体処理を行なうための高炉及びその補助装置の実
用的かつ経済的設計を可能ならしめるものに関する。

本発明は、例えば貯溜容器（ｓｔｏｒａｇｅ　ｂｉｎｓ
）又はサイ°口のような高温の金属鉄を含む粒子を扱う
ための他の形態の容器にも適用できる。

当該技術分野においては、運動還元炉内において、代表
的な例である水素及び−酸化炭素を含む還元ガスの上昇
流と逆方向に下降する鉄鉱石粒子の炉床を還元する技術
がいくつか知られている。これらの炉は一般的に円筒形
状であって、炉容器の金属壁が８００℃ないし１１００
℃の高い還元温度に耐えると共に粒子の下降炉床による
摩耗及び圧力にも耐えるように、断熱されかつ耐火材が
張られている。

従って、すべの粒子が一様に還元されて均質な組成の生
成物が得られるためには、粒子固体の多量流（ｍａｓｓ
−ｆｏｌｗ）を得るための高炉を設定する必要がある。

多量流という語は、当該技術分野で使用されるように容
器内同体炉床の容積全体の領域すべてにわたり固体が運
動することを意味する。また前記炉の還元領域全体に一
様な粒子の流れを発生する高炉を設計することも特に望
ましい。

このことはすべの粒子が詰め合い流れ（ρｊｕｇｆｌｏ
ｗ）となって運動すること、すなわち同一速度で運動す
ること、その結果、上記還元領域内で同一の滞留時間を
有することを意味する。またガス取り入れ口及び流出口
を適当に設計することによって炉全体に実質上一様な逆
方向ガス流が得られるように、注意が払われる。

固体の滞留時間は炉の底部に配置される適当な機構によ
って調整される。この機構は固体流出率を調整する。こ
の機構は当該技術分野で知られたロータリー型の送り装
置、又は星型送り装置、振動式送り装置等でよい。例え
ば、本出願人及びその共同出願人に付与された米国特許
第４．４２７．１３５号を参照されたい。この流出機構
が実用的な大きさのものであるためには、炉底部の同体
流出流口は還元領域の断面積よりも小さな断面積のもの
とされ、この理由から炉の下方部分は代表的な場合下方
に収束するコーン（円錐）形状をとる。

円筒形の還元領域内に詰め合い流を維持するためにはこ
の流出コーン内に粒子の多量流がなければならないこと
、すなわち、炉壁に接触している粒子を含めた前記粒子
がその粒子の占める体積のすべての領域内で流れなけれ
ばならないこと、が知られている。この目的のため、コ
ーン形部分の角度は、当該粒子相互間のみならずコーン
影響の内側表面及びその状態（例えば温度、流度分布、
表面粗度等）の双方に関する流れ特性に基づいて選択さ
れなければならない。

この角度は、炉内で重力流を中断するような粒子のアー
チあるいはドームを形成してつながることを回避するよ
うに選択される。このことは例えば高熱の直接還元鉄（
これはＤＰＩ又はスポンジ鉄としても知られる）のよう
な潜在的に粘着性の又は凝集性の粒子を扱うときは特に
重要である。

高温でＤＰＩを流出するためには、熱損失を避けること
が必要であること、翻って熱がコーン壁から失われるべ
きでないこと、が論に叶うと思われる。このことは、熱
損失を最小限に留めるためにこれらの炉の円筒形還元部
分の壁に通例被覆されると同一の断熱兼耐火用材料をコ
ーン部分に被せることを示唆する。

しかしながら本出願人は耐火材の粗さは流出コーンを通
る粒子の流れを減衰すること、その結果コーンへの粒子
の必要多量流を維持するためには一層急峻なコーン壁を
必要とすることを発見した。さらに本出願人はＤＰＩの
流れ特性は温度と共に変化し、温度の増大に応じて明瞭
な摩耗の増大をきたすことも発見した。このことは再び
より急峻な壁を流出コーンに要求することとなる。

他方、実際上は現在行なわれているように低温において
ＤＰＩを流出するに必要なより急峻な壁を備えた直接還
元炉を建設することは実現性はないであろう。その理由
はこれらの炉は長すぎて経費がかかるからであり、また
流出開口が大きすぎるからである。さらに、長いコーン
を使用する結果、粒子は高温にて炉内に長い滞留時間を
有するために結合し若しくは粘着する傾向がある。

上記の問題を解決する試みとして、同体の流れを促進す
る内部的機構を作動させることが過去に提案された。こ
の代案的な解決法は実用的でない。その理由はこの機構
は還元炉内において非常に厳しい内部条件の下で作動す
るからであり、また機構が一様な流れを阻害して好まし
からざる屑を発生するからである。

直接溶解（ｉｍｍｅｄｉａｔｅ　ｍｅｌｔｉｎｇ）又は
直接熱ブリケッチングに適した最高可能の温度にてＤＰ
Ｉを流出することに大きな関心が持たれているので、Ｄ
ＰＩを少なくとも５００℃好ましくは７００℃以上の温
度にて生成する要望が依然としである。

本発明はこれらの矛盾する要求を、当該技術分野で特に
有利かつ有用である新規にして合理的方法で解決するこ
とに向けられている。

従って本発明の目的は経済的かつ実用的方法で高熱ＤＰ
Ｉを生成するための方法及び装置を与えることである。

同体流の問題を含まず、かつ高品質を維持しつつ、鉛直
高炉から重力により高熱ＤＰＩを流出するための方法及
び装置を与えることが本発明の別の目的である。

高温ＤＰＩ粒子流が重力により流れると共に同時に体積
平均温度を直接）容解及び高熱ブリケッチングに通した
高さに維持しうるように、冷間流出と同様に炉の下方流
出部分の大きさを全体的に一層短く維持する方法及び装
置を与えることが本発明のさらに別の目的である。

本発明は実用的かつ経済的方法で炉のコーン壁をより低
温に選択的に冷却することによって高温でＤＰＩを生成
するための方法と装置を与える。上記の壁の内部表面は
好ましくはＤＲ１粒子の流れを促進するために比較的滑
らかな金属で作られる。選択された領域の壁の温度を制
御することによって前記粒子及び前記金属壁間の摩耗が
重力による同体流に対して許容可能な範囲に維持される
ように、上記壁と直接に接触している粒子の温度が低下
される。前記粒子の熱…失は制御されて最小化される。

同時に粒子間の粘着傾向も、壁土の粒子若しくは壁付近
の粒子について低下される。驚くべきことに、壁際の粒
子の冷却をしても壁から隔離された粒子を著しく冷却す
ることはない。従って所望の高’／Ｌ　Ｋ出が維持され
る。好ましい実施例では温度の制御は壁に接触している
冷却用ジャケットを循環する冷却流体の量を調整するこ
と、及びもしも適当であれば前記炉のコーンの最下方流
出部分を断熱することによって、温度制御が達成される
。

この明細書及び添付の図面においては本出願人は発明及
びそのいくつかの望ましい実施例を説明し、種々の代案
及びその設計変更を示した。

しかし、それらで例を上げ尽くしたことを意図していな
いこと、及び本発明の特許請求の範囲内で多数の設計変
更ができることを了解されたい。ここに挙げた提案は当
業者が本発明及びその原理を一層良く了解し、従って各
々特定の用途条件に最適となるべく本発明を設計変更し
て種々の形態で実施できるようにとの目的から選択して
含めたのである。

本発明は、凝塊、パレット又はそれらの混合体の形態の
鉄鉱石の粒子を還元するための直接還元高炉に好ましく
実施される場合について説明する。当該技術分野の当業
者には、本発明はもっと広い用途として例えば貯溜用容
器又はサイロのような、高温の金属鉄を含んだ粒子を取
り扱うための他の形式の容器に適用できることが明らか
であろう。

第１図を参照すると、代表的な場合、断熱されかつ耐火
材を張られた円筒形状の上方領域（１０）を含む高炉が
示されており、この炉では前記鉄鉱石を金属鉄に変換す
るための高熱還元ガスの上昇流に、逆方向に運動する鉄
鉱石粒子下降炉床が接触するようにされている。

鉄鉱石粒子は少なくとも一つの送りパイプによって高炉
に送られるが、このパイプは前記高炉の頂部と共同して
ガス出口（２４）に通ずるガス遊離室（ｇａｓ　ｄｉｓ
ｅｎｇａｇｉｎｇ　ｐｌｅｎｕｍ）を形成する。

換気される還元ガスはこの出口から前記炉を出て行く。

粒子の炉床（２０）はガス取り入れ口（１４）を通って
前記炉にはいる高熱還元ガスにより加熱される。このガ
スは、次いで分配室（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｐｌｅ
ｎｕｍ）　（１６）に流入して均等に分配され、送りオ
リフィス（１８）によって前記炉床に送られる。

こられオリフィスは場合によっては連続的な室の形態を
とってもよい。炉床（２０）は還元ガスの入り０点の付
近でその７００℃ないし１０００℃程度の最高温度に到
達し、炉の下方領域（１２）を下に向けて連続的に流れ
る。

領域（１２）は固体流出出口（２８）に向けてテーパ付
けされたコーン形状もので、高熱ＤＰＩ粒子に直接接触
する滑らかな炭素鋼製の金属表面を有する。コーン壁（
３２）は複数の熱交換ジャケット（３４，３６，３８）
により囲まれており、これらジャケット各々は、壁の温
度、従って領域（４０゜４２）及び４６）におけるＤＲ
Ｉ粒子の温度が炉からの一様かつ円滑なりＰＩ炉床流を
確実ならしめる所定の高さに維持されるように、前記ジ
ャケットを循環する冷却流体量を選択的に制御し又は停
止するための在来形式の調整装置（図示してない）によ
って、冷却流体、好ましくは液体の水若しくは蒸気、を
循環せしめる個別の装置を有する。

前記コーン領域（１２）の最下方部分には、適当な支持
装置（５１）により支持された壁（３２）によって確定
される容器に固定された金属製の壁（５０）がある。こ
の装置（５１）は壁と接触するＤＰＩ粒子の温度に必要
とされる壁（５０）の熱的膨張及び変形を許容する。壁
（５０）は、熱損失を最小化するに必要であれば任意選
択的に断熱材料（５２）の層で囲まれ、また連続的な壁
（３２）により密閉される。ジャケット（３４，３６，
及び３８）を通して循環する冷却流体量を調整すること
より、壁（３２）の領域（４０）と接触している粒子の
層は１００℃ないし３００℃の程度まで下げられる。そ
の結果、コーン底部（１２）内に適当な多量流を確実に
維持することにより還元領域（１０）全体に、一様の固
体流が得られる。

本開示において、冷却率及び冷却ジャケットとコーンと
絶縁された部分の相対的寸法は、与えられた設計におい
て流出されるＤＰＩの所望の平均温度を有利に達成すべ
く、適当に調節できることは当業者には明白であろう。

本発明のいくつかの実施例ではコーンの断熱された部分
（４日）は、流れ特性、炉の還元領域で鉱石が還元され
るべき温度、ＤＰＩの所望の流出口温度等に応じて小さ
く、あるいは全く無くし、又は別の冷却ジャケット（図
示して無し）により置換できる。

粒子（２０）の炉床が底部のコーン部分（１２）を流れ
て下方に運動するにつれて、炉の直径は減少し、中心付
近の粒子が壁付近の粒子よりも早く流れるように速度勾
配が中心線とコーンの壁との間に作られる。粒子が下降
するにつれて、コーン内のそれより上の任意の高さを規
準点として、すべの粒子の平均速度が増大する。これは
第２図にグラフで示される。これは、ある与えられた仮
想材料および壁表面について計算されたもので、コーン
領域（１２）の頂部（これはそこで領域（１０）に内部
的に会合する）がＲ１で示され、領域（１２）の底部流
出口がＲ２により示され、Ｒ，は領域１２の中心におけ
る中間点を示す。

従ってＲ２の曲線は壁（角度１６°）から流出口の中心
線（角度０゛）までの速度の差を示す。

コーン領域の頂部における、Ｒ１に対する曲線により示
される速度差は非常に小さいことがわかる（拡大された
尺度で示したとしても、この曲線の形は非常に類似する
）。

壁に最接近した粒子の層は粒子が領域（４０）の水冷表
面に接触するので、過度の急峻な壁角度を要せずに壁に
沿って流れる冷えた粒子の境界層上を粒子の高熱炉床が
下方に運動するように、冷却される。

第３図は第２図に使用したと同一の材料、壁表面及び寸
法の数学的モデルに基づいて計算されたコーン領域（１
２）の壁（３２）付近の粒子に対する温度プロフィルを
示す。これはＲ３の粒子がすべて８００℃の一様温度に
有すると仮定している。この８００℃等温線から、（流
出流特性を改良するために壁に冷却が加えられたにもか
かわらず）大抵の粒子はなんの冷却もされずに流出され
ることが了解されよう。これは流出口（２８）における
粒子の平均温度はこの例では６９７℃である事実を説明
している。驚くべきことに、この境界層は、ＤＲ１粒子
の炉床の熱的拡散性の値が低いために炉の寸法に比較し
てかなり薄いことが発見されている。これはほとんどす
べての粒子が高熱にとどまることを許す一方、壁に接触
しているか又は非常に接近している比較的小数の粒子は
その流れ特性が炉のすべての領域内で多量流を発生する
ように冷却される。粒子の炉床が下降するにつれ、壁土
の速度は第３図に示すように境界層を保持しながら増大
する。

最後に、粒子は炉から出た後、典型的な場合その後の処
理を受ける間に、冷却された粒子が他の粒子により再び
加熱されるように混合される。

このようにして温度はさらに加えるＤＰＩ高温処理、例
えば高熱ブリケ・７チング又は直接溶解等、に適した均
一かつ適当なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の好ましい実施例の装置の鉛直断面図で
ある。 第２図はコーン内の三つの異なる高さに対応するいろい
ろのコーン角度（選んだ代表的放出コーンの中心線から
その外側壁まで、すなわち０°〈θ〈１６°）における
コーン半径すなわちＲ１，Ｒ１及びＲ，（第３図参照）
における粒子の相対速度を示すグラフである。 第３図は計算で求めた、第２図の放出コーンの壁からの
温度プロフィルを示す極座標グラフの一部である。 符号の説明

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. （１）還元領域内で鉛直に下降する該粒子状鉄鉱石の多
   量流運動炉床を７００℃以上の高温で還元する工程と、
   得られた該還元済み粒子の炉床を少なくとも一つの流出
   口まで下方流出領域内で下方に収束的にテーパ形状とす
   る工程と、５００℃以上の平均温度で該流出口から該還
   元済み粒子を流出する工程とを備え、凝塊、パレット又
   はそれらの混合体の形態の粒子状鉄鉱石のガス還元によ
   る鉄の生成方法において、 該流出領域が比較的滑らかな容器表面により確定される
   ことと、該容器表面の少なくとも一部の冷却によって、
   かかる冷却がないときの流量率に対して相対的に該表面
   における粒子の実効流量率を増大させるに適したある速
   度および程度にて、該表面と接触している還元済み粒子
   を充分に冷却することとを特徴とする直接還元鉄の生成
   方法。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項に記載の方法において
   、該流出領域内のスポンジ鉄の主要体積を実質的に冷却
   することなく該容器壁表面に隣接したスポンジ鉄層を実
   質的に冷却するため、該容器表面の少なくとも上方部分
   を制御可能に能動的に冷却することを特徴とする直接還
   元鉄の生成方法。
3. （３）特許請求の範囲第（１）または（２）項に記載の
   方法において、該流出領域内の粒子の中心部分にはほと
   んど又は全く冷却が生じないことにより、該還元領域及
   び該流出領域内の多量流形態（ｍａｓｓ−ｆｌｏｗ　ｐ
   ａｔｔｅｒｎ）を維持するに要する流出領域の高さを実
   質的に短縮化することを特徴とする直接還元鉄の生成方
   法。
4. （４）前記特許請求の範囲第（１）〜（３）項のいずれ
   かに記載の方法において、該容器表面の冷却が、該表面
   及び該炉床内の他粒子に対する該粒子の摩擦角を減少さ
   せるに適当な速度及び程度で、該表面に接触している還
   元済み粒子を冷却するに十分であることにより、少なく
   とも該還元領域内で多量流形態が実質的に維持され、そ
   の結果還元領域から流出口までの流出領域の長さが著し
   く短縮されることを特徴とする直接還元鉄の生成方法。
5. （５）前記特許請求の範囲第（１）〜（４）項のいずれ
   かに記載の方法において該流出領域が単一の流出口を有
   していることおよび該容器表面がコーン形状であること
   を特徴とする直接還元鉄の生成方法。
6. （６）前記特許請求の範囲第（１）〜（５）項のいずれ
   かに記載の方法において、該容器表面が鉛直に対し１０
   ０ないし２００の間の円錐角を有することを特徴とする
   直接還元鉄の生成方法。
7. （７）前記特許請求の範囲第（１）〜（６）項のいずれ
   かに記載の方法において、該容器表面が金属壁製の内部
   表面であると共に該表面の少なくとも一部分の該冷却が
   冷却流体を該壁に接触させて循環させることにより遂行
   されることを特徴とする直接還元鉄の生成方法。
8. （８）前記特許請求の範囲第（１）〜（７）項のいずれ
   かに記載の方法において、別個に制御可能な複数の冷却
   領域が該壁に沿って相互に共心的に隣接されて確定され
   ていること並びに該領域の冷却が該多量流の形態及び該
   還元済み粒子の所望の平均流出温度を維持しうるように
   選択的に制御できることを特徴とする直接還元鉄の生成
   方法。
9. （９）前記特許請求の範囲第（１）〜（８）項のいずれ
   かに記載の方法において、該壁の該別個の領域に接触し
   て循環する冷却流体の相対量を調節することにより該選
   択的制御が行われることを特徴とする直接還元鉄の生成
   方法。
10. （１０）前記特許請求の範囲第（１）〜（９）項のいず
    れかに記載の方法において、該冷却流体が水であること
    を特徴とする直接還元鉄の生成方法。
11. （１１）前記特許請求の範囲第（１）〜（１０）項のい
    ずれかに記載の方法において、該冷却が該壁の上方部分
    の冷却であること及び該壁の比較的下方部分に接触する
    粒子の温度が５０℃ないし４００℃の温度領域内にある
    こととを特徴とする直接還元鉄の生成方法。
12. （１２）前記特許請求の範囲第（１）〜（１１）項のい
    ずれかに記載の方法において、該冷却が該壁の上方部分
    の冷却であること並びに該下方部分からの熱損失を低減
    するために該壁の比較的下方部分を断熱することとを特
    徴とする直接還元鉄の生成方法。
13. （１３）前記特許請求の範囲第（１）〜（１２）項のい
    ずれかに記載の方法において、該壁の比較的下方部分に
    接触する粒子の温度が１００℃ないし３００℃の温度範
    囲内にあることを特徴とする直接還元鉄の生成方法。
14. （１４）前記特許請求の範囲第（１）〜（１３）項のい
    ずれかに記載の方法において、該容器表面がコーン形状
    であって鉛直線に対し１０°ないし２０°の範囲の円錐
    角を有することを特徴とする直接還元鉄の生成方法。
15. （１５）該還元が７００℃以上で行なわれ、鉛直高炉と
    、重力の下に実質的に詰め合い流の形態で該炉を下降す
    る該鉄鉱石の運動炉床を包含しうるようにされた上方還
    元部分と、一般的に下方にテーパ付けられたコーン形状
    を有する下方領域と、該下方領域の円錐頂点にある流出
    オリフィスとを有し、凝塊、パレット又はそれらの混合
    体の形態の粒子状鉄鋼石をガス還元するようにした鉄の
    生成装置において、 該下方領域が金属製の比較的に滑らかな表面のコーン壁
    を有すること、その場合該下方領域がその内容物全体の
    全般的な能動的冷却から孤立されていること、該還元さ
    れた粒子が該壁に接触して又は少なくとも密に隣接して
    いるため該粒子初期温度を急速にかつある実質的な温度
    まで低下させるべく該下方領域の該壁の少なくとも一部
    分を冷却するための局所的冷却装置が該下方領域に含ま
    れること、その場合該下方領域の鉛直線に対する円錐角
    が、該下方領域の能動的冷却が全く無いときに該炉の還
    元部分及び下方領域に通過する実効多量流を実現する角
    度よりも大きいこと、ならびに該角度が、該局所的冷却
    装置のあるときに該炉の還元部分及び下方領域を通過す
    る多量流を阻害する角度よりも小さいことを特徴とする
    直接還元鉄の生成装置。
16. （１６）特許請求の範囲第（１５）項に記載の装置にお
    いて、該下方部分を流れる粒子によるいかなる余分の不
    必要な熱損失をも低減すべく該コーン形状の下方領域が
    断熱されていることを特徴とする直接還元鉄の生成装置
    。
17. （１７）前記特許請求の範囲第（１５）〜（１６）項の
    いずれかに記載の装置において、該冷却装置が、該下方
    領域の該壁の少なくとも一部分に接触して冷却流体が循
    環される熱交換ジャケットであることを特徴とする直接
    還元鉄の生成装置。
18. （１８）前記特許請求の範囲第（１５）〜（１７）項の
    いずれかに記載の装置において、該冷却装置が該下方領
    域の該壁の予定領域を選択的にかつ別個に冷却するため
    の複数の装置を含むことを特徴とする直接還元鉄の生成
    装置。
19. （１９）前記特許請求の範囲第（１５）〜（１８）項の
    いずれかに記載の装置において、該冷却流体が水である
    ことを特徴とする直接還元鉄の生成装置。