專利名稱：碳化鐵的生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及煉鐵和煉鋼用原料的碳化鐵的生產(chǎn)方法，例如在電爐等中使用的煉鋼原料，這種原料以碳化鐵(Fe3C)為主成分。
背景技術(shù)：
鋼的生產(chǎn)一般包括的步驟有用高爐把鐵礦石轉(zhuǎn)化成生鐵；然后再用平爐或轉(zhuǎn)爐把生鐵轉(zhuǎn)化成鋼。這種傳統(tǒng)方法需要大量的能量和大型設(shè)備，因此使成本很高。此外，對(duì)于小規(guī)模煉鋼來(lái)說(shuō)，使用的方法包括步驟有直接轉(zhuǎn)化鐵礦石為煉鋼爐用的原料；再用電爐等把原料轉(zhuǎn)化成鋼。就這種直接煉鋼法來(lái)說(shuō)，可使用直接還原法把鐵礦石轉(zhuǎn)化成還原鐵。但是，用這種直接還原法生產(chǎn)的還原鐵活性高且與空氣中的氧反應(yīng)產(chǎn)生熱。所以，在還原鐵的運(yùn)輸和儲(chǔ)存中必須用惰性氣體密封還原鐵或者使用其它一些措施。因此，具有較高鐵(Fe)含量，且其反應(yīng)活性低并易于運(yùn)輸和儲(chǔ)存的碳化鐵(Fe3C)，近來(lái)已作為電爐等煉鋼的原料而使用。
此外，以碳化鐵為主成分的煉鐵和煉鋼用的原料不僅易于運(yùn)輸和儲(chǔ)存，而且還具有可利用與鐵元素結(jié)合的碳元素作為煉鐵或煉鋼爐的燃料源，并可用作加速煉鐵爐中反應(yīng)的微泡產(chǎn)生源的優(yōu)點(diǎn)。因此，對(duì)以碳化鐵為主成分的煉鐵和煉鋼用原料近來(lái)產(chǎn)生了特殊的興趣。
按照常規(guī)生產(chǎn)碳化鐵的方法，是先把鐵礦石粉料加到流態(tài)化床反應(yīng)爐或諸如此類的爐中，使其在預(yù)定的溫度下與含還原氣體(例如氫氣)和滲碳?xì)怏w(例如甲烷等)的氣體混合物反應(yīng)。這樣，含于鐵礦石中的鐵氧化物(例如赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、方鐵礦(FeO))以一步法還原和滲碳(一步法是指在單一反應(yīng)器中同時(shí)引入還原氣體和滲碳?xì)怏w而完成的工藝)。該反應(yīng)按下列總反應(yīng)式(1)實(shí)施。
(1)與本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)描述于例如國(guó)際申請(qǐng)(PCT/US91/05198)的日本譯文本公報(bào)6-501983中。
為了更易于理解本發(fā)明，將在下文描述一個(gè)現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)碳化鐵的設(shè)備實(shí)例。例如，示于圖3中的設(shè)備是已知的。參照?qǐng)D3，標(biāo)號(hào)1代表反應(yīng)爐。含鐵原料經(jīng)加料口2加入到反應(yīng)爐1而碳化鐵從排出口3排出。標(biāo)號(hào)4、5和6分別表明脫濕器、壓縮機(jī)和管式加熱器。反應(yīng)爐1、脫濕器4、壓縮機(jī)5和加熱器6形成循環(huán)回路7。標(biāo)號(hào)8是供應(yīng)以甲烷為主成分的天然氣的管線。管線8分成管線9和管線10，而管線9在壓縮機(jī)5的后方連接到循環(huán)回路。管線10經(jīng)蒸汽轉(zhuǎn)化裝置11、變換爐12和脫碳器13而與循環(huán)回路7連接。在下文將對(duì)使用上述設(shè)備生產(chǎn)碳化鐵方法的實(shí)例進(jìn)行說(shuō)明。
當(dāng)煉鐵用的含鐵原料經(jīng)加料口2加到反應(yīng)爐1后，含鐵原料即在反應(yīng)爐1中進(jìn)行還原和滲碳而按照上述反應(yīng)式(1)轉(zhuǎn)化成為碳化鐵。在該反應(yīng)中，由于實(shí)施還原反應(yīng)而消耗氫和實(shí)施滲碳反應(yīng)而消耗甲烷，所以必須向反應(yīng)爐1供應(yīng)還原氣體成分和滲碳?xì)怏w成分。因此，以甲烷為主成分的天然氣作為滲碳?xì)怏w而經(jīng)管線9供給循環(huán)回路7。
流經(jīng)管線10的天然氣在蒸汽轉(zhuǎn)化裝置11中按下列反應(yīng)式(2)進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化。
(2)蒸汽轉(zhuǎn)化氣體中所含一氧化碳按下列反應(yīng)式(3)在變換爐12中轉(zhuǎn)化成為氫和二氧化碳。
(3)在變換爐12中通過(guò)反應(yīng)所獲得的二氧化碳從脫碳器13的氣體中除去。這樣，由管線10向循環(huán)回路7供應(yīng)氫。
如上所述，供入循環(huán)回路7的氫和甲烷在管式加熱器6與經(jīng)回路7循環(huán)的循環(huán)氣體加熱至650～700℃的溫度。但是，如果含氫和甲烷的氣體被加熱到這樣高的溫度，則以甲烷為主成分的烴(CnHm)熱分解并按下反應(yīng)式(4)產(chǎn)生活性碳。正如下列反應(yīng)式(5)所示，這種活性碳會(huì)與金屬成分(M)，如鎳等發(fā)生反應(yīng)，所述金屬成分是用于加熱器構(gòu)成成分的加熱管的材料。結(jié)果，形成金屬碳化物(MxC)。
(4)C+xM→MxC (5)圖5表示在750℃的溫度、4-6atm壓力和含CH4、CO、CO2、H2和H2O混合物的反應(yīng)氣體的條件下，20Cr-12Ni鋼的滲碳速度以作為金屬滲碳處理的實(shí)例。在圖5中，圖中的直線A代表上述氣體混合物中CH4量為60體積％的情況，而圖中的直線B代表上述氣體混合物中CH4量為65體積％。如圖5所示，滲碳處理速度在約2.1-6.0mg/cm2·60hr范圍內(nèi)。
然而，如金屬碳化物的形成成為過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，如下列反應(yīng)式(6)所示碳從金屬碳化物中分離。這時(shí)，圖4所示加熱管14內(nèi)的金屬成分剝離并有可能出現(xiàn)加熱管厚度減小或出現(xiàn)蝕斑的現(xiàn)象。
MxC→xM+C (6)考慮到現(xiàn)有技術(shù)中的上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種生產(chǎn)碳化鐵的方法，其中金屬碳化物難于在用于加熱供給反應(yīng)爐的還原氣體和滲碳?xì)怏w的管式加熱器的加熱管內(nèi)形成。

發(fā)明內(nèi)容
為了完成上述目的，本發(fā)明的特征在于滲碳?xì)怏w與還原氣體或循環(huán)氣體分開(kāi)加熱并且加熱到低于還原氣體或循環(huán)氣體的溫度。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明，有可能控制管式加熱器內(nèi)活性碳的形成和減少由于碳的分離而使加熱管金屬成分剝離。
本發(fā)明第一方面在于生產(chǎn)碳化鐵的方法，該方法的步驟有在管式加熱器上加熱從外部供應(yīng)的烴氣和氫氣以及加熱循環(huán)氣體，然后將所述氣體供給反應(yīng)爐以使鐵礦石轉(zhuǎn)化為碳化鐵，其中只有烴氣是在與用于其它反應(yīng)氣體的加熱管分開(kāi)的加熱管加熱然后再與其它反應(yīng)氣體混合以便供入反應(yīng)爐。
本發(fā)明第二方面在于生產(chǎn)碳化鐵的方法，該方法包括向反應(yīng)爐供應(yīng)由外供入的烴氣和氫氣以及循環(huán)氣體的步驟以使鐵礦石轉(zhuǎn)化為碳化鐵，其中將烴氣與已在管式加熱器加熱過(guò)的其它反應(yīng)氣體混合以便供入反應(yīng)爐。
本發(fā)明第三方面在于生產(chǎn)碳化鐵的方法，該方法的步驟有在管式加熱器上加熱由外部供入的烴氣和氫氣并加熱循環(huán)氣體，然后把所述氣體供入反應(yīng)爐以使鐵礦石轉(zhuǎn)化為碳化鐵，其中烴氣和部分循環(huán)氣體的混合物是在與其它反應(yīng)氣體所用加熱管分開(kāi)的加熱管上加熱再與其它反應(yīng)氣體混合以便供入反應(yīng)爐。
優(yōu)選方案是加熱管內(nèi)壁上烴氣的溫度不高于烴氣的熱分解溫度，烴氣是從外部供入的，更好的所述溫度是在350-650℃范圍內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明，向反應(yīng)爐供入煉鐵用的含鐵原料。含鐵原料被還原氣體(氫氣)和滲透氣體(烴氣)還原和滲碳而轉(zhuǎn)化成碳化鐵(Fe3C)，所述氣體已在加熱器內(nèi)被加熱到預(yù)定溫度并供入反應(yīng)爐。然后使碳化鐵由反應(yīng)爐的排出口排出。反應(yīng)后氣體在反應(yīng)爐中經(jīng)循環(huán)回路循環(huán)。由于在該反應(yīng)中消耗了相當(dāng)數(shù)量的還原氣體和滲碳?xì)怏w，所以要向該反應(yīng)體系供應(yīng)預(yù)定量的還原氣體成分和滲碳?xì)怏w成分。然而，如滲碳?xì)怏w被加熱到高溫時(shí)，因在滲碳?xì)怏w中所含的烴的熱分解而產(chǎn)生活性炭。上述活性炭與加熱器的構(gòu)成部件的加熱管用材料的金屬成分反應(yīng)而形成金屬碳化物。如形成的金屬碳化物呈過(guò)飽和狀態(tài)，則碳從金屬碳化物中分離。同時(shí)，加熱管的金屬成分會(huì)剝離。
但是，按照本發(fā)明，由于滲碳?xì)怏w(或烴氣和部分循環(huán)氣體的混合物)與循環(huán)氣體或還原氣體分開(kāi)加熱，所以有可能在加熱滲碳?xì)怏w的過(guò)程中滲碳?xì)怏w不發(fā)生熱分解而在加熱管上沒(méi)有金屬碳化物形成。尤其是，滲碳?xì)怏w的加熱溫度在350-650℃范圍內(nèi)時(shí)，形成的金屬碳化物低于在其它溫度下形成的碳化物。因此，有可能延長(zhǎng)加熱管的壽命。
根據(jù)本發(fā)明，由于在用于加熱供給反應(yīng)爐還原氣體和滲碳?xì)怏w的管式加熱器內(nèi)控制金屬碳化物的形成，所以加熱管的金屬成分不會(huì)剝離而有可能延長(zhǎng)加熱管的壽命。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是說(shuō)明適于實(shí)施本發(fā)明生產(chǎn)碳化鐵方法的設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例的示意圖；圖2是示于圖1的管式加熱器的部分放大圖；圖3是用于現(xiàn)有技術(shù)生產(chǎn)碳化鐵的設(shè)備的實(shí)施例示意圖；圖4是示于圖3的管式加熱器的部分放大圖；圖5是金屬滲碳處理速度的實(shí)施例。
實(shí)施本發(fā)明的最好方式在下文，將描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案。圖1是說(shuō)明適于實(shí)施本發(fā)明生產(chǎn)碳化鐵方法的設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例的示意圖。圖1與圖3共用相同的標(biāo)號(hào)。圖1與圖3的區(qū)別在于由供應(yīng)天然氣的管線8分出的管線9a連接到管式加熱器6的后面。也就是說(shuō)，正如圖2所示，流經(jīng)管線9a的天線氣是在和循環(huán)氣體、和還原氣體流經(jīng)的加熱管14分開(kāi)的加熱器6中的加熱管加熱的。如上所述，由于管線9a是通過(guò)用于加熱加熱管14的燃燒氣體(G)加熱的，所以管線9a的溫度保持在350-650℃的溫度范圍內(nèi)。結(jié)果，使流經(jīng)管線9a的天然氣難于產(chǎn)生熱分解作用，從而控制了活性碳的產(chǎn)生。因此，也控制了因管線9a和加熱管14內(nèi)部的滲碳而產(chǎn)生的金屬碳化物，并使管線9a和加熱管14的金屬成分不會(huì)剝離。
此外，在圖1中，有可能使部分循環(huán)氣體與流經(jīng)管線9a的天然氣混合并如上所述通過(guò)用于加熱加熱管14的燃燒氣體(G)而加熱管線9a。
另外，在圖1中，還有可能使管線9a繞過(guò)加熱器6而不流經(jīng)管式加熱器6(含于管線9a的氣體不在加熱器6加熱)并且管線9a連接在加熱器6的后面。工業(yè)用途由于本發(fā)明具有上述結(jié)構(gòu)，所以本發(fā)明的設(shè)備適合用作生產(chǎn)碳化鐵的設(shè)備，其中金屬碳化物難以在用于加熱供給反應(yīng)爐的還原氣體和滲碳?xì)怏w的管式加熱器的加熱管內(nèi)部形成。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)碳化鐵的方法，該法包括的步驟有在管式加熱器上加熱從外部供應(yīng)的烴氣和氫氣并加熱循環(huán)氣體，然后把所述氣體供入反應(yīng)爐以使鐵礦石轉(zhuǎn)化為碳化鐵，其中只有烴氣是在與其它反應(yīng)氣體用的加熱管分開(kāi)的加熱管加熱，然后與其它反應(yīng)氣體混合以供入反應(yīng)爐。
2.一種生產(chǎn)碳化鐵的方法，該法包括向反應(yīng)爐供入從外部供應(yīng)的烴氣和氫氣以及循環(huán)氣體的步驟，以使鐵礦石轉(zhuǎn)化為碳化鐵，其中烴氣與在管式加熱器加熱的其它反應(yīng)氣體混合，以便供入反應(yīng)爐。
3.一種生產(chǎn)碳化鐵的方法，該法包括的步驟有在管式加熱器上加熱從外部供應(yīng)的烴氣和氫氣和加熱循環(huán)氣體，然后把所述氣體供入反應(yīng)爐以使鐵礦石轉(zhuǎn)化為碳化鐵，其中烴氣和部分循環(huán)氣體的混合物在與其它反應(yīng)氣體用的加熱管分開(kāi)的加熱管上加熱然后與其它反應(yīng)氣體混合以便供入反應(yīng)爐。
4.按權(quán)利要求1或3所述生產(chǎn)碳化鐵的方法，其中在加熱管的內(nèi)壁上的從外部供應(yīng)的烴氣的溫度不高于烴氣的熱分解溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)一種生產(chǎn)碳化鐵的方法,其中金屬碳化物難以在用于加熱供入反應(yīng)爐的還原氣體和滲碳?xì)怏w的管式加熱器的加熱管內(nèi)形成。供入反應(yīng)爐1的滲碳?xì)怏w通過(guò)用于加熱還原氣體和循環(huán)氣體的燃燒氣體在管式加熱器6加熱,然后向反應(yīng)爐1供應(yīng)含滲碳?xì)怏w,還原氣體和循環(huán)氣體的混合物。含鐵原料在反應(yīng)爐1中被還原和滲碳。
文檔編號(hào)C21B13/00GK1248959SQ9880292
公開(kāi)日2000年3月29日 申請(qǐng)日期1998年2月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月28日
發(fā)明者內(nèi)山義雄, 井上英二, 中谷純也, 宮下虎勝, 中澤輝幸, 仁王彰夫 申請(qǐng)人:川崎重工業(yè)株式會(huì)社, 三菱商事株式會(huì)社