专利名称：生产碳化铁的方法
技术领域：
本发明涉及生产适于作炼铁和炼钢原料的碳化铁的方法，这种原料含有作为主要组份的碳化铁(Fe3C)，比如，它在电炉等设备中充作炼钢原料。
背景技术：
炼钢通常包括如下步骤用高炉将铁矿石转化成生铁，然后用平炉或转炉将生铁转化为钢。这类传统方法需要大量的能量、大型的设备以及高额投资。因而，就小规模炼钢而言，一直沿用的方法包括将铁矿石直接转化为用于炼钢炉的原料，然后将该原料用电炉转化成钢的步骤。就直接炼钢法而言，一直用直接还原工艺将铁矿石转化为还原铁。但用直接还原法生产的还原铁有很高的反应性，因而与空气中的氧反应而生热。因此，需要用惰性气体或某些其它措施在还原铁的运输或贮存期间将其封住。因而，含有较高Fe含量的反应活性低的，易于输送和贮存的碳化铁(Fe3C)近年来一直被用作在电炉等设备中炼钢的原料。
此外，含有作为主要组份碳化铁的炼铁或炼钢原料不仅易于运输和贮存，而且还有这样的优点与铁结合的碳可用作炼铁或炼钢炉中的能源，而且可用作产生小气泡的来源，这些气泡可降低炼钢熔池中的氮。因此，含有作为主要组份碳化铁的炼铁或炼钢原料近年来引起了特殊的关注。
按照常规的生产碳化铁的方法，将细的铁矿石加在流化床反应器等设备中，然后使之在预定的温度下与含还原气体(如H2气)和碳化气体(如甲烷气等)的气体混合物反应。从而铁矿石中的氧化铁，例如赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、方铁矿(FeO)就以单一过程被还原(这指的是通过同时将还原气体和碳化气体引入单一反应器而进行的过程)。此反应按以下的总反应式进行。
本发明领域中的这种现有技术，比如，已在国际专利申请NO.6-501983的日文译文公开文本中述及。
为易于理解本发明，下文将述及按现有技术生产碳化铁的设备的例子。比如，
图1所示的设备是已知的。参见图1，标号1指流化床反应器。流化床反应器1有一底部，供应反应气体(还原气体及碳化气体)的管线2与之相连，它还有一顶部，排放反应后气体的管线3与之相连。标号4指预热炉。供往预热炉4的细铁矿石在此炉4中经预定时间的热处理。然后，通过管线5将经预热的铁矿石供往流化床反应器1，而后在反应器1中，在预定的反应温度和反应压力下经受还原和碳化反应。于是，碳化铁产物从管线6排出。
在铁矿石的颗粒尺寸分布很宽的情况下，难于有效地进行此反应。原因如下。为有效地进行此反应，最好是，若铁矿石的大部份颗粒尺寸大(粗)，则流化床反应器中流化气体速度应较高，但细矿石将被吹走，而若铁矿石的大部份颗粒尺寸小(细)，则流化气体速度应较为下降，但粗矿石将不被流态化。有一种取决于各自颗粒尺寸的较佳工艺条件。此外，对于大颗粒尺寸的铁矿石而言，移动床反应器是优选的。进行此反应的气体易于通过大的均匀颗粒尺寸中的间隙。增加用于流态化的流化气体流量，会由于颗粒的进一步摩擦而产生细颗粒的铁矿石，从而有害于铁矿石的产率。
如总的反应式中所示，Fe2O3颗粒转变为Fe3C颗粒，其重量约为原重的3/4。此外，细的铁矿石颗粒在流态化过程中相互摩擦，从而使其颗粒尺寸逐渐减小。考虑到流态化的原料(细铁矿石)的重量随反应进程而逐渐减小，为有效地进行此反应，最好是应在该反应的前一半使供往流化床反应器的反应气体速度稍为增大，而在该反应的后一半应稍为减小。由于根据反应的进程有一些特定的工艺条件，因此在流化床反应器中，以同样的工艺条件进行还原反应和碳化反应是不可取的。
考虑到上述的现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种取决于含铁原料的颗粒尺寸或反应进程而有效地生产碳化铁的方法。
发明的公开为达到上述目的，本发明提供一种有效的生产碳化铁的方法，该法通过将细的用于炼铁的含铁原料按颗粒尺寸分成若干级，然后按含铁颗粒各自的颗粒尺寸将其还原和碳化来生产碳化铁。
本发明的第一方面旨在一种生产碳化铁的方法，它包括如下步骤按颗粒尺寸将用于炼铁的细的含铁原料分成若干级，然后将属于每一级的每种含铁原料还原和碳化。按本发明的第一方面，可能处理颗粒尺寸分布很宽的含铁的炼铁原料。通过按颗粒尺寸选择工艺条件，就可有效地生产碳化铁。
本发明的第二方面旨在按本发明的第一方面生产碳化铁的方法，其中将炼铁的细的含铁原料在预热后按颗粒尺寸分成若干级。按本发明的第二方面，除上述效果外还可获得以下效果。尤其是，若难以将湿的含铁原料分级，分级工序本身可方便地进行，因为分级是在预热后或第一阶段反应过程后的干态下完成的。此外，本发明适于处理这样一种含铁原料比如，由易于通过加热而破碎的原料而产生的细矿石，这种细矿石不变成副产物而是成为产物。
本发明的第三方面旨在按本发明的第二方面生产碳化铁的方法，其中的还原和碳化工艺包括进行部分还原反应的第一阶段反应工艺，然后进行进一步还原和碳化反应的第二阶段反应工艺。按本发明的第三方面，除上述效果外还可获得以下效果。对于每种工艺可以采取各种对策，该工艺不是根据现有技术的按单一反应器工艺生产碳化铁的方法进行的。因此，可以形成一种灵活的工艺。结果可以方便地控制转化率和反应速度。此外，可以有效地回收产生副产物时消耗的能量。
本发明的第四方面旨在一种生产碳化铁的方法，它包括在部分还原含铁原料的第一阶段反应工艺后按颗粒尺寸将细的含铁原料分成若干级，然后进行第二阶段的反应工艺，以便对属于各级的每种含铁原料进行进一步的还原和碳化。按本发明的第四方面，本发明的方法适于处理由于还原反应易于变细的含铁原料。
本发明的第五方面旨在一种用流化床反应器将用于炼铁的细含铁原料转化为碳化铁的方法，所述反应器具有流化床部分，该部分被隔墙分成若干隔舱，该法包括将隔舱分成分别用于粗和细含铁原料两个部分，及使粗的含铁原料在一个部分中还原和碳化，而细的含铁颗粒在另一部分还原和碳化的步骤。按本发明的第五方面，可在一个反应器中处理供来的原料，在该反应器中，细的和粗的颗粒在适合于每种矿石的条件下分别反应。因此，反应气体的利用得以优化，而且形成一种有效的工艺。
按本发明，用于炼铁的含铁原料是铁矿石，或矿粉等物，它们产生于炼铁过程，包括作为主要组份的铁的氧化物，诸如赤铁矿、磁铁矿和方铁矿之类和铁的氢氧化物，如氢氧化亚铁和氢氧化铁中的至少一种及其两种以上的混合物。
根据具有上述构成的本发明，可按颗粒尺寸将颗粒尺寸分布很宽的，细的用于炼铁的含铁原料分成若干级，并可为属于每级的含铁原料选择与各自颗粒尺寸相对应的工艺条件(反应温度、反应时间及气体流量等)。结果可有效地生产碳化铁。
某些含铁原料易于因加热而破碎。这类原料在预热后分级，并在分级后依赖于各颗粒尺寸的选择工艺条件。因而可有效地生产碳化铁。
此外，通过应用两阶段工艺，那么用于第一阶段反应过程的气体可以是仅用来进行还原反应的最佳组成，而用于第二阶段反应过程中的气体是用来进一步还原及碳化(转变成碳化铁)的最佳组成，所述的两阶段工艺中，第一阶段反应过程完成部分还原反应，而第二阶段反应过程则完成进一步的还原及碳化反应。通过应用这种两阶段工艺，在含铁原料的还原及碳化(转化为碳化铁)时，与以单阶段工艺生产碳化铁的过程相比，反应速度可提高，而反应时间(将含铁原料转化为碳化铁所需的时间)可以减少。
某些含铁材料易于因还原反应而变细。这些原料在局部部分还原后分级，而与各种颗粒尺寸相对应的还原和碳化条件在分级后选择。结果可有效地完成此反应。
在流化床部分被隔墙分成若干隔舱的流化床反应器中，隔舱为分为两部分以分别用于包含粗颗粒的及细颗粒的含铁原料，及分别地使包含粗颗粒及细颗粒的含铁原料还原及碳化。结果，原料的供入及产物的排出可连续进行，而且粗、细颗粒的流态化可以均匀地进行，并且可为细颗粒正确地设计反应气体和原料间的接触面积，从而缩短反应时间。
附图简述图1是展示生产碳化铁设备的现有技术的示意性流程图；图2(a)和2(b)分别是展示按本发明生产碳化铁时所实施的工艺的例子的流程图；图3是展示按本发明生产碳化铁时所实施的工艺的另一例子的流程图；图4是展示根据颗粒尺寸及气体流量流态化范围的曲线；图5(a)是展示适于实施本发明的方法的流化床反应器的侧视图，而图5(b)是沿图5(a)中的V-V线截取的剖面图。
实施本发明的最佳模式下文将叙述将本发明的方法用于流化床反应器的情况。(1)分级时机的选择如上所述，某些含铁原料易经加热而破碎或易经还原反应而变细。比如，尺寸为70μm或更小的细铁矿石的产生率随原料矿石的种类(0.1mm～1.0mm)，根据该铁矿石所承受的处理状况而改变，这已示于表1中。
表1
如下文将述，可通过选择适于铁矿石种类的分级时机来取得最佳工艺条件。(a)在采用易因加热而破碎的铁矿石(B和D)作原料的情况下，最好应用图2(a)和2(b)中所示的工艺。(b)在采用易因还原而变细的铁矿石(A)作原料的情况下，最好用图3中所示的工艺。
在图2(a)、2(b)及图3中，虽然粗的和细的铁矿石可分别在各自的反应器中处理，但若该反应器具有(3)中所述的结构，则它们也可同时在一座反应器中处理。此外，取决于铁矿石的颗粒尺寸分布可将分级设为二级或多级。(2)分级尺寸的选择将铁矿石按其颗粒尺寸分布分成粗和细的铁矿石的分级，可比如，如图4所示地完成。图4展示了流态化的范围，其中横轴表示颗粒尺寸(dp对数表示)，而竖轴表示表面速度(u对数表示)。线A表示流态化下降。低于线A，则速度不足以使反应器中的铁矿石流态化。线B表示吹走速度(终止速度)的限度。高于线B，则速度过高，以致将铁矿石吹走，因而同样地，铁矿石既不浮动也不流态化。
如图4所示，若铁矿石颗粒的分布范围为0.1-1.0mm，则在相同的工艺条件下可使铁矿石浮动和流态化。因为，在A1处的气体速度低于B1处的气体速度。但，若铁矿石的颗粒尺寸分布很宽，比如，铁矿石含有颗粒尺寸为0.05-0.5mm的细铁矿和颗粒尺寸为0.5-5mm的粗铁矿，为使反应有效地进行，对细铁矿石和粗铁矿石分别进行反应，及使划分成“细”和“粗”的极限尺寸范围为0.2-0.8mm是可取的。若颗粒尺寸为5-7mm或更大的粗铁矿石为主，则最好采用移动床反应器。(3)分级设备在按颗粒尺寸分布将铁矿石分级的情况下，粗铁矿石和细铁矿石可在各自的反应器中处理，以便按颗粒尺寸采取操作条件。但，若反应器具有图5中所示的结构，则粗铁矿石和细铁矿石可同时在一座反应器中处理。尤其是，流化床反应器7被分成粗铁矿石的隔舱8a-8e，细铁矿石的隔舱9a-9d，在供往细铁矿石的反应气体管线10上设有流量调节阀11，而从反应器排出的气体中的细铁矿石被旋风除尘器12捕捉。细铁矿石返回到隔舱9a至9d。
按照具有上述结构的反应器，也可按下述方法，用具有相同的入口气体成份的单反应器同时处理细铁矿石和粗铁矿石。通过调节流量调节阀11，就可控反应气体的流量，从而使细和粗矿石最佳地流态化。在此情况下，降低用于细铁矿石的反应气体流量(空塔速度)以避免吹走细铁矿石并将细铁矿石的床高度(Hff)设得小于粗铁矿石的床的高度(Hfc)，以便具有相同的接触(气体和矿石)时间是可取的。如表2所示，细铁矿石倾向于具有比粗铁矿石稍高的反应速度。表2示出了还原率，其中气固比设为0.059kg/SLM，反应温度设为63℃，反应压力设为4-5atm，而反应气体中的氢浓度设为65-80％。细铁矿石(Z)的还原率稍高于粗铁矿石(X，Y)的还原率。
SLM指的是Standard Liter per Minnte(标准升/分)。
因此，在一座反应器中使细的和粗的矿石反应的情况下，细矿石比粗矿石过多地起反应是理所当然的。
表2
按本发明，细铁矿石和粗铁矿石在同一个流化床反应器中分别起反应。因此，可减少用于单位重量铁矿石的气体量和缩短在反应器中的滞留时间。因此，可经济而有效地生产碳化铁。
经分级的较细颗粒的铁矿石不仅可用于生产碳化铁，而且在粒化后还可被用作生产水泥的辅料或原料。工业适用性由于本发明具有上述的构成，所以符合本发明的设备是适于按含铁原料的颗粒尺寸或反应进程有效地生产碳化铁的设备。
权利要求
1.生产碳化铁的方法，它包括的步骤为将用于炼铁的细含铁原料按颗粒尺寸分成若干级；及使属于各级的每种含铁原料还原和碳化。
2.权利要求1的生产碳化铁的方法，其中将用于炼铁的细的含铁原料在预热后按颗粒尺寸分成若干级。
3.权利要求2的生产碳化铁的方法，其中的还原和碳化反应工艺包括完成部分还原反应的第一阶段反应工艺和然后进行进一步还原和碳化反应的第二阶段反应工艺。
4.生产碳化铁的方法，它包括的步骤为在使含铁原料部分还原的第一阶段反应工艺后，按颗粒尺寸将该细的、用于炼铁的含铁材料分成若干级；及对属于每级的各种含铁原料进行进一步还原和碳化反应的第二阶段反应工艺。
5.用具有被隔墙分成若干隔舱的流化床部分的流化床反应器将用于炼铁的细尺寸含铁原料转化为碳化铁的方法，它包括的步骤为将隔舱分成分别用于粗的和细的含铁材料的两个部分；及使一个部分中的粗含铁原料和另一部分中的细含铁原料还原和硫化。
全文摘要
所提出的是按含铁原料的颗粒尺寸或反应进程有效地生产碳化铁的方法。在流化床反应器7中,粗铁矿石在区段8a—8e中流态化,细铁矿石在区域9a—9d中流态化,供往细铁矿石区段中心的反应气体流量由流量调节阀11调节。
文档编号C01B31/00GK1241166SQ9880141
公开日2000年1月12日 申请日期1998年2月25日 优先权日1997年2月28日
发明者井上英二, 宫下虎胜, 内山义雄, 中谷纯也, 中泽辉幸, 仁王彰夫 申请人:川崎重工业株式会社, 三菱商事株式会社