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| 碳化铁 | |
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碳化铁，在冶金上称为渗碳体。为灰白色结晶粉末，相对密度为7.694，熔点为1837℃。不溶于水，溶于酸。正交晶系晶体，每个碳原子被6个位于顶角位置的铁原子所包围，成八面体结构，每个铁原子又为两个八面体共用，即碳原子配位数为6，铁原子配位数为2。化学式中铁、碳原子数之比为Fe:C= 1/2×6:1=3:1。碳化铁是高温下形成的间隙化合物，碳-铁之间有很强的结合力，性能坚硬而脆。若生铁中的碳，主要以碳化铁形式存在，这种生铁的断面呈银白色。叫白口铁，通常用做炼钢的原料。若生铁中碳化铁已分解成游离状态的石墨，这种生铁断面为灰色，叫灰口铁。灰口铁有优良的切削加工性能，广泛用于机械制造。碳化铁可由铁粉渗碳来制得。[1]
目录
碳化铁的生产方法
本发明涉及炼铁和炼钢用原料的碳化铁的生产方法，例如在电炉等中使用的炼钢原料，这种原料以碳化铁(Fe3C)为主成分。
背景技术：
钢的生产一般包括的步骤有用高炉把铁矿石转化成生铁；然后再用平炉或转炉把生铁转化成钢。这种传统方法需要大量的能量和大型设备，因此使成本很高。此外，对于小规模炼钢来说，使用的方法包括步骤有直接转化铁矿石为炼钢炉用的原料；再用电炉等把原料转化成钢。就这种直接炼钢法来说，可使用直接还原法把铁矿石转化成还原铁。但是，用这种直接还原法生产的还原铁活性高且与空气中的氧反应产生热。所以，在还原铁的运输和储存中必须用惰性气体密封还原铁或者使用其它一些措施。因此，具有较高铁(Fe)含量，且其反应活性低并易于运输和储存的碳化铁(Fe3C)，近来已作为电炉等炼钢的原料而使用。 此外，以碳化铁为主成分的炼铁和炼钢用的原料不仅易于运输和储存，而且还具有可利用与铁元素结合的碳元素作为炼铁或炼钢炉的燃料源，并可用作加速炼铁炉中反应的微泡产生源的优点。因此，对以碳化铁为主成分的炼铁和炼钢用原料近来产生了特殊的兴趣。[2] 按照常规生产碳化铁的方法，是先把铁矿石粉料加到流态化床反应炉或诸如此类的炉中，使其在预定的温度下与含还原气体(例如氢气)和渗碳气体(例如甲烷等)的气体混合物反应。这样，含于铁矿石中的铁氧化物(例如赤铁矿(Fe2O3)、磁铁矿(Fe3O4)、方铁矿(FeO))以一步法还原和渗碳(一步法是指在单一反应器中同时引入还原气体和渗碳气体而完成的工艺)。该反应按下列总反应式(1)实施。 (1)与本发明技术领域有关的现有技术描述于例如国际申请(PCT/US91/05198)的日本译文本公报6-501983中。 为了更易于理解本发明，将在下文描述一个现有技术生产碳化铁的设备实例。例如，示于图3中的设备是已知的。参照图3，标号1代表反应炉。含铁原料经加料口2加入到反应炉1而碳化铁从排出口3排出。标号4、5和6分别表明脱湿器、压缩机和管式加热器。反应炉1、脱湿器4、压缩机5和加热器6形成循环回路7。标号8是供应以甲烷为主成分的天然气的管线。管线8分成管线9和管线10，而管线9在压缩机5的后方连接到循环回路。管线10经蒸汽转化装置11、变换炉12和脱碳器13而与循环回路7连接。在下文将对使用上述设备生产碳化铁方法的实例进行说明。 当炼铁用的含铁原料经加料口2加到反应炉1后，含铁原料即在反应炉1中进行还原和渗碳而按照上述反应式(1)转化成为碳化铁。在该反应中，由于实施还原反应而消耗氢和实施渗碳反应而消耗甲烷，所以必须向反应炉1供应还原气体成分和渗碳气体成分。因此，以甲烷为主成分的天然气作为渗碳气体而经管线9供给循环回路7。 流经管线10的天然气在蒸汽转化装置11中按下列反应式(2)进行蒸汽转化。 (2)蒸汽转化气体中所含一氧化碳按下列反应式(3)在变换炉12中转化成为氢和二氧化碳。 (3)在变换炉12中通过反应所获得的二氧化碳从脱碳器13的气体中除去。这样，由管线10向循环回路7供应氢。 如上所述，供入循环回路7的氢和甲烷在管式加热器6与经回路7循环的循环气体加热至650～700℃的温度。但是，如果含氢和甲烷的气体被加热到这样高的温度，则以甲烷为主成分的烃(CnHm)热分解并按下反应式(4)产生活性碳。正如下列反应式(5)所示，这种活性碳会与金属成分(M)，如镍等发生反应，所述金属成分是用于加热器构成成分的加热管的材料。结果，形成金属碳化物(MxC)。 (4)C+xM→MxC (5)图5表示在750℃的温度、4-6atm压力和含CH4、CO、CO2、H2和H2O混合物的反应气体的条件下，20Cr-12Ni钢的渗碳速度以作为金属渗碳处理的实例。在图5中，图中的直线A代表上述气体混合物中CH4量为60体积％的情况，而图中的直线B代表上述气体混合物中CH4量为65体积％。如图5所示，渗碳处理速度在约2.1-6.0mg/cm2·60hr范围内。 然而，如金属碳化物的形成成为过饱和状态时，如下列反应式(6)所示碳从金属碳化物中分离。这时，图4所示加热管14内的金属成分剥离并有可能出现加热管厚度减小或出现蚀斑的现象。 MxC→xM+C (6)考虑到现有技术中的上述问题，本发明的目的在于提供一种生产碳化铁的方法，其中金属碳化物难于在用于加热供给反应炉的还原气体和渗碳气体的管式加热器的加热管内形成。
发明内容
为了完成上述目的，本发明的特征在于渗碳气体与还原气体或循环气体分开加热并且加热到低于还原气体或循环气体的温度。结果，根据本发明，有可能控制管式加热器内活性碳的形成和减少由于碳的分离而使加热管金属成分剥离。 本发明第一方面在于生产碳化铁的方法，该方法的步骤有在管式加热器上加热从外部供应的烃气和氢气以及加热循环气体，然后将所述气体供给反应炉以使铁矿石转化为碳化铁，其中只有烃气是在与用于其它反应气体的加热管分开的加热管加热然后再与其它反应气体混合以便供入反应炉。 本发明第二方面在于生产碳化铁的方法，该方法包括向反应炉供应由外供入的烃气和氢气以及循环气体的步骤以使铁矿石转化为碳化铁，其中将烃气与已在管式加热器加热过的其它反应气体混合以便供入反应炉。 本发明第三方面在于生产碳化铁的方法，该方法的步骤有在管式加热器上加热由外部供入的烃气和氢气并加热循环气体，然后把所述气体供入反应炉以使铁矿石转化为碳化铁，其中烃气和部分循环气体的混合物是在与其它反应气体所用加热管分开的加热管上加热再与其它反应气体混合以便供入反应炉。 优选方案是加热管内壁上烃气的温度不高于烃气的热分解温度，烃气是从外部供入的，更好的所述温度是在350-650℃范围内。 根据本发明，向反应炉供入炼铁用的含铁原料。含铁原料被还原气体(氢气)和渗透气体(烃气)还原和渗碳而转化成碳化铁(Fe3C)，所述气体已在加热器内被加热到预定温度并供入反应炉。然后使碳化铁由反应炉的排出口排出。反应后气体在反应炉中经循环回路循环。由于在该反应中消耗了相当数量的还原气体和渗碳气体，所以要向该反应体系供应预定量的还原气体成分和渗碳气体成分。然而，如渗碳气体被加热到高温时，因在渗碳气体中所含的烃的热分解而产生活性炭。上述活性炭与加热器的构成部件的加热管用材料的金属成分反应而形成金属碳化物。如形成的金属碳化物呈过饱和状态，则碳从金属碳化物中分离。同时，加热管的金属成分会剥离。 但是，按照本发明，由于渗碳气体(或烃气和部分循环气体的混合物)与循环气体或还原气体分开加热，所以有可能在加热渗碳气体的过程中渗碳气体不发生热分解而在加热管上没有金属碳化物形成。尤其是，渗碳气体的加热温度在350-650℃范围内时，形成的金属碳化物低于在其它温度下形成的碳化物。因此，有可能延长加热管的寿命。 根据本发明，由于在用于加热供给反应炉还原气体和渗碳气体的管式加热器内控制金属碳化物的形成，所以加热管的金属成分不会剥离而有可能延长加热管的寿命。
图1是说明适于实施本发明生产碳化铁方法的设备的优选实施例的示意图；图2是示于图1的管式加热器的部分放大图；图3是用于现有技术生产碳化铁的设备的实施例示意图；图4是示于图3的管式加热器的部分放大 实施本发明的最好方式在下文，将描述本发明的优选实施方案。图1是说明适于实施本发明生产碳化铁方法的设备的优选实施例的示意图。图1与图3共用相同的标号。图1与图3的区别在于由供应天然气的管线8分出的管线9a连接到管式加热器6的后面。也就是说，正如图2所示，流经管线9a的天线气是在和循环气体、和还原气体流经的加热管14分开的加热器6中的加热管加热的。如上所述，由于管线9a是通过用于加热加热管14的燃烧气体(G)加热的，所以管线9a的温度保持在350-650℃的温度范围内。结果，使流经管线9a的天然气难于产生热分解作用，从而控制了活性碳的产生。因此，也控制了因管线9a和加热管14内部的渗碳而产生的金属碳化物，并使管线9a和加热管14的金属成分不会剥离。 此外，在图1中，有可能使部分循环气体与流经管线9a的天然气混合并如上所述通过用于加热加热管14的燃烧气体(G)而加热管线9a。 另外，在图1中，还有可能使管线9a绕过加热器6而不流经管式加热器6(含于管线9a的气体不在加热器6加热)并且管线9a连接在加热器6的后面。工业用途由于本发明具有上述结构，所以本发明的设备适合用作生产碳化铁的设备，其中金属碳化物难以在用于加热供给反应炉的还原气体和渗碳气体的管式加热器的加热管内部形成。
权利要求
1.一种生产碳化铁的方法，该法包括的步骤有在管式加热器上加热从外部供应的烃气和氢气并加热循环气体，然后把所述气体供入反应炉以使铁矿石转化为碳化铁，其中只有烃气是在与其它反应气体用的加热管分开的加热管加热，然后与其它反应气体混合以供入反应炉。 2.一种生产碳化铁的方法，该法包括向反应炉供入从外部供应的烃气和氢气以及循环气体的步骤，以使铁矿石转化为碳化铁，其中烃气与在管式加热器加热的其它反应气体混合，以便供入反应炉。 3.一种生产碳化铁的方法，该法包括的步骤有在管式加热器上加热从外部供应的烃气和氢气和加热循环气体，然后把所述气体供入反应炉以使铁矿石转化为碳化铁，其中烃气和部分循环气体的混合物在与其它反应气体用的加热管分开的加热管上加热然后与其它反应气体混合以便供入反应炉。 4.按权利要求1或3所述生产碳化铁的方法，其中在加热管的内壁上的从外部供应的烃气的温度不高于烃气的热分解温度。
全文摘要
本发明公开一种生产碳化铁的方法,其中金属碳化物难以在用于加热供入反应炉的还原气体和渗碳气体的管式加热器的加热管内形成。供入反应炉1的渗碳气体通过用于加热还原气体和循环气体的燃烧气体在管式加热器6加热,然后向反应炉1供应含渗碳气体,还原气体和循环气体的混合物。含铁原料在反应炉1中被还原和渗碳。 文档编号C21B13/00GK1248959SQ9880292 公开日2000年3月29日 申请日期1998年2月25日 优先权日1997年2月28日 发明者内山义雄, 井上英二, 中谷纯也, 宫下虎胜, 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