碳化鐵
碳化鐵，在冶金上稱為滲碳體。為灰白色結晶粉末，相對密度為7.694，熔點為1837℃。不溶於水，溶於酸。正交晶系晶體，每個碳原子被6個位於頂角位置的鐵原子所包圍，成八面體結構，每個鐵原子又為兩個八面體共用，即碳原子配位數為6，鐵原子配位數為2。化學式中鐵、碳原子數之比為Fe:C= 1/2×6:1=3:1。碳化鐵是高溫下形成的間隙化合物，碳-鐵之間有很強的結合力，性能堅硬而脆。若生鐵中的碳，主要以碳化鐵形式存在，這種生鐵的斷面呈銀白色。叫白口鐵，通常用做煉鋼的原料。若生鐵中碳化鐵已分解成游離狀態的石墨，這種生鐵斷面為灰色，叫灰口鐵。灰口鐵有優良的切削加工性能，廣泛用於機械製造。碳化鐵可由鐵粉滲碳來製得。[1]
| 碳化鐵 | |
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目錄
碳化鐵的生產方法
本發明涉及煉鐵和煉鋼用原料的碳化鐵的生產方法，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：
鋼的生產一般包括的步驟有用高爐把鐵礦石轉化成生鐵；然後再用平爐或轉爐把生鐵轉化成鋼。這種傳統方法需要大量的能量和大型設備，因此使成本很高。此外，對於小規模煉鋼來說，使用的方法包括步驟有直接轉化鐵礦石為煉鋼爐用的原料；再用電爐等把原料轉化成鋼。就這種直接煉鋼法來說，可使用直接還原法把鐵礦石轉化成還原鐵。但是，用這種直接還原法生產的還原鐵活性高且與空氣中的氧反應產生熱。所以，在還原鐵的運輸和儲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，且其反應活性低並易於運輸和儲存的碳化鐵(Fe3C)，近來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於運輸和儲存，而且還具有可利用與鐵元素結合的碳元素作為煉鐵或煉鋼爐的燃料源，並可用作加速煉鐵爐中反應的微泡產生源的優點。因此，對以碳化鐵為主成分的煉鐵和煉鋼用原料近來產生了特殊的興趣。[2] 按照常規生產碳化鐵的方法，是先把鐵礦石粉料加到流態化床反應爐或諸如此類的爐中，使其在預定的溫度下與含還原氣體(例如氫氣)和滲碳氣體(例如甲烷等)的氣體混合物反應。這樣，含於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器中同時引入還原氣體和滲碳氣體而完成的工藝)。該反應按下列總反應式(1)實施。 (1)與本發明技術領域有關的現有技術描述於例如國際申請(PCT/US91/05198)的日本譯文本公報6-501983中。 為了更易於理解本發明，將在下文描述一個現有技術生產碳化鐵的設備實例。例如，示於圖3中的設備是已知的。參照圖3，標號1代表反應爐。含鐵原料經加料口2加入到反應爐1而碳化鐵從排出口3排出。標號4、5和6分別表明脫濕器、壓縮機和管式加熱器。反應爐1、脫濕器4、壓縮機5和加熱器6形成循環迴路7。標號8是供應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5的後方連接到循環迴路。管線10經蒸汽轉化裝置11、變換爐12和脫碳器13而與循環迴路7連接。在下文將對使用上述設備生產碳化鐵方法的實例進行說明。 當煉鐵用的含鐵原料經加料口2加到反應爐1後，含鐵原料即在反應爐1中進行還原和滲碳而按照上述反應式(1)轉化成為碳化鐵。在該反應中，由於實施還原反應而消耗氫和實施滲碳反應而消耗甲烷，所以必須向反應爐1供應還原氣體成分和滲碳氣體成分。因此，以甲烷為主成分的天然氣作為滲碳氣體而經管線9供給循環迴路7。 流經管線10的天然氣在蒸汽轉化裝置11中按下列反應式(2)進行蒸汽轉化。 (2)蒸汽轉化氣體中所含一氧化碳按下列反應式(3)在變換爐12中轉化成為氫和二氧化碳。 (3)在變換爐12中通過反應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向循環迴路7供應氫。 如上所述，供入循環迴路7的氫和甲烷在管式加熱器6與經迴路7循環的循環氣體加熱至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)熱分解並按下反應式(4)產生活性碳。正如下列反應式(5)所示，這種活性碳會與金屬成分(M)，如鎳等發生反應，所述金屬成分是用於加熱器構成成分的加熱管的材料。結果，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範圍內。 然而，如金屬碳化物的形成成為過飽和狀態時，如下列反應式(6)所示碳從金屬碳化物中分離。這時，圖4所示加熱管14內的金屬成分剝離並有可能出現加熱管厚度減小或出現蝕斑的現象。 MxC→xM+C (6)考慮到現有技術中的上述問題，本發明的目的在於提供一種生產碳化鐵的方法，其中金屬碳化物難於在用於加熱供給反應爐的還原氣體和滲碳氣體的管式加熱器的加熱管內形成。
發明內容
為了完成上述目的，本發明的特徵在於滲碳氣體與還原氣體或循環氣體分開加熱並且加熱到低於還原氣體或循環氣體的溫度。結果，根據本發明，有可能控制管式加熱器內活性碳的形成和減少由於碳的分離而使加熱管金屬成分剝離。 本發明第一方面在於生產碳化鐵的方法，該方法的步驟有在管式加熱器上加熱從外部供應的烴氣和氫氣以及加熱循環氣體，然後將所述氣體供給反應爐以使鐵礦石轉化為碳化鐵，其中只有烴氣是在與用於其它反應氣體的加熱管分開的加熱管加熱然後再與其它反應氣體混合以便供入反應爐。 本發明第二方面在於生產碳化鐵的方法，該方法包括向反應爐供應由外供入的烴氣和氫氣以及循環氣體的步驟以使鐵礦石轉化為碳化鐵，其中將烴氣與已在管式加熱器加熱過的其它反應氣體混合以便供入反應爐。 本發明第三方面在於生產碳化鐵的方法，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並加熱循環氣體，然後把所述氣體供入反應爐以使鐵礦石轉化為碳化鐵，其中烴氣和部分循環氣體的混合物是在與其它反應氣體所用加熱管分開的加熱管上加熱再與其它反應氣體混合以便供入反應爐。 優選方案是加熱管內壁上烴氣的溫度不高於烴氣的熱分解溫度，烴氣是從外部供入的，更好的所述溫度是在350-650℃範圍內。 根據本發明，向反應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)還原和滲碳而轉化成碳化鐵(Fe3C)，所述氣體已在加熱器內被加熱到預定溫度並供入反應爐。然後使碳化鐵由反應爐的排出口排出。反應後氣體在反應爐中經循環迴路循環。由於在該反應中消耗了相當數量的還原氣體和滲碳氣體，所以要向該反應體系供應預定量的還原氣體成分和滲碳氣體成分。然而，如滲碳氣體被加熱到高溫時，因在滲碳氣體中所含的烴的熱分解而產生活性炭。上述活性炭與加熱器的構成部件的加熱管用材料的金屬成分反應而形成金屬碳化物。如形成的金屬碳化物呈過飽和狀態，則碳從金屬碳化物中分離。同時，加熱管的金屬成分會剝離。 但是，按照本發明，由於滲碳氣體(或烴氣和部分循環氣體的混合物)與循環氣體或還原氣體分開加熱，所以有可能在加熱滲碳氣體的過程中滲碳氣體不發生熱分解而在加熱管上沒有金屬碳化物形成。尤其是，滲碳氣體的加熱溫度在350-650℃範圍內時，形成的金屬碳化物低於在其它溫度下形成的碳化物。因此，有可能延長加熱管的壽命。 根據本發明，由於在用於加熱供給反應爐還原氣體和滲碳氣體的管式加熱器內控制金屬碳化物的形成，所以加熱管的金屬成分不會剝離而有可能延長加熱管的壽命。
圖1是說明適於實施本發明生產碳化鐵方法的設備的優選實施例的示意圖；圖2是示於圖1的管式加熱器的部分放大圖；圖3是用於現有技術生產碳化鐵的設備的實施例示意圖；圖4是示於圖3的管式加熱器的部分放大 實施本發明的最好方式在下文，將描述本發明的優選實施方案。圖1是說明適於實施本發明生產碳化鐵方法的設備的優選實施例的示意圖。圖1與圖3共用相同的標號。圖1與圖3的區別在於由供應天然氣的管線8分出的管線9a連接到管式加熱器6的後面。也就是說，正如圖2所示，流經管線9a的天線氣是在和循環氣體、和還原氣體流經的加熱管14分開的加熱器6中的加熱管加熱的。如上所述，由於管線9a是通過用於加熱加熱管14的燃燒氣體(G)加熱的，所以管線9a的溫度保持在350-650℃的溫度範圍內。結果，使流經管線9a的天然氣難於產生熱分解作用，從而控制了活性碳的產生。因此，也控制了因管線9a和加熱管14內部的滲碳而產生的金屬碳化物，並使管線9a和加熱管14的金屬成分不會剝離。 此外，在圖1中，有可能使部分循環氣體與流經管線9a的天然氣混合併如上所述通過用於加熱加熱管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繞過加熱器6而不流經管式加熱器6(含於管線9a的氣體不在加熱器6加熱)並且管線9a連接在加熱器6的後面。工業用途由於本發明具有上述結構，所以本發明的設備適合用作生產碳化鐵的設備，其中金屬碳化物難以在用於加熱供給反應爐的還原氣體和滲碳氣體的管式加熱器的加熱管內部形成。
權利要求
1.一種生產碳化鐵的方法，該法包括的步驟有在管式加熱器上加熱從外部供應的烴氣和氫氣並加熱循環氣體，然後把所述氣體供入反應爐以使鐵礦石轉化為碳化鐵，其中只有烴氣是在與其它反應氣體用的加熱管分開的加熱管加熱，然後與其它反應氣體混合以供入反應爐。 2.一種生產碳化鐵的方法，該法包括向反應爐供入從外部供應的烴氣和氫氣以及循環氣體的步驟，以使鐵礦石轉化為碳化鐵，其中烴氣與在管式加熱器加熱的其它反應氣體混合，以便供入反應爐。 3.一種生產碳化鐵的方法，該法包括的步驟有在管式加熱器上加熱從外部供應的烴氣和氫氣和加熱循環氣體，然後把所述氣體供入反應爐以使鐵礦石轉化為碳化鐵，其中烴氣和部分循環氣體的混合物在與其它反應氣體用的加熱管分開的加熱管上加熱然後與其它反應氣體混合以便供入反應爐。 4.按權利要求1或3所述生產碳化鐵的方法，其中在加熱管的內壁上的從外部供應的烴氣的溫度不高於烴氣的熱分解溫度。
全文摘要
本發明公開一種生產碳化鐵的方法,其中金屬碳化物難以在用於加熱供入反應爐的還原氣體和滲碳氣體的管式加熱器的加熱管內形成。供入反應爐1的滲碳氣體通過用於加熱還原氣體和循環氣體的燃燒氣體在管式加熱器6加熱,然後向反應爐1供應含滲碳氣體,還原氣體和循環氣體的混合物。含鐵原料在反應爐1中被還原和滲碳。 文檔編號C21B13/00GK1248959SQ9880292 公開日2000年3月29日 申請日期1998年2月25日 優先權日1997年2月28日 發明者內山義雄, 井上英二, 中谷純也, 宮下虎勝, 中澤輝幸, 仁王彰夫 申請人:川崎重工業株式會社, 三菱商事株式會社