專利名稱：碳化鐵生產(chǎn)工藝的操作控制方法
專利說(shuō)明碳化鐵生產(chǎn)工藝的操作控制方法 本發(fā)明涉及一種在生產(chǎn)碳化鐵的過(guò)程中設(shè)置適當(dāng)工藝條件的方法，該方法適合于生產(chǎn)主要成分為碳化鐵(Fe3O)的煉鐵和煉鋼的原料，如在電爐中煉鋼的原料告等。生產(chǎn)鋼的常規(guī)方法包括以下步驟使用鼓風(fēng)爐把鐵礦石轉(zhuǎn)化為生鐵，然后使用平爐或轉(zhuǎn)爐將生鐵轉(zhuǎn)化為鋼。這種常規(guī)方法需要大量的能量和大規(guī)模的設(shè)備，生產(chǎn)成本很高。因此，小批生產(chǎn)鋼時(shí)，使用了包括將鐵礦石直接轉(zhuǎn)化為可在煉鋼爐中使用的原料及在電爐中將原料轉(zhuǎn)化為鋼等步驟在內(nèi)的方法。在直接生產(chǎn)鋼的工藝過(guò)程中，使用了直接還原工藝將鐵礦石轉(zhuǎn)化為還原態(tài)鐵的方法，但由直接還原工藝得到的還原態(tài)鐵活性很高，會(huì)與空氣中的氧反應(yīng)并放出熱量。因此，在運(yùn)輸或儲(chǔ)存還原鐵的過(guò)程中需用惰性氣體或其它方式密封還原鐵。因此，高含鐵(Fe)量、低反應(yīng)活性、易于運(yùn)輸和儲(chǔ)存的碳化鐵最近被用作在電爐中生產(chǎn)鋼的含鐵原料。
而且，以碳化鐵為主要成分的生產(chǎn)鋼或鐵的原料雖然不易運(yùn)輸和儲(chǔ)存，而且也有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即與鐵結(jié)合的碳可用作生產(chǎn)鋼或鐵的燃料，也可用作氣泡發(fā)生源，氣泡可加速生產(chǎn)鋼的反應(yīng)過(guò)程。因此，以碳化鐵為主要成分的生產(chǎn)鋼或鐵的原料最近引起了人們的特殊興趣。
根據(jù)生產(chǎn)碳化鐵的常規(guī)方法，將細(xì)粒的鐵礦石加料到流化床反應(yīng)器中，然后在預(yù)定的溫度下，與含有還原氣體(如H2)和滲碳?xì)怏w(如甲烷等)的氣體混合物反應(yīng)。因此，鐵礦石中的氧化鐵(如，赤鐵礦(Fe2O3)，磁鐵礦(Fe3O4)，方鐵礦(FeO)在單一的工藝(即在一個(gè)反應(yīng)器中同時(shí)引入還原氣體和滲碳?xì)怏w的工藝)中還原和滲碳。如在國(guó)際專利申請(qǐng)(PCT/US91/05198)的日文譯本公開(kāi)號(hào)No.6-501983中描述了本發(fā)明領(lǐng)域的現(xiàn)有方法。
碳化鐵的生產(chǎn)過(guò)程可以下述反應(yīng)通式表述
在單一工藝中，應(yīng)同時(shí)考慮還原反應(yīng)和滲碳反應(yīng)。另外，不能使用適宜于每種反應(yīng)的反應(yīng)氣體組合物和反應(yīng)氣體溫度。結(jié)果，反應(yīng)時(shí)間(轉(zhuǎn)化為碳化鐵的時(shí)間)延長(zhǎng)。與常規(guī)方法相比，該方法需較長(zhǎng)時(shí)間得到一定的用于生產(chǎn)鋼的原料。因此，其缺陷是為提高單位時(shí)間產(chǎn)量需增加設(shè)備。
本發(fā)明人曾提出有關(guān)生產(chǎn)碳化鐵的方法和設(shè)備的新技術(shù)的專利申請(qǐng)(日本專利申請(qǐng)?zhí)朜o.8-30985)，該申請(qǐng)中的方法可在每一步操作中進(jìn)行各種反應(yīng)，增加操作彈性、縮短反應(yīng)時(shí)間和減少反應(yīng)氣用量。這個(gè)發(fā)明涉及一種用于生產(chǎn)碳化鐵的方法，包括將主要成分為赤鐵礦的鐵礦石部分還原的第一反應(yīng)步驟和將鐵礦石進(jìn)一步還原和滲碳的第二反應(yīng)步驟。該發(fā)明消除了傳統(tǒng)的碳化鐵的生產(chǎn)方法中的所有缺點(diǎn)，具有劃時(shí)代的意義。
然而，即使以兩步法生產(chǎn)碳化鐵，也經(jīng)常無(wú)法得到含有目標(biāo)化合物的碳化鐵產(chǎn)品。
理由如下。在碳化鐵的生產(chǎn)工藝中需要考慮很多參數(shù)，如反應(yīng)氣組分、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力等。有時(shí)，稍微改變反應(yīng)參數(shù)，就會(huì)得到不需要的產(chǎn)品(如碳化鐵的轉(zhuǎn)化率較低)。如果反應(yīng)參數(shù)超出常數(shù)范圍，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生游離碳。
還提出了一種控制碳化鐵質(zhì)量的方法，其特征在于用M
ssbauer分析法檢測(cè)所得的成分是否合格以便在一個(gè)常數(shù)范圍內(nèi)控制碳化鐵的成分，如果組分沒(méi)有在允許的范圍內(nèi)，可以改變反應(yīng)參數(shù)(例如，見(jiàn)U.S.patentNo.5073194，PCT/US91/05188)。但M
ssbauer分析儀有一個(gè)缺點(diǎn)，即為提高精確度，測(cè)量需很長(zhǎng)時(shí)間(1～4小時(shí))。因此，不可能采取與反應(yīng)器中迅速變化的條件相應(yīng)的行動(dòng)。
考慮到上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的一個(gè)目的是要提供一個(gè)生產(chǎn)碳化鐵工藝的控制方法，該方法通過(guò)兩步反應(yīng)法得到含有目標(biāo)組分的碳化鐵產(chǎn)品。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的特征在于經(jīng)第一步反應(yīng)后所得到的還原度的改變是基于第一步反應(yīng)所得到的還原度與第二步反應(yīng)所得到的碳化鐵收率(下文稱為IC比)有一定的關(guān)系的認(rèn)識(shí)，因此可以調(diào)整第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率。
本發(fā)明提供了一種碳化鐵生產(chǎn)工藝的操作控制方法，包括將不同的用于煉鐵的含鐵原料部分還原的第一步反應(yīng)，及繼續(xù)還原和滲碳的第二反應(yīng)步驟，其特征為第一步反應(yīng)過(guò)程中，在反應(yīng)器的出口端取樣用于測(cè)定固體樣品的還原度，調(diào)節(jié)能夠改變第一步反應(yīng)還原度的反應(yīng)參數(shù)，從而改變第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率。
一般而言，如果第一步反應(yīng)的還原度降低，則第二步反應(yīng)中生產(chǎn)碳化鐵的時(shí)間延長(zhǎng)。換言之，第一步反應(yīng)的還原度升高，則第二步反應(yīng)的所需生產(chǎn)碳化鐵的時(shí)間縮短。尤其是，預(yù)定的含鐵原料在兩步反應(yīng)中發(fā)生還原和滲碳反應(yīng)時(shí)，假定反應(yīng)時(shí)間一定，如果第一步反應(yīng)的還原度降低，則第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率也降低，如果第一步反應(yīng)的還原度升高，則第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率也升高。因此，第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率可通過(guò)調(diào)節(jié)可改變第一步反應(yīng)的還原度的參數(shù)來(lái)控制，如上述的反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、反應(yīng)氣組分、流化床高度等。測(cè)定固體樣品的還原度的方法包括固體成分分析法。但X射線衍射法需較長(zhǎng)時(shí)間。因此，需預(yù)先得到磁導(dǎo)率與還原度的函數(shù)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上，測(cè)量磁導(dǎo)率從而很容易而快速地測(cè)出樣品的還原度。
固體樣品可在第一步反應(yīng)的反應(yīng)器的中部反應(yīng)室和后部反應(yīng)室之間取樣，代替第一步反應(yīng)的反應(yīng)器的出口端的，根據(jù)固體樣品的還原度與第一步反應(yīng)的還原度調(diào)節(jié)可改變第一步反應(yīng)還原度的反應(yīng)參數(shù)，因此也改變了第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率。當(dāng)?shù)谝徊椒磻?yīng)的反應(yīng)器內(nèi)部被分成很多反應(yīng)室時(shí)，如果在第一步反應(yīng)反應(yīng)器的中部與后部反應(yīng)室之間取樣測(cè)其還原度，則可及早檢測(cè)出含鐵原料的變化(如鐵礦石中含水量波動(dòng)引起的預(yù)熱溫度的變化)。根據(jù)固體樣品的還原度與第一步反應(yīng)后的還原度的關(guān)系，適當(dāng)調(diào)節(jié)第一步反應(yīng)器的反應(yīng)條件(反應(yīng)溫度、壓力、流化床高度等)，從而改變第一步反應(yīng)后的還原度。因此可以控制第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率。
固體樣品同樣，可在第二步反應(yīng)過(guò)程中，于反應(yīng)器的中間和后部反應(yīng)室之間取樣，代替在第一步反應(yīng)反應(yīng)器的出口端的固體樣品，根據(jù)固體樣品的碳化鐵收率與第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率的關(guān)系，調(diào)節(jié)可改變第二步反應(yīng)的碳化鐵收率的參數(shù)，從而調(diào)節(jié)第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率。當(dāng)?shù)诙椒磻?yīng)的反應(yīng)器被分成很多反應(yīng)室時(shí)，如上所述，如果在第二步反應(yīng)的反應(yīng)器的中部和后部反應(yīng)室之間取樣測(cè)其碳化鐵收率，可及早檢測(cè)出含鐵原料的條件變化(如由鐵礦石中含水量的變化引起的預(yù)熱溫度的變化)。根據(jù)固體樣品的碳化鐵收率與第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率的關(guān)系，適當(dāng)調(diào)節(jié)第二步反應(yīng)的反應(yīng)器內(nèi)的操作條件(如反應(yīng)溫度、壓力、流化床高度等)，從而控制第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率。
在上升氣流反應(yīng)室到中部反應(yīng)室之間(靠近反應(yīng)器的入口端)，反應(yīng)不均勻。因此，所取固體樣品的成分變化很大?；谏鲜鲈?，反應(yīng)器的前部到中部不是取樣的合適位置。如上所述，最好在反應(yīng)器的中部和后部之間取樣。
或者，不分析固體樣品的還原度，但在反應(yīng)器出口端混合后分析出口氣體組成，再與入口氣體組成相比較。因此可確定反應(yīng)進(jìn)程。在第一步反應(yīng)中，可以在反應(yīng)器的第一個(gè)和最后一個(gè)反應(yīng)室之間的每一個(gè)反應(yīng)室中對(duì)廢氣取樣代替第一步反應(yīng)反應(yīng)器出口端的固體取樣，根據(jù)廢氣的組成與第一步反應(yīng)后的還原度的關(guān)系調(diào)節(jié)第一步反應(yīng)反應(yīng)器中的氣體組成，從而調(diào)節(jié)第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率。當(dāng)?shù)谝徊椒磻?yīng)的反應(yīng)器被分成很多反應(yīng)室時(shí)，優(yōu)選分析每個(gè)反應(yīng)室的氣體組分來(lái)檢測(cè)每個(gè)反應(yīng)室中反應(yīng)的變化。如上所述，分析每個(gè)反應(yīng)室中廢氣組成的變化以便于高度準(zhǔn)確地估計(jì)反應(yīng)進(jìn)程，及早檢測(cè)出反應(yīng)異常。因此，對(duì)應(yīng)廢氣的組分與第一步反應(yīng)后的還原度的相互關(guān)系適當(dāng)調(diào)節(jié)第一步反應(yīng)的反應(yīng)器中的廢氣組成，因此改變第一步反應(yīng)后的還原度。從而控制第二步反應(yīng)后的還原度。
而且，可以在第二步反應(yīng)的反應(yīng)器的第一個(gè)反應(yīng)室和最后一個(gè)反應(yīng)室之間的任一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)對(duì)廢氣取樣來(lái)代替第一步反應(yīng)的反應(yīng)器出口處的對(duì)固體取樣，還可以根據(jù)廢氣組分與第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率的關(guān)系調(diào)節(jié)第二步反應(yīng)的的反應(yīng)器的氣體組分，從而調(diào)節(jié)第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率。當(dāng)?shù)诙椒磻?yīng)的反應(yīng)器被分成很多反應(yīng)室時(shí)，如上所述可以分析每個(gè)反應(yīng)室的氣體組分，以此來(lái)準(zhǔn)確地估計(jì)反應(yīng)程度，并及早發(fā)現(xiàn)反應(yīng)器的異常情況。因此，應(yīng)根據(jù)廢氣組分與第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率的關(guān)系來(lái)適當(dāng)調(diào)整第二步反應(yīng)的反應(yīng)器中的氣體組分，從而可以控制第二步反應(yīng)后的碳化鐵收率。
根據(jù)上述本發(fā)明，在流化床反應(yīng)器中生產(chǎn)碳化鐵，部分還原后，可在適當(dāng)條件下繼續(xù)進(jìn)行兩步反應(yīng)從而進(jìn)行深度還原和滲碳反應(yīng)，得到含有目標(biāo)組分的碳化鐵產(chǎn)品。
根據(jù)本發(fā)明如果產(chǎn)品組分超出了目標(biāo)產(chǎn)品組分，應(yīng)根據(jù)流化床的狀態(tài)適當(dāng)選擇操作條件，以使流化床便于控制。
此處，在本發(fā)明中使用矩形(錯(cuò)流)移動(dòng)床反應(yīng)器可與流化床反應(yīng)器得到同樣的效果。

圖1是本發(fā)明中使用的生產(chǎn)碳化鐵的實(shí)驗(yàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的生產(chǎn)碳化鐵的具體實(shí)驗(yàn)設(shè)備示意圖；圖3是流化床反應(yīng)器的氣體取樣口的放大圖。參考附圖，本發(fā)明的實(shí)施方案描述如下。
1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備本發(fā)明的用于生產(chǎn)碳化鐵方法的實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括流化床反應(yīng)器1和外圍設(shè)備，見(jiàn)圖1。流化床反應(yīng)器1通常為圓柱型，外部帶有電加熱器2可設(shè)置預(yù)定溫度。流化床反應(yīng)器1的主要部分為50A的管道(通常尺寸，外經(jīng)60.5mm)。另外，沿著流化床反應(yīng)器1的長(zhǎng)度方向分別安裝測(cè)溫傳感器3a，3b，3c，3d，3e和3f，安裝位置分別為距離流化床反應(yīng)器1的底部127mm，187mm，442mm，697mm，1707mm和流化床的頂部，以便測(cè)量流化床反應(yīng)器1內(nèi)的溫度。
加料漏斗4通過(guò)閉鎖料斗6及管線7與流化床反應(yīng)器1的頂部相連，閉鎖料斗6的前部和后部帶有閥門5。這樣顆粒細(xì)小的原料(如主要成分為赤鐵礦(Fe2O3)的鐵礦石)在密封狀態(tài)下由加料漏斗4流入流化床反應(yīng)器1。另外，附帶制冷器8的管線9與流化床反應(yīng)器1的底部相連，以便冷卻和排出流化床反應(yīng)器1的原料。流化床反應(yīng)器1的底部通過(guò)管線11和12與儲(chǔ)氣罐10相連，以使儲(chǔ)氣罐10中含有預(yù)定組分的反應(yīng)氣能夠進(jìn)入流化床反應(yīng)器1。而且，飽和器13位于管線11和12之間，以水飽和反應(yīng)氣。
管線14、15、16與流化床反應(yīng)器1的上部順行相連，以便向燃燒器中導(dǎo)入反應(yīng)后產(chǎn)生的廢氣(無(wú)圖示)。另外，由安裝在管線14和15之間的集塵器17和安裝在管線15上的過(guò)濾器18除去廢氣中的粉塵狀原料。由安裝在管線15上的氣體冷卻器19冷卻廢氣，冷凝水由排水分離器19a分離。
(2)實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果本發(fā)明的由主要含有赤鐵礦(Fe2O3)的鐵礦石生產(chǎn)碳化鐵的實(shí)驗(yàn)分為部分還原及深度還原與滲碳反應(yīng)兩個(gè)部分，即用主要含有氫氣的還原氣還原鐵礦石的第一步反應(yīng)和主要含有氫氣和甲烷的還原氣和滲碳?xì)怏w混合物處理鐵礦石的第二步反應(yīng)。鐵礦石中赤鐵礦(Fe2O3)占總重量的97.3％，F(xiàn)eO占總重量的1.4％，F(xiàn)e占總重量的1.3％，礦石顆粒大小為1.0mm或更小。將3.52kg鐵礦故事石加入流化體反應(yīng)器中。流化床反應(yīng)器1內(nèi)壓為3～4kgf/cm2G(G為表壓)，溫度為590～650℃。原料(鐵礦石)組成和反應(yīng)氣的變化見(jiàn)下表1。在表1中，表明反應(yīng)氣組分變化的(出口-入口)代表″由(反應(yīng)期間流化床反應(yīng)器1的出口端的平均值)減去(反應(yīng)期間流化床反應(yīng)器1的入口端的平均值)″，以上平均值用在線氣相色譜法分析得到。換句話說(shuō)，出口值＝反應(yīng)期間流化床反應(yīng)器1出口端的平均值；入口值＝反應(yīng)期間流化床反應(yīng)器1入口端的平均值。表1中，起始階段為第一步反應(yīng)，中間和后面階段為第二步反應(yīng)。
表1
表1的數(shù)值清楚地表明了原料在第一反應(yīng)階段被部分還原，在第二反應(yīng)階段繼續(xù)還原和滲碳。轉(zhuǎn)化率達(dá)到93％或更高需6.25小時(shí)，這適于碳化鐵產(chǎn)品。尤其是，在3-4kgf/cm2G的壓力和590-650℃的壓力下表1中的原料用主要成分為氫氣的還原氣體第一反應(yīng)階段和使用還原和滲碳?xì)怏w混合物(含有氫氣和甲烷)進(jìn)行第二反應(yīng)階段，這種情況下，可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品的碳化鐵的轉(zhuǎn)化率在反應(yīng)開(kāi)始后6.25小時(shí)達(dá)到93.2％(以下指分批反應(yīng)數(shù)據(jù))。還原和滲碳?xì)怏w混合物主要是氫氣和甲烷。
操作條件，如投料量、壓料組成、反應(yīng)氣組成、氣體流速、反應(yīng)壓力、反應(yīng)溫度等在每一個(gè)具體的流化床反應(yīng)器中都為設(shè)定值，反應(yīng)器的每個(gè)反應(yīng)室的停留時(shí)間分布為常數(shù)。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，可以事先確定流化床的預(yù)定操作條件下的轉(zhuǎn)化率。停留時(shí)間分布有以下含義在流化床反應(yīng)器中有很多反應(yīng)室，原料在每個(gè)反應(yīng)室有不同的反應(yīng)器停留時(shí)間。如果操作條件一定，則反應(yīng)器停留時(shí)間的組合也為常數(shù)。如在某些反應(yīng)室的25％的原料的反應(yīng)器停留時(shí)間為1～1.5小時(shí)，50％的原料的反應(yīng)器停留時(shí)間為1.5～2小時(shí)，25％的原料的反應(yīng)器停留時(shí)間為2～2.5小時(shí)，這些不同的停留時(shí)間組合成為停留時(shí)間分布。因此，如果事先對(duì)不同的鐵礦石原料的實(shí)驗(yàn)得到上述分批反應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)已知流化床的轉(zhuǎn)化率隨停留數(shù)據(jù)分布和分批反應(yīng)數(shù)據(jù)的變化函數(shù)時(shí)，組成一定的原料進(jìn)入流化床反應(yīng)后，則可以預(yù)測(cè)出口處產(chǎn)品的組成。適當(dāng)選擇第一步反應(yīng)和第二步反應(yīng)的操作條件使出口處產(chǎn)品的組成保持在目標(biāo)產(chǎn)品組成范圍內(nèi)，可以得到目標(biāo)質(zhì)量的碳化鐵產(chǎn)品。
當(dāng)目標(biāo)質(zhì)量的范圍被改變或目標(biāo)質(zhì)量超出了同一范圍，可以通過(guò)校正操作條件(投料量、原料組成、反應(yīng)氣組成、反應(yīng)氣流速、反應(yīng)壓力、反應(yīng)溫度等)來(lái)控制質(zhì)量?？紤]到在一定的操作條件下可在足夠短的時(shí)間內(nèi)測(cè)定反應(yīng)的狀態(tài)值，十分有利于校正操作條件，數(shù)值的高度收斂可以有效地控制質(zhì)量，本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)一種方法，該方法具體描述如下。
作為測(cè)量固體樣品的還原度的方法，通過(guò)測(cè)量磁導(dǎo)率來(lái)估計(jì)還原度的方法優(yōu)選的，因?yàn)檫@種方法方便而快速。尤其是，如果能夠事先得到碳化鐵產(chǎn)品組成與磁導(dǎo)率的函數(shù)關(guān)系，將此函數(shù)關(guān)系做成測(cè)試曲線，以此為依據(jù)采取有效對(duì)策。例如，分析第一步反應(yīng)的反應(yīng)器出口處或從其中部至出口的固體樣品的磁導(dǎo)率，(以便控制第一步反應(yīng)的反應(yīng)器的出口處排出產(chǎn)品的還原度)，或分析第二步反應(yīng)的反應(yīng)器出口或從其中部至出口的固體樣品的磁導(dǎo)率(以便控制第二步反應(yīng)后的產(chǎn)品質(zhì)量(碳化鐵收率))。如果磁導(dǎo)率偏離測(cè)試曲線的優(yōu)選范圍，反應(yīng)氣組成或反應(yīng)溫度將以下述方式變化。因此，可得到含有目標(biāo)組成的碳化鐵產(chǎn)品。
通過(guò)在第一步反應(yīng)的還原氣體中加入甲烷，改變混合氣中氫氣的比例。因此，可以控制要達(dá)到第一步反應(yīng)的還原度和預(yù)定還原度所需要的時(shí)間。在第二步反應(yīng)的還原氣體和滲碳?xì)怏w中加入氫氣和甲烷，可以改變混合氣中氫氣與甲烷的比例。因此，可以控制要達(dá)到第二步反應(yīng)的滲碳率(碳化鐵的轉(zhuǎn)化率)及預(yù)定滲碳率所需要的時(shí)間。在這種情況下，如果在每一反應(yīng)階段，在反應(yīng)器的中部取樣，磁導(dǎo)率變化很大，很容易確定操作狀態(tài)。及早檢測(cè)反應(yīng)器出口的產(chǎn)品質(zhì)量可以提高質(zhì)量控制的有效性。而且，提高實(shí)施上述反應(yīng)過(guò)程可以控制最終產(chǎn)品的滲碳率、殘?jiān)趸F的數(shù)量和形式。
優(yōu)選第一反應(yīng)階段的反應(yīng)溫度為550～750℃。如果反應(yīng)溫度低于550℃，反應(yīng)速率很低，反應(yīng)時(shí)間很長(zhǎng)。如果反應(yīng)溫度高于750℃，又會(huì)帶來(lái)反應(yīng)器的耐熱問(wèn)題。赤鐵礦的還原反應(yīng)在600～700℃之間可能會(huì)引起燒結(jié)問(wèn)題，而且反應(yīng)燒結(jié)延長(zhǎng)。因此，反應(yīng)的常規(guī)溫度為大約590℃，低于上述溫度范圍。根據(jù)本發(fā)明，將還原反應(yīng)分為兩步，第一步反應(yīng)的還原度沒(méi)有顯著升高。因此，即使反應(yīng)溫度升高，也不會(huì)引起燒結(jié)，反應(yīng)速率也不會(huì)下降。
第二步反應(yīng)為同時(shí)進(jìn)行深度還原和滲碳反應(yīng)。與只有還原反應(yīng)相比，此時(shí)更不容易引起燒結(jié)。因此，優(yōu)選稍高的反應(yīng)溫度，即610～750℃以便縮短反應(yīng)時(shí)間。有時(shí)希望在碳化鐵產(chǎn)品中除了碳化鐵以外的成分中包括最穩(wěn)定的Fe3O4。這樣，反應(yīng)可以在575℃或更低的溫度下進(jìn)行，這時(shí)沒(méi)有不穩(wěn)定的FeO生成，如第二步反應(yīng)的溫度范圍設(shè)為550～570℃，生成的剩余鐵只有Fe3O4。(從反應(yīng)通式可以看出)反應(yīng)氣中的水隨還原反應(yīng)和滲碳反應(yīng)而增加。如果能知道反應(yīng)氣中的水量，則可以檢測(cè)反應(yīng)進(jìn)行的程度。如果以在線氣相色譜法分析反應(yīng)氣中的水，則可以采取各種措施由H2O值測(cè)定反應(yīng)進(jìn)行的程度，從而可以控制反應(yīng)進(jìn)程。
有時(shí)，反應(yīng)速率快于或慢于表1，這取決于鐵礦石的種類，見(jiàn)表2。在表2中，“反應(yīng)快”表示表1中1.25小時(shí)后得到的組成設(shè)為初始值，2小時(shí)的反應(yīng)在1小時(shí)內(nèi)完成的情形，“反應(yīng)慢”表示表1中1.25小時(shí)后得到的組成設(shè)為初始值，0.5小時(shí)的反應(yīng)在1小時(shí)內(nèi)完成。
表2
表2也使用了與表1相同的方法測(cè)定反應(yīng)進(jìn)行的程度。
(3)生產(chǎn)設(shè)備概述圖2為適于本發(fā)明的生產(chǎn)碳化鐵的方法的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。生產(chǎn)設(shè)備包括用于將含鐵原料部分還原的第一步反應(yīng)的設(shè)備20、用于深度還原和滲碳反應(yīng)的第二步反應(yīng)的設(shè)備40。第一步反應(yīng)的設(shè)備20包括管線21和22、壓縮機(jī)23、管線24、熱交換器25、管線26、加熱器27、管線28、流化床反應(yīng)器29、管線30、熱交換器25、管線31、洗滌塔32和線圈形的管線33。反應(yīng)氣經(jīng)管線22、壓縮機(jī)23、管線24、熱交換器25、管線26、加熱器27和管線28通入流化床反應(yīng)器29底部的進(jìn)氣口，，再由流化床反應(yīng)器29上部出氣口順序到管線30、熱交換器25、管線31、洗滌塔32、管線33、管線21和22，形成一個(gè)第一步反應(yīng)的反應(yīng)氣循環(huán)回路。盡管氣體經(jīng)過(guò)每個(gè)設(shè)備時(shí)壓力下降，可以通過(guò)壓縮機(jī)23加壓，以使反應(yīng)氣能夠保持循環(huán)。進(jìn)入流化床反應(yīng)器29的氣體通過(guò)熱交換器25與流出流化床反應(yīng)器29的氣體交換熱量，再由加熱器27加熱到適宜的反應(yīng)溫度。洗滌塔32，包括空心塔34、將水加入反應(yīng)氣中的管線35、以空心塔34中脫水的管線36，其作用是冷卻流出流化床反應(yīng)器29的氣體并冷凝或除去氣體中的水蒸汽。而且，含有預(yù)定組成的反應(yīng)氣通過(guò)管線37供入循環(huán)回路，該管線37與管線21和22接觸的部分相連。另外，預(yù)定量的氣體可通過(guò)管線38排放出循環(huán)系統(tǒng)，該管線38與管線33和21接觸的部分相連。通過(guò)調(diào)整供氣量和排氣量，可以確定進(jìn)入反應(yīng)器29的防止反應(yīng)氣組成及反應(yīng)氣組成的變化和反應(yīng)速率下降。
第二階段反應(yīng)設(shè)備40的反應(yīng)氣流動(dòng)與第一階段反應(yīng)設(shè)備20中相同。因此，其相同部分的參考號(hào)是在第一步反應(yīng)設(shè)備20的參考號(hào)數(shù)值上加上20？相同部分的描述省略。
原料進(jìn)入反應(yīng)器的順序如下在第一反應(yīng)階段，顆粒細(xì)小的鐵礦石原料不斷地通過(guò)管線60進(jìn)入流化床反應(yīng)器29，全部鐵礦石都發(fā)生部分還原反應(yīng)后通過(guò)管線61不斷地從流化床反應(yīng)器29的底部進(jìn)入第二反應(yīng)階段的設(shè)備40的流化床反應(yīng)器49。在流化床反應(yīng)器49中，進(jìn)行深度還原和滲碳反應(yīng)，得到的碳化鐵由管線62放出。
在第一階段反應(yīng)期間只考慮還原反應(yīng)已經(jīng)足夠，因此，第一階段的還原氣大部分為氫氣。增加氫氣的濃度和加快還原反應(yīng)速率，可比現(xiàn)有技術(shù)縮短反應(yīng)時(shí)間。由于在第二反應(yīng)階段同時(shí)考慮還原反應(yīng)和滲碳反應(yīng)，因此使用了氫氣和甲烷的混合氣體。然而，在第一反應(yīng)階段只發(fā)生部分還原反應(yīng)，所以滲碳反應(yīng)很重要?？稍黾蛹淄榈臐舛忍岣邼B碳反應(yīng)速率，縮短反應(yīng)時(shí)間。在第一反應(yīng)階段可加入一定量的甲烷來(lái)降低反應(yīng)氣中氫氣的濃度，控制還原反應(yīng)的速率。通過(guò)調(diào)整第二反應(yīng)階段的反應(yīng)氣中甲烷的濃度來(lái)控制滲碳反應(yīng)速率及得到預(yù)定滲碳率所需要的反應(yīng)時(shí)間，還可減少游離碳沉積。
圖3為流化床反應(yīng)器的氣體取樣口的放大圖。在圖3中，吸入口71的位置低于流化床的隔墻73的上部74，相對(duì)于流化床反應(yīng)器的邊墻72形成斜角。優(yōu)選吸入口71的吸入管線75的角度應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原料靜止時(shí)的角度。優(yōu)選不吸入大量的空氣及在沒(méi)有10μ或更大的顆粒存在時(shí)，設(shè)定氣體流速。優(yōu)選增加吸入管線75上的閥門76與吸入口71之間的距離，通過(guò)熱輻射降低閥門76的溫度。過(guò)濾器78由玻璃棉制成，安裝在位于閥門76后部的粉塵分離器77的內(nèi)部，因此可以除去粉塵。閥門79安裝在粉塵分離器77的底部，上有粉塵罐。優(yōu)選氣體由安裝在粉塵分離器77上部的閥門81的排出量為100ml/分鐘。為防止發(fā)生排水，優(yōu)選將粉塵分離器77、其它附屬閥門等安裝在熱穩(wěn)定的箱中。
使用具有上述結(jié)構(gòu)的氣體取樣設(shè)備，在第一反應(yīng)階段時(shí)，在反應(yīng)器的入口到出口之間的每一個(gè)反應(yīng)室對(duì)廢氣取樣(為控制第一反應(yīng)階段的反應(yīng)器出口處產(chǎn)品的部分還原度)，或在第二反應(yīng)階段在反應(yīng)器的入口到出口的每一個(gè)反應(yīng)室對(duì)廢氣取樣(為控制第二反應(yīng)階段的產(chǎn)品質(zhì)量(IC比))，用氣相色譜法法分析氣體組成。如果氣體組成偏離優(yōu)選值，可通過(guò)改變第一反應(yīng)階段和第二反應(yīng)階段的氣體組成來(lái)控制產(chǎn)品質(zhì)量(碳化鐵收率)。本發(fā)明如上所述，適合于以兩步反應(yīng)法生產(chǎn)含有目標(biāo)組成的碳化鐵產(chǎn)品的設(shè)備。1、29、49-流化體反應(yīng)器；20-第一級(jí)反應(yīng)部分；23、43-壓縮機(jī)；25、45-熱交換器；27、47-加熱器；32、52-洗滌器；40-第二級(jí)反應(yīng)部分。
權(quán)利要求
1.一種用于控制生產(chǎn)碳化鐵的操作過(guò)程的方法，包括以下步驟第一反應(yīng)階段，即將不同的用于煉鐵的含鐵原料部分還原；及第二反應(yīng)階段，即深度還原和滲碳反應(yīng)；在第一反應(yīng)階段反應(yīng)器的出口取固體樣品，分析其還原度；和調(diào)節(jié)能夠改變第一反應(yīng)階段的還原度的參數(shù)，從而調(diào)整在第二反應(yīng)階段后得到的碳化鐵收率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)碳化鐵的操作的控制方法，其中，取固體樣品的位置在第一階段反應(yīng)的反應(yīng)器的中部和后部之間，而不是第一階段反應(yīng)器的出口處；和根據(jù)固體樣品還原度與第一反應(yīng)階段的還原度的關(guān)系調(diào)節(jié)能夠改變第一階段還原度的操作參數(shù)；從而控制第二階段后所得到的碳化鐵收率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)碳化鐵的操作的控制方法，其中，固體取樣位置位于第二反應(yīng)階段的反應(yīng)器的中部和后部，而不是在第一反應(yīng)器反應(yīng)器的出口處；和根據(jù)固體樣品的碳化鐵收率與第二反應(yīng)階段的碳化鐵收率的關(guān)系調(diào)節(jié)能夠改變第二反應(yīng)階段后得到的碳化鐵收率的參數(shù)；從而控制第二反應(yīng)階段后的碳化鐵收率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)碳化鐵的操作的控制方法，其中在第一反應(yīng)階段的反應(yīng)器的第一和最后反應(yīng)室之間的每一個(gè)反應(yīng)室對(duì)廢氣取樣代替在第一反應(yīng)階段的反應(yīng)器的出口的固體樣品；和根據(jù)廢氣組成與第一階段反應(yīng)后的還原度的關(guān)系調(diào)節(jié)第一階段反應(yīng)的反應(yīng)器的氣體組成；從而控制第二階段反應(yīng)后的碳化鐵收率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)碳化鐵的操作的控制方法，其中在第二階段反應(yīng)的反應(yīng)器的第一個(gè)和最后一個(gè)反應(yīng)室之間的每一個(gè)反應(yīng)室對(duì)廢氣取樣代替在第一階段反應(yīng)的反應(yīng)器的出口對(duì)固體取樣；和根據(jù)廢氣組成與第二階段反應(yīng)后的碳化鐵收率的關(guān)系調(diào)節(jié)第二階段反應(yīng)的氣體組成；從而控制第二階段反應(yīng)后的碳化鐵收率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于控制生產(chǎn)碳化鐵的操作過(guò)程的兩階段反應(yīng)法,所述碳化鐵產(chǎn)品含有目標(biāo)組成。第一階段反應(yīng)使含鐵原料部分還原,而第二階段反應(yīng)使原料深度還原和滲碳。在第一階段反應(yīng)的反應(yīng)器的出口對(duì)固體樣品取樣并分析樣品的還原度。調(diào)節(jié)操作參數(shù)改變第一階段反應(yīng)的還原度,從而控制第二反應(yīng)階段后的碳化鐵產(chǎn)品的收率。
文檔編號(hào)C21B15/00GK1242755SQ9880162
公開(kāi)日2000年1月26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)明者中谷純也, 內(nèi)山義雄, 井上英二, 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