專利名稱：一種用鐵精礦粉制備碳化鐵的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于碳化鐵(Fe3C)的制備方法，尤其涉及一種用鐵精礦粉制備碳化鐵的方法。
二、技術背景碳化鐵作為70年代出現的一種直接還原鐵產品，以其特有的物理性質、化學性質以及生產條件，受到廣泛關注1、以其突出的優(yōu)點受到冶金學者的關注，可以用作廢鋼的替代物；2、作為煉鋼原料，與鐵的高爐生產工藝相比，碳化鐵的生產溫度比較低，而且其生產過程的副產品主要是水，主要產品碳化鐵為固態(tài)、穩(wěn)定，易于運輸和儲存，因此，碳化鐵的生產流程作為傳統(tǒng)高爐煉鐵的工藝流程的替代流程，在能耗、環(huán)保和經濟上有很大的優(yōu)勢；3、碳化鐵獨特的電磁性能，可以用做信息材料和電磁屏蔽材料；4、碳化鐵可以用做儲氫材料。
由于上述原因，人們一直致力于碳化鐵制備的研究。碳化鐵的主要制備原理為在一定的條件下，用含有滲碳氣體的還原氣(如H2-CH4)與鐵礦石反應，制得碳化鐵。
1、利用CH4-H2系混合氣體生產碳化鐵。研究表明在650~950℃的溫度范圍內，最佳操作條件為CH4∶H2的比值為40∶60，溫度750℃，在此條件下絕大部分鐵礦石在45分鐘內都轉變成碳化鐵(Fe3C)[中川大，村山武昭，小野陽一，ほか.セメンタイトの合成に及ぼす鉄鉱石の性狀の影響.材料とプロセス，1994，785]、[中川大，村山武昭，小野陽一，ほか.セメンタイトの合成に及ぼすガス組成と溫度の影響.材料とプロセス，1995，8109]、[中川大，村山武昭，小野陽一.CH4-H2混合ガスにょるァイァンカ一バィドの製造.鉄と鋼，1996，82(4)261]；另一研究則表明[倪紅衛(wèi)，蒼大強，姜鈞普.反應溫度、氣氛對碳化鐵制備過程的影響.鋼鐵研究.1999，No.622-25]鐵礦粉與H2-CH4混合氣體反應，當溫度為700℃，氣體百分含量為50～80％H2+20～50％CH4時，碳化鐵較早生成，在前期能保持較快的轉化速度，但是在反應的后期，碳化鐵轉化較慢，且易發(fā)生碳化鐵的分解反應；當溫度為500℃、600℃，混合氣體百分含量為30～50％H2+50～70％CH4時，能得到較高的碳化鐵轉化率，但是碳化鐵開始轉化較晚，且轉化緩慢。
2、利用CO-H2混合氣體還原鐵礦石。研究表明[王光輝，姜茂發(fā)，馬強.關于碳化鐵的研究.煉鋼.1997，Vol(12)22-23]CO-H2系氣體難以直接從鐵礦石還原得到碳化鐵，加入適量的含硫氣體(如H2S)后，在550～950℃范圍內雖可以制得碳化鐵，但碳化鐵的轉化率低，且產物中帶入雜質硫。
3、利用H2-CO-CO2混合氣體制備碳化鐵。在550～700℃時，H2-CO-CO2混合氣可從鐵礦石中制得碳化鐵[王光輝，姜茂發(fā).利用COREX尾氣還原鐵礦石生產碳化鐵的實驗研究.鋼鐵.1998，Vol.33，No.118-21]，在700℃、還原氣成分20％H2+60％CO+20％CO2條件下反應4小時，碳化鐵轉化率最高可達94.02％。按此方法，雖然得到了較理想的碳化鐵轉化率，但是轉化過于緩慢。
盡管在實驗室規(guī)?？梢缘玫捷^高的碳化鐵的轉化率，但碳化鐵的轉化速度慢和產率不高還是需要解決的迫切問題。由德國魯奇公司開發(fā)的CIRCOFER)工藝(亦碳化鐵工藝)，鐵精礦粉經預熱后先在循環(huán)流化床參加反應，所得產品金屬化率可達80％，再經第二階段反應，金屬化率可達93％以上。該工藝年產50萬噸的直接還原設備1994年已在特立尼達和多巴哥美國紐柯(NUCOR)公司所屬工廠投產，但因生產過程中出現問題甚多，生產無法達到穩(wěn)定，于1999年停止工業(yè)性生產[世界金屬導報，2001年11月23日世界直接還原鐵生產新技術綜述]。1995年Grabke Hans Jurgen等發(fā)現硫對碳化鐵的穩(wěn)定性有影響[Grabke，Hans Jurgen et al.Effect of sulfur on the stability of cementite，SteelResearch，66(1995)254]。其后，名古屋工業(yè)大學的林昭二等發(fā)現H2-CH4混合氣體中添加微量H2S可以抑制游離碳的析出，提高碳化鐵的產率[Hayashi etal.Iron Carbide Synthesis by Reaction of Iron Ore with H2-CH4Gas MixturesContaining Traces of Sulfur，ISIJ Int.，37(1997)16，345]，但是硫在重整天然氣作還原氣體工藝過程中會使催化劑中毒，也會給產物帶入雜質硫，其應用受到限制。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種反應速度快、轉化率高、穩(wěn)定性好、不增加含硫雜質的用鐵精礦粉制備碳化鐵的方法為實現上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是，將含釩氧化物作為添加劑加入鐵精礦粉中，加入量為鐵精礦粉重量的1％～5％，混勻后配適量水制成球團，再將球團烘干，然后將烘干的球團放入溫度為800～900℃的爐內燒結10～20分鐘，取出冷卻至室溫；最后在溫度為700～800℃條件下與混合氣體反應，混合氣體為CH4-H2時反應30～50分鐘，混合氣體為CO-H2或H2-CO-CO2時反應90～180分鐘，反應后用惰性氣體快速冷卻至室溫。
所述的含釩氧化物或為V2O5、或為V2O3，或為V2O5、V2O3的混合物、或為V2O5、V2O3的復合氧化物。其中，V2O5、V2O3的混合物為兩者的任意比混合，V2O5、V2O3的復合氧化物中V2O5或V2O3的重量百分含量為25～75％。
所述的鐵精礦粉的重量百分含量為全鐵含量不低于64％，硫含量小于0.04％，TiO2少于0.5％；鐵精礦粉的粒度在80目以下。
所述的混合氣體或為CH4-H2、或為CO-H2、或為H2-CO-CO2；混合氣體CH4-H2的體積百分含量為60～80％H2+20～40％CH4，混合氣體CO-H2的體積百分含量為60～85％CO+15～40％H2，混合氣體H2-CO-CO2的體積百分含量為10～30％H2+50～70％CO+10～20％CO2。
由于采用上述技術，本發(fā)明具有反應速度快、轉化率高、穩(wěn)定性好、不增加含硫雜質特點。
四

圖1是本發(fā)明與無添加劑的對比示意圖；圖2是以TiO2為添加劑與無添加劑的對比示意圖。
五具體實施例方式
實施例1一種用鐵精礦粉制備碳化鐵的方法，其精礦粉化學成分如表所示。粒度為80目以下的鐵精礦粉，按鐵精礦粉重量的2％～4％配入工業(yè)用V2O5為添加劑，將兩者混合均勻；添加適量的水用造球機制成直徑8mm～10mm的球團后烘干。再把球團放入800～900℃的高溫爐中燒結10～15分鐘后取出冷卻至室溫，至此球團制備完成。
鐵精礦化學成分

碳化鐵制備方法反應容器的溫度升到700～800℃后，向反應容器內通氮氣驅趕容器內的空氣，將球團置入反應容器內，待溫度穩(wěn)定后，通入反應氣體(70％H2+30％CH4)，反應30～35分鐘后，改通氮氣快速冷卻至室溫。
對所得產品做穆斯堡耳譜分析，產品中Fe3C的轉換率為96.0％。
實施例2鐵礦粉原料與制備過程與實施例1相同，添加劑為重量百分含量為60％V2O5+40％V2O3的混合物，添加量為鐵礦粉重量的2.0％～4.5％。反應氣體為H2-CO-CO2，其體積百分含量為10～30％H2+50～70％CO+10～20％CO2。與球團反應時間為120～150分鐘后，通入氮氣快速冷卻至室溫。
對所得產品做穆斯堡耳譜分析，產品中的Fe3C轉換率為95.0％。
實施例3本實施例為對照例。
鐵礦粉原料與制備過程與實施例1相同，分別添加V2O5、TiO2，另一個不添加任何添加劑。V2O5、TiO2的分別加入量均為鐵礦粉重量的1～2％。結果如圖1、圖2所示。圖中失重率上升階段為鐵礦石的還原，從圖1、圖2可見使用添加劑V2O5或TiO2與不加添加劑對此階段反應速率均無明顯影響。圖1、圖2中失重達到最大值后產品開始增重，此階段為鐵的碳化階段。從圖1得知與不加任何添加劑相比，添加1％的V2O5后碳化速率可大大提高，與之對照的圖2添加2％的TiO2反而使鐵的碳化速率下降。相同的反應時間內(30分鐘)，添加1％的V2O5、無添加劑、添加2％的TiO2產品中的碳化鐵轉化率分別是96％、84.8％、73.2％。僅添加1％的V2O5即可使碳化鐵的轉化率提高10％以上，反應速率也得到提高。
權利要求
1.一種用鐵精礦粉制備碳化鐵的方法，其特征在于將含釩氧化物作為添加劑加入鐵精礦粉中，加入量為鐵精礦粉重量的1％～5％，混勻后配適量水制成球團，再將球團烘干，然后將烘干的球團放入溫度為800～900℃的爐內燒結10～20分鐘，取出冷卻至室溫；最后在溫度為700～800℃條件下與混合氣體反應，混合氣體為CH4-H2時反應30～50分鐘，混合氣體為CO-H2或H2-CO-CO2時反應90～180分鐘，反應后用惰性氣體快速冷卻至室溫。
2.根據權利要求1所述的用鐵精礦粉制備碳化鐵的方法，其特征在于所述的含釩氧化物或為V2O5、或為V2O3，或為V2O5、V2O3的混合物、或為V2O5、V2O3的復合氧化物。
3.根據權利要求2所述的用鐵精礦粉制備碳化鐵的方法，其特征在于所述的V2O5、V2O3的混合物為兩者的任意比混合，V2O5、V2O3的復合氧化物中V2O5或V2O3的重量百分含量為25～75％。
4.根據權利要求1所述的用鐵精礦粉制備碳化鐵的方法，其特征在于所述的鐵精礦粉的重量百分含量為全鐵含量不低于64％，硫含量小于0.04％，TiO2少于0.5％；鐵精礦粉的粒度在80目以下。
5.根據權利要求1所述的用鐵精礦粉制備碳化鐵的方法，其特征在于所述的混合氣體或為CH4-H2、或為CO-H2、或為H2-CO-CO2；混合氣體CH4-H2的體積百分含量為60～80％H2+20～40％CH4，混合氣體CO-H2的體積百分含量為60～85％CO+15～40％H2，混合氣體H2-CO-CO2的體積百分含量為10～30％H2+50～70％CO+10～20％CO2。
全文摘要
本發(fā)明屬于碳化鐵(Fe
文檔編號C01G49/00GK1807237SQ20051012059
公開日2006年7月26日 申請日期2005年12月31日 優(yōu)先權日2005年12月31日
發(fā)明者李光強, 馬江華, 秦慶偉, 倪紅衛(wèi) 申請人:武漢科技大學