CN1071202A - 用碳化铁连续生产铁碳合金 - Google Patents

Abstract

一种利用能分别限制大气和气体反应产物进出 的封闭反应器(10)来连续生产铁碳合金的方法及其 设备。一种含有碳化铁和至少微量氧化铁，且它们的 重量比至少约2∶1或更大的固体矿物原料(20)送 入反应器(10)中的金属原料熔池(12)中。熔解金属 原料同时与氧气在足以产生一氧化碳反应产物的温 度下反应，随后一氧化碳在位于溶池(12)之上的反应 器(10)的蒸汽空间(17)中与氧气进一步反应以产生 二氧化碳和热量。

Description

本发明涉及铁合金高温冶金领域内的铁碳合金连续生产的方法。

分批作业将铁矿石转变为钢的方法已是公知的。在分批作业中，铁矿石首先在高炉中被还原为生铁，然后和废钢铁一起被加入氧气顶吹转炉或电炉中。过去，这种方法需耗用大量的能量，而且从生产设备中产生的释放物也引出环境上的问题。减少生产成本的努力便直接从这两方面着手。首先，减少能源消耗费用;其次，减少用于消除或将环境污染降到最低限度的费用。

Stephens（美国专利No.RE    32，247）公开了一种利用不需高炉的流化床方法，该方法用于从铁矿石生产碳化铁。碳化铁制品随后在批量生产中被加入一氧气顶吹转炉或一电炉中。然而，都未曾有碳化铁作为连续生产铁碳合金的供料。

现有技术中利用氧气顶吹转炉或电炉的批量生产都在空气中开放作业，这就需要安装先进的释放物控制装置以吸收和处理开放作业产生的气体和其他释放物。该装置的尺寸设计得不仅要处理批量生产本身的释放物，而且还有大量从周围环境被吸入装置的空气。这就大大增加了制造和维持批量生产炼钢装置所需的资金。Queneau等（美国专利No.4，085，923）公开了一种在封闭反应器中连续生产含一定量硫的有色金属矿的设备。该系统必须尽力控制反应释放的危害环境的废气，如二氧化硫等。Queneau等认为此系统可用于从氧化铁矿直接生产钢。然而，为使氧化铁完全还原，向反应器中加入大量的碳燃料限制了改进及应用该方法所取得的收益。

Queneau等公开的Queneau-Schuhmann（Q-S）反应器从未成功进行过该反应。这是因为，要向如此一连续反应器中加入足够的热量以完成氧化铁还原过程显然是很困难的。另外，如果选用煤为产生热量的碳燃料，就会将硫引入反应系统中，这就需要用上述的造价昂贵的释放物控制装置，而且把硫引入了金属产品中。

因此，需要利用一封闭反应器连续生产铁碳合金的方法。本发明致力于解决生产铁碳合金引起的一些问题。本发明不仅具有超出现有技术的优点，而且解决了生产铁碳合金中出现的一些问题。

本发明提供了一种在能量充分利用，环境改善的过程中生产铁碳合金的连续方法。该方法包括装备一在连续过程中接收和使矿和/或金属物质产生反应的封闭反应器，该反应器包括一金属物质的熔池，并能限制大气中气体和反应气体产物进出。反应器最好有一进料端口和一铁碳合金排出端口，反应器沿纵向倾斜以使熔池中反应产物铁碳合金流到放出端口。本方法还包括不断向封闭反应器中的金属物质熔池加入一固体矿物质以使固体矿物质熔入金属物质熔池，并成为其组成部分。固体矿物质含碳化铁，最好同时含有碳化铁及至少是微量的氧化铁，其中碳化铁至少约占固体矿物质重量的50%，在固体矿物质中碳化铁与氧化铁的重量比至少为2或更大。

在本发明中所用的矿物质和/或矿物供给物指的是包括一种任何形状的矿物质和/或金属，还可包括经加工的矿物，如，铁碳化合物等，这些都可被视作金属或金属的物质。应该意识到，随着氧化铁的量越来越小，碳化铁与氧化铁的比率将接近无穷大。

本方法还同时包括熔化的金属物质与氧在足以产生气体反应物一氧化碳的温度下发生反应的步骤。该反应步骤中包括向矿物质熔池吹入氧气以便于氧气与碳化铁中的碳发生反应生成一氧化碳，一氧化碳然后进入反应器中熔池上方蒸汽空间内。在一较佳的本发明具体装置中，氧气也注入到反应器的蒸汽空间中，与一氧化碳发生反应，产生二氧化碳及促进反应的热能。较合适的固态矿物质的重量比对产生足够的一氧化碳的碳化铁而言，要足以产生热量以促进反应，而用不着加入热量或热源。值得注意的是当氧化铁与碳化铁相比，其相对量减少时，需较少的附加热量或热源。当它的重量比足够高时，不需附加外界热源或基本不需另外的热源，除伴生的碳氢化合物以外，封闭反应器中的反应可自发无限继续下去。伴生的碳氢化合物最好是甲烷，其与从周围覆盖着碳氢化合物的Savard-Lee喷射器喷入熔池中的氧气一起进入熔池。

可以看到，本发明较现有的铁碳合金生产技术有许多优点。最重要的优点在于过程的连续性及该方法利用可防止空气和气体反应物进出的封闭反应器。连续的反应器系统排除了所有批量生产过程所增加的关闭起动时间。该封闭的反应器系统可对产生的废气进行控制，通过使该气体与其他化学成分进一步反应，同时回收从反应中产生的热量。另外，本方法将现有批量炼钢技术的大气开放式设计巨大、昂贵的空气处理装置需求减少到最低限度。

在本发明中，最好既含碳化铁又含至少微量氧化铁的固体矿物质被加入到有一金属物质熔池封闭反应器中。可采用不同方法建立初始的熔池，熔池用来起动反应器系统，一些非限制性例子中是用外界燃烧器加热反应器内物质或使用一能将进料物质变为熔化状态的进料预热器。最好由加热提供合适的熔化金属物质而形成熔池从而开始此过程。

氧气喷入反应器内金属物质熔池，氧气与进料时的碳化铁一充分反应形成铁碳合金与一氧化碳。然后，一氧化碳进入反应器的蒸汽空间中与进一步供入反应器的氧气进行反应，以产生促进反应的热量。可以看到，对碳化铁而言，最好能提供足够的碳使氧化铁完全被还原，为了提高反应能量的效率，一固体矿物质进料中碳化铁与氧化铁的重量比最好有所变化。在不含硫的矿物进料中有足够的碳，使实际加入的补充能量降到最低限度。虽然可通过追加的碳源来补充能量，但普通的追加碳源，例如煤、木炭等，通常将硫带入系统中。值得一提的是这样就需要昂贵的处理系统装置来控制过程中的硫释放物或除去钢最终产品中的硫，所以这种加入是不希望的。

在熔池中产生的一氧化碳随后存在于反应器的蒸汽空间中，它与氧反应生成二氧化碳气体和热量。喷入熔池中并且接着进入蒸汽空间的多余的氧气可被利用，尽管这种情况可能性不大。但是氧气最好还是通过设置的喷嘴直接喷入反应器的蒸汽空间内。喷入某一区域的氧气应沿反应器长度有所不同，以分别补偿熔化金属物质和蒸汽空间中一氧化碳反应能力的变化。

在蒸汽空间中，一氧化碳与氧的反应是一放热反应，放出的热量至少部分被回收入熔池并进一步促进碳化铁与氧的反应和氧化铁还原，生成熔化的铁碳合金。离开蒸汽室的二氧化碳带走的热量可利用一可交换热能的进料预热器得到补偿，其在进入封闭反应器之前，将能量从反应器内的二氧化碳转换给处于进料预热器内的固态矿物质。固态矿物进料中进碳化铁与氧化铁的克分子比最好有所变化，以提供相对氧化铁量而言足够的碳，这样可以分别从生成一氧化碳和二氧化碳的连续氧化反应中产生足够的热量，在基本不另外加入从可产生热量的外界燃料或热源来的热量的情况下促进反应进程。

可以相信，在封闭的反应器中可以达到一稳态。熔池包括二层，二层之间有一界面。稠密的下层包括在进料端口的熔化的碳化铁铁原料和铁碳合金排出端口的铁碳合金反应生成物。这些原料沿反应器长度有一梯度，使下层朝向出料端口移动，进一步与氧反应产生所需的铁碳合金。上一层，也就是“渣”层，由氧化铁和固体矿物质进料中的其它杂质组成。这些杂质包括二氧化硅和氧化镁等。

为有效地形成粘度低，熔点低的渣，通过添加碱性氧化物，以石灰、氧化钙为佳，促进渣层的形成。

铁碳合金和矿渣层最好分别从反应器相对的出口连续排出，使下面的铁碳合金层与上面的渣层在分界处形成一逆流。可通过改变铁碳合金排出的速度来控制铁碳合金层与渣层界面的高度。本发明较佳的实施例中，从反应器中流出的熔化的铁碳合金还可与镍、钼、锰、铝等合金成份进一步合金化，以改变现有方法生产的铁碳合金生成物的物理性能。

本发明的各种优点与新颖性在附加于本文并成为本文一部分的权项中有详细的描述。然而，为了更好地理解本发明及本发明的优点和使用目的，参考作为本发明一部分的附图，此附图显示并描写了本发明的较佳实施例。

附图中，通过几种视图，用数字标号在不同标图中标明了本发明较佳实施例的相应部件。

图1是本发明较佳的铁碳合金生产系统的示意图。

图2是图1中所示的本发明的封闭式碳化铁反应器的放大示意图。

图3是根据本发明的较佳实施例的流程图。

图4是当进料组合物中碳化铁占92%，氧化铁占49%时，产生的一氧化碳与铁碳合金产物中碳所占的百分比之间的关系图。

图5是当进料组合物中碳化铁占88%，氧化铁占8%时，产生的一氧化碳与生成的铁碳合金中碳所占的百分比之间的关系图。

图6是对预热固体矿物进料的整体能量平衡影响图。

图7是不需附加热源时矿物进料的温度值图示。

在此按要求具体说明本发明的实施例。然而，必须清楚的是这些说明的实施例仅仅是本发明可用不同系统实施的体现。所以，在此说明的特定的细节不能作为限制，仅可作为权利要求书的基础，并可对本发明技术领域不同程度的人员产生代表性的启发。

现在讨论图，图1一般表示了本发明生产铁-碳合金和随后的合金化的较佳完整生产系统（2）。氧化铁反应器（4）在一过程中把氧化铁转化成碳化铁，此过程在通过引用在此结合运用的Stephen（美国专利No.RE    32，247）中有相似的揭示。但值得注意的是，本方法不同于Stephen专利方法，但本方法仅是这类方法的一个非限制性实例。

在本发明较佳实施例中，给进料预热器（6）在进入封闭反应器（10）前预热碳化铁。但须进一步指出，在把碳化铁送入封闭反应器（10）之前进行预热不是必需的。更须指出，此碳化铁进料仅是进入封闭反应器（10）中的固态矿物后（20）的一部分。尽管碳化铁至少占固态矿物质（20）的一半，并且多些更好，其它矿物成份仍与碳化铁一起进入封闭反应器。多种重要矿物成份中的氧化铁量在氧化铁反应器（4）中不能被还原为碳化铁。须指出，另外的氧化铁可与氧化铁反应器（4）中的还原过程主要产品碳化铁结合。氧化铁反应器（4）可被选择性地控制以生产具有希望的碳化铁/氧化铁重量比的碳化铁产品。用这种方法，将固态矿物质（20）进料提供给下面将进一步讨论的，有某一希望碳化铁/氧化铁重量比的封闭反应器中。

现在再讨论图2，封闭反应器（10）包括一反应器盖或罩（11）以容纳固态矿物进料（20）。在较佳实施例中提供一碱性氧化物（30），还有氧气（21和23）。此反应过程产生的铁-碳合金（36）和渣（42）最好在封闭反应器的相对端排出。在较佳实施例中，排走的铁-碳合金（36）随后在合金反应器（13）中，通过现有技术已知的合金方法，与合金成份进一步合金化以产生合金产品。

封闭反应器（10）中的反应也产生热二氧化碳气体（CO₂）。在较佳实施例中，热二氧化碳气体通过废气导管（15）排出反应器罩（11），然后导入进料预热器（6），用热二氧化硫中的热量来预热送入封闭反应器（10）之前的固态矿物原料。固态矿物喂料（20）通过一矿物进料进口装置（22）被送入反应器罩（11）。一进入反应器罩，最好预过热，此固态矿物进料（20）便进入熔化的金属材料熔池（12）。熔池由较稠密的铁碳合金或金属下层（14）和较轻的渣上层（16）组成。固态矿物原料（20）与熔池（12）的熔化金属材料混合，并成为它们的一部分。可以相信碳化铁的矿物原料的氧化铁成份实际上熔入了熔化的金属原料，但不可以依赖于此。

本发明的较佳实施例中，氧气（21）通过浸入的喷嘴（24）被喷入熔池（12）。这些喷嘴（24）最好是流体罩式Savard-Lee浸入式氧注入器，其通过引用加以结合的Knuppel等（美国专利No.3，932，172）来参考。氧气（21）最好用气态烃覆盖，最好用甲烷气体（CH₄）（未示出）。进入熔池（12）后，氧气（21）与碳化铁中的碳发生放热反应，产生一氧化碳气体，进入熔池（12）上方的蒸汽空间（17）中。气态烃用来覆盖氧气，以使在靠近注入喷嘴（24）的地方立刻发生的反应降至最小程度，以免放热反应产生的热损坏注入喷嘴（24）。值得注意的是，有些注入熔池（12）的氧气（21）可逸出熔化金属原料并进入熔池（12）上方的蒸汽空间（17），但这可能性较小。须进一步指出，尽管气态烃或甲烷与氧气（21）一起被注入熔池（12），在技术上它是热源，但此气态烃仅是一随机的热源，不被认为是本发明的基本碳源或热源。在本发明的选择的实施例中，甲烷（CH₄）（未示出）或其它烃类以基本量注入反应器（10），最好是注入蒸汽空间（17），能提供促进封闭反应器（10）中反应的Y^＊P285X附加能源。也可用附加的能源，它们包括，但不作限制，煤、炭和其它碳原料，以及电弧或其它电学方法得来的电能。但在较佳实施例中，当碳化铁与氧化铁的比足够高，以在反应器（10）中产生一自发反应时，附加的能量不是必需的。最好氧气和碳化铁中的碳以及氧气和一氧化碳的放热反应能提供，或占到反应器（10）中反应无限继续所需的能量的约至少90%，较好的95%，更佳为97%最佳为99%，最理想为100%。

在较佳实施例中，氧气（23）通过氧气进口（26）喷入蒸汽空间（17），被喷入蒸汽空间（17）的氧气（23）与熔池中的一氧化碳反应产物反应，以在放热反应中产生二氧化碳。此反应中得到的热量在反应器罩（11）内促进其它反应。

固态矿物进料（20）被连续送入熔池（12），此进料（20）可通过熔池（20）的上层（11）中的渣表面加入，也可被直接浸入（未示出）金属层（14）中。在熔池（12）中发生的反应产生的铁碳含金（36）连续地从反应器罩（11）的合金排出端的合金出口（38）排出，此排出端最好是两端中的较低端，且相对于反应器罩（11）的进料端。同时，渣（42）被连续地通过渣排出口44从罩（11）的进料端（40）排出。因为渣（42）随铁-碳合金一起从封闭反应器的相对端流出，所以在铁碳合金层（14）渣层（16）之间的界面上产生了一连续逆流。这对于从铁-碳合金中有效除去矿物杂质，并把渣中的氧化铁还原到一与在有相当竞争力的产品生产中一致的水平是希望的。

最好碱性氧化物（30）如石灰等，通过一碱性氧化物进料口装置（28）送入封闭反应器（10），碱性氧化物（30）是促进渣层（16）的产生所必须的。值得注意的是，在限制大气气态反应产物进出同时，在靠近封闭空间的已知供料口装置，都可被用作矿物进料装置（22）和碱性氧化物进料口装置（28），不受限制地包括适于本发明目的的旋转空气阀和其它适于本发明目的的现有入口装置。

为分别限制大气和气态反应产物的进出，反应器（10）被封闭。热二氧化碳气体（32）可通过一气体出口装置（35）排出，蒸汽（17）进入废气导管（15）。反应器罩（11）的形状可有变化，提供充够的内部容积以能够形成两相或两层的熔池（12）。熔池的较稠密的下层含有熔化铁碳合金，较轻的上层是由矿渣原料组成的。反应器罩（12）的排出端（39）最好略低于进料端（40），以方便地排空反应器（10）。本发明的一个较佳实施例中的反应器（10）由加长的圆筒反应器组成，它类似于Queneau-Schuhmann（Qs）反应器或本文参考的Queneau等（美国专利No.4，085，923）发明的连续氧气转换器。可以理解，其它已知的反应器能满足本发明要求的有反应器和反应器形状的变化不是在此所揭示的本发明所必需的。较佳实施例中，封闭反应器（10）装有一可使反应器罩（11）轴向（未示出）转动90°的装置（未示出），以清洗和修理浸入的喷嘴（24）。这样，熔池（12）可移至更接近注入喷嘴（24）的地方。

封闭反应器（10）的较好矿物进料是含碳化铁，最好既含碳化铁和至少微量氧化铁，以及少量尾矿物质和其它杂质的细颗粒固体物质。这些杂质不作为限制地包括：二氧化硅、氧化镁、金属铁、游离碳等。在固体原料中碳化铁与氧化铁的重量比可根据用于生产进料中的碳化铁来改变。当矿物原料（20）中的氧化铁量越来越少时，重量比趋于无穷大。实际上通常总是有少量氧化铁，甚至微量。送入反应器系统的矿物进料最好是粉状或颗粒状，虽然本发明实践中颗粒尺寸不是限制因素，但颗粒分布最好为约1毫米到约10微米。

本发明以较佳实施例中，在矿物进料（20）中铁碳化铁与氧化铁的重量比至少约为2或大些，较好的约大于3，更好的约大于3。本发明的更佳实施例中，此比值可以是约6∶1，较好的约8∶1，更好的约大于10∶1。当碳化铁与氧化铁的重量比为约18∶1，最好约20∶1且矿物进料（20）中含至少约75%，较好约85%，更好的约90%重量的碳化铁时，可相信，将有充够的碳存在于矿物进料（20）中，以致不需对反应器（10）加入附加的能量或能源以促进那里的反应。但当碳化铁与氧化铁的重量比小于约18的时候，我们认为，操作反应器（10）系统可通过向封闭反应器中加入以碳煤等形式的附加碳或一些其它热源来进行。尽管如此，如上所述的，由于在大多数碳源中，有硫和其它污染物，所以进一步加入碳源是不希望的。这些污染物必须使用昂贵的排放物控制系统，且使最终产品中含不良杂质。可以这样说，即碳化铁与氧化铁的比值越大，则促进反应所需能量的自给程度也越大。

最近，Pinl Queneau教授已提出了改进QSL反应器的可能性（见《用于铅的QSL反应器和它用于镍、铜、铁的前景》，《金属杂志》1989年10月，第30-35页），以能够从氧化铁连续地生产钢。值得注意的是，在本发明之前，已考虑了用固态矿物进料（20），它由至少约50、60、70、75、80、90、95或更大按较好至最好顺序）重量的碳化铁组成。在优选实施例中，固态矿物（20）可达约98%，最好100%重量的与其它微量成份如氧化铁等一起的碳化铁。碳化铁含量可达约固态矿物重量的50-100%，较好的约65%-99%，更好地约80%-98%，最好约85%-97%，为了把促进封闭反应器（10）中反应的供给能量减到最低，最好把固态矿物进料（20）中氧化铁含量降到最低。碳化铁中的氧化铁可以不限制地包括Fe₃O₄、FeO等或它们的混和物。

反应器系统的操作要求在连续送入固态矿物原料（20）之前，在封闭反应器（10）中要有矿物原料熔池存在。熔池的建立有很多方法，在选择的实施例中，固态矿物进料（20）可被送入封闭反应器（10）以提供矿物原料的最初进料;但这需大量热量不易被完成。这种初始进料可通过外部热源的热量加入转化成熔化状态。但最好此熔池（12）首先由废金属，大多是钢、铁等产生，其熔化后形成熔池（12）。当矿物原料（20）被送入反应器（10）时，热量可选择性地从外部热源传给固态矿物进料（20）中。但值得一提的是，所有供给充足热量以在封闭反应器（10）中产生最初金属材料熔池的系统都在本发明的实践范围内。

作为系统所必须的反应剂一氧被注入封闭反应器中的矿物原料的熔池（12）中，使氧气和碳化铁反应生成一氧化碳。在较佳实施例中，氧气量（21）通过熔池（12）表面下面的各种注射喷嘴注入，且沿反应器（10）的长度而变化，以补偿排出端（39）金属和渣层（分别为14和16）相对于封闭反应器（10）的进料端增大的氧化电位。

在封闭反应器（10）中产生的一氧化碳从反应器（10）中的熔池（12）转移到蒸汽空间（17）。在较佳实施例中，此一氧化碳气体与蒸汽空间中的氧气发生放热反应，生成二氧化碳。完成反应的氧源可通过熔池（12）的表面下方过量地注入，尽管这是不大可能的氧源和/或通过氧气注入口（26）注入的附加的氧气（23）。

从一氧化碳/氧气反应生成二氧化碳产生的热量部分送回熔池（12）以进一步在封闭反应器（10）中反应。二氧化碳可通过废气出口（35）排出蒸汽空间（17）。蒸汽空间（17）中形成的二氧化碳所含的热量不送入熔池（12），可进一步促进回收剩余的热能。在较佳实施例中，蒸汽空间（17）中的热二氧化碳气体通过废气出口（35）送到废气导管（15）中，使预热器（6）把剩余热能传给固态矿物进料（20）。预热器（6）最好是一个双壁窑。但是，任何把热能从热二氧化碳转移到矿物进料中的预热装置都可以适用。

从铁碳化物与在熔池（12）表面下方注入的氧气的反应产生的一氧化碳量将根据矿物进料中碳化铁与氧化铁的比值和铁碳合金产品中的希望碳含量而变化。值得一提的是作为此比值的结果，用于与氧气放热反应生成二氧化碳的一氧化碳量将取决于矿物进料中的碳化铁浓度。在较佳实施例的进料中，碳化铁与氧化铁的比值由较好至最好为约：2∶1，4∶1，8∶1，10∶1，15∶1，18∶1或更大。在本发明的最佳实施例中，碳化铁与氧化铁的重量比足以给反应器系统供给足够的碳，以使为随后的一氧化碳转化到二氧化碳的反应提供足够热量，以致于不需从外界供热也可促进封闭反应器（10）中的碳化铁/氧气反应或其它反应。用外界热量生产也是可以的。在封闭反应器（10）中仍可形成稳定状态。这样，当铁-碳合金（36）连续地从封闭反应器（10）的排出端（39）排出时，从反应器（10）的另一排出端（40）连续送入固体矿物原料（20）。这样就生产出了具有一致物理特性和碳含量的连续供给的铁碳合金。可以相信，渣层（16）将在封闭反应器（10）中形成，并在熔化的铁碳合金层（14）上方形成一层。另外，渣（42）可从反应器（10）的进料端（40）连续地从封闭反应器（10）中排出。碱性氧化物（30）对于从合金层（14）的金属材料中的杂质形成低粘度、低熔点渣层（16）是有效的。

现在我们再来讨论图3，它描述了连续生产铁碳合金的优选方法。本方法包括下列步骤。首先，提供使熔化的矿物原料反应的封闭反应器（10），此反应器（10）能分别限制大气的和气态反应产品的进出。此封闭反应器（10）有一金属原料的熔池（12）和在熔池上方从熔池（12）接收气态反应产物的蒸汽空间（17）。此封闭反应器还包括进料端（40）和铁碳合金出料端（39）。第二，连续向封闭反应器（10）中的金属原料熔池（12）送入固体矿物原料（20）。第三，同时向封闭反应器（10）中的熔池（12）送入碱性氧化物。第四，向金属原料的熔池（12）中注入用烃，最好是用甲烷混合的氧气（21）。第五，同时向封闭反应器（10）的蒸汽空间（17）中注入氧气（23）。第六，连续从封闭容器（10）的铁碳合金出料端（39）排出铁碳合金。第七，连续从封闭反应器（10）的进料端（40）排出渣。第八，在把固态矿物原料（20）送入封闭反应器（10）之前，把热二氧化碳气体从蒸汽空间（17）排出封闭反应器（10），以加热预热器（6）中的固态矿物原料（20）。值得一提的是，与在此所揭示的本发明一致并用已知生产过程的、如上所述步骤的进一步步骤和改进也属于本发明的许多原则之中。

用在此揭示的本发明来生产铁碳合金，完成理论热化学计算。这些计算对于设计本发明实际实施例的化学和热动力学操作是可信的。

这些计算的基础是假定从基于整个系统质量平衡的必要量的反应物来生产1000kg的铁碳合金。假定在反应器中下面立刻出现化学计量平衡反应，通过这来进一步定义必要的反应物。在反应表后面，是计算反应器系统理论热化学操作所用的假定和其它条件的总结。值得一提的是，方案就这样地产生，并且是可靠的，但如果没有进一步的实验的话，就不可完全依靠它们。

反应器中假定出现的反应

所用的其它假定和基本条件：

1.热化学计算在两种假定的矿物进料组合物下合成

组合物例1    组合物2

88%Fe₃C 92%Fe₃C

8%Fe₃O₄4%Fe₃O₄

1%CaO（MgO）    1%CaO（MgO）

3%SiO₂3%SiO₂

另外，对进料组合物2的热化学计算在两个进料温度下完成，一个未预热298K，一个预热773K。

2.这些计算中所用的形成氧化物的渣是100%CaO，在298K的温度下送入。

3.通过注入器（24）送入熔池（12）或蒸汽空间（17）的氧气是100%O₂，并在298K温度时送入。

4.甲烷（天然气）被用作一流体混合物以保护O₂注入器（24），还作为碳源和热源影响热化学计算。假定天然气是100%甲烷，在298K送入。

5.生产的铁碳合金的碳含量从0.1%增长到0.4%不等，因此铁含量是100%减去在铁碳合金中的碳百分数。离开反应器（10）的铁碳合金预计有1873K温度。

6.假定渣保持与进料中相同的CaO对SiO₂比值：67%CaO，33%SiO₂（重量）。渣预计在1923K温度被排出反应器（10）。

7.从反应器（10）排出的废气可由O₂、CO、CO₂和H₂O组成，以构成约100%的废气。但相对浓度随送入的组合物而变化。假定废气离开反应器（10）的温度为2000K。

反应器系统中，每种元素的质量必须守恒，这样，所有进料流中每种元素的总量必须等于所有出料流中每种元素的总量。在反应器系统中的每种元素的理论质量平衡在下面列出，等式左面表示进料流，右面表示出料流。料流中所含的元素用元素下标表示。

1.物料平衡

W进料中Fe₃中的Fe + W进料中Fe₃O₄中的Fe

=WFe－C合金中的Fe＋W渣中FeO的Fe

2.C平衡

WC Fe₃C中＝WC钢中＋WCCO₂中＋WCCO中

3.氧气平衡

W在Fe₃O₄中的O₂+W注入的O₂+W注入的O₂

                                  通过底部进入蒸汽空间

                                        注入器

＝WO₂CO₂中＋WO₂CO中＋WO₂H₂O中

    废气            废气        废气

＋WO₂渣中以FeO存在＋WO₂尾气中的O₂

4.SiO₂平衡

WSiO₂矿物进料中＝WSiO₂渣中

5.CaO平衡

WCaO矿物进料中＋WCaO加入的碱性＝WCaO矿渣中的

                                    氧化物

6.氢平衡

WH₂由注入器注入CH₄=WH₂废气中，水中

渣组合物（假定加入的CaO维持此比值）

[ (Wt.%CaO)/(Wt.%SiO₂) ]矿渣＝2.0

8.在熔化的铁碳合金（14）中的碳百分比与渣层（16）中形成的氧化铁（FeO）百分比的关系的平衡数据反映了下面的相互关系：

钢中%C    渣中%FeO

0.05    35%

0.10    25%

0.20    12%

0.40    6%

0.80    6%

下面叙述反应器系统的总体理论能量平衡。从系统整体来看，能量必须守恒。所有热量获得和损失的和，不管是从化合物的温度变化或是从化学反应的热能释放或消耗得到的都必须等于零。还包括一个另外的术语△H_{反应器壁损失}，它表示从反应器壁散发到周围环境中的热量损失。假定此铁碳合金出口温度为1873K。

[H₁₈₇₃-H₂₉₈]石灰＋［H₁₈₇₃-H₂₉₈]O₂+[H₁₈₇₃-H_T入口］Fe₃C

+[H₁₈₇₃-H_T入口］Fe₃O₄+[H₁₈₇₃-H_T入口］SiO₂+[H₁₈₇₃-H_T入口］Ca

+[H₁₈₇₃-H₂₉₈]CH₄+ $\underset{a}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}$ △HRX₁₈₇₃+△H反应器壁损失

＋［H₂₀₀₀－H₁₉₈₃］CO+[H₂₀₀₀-H₁₈₇₃]CO₂

+[H₂₀₀₀-H₁₈₇₃]H₂O+[H₁₉₂₃-H₁₈₇₃]矿渣＝0

质量平衡式1-6的联解加上上所示的热平衡，当用质量平衡式7和平衡条件8时，可用作热化学操作封闭反应器（10）的方案。为达到平衡，每个计算有两个变量，它们在所希望的操作范围中增长地变化。铁碳合金产品中有一定百分数的碳和从反应器壁损失的热量百分比。从反应器壁的热量损失从热输入的5%变化到10%直到15%，以 $\underset{a}{\overset{g}{\mathrm{\Σ}}}$ △HRx₁₈₇₃表示，铁碳合金中的碳百分数从0.1%变化到0.4%。这就产生进入蒸汽空间的过量氧气这一从属变量的结果，该蒸汽空间将熔池中排出的变化量CO转化为CO₂，H₂转化为H₂O。在热量下平衡时（比如，需要比反应器（10）中的上述反应所用的更多热量），将通过加入过量CO以产生CO₂来实现平衡。此产生了消极性的CO输出。

现在再来讨论图4-7，它们图示了在提到的范围中，计算机设计的质量和能量平衡的结果。图4是对于含92%碳化铁，4%氧化铁和4%杂质的矿物进料组合物和从如上所述质量和能量平衡的联主解中得到的设计曲线。矿物原料进料温度为773K，三条曲线分别表示从反应器壁损失的热量与产生热量的5%、10%和15%。沿图4中的水平轴，在铁碳合金中的碳百分数对于每种假定热损失从0.1%到0.4%变化。如上所述，假定将生产1000kg铁碳合金。垂直轴用于描绘符合质量和能量平衡的合成一氧化碳的产出和输入。消极性的产品表明必须加入一氧化碳并与氧气反应以满足能量平衡。如图4所示，能量平衡在任何不需要从外界热源供热的条件下都可达到。

图5与图4类似，表示了同样质量和能量平衡解的设计，和绘入的变量;但矿物进料成份变化，以将矿物进料中有用的碳化铁还原到88%的碳化铁。矿物进料中氧化铁增加到8%，而杂质维持在4%。进料温度为773K，该假定在生产1000kg的铁-碳合金产品中得以保持。

图4和图5图示了能量平衡的进料中存在的碳化铁的作用。从任何意义上来讲，一氧化碳的产生都是不利的，它意味着需加入附加的燃料或热量来完成所希望的反应。

图6图示了在把固态矿物进料送入封闭反应器（10）前进行预热的的利作用。此计算假定，固态进料成份为92%的碳化铁，4%的氧化铁和4%的杂质。进一步假定生产600kg的铁碳合金。通过反应器壁散失的热量假定为如示的5%或10%。铁碳合金中的碳百分数从约0.05%变化到4%，计算在298K和773K的矿物进料温度下完成。垂直轴表示从反应器（10）反应产生的一氧化碳，在此一氧化碳产品是消极时，意味着需要对系统加入热量和燃料。在许多情况下，用废气来预热矿物进料，给反应器（10）中的反应继续进行提供了足够的能量。

图7图示了在假定以上讨论的各种热量损失情况下，不需另外向封闭反应器（10）中加入燃料和热量的矿物进料温度。如图6中的计算，进料成份为92%的碳化铁，4%的氧化铁和4%的杂质，假定生产100kg的铁碳合金。但铁碳合金产生中的碳百分数被固定在0.2%。当一氧化碳的产生为零时，矿物进料温度认为足以提供充够的能量来继续反应器（10）中的反应，而不需要从外界另外加热量或燃料。

值得指出的是，尽管前面的描写提出了本发明的特多特征和优点以及本发明的具体功能和结构，但此揭示仅是描述性的，可作具体的变化，特别是形状，尺寸和各部份的安排或步骤的次序和时间。这些都在术语的广泛一般含义所充分指出的本发明的广义原则范围之中，这些术语在所附的权利要求中加以解释。

Claims (30)

1、一种连续生产铁碳合金的方法，其特征在于所述的方法包括下列步骤：

(a)提供以连续的过程来接收和使矿物原料起反应的反应装置，其中所述的反应装置包括一含有金属原料熔池的封闭反应器，所述的反应器能够分别限制大气和气态反应产物的进出；

(b)连续地向反应器中金属原料熔池送入固体矿物原料，以使固体矿物原料混入金属原料熔池中，并成为其一部份，所述的固体矿物原料包括碳化铁和至少微量的氧化铁，所述固体矿物原料的碳化铁量至少约50%重量，且固体矿物原料中碳化铁与氧化铁的重量比至少约为2或大于2；且

(c)同时使熔化的金属原料与氧气在一足以产生一氧化碳气态反应产物的温度下反应，所述的同时反应步骤包括把氧气注入反应器中的金属材料熔池中，使之与碳化铁中的碳反应生成一氧化碳反应产物，随后此反应产物进入反应器中熔池上方的蒸汽空间中。

2、如权利要求1所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，步骤（c）进一步包括同时使在反应器蒸汽空间中的一氧化碳与氧气反应来生成二氧化碳，以热量形式释放能量来促进步骤（b）和（c）的反应。

3、如权利要求2所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，步骤（c）进一步包括把氧气注入反应器的熔池上方的蒸汽空间中。

4、如权利要求3所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，在反应器的蒸汽空间中产生的热二氧化碳被排出反应器，用来加热在送入熔池之前的固体矿物原料。

5、如权利要求2所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，步骤（a）中提供的反应器进一步包括一进料端口和一铁碳合金出料端口，且所述反应产生铁碳合金，所述的过程还包括同时连续进行的从反应器的铁碳合金出料端排出一部分铁碳合金的步骤。

6、如权利要求5所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，连续排出的铁碳合金进一步与合金化合物结合，以改变铁碳合金的物理性能。

7、如权利要求5所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于步骤（b）进一步包括同时向反应器送入碱性氧化物方法，其对形成来自金属原料中的杂质的低熔点，低粘度渣层很有效。其中一部分渣被连续从反应器排出。

8、如权利要求1所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，碳化铁基本上是固体矿物原料中唯一的碳源，且固体矿物原料中碳化铁与氧化铁的重量比至少约为18或更大。

9、如权利要求8所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述方法进一步包括同时向熔池上方的反应器蒸汽空间中注入氧气的步骤，氧气与一氧化碳在蒸汽室中反应以产生热量。

10、如权利要求9所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述一氧化碳与氧气反应生成二氧化碳，其用来预热进入金属材料熔池前的固体矿物原料。

11、如权利要求1所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述熔池包括两个基本不同的金属层和渣层，所述的通过多个注入器注入熔池的氧气量可沿从矿物原料进料端口到铁碳合金出料端口的反应器长度上变化，这样，与进料端口相比，在出料端口，熔池的金属层和渣层之内，有一增大的氧化位能。

12、如权利要求11所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，当熔化的金属原料与氧气在反应器中反应时，固体矿物原料中的碳化铁与氧化铁的重量比足以产生足够的一氧化碳，这样，产生的一氧化碳因而在反应器中足以提供足够的热量，当与反应器蒸汽空间中的氧气反应时，在基本不加入外界热能的情况下，使反应相对无限地继续下去。

13、一种连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：

（a）提供在连续过程中接收和反应矿物原料的反应装置，所述的反应装置包括一能分别限制大气和气体反应产物进出的封闭反应器，所述的封闭反应器有一金属原料的熔池和在所述熔池上方从所述熔解浴接收气体反应产物的蒸汽空间，所述的封闭反应器进一步包括一进料端口和铁碳合金出料端口;

（b）连续向封闭反应器中的金属原料熔池中送入固体矿物原料，以使此固态矿物原料混入金属原料熔池中，并成为其一部分，所述的矿物原料含有碳化铁和至少微量的氧化铁，所述的固体矿物喂料中碳化铁量至少约85%重量，且所述的固体矿物原料中碳化铁与氧化铁的重量比至少约18或更大，碳化铁基本上是固体矿物原料中唯一的碳源;

（c）同时使熔化的金属原料与氧气在足以产生一氧化碳反应产物的温度下反应，此反应步骤包括向反应器中的金属原料熔池中注入氧气，以使氧气与碳化铁中的碳反应，以形成一氧化碳，此一氧化碳随后进入熔池上面的反应器蒸气空间中，同时向蒸汽空间中注入氧气以使蒸汽空间中的氧气与一氧化碳放热反应而生成二氧化碳。

14、一种如权利要求13所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于碳化铁与氧化铁的比值为足以提供足以产生一定量一氧化碳的一定量碳化铁，此一氧化碳在与蒸汽空间里的氧气反应时产生足够的热量，在基本不需要外加入外界热量的情况下促进步骤（b）和（c）的反应。

15、如权利要求14所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述的方法进一步包括同时把反应器的蒸汽空间中产生的二氧化碳气体导去加热送入熔池之前的固体矿物原料的步骤。

16、如权利要求14所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述的反应分别产生熔化的铁碳合金和熔化的渣，所述的方法进一步包括连续、同时地从反应器的铁碳合金出料端口排出一部分铁碳合金，从进料端口排出一部分渣的步骤。

17、如权利要求16所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，在同时连续排出一部分铁碳合金步骤之后，进行合金化合物与从封闭反应器排出的铁碳合金化合的步骤，以改变铁碳合金的物理性能。

18、如权利要求14所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，步骤（b）进一步包括同时向反应器中供入碱性氧化物，其对形成来自金属原料中的杂质的位于熔池上方的低熔点，低粘度渣层是有效的。

19、如权利要求13所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，通过多个注入器注入熔池的氧气量沿反应器的长度由进料端口到铁碳合金的出料端口变化。

20、连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述的方法包括下列步骤：

（a）提供在连续过程中接收和反应矿物原料的反应装置，所述的反应装置包括一个能分别限制大气和气体反应产物的进出的封闭反应器，所述的封闭反应器有一金属材料的熔池和位于所述熔池上方的从所述熔池接收气体反应产物的蒸汽空间。

（b）连续向封闭反应器中的金属材料熔池送入固体矿物原料，以使固体矿物原料被熔入金属原料熔池中并成为其一部份，所述的固体矿物原料含至少约60%重量的碳化铁;

（c）同时使熔化的金属原料与氧气在一足以产生一氧化碳反应产物的温度下反应，所述反应步骤包括向反应器中的金属材料熔池中注入氧气，以使碳化铁中的碳与氧气的反应生成一氧化碳，随后一氧化碳进入熔池上方的反应器蒸汽空间中，且同时向蒸汽空间中注入氧气，以使之与一氧化碳放热反应生成二氧化碳。

21、如权利要求20所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述的固体＊P1845X矿物原料含碳化铁和至少微量的氧化铁，所述在固体矿物原料中的碳化铁与氧化铁之比为至少约2或更大。

22、如权利要求21所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，固体矿物原料的含量为约60%-100%重量的碳化铁和约0-25%重量的氧化铁。

23、如权利要求22所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述的碳化铁与氧化碳的比值为足以提供能产生足够量一氧化碳的足够量碳化铁，使一氧化碳在蒸汽空间中与氧气反应时，产生一定量促进步骤（b）和（c）的反应的热能，而基本上不需外界热量的另外加入。

24、如权利要求23所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，固体矿物原料中碳化铁与氧化铁以重量比值为至少约18或更大，且碳化铁基本上是固体矿物原料中的唯一碳源。

25、如权利要求24所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，所述的方法进一步包括同时连续地从反应器的铁碳合金出料端口排出一定量的铁碳合金的步骤;同时连续排出一定量的铁碳合金之后，再进一步进行从封闭反应器排出的铁碳合金与合金化合物的化合步骤，以改变铁碳合金的物理性能。

26、如权利要求24所述的连续生产铁碳合金的方法，其特征在于，步骤（b）进一步包括同时向反应器送入碱性氧化物，以形成来自金属原料的杂质的在熔池上方的低粘度、低熔点的渣层，所述的方法进一步包括连续从反应器的进料端口排出至少一部分渣层;所述用多个注入器注入熔池的氧气量沿反应器从进料端口到铁碳合金出料端口的长度变化，这样，与进料端口相比，在熔池的出料端口有一增长的氧化位能;所述的方法进一步包括同时把反应器蒸汽空间产生的二氧化碳气体排出反应器以加热送入熔解浴之前的固体矿物原料。

27、一种连续生产铁碳合金的系统，所述的系统其特征在于包括：

（a）第一反应装置，把氧化铁转化成碳化铁

（b）第二反应装置，把碳化铁转化成铁碳合金，在所述第一反应装置中产生的碳化铁连续送入所述的第二反应装置，所述的第二反应装置有一带罩装置的封闭反应器，可分别限制大气和气体反应产物的进出，所述的封闭反应器有一罩，罩内有金属原料的熔池和所述熔池的容纳气体反应产物的蒸汽空间，所述的封闭反应器进一步包括进料端口和铁碳合金可连续从此排出的铁碳合金出料端口。

28、如权利要求27所述的连续生产铁碳合金的系统，其特征在于，所述的第二反应装置进一步包括把氧气送入熔池和蒸汽空间的氧气入口装置。

29、如权利要求28所述的连续产生铁碳合金的系统，所述的系统进一步包括预热碳化铁的预热装置，所述的预热装置与封闭反应器的蒸汽空间相连，在罩内产生的热量可从罩内导出，并且通过预热装置预热进入罩之前的碳化铁。

30、如权利要求28所述的连续生产铁碳合金的系统，所述的系统进一步包括第三反应装置，在所述第二反应装置产生的铁碳合金可送入所述的第三反应装置并与合金化合物化合，从而改变铁碳合金的物理性能。

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