專利名稱：用碳化鐵連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鐵合金高溫冶金領(lǐng)域內(nèi)的鐵碳合金連續(xù)生產(chǎn)的方法。
分批作業(yè)將鐵礦石轉(zhuǎn)變?yōu)殇摰姆椒ㄒ咽枪?。在分批作業(yè)中，鐵礦石首先在高爐中被還原為生鐵，然后和廢鋼鐵一起被加入氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐或電爐中。過(guò)去，這種方法需耗用大量的能量，而且從生產(chǎn)設(shè)備中產(chǎn)生的釋放物也引出環(huán)境上的問(wèn)題。減少生產(chǎn)成本的努力便直接從這兩方面著手。首先，減少能源消耗費(fèi)用;其次，減少用于消除或?qū)h(huán)境污染降到最低限度的費(fèi)用。
Stephens(美國(guó)專利No.RE32，247)公開了一種利用不需高爐的流化床方法，該方法用于從鐵礦石生產(chǎn)碳化鐵。碳化鐵制品隨后在批量生產(chǎn)中被加入一氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐或一電爐中。然而，都未曾有碳化鐵作為連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的供料。
現(xiàn)有技術(shù)中利用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐或電爐的批量生產(chǎn)都在空氣中開放作業(yè)，這就需要安裝先進(jìn)的釋放物控制裝置以吸收和處理開放作業(yè)產(chǎn)生的氣體和其他釋放物。該裝置的尺寸設(shè)計(jì)得不僅要處理批量生產(chǎn)本身的釋放物，而且還有大量從周圍環(huán)境被吸入裝置的空氣。這就大大增加了制造和維持批量生產(chǎn)煉鋼裝置所需的資金。Queneau等(美國(guó)專利No.4，085，923)公開了一種在封閉反應(yīng)器中連續(xù)生產(chǎn)含一定量硫的有色金屬礦的設(shè)備。該系統(tǒng)必須盡力控制反應(yīng)釋放的危害環(huán)境的廢氣，如二氧化硫等。Queneau等認(rèn)為此系統(tǒng)可用于從氧化鐵礦直接生產(chǎn)鋼。然而，為使氧化鐵完全還原，向反應(yīng)器中加入大量的碳燃料限制了改進(jìn)及應(yīng)用該方法所取得的收益。
Queneau等公開的Queneau-Schuhmann(Q-S)反應(yīng)器從未成功進(jìn)行過(guò)該反應(yīng)。這是因?yàn)?，要向如此一連續(xù)反應(yīng)器中加入足夠的熱量以完成氧化鐵還原過(guò)程顯然是很困難的。另外，如果選用煤為產(chǎn)生熱量的碳燃料，就會(huì)將硫引入反應(yīng)系統(tǒng)中，這就需要用上述的造價(jià)昂貴的釋放物控制裝置，而且把硫引入了金屬產(chǎn)品中。
因此，需要利用一封閉反應(yīng)器連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法。本發(fā)明致力于解決生產(chǎn)鐵碳合金引起的一些問(wèn)題。本發(fā)明不僅具有超出現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，而且解決了生產(chǎn)鐵碳合金中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。
本發(fā)明提供了一種在能量充分利用，環(huán)境改善的過(guò)程中生產(chǎn)鐵碳合金的連續(xù)方法。該方法包括裝備一在連續(xù)過(guò)程中接收和使礦和/或金屬物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)的封閉反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括一金屬物質(zhì)的熔池，并能限制大氣中氣體和反應(yīng)氣體產(chǎn)物進(jìn)出。反應(yīng)器最好有一進(jìn)料端口和一鐵碳合金排出端口，反應(yīng)器沿縱向傾斜以使熔池中反應(yīng)產(chǎn)物鐵碳合金流到放出端口。本方法還包括不斷向封閉反應(yīng)器中的金屬物質(zhì)熔池加入一固體礦物質(zhì)以使固體礦物質(zhì)熔入金屬物質(zhì)熔池，并成為其組成部分。固體礦物質(zhì)含碳化鐵，最好同時(shí)含有碳化鐵及至少是微量的氧化鐵，其中碳化鐵至少約占固體礦物質(zhì)重量的50%，在固體礦物質(zhì)中碳化鐵與氧化鐵的重量比至少為2或更大。
在本發(fā)明中所用的礦物質(zhì)和/或礦物供給物指的是包括一種任何形狀的礦物質(zhì)和/或金屬，還可包括經(jīng)加工的礦物，如，鐵碳化合物等，這些都可被視作金屬或金屬的物質(zhì)。應(yīng)該意識(shí)到，隨著氧化鐵的量越來(lái)越小，碳化鐵與氧化鐵的比率將接近無(wú)窮大。
本方法還同時(shí)包括熔化的金屬物質(zhì)與氧在足以產(chǎn)生氣體反應(yīng)物一氧化碳的溫度下發(fā)生反應(yīng)的步驟。該反應(yīng)步驟中包括向礦物質(zhì)熔池吹入氧氣以便于氧氣與碳化鐵中的碳發(fā)生反應(yīng)生成一氧化碳，一氧化碳然后進(jìn)入反應(yīng)器中熔池上方蒸汽空間內(nèi)。在一較佳的本發(fā)明具體裝置中，氧氣也注入到反應(yīng)器的蒸汽空間中，與一氧化碳發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳及促進(jìn)反應(yīng)的熱能。較合適的固態(tài)礦物質(zhì)的重量比對(duì)產(chǎn)生足夠的一氧化碳的碳化鐵而言，要足以產(chǎn)生熱量以促進(jìn)反應(yīng)，而用不著加入熱量或熱源。值得注意的是當(dāng)氧化鐵與碳化鐵相比，其相對(duì)量減少時(shí)，需較少的附加熱量或熱源。當(dāng)它的重量比足夠高時(shí)，不需附加外界熱源或基本不需另外的熱源，除伴生的碳?xì)浠衔镆酝猓忾]反應(yīng)器中的反應(yīng)可自發(fā)無(wú)限繼續(xù)下去。伴生的碳?xì)浠衔镒詈檬羌淄?，其與從周圍覆蓋著碳?xì)浠衔锏腟avard-Lee噴射器噴入熔池中的氧氣一起進(jìn)入熔池。
可以看到，本發(fā)明較現(xiàn)有的鐵碳合金生產(chǎn)技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn)。最重要的優(yōu)點(diǎn)在于過(guò)程的連續(xù)性及該方法利用可防止空氣和氣體反應(yīng)物進(jìn)出的封閉反應(yīng)器。連續(xù)的反應(yīng)器系統(tǒng)排除了所有批量生產(chǎn)過(guò)程所增加的關(guān)閉起動(dòng)時(shí)間。該封閉的反應(yīng)器系統(tǒng)可對(duì)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行控制，通過(guò)使該氣體與其他化學(xué)成分進(jìn)一步反應(yīng)，同時(shí)回收從反應(yīng)中產(chǎn)生的熱量。另外，本方法將現(xiàn)有批量煉鋼技術(shù)的大氣開放式設(shè)計(jì)巨大、昂貴的空氣處理裝置需求減少到最低限度。
在本發(fā)明中，最好既含碳化鐵又含至少微量氧化鐵的固體礦物質(zhì)被加入到有一金屬物質(zhì)熔池封閉反應(yīng)器中。可采用不同方法建立初始的熔池，熔池用來(lái)起動(dòng)反應(yīng)器系統(tǒng)，一些非限制性例子中是用外界燃燒器加熱反應(yīng)器內(nèi)物質(zhì)或使用一能將進(jìn)料物質(zhì)變?yōu)槿刍癄顟B(tài)的進(jìn)料預(yù)熱器。最好由加熱提供合適的熔化金屬物質(zhì)而形成熔池從而開始此過(guò)程。
氧氣噴入反應(yīng)器內(nèi)金屬物質(zhì)熔池，氧氣與進(jìn)料時(shí)的碳化鐵一充分反應(yīng)形成鐵碳合金與一氧化碳。然后，一氧化碳進(jìn)入反應(yīng)器的蒸汽空間中與進(jìn)一步供入反應(yīng)器的氧氣進(jìn)行反應(yīng)，以產(chǎn)生促進(jìn)反應(yīng)的熱量?？梢钥吹剑瑢?duì)碳化鐵而言，最好能提供足夠的碳使氧化鐵完全被還原，為了提高反應(yīng)能量的效率，一固體礦物質(zhì)進(jìn)料中碳化鐵與氧化鐵的重量比最好有所變化。在不含硫的礦物進(jìn)料中有足夠的碳，使實(shí)際加入的補(bǔ)充能量降到最低限度。雖然可通過(guò)追加的碳源來(lái)補(bǔ)充能量，但普通的追加碳源，例如煤、木炭等，通常將硫帶入系統(tǒng)中。值得一提的是這樣就需要昂貴的處理系統(tǒng)裝置來(lái)控制過(guò)程中的硫釋放物或除去鋼最終產(chǎn)品中的硫，所以這種加入是不希望的。
在熔池中產(chǎn)生的一氧化碳隨后存在于反應(yīng)器的蒸汽空間中，它與氧反應(yīng)生成二氧化碳?xì)怏w和熱量。噴入熔池中并且接著進(jìn)入蒸汽空間的多余的氧氣可被利用，盡管這種情況可能性不大。但是氧氣最好還是通過(guò)設(shè)置的噴嘴直接噴入反應(yīng)器的蒸汽空間內(nèi)。噴入某一區(qū)域的氧氣應(yīng)沿反應(yīng)器長(zhǎng)度有所不同，以分別補(bǔ)償熔化金屬物質(zhì)和蒸汽空間中一氧化碳反應(yīng)能力的變化。
在蒸汽空間中，一氧化碳與氧的反應(yīng)是一放熱反應(yīng)，放出的熱量至少部分被回收入熔池并進(jìn)一步促進(jìn)碳化鐵與氧的反應(yīng)和氧化鐵還原，生成熔化的鐵碳合金。離開蒸汽室的二氧化碳帶走的熱量可利用一可交換熱能的進(jìn)料預(yù)熱器得到補(bǔ)償，其在進(jìn)入封閉反應(yīng)器之前，將能量從反應(yīng)器內(nèi)的二氧化碳轉(zhuǎn)換給處于進(jìn)料預(yù)熱器內(nèi)的固態(tài)礦物質(zhì)。固態(tài)礦物進(jìn)料中進(jìn)碳化鐵與氧化鐵的克分子比最好有所變化，以提供相對(duì)氧化鐵量而言足夠的碳，這樣可以分別從生成一氧化碳和二氧化碳的連續(xù)氧化反應(yīng)中產(chǎn)生足夠的熱量，在基本不另外加入從可產(chǎn)生熱量的外界燃料或熱源來(lái)的熱量的情況下促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)程。
可以相信，在封閉的反應(yīng)器中可以達(dá)到一穩(wěn)態(tài)。熔池包括二層，二層之間有一界面。稠密的下層包括在進(jìn)料端口的熔化的碳化鐵鐵原料和鐵碳合金排出端口的鐵碳合金反應(yīng)生成物。這些原料沿反應(yīng)器長(zhǎng)度有一梯度，使下層朝向出料端口移動(dòng)，進(jìn)一步與氧反應(yīng)產(chǎn)生所需的鐵碳合金。上一層，也就是“渣”層，由氧化鐵和固體礦物質(zhì)進(jìn)料中的其它雜質(zhì)組成。這些雜質(zhì)包括二氧化硅和氧化鎂等。
為有效地形成粘度低，熔點(diǎn)低的渣，通過(guò)添加堿性氧化物，以石灰、氧化鈣為佳，促進(jìn)渣層的形成。
鐵碳合金和礦渣層最好分別從反應(yīng)器相對(duì)的出口連續(xù)排出，使下面的鐵碳合金層與上面的渣層在分界處形成一逆流。可通過(guò)改變鐵碳合金排出的速度來(lái)控制鐵碳合金層與渣層界面的高度。本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，從反應(yīng)器中流出的熔化的鐵碳合金還可與鎳、鉬、錳、鋁等合金成份進(jìn)一步合金化，以改變現(xiàn)有方法生產(chǎn)的鐵碳合金生成物的物理性能。
本發(fā)明的各種優(yōu)點(diǎn)與新穎性在附加于本文并成為本文一部分的權(quán)項(xiàng)中有詳細(xì)的描述。然而，為了更好地理解本發(fā)明及本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和使用目的，參考作為本發(fā)明一部分的附圖，此附圖顯示并描寫了本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
附圖中，通過(guò)幾種視圖，用數(shù)字標(biāo)號(hào)在不同標(biāo)圖中標(biāo)明了本發(fā)明較佳實(shí)施例的相應(yīng)部件。


圖1是本發(fā)明較佳的鐵碳合金生產(chǎn)系統(tǒng)的示意圖。
圖2是圖1中所示的本發(fā)明的封閉式碳化鐵反應(yīng)器的放大示意圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的較佳實(shí)施例的流程圖。
圖4是當(dāng)進(jìn)料組合物中碳化鐵占92%，氧化鐵占49%時(shí)，產(chǎn)生的一氧化碳與鐵碳合金產(chǎn)物中碳所占的百分比之間的關(guān)系圖。
圖5是當(dāng)進(jìn)料組合物中碳化鐵占88%，氧化鐵占8%時(shí)，產(chǎn)生的一氧化碳與生成的鐵碳合金中碳所占的百分比之間的關(guān)系圖。
圖6是對(duì)預(yù)熱固體礦物進(jìn)料的整體能量平衡影響圖。
圖7是不需附加熱源時(shí)礦物進(jìn)料的溫度值圖示。
在此按要求具體說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。然而，必須清楚的是這些說(shuō)明的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明可用不同系統(tǒng)實(shí)施的體現(xiàn)。所以，在此說(shuō)明的特定的細(xì)節(jié)不能作為限制，僅可作為權(quán)利要求書的基礎(chǔ)，并可對(duì)本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域不同程度的人員產(chǎn)生代表性的啟發(fā)。
現(xiàn)在討論圖，圖1一般表示了本發(fā)明生產(chǎn)鐵-碳合金和隨后的合金化的較佳完整生產(chǎn)系統(tǒng)(2)。氧化鐵反應(yīng)器(4)在一過(guò)程中把氧化鐵轉(zhuǎn)化成碳化鐵，此過(guò)程在通過(guò)引用在此結(jié)合運(yùn)用的Stephen(美國(guó)專利No.RE32，247)中有相似的揭示。但值得注意的是，本方法不同于Stephen專利方法，但本方法僅是這類方法的一個(gè)非限制性實(shí)例。
在本發(fā)明較佳實(shí)施例中，給進(jìn)料預(yù)熱器(6)在進(jìn)入封閉反應(yīng)器(10)前預(yù)熱碳化鐵。但須進(jìn)一步指出，在把碳化鐵送入封閉反應(yīng)器(10)之前進(jìn)行預(yù)熱不是必需的。更須指出，此碳化鐵進(jìn)料僅是進(jìn)入封閉反應(yīng)器(10)中的固態(tài)礦物后(20)的一部分。盡管碳化鐵至少占固態(tài)礦物質(zhì)(20)的一半，并且多些更好，其它礦物成份仍與碳化鐵一起進(jìn)入封閉反應(yīng)器。多種重要礦物成份中的氧化鐵量在氧化鐵反應(yīng)器(4)中不能被還原為碳化鐵。須指出，另外的氧化鐵可與氧化鐵反應(yīng)器(4)中的還原過(guò)程主要產(chǎn)品碳化鐵結(jié)合。氧化鐵反應(yīng)器(4)可被選擇性地控制以生產(chǎn)具有希望的碳化鐵/氧化鐵重量比的碳化鐵產(chǎn)品。用這種方法，將固態(tài)礦物質(zhì)(20)進(jìn)料提供給下面將進(jìn)一步討論的，有某一希望碳化鐵/氧化鐵重量比的封閉反應(yīng)器中。
現(xiàn)在再討論圖2，封閉反應(yīng)器(10)包括一反應(yīng)器蓋或罩(11)以容納固態(tài)礦物進(jìn)料(20)。在較佳實(shí)施例中提供一堿性氧化物(30)，還有氧氣(21和23)。此反應(yīng)過(guò)程產(chǎn)生的鐵-碳合金(36)和渣(42)最好在封閉反應(yīng)器的相對(duì)端排出。在較佳實(shí)施例中，排走的鐵-碳合金(36)隨后在合金反應(yīng)器(13)中，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)已知的合金方法，與合金成份進(jìn)一步合金化以產(chǎn)生合金產(chǎn)品。
封閉反應(yīng)器(10)中的反應(yīng)也產(chǎn)生熱二氧化碳?xì)怏w(CO2)。在較佳實(shí)施例中，熱二氧化碳?xì)怏w通過(guò)廢氣導(dǎo)管(15)排出反應(yīng)器罩(11)，然后導(dǎo)入進(jìn)料預(yù)熱器(6)，用熱二氧化硫中的熱量來(lái)預(yù)熱送入封閉反應(yīng)器(10)之前的固態(tài)礦物原料。固態(tài)礦物喂料(20)通過(guò)一礦物進(jìn)料進(jìn)口裝置(22)被送入反應(yīng)器罩(11)。一進(jìn)入反應(yīng)器罩，最好預(yù)過(guò)熱，此固態(tài)礦物進(jìn)料(20)便進(jìn)入熔化的金屬材料熔池(12)。熔池由較稠密的鐵碳合金或金屬下層(14)和較輕的渣上層(16)組成。固態(tài)礦物原料(20)與熔池(12)的熔化金屬材料混合，并成為它們的一部分。可以相信碳化鐵的礦物原料的氧化鐵成份實(shí)際上熔入了熔化的金屬原料，但不可以依賴于此。
本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，氧氣(21)通過(guò)浸入的噴嘴(24)被噴入熔池(12)。這些噴嘴(24)最好是流體罩式Savard-Lee浸入式氧注入器，其通過(guò)引用加以結(jié)合的Knuppel等(美國(guó)專利No.3，932，172)來(lái)參考。氧氣(21)最好用氣態(tài)烴覆蓋，最好用甲烷氣體(CH4)(未示出)。進(jìn)入熔池(12)后，氧氣(21)與碳化鐵中的碳發(fā)生放熱反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳?xì)怏w，進(jìn)入熔池(12)上方的蒸汽空間(17)中。氣態(tài)烴用來(lái)覆蓋氧氣，以使在靠近注入噴嘴(24)的地方立刻發(fā)生的反應(yīng)降至最小程度，以免放熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱損壞注入噴嘴(24)。值得注意的是，有些注入熔池(12)的氧氣(21)可逸出熔化金屬原料并進(jìn)入熔池(12)上方的蒸汽空間(17)，但這可能性較小。須進(jìn)一步指出，盡管氣態(tài)烴或甲烷與氧氣(21)一起被注入熔池(12)，在技術(shù)上它是熱源，但此氣態(tài)烴僅是一隨機(jī)的熱源，不被認(rèn)為是本發(fā)明的基本碳源或熱源。在本發(fā)明的選擇的實(shí)施例中，甲烷(CH4)(未示出)或其它烴類以基本量注入反應(yīng)器(10)，最好是注入蒸汽空間(17)，能提供促進(jìn)封閉反應(yīng)器(10)中反應(yīng)的Y＊P285X附加能源。也可用附加的能源，它們包括，但不作限制，煤、炭和其它碳原料，以及電弧或其它電學(xué)方法得來(lái)的電能。但在較佳實(shí)施例中，當(dāng)碳化鐵與氧化鐵的比足夠高，以在反應(yīng)器(10)中產(chǎn)生一自發(fā)反應(yīng)時(shí)，附加的能量不是必需的。最好氧氣和碳化鐵中的碳以及氧氣和一氧化碳的放熱反應(yīng)能提供，或占到反應(yīng)器(10)中反應(yīng)無(wú)限繼續(xù)所需的能量的約至少90%，較好的95%，更佳為97%最佳為99%，最理想為100%。
在較佳實(shí)施例中，氧氣(23)通過(guò)氧氣進(jìn)口(26)噴入蒸汽空間(17)，被噴入蒸汽空間(17)的氧氣(23)與熔池中的一氧化碳反應(yīng)產(chǎn)物反應(yīng)，以在放熱反應(yīng)中產(chǎn)生二氧化碳。此反應(yīng)中得到的熱量在反應(yīng)器罩(11)內(nèi)促進(jìn)其它反應(yīng)。
固態(tài)礦物進(jìn)料(20)被連續(xù)送入熔池(12)，此進(jìn)料(20)可通過(guò)熔池(20)的上層(11)中的渣表面加入，也可被直接浸入(未示出)金屬層(14)中。在熔池(12)中發(fā)生的反應(yīng)產(chǎn)生的鐵碳含金(36)連續(xù)地從反應(yīng)器罩(11)的合金排出端的合金出口(38)排出，此排出端最好是兩端中的較低端，且相對(duì)于反應(yīng)器罩(11)的進(jìn)料端。同時(shí)，渣(42)被連續(xù)地通過(guò)渣排出口44從罩(11)的進(jìn)料端(40)排出。因?yàn)樵?42)隨鐵-碳合金一起從封閉反應(yīng)器的相對(duì)端流出，所以在鐵碳合金層(14)渣層(16)之間的界面上產(chǎn)生了一連續(xù)逆流。這對(duì)于從鐵-碳合金中有效除去礦物雜質(zhì)，并把渣中的氧化鐵還原到一與在有相當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品生產(chǎn)中一致的水平是希望的。
最好堿性氧化物(30)如石灰等，通過(guò)一堿性氧化物進(jìn)料口裝置(28)送入封閉反應(yīng)器(10)，堿性氧化物(30)是促進(jìn)渣層(16)的產(chǎn)生所必須的。值得注意的是，在限制大氣氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)出同時(shí)，在靠近封閉空間的已知供料口裝置，都可被用作礦物進(jìn)料裝置(22)和堿性氧化物進(jìn)料口裝置(28)，不受限制地包括適于本發(fā)明目的的旋轉(zhuǎn)空氣閥和其它適于本發(fā)明目的的現(xiàn)有入口裝置。
為分別限制大氣和氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的進(jìn)出，反應(yīng)器(10)被封閉。熱二氧化碳?xì)怏w(32)可通過(guò)一氣體出口裝置(35)排出，蒸汽(17)進(jìn)入廢氣導(dǎo)管(15)。反應(yīng)器罩(11)的形狀可有變化，提供充夠的內(nèi)部容積以能夠形成兩相或兩層的熔池(12)。熔池的較稠密的下層含有熔化鐵碳合金，較輕的上層是由礦渣原料組成的。反應(yīng)器罩(12)的排出端(39)最好略低于進(jìn)料端(40)，以方便地排空反應(yīng)器(10)。本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例中的反應(yīng)器(10)由加長(zhǎng)的圓筒反應(yīng)器組成，它類似于Queneau-Schuhmann(Qs)反應(yīng)器或本文參考的Queneau等(美國(guó)專利No.4，085，923)發(fā)明的連續(xù)氧氣轉(zhuǎn)換器?？梢岳斫猓渌阎姆磻?yīng)器能滿足本發(fā)明要求的有反應(yīng)器和反應(yīng)器形狀的變化不是在此所揭示的本發(fā)明所必需的。較佳實(shí)施例中，封閉反應(yīng)器(10)裝有一可使反應(yīng)器罩(11)軸向(未示出)轉(zhuǎn)動(dòng)90°的裝置(未示出)，以清洗和修理浸入的噴嘴(24)。這樣，熔池(12)可移至更接近注入噴嘴(24)的地方。
封閉反應(yīng)器(10)的較好礦物進(jìn)料是含碳化鐵，最好既含碳化鐵和至少微量氧化鐵，以及少量尾礦物質(zhì)和其它雜質(zhì)的細(xì)顆粒固體物質(zhì)。這些雜質(zhì)不作為限制地包括二氧化硅、氧化鎂、金屬鐵、游離碳等。在固體原料中碳化鐵與氧化鐵的重量比可根據(jù)用于生產(chǎn)進(jìn)料中的碳化鐵來(lái)改變。當(dāng)?shù)V物原料(20)中的氧化鐵量越來(lái)越少時(shí)，重量比趨于無(wú)窮大。實(shí)際上通?？偸怯猩倭垦趸F，甚至微量。送入反應(yīng)器系統(tǒng)的礦物進(jìn)料最好是粉狀或顆粒狀，雖然本發(fā)明實(shí)踐中顆粒尺寸不是限制因素，但顆粒分布最好為約1毫米到約10微米。
本發(fā)明以較佳實(shí)施例中，在礦物進(jìn)料(20)中鐵碳化鐵與氧化鐵的重量比至少約為2或大些，較好的約大于3，更好的約大于3。本發(fā)明的更佳實(shí)施例中，此比值可以是約6∶1，較好的約8∶1，更好的約大于10∶1。當(dāng)碳化鐵與氧化鐵的重量比為約18∶1，最好約20∶1且礦物進(jìn)料(20)中含至少約75%，較好約85%，更好的約90%重量的碳化鐵時(shí)，可相信，將有充夠的碳存在于礦物進(jìn)料(20)中，以致不需對(duì)反應(yīng)器(10)加入附加的能量或能源以促進(jìn)那里的反應(yīng)。但當(dāng)碳化鐵與氧化鐵的重量比小于約18的時(shí)候，我們認(rèn)為，操作反應(yīng)器(10)系統(tǒng)可通過(guò)向封閉反應(yīng)器中加入以碳煤等形式的附加碳或一些其它熱源來(lái)進(jìn)行。盡管如此，如上所述的，由于在大多數(shù)碳源中，有硫和其它污染物，所以進(jìn)一步加入碳源是不希望的。這些污染物必須使用昂貴的排放物控制系統(tǒng)，且使最終產(chǎn)品中含不良雜質(zhì)?？梢赃@樣說(shuō)，即碳化鐵與氧化鐵的比值越大，則促進(jìn)反應(yīng)所需能量的自給程度也越大。
最近，Pinl Queneau教授已提出了改進(jìn)QSL反應(yīng)器的可能性(見《用于鉛的QSL反應(yīng)器和它用于鎳、銅、鐵的前景》，《金屬雜志》1989年10月，第30-35頁(yè))，以能夠從氧化鐵連續(xù)地生產(chǎn)鋼。值得注意的是，在本發(fā)明之前，已考慮了用固態(tài)礦物進(jìn)料(20)，它由至少約50、60、70、75、80、90、95或更大按較好至最好順序)重量的碳化鐵組成。在優(yōu)選實(shí)施例中，固態(tài)礦物(20)可達(dá)約98%，最好100%重量的與其它微量成份如氧化鐵等一起的碳化鐵。碳化鐵含量可達(dá)約固態(tài)礦物重量的50-100%，較好的約65%-99%，更好地約80%-98%，最好約85%-97%，為了把促進(jìn)封閉反應(yīng)器(10)中反應(yīng)的供給能量減到最低，最好把固態(tài)礦物進(jìn)料(20)中氧化鐵含量降到最低。碳化鐵中的氧化鐵可以不限制地包括Fe3O4、FeO等或它們的混和物。
反應(yīng)器系統(tǒng)的操作要求在連續(xù)送入固態(tài)礦物原料(20)之前，在封閉反應(yīng)器(10)中要有礦物原料熔池存在。熔池的建立有很多方法，在選擇的實(shí)施例中，固態(tài)礦物進(jìn)料(20)可被送入封閉反應(yīng)器(10)以提供礦物原料的最初進(jìn)料;但這需大量熱量不易被完成。這種初始進(jìn)料可通過(guò)外部熱源的熱量加入轉(zhuǎn)化成熔化狀態(tài)。但最好此熔池(12)首先由廢金屬，大多是鋼、鐵等產(chǎn)生，其熔化后形成熔池(12)。當(dāng)?shù)V物原料(20)被送入反應(yīng)器(10)時(shí)，熱量可選擇性地從外部熱源傳給固態(tài)礦物進(jìn)料(20)中。但值得一提的是，所有供給充足熱量以在封閉反應(yīng)器(10)中產(chǎn)生最初金屬材料熔池的系統(tǒng)都在本發(fā)明的實(shí)踐范圍內(nèi)。
作為系統(tǒng)所必須的反應(yīng)劑一氧被注入封閉反應(yīng)器中的礦物原料的熔池(12)中，使氧氣和碳化鐵反應(yīng)生成一氧化碳。在較佳實(shí)施例中，氧氣量(21)通過(guò)熔池(12)表面下面的各種注射噴嘴注入，且沿反應(yīng)器(10)的長(zhǎng)度而變化，以補(bǔ)償排出端(39)金屬和渣層(分別為14和16)相對(duì)于封閉反應(yīng)器(10)的進(jìn)料端增大的氧化電位。
在封閉反應(yīng)器(10)中產(chǎn)生的一氧化碳從反應(yīng)器(10)中的熔池(12)轉(zhuǎn)移到蒸汽空間(17)。在較佳實(shí)施例中，此一氧化碳?xì)怏w與蒸汽空間中的氧氣發(fā)生放熱反應(yīng)，生成二氧化碳。完成反應(yīng)的氧源可通過(guò)熔池(12)的表面下方過(guò)量地注入，盡管這是不大可能的氧源和/或通過(guò)氧氣注入口(26)注入的附加的氧氣(23)。
從一氧化碳/氧氣反應(yīng)生成二氧化碳產(chǎn)生的熱量部分送回熔池(12)以進(jìn)一步在封閉反應(yīng)器(10)中反應(yīng)。二氧化碳可通過(guò)廢氣出口(35)排出蒸汽空間(17)。蒸汽空間(17)中形成的二氧化碳所含的熱量不送入熔池(12)，可進(jìn)一步促進(jìn)回收剩余的熱能。在較佳實(shí)施例中，蒸汽空間(17)中的熱二氧化碳?xì)怏w通過(guò)廢氣出口(35)送到廢氣導(dǎo)管(15)中，使預(yù)熱器(6)把剩余熱能傳給固態(tài)礦物進(jìn)料(20)。預(yù)熱器(6)最好是一個(gè)雙壁窯。但是，任何把熱能從熱二氧化碳轉(zhuǎn)移到礦物進(jìn)料中的預(yù)熱裝置都可以適用。
從鐵碳化物與在熔池(12)表面下方注入的氧氣的反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳量將根據(jù)礦物進(jìn)料中碳化鐵與氧化鐵的比值和鐵碳合金產(chǎn)品中的希望碳含量而變化。值得一提的是作為此比值的結(jié)果，用于與氧氣放熱反應(yīng)生成二氧化碳的一氧化碳量將取決于礦物進(jìn)料中的碳化鐵濃度。在較佳實(shí)施例的進(jìn)料中，碳化鐵與氧化鐵的比值由較好至最好為約2∶1，4∶1，8∶1，10∶1，15∶1，18∶1或更大。在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，碳化鐵與氧化鐵的重量比足以給反應(yīng)器系統(tǒng)供給足夠的碳，以使為隨后的一氧化碳轉(zhuǎn)化到二氧化碳的反應(yīng)提供足夠熱量，以致于不需從外界供熱也可促進(jìn)封閉反應(yīng)器(10)中的碳化鐵/氧氣反應(yīng)或其它反應(yīng)。用外界熱量生產(chǎn)也是可以的。在封閉反應(yīng)器(10)中仍可形成穩(wěn)定狀態(tài)。這樣，當(dāng)鐵-碳合金(36)連續(xù)地從封閉反應(yīng)器(10)的排出端(39)排出時(shí)，從反應(yīng)器(10)的另一排出端(40)連續(xù)送入固體礦物原料(20)。這樣就生產(chǎn)出了具有一致物理特性和碳含量的連續(xù)供給的鐵碳合金?？梢韵嘈?，渣層(16)將在封閉反應(yīng)器(10)中形成，并在熔化的鐵碳合金層(14)上方形成一層。另外，渣(42)可從反應(yīng)器(10)的進(jìn)料端(40)連續(xù)地從封閉反應(yīng)器(10)中排出。堿性氧化物(30)對(duì)于從合金層(14)的金屬材料中的雜質(zhì)形成低粘度、低熔點(diǎn)渣層(16)是有效的。
現(xiàn)在我們?cè)賮?lái)討論圖3，它描述了連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的優(yōu)選方法。本方法包括下列步驟。首先，提供使熔化的礦物原料反應(yīng)的封閉反應(yīng)器(10)，此反應(yīng)器(10)能分別限制大氣的和氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)品的進(jìn)出。此封閉反應(yīng)器(10)有一金屬原料的熔池(12)和在熔池上方從熔池(12)接收氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的蒸汽空間(17)。此封閉反應(yīng)器還包括進(jìn)料端(40)和鐵碳合金出料端(39)。第二，連續(xù)向封閉反應(yīng)器(10)中的金屬原料熔池(12)送入固體礦物原料(20)。第三，同時(shí)向封閉反應(yīng)器(10)中的熔池(12)送入堿性氧化物。第四，向金屬原料的熔池(12)中注入用烴，最好是用甲烷混合的氧氣(21)。第五，同時(shí)向封閉反應(yīng)器(10)的蒸汽空間(17)中注入氧氣(23)。第六，連續(xù)從封閉容器(10)的鐵碳合金出料端(39)排出鐵碳合金。第七，連續(xù)從封閉反應(yīng)器(10)的進(jìn)料端(40)排出渣。第八，在把固態(tài)礦物原料(20)送入封閉反應(yīng)器(10)之前，把熱二氧化碳?xì)怏w從蒸汽空間(17)排出封閉反應(yīng)器(10)，以加熱預(yù)熱器(6)中的固態(tài)礦物原料(20)。值得一提的是，與在此所揭示的本發(fā)明一致并用已知生產(chǎn)過(guò)程的、如上所述步驟的進(jìn)一步步驟和改進(jìn)也屬于本發(fā)明的許多原則之中。
用在此揭示的本發(fā)明來(lái)生產(chǎn)鐵碳合金，完成理論熱化學(xué)計(jì)算。這些計(jì)算對(duì)于設(shè)計(jì)本發(fā)明實(shí)際實(shí)施例的化學(xué)和熱動(dòng)力學(xué)操作是可信的。
這些計(jì)算的基礎(chǔ)是假定從基于整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量平衡的必要量的反應(yīng)物來(lái)生產(chǎn)1000kg的鐵碳合金。假定在反應(yīng)器中下面立刻出現(xiàn)化學(xué)計(jì)量平衡反應(yīng)，通過(guò)這來(lái)進(jìn)一步定義必要的反應(yīng)物。在反應(yīng)表后面，是計(jì)算反應(yīng)器系統(tǒng)理論熱化學(xué)操作所用的假定和其它條件的總結(jié)。值得一提的是，方案就這樣地產(chǎn)生，并且是可靠的，但如果沒有進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)的話，就不可完全依靠它們。
反應(yīng)器中假定出現(xiàn)的反應(yīng)所用的其它假定和基本條件1.熱化學(xué)計(jì)算在兩種假定的礦物進(jìn)料組合物下合成組合物例1組合物288%Fe3C 92%Fe3C8%Fe3O44%Fe3O41%CaO(MgO)1%CaO(MgO)3%SiO23%SiO2另外，對(duì)進(jìn)料組合物2的熱化學(xué)計(jì)算在兩個(gè)進(jìn)料溫度下完成，一個(gè)未預(yù)熱298K，一個(gè)預(yù)熱773K。
2.這些計(jì)算中所用的形成氧化物的渣是100%CaO，在298K的溫度下送入。
3.通過(guò)注入器(24)送入熔池(12)或蒸汽空間(17)的氧氣是100%O2，并在298K溫度時(shí)送入。
4.甲烷(天然氣)被用作一流體混合物以保護(hù)O2注入器(24)，還作為碳源和熱源影響熱化學(xué)計(jì)算。假定天然氣是100%甲烷，在298K送入。
5.生產(chǎn)的鐵碳合金的碳含量從0.1%增長(zhǎng)到0.4%不等，因此鐵含量是100%減去在鐵碳合金中的碳百分?jǐn)?shù)。離開反應(yīng)器(10)的鐵碳合金預(yù)計(jì)有1873K溫度。
6.假定渣保持與進(jìn)料中相同的CaO對(duì)SiO2比值67%CaO，33%SiO2(重量)。渣預(yù)計(jì)在1923K溫度被排出反應(yīng)器(10)。
7.從反應(yīng)器(10)排出的廢氣可由O2、CO、CO2和H2O組成，以構(gòu)成約100%的廢氣。但相對(duì)濃度隨送入的組合物而變化。假定廢氣離開反應(yīng)器(10)的溫度為2000K。
反應(yīng)器系統(tǒng)中，每種元素的質(zhì)量必須守恒，這樣，所有進(jìn)料流中每種元素的總量必須等于所有出料流中每種元素的總量。在反應(yīng)器系統(tǒng)中的每種元素的理論質(zhì)量平衡在下面列出，等式左面表示進(jìn)料流，右面表示出料流。料流中所含的元素用元素下標(biāo)表示。
1.物料平衡W進(jìn)料中Fe3中的Fe + W進(jìn)料中Fe3O4中的Fe=WFe－C合金中的Fe＋W渣中FeO的Fe2.C平衡WC Fe3C中＝WC鋼中＋WCCO2中＋WCCO中3.氧氣平衡W在Fe3O4中的O2+W注入的O2+W注入的O2通過(guò)底部進(jìn)入蒸汽空間注入器＝WO2CO2中＋WO2CO中＋WO2H2O中廢氣廢氣廢氣
＋WO2渣中以FeO存在＋WO2尾氣中的O24.SiO2平衡WSiO2礦物進(jìn)料中＝WSiO2渣中5.CaO平衡WCaO礦物進(jìn)料中＋WCaO加入的堿性＝WCaO礦渣中的氧化物6.氫平衡WH2由注入器注入CH4=WH2廢氣中，水中渣組合物(假定加入的CaO維持此比值)[ (Wt.%CaO)/(Wt.%SiO2) ]礦渣＝2.08.在熔化的鐵碳合金(14)中的碳百分比與渣層(16)中形成的氧化鐵(FeO)百分比的關(guān)系的平衡數(shù)據(jù)反映了下面的相互關(guān)系鋼中%C渣中%FeO0.0535%0.1025%0.2012%0.406%0.806%下面敘述反應(yīng)器系統(tǒng)的總體理論能量平衡。從系統(tǒng)整體來(lái)看，能量必須守恒。所有熱量獲得和損失的和，不管是從化合物的溫度變化或是從化學(xué)反應(yīng)的熱能釋放或消耗得到的都必須等于零。還包括一個(gè)另外的術(shù)語(yǔ)△H反應(yīng)器壁損失，它表示從反應(yīng)器壁散發(fā)到周圍環(huán)境中的熱量損失。假定此鐵碳合金出口溫度為1873K。石灰＋［H1873-H298]O2+[H1873-HT入口］Fe3C+[H1873-HT入口］Fe3O4+[H1873-HT入口］SiO2+[H1873-HT入口］Ca+[H1873-H298]CH4+Σag]]>△HRX1873+△H反應(yīng)器壁損失＋［H2000－H1983］CO+[H2000-H1873]CO2+[H2000-H1873]H2O+[H1923-H1873]礦渣＝0質(zhì)量平衡式1-6的聯(lián)解加上上所示的熱平衡，當(dāng)用質(zhì)量平衡式7和平衡條件8時(shí)，可用作熱化學(xué)操作封閉反應(yīng)器(10)的方案。為達(dá)到平衡，每個(gè)計(jì)算有兩個(gè)變量，它們?cè)谒Ｍ牟僮鞣秶性鲩L(zhǎng)地變化。鐵碳合金產(chǎn)品中有一定百分?jǐn)?shù)的碳和從反應(yīng)器壁損失的熱量百分比。從反應(yīng)器壁的熱量損失從熱輸入的5%變化到10%直到15%，以Σag]]>△HRx1873表示，鐵碳合金中的碳百分?jǐn)?shù)從0.1%變化到0.4%。這就產(chǎn)生進(jìn)入蒸汽空間的過(guò)量氧氣這一從屬變量的結(jié)果，該蒸汽空間將熔池中排出的變化量CO轉(zhuǎn)化為CO2，H2轉(zhuǎn)化為H2O。在熱量下平衡時(shí)(比如，需要比反應(yīng)器(10)中的上述反應(yīng)所用的更多熱量)，將通過(guò)加入過(guò)量CO以產(chǎn)生CO2來(lái)實(shí)現(xiàn)平衡。此產(chǎn)生了消極性的CO輸出。
現(xiàn)在再來(lái)討論圖4-7，它們圖示了在提到的范圍中，計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和能量平衡的結(jié)果。圖4是對(duì)于含92%碳化鐵，4%氧化鐵和4%雜質(zhì)的礦物進(jìn)料組合物和從如上所述質(zhì)量和能量平衡的聯(lián)主解中得到的設(shè)計(jì)曲線。礦物原料進(jìn)料溫度為773K，三條曲線分別表示從反應(yīng)器壁損失的熱量與產(chǎn)生熱量的5%、10%和15%。沿圖4中的水平軸，在鐵碳合金中的碳百分?jǐn)?shù)對(duì)于每種假定熱損失從0.1%到0.4%變化。如上所述，假定將生產(chǎn)1000kg鐵碳合金。垂直軸用于描繪符合質(zhì)量和能量平衡的合成一氧化碳的產(chǎn)出和輸入。消極性的產(chǎn)品表明必須加入一氧化碳并與氧氣反應(yīng)以滿足能量平衡。如圖4所示，能量平衡在任何不需要從外界熱源供熱的條件下都可達(dá)到。
圖5與圖4類似，表示了同樣質(zhì)量和能量平衡解的設(shè)計(jì)，和繪入的變量;但礦物進(jìn)料成份變化，以將礦物進(jìn)料中有用的碳化鐵還原到88%的碳化鐵。礦物進(jìn)料中氧化鐵增加到8%，而雜質(zhì)維持在4%。進(jìn)料溫度為773K，該假定在生產(chǎn)1000kg的鐵-碳合金產(chǎn)品中得以保持。
圖4和圖5圖示了能量平衡的進(jìn)料中存在的碳化鐵的作用。從任何意義上來(lái)講，一氧化碳的產(chǎn)生都是不利的，它意味著需加入附加的燃料或熱量來(lái)完成所希望的反應(yīng)。
圖6圖示了在把固態(tài)礦物進(jìn)料送入封閉反應(yīng)器(10)前進(jìn)行預(yù)熱的的利作用。此計(jì)算假定，固態(tài)進(jìn)料成份為92%的碳化鐵，4%的氧化鐵和4%的雜質(zhì)。進(jìn)一步假定生產(chǎn)600kg的鐵碳合金。通過(guò)反應(yīng)器壁散失的熱量假定為如示的5%或10%。鐵碳合金中的碳百分?jǐn)?shù)從約0.05%變化到4%，計(jì)算在298K和773K的礦物進(jìn)料溫度下完成。垂直軸表示從反應(yīng)器(10)反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳，在此一氧化碳產(chǎn)品是消極時(shí)，意味著需要對(duì)系統(tǒng)加入熱量和燃料。在許多情況下，用廢氣來(lái)預(yù)熱礦物進(jìn)料，給反應(yīng)器(10)中的反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行提供了足夠的能量。
圖7圖示了在假定以上討論的各種熱量損失情況下，不需另外向封閉反應(yīng)器(10)中加入燃料和熱量的礦物進(jìn)料溫度。如圖6中的計(jì)算，進(jìn)料成份為92%的碳化鐵，4%的氧化鐵和4%的雜質(zhì)，假定生產(chǎn)100kg的鐵碳合金。但鐵碳合金產(chǎn)生中的碳百分?jǐn)?shù)被固定在0.2%。當(dāng)一氧化碳的產(chǎn)生為零時(shí)，礦物進(jìn)料溫度認(rèn)為足以提供充夠的能量來(lái)繼續(xù)反應(yīng)器(10)中的反應(yīng)，而不需要從外界另外加熱量或燃料。
值得指出的是，盡管前面的描寫提出了本發(fā)明的特多特征和優(yōu)點(diǎn)以及本發(fā)明的具體功能和結(jié)構(gòu)，但此揭示僅是描述性的，可作具體的變化，特別是形狀，尺寸和各部份的安排或步驟的次序和時(shí)間。這些都在術(shù)語(yǔ)的廣泛一般含義所充分指出的本發(fā)明的廣義原則范圍之中，這些術(shù)語(yǔ)在所附的權(quán)利要求中加以解釋。
權(quán)利要求
1.一種連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于所述的方法包括下列步驟(a)提供以連續(xù)的過(guò)程來(lái)接收和使礦物原料起反應(yīng)的反應(yīng)裝置，其中所述的反應(yīng)裝置包括一含有金屬原料熔池的封閉反應(yīng)器，所述的反應(yīng)器能夠分別限制大氣和氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的進(jìn)出；(b)連續(xù)地向反應(yīng)器中金屬原料熔池送入固體礦物原料，以使固體礦物原料混入金屬原料熔池中，并成為其一部份，所述的固體礦物原料包括碳化鐵和至少微量的氧化鐵，所述固體礦物原料的碳化鐵量至少約50%重量，且固體礦物原料中碳化鐵與氧化鐵的重量比至少約為2或大于2；且(c)同時(shí)使熔化的金屬原料與氧氣在一足以產(chǎn)生一氧化碳?xì)鈶B(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的溫度下反應(yīng)，所述的同時(shí)反應(yīng)步驟包括把氧氣注入反應(yīng)器中的金屬材料熔池中，使之與碳化鐵中的碳反應(yīng)生成一氧化碳反應(yīng)產(chǎn)物，隨后此反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入反應(yīng)器中熔池上方的蒸汽空間中。
2.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，步驟(c)進(jìn)一步包括同時(shí)使在反應(yīng)器蒸汽空間中的一氧化碳與氧氣反應(yīng)來(lái)生成二氧化碳，以熱量形式釋放能量來(lái)促進(jìn)步驟(b)和(c)的反應(yīng)。
3.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，步驟(c)進(jìn)一步包括把氧氣注入反應(yīng)器的熔池上方的蒸汽空間中。
4.如權(quán)利要求3所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，在反應(yīng)器的蒸汽空間中產(chǎn)生的熱二氧化碳被排出反應(yīng)器，用來(lái)加熱在送入熔池之前的固體礦物原料。
5.如權(quán)利要求2所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，步驟(a)中提供的反應(yīng)器進(jìn)一步包括一進(jìn)料端口和一鐵碳合金出料端口，且所述反應(yīng)產(chǎn)生鐵碳合金，所述的過(guò)程還包括同時(shí)連續(xù)進(jìn)行的從反應(yīng)器的鐵碳合金出料端排出一部分鐵碳合金的步驟。
6.如權(quán)利要求5所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，連續(xù)排出的鐵碳合金進(jìn)一步與合金化合物結(jié)合，以改變鐵碳合金的物理性能。
7.如權(quán)利要求5所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于步驟(b)進(jìn)一步包括同時(shí)向反應(yīng)器送入堿性氧化物方法，其對(duì)形成來(lái)自金屬原料中的雜質(zhì)的低熔點(diǎn)，低粘度渣層很有效。其中一部分渣被連續(xù)從反應(yīng)器排出。
8.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，碳化鐵基本上是固體礦物原料中唯一的碳源，且固體礦物原料中碳化鐵與氧化鐵的重量比至少約為18或更大。
9.如權(quán)利要求8所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述方法進(jìn)一步包括同時(shí)向熔池上方的反應(yīng)器蒸汽空間中注入氧氣的步驟，氧氣與一氧化碳在蒸汽室中反應(yīng)以產(chǎn)生熱量。
10.如權(quán)利要求9所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述一氧化碳與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳，其用來(lái)預(yù)熱進(jìn)入金屬材料熔池前的固體礦物原料。
11.如權(quán)利要求1所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述熔池包括兩個(gè)基本不同的金屬層和渣層，所述的通過(guò)多個(gè)注入器注入熔池的氧氣量可沿從礦物原料進(jìn)料端口到鐵碳合金出料端口的反應(yīng)器長(zhǎng)度上變化，這樣，與進(jìn)料端口相比，在出料端口，熔池的金屬層和渣層之內(nèi)，有一增大的氧化位能。
12.如權(quán)利要求11所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，當(dāng)熔化的金屬原料與氧氣在反應(yīng)器中反應(yīng)時(shí)，固體礦物原料中的碳化鐵與氧化鐵的重量比足以產(chǎn)生足夠的一氧化碳，這樣，產(chǎn)生的一氧化碳因而在反應(yīng)器中足以提供足夠的熱量，當(dāng)與反應(yīng)器蒸汽空間中的氧氣反應(yīng)時(shí)，在基本不加入外界熱能的情況下，使反應(yīng)相對(duì)無(wú)限地繼續(xù)下去。
13.一種連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述的方法包括下列步驟(a)提供在連續(xù)過(guò)程中接收和反應(yīng)礦物原料的反應(yīng)裝置，所述的反應(yīng)裝置包括一能分別限制大氣和氣體反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)出的封閉反應(yīng)器，所述的封閉反應(yīng)器有一金屬原料的熔池和在所述熔池上方從所述熔解浴接收氣體反應(yīng)產(chǎn)物的蒸汽空間，所述的封閉反應(yīng)器進(jìn)一步包括一進(jìn)料端口和鐵碳合金出料端口;(b)連續(xù)向封閉反應(yīng)器中的金屬原料熔池中送入固體礦物原料，以使此固態(tài)礦物原料混入金屬原料熔池中，并成為其一部分，所述的礦物原料含有碳化鐵和至少微量的氧化鐵，所述的固體礦物喂料中碳化鐵量至少約85%重量，且所述的固體礦物原料中碳化鐵與氧化鐵的重量比至少約18或更大，碳化鐵基本上是固體礦物原料中唯一的碳源;(c)同時(shí)使熔化的金屬原料與氧氣在足以產(chǎn)生一氧化碳反應(yīng)產(chǎn)物的溫度下反應(yīng)，此反應(yīng)步驟包括向反應(yīng)器中的金屬原料熔池中注入氧氣，以使氧氣與碳化鐵中的碳反應(yīng)，以形成一氧化碳，此一氧化碳隨后進(jìn)入熔池上面的反應(yīng)器蒸氣空間中，同時(shí)向蒸汽空間中注入氧氣以使蒸汽空間中的氧氣與一氧化碳放熱反應(yīng)而生成二氧化碳。
14.一種如權(quán)利要求13所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于碳化鐵與氧化鐵的比值為足以提供足以產(chǎn)生一定量一氧化碳的一定量碳化鐵，此一氧化碳在與蒸汽空間里的氧氣反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生足夠的熱量，在基本不需要外加入外界熱量的情況下促進(jìn)步驟(b)和(c)的反應(yīng)。
15.如權(quán)利要求14所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述的方法進(jìn)一步包括同時(shí)把反應(yīng)器的蒸汽空間中產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w導(dǎo)去加熱送入熔池之前的固體礦物原料的步驟。
16.如權(quán)利要求14所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述的反應(yīng)分別產(chǎn)生熔化的鐵碳合金和熔化的渣，所述的方法進(jìn)一步包括連續(xù)、同時(shí)地從反應(yīng)器的鐵碳合金出料端口排出一部分鐵碳合金，從進(jìn)料端口排出一部分渣的步驟。
17.如權(quán)利要求16所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，在同時(shí)連續(xù)排出一部分鐵碳合金步驟之后，進(jìn)行合金化合物與從封閉反應(yīng)器排出的鐵碳合金化合的步驟，以改變鐵碳合金的物理性能。
18.如權(quán)利要求14所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，步驟(b)進(jìn)一步包括同時(shí)向反應(yīng)器中供入堿性氧化物，其對(duì)形成來(lái)自金屬原料中的雜質(zhì)的位于熔池上方的低熔點(diǎn)，低粘度渣層是有效的。
19.如權(quán)利要求13所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，通過(guò)多個(gè)注入器注入熔池的氧氣量沿反應(yīng)器的長(zhǎng)度由進(jìn)料端口到鐵碳合金的出料端口變化。
20.連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述的方法包括下列步驟(a)提供在連續(xù)過(guò)程中接收和反應(yīng)礦物原料的反應(yīng)裝置，所述的反應(yīng)裝置包括一個(gè)能分別限制大氣和氣體反應(yīng)產(chǎn)物的進(jìn)出的封閉反應(yīng)器，所述的封閉反應(yīng)器有一金屬材料的熔池和位于所述熔池上方的從所述熔池接收氣體反應(yīng)產(chǎn)物的蒸汽空間。(b)連續(xù)向封閉反應(yīng)器中的金屬材料熔池送入固體礦物原料，以使固體礦物原料被熔入金屬原料熔池中并成為其一部份，所述的固體礦物原料含至少約60%重量的碳化鐵;(c)同時(shí)使熔化的金屬原料與氧氣在一足以產(chǎn)生一氧化碳反應(yīng)產(chǎn)物的溫度下反應(yīng)，所述反應(yīng)步驟包括向反應(yīng)器中的金屬材料熔池中注入氧氣，以使碳化鐵中的碳與氧氣的反應(yīng)生成一氧化碳，隨后一氧化碳進(jìn)入熔池上方的反應(yīng)器蒸汽空間中，且同時(shí)向蒸汽空間中注入氧氣，以使之與一氧化碳放熱反應(yīng)生成二氧化碳。
21.如權(quán)利要求20所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述的固體＊P1845X礦物原料含碳化鐵和至少微量的氧化鐵，所述在固體礦物原料中的碳化鐵與氧化鐵之比為至少約2或更大。
22.如權(quán)利要求21所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，固體礦物原料的含量為約60%-100%重量的碳化鐵和約0-25%重量的氧化鐵。
23.如權(quán)利要求22所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述的碳化鐵與氧化碳的比值為足以提供能產(chǎn)生足夠量一氧化碳的足夠量碳化鐵，使一氧化碳在蒸汽空間中與氧氣反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生一定量促進(jìn)步驟(b)和(c)的反應(yīng)的熱能，而基本上不需外界熱量的另外加入。
24.如權(quán)利要求23所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，固體礦物原料中碳化鐵與氧化鐵以重量比值為至少約18或更大，且碳化鐵基本上是固體礦物原料中的唯一碳源。
25.如權(quán)利要求24所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，所述的方法進(jìn)一步包括同時(shí)連續(xù)地從反應(yīng)器的鐵碳合金出料端口排出一定量的鐵碳合金的步驟;同時(shí)連續(xù)排出一定量的鐵碳合金之后，再進(jìn)一步進(jìn)行從封閉反應(yīng)器排出的鐵碳合金與合金化合物的化合步驟，以改變鐵碳合金的物理性能。
26.如權(quán)利要求24所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法，其特征在于，步驟(b)進(jìn)一步包括同時(shí)向反應(yīng)器送入堿性氧化物，以形成來(lái)自金屬原料的雜質(zhì)的在熔池上方的低粘度、低熔點(diǎn)的渣層，所述的方法進(jìn)一步包括連續(xù)從反應(yīng)器的進(jìn)料端口排出至少一部分渣層;所述用多個(gè)注入器注入熔池的氧氣量沿反應(yīng)器從進(jìn)料端口到鐵碳合金出料端口的長(zhǎng)度變化，這樣，與進(jìn)料端口相比，在熔池的出料端口有一增長(zhǎng)的氧化位能;所述的方法進(jìn)一步包括同時(shí)把反應(yīng)器蒸汽空間產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w排出反應(yīng)器以加熱送入熔解浴之前的固體礦物原料。
27.一種連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)其特征在于包括(a)第一反應(yīng)裝置，把氧化鐵轉(zhuǎn)化成碳化鐵(b)第二反應(yīng)裝置，把碳化鐵轉(zhuǎn)化成鐵碳合金，在所述第一反應(yīng)裝置中產(chǎn)生的碳化鐵連續(xù)送入所述的第二反應(yīng)裝置，所述的第二反應(yīng)裝置有一帶罩裝置的封閉反應(yīng)器，可分別限制大氣和氣體反應(yīng)產(chǎn)物的進(jìn)出，所述的封閉反應(yīng)器有一罩，罩內(nèi)有金屬原料的熔池和所述熔池的容納氣體反應(yīng)產(chǎn)物的蒸汽空間，所述的封閉反應(yīng)器進(jìn)一步包括進(jìn)料端口和鐵碳合金可連續(xù)從此排出的鐵碳合金出料端口。
28.如權(quán)利要求27所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的系統(tǒng)，其特征在于，所述的第二反應(yīng)裝置進(jìn)一步包括把氧氣送入熔池和蒸汽空間的氧氣入口裝置。
29.如權(quán)利要求28所述的連續(xù)產(chǎn)生鐵碳合金的系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)進(jìn)一步包括預(yù)熱碳化鐵的預(yù)熱裝置，所述的預(yù)熱裝置與封閉反應(yīng)器的蒸汽空間相連，在罩內(nèi)產(chǎn)生的熱量可從罩內(nèi)導(dǎo)出，并且通過(guò)預(yù)熱裝置預(yù)熱進(jìn)入罩之前的碳化鐵。
30.如權(quán)利要求28所述的連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)進(jìn)一步包括第三反應(yīng)裝置，在所述第二反應(yīng)裝置產(chǎn)生的鐵碳合金可送入所述的第三反應(yīng)裝置并與合金化合物化合，從而改變鐵碳合金的物理性能。
全文摘要
一種利用能分別限制大氣和氣體反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)出的封閉反應(yīng)器(10)來(lái)連續(xù)生產(chǎn)鐵碳合金的方法及其設(shè)備。一種含有碳化鐵和至少微量氧化鐵，且它們的重量比至少約2∶1或更大的固體礦物原料(20)送入反應(yīng)器(10)中的金屬原料熔池(12)中。熔解金屬原料同時(shí)與氧氣在足以產(chǎn)生一氧化碳反應(yīng)產(chǎn)物的溫度下反應(yīng)，隨后一氧化碳在位于溶池(12)之上的反應(yīng)器(10)的蒸汽空間(17)中與氧氣進(jìn)一步反應(yīng)以產(chǎn)生二氧化碳和熱量。
文檔編號(hào)C21B13/14GK1071202SQ92105410
公開日1993年4月21日 申請(qǐng)日期1992年7月4日 優(yōu)先權(quán)日1991年10月3日
發(fā)明者戈登H·蓋格 申請(qǐng)人:卡吉爾股份有限公司