СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБИДА ЖЕЛЕЗА Российский патент 2001 года по МПК C01B31/30 

Изобретение относится к способу получения карбида железа, пригодного в качестве сырьевого материала для производства чугуна и стали, который содержит карбид железа (Fe₃C) как основной компонент, например, сырьевого материала для производства стали, который используют в электрической печи и т. п.

Предшествующий уровень техники
Получение стали обычно включает этапы превращения железной руды в чушковый [передельный] чугун с использованием доменной печи, а после этого превращение чушкового [передельного] чугуна в сталь с использованием открытой подовой печи или конвертера. Такой традиционный способ является энергоемким, требует крупногабаритного оборудования и связан с высокими затратами. Поэтому при мелкосерийном производстве стали используют способ, включающий этапы прямого превращения железной руды в сырьевые материалы, используемые в печи для производства стали, и превращения сырьевого материала в сталь с использованием электрической печи и т.п. Что касается способа прямого получения стали, то для превращения железной руды в восстановленное железо используют способ прямого восстановления железа. Однако восстановленное железо, полученное способом прямого восстановления, обладает очень высокой химической активностью и взаимодействует с кислородом воздуха с выделением тепла. Таким образом, при транспортировке и хранении восстановленного железа в присутствии атмосферы инертного газа его необходимо герметизировать или принимать некоторые другие меры. Поэтому карбид железа (Fe₃C), содержащий сравнительно высокое количество железа (Fe), и который имеет низкую химическую активность и может легко транспортироваться и храниться, недавно нашел применение как содержащий железо материал для производства стали в электрической печи и т.п.

Кроме того, сырьевой материал для получения чугуна или стали, содержащий карбид железа в качестве основного компонента, не только легко транспортировать и хранить, но он также имеет то преимущество, что углерод в соединении с железом можно использовать как источник энергии в печи для получения чугуна и стали, также может быть использован как источник образования микропузырьков, которые уменьшают количество азота в ванне расплава при получении стали.

Поэтому, с недавнего времени сырьевые материалы для производства чугуна и стали, содержащие карбид железа в качестве основного компонента, вызывают особый интерес.

В соответствии с известным способом получения карбида железа мелкодисперсную железную руду загружают в реактор с псевдоожиженным слоем или в подобное ему устройство и осуществляют его взаимодействие с газовой смесью, содержащей восстановительный газ (например, газообразный водород) и карбюризирующий газ (например, газообразный метан и т.п.) при предварительно заданной температуре. Таким образом, оксиды железа (например, гематит (Fe₂O₃), магнетит (Fe₃O₄) и вюстит (FeO)) в железной руде подвергают восстановлению и карбюризации в едином процессе (что означает, что процесс выполняют при одновременном введении восстановительного газа и карбюризирующего газа в один реактор). Эта реакция протекает по следующей обобщенной формуле:
3Fe₂O₃ + 5H₂ + 2CH₄ ---> 2Fe₃C + 9H₂O
Предшествующее техническое решение в области настоящего изобретения описано, например, в публикации японского перевода Международной заявки на патент N 6-501983.

Для облегчения понимания настоящего изобретения ниже будет описан пример устройства для получения карбида железа в соответствии с предшествующим техническим решением. Например, известно устройство, показанное на фиг. 1. Как показано на фиг. 1, ссылочном номером 1 обозначен реактор с псевдоожиженным слоем. Реактор 1 с псевдоожиженным слоем имеет донную часть, к которой присоединен канал 2 для подачи реакционных газов (восстановительного газа и карбюризирующего газа), и верхнюю часть, к которой присоединен канал 3 для выпуска газа после реакции. Ссылочным номером 4 обозначена печь предварительного нагрева. Мелкодисперсную железную руду, подаваемую в печь 4 предварительного нагрева, подвергают в ней предварительному нагреву в течение заранее определенного времени. Затем подогретую железную руду подают в реактор 1 с псевдоожиженным слоем по каналу 5 и подвергают в нем реакции восстановления и карбюризации в течение предварительно определенного времени и при предварительно заданных температуре и давлении реакции. Полученный при этом готовый карбид железа выгружают по каналу 6.

В случае, когда распределение частиц железной руды по размерам является широким, трудно обеспечить, чтобы реакция протекала эффективно. Причина состоит в следующем. Для того, чтобы реакция протекала эффективно, предпочтительно, чтобы скорость обеспечивающего псевдоожиженного газа в реакторе 1 была относительно высокой, если размер основной части частиц железной руды является большим (крупным), однако при этом мелкодисперсная руда будет выдуваться, и чтобы скорость обеспечивающего псевдоожиженного газа в реакторе 1 была относительно низкой, если размер основной части частиц железной руды является малым (мелким), но крупные частицы руды при этом не будут псевдоожижены. Предпочтительны условия процесса, выбранные в зависимости от соответствующего размера частиц. Кроме того, для железной руды, имеющей частицы крупного размера, предпочтительно использовать реактор с подвижным слоем. Увеличение скорости течения газа при псевдоожижении вызывает образование мелкодисперсной железной руды за счет взаимного трения частиц и невыгодно для получения высокого выпуска железной руды.

Как видно из обобщенной формулы реакции, частица Fe₂O₃ превращена в F₃C, обладая около 3/4 первоначального веса. Кроме того, частицы мелкодисперсной железной руды в процессе псевдоожижения трутся друг о друга, так что за счет этого размер частиц постепенно уменьшается. Принимая во внимание, что вес псевдоожиженного материала (мелкодисперсной железной руды) постепенно уменьшается по мере протекания реакции, предпочтительно, чтобы скорость реакционного газа, подлежащего подаче в реактор с псевдоожиженным слоем, была относительно высокой в первой половине реакции и была относительно снижена в последней половине реакции, для того чтобы реакция протекала эффективно. Поскольку существуют конкретные условия, соответствующие развитию реакции, то нежелательно, чтобы реакция восстановления и реакция карбюризации выполнялись при одинаковых условиях в реакторе с псевдоожиженным слоем.

С учетом вышеописанных проблем, связанных с предшествующим техническим решением, задачей настоящего изобретения является создание способа эффективного получения карбида железа в зависимости от размера частиц содержащего железо материала или от развития реакции.

Сущность изобретения
Для того, чтобы решить поставленную задачу, в настоящем изобретении предложен способ эффективного получения карбида железа посредством классификации мелкодисперсного содержащего железо материала для производства чугуна на несколько сортов в соответствии с размером частиц, и восстановления и карбюризации содержащего железо материала, согласно соответствующим размерам частиц.

Первый аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа, включающего этапы классификации мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц и восстановления, и карбюризации каждого содержащего железо материала в соответствии с каждым сортом. Согласно первому аспекту настоящего изобретения обработке можно подвергать мелкодисперсный содержащий железо материал для производства чугуна, который имеет широкий диапазон распределения частиц. Путем выбора условий процесса в зависимости от размера частиц можно эффективно получать карбид железа.

Второй аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, в котором мелкодисперсный содержащий железо материал для получения чугуна классифицируют на несколько сортов в соответствии с размером частиц после предварительного подогрева. Согласно второму аспекту настоящего изобретения, в дополнение к вышеописанным преимуществам, может быть получен следующий эффект. Более конкретно, если классификация влажного содержащего железо материала связана с трудностями, то операция классификации облегчается, если ее выполняют в сухом состоянии материала, после предварительного подогрева или после процесса первого этапа реакции. Кроме того, настоящее изобретение может быть реализовано для обработки такого содержащего железо материала, как мелкодисперсная железная руда, образующаяся из сырьевого материала, который легко дробится под действием тепла, с получением не побочного, а основного продукта.

Третий аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа в соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, в котором процесс реакции восстановления и карбюризации включает процесс первого этапа реакции для выполнения части реакции восстановления, а затем процесс второго этапа реакции для выполнения дальнейшей реакции восстановления и карбюризации. Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, в дополнение к вышеописанным преимуществам, может быть получен следующий эффект. Для каждого процесса, который не может быть выполнен с помощью способа получения карбида железа с использованием одного реактора в соответствии с предшествующим техническим решением, могут быть приняты различные контрмеры. Тем самым, можно получить гибкий процесс. При этом скорость превращения и скорость реакции можно легко регулировать. Кроме того, энергия, потребляемая при образовании побочного продукта, может быть эффективно регенерирована.

Четвертый аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа получения карбида железа, включающего этапы: классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц после процесса первого этапа реакции при восстановлении части содержащего железо материала и выполнение процесса второго этапа реакции для выполнения реакции дальнейшего восстановления и карбюризации для каждого содержащего железо материала в соответствии с каждым сортом. Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения способ по настоящему изобретению подходит для обработки содержащего железо материала, который становится намного мельче в процессе реакции восстановления.

Пятый аспект настоящего изобретения направлен на разработку способа превращения мелкодисперсного содержащего железо материала для производства чугуна в карбид железа с использованием реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков разделительными стенками, включающего этапы деления отсеков на две части для крупного и мелкого содержащего железо материала, соответственно, и восстановление и карбюризацию крупного содержащего железо материала в одной части и мелкого содержащего железо материала в другой части. Согласно пятому аспекту настоящего изобретения подаваемый сырьевой материал можно обрабатывать в одном реакторе, в котором мелкодисперсная и крупнодисперсная руды участвуют в реакции отдельно, при конкретных условиях процесса для каждой руды. Тем самым, достигают оптимальной утилизации реакционного газа и эффективного выполнения процесса.

В настоящем изобретении содержащий железо материал для производства чугуна представляет собой железную руду или порошок и т.п., который образуется при производстве чугуна и содержит в качестве основного компонента по меньшей мере один оксид железа, такой как гематит, магнетит и вюстит, и гидроокиси железа, такие как гидроокись двухвалентного железа и гидроокись трехвалентного железа, или смеси более двух из них.

Согласно настоящему изобретению, имеющему описанные выше технические особенности, мелкодисперсный материал для получения чугуна, который имеет широкий диапазон распределения частиц по размерам, можно классифицировать на несколько сортов в соответствии с размером частиц, и можно выбрать условия процесса (температуру реакции, время реакции, скорость подачи газа и т.п.), соответствующие конкретным размерам частиц, для содержащего железо материала, относящегося к каждому сорту. Тем самым, можно получать карбид железа с высокой эффективностью.

Некоторые содержащие железо материалы легко дробятся под действием тепла. Такие материалы классифицируют после предварительного нагрева, а условия процесса, зависящие от каждого размера частиц, выбирают после классификации. Тем самым, можно получать карбид железа с высокой эффективностью.

Кроме того, при использовании двухэтапного процесса при осуществлении первого этапа реакции, при котором происходит часть реакции восстановления, а затем второго этапа реакции, при котором происходит реакция дальнейшего восстановления и карбюризации, газ, используемый на первом этапе реакции, может иметь оптимальный состав только для реакции восстановления, а газ, используемый на втором этапе реакции, может иметь оптимальный состав для реакции дальнейшего восстановления и карбюризации. При использовании двухэтапного процесса при восстановлении и карбюризации (превращении в карбид железа) содержащего железо материала можно увеличить скорость реакции, а время реакции (время, необходимое для превращения содержащего железо материала в карбид железа) можно сократить по сравнению со способом получения карбида железа в одноэтапном процессе.

Некоторые содержащие железо материалы легко измельчаются в процессе реакции восстановления. Такие материалы классифицируют после частичного восстановления, а условия реакции восстановления и карбюризации, соответствующие каждому размеру частиц, выбирают после классификации. Тем самым, реакция может проходить эффективно.

В реакторе, имеющем зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков, отсеки разделены на две части для содержащих железо материалов, имеющих крупные и мелкие частицы, а восстановление и карбюризацию содержащих железо материалов, имеющих крупные и мелкие частицы, проводят отдельно. Тем самым, подачу сырьевого материала и выгрузку готовых продуктов можно выполнять непрерывно, псевдоожижение может быть равномерным как для крупных, так и для мелких частиц, а площадь контакта между реакционным газом и сырьевым материалом может быть точно рассчитана для мелких частиц, с тем чтобы можно было сократить время реакции.

Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена поточная диаграмма, соответствующая техническому решению устройства для получения карбида железа, согласно предшествующему уровню техники.

На фиг. 2 (а) и 2 (b) представлены схемы, показывающие примеры выполнения способа, когда получение карбида железа соответствует настоящему изобретению.

На фиг. 3 представлена схема, показывающая другой пример выполнения способа, когда получение карбида железа соответствует настоящему изобретению.

На фиг. 4 представлена диаграмма, показывающая диапазон существования псевдоожиженного слоя в зависимости от размера частиц и скорости подачи газа.

На фиг. 5(а) представлено сечение, показывающее реактор с псевдоожиженным слоем, подходящий для выполнения способа, согласно настоящему изобретению, а на фиг. 5(b) представлено сечение по линии V-V на фиг. 5(а).

Предпочтительный вариант выполнения изобретения
Ниже описан вариант, когда в способе, согласно настоящему изобретению, используют реактор с псевдоожиженным слоем.

(1) Выбор времени классификации
Как описано выше, некоторые содержащие железо материалы легко дробятся под действием тепла или значительно измельчаются в процессе реакции восстановления. Например, степень образования мелкодисперсной железной руды, имеющей размер 70 мкм или мельче, обычно колеблется в соответствии с сортом железной руды в сырьевом материале (от 0,1 мм до 1,0 мм), в зависимости от условий обработки, которой подвергают железную руду, как показано в таблице 1.

Как описано ниже, оптимальные условия (протекания) способа можно получить путем выбора времени классификации, соответствующего сорту железной руды.

(а) В случае, когда в качестве сырьевого материала используют железную руду (руду "B" и "D"), которая легко дробится под действием тепла, предпочтительно использовать процесс, показанный на фиг. 2(a) и 2(b).

(b) В случае, когда в качестве сырьевого материала используют железную руду (руду "A"), которая легко измельчается в процессе реакции восстановления, предпочтительно использовать процесс, показанный на фиг. 3.

На фиг. 2(a), 2(b) и фиг. 3 крупную и мелкую железную руду можно обрабатывать одновременно в одном реакторе, если реактор имеет конструкцию, описанную в (3), хотя они могут быть обработаны и отдельно в соответствующем реакторе. Кроме того, классификацию можно выполнять два раза или более, в зависимости от распределения частиц железной руды по размерам.

(2) Выбор размера классификации
Размер классификации для разделения железной руды на крупную и мелкую, основанный на диапазоне распределения частиц железной руды по размерам, можно получить, например, как показано на фиг. 4. Скорость псевдоожижения показана на фиг. 4, на которой по горизонтальной оси откладывают размер частиц (d_p, в логарифмическом виде), а на оси показана поверхностная скорость (u, в логарифмическом виде). Линия А ограничивает нижний предел псевдоожижения. Ниже линии А скорость недостаточна для псевдоожижения железной руды в реакторе. Линия В ограничивает скорости продувки (предельная скорость). Выше линии В скорость настолько высока, что железная руда выдувается, и, таким образом, не может ни всплывать, ни стать псевдоожиженной.

Как видно из фиг. 4, если распределение частиц железной руды по размерам составляет от 0,1 до 1,0 мм, то при некоторых условиях (протекания) способа железная руда может всплывать и становиться псевдоожиженной, поскольку скорость газа в точке A1 ниже, чем в точке B1. Однако если распределение частиц железной руды по размерам шире, например, железная руда содержит мелкие частицы, имеющие размер от 0,05 до 0,5 мм, и крупные частицы, имеющие размер от 0,5 до 5 мм, то предпочтительно, чтобы реакции для железной руды с мелкими частицами и железной руды с крупными частицами проходили раздельно, для того чтобы обеспечить эффективность реакции и чтобы предельные размеры при делении на "мелкие" и "крупные" находились в диапазоне от 0,2 до 0,8 мм. Если крупная железная руда, имеющая размеры частиц от 5 до 7 мм или более составляет основную часть, то предпочтительно использовать реактор с подвижным слоем.

(3) Оборудование для классификации
В случае, когда железную руду классифицируют на основе распределения частиц по размеру, то крупную железную руду и мелкую железную руду можно обрабатывать в отдельных реакторах, чтобы обеспечить рабочие условия в зависимости от размера частиц. Однако крупную железную руду и мелкую железную руду можно обрабатывать одновременно в одном реакторе, если реактор имеет конструкцию, показанную на фиг. 5. Более конкретно, реактор 7 с псевдоожиженным слоем разделен на отсеки 8a-8e для крупной железной руды и отсеки 9a-9d для мелкой железной руды, в канале 10 для реакционного газа, подлежащего подаче в отсеки с мелкой железной рудой, предусмотрен регулирующий течение клапан 11, и мелкую железную руду, выпускаемую из реактора вместе с газом, извлекают в циклоне 12. Мелкую железную руду возвращают в отсеки 9a-9d.

Что касается реактора, имеющего вышеописанную конструкцию, то при использовании одного реактора можно также одновременно обрабатывать мелкую железную руду и крупную железную руду, имея одинаковый состав газа на впуске, в соответствии со следующим способом. Посредством настройки регулирующего клапана 11 можно регулировать скорость течения реакционного газа для улучшения псевдоожижения мелкой и крупной железной руды. В этом случае предпочтительно, чтобы скорость течения (= поверхностная скорость) реакционного газа для мелкой железной руды была снижена, чтобы избежать выдувания мелкой железной руды, и чтобы высота слоя (Hff) мелкой железной руды была установлена меньше, чем высота слоя (Hfc) крупной железной руды, чтобы получить одинаковое время контакта (газа и обоих сортов руды). Скорость реакции у мелкой железной руды имеет тенденцию быть несколько выше, чем у крупной железной руды, как видно из таблицы 2. В таблице 2 приведена скорость восстановления, когда отношение газ/твердый материал составляло 0,59 кг/SLM, температура реакции составляла 63^oC, давление газа составляло от 4 до 5 атмосфер, и концентрация водорода в реакционном газе составляла от 65 до 80%. Скорость реакции у мелкой железной руды (Z) была несколько выше, чем у крупной железной руды (X, Y).

Аббревиатура SLM означает стандартные литры в минуту (1 литр при нормальных условиях/минута).

Таким образом, в случае, когда в одном реакторе происходит реакция мелкой и крупной железной руды, мелкая руда взаимодействует слишком активно, чтобы крупная руда [успевала] прореагировать должным образом.

Согласно настоящему изобретению мелкая железная руда и крупная железная руда реагируют отдельно в одном реакторе с псевдоожиженным слоем. Таким образом, можно снизить количество подлежащего использованию газа на единицу веса железной руды, и сократить время присутствия в реакторе. Тем самым, можно получать карбид железа экономично и эффективно.

Классифицированная железная руда с более мелкими частицами не только может использоваться для получения карбида железа, но также может найти применение как вспомогательный материал для получения цемента или как сырьевой материал после гранулирования.

Промышленное применение
Исходя из описанных выше конструктивных особенностей настоящего изобретения устройство по настоящему изобретению подходит для эффективного получения карбида железа в зависимости от размера частиц содержащего железо материала или от развития реакции.

Изобретение относится к способу получения карбида железа, пригодного в качестве сырьевого материла для производства чугуна и стали. Способ включает восстановление и карбюризацию мелкодисперсного содержащего железо материала, классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц после предварительно нагрева. При этом восстановление и карбюризацию каждого сорта проводят отдельно, причем в два этапа. Первый этап для осуществления части реакции восстановления, а второй этап - для реакции дальнейшего восстановления и карбюризации. Способ осуществляют с помощью реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков разделительными перегородками. Часть отсеков предназначена для крупных, а другая для мелких мелкодисперсных содержащих железо материалов. Восстановление и карбюризацию крупных мелкодисперсных содержащих железо материалов осуществляют в одной части реактора, а мелких - в другой. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

1. 1. Способ получения карбида железа, включающий восстановление и карбюризацию мелкодисперсного содержащего железо материала, отличающийся тем, что он включает дополнительно классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц, причем восстановление и карбюризацию каждого сорта проводят отдельно. 2. Способ получения карбида железа по п.1, отличающийся тем, что мелкодисперсный содержащий железо материал классифицируют на несколько сортов в соответствии с размером частиц после предварительного нагрева. 3. Способ получения карбида железа по п.2, отличающийся тем, что реакции восстановления и карбюризации проводят в два этапа, первый этап для осуществления части реакции восстановления, а второй этап для осуществления реакции дальнейшего восстановления и карбюризации. 4. Способ получения карбида железа, включающий восстановление и карбюризацию мелкодисперсного содержащего железо материала, отличающийся тем, что он включает первый этап для частичного восстановления мелкодисперсного содержащего железо материала, после которого проводят классификацию мелкодисперсного содержащего железо материала на несколько сортов в соответствии с размером частиц, и второй этап для осуществления реакции дальнейшего восстановления и карбюризации мелкодисперсного содержащего железо материала, которые для каждого сорта проводят отдельно. 5. Способ превращения мелкодисперсного содержащего железо материала в карбид железа, осуществляемый с помощью реактора с псевдоожиженным слоем, имеющего зону псевдоожиженного слоя, разделенную на несколько отсеков разделительными перегородками, включает восстановление и карбюризацию мелкодисперсных содержащих железо материалов, отличающийся тем, что часть отсеков предназначена для крупных, а другая часть для мелких мелкодисперсных содержащих железо материалов, восстановление и карбюризацию крупных мелкодисперсных содержащих железо материалов осуществляют в одной части реактора, а мелких мелкодисперсных содержащих железо материалов - в другой части реактора.