專利名稱：：生產(chǎn)碳化三鐵的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)用于煉鐵和煉鋼的合適材料的方法及設(shè)備。更具體地說，本發(fā)明涉及一種生產(chǎn)含有碳化三鐵作為主要成份的材料的方法和設(shè)備，其中該材料用于電爐煉鋼等。
背景技術(shù)：
：鋼的生產(chǎn)通常包括以下步驟用高爐(blastfurnace)將鐵礦石轉(zhuǎn)化為生鐵，然后用平爐或轉(zhuǎn)爐將生鐵轉(zhuǎn)化為鋼。這種傳統(tǒng)方法需要大量的能量和大型設(shè)備，并且成本很高。因此，對(duì)于小型煉鋼操作，則使用另一方法，該方法包括如下步驟直接用電爐等將鐵礦石轉(zhuǎn)化為煉鋼爐中的原料，并且將該原料轉(zhuǎn)化為鋼。就直接煉鐵而言，采用直接還原法將鐵礦石轉(zhuǎn)化為還原鐵。然而，采用直接還原法生產(chǎn)的還原鐵具有很高的活性，并且在空氣中與氧反應(yīng)生成熱。因此，在還原鐵運(yùn)輸和貯存過程中，需要用惰性氣體或一些其它手段將還原鐵密封。因此，最近使用含有較高鐵(Fe)含量的碳化三鐵(Fe3C)作為含鐵材料用于電弧爐煉鋼等。這種碳化三鐵具有較低的反應(yīng)活性，并且易于運(yùn)輸和貯存。此外，含有碳化三鐵作為主要成份的煉鐵或煉鋼材料不僅易于運(yùn)輸和貯存，而且具有以下優(yōu)點(diǎn)與鐵結(jié)合的碳在煉鐵或煉鋼爐中可作為燃料來源，并且可以用來作為產(chǎn)生微氣泡的來源以加速煉鋼爐中的反應(yīng)。因此，如下文出版物1、2和3所示，用于煉鐵或煉鋼的含有碳化三鐵作為主要成份的材料，已引起人們極大的興趣。根據(jù)生產(chǎn)碳化三鐵的一種方法，在鐵礦石中的氧化鐵[例如，赤鐵礦(Fe2O3)、磁鐵礦(Fe3O4)、方鐵礦(FeO)等]在單一工藝中被還原和滲碳?！皢我还に嚒笔侵竿瑫r(shí)將還原氣體和滲碳?xì)怏w引入單一反應(yīng)器中而進(jìn)行的操作，如下列反應(yīng)式(1)-(6)所示。將細(xì)篩的鐵礦石加料到流化床反應(yīng)器中，并在預(yù)定的溫度，同包括還原氣體(如氫氣)和滲碳?xì)怏w(如甲烷等)的氣體混合物反應(yīng)。(1)(2)(3)(4)(5)(6)反應(yīng)(1)至(6)的總的反應(yīng)用反應(yīng)式(7)表示(7)此外，本發(fā)明領(lǐng)域中的現(xiàn)有技術(shù)例如描述在國(guó)際專利申請(qǐng)?zhí)枮镹o.6-501983(PCT/US9I/05198)的日文公開說明書中，其包括在下文所列的出版物11中的工業(yè)設(shè)備的操作報(bào)告和在下文所列出版物4、5和8中所描述的那些。另外，德國(guó)專利4320359公開了一種具有兩段反應(yīng)器的工藝方法。如下述反應(yīng)式(8)所示，滲碳工藝也可采用一氧化碳(CO)作為滲碳?xì)怏w組分來實(shí)現(xiàn)(8)上述領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)還進(jìn)一步描述在下文所列的出版物6和7中。表9出版物1.“TEKKOKAI，”1993年7月，第40-44頁(yè)，“令人感興趣的碳化三鐵、和鐵源”(TronCarbide，ironsourceattractinginterest)。2.“碳化三鐵作為電爐原料的可行性”(Thepotentialforuseofironcarbideasanelectricfurnacerawmaterial)，第16屆AdvancedTechnologySymposiumISS-AIME電弧爐替代鐵源，1993年5月2-5日，MyrtleBeach。3.A.W.Swanson，“碳化三鐵，優(yōu)質(zhì)廢鐵的可能替代物”，預(yù)印本93-28，SME年會(huì)，Reno，Nevada，1993年2月15-18日。4.F.V.Povoa，“Roleofironaresupplierinscrapsubstituteprocessdevelopment，”Iron&amp;SteelScrap，Scrapsubstitutesdirectsteel-making，March21-23，1995，Atlanta，Georgia。5.Nakagawa等，鐵礦石性能對(duì)碳化鐵形成的影響(“Influenceofthenatureofironoreontheforrmationofcementite，”)CAMP-ISU第7卷(1994)-85。6.Hayashi等，采用流化床由鐵礦石生成碳化三鐵(“Formationofironcarbidefromironoreusingfluidizedbed)(碳化三鐵的生產(chǎn)-2)CAMP-ISU第8卷(1995)-111?！?.Hayashi等，由鐵礦石生成碳化三鐵(碳化三鐵的生產(chǎn)1)CAMP-ISU第8卷(1995)-110。8.Nakagawa等，氣體組分和溫度對(duì)碳化三鐵生成的影響，CAMP-ISU第8卷(1995)-109。9.Mori等，新煉鐵工藝和流化床化學(xué)設(shè)備(ChemicalEquipment)，1986年6月，第99-108頁(yè)。10。T.P.McAloon，I＆SM，1994年2月。11.33金屬生產(chǎn)，1995年1月(第36，37和49頁(yè))。上述常規(guī)方法具有以下缺點(diǎn)關(guān)于在國(guó)際專利申請(qǐng)6-501983(PCT/US91/05198)日文公開說明書和出版物3和5中描述的常規(guī)方法(其使用現(xiàn)有的工業(yè)設(shè)備)，用于煉鐵的含鐵材料至少含有一種氧化鐵(如赤鐵礦、磁鐵礦和方鐵礦)或氫氧化鐵(如氫氧化二鐵和氫氧化三鐵)或兩種或多種氧化鐵和氫氧化鐵的混合物作為主要成份(如鐵礦石或煉鐵工藝中產(chǎn)生的粉塵等)。與煉鐵的含鐵材料中鐵原子結(jié)合的氧的去除工藝使用甲烷(CH4)作為滲碳反應(yīng)氣體的成份，在單一的反應(yīng)器中，利用含有甲烷(CH4)的氣體混合物，在大約600℃，將含鐵材料轉(zhuǎn)化為碳化三鐵(也叫作滲碳體和Fe3C)。該氣體混合物適合于滲碳反應(yīng)，也就是說，主要反應(yīng)(即還原和滲碳)在單一過程進(jìn)行。因?yàn)樵撨^程中甲烷直接用作滲碳?xì)怏w，所以甲烷中的碳原子起著滲碳成份的作用，而甲烷中的氫原子起著還原成份的作用。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是所消耗的H2(氫氣)或CO(一氧化碳)的量很少，并且設(shè)備簡(jiǎn)單。然而，下列缺點(diǎn)也是明顯的。因?yàn)楣腆w氧化鐵與還原和滲碳?xì)怏w之間的反應(yīng)是催化反應(yīng)，所以反應(yīng)速度低，反應(yīng)時(shí)間(即，需要用來完全轉(zhuǎn)化為所希望的碳化三鐵產(chǎn)品的時(shí)間)長(zhǎng)，從而與常規(guī)煉鐵方法，如高爐法等相比，需要很長(zhǎng)時(shí)間得到預(yù)定量的煉鋼材料。因此，為了增加單位時(shí)間的產(chǎn)量，需要增大設(shè)備的規(guī)模。所以，直接煉鐵法的主要目標(biāo)(與常規(guī)煉鐵方法相比，降低設(shè)備規(guī)模和生產(chǎn)成本)并未達(dá)到。為了增加反應(yīng)速度，優(yōu)選增加反應(yīng)時(shí)間。然而，在氧化鐵還原反應(yīng)中，當(dāng)反應(yīng)溫度增加到約600-700℃時(shí)，即使該溫度處于氧化鐵的熔點(diǎn)之下，當(dāng)還原率達(dá)到100％時(shí)，氧化鐵晶體的角狀表面由于表面張力變得平滑(稱之為燒結(jié)或半熔，以后稱之為“燒結(jié)”)。該現(xiàn)象的結(jié)果是反應(yīng)活性損失。如圖8和出版物9所示，赤鐵礦還原反應(yīng)的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系曲線表明當(dāng)還原達(dá)到約100％時(shí)，在約600-700℃，反應(yīng)時(shí)間增加。因此，即使增加反應(yīng)溫度，也不能實(shí)現(xiàn)增加反應(yīng)速度的目標(biāo)。若還原反應(yīng)中產(chǎn)生大量的水或若由于反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特征使原料不能平滑地流動(dòng)，水將與鐵反應(yīng)引起局部固化，也就是說，發(fā)生所謂的“粘結(jié)現(xiàn)象”。若發(fā)生燒結(jié)或粘結(jié)，氧化鐵顆粒凝結(jié)或附聚，從而使得不可能機(jī)械地除去。此外，在單一工藝中，將氧化鐵和含有氫氣、甲烷等的氣體混合物接觸可以進(jìn)行上述反應(yīng)式(1)-(3)的還原反應(yīng)和反應(yīng)式(4)的滲碳反應(yīng)。因此，必須考慮還原和滲碳反應(yīng)，并且不能獨(dú)立地設(shè)定反應(yīng)氣體的組成和反應(yīng)溫度，從而不能分別地優(yōu)化還原和滲碳反應(yīng)。因此，要增加反應(yīng)氣體量(即為了生產(chǎn)單位產(chǎn)品，待接觸的反應(yīng)氣體量)。如下文所述的表8a中所示，在國(guó)際專利申請(qǐng)6-501983(PCT/US91/05198)的日文公開說明書中所述的常規(guī)碳化三鐵生產(chǎn)工藝中，所消耗的能量、電能、冷卻水等的量大于在常規(guī)直接還原煉鐵法(如MIDREX法)中所用的相應(yīng)的量。在德國(guó)專利4320359中所述的方法降低了反應(yīng)氣體的量，并且用兩段來完成反應(yīng)。在第一段中，使用混合氣體來對(duì)鐵礦石進(jìn)行部分還原，該混合氣體由50-20％的循環(huán)反應(yīng)氣體和50-80％由第二段排出的剩余的部分反應(yīng)的循環(huán)反應(yīng)氣體組成。然后，該部分還原的鐵礦石轉(zhuǎn)移到第二段，使用50-80％循環(huán)反應(yīng)氣體來進(jìn)一步進(jìn)行還原和滲碳。上述方法的目的是通過將50-80％的循環(huán)反應(yīng)氣體在兩段中與礦石接觸，從而增加氣體的反應(yīng)效率。與國(guó)際專利申請(qǐng)6-501983(PCT/US91/05198)的日文公開說明書及出版物11(其描述了現(xiàn)有的工藝設(shè)備)中所述的常規(guī)方法相比，所述的方法降低了反應(yīng)氣體的一些消耗。然而，下述缺點(diǎn)還要考慮。特別是，引入第二段的循環(huán)反應(yīng)氣體需要足夠的碳電勢(shì)(即化學(xué)反應(yīng)力)來生產(chǎn)碳化三鐵。因此，需要增加反應(yīng)氣體的甲烷濃度。因此，在還原氣體中作為還原成份的氫氣濃度就相對(duì)較低。而且，因?yàn)樵诘诙蔚姆磻?yīng)完成后，氣體含有大量水和二氧化碳作為還原反應(yīng)的產(chǎn)物，所以氣體的還原能力下降。因此，要增加第一段的反應(yīng)時(shí)間。所以，不能降低第一段和第二段總的反應(yīng)時(shí)間。氣體組分和第一及第二段的溫度不能獨(dú)立地設(shè)定，因而不能獨(dú)立地控制還原率或金屬化率和滲碳率。出版物6和7中公開的方法使用一氧化碳(CO)氣體作為上述的滲碳反應(yīng)氣體成份，并且報(bào)導(dǎo)，滲碳的反應(yīng)時(shí)間大大降低。然而，必須考慮分別使用一氧化碳或甲烷時(shí)，將赤鐵礦(Fe2O3)完全轉(zhuǎn)化為碳化三鐵的總反應(yīng)式的差別。在CO的情況下，總反應(yīng)式為(9)在CH4的情況下，總反應(yīng)式為(10)如反應(yīng)式(9)和(10)所示，若使用一氧化碳作為滲碳反應(yīng)氣體成份，與使用甲烷相比，需要提供2.6倍((2+11)/5)的CO和H2的氣體混合物。工業(yè)上，在高溫和高壓下，在催化劑的存在下，將含有甲烷作為主要成份的天然氣同蒸汽接觸，然而進(jìn)行催化反應(yīng)(稱之為蒸汽轉(zhuǎn)化法)生產(chǎn)H2和CO。因此，若使用一氧化碳作為滲碳?xì)怏w，還需要昂貴的蒸汽轉(zhuǎn)化裝置，并且能耗增加。這種關(guān)系如圖10所示。本發(fā)明解決了生產(chǎn)Fe3C的傳統(tǒng)方法中的上述缺點(diǎn)。本發(fā)明的主要目的是提供一種有效地和經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)碳化三鐵的方法及設(shè)備。該方法和設(shè)備能縮短反應(yīng)時(shí)間，降低反應(yīng)氣體和能量的消耗，并且能使用體積較小的設(shè)備。參照附圖，從以下說明中，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將更清楚地認(rèn)識(shí)本發(fā)明的這些或其它目的及其優(yōu)點(diǎn)。為了能實(shí)現(xiàn)縮短反應(yīng)時(shí)間、降低反應(yīng)氣體的消耗和利用較小型設(shè)備及緊湊型蒸汽轉(zhuǎn)化裝置的目的，權(quán)利要求1所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法包括將含有赤鐵礦作為主要成份的鐵礦石進(jìn)行還原和滲碳，其中所述的方法的特征在于在反應(yīng)過程的第一段中將所述的赤鐵礦部分還原，并且隨后在反應(yīng)過程的第二段對(duì)部分還原的赤鐵礦進(jìn)行進(jìn)一步還原和滲碳。根據(jù)權(quán)利要求1生產(chǎn)碳化三鐵的方法，該反應(yīng)過程分為將赤鐵礦部分還原的第一段，和將用于煉鐵的含鐵原料中的金屬鐵進(jìn)一步還原和滲碳的第二段。因此，用于反應(yīng)過程第一段的氣體可以為優(yōu)化用于還原反應(yīng)的成份，并且用于反應(yīng)過程第二段的氣體可以為優(yōu)化用于進(jìn)一步還原和滲碳反應(yīng)的成份。根據(jù)本發(fā)明，與使用還原和滲碳?xì)怏w的混合氣體，在單一工藝中進(jìn)行赤鐵礦的還原和滲碳(即轉(zhuǎn)化為碳化三鐵)的生產(chǎn)碳化三鐵的方法相比，反應(yīng)速度能夠增加。因此，可以縮短反應(yīng)時(shí)間(將赤鐵礦中的鐵轉(zhuǎn)化為碳化三鐵以達(dá)到一定轉(zhuǎn)化率所需時(shí)間)。若還原度高，在600-700℃的反應(yīng)溫度下，赤鐵礦的還原引起燒結(jié)，而這又增加了反應(yīng)時(shí)間。在常規(guī)工藝中，將反應(yīng)溫度調(diào)到約590℃來防止燒結(jié)。與此相反，在生產(chǎn)碳化三鐵的本方法中，還原反應(yīng)分為第一階段和第二階段，并且可以將第一階段的反應(yīng)過程中的部分還原調(diào)節(jié)到?jīng)]有燒結(jié)發(fā)生的程度。因此有可能在上述的反應(yīng)溫度進(jìn)行還原反應(yīng)。因此，可以在比常規(guī)方法更高的溫度進(jìn)行反應(yīng)，從而進(jìn)一步增加反應(yīng)速度來縮短反應(yīng)時(shí)間。此外，在反應(yīng)過程第一階段和第二階段所需的還原和滲碳?xì)怏w的流動(dòng)速率，由于上述的高溫和較短的反應(yīng)時(shí)間等特征從而大大地降低。因?yàn)楸痉磻?yīng)工藝分為兩段來生產(chǎn)碳化三鐵，所以也需要兩套氣體系統(tǒng)。這使得系統(tǒng)復(fù)雜化。但是，由于縮短了反應(yīng)時(shí)間，從而增加了相同大小反應(yīng)器的生產(chǎn)率。另一方面，若不希望提高產(chǎn)量，可以使用較小的反應(yīng)器。還原反應(yīng)進(jìn)行的程度，即還原率，可以通過測(cè)量在反應(yīng)過程第一階段中產(chǎn)生的蒸汽量而測(cè)定。因此，即使由于赤鐵礦品質(zhì)的變化而引起反應(yīng)時(shí)間的變化，也易于控制生成碳化三鐵的轉(zhuǎn)化率。也可以利用下述的變化和改進(jìn)。這些變化和改進(jìn)不能在常規(guī)的工藝中用單一的工藝生產(chǎn)碳化三鐵，如公開在國(guó)際專利申請(qǐng)6-501983(PCT/US91/05198)的日文專利公開說明書中。因此，本方法是靈活可變的。(a)滲碳?xì)怏w具有熱分解產(chǎn)生游離碳的趨勢(shì)。為防止分解，將反應(yīng)氣體中的蒸汽維持在最低的恒定濃度。這一工藝步驟僅能用在反應(yīng)過程第二階段的氣體。(b)為了降低引起產(chǎn)生游離碳的CO和CO2濃度，例如由CO2洗滌器將它們從氣體中除去是有用的。該方法通過將CO和CO2經(jīng)過上述的洗滌操作處理，可以防止游離碳的產(chǎn)生，并且可以增加氫氣的濃度。上述CO和CO2在反應(yīng)過程第一階段的反應(yīng)氣體中累積達(dá)到化學(xué)平衡組分。(c)當(dāng)碳化三鐵的轉(zhuǎn)化率太高時(shí)，F(xiàn)e含量變少，并且甲烷氣體能分解成碳和氫。僅能在反應(yīng)過程第二階段進(jìn)行轉(zhuǎn)化率的控制。如在權(quán)利要求2中所述，優(yōu)選地，使用主要含有氫的還原氣體來進(jìn)行反應(yīng)過程的第一階段，并且使用主要含有氫和甲烷的還原和滲碳?xì)怏w來進(jìn)行反應(yīng)過程的第二階段。根據(jù)權(quán)利要求2的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，反應(yīng)過程的第一段使用主要含氫氣的還原氣體來進(jìn)行，而第二段使用主要含有氫氣和甲烷的還原和滲碳?xì)怏w來進(jìn)行。因此，在反應(yīng)過程的第一段可以得到部分還原，在反應(yīng)過程的第二段可以得到進(jìn)一步的還原反應(yīng)和滲碳反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)上述的優(yōu)點(diǎn)(1)。此外，還可以獲得用公開在德國(guó)專利4320359中的常規(guī)生產(chǎn)碳化三鐵的方法不能獲得的優(yōu)點(diǎn)。(a)就具有獨(dú)立的反應(yīng)氣體的氣體循環(huán)回路的第一段反應(yīng)工藝而言，由于水和二氧化碳的含量較低，有可能使用含有高含量的氫氣(即適于還原)，并具有高還原能力的氣體。相反，在常規(guī)方法中，滲碳反應(yīng)的必要?dú)怏w成份(即甲烷)的濃度高，而氫氣的濃度較低，并且，另外，氣體含有包括在氣體成份中的在第二段反應(yīng)過程中的還原反應(yīng)產(chǎn)生的水。因此，第一階段反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。(b)由于第一反應(yīng)階段的反應(yīng)氣體是還原氣體，所以在第一反應(yīng)階段基本上無碳化三鐵產(chǎn)生。因此，可以控制還原度或金屬化程度，從而可以優(yōu)化還原度以在第二階段的滲碳反應(yīng)中迅速地取得所需的滲碳率。另一方面，由于傳統(tǒng)方法使用具有基本上用于滲碳反應(yīng)的成份的氣體，所以在第一反應(yīng)段，難于獨(dú)立地控制還原度或金屬化程度和滲碳率。(c)由于第一和第二反應(yīng)段分別具有獨(dú)立的反應(yīng)氣體循環(huán)回路，就有可能提供最適合各階段的氣體成份，并且在各階段最優(yōu)化的溫度下獨(dú)立地反應(yīng)。另一方面，由于在傳統(tǒng)方法中，采用單一的循環(huán)氣體，所以獨(dú)立地控制第一和第二階段的溫度受到限制。與采用CO氣體作為滲碳?xì)怏w成份的傳統(tǒng)生產(chǎn)碳化三鐵的方法(如公開在出版物6和7中)相比，在第二段反應(yīng)過程中使用為天然氣體主要成份的甲烷來進(jìn)行滲碳和還原反應(yīng)。甲烷是本發(fā)明主要的反應(yīng)氣體成份。因此，由蒸汽將甲烷轉(zhuǎn)化為CO+H2的裝置可以制得1/2.6的較小規(guī)模，從而減小能量消耗，并減小設(shè)備的大小。如權(quán)利要求3所述，本發(fā)明的另一方面是提供一種生產(chǎn)用于煉鐵或煉鋼的含碳化三鐵作為主要成份的原料的方法。該方法包括將用于煉鐵的含鐵原料進(jìn)行還原和滲碳。這些原料如鐵礦石、由煉鐵工藝產(chǎn)生的粉塵等，它們含有至少一種氧化鐵(如赤鐵礦、磁鐵礦和方鐵礦)或氫氧化鐵(如氫氧化亞鐵和氫氧化三鐵)，或兩種或多種的氧化鐵和氫氧化鐵混合物作為主要成份。優(yōu)選地，為了使金屬鐵含量為總鐵含量的25-75(原子)％，在第一反應(yīng)階段，采用主要含有氫氣的還原氣體對(duì)煉鐵的含鐵原料進(jìn)行部分還原，并且，此后為了使最終轉(zhuǎn)化為碳化三鐵的轉(zhuǎn)化率大于總鐵含量的75％(原子)，在第二級(jí)反應(yīng)中，采用主要含有H2和CH4的還原和滲碳?xì)怏w進(jìn)行進(jìn)一步的還原和滲碳。更優(yōu)選地，在反應(yīng)第一階段，部分還原生成金屬鐵的程度為總鐵含量的30-65(原子)％以用于加料至第二反應(yīng)階段。此外，轉(zhuǎn)化為碳化三鐵的最終轉(zhuǎn)化率優(yōu)選為不小于總鐵含量的85(原子)％。根據(jù)權(quán)利要求3生產(chǎn)Fe3C的方法，可以對(duì)用于煉鐵的含鐵原料而非含赤鐵礦的作為主要成份的鐵礦石進(jìn)行有效地加工。這些含鐵原料如煉鐵工廠產(chǎn)生的粉塵和殘?jiān)醒趸F(如磁鐵礦等)，其與水的化合物以及一種和多種氫氧化鐵，其中金屬鐵原子的量不大于總鐵原子的50(原子)％，即氧化鐵或氫氧化鐵形式的鐵含量至少為50(原子)％。由于第一級(jí)反應(yīng)是在最優(yōu)化的操作條件(例如，溫度、壓力、氣體成份等)下進(jìn)行(該條件對(duì)應(yīng)于煉鐵的含鐵原料中鐵化合物的特定混合物)，從而減小了作為起始原料的鐵化合物一致性的影響，并提供第二級(jí)反應(yīng)具有理想的還原率和金屬鐵原子比率的部分還原的鐵化合物，所以得到這些優(yōu)點(diǎn)。因此，不管作為起始原料的鐵化合物的一致性，可以得到上述優(yōu)點(diǎn)(1)和(2)。另外，通過縮短反應(yīng)時(shí)間、降低能量消耗和使用緊湊型的設(shè)備可以克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)。如果含鐵原料含金屬鐵原子的量為總鐵量的50(原子)％或以上，那么不進(jìn)行第一段反應(yīng)而直接進(jìn)行第二段反應(yīng)是更有效的，因?yàn)樵现薪饘勹F含量已經(jīng)在權(quán)利要求1中所期望的范圍內(nèi)。在反應(yīng)第一段，煉鐵的含鐵原料(含有各種氧化鐵、氫氧化鐵或其混合物作為主要成份)被還原來調(diào)整金屬鐵的量在第一段反應(yīng)總鐵量的25-70(原子)％范圍內(nèi)，并且在反應(yīng)第二段，采用含甲烷為主要成份的還原氣體進(jìn)一步進(jìn)行還原和滲碳反應(yīng)。由于在第二段滲碳反應(yīng)中由甲烷產(chǎn)生的氫氣的量能與第二段還原反應(yīng)中消耗的氫氣的量基本相同，所以通過提供以甲烷為主的還原氣可以在反應(yīng)第二段進(jìn)行進(jìn)一步還原和滲碳反應(yīng)。該結(jié)果是由于化學(xué)反應(yīng)平衡，而不受含鐵原料中氧化鐵一致性和比例的影響。所以，用于轉(zhuǎn)化的氫氣和一氧化碳的提供，限于少量，這使利用蒸汽的氣體轉(zhuǎn)化的小型設(shè)備成為可能。因此，為了降低天然氣中轉(zhuǎn)化為氫氣和一氧化碳的甲烷的含量(如上所述)，本發(fā)明涉及到直接利用甲烷作為滲碳反應(yīng)的主要反應(yīng)成份的工藝。若用赤鐵礦作為原料，用甲烷將氧化鐵轉(zhuǎn)化為碳化三鐵(Fe3C)的反應(yīng)可分為三個(gè)反應(yīng)類型(如圖12)。這些反應(yīng)已從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)角度進(jìn)行了研究。因此，得到了總結(jié)在圖13中的數(shù)據(jù)。(1)從金屬鐵到碳化三鐵(Fe3C)的反應(yīng)速度是最快的?？紤]到只有滲碳反應(yīng)，將氧化鐵或氫氧化鐵，或其混合物還原為金屬鐵，隨之轉(zhuǎn)化為碳化三鐵(Fe3C)的工藝的優(yōu)點(diǎn)已顯示出。(2)另一方面，當(dāng)用甲烷將氧化鐵轉(zhuǎn)化為碳化三鐵，甲烷(CH4)中的氫原子也參加了還原反應(yīng)，如上述反應(yīng)式11和圖10所示，因此，這就有可能通過氣體轉(zhuǎn)化降低氫氣和/或一氧化碳的進(jìn)料。認(rèn)識(shí)到上述①和②條的結(jié)果是重要的，在反應(yīng)第一段的金屬化程度和總反應(yīng)時(shí)間(即第一段和第二段反應(yīng)過程時(shí)間的總和)之間的關(guān)系示于圖14。若金屬鐵的比例在25-70(原子)％內(nèi)，總反應(yīng)時(shí)間能被縮短。若比例在30-65(原子)％內(nèi)，總反應(yīng)時(shí)間最短。根據(jù)本發(fā)明，從煉鐵的含鐵原料轉(zhuǎn)化為碳化三鐵的最終轉(zhuǎn)化率為75(原子)％或更大。用于煉鐵和煉鋼的原料轉(zhuǎn)化為碳化三鐵的所需要的最佳轉(zhuǎn)化率的改變?nèi)Q于加工過程(如煉鐵、煉鋼等)和所述加工的目的，并且本發(fā)明能滿足任何條件。例如，當(dāng)主要目的是提供一種用作鐵源以及煉鋼爐中能量來源的材料，并且需要低能量消耗，生成碳化三鐵(Fe3C)的轉(zhuǎn)化率為90％或以上是優(yōu)選的。另一方面，有時(shí)精煉反應(yīng)的加速效果主要地是通過攪拌作用實(shí)現(xiàn)的，這種作用歸于下式(12)所示的反應(yīng)生成的氣泡，盡管能量消耗有一定程度的增加。(12)在這種情況下，可以利用轉(zhuǎn)化率大約為75(原子)％的碳化三鐵(Fe3C)產(chǎn)品。也就是說，可以得到滿足不同需要的用于煉鐵和煉鋼的原料的碳化三鐵(Fe3C)的最適合的轉(zhuǎn)化率。如權(quán)利要求4所述，在反應(yīng)第一段，優(yōu)選使用具有下述組分的反應(yīng)氣體，這種組分不允許碳化三鐵的形成，但適于還原，并且可工業(yè)化生產(chǎn)和循環(huán)使用。這樣的氣體包括H2+H2O≥40％，CO+CO2≤10％，CH4≤30％，H2O+CO2≤10％由于惰性氣體(如N2)的量的升高，降低了活性反應(yīng)氣體成份的相對(duì)濃度，所以惰性氣體從經(jīng)濟(jì)上盡可能地低，特別是從能量效率和反應(yīng)時(shí)間角度考慮，這是優(yōu)選的。根據(jù)權(quán)利要求4生產(chǎn)碳化三鐵的方法，反應(yīng)第一階段是部分地還原煉鐵的含鐵原料以調(diào)整金屬鐵含量在25-70(原子)％之內(nèi)的過程，即，氧化鐵的還原反應(yīng)是主要反應(yīng)。氧化鐵的還原氣體包括氫氣(H2)和一氧化碳(CO)。(H2+CO)的濃度越大以及作為還原產(chǎn)品的(CO2+H2O)的濃度越低，反應(yīng)速度越快。在本反應(yīng)溫度范圍內(nèi)，使用H2的還原反應(yīng)速度高于使用CO的還原反應(yīng)速度，并且縮短了反應(yīng)時(shí)間和降低了反應(yīng)氣體的消耗。此外，氫氣的反應(yīng)產(chǎn)物是可在處理中通過簡(jiǎn)單地冷卻排出氣體即可除掉的水蒸汽(H2O)。因此，若使用氫氣作為主要成份，可以很容易地以一種循環(huán)方式使用反應(yīng)氣體，而無需積聚H2O，或增加H2O的濃度。上述組分能用作進(jìn)行第一階段反應(yīng)的氣體。也就是說，通過保持低的甲烷濃度可以抑制反應(yīng)式(4)表示的生產(chǎn)碳化三鐵的反應(yīng)。所以，沒有碳化三鐵產(chǎn)生，而且還原反應(yīng)能有效進(jìn)行。由此，提供一種可實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)上的設(shè)備是可能的。如權(quán)利要求5所述，在反應(yīng)第二階段，進(jìn)行進(jìn)一步的還原和滲碳，而且可以獲得用于煉鐵和煉鋼的具有所期望的滲碳程度的原料。使用具有允許還原和滲碳反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，能以循環(huán)方式使用，并且提供足夠的反應(yīng)速度的這樣的組分的反應(yīng)氣體是優(yōu)選的。這樣的氣體包括H2+CH4≥65％(CH4≥20％)，15％≥CO+CO2≥0.5％，H2O≤1.5％因?yàn)镠2O對(duì)滲碳反應(yīng)速度總體上起著負(fù)作用，而且惰性氣體(如N2)量的升高降低了活性反應(yīng)氣體成份的相對(duì)濃度，所以H2O和惰性氣體維持低含量，尤其從能量效率和反應(yīng)時(shí)間角度考慮，是優(yōu)選的。根據(jù)權(quán)利要求5的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，煉鐵的含鐵原料(在反應(yīng)第一階段被部分還原和金屬化)的繼續(xù)還原和滲碳反應(yīng)是利用氫氣和甲烷作為主要成份，并且限制其他成份濃度進(jìn)行的，因而縮短了反應(yīng)時(shí)間，也降低了反應(yīng)氣體的消耗。為生產(chǎn)碳化三鐵(Fe3C)需要足夠的碳電位(即化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力)。在使用甲烷的滲碳反應(yīng)條件下，從反應(yīng)式4清楚可知，反應(yīng)與PCH4/(PH2)2成正比，這里PCH4是反應(yīng)氣體中甲烷(CH4)的分壓，PH2是反應(yīng)氣體中氫氣(H2)的分壓。在使用氫氣的還原反應(yīng)條件下，從反應(yīng)式(1)、(2)和(3)清楚可知，反應(yīng)氣的PH2/PH2O(其中PH2O是水蒸汽的分壓)與還原能力成正比(即從還原角度的化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué))。在本發(fā)明中，若反應(yīng)氣體主要成份是甲烷和氫氣，而且甲烷和氫氣的濃度調(diào)到適合的比例，并且水蒸汽(H2O)維持在預(yù)定濃度或以下，那么還原和滲碳反應(yīng)可以迅速地同時(shí)進(jìn)行，因而獲得了反應(yīng)氣體的高反應(yīng)效率。當(dāng)用于反應(yīng)第二階段的氣體具有以下組分H2+CH4≥65％(CH4≥20％)，H2O≤1.5％，該氣體滿足上述條件。根據(jù)反應(yīng)式(10)，CO或CO2作為滲碳反應(yīng)的反應(yīng)氣體組分，同時(shí)在甲烷的滲碳反應(yīng)中也作為催化劑。因此，增加了反應(yīng)速度。所以，優(yōu)選CO或CO2以預(yù)定的濃度存在以縮短反應(yīng)時(shí)間。在使用圖1的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行相同的第一反應(yīng)階段后，改變?nèi)肟诜磻?yīng)氣體中CO+CO2的百分比來進(jìn)行第二階段的反應(yīng)。結(jié)果列于圖11。圖11(a)表示在30-75％滲碳率時(shí)，平均滲碳速度和入口的CO+CO2的百分比的關(guān)系。如圖11(a)中所示，平均滲碳速度隨入口(CO+CO2)的百分比增加而增加，并且平均滲碳速度在約20％時(shí)達(dá)到飽和。對(duì)于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用，理想的是平均滲碳速度不小于6％/小時(shí)，并且CO+CO2的百分比至少約0.3％是重要的。若改變第二段氣體的入口(CO+CO2)％，那么在圖11(b)中示出了第二反應(yīng)階段過程中的平均出口-入口(CO+CO2)％，從圖11(b)清楚可見，若入口(CO+CO2)％較低，則在CO+CO2和原料反應(yīng)期間產(chǎn)生CO+CO2。若入口(CO+CO2)％較高，則消耗CO+CO2。也就是說，當(dāng)入口CO+CO2不小于約3％時(shí)，有時(shí)必須向循環(huán)氣體中供應(yīng)CO+CO2。本發(fā)明的目的是在滲碳反應(yīng)中使用甲烷作為主要反應(yīng)成份來使天然氣轉(zhuǎn)化的CO+H2的進(jìn)料最小(如上所述)。因此，滿足下列式15％≥CO+CO2≥0.5％，可以獲得工業(yè)上反應(yīng)速度的重要效果(即，縮短反應(yīng)時(shí)間)；同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高的滲碳反應(yīng)效率。因此，若用于進(jìn)行第二段反應(yīng)的氣體具有滿足下式的成份H2+CH4≥65％(CH4≥20％)，15％≥CO+CO2≥0.5％，H2O≤1.5％，惰性氣體成份如N2≤20％，反應(yīng)時(shí)間縮短，從而有可能使用實(shí)際工業(yè)上的應(yīng)用方法。如權(quán)利要求6所述，也優(yōu)選將甲烷加入到在第一階段反應(yīng)所用的還原氣體中使得可以調(diào)節(jié)在還原氣體中的氫氣含量，并且優(yōu)選將氫氣或甲烷加入到第二階段反應(yīng)所用的還原和滲碳?xì)怏w中使得可以調(diào)節(jié)在還原和滲碳?xì)怏w中的氫氣和甲烷含量。根據(jù)權(quán)利要求6生產(chǎn)碳化三鐵的方法，可以將甲烷氣體加入到第一反應(yīng)階級(jí)的還原氣體中來改變氫氣的比例，從而控制還原反應(yīng)的反應(yīng)速度。因此，有可能控制第一反應(yīng)階段的還原程度，控制獲得預(yù)定還原程度的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)控制在權(quán)利要求3范圍內(nèi)的第一反應(yīng)階段的產(chǎn)物中金屬鐵的含量。另外，通過控制如下式(13)所示的一氧化碳和氫氣反應(yīng)合成甲烷，可以防止氣體的還原能力的下降(即，CO2和H2濃度的降低，和H2O濃度的提高)。維持還原反應(yīng)的反應(yīng)速度從而有可能控制反應(yīng)時(shí)間，并且降低反應(yīng)氣體的消耗和氫氣和一氧化碳的進(jìn)料，(13)此外，將氫氣或甲烷加入第二反應(yīng)階段的還原和滲碳?xì)怏w中可以改變氫氣與甲烷的成份比例。因此，可以控制滲碳反應(yīng)的反應(yīng)速度。所以，可以控制滲碳率(即轉(zhuǎn)化為碳化三鐵的轉(zhuǎn)化率)和反應(yīng)時(shí)間，直到在第二反應(yīng)階段獲得預(yù)定的滲碳率。可以控制繼續(xù)還原反應(yīng)的反應(yīng)速度和滲碳反應(yīng)的反應(yīng)速度之間的相對(duì)關(guān)系，從而有可能如式(1)、(2)和(3)所示，繼續(xù)進(jìn)行還原反應(yīng)，同時(shí)如式(4)所示，進(jìn)行滲碳反應(yīng)。另外，可以控制最終產(chǎn)物的滲碳率以及殘余氧化鐵的形式和量；同時(shí)可以縮短反應(yīng)時(shí)間并以循環(huán)方式最有效地利用反應(yīng)氣體。此外，如權(quán)利要求7所示，在反應(yīng)第一階段，赤鐵礦作為煉鐵的含鐵原料的還原度優(yōu)選為50-65％，更優(yōu)選為55-62％。本文中所用的術(shù)語(yǔ)“還原度”是指減少的氧原子數(shù)與每個(gè)赤鐵礦(Fe2O3)的鐵原子的氧原子數(shù)(即，將赤鐵礦的氧原子數(shù)減去已進(jìn)行還原反應(yīng)的氧化鐵的每個(gè)鐵原子的氧原子數(shù)而得到的數(shù))之比。例如，磁鐵礦(Fe3O4)，方鐵礦(FeO)和還原鐵(Fe)的還原度分別為約11％、約33％和約100％。甲烷(CH4)用作反應(yīng)氣體成份以在第二反應(yīng)階段進(jìn)行進(jìn)一步還原和滲碳反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系如式(11)所示(11)就實(shí)際的FeO2/3成份而言，當(dāng)赤鐵礦(Fe2O3)用作原料時(shí)，金屬鐵(MFe)和氧化鐵(磁鐵礦(Fe3O4)和/或方鐵礦(FeO))以及還原度的關(guān)系列于表5。還原度約為56％。根據(jù)權(quán)利要求7的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，若在第一級(jí)反應(yīng)中赤鐵礦的還原度為50-65％，那么總反應(yīng)時(shí)間(第一級(jí)反應(yīng)和第二級(jí)反應(yīng)之和)為最短；同時(shí)，在第二級(jí)反應(yīng)的滲碳反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣量和還原反應(yīng)所需氫氣量基本相同。因此，從化學(xué)反應(yīng)平衡的角度，只需提供滲碳?xì)怏w就可以進(jìn)行第二級(jí)反應(yīng)。因?yàn)楣腆w和氣體間的催化反應(yīng)速度通常較低，所以對(duì)氣體進(jìn)行循環(huán)，從而有效地利用氣體。也就是說，提供反應(yīng)氣體成份維持反應(yīng)氣體的平衡成份，同時(shí)將固定量的反應(yīng)氣體進(jìn)行循環(huán)。在本發(fā)明中，分別在第一和第二反應(yīng)階段提供氫氣和甲烷。如權(quán)利要求8所述，優(yōu)選地，赤鐵礦生成碳化三鐵的最終轉(zhuǎn)化率為90-99％，更優(yōu)選93％或以上，更優(yōu)選95％或以上。根據(jù)權(quán)利要求8生產(chǎn)碳化三鐵的方法，赤鐵礦生成碳化三鐵的最終轉(zhuǎn)化率為90-99(原子)％，因而獲得了合適的產(chǎn)品。若轉(zhuǎn)化率小于90(原子)％，碳化三鐵的質(zhì)量降低。另一方面，若轉(zhuǎn)化率大于99(原子)％，產(chǎn)生的游離碳的量增加。如權(quán)利要求9所述，第一級(jí)反應(yīng)溫度優(yōu)選為550-750℃，更優(yōu)選610-650℃。根據(jù)權(quán)利要求9生產(chǎn)碳化三鐵的方法，第一級(jí)反應(yīng)溫度為550-750℃，因此，獲得了適合進(jìn)行上述反應(yīng)的溫度。若反應(yīng)溫度低于550℃，反應(yīng)速度較低，從而反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。因此，必須調(diào)節(jié)溫度大于550℃。另一方面，若反應(yīng)溫度大于750℃，這將對(duì)反應(yīng)器的耐熱結(jié)構(gòu)有不利的影響。如上所述，在赤鐵礦的還原反應(yīng)中，燒結(jié)發(fā)生在600-700℃，導(dǎo)致反應(yīng)時(shí)間增加，因此，在傳統(tǒng)方法中，反應(yīng)在低于上述溫度如590℃下進(jìn)行。在生產(chǎn)碳化三鐵的本方法中，還原反應(yīng)分為兩個(gè)階段，并且在第一反應(yīng)階段中的還原度并不特別高。因此，即使反應(yīng)溫度高，也不會(huì)發(fā)生燒結(jié)并不產(chǎn)生負(fù)影響(如反應(yīng)速度降低)。如權(quán)利要求10所述，為了控制在煉鐵和煉鋼材料中的殘余氧化鐵的最終形式(如磁鐵礦、方鐵礦等)，優(yōu)選在550-750℃進(jìn)行第二段反應(yīng)。為了提供磁鐵礦作為氧化鐵殘余形式(這是最穩(wěn)定的形式)，溫度優(yōu)選在550-590℃。為了縮短反應(yīng)時(shí)間并使反應(yīng)穩(wěn)定地進(jìn)行，溫度優(yōu)選為610-650℃。根據(jù)權(quán)利要求10生產(chǎn)碳化三鐵的方法，第二階段反應(yīng)溫度為550-750℃。因此，不會(huì)發(fā)生燒結(jié)或反應(yīng)過的鐵礦石粘結(jié)到爐壁上，這就易于控制碳化三鐵產(chǎn)品中殘余氧化鐵的形式(如磁鐵礦、方鐵礦)，并縮短反應(yīng)時(shí)間。也就是說，在第二階段反應(yīng)中，繼續(xù)的還原反應(yīng)、滲碳反應(yīng)和轉(zhuǎn)化為鐵可以同時(shí)進(jìn)行(因?yàn)楫?dāng)還原率高時(shí)進(jìn)行滲碳反應(yīng)，所以燒結(jié)比只進(jìn)行還原的情況發(fā)生的機(jī)會(huì)少)，并且反應(yīng)是在不產(chǎn)生燒結(jié)或鐵礦石粘結(jié)到爐壁上的情況下進(jìn)行。因此，若反應(yīng)溫度增加，則縮短了反應(yīng)時(shí)間。所以，第二階段優(yōu)選在不發(fā)生燒結(jié)或鐵礦石粘結(jié)到爐壁的情況下如610-750℃進(jìn)行。在第二反應(yīng)階段，為了獲得產(chǎn)品穩(wěn)定性，防止在產(chǎn)品運(yùn)輸和長(zhǎng)期貯存過程中自發(fā)燃燒，不僅得到所希望的生成碳化三鐵(Fe3C)的轉(zhuǎn)化率，而且控制殘余鐵的化學(xué)形式(如金屬鐵(Fe)，磁鐵礦(Fe3O4)，方鐵礦(FeO)等)也是重要的。就與水發(fā)生放熱反應(yīng)來說，鐵化合物的相對(duì)穩(wěn)定性的順序是Fe3O4(最穩(wěn)定)，F(xiàn)eO和Fe。在長(zhǎng)期運(yùn)輸和貯存的情況下，有時(shí)將盡可能多的殘余鐵組分，即，碳化三鐵產(chǎn)品中除碳化三鐵以外的組分，轉(zhuǎn)化為最穩(wěn)定的Fe3O4是理想的。在這種情況下，如從圖9可知，在約575℃或以下，不存在FeO。因此，有可能在550-570℃進(jìn)行反應(yīng)，使得所有殘余鐵組分為Fe3O4形式。如權(quán)利要求11所述，第二階段反應(yīng)溫度優(yōu)選在590-750℃，更優(yōu)選610-650℃進(jìn)行。根據(jù)權(quán)利要求11生產(chǎn)碳化三鐵的方法，第二階段反應(yīng)溫度在590-750℃，這對(duì)于快速生產(chǎn)碳化三鐵是一個(gè)合適的溫度。理由如下如圖9中所示，在Fe-H-O體系還原平衡中，在反應(yīng)溫度為590℃或以下，磁鐵礦(Fe3O4)區(qū)較寬。當(dāng)磁鐵礦在還原反應(yīng)中長(zhǎng)時(shí)間存在，生成碳化三鐵滲碳反應(yīng)的最后階段速度放慢，從而需要長(zhǎng)時(shí)間充分轉(zhuǎn)化為Fe3C。因此，必須將反應(yīng)溫度調(diào)到590℃或以上，以遠(yuǎn)離磁鐵礦區(qū)，并且可以相對(duì)高的量，設(shè)定H2O與H2O+H2之比。也就是說，使用相同的H2O與H2O+H2之比和相同量的反應(yīng)氣體進(jìn)行還原反應(yīng)，可以得到盡可能多的金屬鐵含量，并且甚至在生產(chǎn)碳化三鐵的滲碳反應(yīng)最后階段，由于存在金屬鐵，因而可以維持較高的滲碳反應(yīng)速度，從金屬鐵生成碳化三鐵。另一方面，若反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)到750℃或以上，這將對(duì)反應(yīng)器的耐熱結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。此外，在第二級(jí)反應(yīng)的還原之后不斷地進(jìn)行滲碳反應(yīng)，因而不會(huì)引起燒結(jié)。所以，反應(yīng)溫度能上升。如權(quán)利要求12所述，優(yōu)選從用于第二階段反應(yīng)的反應(yīng)氣體中除去水蒸汽來降低水的分壓。根據(jù)權(quán)利要求12生產(chǎn)碳化三鐵的方法，從第二階段反應(yīng)的反應(yīng)氣體中除去水蒸汽，可以降低水蒸汽分壓。因此，在Fe-H-O體系還原平衡中，F(xiàn)eO-Fe區(qū)變寬而磁鐵礦區(qū)變窄。因此，有可能防止由于磁鐵礦的存在而引起的滲碳反應(yīng)的下降，從而縮短反應(yīng)時(shí)間。如權(quán)利要求13所述，優(yōu)選將二氧化碳和氫氣加入到用于第二階段反應(yīng)的反應(yīng)氣體中。根據(jù)權(quán)利要求13生產(chǎn)碳化三鐵方法，將二氧化碳和氫氣加入到第二階段反應(yīng)的反應(yīng)氣體中。因此，進(jìn)行下述反應(yīng)式(14)的反應(yīng)，從而一氧化碳和二氧化碳的溫度增加。因此，可以極大地提高滲碳的反應(yīng)速度。(14)如權(quán)利要求14所述，第一階段和第二階段反應(yīng)的反應(yīng)壓力優(yōu)選為1-9.9kgf/cm2G，更優(yōu)選為2-5kgf/cm2G(G定義為表壓)。根據(jù)權(quán)利要求14生產(chǎn)碳化三鐵的方法，第一和第二反應(yīng)階段的反應(yīng)壓力為1-9.9kgf/cm2G。該反應(yīng)壓力適于得到上述反應(yīng)。若反應(yīng)壓力低于1kgf/cm2G，反應(yīng)速度較低，因而反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。另一方面，若反應(yīng)壓力大于9.9kgf/cm2G，反應(yīng)器中的水蒸汽凝結(jié)，并粘結(jié)在進(jìn)料的原料上，然后，進(jìn)料不能均勻地流動(dòng)，導(dǎo)致生成碳化三鐵的轉(zhuǎn)化率降低。另外，較高的壓力對(duì)反應(yīng)器和反應(yīng)器氣體供應(yīng)管的強(qiáng)度有不利影響。就壓力對(duì)還原反應(yīng)(主要在第一反應(yīng)階段進(jìn)行)和還原反應(yīng)速度影響而言，當(dāng)壓力增加到5-6atm(即約4-5kgf/cm2G)，還原度通常增加。若壓力高于上述范圍，壓力對(duì)還原率的影響較小，并且壓力為6atm或更低，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用是經(jīng)濟(jì)的。在第二反應(yīng)階段，繼續(xù)進(jìn)行還原和滲碳反應(yīng)。為了保持高的還原和滲碳反應(yīng)力，即使以循環(huán)方式使用氣體，優(yōu)選除去還原反應(yīng)中生成的H2O以盡可能降低H2O的濃度。當(dāng)氣體經(jīng)過冷卻處理以除去H2O時(shí)，若壓力較高，H2O的量相對(duì)降低。當(dāng)壓力增加時(shí)，滲碳反應(yīng)的甲烷組分的平衡濃度增加，作為還原組分的氫氣濃度變得相對(duì)較低。因此，優(yōu)選在足夠的壓力下進(jìn)行操作以保持還原速率和滲碳速率的合適的關(guān)系。優(yōu)選的壓力為3-6atm。在權(quán)利要求14的方法中，調(diào)節(jié)該操作壓力至一合適值，從而有可能縮短反應(yīng)時(shí)間，獲得有利的反應(yīng)經(jīng)濟(jì)性。如權(quán)利要求15所述，優(yōu)選將供入反應(yīng)器的第一和第二階段反應(yīng)的原料進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)冷至各反應(yīng)階段的反應(yīng)溫度±100℃。根據(jù)權(quán)利要求15生產(chǎn)Fe3C的方法，將加入第一和第二級(jí)反應(yīng)器中的細(xì)篩原料預(yù)熱或預(yù)冷至每段反應(yīng)溫度±100℃。因此，原料進(jìn)料不會(huì)附聚，并且冷凝的水蒸汽不會(huì)對(duì)原料的流動(dòng)能力產(chǎn)生不利影響。因?yàn)榉磻?yīng)式(1)-(3)的還原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，所以進(jìn)料被冷卻。供給第二反應(yīng)階段的進(jìn)料具有特別高的反應(yīng)活性，并且在反應(yīng)開始快速地產(chǎn)生水蒸汽冷卻進(jìn)料。因此，產(chǎn)生的水蒸汽冷凝粘結(jié)在進(jìn)料上，從而阻礙了進(jìn)料的流動(dòng)。因此，供給反應(yīng)器的進(jìn)料預(yù)熱至約反應(yīng)溫度，從而防止水蒸汽冷凝，并防止了反應(yīng)速度下降。此外，根據(jù)用于煉鐵和含鐵原料的形式，第一階段反應(yīng)的溫度能對(duì)隨后的第二反應(yīng)階段的反應(yīng)速度產(chǎn)生影響。例如，在比第二階段反應(yīng)低幾十度的溫度下進(jìn)行第一階段的還原反應(yīng)，增加了單位重量原料的表面積。這提供了第二階段的反應(yīng)一種活性更高并且部分金屬化的原料。然后，原料(具有相對(duì)的活性)進(jìn)行繼續(xù)還原和滲碳反應(yīng)，從而縮短了整個(gè)反應(yīng)時(shí)間。為了使碳化三鐵的殘余鐵成份最大程度為穩(wěn)定的磁鐵礦，并且縮短總的反應(yīng)時(shí)間，在第一階段，反應(yīng)在盡可能高的溫度進(jìn)行后，也可在較低溫度如575℃或以下，進(jìn)行第二段反應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，有時(shí)必須向反應(yīng)第一階段的反應(yīng)器的原料加入足夠的熱，并加入經(jīng)預(yù)熱的原料以提供部分反應(yīng)熱，從而避免反應(yīng)氣體過熱。除了將反應(yīng)第一階段加入的原料預(yù)熱以外，有時(shí)還必須進(jìn)行初步處理，如從起始物質(zhì)中除去結(jié)合的水。在這種情況下，在至少比第一階段反應(yīng)高100℃的溫度進(jìn)行預(yù)熱操作是有效的。本發(fā)明包括這一操作。如權(quán)利要求16所述的進(jìn)行本發(fā)明工藝的裝置，生產(chǎn)煉鐵和煉鋼的原料。該原料含有碳化三鐵作為主要組分。該裝置對(duì)用于煉鐵的含鐵原料進(jìn)行還原和滲碳(例如鐵礦石或煉鐵工藝產(chǎn)生的粉塵等，它們含有至少一種氧化鐵和氫氧化鐵，或兩種或兩種以上的氧化鐵，如赤鐵礦、磁鐵礦和方鐵礦，和氫氧化鐵，如氫氧化二鐵和氫氧化三鐵，的混合物作為主要成份)。該裝置包含用于第一級(jí)反應(yīng)工藝以將用于煉鐵的含鐵原料部分還原的第一級(jí)反應(yīng)單元，和用于第二級(jí)反應(yīng)工藝以將部分還原的含鐵原料進(jìn)行進(jìn)一步還原和滲碳反應(yīng)的第二級(jí)反應(yīng)單元，其中，原料輸送管線與第一級(jí)反應(yīng)單元的上部相連；部分還原的材料輸送管線位于第一級(jí)反應(yīng)單元的下部，與第二級(jí)反應(yīng)單元上部相連；而碳化三鐵的回收管線在操作上與第二級(jí)反應(yīng)單元的下部相連；并且其中第一級(jí)反應(yīng)氣體的循環(huán)回路包括第一級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線(其具有一末端，該端部通過壓縮機(jī)和加熱器同第一級(jí)反應(yīng)單元?dú)怏w入口相連)和位于第一級(jí)反應(yīng)單元?dú)怏w出口的循環(huán)管線(其通過一洗滌器與第一級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線的另一端相連)，而第二級(jí)反應(yīng)氣體循環(huán)回路包括第二級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線(其有一末端，通過壓縮機(jī)和加熱器與第二級(jí)反應(yīng)單元?dú)怏w的入口相連)和位于第二級(jí)反應(yīng)單元?dú)怏w出口的循環(huán)管線(其通過一洗滌器同第二級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線的另一端相連)，其中主要含有氫氣的還原氣體的供應(yīng)線與第一級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線相連，而主要含有甲烷的還原和滲碳?xì)怏w的供應(yīng)線，與第二級(jí)反應(yīng)氣體輸送線相連，從而可以向每一個(gè)第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)單元連續(xù)提供不同的反應(yīng)氣體。根據(jù)權(quán)利要求1-15所述的反應(yīng)工藝和條件，該裝置可以有效地控制第一和第二級(jí)反應(yīng)工藝中的各自反應(yīng)。此外，基本上所有各自的反應(yīng)氣體均可以循環(huán)方式使用，并且在除去粉塵和水之后，可以以循環(huán)方式有效地利用。優(yōu)選地，本發(fā)明的裝置如圖5所示進(jìn)行建造，例如，用于調(diào)整每個(gè)反應(yīng)階段中反應(yīng)氣體組分的獨(dú)立的氣體回路與每個(gè)反應(yīng)裝置和各自的氣體循環(huán)回路相連。本發(fā)明生產(chǎn)權(quán)利要求16的碳化三鐵的裝置的一個(gè)具體實(shí)施方案如圖5所示。第一級(jí)反應(yīng)工藝進(jìn)行還原直到原料中20-70(原子)％的總鐵被金屬化，而第二級(jí)反應(yīng)工藝則進(jìn)行繼續(xù)還原，并轉(zhuǎn)化產(chǎn)生碳化三鐵。反應(yīng)分別在獨(dú)立的反應(yīng)裝置41和61中進(jìn)行。反應(yīng)完成后，從廢氣中除去粉塵和不純氣體組分，在洗滌器45和65中進(jìn)行。為了控制氣體組分，反應(yīng)氣體用還原氣體或滲碳?xì)怏w補(bǔ)充之后，通過再循環(huán)壓縮機(jī)42和62以及氣體加熱器43和63，第一級(jí)反應(yīng)氣體循環(huán)回路40和第二級(jí)反應(yīng)氣體回路60，輸入反應(yīng)器41和61，從而可以獨(dú)立地將反應(yīng)氣體送入第一級(jí)反應(yīng)器41和第二級(jí)反應(yīng)器61。此外，相應(yīng)原料的組分和反應(yīng)特征，可容易地調(diào)節(jié)和控制各自不同的最佳操作條件，并控制最終產(chǎn)品的成份。也可以降低設(shè)備大小，并降低能源消耗，從而改善經(jīng)濟(jì)性。上述裝置可作為批料生產(chǎn)裝置或連續(xù)生產(chǎn)裝置，由原料供應(yīng)線80將原料供入第一反應(yīng)裝置41，并由傳輸線81將在第一反應(yīng)裝置41中制備的部分金屬化的原料傳輸給第二反應(yīng)裝置61，并且批料地或連續(xù)地通過出料管線82，將在第二反應(yīng)裝置61中生產(chǎn)的碳化三鐵產(chǎn)品排出。在連續(xù)生產(chǎn)工藝的情況下，特別是，可使用流化床反應(yīng)裝置有效地生產(chǎn)高滲碳率的Fe3C產(chǎn)品或組分稍有變化的Fe3C產(chǎn)品，其中，如權(quán)利要求18所述，內(nèi)反應(yīng)區(qū)包含一個(gè)隔墻，為原料提供路徑來通過反應(yīng)工藝。此外，根據(jù)圖16所示的實(shí)施方案，若在第一級(jí)氣體循環(huán)回路40和第二級(jí)氣體循環(huán)回路60之間提供連接線101和102，以將在第一級(jí)氣體循環(huán)回路40中部分含高濃度氫氣組分的氣體供給第二級(jí)氣體循環(huán)回路60或?qū)⒃诘诙?jí)氣體循環(huán)回路60中部分含高濃度甲烷的氣體供入第一級(jí)氣體循環(huán)回路40。管線101和102使得有可能以相應(yīng)于所消耗的氣體組分量，提供特定的反應(yīng)氣體組分(如氫、甲烷等)，這個(gè)量本身又對(duì)應(yīng)于不同反應(yīng)器中的反應(yīng)量，并有可能有效地控制反應(yīng)氣體組分的濃度。如權(quán)利要求17所述，第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)優(yōu)選使用流化床反應(yīng)器進(jìn)行。根據(jù)權(quán)利要求17的生產(chǎn)碳化三鐵的本發(fā)明裝置，反應(yīng)過程的第一和第二階段均分別在流化床反應(yīng)器中進(jìn)行。流化床反應(yīng)可使反應(yīng)優(yōu)化，從而將煉鐵的固體含鐵原料與還原氣體和滲碳?xì)怏w接觸，以轉(zhuǎn)化成碳化三鐵。流化床反應(yīng)器均勻地進(jìn)行反應(yīng)，其中細(xì)篩的含鐵原料加料到反應(yīng)器上部，反應(yīng)氣體由反應(yīng)器下部供入。原料和產(chǎn)品的供應(yīng)和排出可以連續(xù)地進(jìn)行。此外，由于接觸面積大，反應(yīng)時(shí)間縮短。如權(quán)利要求18所述，優(yōu)選，流化床反應(yīng)器具有隔墻，以防止原料顆粒直接從入口運(yùn)動(dòng)到反應(yīng)器的出口。根據(jù)權(quán)利要求18，生產(chǎn)碳化三鐵的本發(fā)明的裝置，使用具有隔墻的反應(yīng)器以防止原料顆粒直接從入口運(yùn)動(dòng)到出口。這樣的反應(yīng)器防止原料和反應(yīng)產(chǎn)物在反應(yīng)器中混合。所以可提高生產(chǎn)Fe3C產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率。通常，對(duì)于沒有隔墻的流化床反應(yīng)器，難以提高反應(yīng)程度，因此將許多反應(yīng)器串聯(lián)，來提高反應(yīng)程度。根據(jù)本發(fā)明，僅使用一個(gè)具有隔墻的流化床反應(yīng)器，可以獲得高的反應(yīng)度。有可能防止反應(yīng)器入口的原料(如進(jìn)料)和出口的產(chǎn)物混合，從而可以均勻地進(jìn)行反應(yīng)。如權(quán)利要求19所述，用于制備煉鐵的含鐵原料(主要含有粗顆粒)的第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)，優(yōu)選在長(zhǎng)方形立式移動(dòng)床反應(yīng)器中進(jìn)行(該反應(yīng)器沿相對(duì)的長(zhǎng)方形墻，在相應(yīng)的高度安裝有多層的入口和出口空氣箱)，從而使氣體水平地流經(jīng)反應(yīng)器，而排出的固體材料沿垂直方向流動(dòng)，如圖21所示的爐。根據(jù)權(quán)利要求19的生產(chǎn)碳化三鐵的本發(fā)明裝置，即使原料含有大量直徑大于6mm的粗顆粒，可以有效地生產(chǎn)用于煉鐵的含鐵原料。在本發(fā)明的方法中，反應(yīng)氣體量相對(duì)較大，并且反應(yīng)氣體與固體顆粒充分地接觸。流化床反應(yīng)器是一個(gè)用于細(xì)篩的原料的適合反應(yīng)裝置。在原料含有大量直徑大于6mm的粗顆粒的情況下，需要大量的反應(yīng)氣體用于流化。然而在此情況下，在立式移動(dòng)床反應(yīng)器中，需要使氣體水平地流動(dòng)以減小壓力損失，并需要將較大量的氣體與新氣體沿垂直方向均勻地接觸。因此，有可能通過位于相對(duì)的長(zhǎng)方形反應(yīng)器壁的相應(yīng)高度的入口和出口空氣箱來沿垂直方向均勻地提供反應(yīng)氣體。將上入口和出口空氣箱分別與第一級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體的供應(yīng)管線和廢氣管線相連，并將下入口和出口空氣箱與第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體供應(yīng)管線和廢氣管線相連，可以使用一個(gè)立式移動(dòng)床反應(yīng)器進(jìn)行第一和第二級(jí)反應(yīng)。在這種情況下，通過將用于第一級(jí)反應(yīng)氣體的最下部的空氣箱和第二級(jí)反應(yīng)氣體的最上部的空氣箱間的距離調(diào)節(jié)到在爐中水平氣體流動(dòng)方向上墻間長(zhǎng)度的一至二倍，可以防止第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)氣體混合。從上可以看到，根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)碳化三鐵的方法和裝置具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)如權(quán)利要求1的生產(chǎn)Fe3C的方法，可以縮短反應(yīng)時(shí)間。反應(yīng)可在高溫進(jìn)行而不引起燒結(jié)，因此可進(jìn)一步增加反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時(shí)間。與進(jìn)行常規(guī)方法的裝置規(guī)模一樣的情況下，可以增加產(chǎn)量。由于反應(yīng)溫度增加，反應(yīng)時(shí)間縮短，需用于第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)的還原和滲碳?xì)怏w的流動(dòng)速度可以極大地下降。因此，即使反應(yīng)氣體流動(dòng)需要兩個(gè)系統(tǒng)，并且裝置復(fù)雜，由于反應(yīng)氣體流速下降和產(chǎn)量上升等，該方法具有足夠的經(jīng)濟(jì)性。此外，由于在各反應(yīng)階段，可以采用各種調(diào)節(jié)(在生產(chǎn)碳化三鐵的常規(guī)方法中，如國(guó)際專利申請(qǐng)No.6-501983(PCT/US91/05198)的日文公開說明書所述的單一工藝中，不能采用)，所以本方法是一個(gè)靈活的工藝，從而可以易于控制工藝參數(shù)，如轉(zhuǎn)化率和反應(yīng)速度。(2)如權(quán)利要求2生產(chǎn)Fe3C的方法，采用易于得到的氣體，可顯示上述(1)中所述的優(yōu)點(diǎn)。與使用含CO的氣體作為滲碳反應(yīng)的主要成份的常規(guī)方法(如出版物6和7中所述)相比，可以降低用于生產(chǎn)氫氣和CO的轉(zhuǎn)化氣體的量。另外，可以降低能量消耗，并使設(shè)備小型化。此外，與德國(guó)專利4320359中公開的傳統(tǒng)工藝(包括將部分滲碳?xì)怏w加入第二級(jí)出口反應(yīng)氣體中，并在第一級(jí)反應(yīng)中使用所得的氣體)相比，可以極大地縮短第一級(jí)的反應(yīng)時(shí)間，從而由于設(shè)備小型化而得到經(jīng)濟(jì)性。(3)根據(jù)權(quán)利要求3生產(chǎn)Fe3C的方法，即使在將除了赤鐵礦的含鐵原料，如，其它氧化鐵或氫氧化鐵或混合物與含有煉鐵廠產(chǎn)生的粉塵和鐵屑的金屬鐵反應(yīng)的情況下，也可進(jìn)行第一級(jí)反應(yīng)，以將原料還原至預(yù)定還原度/金屬鐵含量，而不管在含鐵原料中氧化鐵的狀態(tài)或金屬鐵等混合物的狀態(tài)(適于加料在第二級(jí)反應(yīng)操作中)。因此，可以采用甲烷作為第二級(jí)反應(yīng)工藝中主要還原和滲碳反應(yīng)的合適成份。因此，可以靈活地操作，同時(shí)降低反應(yīng)時(shí)間及反應(yīng)氣體量。若碳化三鐵產(chǎn)品在煉鐵和煉鋼爐中作為鐵原料，則可提供具有預(yù)定性質(zhì)的Fe3C產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)需要的功能，如提供鐵源和能源的功能或由于殘余氧化物的氧與碳化三鐵的碳反應(yīng)產(chǎn)生的CO2，加速了精煉作用，同時(shí)根據(jù)不同爐的工藝要求，表現(xiàn)出如上述(1)和(2)中所述的優(yōu)點(diǎn)。此外，通過將第一級(jí)反應(yīng)的金屬化度調(diào)節(jié)在25-70(原子)％，可以專門向第二級(jí)反應(yīng)中加入甲烷，從而縮短總的反應(yīng)時(shí)間。將金屬化度調(diào)整到30-65(原子)％，可以使總反應(yīng)時(shí)間最少。通過將所述的煉鐵的含鐵原料生成碳化三鐵的最終轉(zhuǎn)化率調(diào)整到至少75(原子)％，可以生產(chǎn)具有最佳轉(zhuǎn)化率的煉鐵或煉鋼原料。(4)根據(jù)權(quán)利要求4和5生產(chǎn)Fe3C的方法，使用易于得到的氣體組分，可得到上述(1)中所述的優(yōu)點(diǎn)。(5)如權(quán)利要求6的生產(chǎn)Fe3C的方法，可以控制還原反應(yīng)的反應(yīng)速度，從而可以控制還原度和需要在第一級(jí)反應(yīng)中得到預(yù)定還原度的反應(yīng)時(shí)間。可以控制滲碳反應(yīng)的反應(yīng)速度，從而可以控制滲碳率(生成碳化三鐵的轉(zhuǎn)化率)，和在第二級(jí)反應(yīng)中得到預(yù)定滲碳率的反應(yīng)時(shí)間。因此可以精確地控制反應(yīng)預(yù)定的滲碳率，同時(shí)防止游離碳的產(chǎn)生。(6)根據(jù)權(quán)利要求7的生產(chǎn)Fe3C的方法，可調(diào)節(jié)在第二級(jí)反應(yīng)的滲碳過程中由甲烷生成的氫氣的量和還原反應(yīng)的所需氫氣的量至基本相同，從而從化學(xué)反應(yīng)平衡角度，可只提供滲碳?xì)怏w就可進(jìn)行第二級(jí)反應(yīng)。因此，無須對(duì)反應(yīng)氣體成份進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)節(jié)。即使使用循環(huán)反應(yīng)氣體，也可以分別在第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)中提供氫和甲烷氣體，所以，如調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體成份這樣的操作容易進(jìn)行。(7)根據(jù)權(quán)利要求8的生產(chǎn)Fe3C的方法，可得到合適的產(chǎn)品形態(tài)，維持碳化三鐵產(chǎn)品的價(jià)值，并防止游離碳的產(chǎn)生。(8)根據(jù)權(quán)利要求9的生產(chǎn)Fe3C的方法，可選擇適合具有上述優(yōu)點(diǎn)的反應(yīng)溫度，同時(shí)提高反應(yīng)速度，而對(duì)反應(yīng)器耐熱結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。(9)根據(jù)權(quán)利要求10的生產(chǎn)Fe3C的方法，不會(huì)出現(xiàn)如燒結(jié)、產(chǎn)生游離碳的缺點(diǎn)，并且通過提高反應(yīng)進(jìn)行溫度來縮短反應(yīng)時(shí)間，如圖3和4所示。將反應(yīng)溫度設(shè)定在575℃或更低，碳化三鐵產(chǎn)品中的殘余鐵的形式可以為對(duì)空氣中水分穩(wěn)定的磁鐵礦(Fe3O4)，如圖15所示。因此，在反應(yīng)參數(shù)上，本發(fā)明表現(xiàn)為靈敏性。(10)根據(jù)權(quán)利要求11生產(chǎn)Fe3C的方法，反應(yīng)溫度應(yīng)當(dāng)合適，以防止生成Fe3C的轉(zhuǎn)化變慢，縮短反應(yīng)時(shí)間，并得到設(shè)備上的經(jīng)濟(jì)性。(11)根據(jù)權(quán)利要求12的生產(chǎn)Fe3C的方法，在Fe-H-O體系還原平衡中，F(xiàn)eO和Fe存在的區(qū)域較大，而磁鐵礦存在區(qū)域較窄。因此，可以抑制由于磁鐵礦的存在而產(chǎn)生滲碳反應(yīng)速度下降，從而縮短反應(yīng)時(shí)間。(12)根據(jù)權(quán)利要求13的生產(chǎn)Fe3C的方法，可增加反應(yīng)氣體中CO和CO2的濃度。因此，可極大地提高滲碳反應(yīng)的反應(yīng)速度，如圖11所示。(13)根據(jù)權(quán)利要求14的生產(chǎn)Fe3C的方法，壓力應(yīng)當(dāng)適于獲得上述優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)降低反應(yīng)時(shí)間，并滿足經(jīng)濟(jì)上的要求。(14)根據(jù)權(quán)利要求15的生產(chǎn)Fe3C的方法，可防止由于反應(yīng)開始產(chǎn)生的水蒸汽的冷凝而產(chǎn)生的產(chǎn)品凝聚和不易流動(dòng)。因此，可以防止如反應(yīng)速度、反應(yīng)程度下降等缺點(diǎn)。(15)如權(quán)利要求1-15本發(fā)明的方法，可使用權(quán)利要求16的生產(chǎn)碳化三鐵的裝置。在工業(yè)規(guī)模裝置中，與用于傳統(tǒng)方法的裝置相比，可縮短反應(yīng)時(shí)間，降低能耗，并使設(shè)備小型化，如圖8-a最右邊一欄所示。(16)如權(quán)利要求17生產(chǎn)Fe3C的本發(fā)明的裝置，通過將用于煉鐵的固體含鐵原料與還原和滲碳?xì)怏w接觸可使反應(yīng)最佳化以生成Fe3C。(17)如權(quán)利要求18生產(chǎn)Fe3C的本發(fā)明的裝置，可提高反應(yīng)速度。因此可以減少用于提高反應(yīng)速度的流化床數(shù)量。也可防止入口處的原料和反應(yīng)器出口處的Fe3C產(chǎn)品混合。因此可使反應(yīng)均勻地進(jìn)行。此外，在具有相同的平均停留時(shí)間反應(yīng)中，可獲得碳化三鐵轉(zhuǎn)化率高的產(chǎn)品。(18)如權(quán)利要求19生產(chǎn)Fe3C的本發(fā)明的裝置，盡管使用一般不適合流化的主要含有粗顆粒的原料，也可使反應(yīng)氣體具有高的利用率和得到高的碳化三鐵的轉(zhuǎn)化率，并且可在實(shí)際中使用設(shè)備。圖1是說明根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，實(shí)施生產(chǎn)Fe3C方法的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。圖2是使用圖1的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的試驗(yàn)A所得結(jié)果的原料(進(jìn)料)組分比率和時(shí)間的關(guān)系曲線。圖3是使用圖1的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的試驗(yàn)B的結(jié)果中得出的原料(進(jìn)料)組分比率和時(shí)間的關(guān)系曲線。圖4是使用圖1的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行的試驗(yàn)C的結(jié)果中得出的原料(進(jìn)料)組分比率和時(shí)間的關(guān)系曲線。圖5是說明生產(chǎn)碳化三鐵裝置的實(shí)施方案的示意圖，該裝置是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案來進(jìn)行生產(chǎn)碳化三鐵的方法。圖6(a)是說明用在圖5生產(chǎn)裝置中的流化床反應(yīng)器的縱截面圖；圖6(b)是所述反應(yīng)器的橫截面圖。圖7(a)到7(e)是說明圖6的流化床反應(yīng)器的各種實(shí)施方案橫截面。圖8是說明在鐵礦石還原反應(yīng)中反應(yīng)溫度(℃)和反應(yīng)時(shí)間(分鐘)的關(guān)系曲線。圖9是Fe-H-O體系的平衡圖。圖10是說明滲碳反應(yīng)氣體的類型與所需的蒸汽轉(zhuǎn)化量的關(guān)系表。圖11(a)是說明CO和CO2的濃度與滲碳速度的關(guān)系曲線；圖11(b)是說明在反應(yīng)氣體中CO和CO2比例增加/降低的曲線。圖12是說明在由氧化鐵生產(chǎn)碳化三鐵的工藝中，還原反應(yīng)和滲碳反應(yīng)關(guān)系示意圖。圖13(a)是說明滲碳速度和金屬鐵與氧化鐵的比例的關(guān)系曲線；圖13(b)是說明就每種新材料的表觀滲碳反應(yīng)速度(apparentcarburizingspeed)的實(shí)施例。圖14(a)和(b)是說明在第一級(jí)反應(yīng)中金屬化程度和反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系曲線。圖15(a)是說明循環(huán)氣體流速和溫度/壓力的關(guān)系曲線；圖15(b)是產(chǎn)品成份表。圖16是生產(chǎn)碳化三鐵裝置另一個(gè)實(shí)施方案的示意圖，該裝置根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案用于進(jìn)行生產(chǎn)碳化三鐵的方法。圖17是就表1而言，在入口氣體成份反應(yīng)之后，在出口氣體成份的變化曲線。圖18是就表2而言，在入口氣體成份反應(yīng)之后，在出口氣體成份的變化曲線。圖19是使用熱平衡滲碳反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)關(guān)于氣壓影響的結(jié)果曲線。圖20是使用圖5中的裝置，在各種操作條件下，對(duì)各種原料進(jìn)行測(cè)試的實(shí)驗(yàn)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)儀器的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖。圖21是本發(fā)明的立式移動(dòng)床反應(yīng)器的一個(gè)實(shí)施方案的示意圖，該反應(yīng)器適于由粗顆粒的原料生成Fe3C，其中氣體水平流動(dòng)而固體原料在反應(yīng)器中垂直方向加入和移動(dòng)。圖22(a)是以冷模型試驗(yàn)結(jié)果說明圖1，5，6和7的曲線，這些冷模型試驗(yàn)是為了證實(shí)在流化床反應(yīng)器內(nèi)部存在的隔墻的效果而進(jìn)行；圖22(b)是由表中數(shù)據(jù)所得到的Fe3C轉(zhuǎn)化率的表。在下文將對(duì)根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行生產(chǎn)Fe3C的方法的試驗(yàn)及其結(jié)果進(jìn)行說明。此外，還對(duì)根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)Fe3C裝置的實(shí)施方案和生產(chǎn)方法進(jìn)行說明。(1)試驗(yàn)儀器進(jìn)行本發(fā)明生產(chǎn)Fe3C的方法的試驗(yàn)裝置的實(shí)施方案，包括一個(gè)流化床反應(yīng)器1及其外圍設(shè)備，如圖1的示意圖所示。流化床反應(yīng)器1通常為圓柱形，并安有一個(gè)電加熱器以提供預(yù)定的溫度。在該實(shí)施方案中，標(biāo)稱直徑為50mm的管道用作流化床反應(yīng)器的主要部件。另外，溫度檢測(cè)傳感器3a、3b、3c、3d、3e和3f沿著反應(yīng)器1長(zhǎng)度的方向，分別位于從流化床反應(yīng)器1的底部127mm、187mm、422mm、697mm和1007mm和流化床反應(yīng)器1的頂部，以測(cè)量反應(yīng)器1內(nèi)的溫度。通過一個(gè)閉鎖料斗6和一組閥門26，由管線4將料斗5與流化床反應(yīng)器1上部的周邊部位相連，以使細(xì)篩的進(jìn)料(如赤鐵礦(Fe2O3))在加壓的狀態(tài)從料斗5流入流化床反應(yīng)器1中。另外，冷卻器8在操作上，由管線7與流化床反應(yīng)器1的底部周邊部分相連，以將從反應(yīng)器1的內(nèi)部排出的材料充分冷卻。流化床反應(yīng)器1的底部，通過管線11和12，與貯氣罐10相連，以使在貯氣罐10中預(yù)定組分的反應(yīng)氣體流入流化床反應(yīng)器1中。此外，在管線11和12之間，在操作上還提供一個(gè)飽和器13以用水將反應(yīng)氣飽和。管線20、21和22相互串連；管線20與流化床反應(yīng)器1上部的周邊部分相連，以將反應(yīng)后的廢氣導(dǎo)入焚化設(shè)備(未示出)。另外，可以使用在操作上位于管線20和21之間的除塵器和插入管線21中的過濾器27除去廢氣中所含的原料粉塵。管線21還安有一個(gè)氣體冷卻器25，以將廢氣冷凝成水，然后在排水分離器24中分離。(2)試驗(yàn)條件和結(jié)果(A)第一，進(jìn)行單一的操作，也就是說，使用含有還原氣體和滲碳?xì)怏w的混合氣，將主要含有赤鐵礦(Fe2O3)的鐵礦石進(jìn)行催化反應(yīng)，以將鐵礦石轉(zhuǎn)化生成碳化三鐵的傳統(tǒng)方法。實(shí)驗(yàn)條件如下試驗(yàn)所用的鐵礦石的成份為65.3％(重量)的鐵，1.67(重量)Al2O3，3.02％(重量)SiO2和0.080％(重量)P。當(dāng)鐵礦石的顆粒大小不大于1.0mm之后，將鐵礦石(3.52kg)加料到流化床反應(yīng)器1中，(即細(xì)顆粒鐵礦石粒徑在1.0-0.1mm不小于80％(重量)，粒徑不大于0.068mm為13.4％)。反應(yīng)氣體成份如下CO+CO2約5％，CO2+H2O≤約4％，H2+CH4約85％(CH4＞H2)，N2≤約8％。然后，反應(yīng)氣體以2.15Nm3/小時(shí)的流速流入流化床反應(yīng)器1中。在流化床反應(yīng)器1的溫度和壓力分別保持在590℃和3kgf/cm2G。使用這些溫度和壓力的實(shí)驗(yàn)條件的數(shù)據(jù)，列入表1中。表1<>表1續(xù)表1包括反應(yīng)溫度(表1的溫度欄)和壓力(壓力欄)，反應(yīng)開始后，每30分鐘進(jìn)行測(cè)量。在溫度欄標(biāo)有127mm、187mm、442mm、697mm、1707mm和凈空欄中為分別由圖1的溫度檢測(cè)傳感器3a-3f檢測(cè)到的溫度。從使用入口氣體組分的反應(yīng)得到的出口氣體組分列于圖17。該氣體組分通過質(zhì)譜檢測(cè)并由氣相色譜多次確認(rèn)。上述條件下所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，示于圖2中。圖2中的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)設(shè)定為時(shí)間(小時(shí))和鐵的原子比(例如，90％Fe3C表示90％的總鐵原子以Fe3C形式存在)。從圖2可知，生成Fe3C以得到93％(原子)的轉(zhuǎn)化率需要約20小時(shí)，這轉(zhuǎn)化率對(duì)于Fe3C產(chǎn)品是足夠的。(B)在將鐵礦石轉(zhuǎn)化為Fe3C的實(shí)驗(yàn)中，先使用還原氣體對(duì)原料進(jìn)行催化反應(yīng)(下文稱之為第一級(jí)反應(yīng)過程)，然后使用含還原和滲碳?xì)怏w的氣體混合物，將第一級(jí)反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)行催化反應(yīng)(下文稱之為第二級(jí)反應(yīng)過程)。換句話，根據(jù)本發(fā)明，試驗(yàn)分為部分還原反應(yīng)和繼續(xù)還原和滲碳反應(yīng)。試驗(yàn)條件如下加入流化床反應(yīng)器1中的鐵礦石成份和量，反應(yīng)氣體的流速和流化床反應(yīng)器1中的壓力均與上述實(shí)驗(yàn)(A)相同，但是改變反應(yīng)氣體成份和流化床反應(yīng)器1中的溫度。即，第一級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體成份從反應(yīng)開始進(jìn)行3小時(shí)如下H2約74％；N2，約25％。第一級(jí)反應(yīng)開始后3小時(shí)，第二級(jí)反應(yīng)中所用的氣體成份如下CO+H2O約6％，CO2+H2O≤約3.5％(H2O≤1.5％)H2+CH480-85％(CH4＞H2)，N2≤10％。流化床反應(yīng)器1的溫度保持在600℃。使用這些實(shí)驗(yàn)條件所得數(shù)據(jù)列于表2，其與上述表1類似。表2使用入口氣體成份由反應(yīng)得到的出口氣體成份如圖18所示。在第一級(jí)反應(yīng)中，主要消耗氫，在第二級(jí)反應(yīng)中，主要消耗甲烷，以得到類似于總反應(yīng)式(7)的結(jié)果。使用上述條件獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列入圖3，其與圖2相似。從圖3的曲線可以看到生成Fe3C以達(dá)到93％(原子)的轉(zhuǎn)化率，需要7.5小時(shí)(該百分比(原子)適合于Fe3C產(chǎn)品)，且與實(shí)驗(yàn)A相比，反應(yīng)時(shí)間大大縮短。其原因是，該方法分為兩個(gè)階段，即在第一階段的鐵礦石部分還原反應(yīng)和在第二階段進(jìn)行繼續(xù)還原和滲碳反應(yīng)。因此，只考慮還原反應(yīng)，在第一級(jí)反應(yīng)中氫的濃度增加。各級(jí)的還原率并不非常大，因此，不會(huì)引起燒結(jié)，并且反應(yīng)溫度可升高到600℃。(C)最后，以與試驗(yàn)B相同的方式進(jìn)行試驗(yàn)，不同的是，改變反應(yīng)溫度和壓力。下面討論試驗(yàn)條件。加入流化床反應(yīng)器1中的鐵礦石成份和量，反應(yīng)氣體的流速均與實(shí)驗(yàn)B相同。在使用下列成份的反應(yīng)氣開始反應(yīng)后，第一級(jí)反應(yīng)進(jìn)行1.5小時(shí)H2約70％，(N2+CH4)約30％。開始反應(yīng)后一個(gè)半小時(shí)，將第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體成份，按如下進(jìn)行調(diào)節(jié)CO+CO2約7％，CO2+H2O≤4.0％(H2O≤1.5％)，H2+CH480-85％，N2≤10％。流化床反應(yīng)器中的溫度和壓力分別保持在650℃和5個(gè)大氣壓。上述條件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列入圖4，其與圖2、3相似。從圖4可以看到達(dá)到93％(原子)的Fe3C轉(zhuǎn)化率，需要約5.5小時(shí)(該轉(zhuǎn)化率對(duì)Fe3C產(chǎn)品是合適的)，并且與試驗(yàn)A相比，可以大大縮短反應(yīng)時(shí)間，其與試驗(yàn)B相似。由于反應(yīng)溫度上升，在反應(yīng)的后階段，F(xiàn)e3C的產(chǎn)率不會(huì)下降。(3)生產(chǎn)Fe3C裝置為了經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)含鐵原料(其含有Fe3C主要成份)用于高爐和化鐵爐等中煉鐵和在轉(zhuǎn)爐及電爐等中煉鋼，需要能進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)化的大型裝置。根據(jù)本發(fā)明生產(chǎn)Fe3C的裝置的一個(gè)實(shí)施例示于圖5的示意圖中。如圖5所示，該方案的裝置包括第一級(jí)反應(yīng)部分(稱之為第一級(jí)氣體循環(huán)回路40)用以將作為煉鐵含鐵原料的主要含有赤鐵礦的鐵礦石進(jìn)行部分還原反應(yīng)，和第二級(jí)反應(yīng)部分(稱之為第二級(jí)氣體循環(huán)回路60)以進(jìn)行繼續(xù)的還原和滲碳反應(yīng)。就第一級(jí)反應(yīng)部分40的流動(dòng)而言，管線46和47、壓縮機(jī)42、管線48、熱交換器44、管線49、加熱器43、管線50、流化床反應(yīng)器41、管線51、熱交換器44、管線52、洗滌器45和管線53構(gòu)成了第一回路40。即反應(yīng)氣體如通過氣體入口，按序經(jīng)管線47、壓縮機(jī)42、管線48、熱交換器44、管線49、加熱器43、管線50引入流化床反應(yīng)器41的底部附近。反應(yīng)氣體經(jīng)管線51、熱交換線44、管線52、洗滌器45、管線53、管線46和47從流化床反應(yīng)器頂部附近排出，從而形成第一反應(yīng)氣體的循環(huán)回路。從流化床反應(yīng)器41的底部流向頂部的反應(yīng)氣體，通過壓縮機(jī)42進(jìn)行循環(huán)。流入流化床反應(yīng)器41的反應(yīng)氣體，在熱交換器44中進(jìn)行熱交換，反應(yīng)完成后，氣體從反應(yīng)器41中流出，然后由氣體加熱器43加熱。洗滌器45包括一個(gè)空心主體58、用于將水噴到氣體的管線56和將水從主體58中排出的管線57。將從反應(yīng)器41流出的氣體冷卻，并且將在氣體中存在的水蒸汽冷凝以除去水。此外，具有預(yù)定成份的氣體，由在管線46和47之間的連接部位相接的管線54，供入循環(huán)回路40；預(yù)定量的氣體由在管線53和46之間的連接部位相接的管線55，排出回路40。調(diào)節(jié)進(jìn)料氣體和排出氣體，以維持流入流化床反應(yīng)器41中的反應(yīng)氣體具有衡定成份，從而防止氣體組分的變化和反應(yīng)速度的降低。另外，第二反應(yīng)氣體在第二級(jí)反應(yīng)部分中的流動(dòng)，類似于第一反應(yīng)氣體在第一級(jí)反應(yīng)部分中的流動(dòng)，如圖5所示，其中將第一回路40的相應(yīng)部件的參考號(hào)碼加上20，就得到第二回路60的參考號(hào)碼。就第一回路40，上面對(duì)第二回路60的元件及其功能進(jìn)行了解釋?？紤]到原料在反應(yīng)器中的流動(dòng)，由包括管線80的進(jìn)料管線，將細(xì)篩的鐵礦石連續(xù)供入第一級(jí)反應(yīng)部分40的流化床反應(yīng)器41的上部；在反應(yīng)器41中，已經(jīng)經(jīng)過部分還原反應(yīng)的原料，通過包括管線81的供料線，連續(xù)地從流化床反應(yīng)器41的底部流入第二級(jí)反應(yīng)部分的流化床反應(yīng)器61中。在流化床反應(yīng)器61中，進(jìn)行繼續(xù)的還原反應(yīng)和滲碳反應(yīng)；并將已轉(zhuǎn)化的Fe3C由包括管線82的回收管線連續(xù)地排出?？紤]到在各個(gè)第一和第二級(jí)所用的氣體成份，由于只發(fā)生還原操作，所以使用主要含氫氣的還原氣進(jìn)行第一級(jí)反應(yīng)。氫氣的濃度較高，增加了還原反應(yīng)的反應(yīng)速度，從而與傳統(tǒng)方法相比，可以縮短反應(yīng)時(shí)間。由于既發(fā)生還原又發(fā)生滲碳反應(yīng)，第二級(jí)反應(yīng)使用含有氫和甲烷的氣體混合物進(jìn)行。然而在第一階段的反應(yīng)中進(jìn)行了部分還原反應(yīng)，因此，滲碳反應(yīng)就認(rèn)為更重要。因此，為了增加滲碳反應(yīng)的反應(yīng)速度，可以增加甲烷氣體的濃度，從而可以縮短反應(yīng)時(shí)間?？梢詫㈩A(yù)定量的甲烷氣體加入到第一級(jí)反應(yīng)的主要含H2的還原氣中，以降低H2濃度，從而可以控制還原反應(yīng)速度。另一方面，通過調(diào)整第二級(jí)反應(yīng)的甲烷濃度，可以控制滲碳反應(yīng)速度，從而可以控制反應(yīng)時(shí)間而幾乎不產(chǎn)生游離碳，并得到預(yù)定的滲碳率。在該方案生產(chǎn)Fe3C的裝置中，在第一級(jí)反應(yīng)中的赤鐵礦的還原度為總鐵原子的50-65％(原子)。因此，在第二級(jí)反應(yīng)的還原反應(yīng)所需的氫氣量與在滲碳反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣量相同。因此，可以只提供甲烷作為第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體。其理由是，如從上述反應(yīng)式①-④可知，若鐵含量相同，還原反應(yīng)所需的氫氣與滲碳反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣的比例為9∶4。因此，通過在化學(xué)計(jì)量上，分別調(diào)整第一級(jí)和第二級(jí)的還原度至約56(原子)％和繼續(xù)的44(原子)％，可以滿足第二級(jí)反應(yīng)中提供氫氣。若在上述條件下操作設(shè)備，所用氣體成份列于表3。表3中標(biāo)有第一級(jí)和第二級(jí)的欄中，分別表示第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)。標(biāo)有供入氣體、排出氣體、反應(yīng)器入口和反應(yīng)器出口的欄分別表示由圖5的管線54和74供入第一和第二循環(huán)回路40和60的氣體成份，經(jīng)過管線55和75排出的氣體成份，流入反應(yīng)器41和61的成份，流出反應(yīng)器41和61的氣體成份，標(biāo)題為NCM/T*表示流速，Nm3/t，其中N表示每噸(干重)待反應(yīng)原料所需的反應(yīng)氣體在通常狀態(tài)下的體積。此外，將反應(yīng)器41和61中的壓力和溫度分別調(diào)整到4個(gè)大氣壓和590℃。如上所述，在反應(yīng)第一級(jí)中只消耗氫氣，甲烷氣體的量幾乎不變。因此，只有還原反應(yīng)進(jìn)行。另一方面，在第二級(jí)反應(yīng)中，只消耗甲烷氣體，氫氣的量不變，因此，在滲碳反應(yīng)中產(chǎn)生的氫氣被還原反應(yīng)中消耗的氫氣所平衡。為了增加滲碳反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時(shí)間，將第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)溫度和壓力改變?yōu)?50℃和5個(gè)大氣壓來操作裝置。所得結(jié)果列于表4，其與表3相似。與傳統(tǒng)裝置相比，在這兩個(gè)方案中，循環(huán)氣體的流速大大下降。生產(chǎn)Fe3C轉(zhuǎn)化率為90(原子)％或更高的Fe3C產(chǎn)品所消耗的能量，可以使用天然氣由年生產(chǎn)能力為500，000噸的裝置產(chǎn)生，其基于上述結(jié)果計(jì)算出來。計(jì)算值列于表8-b。在常規(guī)方法中，直接生產(chǎn)還原鐵或Fe3C所消耗的能量的量，描述在出版物10中，列于表8-a?，F(xiàn)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明可以得到相似和極大的改進(jìn)結(jié)果。表3表4</tables>表8a-8b</tables>mmt/y＝百萬(wàn)噸/年表8a來自出版物10表8b根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于工廠(規(guī)模500，000噸/年)的工藝的例子，由上述結(jié)果計(jì)算得到。(4)生產(chǎn)Fe3C方法的實(shí)施例(a)從赤鐵礦到碳化三鐵的轉(zhuǎn)化率在90-99(原子)％范圍內(nèi)，優(yōu)選93(原子)％或更大，且更優(yōu)選95(原子)％或更大。轉(zhuǎn)化率越高，碳化三鐵產(chǎn)品價(jià)值越大。(b)反應(yīng)第一階段反應(yīng)溫度是550-750℃，優(yōu)選600-750℃。如上所述，在本發(fā)明的反應(yīng)第一階段中，還原度并不進(jìn)行到很高的值，并且，因此，不產(chǎn)生燒結(jié)，并且操作可以在600℃或更高溫度下進(jìn)行。因此，優(yōu)選升高反應(yīng)溫度以提高反應(yīng)速度。(c)反應(yīng)第二階段反應(yīng)溫度是550-750℃，優(yōu)選590-750℃。當(dāng)在反應(yīng)第二階段還原反應(yīng)一結(jié)束，滲碳反應(yīng)就接著進(jìn)行。因此，在600-700℃的反應(yīng)溫度下，不產(chǎn)生燒結(jié)，并且滲碳反應(yīng)能夠進(jìn)行。所以，優(yōu)選升高反應(yīng)溫度以加快還原和滲碳反應(yīng)速度。而且，如圖9所示，當(dāng)反應(yīng)溫度升到590℃或更高，在Fe-H-O體系還原平衡中，磁鐵礦(Fe3O4)存在區(qū)變窄，F(xiàn)eO存在區(qū)變寬。在滲碳反應(yīng)最后階段，磁鐵礦的存在降低了碳化三鐵的轉(zhuǎn)化速度。所以，通過使磁鐵礦存在區(qū)變窄來縮短反應(yīng)時(shí)間。(d)在反應(yīng)第一和第二階段的反應(yīng)壓力是1-9.9kgfcm2G，優(yōu)選2-5kgf/cm2G。當(dāng)流化床反應(yīng)器41和61的壓力太低時(shí)，難以使進(jìn)料鐵礦石流化，因此，反應(yīng)器41和61的直徑必須擴(kuò)大。反應(yīng)速度也被降低。另一方面，當(dāng)反應(yīng)壓力太高時(shí)，將影響到反應(yīng)器41和61主體以及附加閥和管道等抗壓強(qiáng)度。(e)為了易于說明，圖5所示流化床反應(yīng)器41和61作為單一反應(yīng)器加以說明。然而，本發(fā)明的反應(yīng)是在固體和氣體之間的催化反應(yīng)，而且反應(yīng)度低。所以，根據(jù)本發(fā)明，將許多流化床反應(yīng)器41和61串聯(lián)連接在一起來進(jìn)行反應(yīng)。因?yàn)楦鱾€(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速度是快的，所以利用1-4個(gè)反應(yīng)器，反應(yīng)就能充分進(jìn)行。(f)反應(yīng)氣體中蒸汽的量(在反應(yīng)第一階段的開始快速生成)可通過冷卻(用圖示5中洗滌器)將從循環(huán)氣中來的蒸汽冷凝或者通過單位時(shí)間排出定量蒸汽來減少。通過減少水蒸汽的量，可以防止由于蒸汽凝聚造成進(jìn)料聚集的缺點(diǎn)和進(jìn)料流化不均勻。此外，將循環(huán)氣體冷卻到10-25℃，可以更有效地除去水蒸汽。(g)通過用冷卻將循環(huán)氣體中的水蒸汽冷凝(圖5洗滌器65)也可以降低第二級(jí)反應(yīng)中反應(yīng)氣體中產(chǎn)生的水蒸汽。在第二級(jí)反應(yīng)氣體中水蒸汽的減少具有以下優(yōu)點(diǎn)即由于除去水蒸汽，減少了反應(yīng)氣體中水蒸汽的分壓，在還原反應(yīng)中(附圖9)，F(xiàn)e-H-O體系的平衡表明氫的分壓增加。因此，磁鐵礦存在的區(qū)域(其引起生成碳化三鐵轉(zhuǎn)化速度的降低，如上所述)變窄，而Fe和FeO存在區(qū)域變寬，這導(dǎo)致了反應(yīng)時(shí)間縮短。特別優(yōu)選的是用于進(jìn)行第二級(jí)反應(yīng)的氣體中的水蒸汽濃度下降到工業(yè)上可以控制的范圍，因此，水的濃度優(yōu)選調(diào)整到不大于1.5％。另一方面，若第二級(jí)反應(yīng)氣體中無水蒸汽存在，根據(jù)下述反應(yīng)，產(chǎn)生游離碳。(15)(16)因此，若壓力升高或水量升高，由于反應(yīng)式(15)和(16)的反應(yīng)，產(chǎn)生的游離碳下降。因此，水蒸汽濃度具有較低限，在正常操作中，水的濃度調(diào)整到不小于0.2％。若產(chǎn)生游離碳，加入水蒸汽防止游離碳產(chǎn)生。(h)在第一級(jí)反應(yīng)中，例如使用CO2洗滌器(如采用溶劑的氣體吸收法)來除去CO2氣體，這會(huì)導(dǎo)致在化學(xué)平衡關(guān)系中，CO和CO2濃度的降低。CO和CO2濃度的降低，降低了化學(xué)平衡中甲烷的濃度，從而防止了游離碳的產(chǎn)生；并且進(jìn)一步相對(duì)增加了氫氣的濃度，從而提高了還原反應(yīng)的速度。(i)在反應(yīng)第一級(jí)和第二級(jí)中，供給流化床反應(yīng)器41和61的原料進(jìn)料預(yù)熱到反應(yīng)溫度±100℃。因此，能夠防止在還原反應(yīng)開始產(chǎn)生的蒸汽凝結(jié)引起進(jìn)料聚集和不能流化進(jìn)料。因?yàn)檫€原反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，蒸汽有凝結(jié)的趨勢(shì)。因?yàn)榉磻?yīng)過程第二階段的還原反應(yīng)進(jìn)行很快，所以這種缺點(diǎn)、尤其可能發(fā)生。除預(yù)熱操作以外，還可以在第二級(jí)反應(yīng)開始使用其溫度從預(yù)定溫度下降10℃至100℃的氣體，以降低反應(yīng)速度，從而可以防止游離碳的沉積和蒸汽凝結(jié)。(j)在第一級(jí)反應(yīng)中的還原反應(yīng)進(jìn)行的程度即還原度，可以通過測(cè)量循環(huán)氣體中水蒸汽的量來測(cè)定。若能測(cè)定還原度，也就可以容易地控制由于鐵礦石質(zhì)量的變化而引起的反應(yīng)時(shí)間的變化。(k)在第一級(jí)反應(yīng)中，將預(yù)定量的甲烷加入到主要含有H2的供入氣體中，可以控制還原反應(yīng)的反應(yīng)速度。另一方面，在第二級(jí)反應(yīng)中，將預(yù)定量的氫氣加入到主要含有甲烷的供入氣體中，可以控制滲碳反應(yīng)的反應(yīng)速度。因此，可以控制具有高碳活性的滲碳反應(yīng)，以防止游離碳的產(chǎn)生。此外，在第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)中所消耗的甲烷和氫氣的流速可以由待處理的鐵礦石的量(稱作理論量)來化學(xué)計(jì)量地測(cè)定。因此，如上所述，優(yōu)選從第二級(jí)反應(yīng)所需的甲烷的理論量中減去加入第一級(jí)反應(yīng)的甲烷的量，并且從第一級(jí)反應(yīng)所需的氫氣的理論量中減去加入第二級(jí)反應(yīng)的氫氣的量。(1)在第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)中，由管線55和75排出的排出氣體直接導(dǎo)入氫氣發(fā)生裝置以將氫氣循環(huán)。(m)若使用如圖5所示的加熱器46和63作為燃燒器，利用產(chǎn)生的廢氣預(yù)熱進(jìn)料以有效地利用能源。(n)在第二級(jí)反應(yīng)中，可以加入CO2+H2。由此，在第二級(jí)反應(yīng)的循環(huán)氣體中，CO和CO2的濃度優(yōu)選增加約30-50％。CO和CO2的存在，可以極大地提高滲碳反應(yīng)速度，從而大大地降低反應(yīng)時(shí)間。(o)供入反應(yīng)器41和61的原料的溫度升高到高于在上述(i)項(xiàng)中所述的預(yù)熱溫度(例如，高于預(yù)熱溫度的50-150℃)。另一方面，降低加入到反應(yīng)器41和61的循環(huán)氣體的溫度，反應(yīng)可以在這種操作下進(jìn)行。另外，若進(jìn)行這一操作，可以降低由于游離碳的產(chǎn)生或鋼的滲碳而引起的對(duì)管線(如循環(huán)氣體的管線50和76)的損害。(p)由于Fe3C在高溫反應(yīng)活性高，所以需要將第一和第二級(jí)反應(yīng)所產(chǎn)生的Fe3C冷卻。優(yōu)選地，將Fe3C快速冷卻至其反應(yīng)活性低的溫度，如將其與已冷卻至室溫的Fe3C混合，然后將所得的混合物冷卻至室溫。根據(jù)這一方法，F(xiàn)e3C易于冷卻。另外，優(yōu)選在冷卻的加工氣體或惰性氣體如H2的氣氛或在加壓情況下，將Fe3C快速冷卻。由此，可以防止Fe3C向其它成份的轉(zhuǎn)化。在圖5所示的裝置中，若在第一級(jí)反應(yīng)中，部分還原或金屬化百分比，例如FeOx中x的值變化至一個(gè)不同值，即，根據(jù)反應(yīng)式(11)(即圖5中所示FeO2/3的關(guān)系)，在權(quán)利要求3的范圍內(nèi)，比2/3較大或較小，那么在第二氣體循環(huán)回路60中還原組分，特別是氫出現(xiàn)過量或不足，同時(shí)根據(jù)式(13)在第一氣體循環(huán)回路40中合成甲烷，從而導(dǎo)致如由于甲烷的積累造成還原反應(yīng)速度的降低的缺點(diǎn)。表5為了克服這些不足，如圖16所示，提供輔助管線101、102、103和104，將用于不同的反應(yīng)氣體的循環(huán)回路40和60相連，并將圖5裝置中氣體成份的供應(yīng)管線54和74相連。輔助管線101、102、103和104以一種輔助方式傳輸反應(yīng)氣體，從而有效地利用了循環(huán)氣體，調(diào)整并控制反應(yīng)氣體中的組分。下文參考圖16，將生產(chǎn)Fe3C的本方法的一個(gè)實(shí)施方案列于表7中。表710*X表示FeOx中x的數(shù)。列于表7的實(shí)施方案表明了將用于煉鐵的各種含鐵原料進(jìn)行試驗(yàn)所得到的結(jié)果，其中第一級(jí)反應(yīng)的部分還原度，根據(jù)圖3所示的工藝操作，并使用圖1的裝置進(jìn)行改變，接著如圖4所示進(jìn)行分析。也就是說，假設(shè)在煉鐵燃料E的情況下，在第一級(jí)反應(yīng)中用于降低總反應(yīng)時(shí)間的合適的金屬化程度為55.7(原子)％，相應(yīng)FeOx的x約0.543。在這種情況下，x為0.543，小于2/3。若使用甲烷作為滲碳反應(yīng)的主要成份，由于缺少用于還原的氫氣，所以除甲烷以外，還必須將氫氣供入反應(yīng)氣體。供入的氫氣量為約每噸Fe3C產(chǎn)品40-80Nm3。可采用兩種方法來提供氫氣，例如，由如圖16所示的輔助管線103從還原氣體供應(yīng)管線54直接提供，和由輔助管線101從含有大量氫的第一循環(huán)回路40中供應(yīng)。在第一循環(huán)回路40中，由于根據(jù)上述反應(yīng)式(13)的反應(yīng)而引起的甲烷積累偶然發(fā)生，并因此，通過管線55進(jìn)行排放。在這種情況下，更有效的是將第一循環(huán)回路40中的氣體轉(zhuǎn)移到第二循環(huán)回路60中，這也需經(jīng)輔助+管線101來提供甲烷，所以有效地解決了該問題。在如表7所示的用于煉鐵的原料G的條件下，較適合的金屬化率是低的，如31.4(原子)％，并且相應(yīng)的FeOx的x值，如0.836，其大于2/3。在這種情況下，與上述例子相反，在第二級(jí)反應(yīng)氣體循環(huán)回路60中氣體中的氫氣濃度按次序升高。這說明必須增加經(jīng)管線75的排放氣體的量。為了有效地利用氫氣，經(jīng)輔助管線102從第二循環(huán)回路60向第一循環(huán)回路40轉(zhuǎn)移適合量的氫氣以降低經(jīng)管線75排放氣體的量。在煉鐵的原料G的條件下，有必要以每噸產(chǎn)品約160Nm3從第二級(jí)反應(yīng)氣體循環(huán)回路60中抽出氣體，但是，最經(jīng)濟(jì)的是以每噸產(chǎn)品約95Nm3經(jīng)輔助管線102將氣體轉(zhuǎn)移到第一循環(huán)回路40中，隨后經(jīng)管線75以每噸產(chǎn)品約65Nm3排放剩余氣體以作為氣體加熱器63的燃料。(5)利用各種原料和試驗(yàn)條件的測(cè)試結(jié)果利用圖5所示實(shí)施方案的設(shè)備制成測(cè)試各種原料和試驗(yàn)條件的工作臺(tái)規(guī)模(benchscale)的設(shè)備，接著進(jìn)行特定的試驗(yàn)操作。結(jié)果如下。用于測(cè)試的工作臺(tái)規(guī)模的測(cè)試設(shè)備具有于圖20所示的結(jié)構(gòu)，并且包括一個(gè)內(nèi)徑為200mm的第一流化床反應(yīng)器1和一個(gè)內(nèi)徑為250mm的第二流化床反應(yīng)器2，其中每個(gè)反應(yīng)器裝有一個(gè)隔墻，以控制各自反應(yīng)器中鐵礦石的流動(dòng)。第一反應(yīng)器1裝有一個(gè)氣體循環(huán)回路，其包括氣體壓縮機(jī)60、氣體預(yù)熱器62、反應(yīng)器1、除塵器52、氣體驟冷裝置54和貯氣罐56及氣體壓縮機(jī)60。在第一反應(yīng)器1中氣體與原料反應(yīng)后，由除塵器52除去氣體中的微粒，由氣體驟冷裝置54冷卻氣體，并且除去作為反應(yīng)產(chǎn)物的水，接著氣體被導(dǎo)入貯氣罐56。隨后，還原反應(yīng)中所消耗的氣體(即主要為氫氣)由供氣管線59提供，多余氣體經(jīng)排放氣體管線57從回路中排放。接著，利用氣體壓縮機(jī)60和氣體加熱器62將已調(diào)整到預(yù)定壓力和溫度的氣體導(dǎo)入第一反應(yīng)器1。第二反應(yīng)器2也有一個(gè)相同的氣體循環(huán)回路，但是因?yàn)樵诘诙磻?yīng)體系中消耗的氣體是不同的，所以供氣瓶含有不同氣體。另外，在加熱的原料的料斗14中將原料加熱和加壓，接著利用加熱的原料送料機(jī)15將原料連續(xù)裝入第一反應(yīng)器1。然后利用高溫原料轉(zhuǎn)移裝置17將原料連續(xù)轉(zhuǎn)入第二反應(yīng)器2。從第二反應(yīng)器2排出的產(chǎn)品貯存在高溫產(chǎn)品儲(chǔ)存容器19中。還原氣體和滲碳用甲烷(遠(yuǎn)離工業(yè)設(shè)備)由不同氣體(其貯于高壓氣瓶?jī)?nèi))混合物提供，并且可省掉熱交換器。在溫度為550-750℃，壓力2-7atm，反應(yīng)第一階段氣體流速為每小時(shí)45-200Nm3，反應(yīng)第二階段氣體流速為每小時(shí)60-300Nm3下進(jìn)行連續(xù)操作15-20小時(shí)以得到充分地穩(wěn)定狀態(tài)。此外，圖20中每個(gè)符號(hào)代表下面的設(shè)備。1第一流化床反應(yīng)器(內(nèi)徑200mm，床高5m)2第二流化床反應(yīng)器(內(nèi)徑250mm，床高7m)3，4用于第一和第二反應(yīng)器具有輔助電加熱器的絕緣耐熱材料。11原料供應(yīng)入口12具有攪煉的原料加熱設(shè)備13，16封口閥14加熱的原料料斗15加熱的原料送料機(jī)17高溫原料轉(zhuǎn)移設(shè)備(氣壓傳送型)18封口閥19高溫產(chǎn)品貯存器31氫氣氣瓶33CO氣瓶35CO2氣瓶37CH4氣瓶39CH4氣瓶32，34，36流動(dòng)控制閥38，40，41流動(dòng)控制閥42氫氣連接管51，71第一和第二反應(yīng)器出口氣體導(dǎo)管52，72第一和第二反應(yīng)器出口除塵器53，73第一和第二反應(yīng)器除塵后氣體導(dǎo)管54，74第一和第二反應(yīng)器氣體驟冷裝置55，75第一和第二反應(yīng)器驟冷氣體導(dǎo)管56，76第一和第二反應(yīng)器貯氣罐57，77第一和第二反應(yīng)器排氣導(dǎo)管58，78第一和第二反應(yīng)器循環(huán)氣體導(dǎo)管59，79第一和第二反應(yīng)器輔助氣體供應(yīng)導(dǎo)管60，80第一和第二反應(yīng)器循環(huán)氣體壓縮機(jī)61，81第一和第二反應(yīng)器壓縮機(jī)出口氣體導(dǎo)管62，82第一和第二反應(yīng)器氣體預(yù)熱器63，83第一和第二反應(yīng)器入口氣體導(dǎo)管64，84第一和第二反應(yīng)器隔墻圖15列出了使用與圖2、3、4試驗(yàn)中相同的赤鐵礦鐵礦石和使用圖20的裝置，各種溫度和壓力影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。就溫度的影響而言，如圖15所示，若反應(yīng)溫度升高，不僅可以縮短反應(yīng)時(shí)間，而且降低了反應(yīng)氣體的量。將反應(yīng)溫度調(diào)整到575℃，可以使Fe3C產(chǎn)品中殘余鐵含量轉(zhuǎn)化為對(duì)空氣中水分穩(wěn)定的磁鐵礦(Fe3O4)。就壓力影響而言，從圖15中試驗(yàn)5、6、7的關(guān)系可以看到，當(dāng)壓力按照7atm、3atm、5atm的次序變化時(shí)，反應(yīng)氣體的量下降。因此，在壓力3-6atm，可以得到最大的效果。另一方面，在本發(fā)明條件下，在600℃，各種氣體組分和壓力下，使用小型的高溫高壓熱平衡反應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備來測(cè)量第二級(jí)反應(yīng)中滲碳反應(yīng)的速度。結(jié)果如圖19所示。從圖19的結(jié)果可以清楚地看出，由于壓力的增高，反應(yīng)時(shí)間縮短。然而在約6-7atm時(shí)，壓力影響開始下降。使用圖20的裝置，對(duì)各種鐵礦石和煉鐵廠產(chǎn)生的再循環(huán)材料的試驗(yàn)結(jié)果列于表6，操作條件列于表4，即壓力為5大氣壓，溫度為650℃，反應(yīng)氣體的組分控制在如表4中的第一級(jí)和第二級(jí)入口氣體的成份的范圍內(nèi)。表6</tables>從表6的結(jié)果可以看到與圖4的結(jié)果相比，即使反應(yīng)時(shí)間稍微增加，在產(chǎn)物中含有1-3％未反應(yīng)的赤鐵礦(Fe2O3)，并且同時(shí)滲碳率比圖4的結(jié)果低。理論上，這一結(jié)果的原因是雖然在第一和第二級(jí)的流化床反應(yīng)器內(nèi)部裝有隔墻，以控制鐵礦石的流動(dòng)和防止未反應(yīng)的原料和已反應(yīng)的原料混合，但因?yàn)榱骰卜磻?yīng)器的直徑較小，并且與流化床的高度相比，流化床反應(yīng)器中流送管的寬度較窄，使得流化床高度與直徑比較大，所以只有一個(gè)隔墻存在。因此，流化態(tài)不穩(wěn)定，導(dǎo)致原料和產(chǎn)品的混合；另外，在流化床中原料的流動(dòng)不能充分控制，導(dǎo)致最終Fe3C產(chǎn)品中含有1-3％的赤鐵礦。裝有隔墻的工業(yè)反應(yīng)器，如圖6或圖7所示，由于反應(yīng)器的直徑足夠的大，并且能得到穩(wěn)定的流化態(tài)，所以解決了這一問題。(6)流化床反應(yīng)器下面說明流化床反應(yīng)器的改進(jìn)。如圖6(a)和6(b)所示，在圓柱形的側(cè)壁90的內(nèi)部和分布板91的上表面裝有用來防止反應(yīng)器的進(jìn)料從進(jìn)口92直接運(yùn)動(dòng)到出口93的隔墻94。因此，反應(yīng)器進(jìn)料需要經(jīng)過足夠長(zhǎng)的時(shí)間通過流化床反應(yīng)器，從而反應(yīng)度較高。為了增加反應(yīng)程度，通常將許多流化床反應(yīng)器串聯(lián)，但是使用本發(fā)明的流化床反應(yīng)器，減少了所需的流化床的數(shù)目。使用本發(fā)明的流化床反應(yīng)器，可以防止反應(yīng)的進(jìn)料和未反應(yīng)的進(jìn)料混合，并且使得反應(yīng)器的原料能夠均勻地反應(yīng)。此外，本發(fā)明的流化床反應(yīng)器不限于圖6所示的實(shí)施方案，其可以是任何能提供從反應(yīng)器入口92到出口93較長(zhǎng)距離的設(shè)計(jì)。其它的方案列于圖7(a)-7(e)。在這些方案中，圖7(d)和7(e)的反應(yīng)器沒有死區(qū)域(在那里，在流進(jìn)反應(yīng)器的進(jìn)料流送管中產(chǎn)生原料的渦漩或滯留)從而可以更均勻地反應(yīng)。用來證實(shí)流化床反應(yīng)器內(nèi)部存在的隔墻的效果而進(jìn)行的冷模型試驗(yàn)的結(jié)果和由這些結(jié)果計(jì)算出的產(chǎn)品的碳化三鐵轉(zhuǎn)化率列于圖22中。若沒裝有隔墻，引入到反應(yīng)器中的總原料顆粒的40％，在半平均保留時(shí)間內(nèi)(即0.5θ)排出(θ為殘留在反應(yīng)器中總顆粒的量比單位時(shí)間內(nèi)加入或排出顆粒的量)。另外，在θ和1.5θ內(nèi)，分別有63％和77％的原料排出。另一方面，若相同的流化床反應(yīng)器內(nèi)部被隔成含有4個(gè)室，或在反應(yīng)器內(nèi)部裝有線性的隔板，在0.5θ內(nèi)，排出量分別為3％和14％。從上述結(jié)果可知，若使用無隔墻的反應(yīng)器，反應(yīng)器中顆粒的保留時(shí)間較短，并且排出的未轉(zhuǎn)化為Fe3C的顆粒的量增多。因此，使用含鐵的煉鐵原料所得到的Fe3C轉(zhuǎn)化率為約66％。相反，若相同的流化床反應(yīng)器內(nèi)部按照上述試驗(yàn)相同的方式隔開，在一小段時(shí)間內(nèi)排出的顆粒的量下降。因此，若反應(yīng)器分為4室，使用相同的含鐵的煉鐵的原料所得到的Fe3C轉(zhuǎn)化率上升為約90％。若提供線性的隔墻，轉(zhuǎn)化率升高至約84％。(7)立式移動(dòng)床反應(yīng)器的實(shí)施方案圖21是本發(fā)明的立式移動(dòng)床反應(yīng)器的示意圖，其中適于從粗顆粒原料生產(chǎn)Fe3C的氣體水平地流動(dòng)，而加入的原料垂直流動(dòng)。如圖21所示，在此方案中，立式移動(dòng)床反應(yīng)器6具有第一反應(yīng)區(qū)300和第二反應(yīng)區(qū)400以形成單一的立式移動(dòng)床反應(yīng)器。在第一反應(yīng)區(qū)300中，用于第一級(jí)反應(yīng)的入口反應(yīng)氣體30，經(jīng)管線31和33流經(jīng)入口總管22，加入入口空氣室23，幾乎水平地流入移動(dòng)床，然后氣體作為第一級(jí)反應(yīng)的出口反應(yīng)氣體35，通過出口空氣室24和出口總管25，經(jīng)管線32和34排出。另外，在第二反應(yīng)區(qū)400中，第二級(jí)反應(yīng)的入口反應(yīng)氣體40，作為第二級(jí)反應(yīng)的出口反應(yīng)氣體47，經(jīng)管線41、43、45、42、44和46排出。加入第一反應(yīng)區(qū)300之前，進(jìn)料原料經(jīng)元件1-5加壓。在第一反應(yīng)區(qū)300中進(jìn)行還原反應(yīng)，在第二反應(yīng)區(qū)400中進(jìn)行繼續(xù)的還原反應(yīng)和滲碳反應(yīng)，然后，經(jīng)元件7-11對(duì)產(chǎn)品減壓，并半連續(xù)地排出。圖21中各參考符號(hào)表示如下的元件。1原料的進(jìn)料斗2、4氣體封口閥3原料中間貯料斗5具有控制設(shè)備的原料進(jìn)料斗6長(zhǎng)方形立式移動(dòng)床7產(chǎn)品出口8具有控制裝置的產(chǎn)品排出裝置9、11氣體封口閥10排出中間貯料斗22第一級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體入口總管23第一級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體入口空氣室24第一級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體出口空氣室25第一級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體出口總管30第一級(jí)反應(yīng)的入口反應(yīng)氣體31、33第一級(jí)反應(yīng)的入口反應(yīng)氣體的導(dǎo)管32、34第一級(jí)反應(yīng)的入口反應(yīng)氣體出口導(dǎo)管35第二級(jí)反應(yīng)的出口反應(yīng)氣體40第二級(jí)反應(yīng)的入口反應(yīng)氣體41、43、43第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體入口導(dǎo)管43、44、46第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體出口導(dǎo)管47第二級(jí)反應(yīng)的出口反應(yīng)氣體52第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體的入口總管53第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體入口空氣室54第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體出口空氣室55第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體出口總管工業(yè)實(shí)用性如前所述，本發(fā)明適合能降低反應(yīng)時(shí)間，減少反應(yīng)氣體和能量消耗，使用較小體積的設(shè)備，和高效經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)碳化三鐵的設(shè)備。權(quán)利要求1.一種生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其包括將含有赤鐵礦作為主要成份的鐵礦石進(jìn)行還原和滲碳，其中首先在第一級(jí)反應(yīng)中將所述的赤鐵礦部分還原以生成部分還原的赤鐵礦，隨后在第二級(jí)反應(yīng)中對(duì)部分還原的赤鐵礦進(jìn)行進(jìn)一步的還原和滲碳以生成碳化三鐵。2.根據(jù)權(quán)利要求1的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中使用主要含氫氣的還原氣體來進(jìn)行第一級(jí)反應(yīng)的部分還原，而使用主要含有氫氣和甲烷的還原和滲碳?xì)怏w來進(jìn)行第二級(jí)反應(yīng)的進(jìn)一步的還原和滲碳。3.一種生產(chǎn)用于煉鐵或煉鋼的含有碳化三鐵作為主要成份的原料的方法，該方法包括將用于煉鐵的含鐵原料進(jìn)行還原和滲碳首先，采用主要含有氫氣的還原氣體對(duì)煉鐵的含鐵原料進(jìn)行部分的還原反應(yīng)以生成金屬鐵含量為總鐵含量的25-75(原子)％的部分還原的含鐵原料；然后，采用主要含有H2和CH4的還原和滲碳?xì)怏w對(duì)部分還原的含鐵原料進(jìn)行進(jìn)一步的還原和滲碳以生成最終轉(zhuǎn)化為碳化三鐵的轉(zhuǎn)化率大于總鐵含量的75(原子)％；所述用于煉鐵的含鐵原料，如鐵礦石或由煉鐵工藝產(chǎn)生的粉塵等，含有至少一種氧化鐵如赤鐵礦、磁鐵礦和方鐵礦和氫氧化鐵如氫氧化亞鐵和氫氧化三鐵，或兩種或多種的氧化鐵和氫氧化鐵的混合物作為主要成份。4.如權(quán)利要求1-3之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中在第一級(jí)反應(yīng)中含有氫作為主要組分的還原氣體不能生成碳化三鐵，并且具有下述組分H2+H2O≥40％，CO+CO2≤10％，CH4≤30％，H2O+CO2≤10％，N2和其它惰性氣體≤25％。5.如權(quán)利要求1-3之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中在第二級(jí)反應(yīng)中，主要含有氫氣和甲烷的還原和滲碳?xì)怏w具有如下組成H2+CH4≥65％(CH4≥20％)，15％≥CO+CO2≥0.5％，H2O≤1.5％，N2和其它惰性氣體≤20％。6.如權(quán)利要求1-5之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中將甲烷加入到在第一級(jí)反應(yīng)的還原氣體中，并且將氫氣或甲烷加入到第二級(jí)反應(yīng)的還原和滲碳?xì)怏w中。7.如權(quán)利要求1-6之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中第一級(jí)反應(yīng)中作為煉鐵的含鐵原料的赤鐵礦被還原氣體部分還原至為50-65％。8.如權(quán)利要求1-7之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中作為煉鐵的含鐵原料的赤鐵礦生成碳化三鐵的最終轉(zhuǎn)化率為總鐵含量的90-99(原子)％。9.如權(quán)利要求1-8之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中第一級(jí)反應(yīng)在550-750℃下進(jìn)行。10.如權(quán)利要求1-9之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中第二級(jí)反應(yīng)在550-750℃下進(jìn)行。11.如權(quán)利要求1-10之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中第二級(jí)反應(yīng)在590-750℃下進(jìn)行。12.如權(quán)利要求1-11之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中在第二級(jí)反應(yīng)進(jìn)一步的還原和滲碳之前，從還原和滲碳反應(yīng)氣體中除去水蒸汽來降低水蒸汽的分壓。13.如權(quán)利要求1-12之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中將二氧化碳和氫氣加入到用于第二級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)氣體中。14.如權(quán)利要求1-13之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中第一級(jí)反應(yīng)的部分還原反應(yīng)和第二級(jí)反應(yīng)的進(jìn)一步還原和滲碳反應(yīng)在反應(yīng)壓力為1-9.9kgf/cm2G下進(jìn)行。15.如權(quán)利要求1-14之一所述的生產(chǎn)碳化三鐵的方法，其中在進(jìn)行第一級(jí)反應(yīng)的部分還原反應(yīng)之前和第二級(jí)反應(yīng)的進(jìn)一步還原和滲碳反應(yīng)之前，將含鐵原料進(jìn)行預(yù)熱或預(yù)冷至各反應(yīng)階段的反應(yīng)溫度±100℃。16.一種生產(chǎn)用于煉鐵和煉鋼的含有碳化三鐵作為主要組分的原料的裝置，所述的裝置包括對(duì)用于煉鐵的含鐵原料例如鐵礦石或煉鐵工藝產(chǎn)生的粉塵等進(jìn)行還原和滲碳，所述的用于煉鐵的含鐵原料含有至少一種氧化鐵如赤鐵礦、磁鐵礦和方鐵礦和氫氧化鐵，如氫氧化二鐵和氫氧化三鐵，或兩種或兩種以上的氧化鐵和氫氧化鐵的混合物作為主要成份；該裝置包含用于進(jìn)行第一級(jí)反應(yīng)以將用于煉鐵的含鐵原料部分還原生成部分還原的含鐵原料的第一級(jí)反應(yīng)單元，和用于進(jìn)行第二級(jí)反應(yīng)以將部分還原的含鐵原料進(jìn)行進(jìn)一步還原和滲碳反應(yīng)的第二級(jí)反應(yīng)單元，其中第一級(jí)反應(yīng)單元的上部在操作上與含鐵原料的輸送管線相連，并且部分還原的含鐵原料輸送管線位于第一級(jí)反應(yīng)單元的下部，在操作上與第二級(jí)反應(yīng)單元上部相連；而碳化三鐵的回收管線在操作上與第二級(jí)反應(yīng)單元的下部相連；并且其中第一級(jí)反應(yīng)單元在操作上與將第一級(jí)反應(yīng)單元的第一級(jí)反應(yīng)氣體循環(huán)的第一循環(huán)回路相連，所述的第一循環(huán)回路包括具有一末端并通過壓縮機(jī)和加熱器同第一級(jí)反應(yīng)單元?dú)怏w入口相連的第一級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線和位于第一級(jí)反應(yīng)單元?dú)怏w出口與第一級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線的另一端相連的循環(huán)管線，而第二級(jí)反應(yīng)單元在操作上與將第二級(jí)反應(yīng)單元的第二級(jí)反應(yīng)氣體循環(huán)的第二循環(huán)回路相連，第二循環(huán)回路包括具有一末端并通過壓縮機(jī)和加熱器與第二級(jí)反應(yīng)單元?dú)怏w的入口相連的第二級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線和位于第二級(jí)反應(yīng)單元?dú)怏w出口，同第二級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線的另一端相連的循環(huán)管線，并且其中第一級(jí)反應(yīng)氣體輸送管線在操作上與主要含有氫氣的還原氣體的供應(yīng)線相連，而第二級(jí)反應(yīng)氣體輸送線在操作上與主要含有甲烷的還原和滲碳?xì)怏w的供應(yīng)線相連，從而可以向每一個(gè)第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)單元連續(xù)提供不同的反應(yīng)氣體。17.如權(quán)利要求16所述的生產(chǎn)碳化三鐵的裝置，其中第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)單元分別包括流化床反應(yīng)器。18.如權(quán)利要求17所述的生產(chǎn)碳化三鐵的裝置，其中所述的流化床反應(yīng)器具有隔墻，以防止原料直接從入口運(yùn)動(dòng)到反應(yīng)器的出口。19.如權(quán)利要求16所述的生產(chǎn)碳化三鐵的裝置，其中第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)單元包括立式移動(dòng)床反應(yīng)器，其中第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)氣體水平地流經(jīng)多層的空氣箱，而含鐵原料沿垂直方向流經(jīng)第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)單元。全文摘要一種通過將含鐵的煉鐵原料,例如基于氧化鐵如赤鐵礦(Fe文檔編號(hào)C01B31/30GK1184455SQ96193913公開日1998年6月10日申請(qǐng)日期1996年5月27日優(yōu)先權(quán)日1995年5月31日發(fā)明者宮下虎勝,內(nèi)山義雄,井上英二,中谷純也,中澤輝幸,飯島悟申請(qǐng)人:川崎重工業(yè)株式會(huì)社,三菱商事株式會(huì)社