專利名稱：：生產碳化三鐵的方法和設備的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種生產用于煉鐵和煉鋼的合適材料的方法及設備。更具體地說，本發明涉及一種生產含有碳化三鐵作為主要成份的材料的方法和設備，其中該材料用于電爐煉鋼等。
背景技術：
：鋼的生產通常包括以下步驟用高爐(blastfurnace)將鐵礦石轉化為生鐵，然后用平爐或轉爐將生鐵轉化為鋼。這種傳統方法需要大量的能量和大型設備，并且成本很高。因此，對于小型煉鋼操作，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化為煉鋼爐中的原料，并且將該原料轉化為鋼。就直接煉鐵而言，采用直接還原法將鐵礦石轉化為還原鐵。然而，采用直接還原法生產的還原鐵具有很高的活性，并且在空氣中與氧反應生成熱。因此，在還原鐵運輸和貯存過程中，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活性，并且易于運輸和貯存。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輸和貯存，而且具有以下優點與鐵結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生微氣泡的來源以加速煉鋼爐中的反應。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。根據生產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。“單一工藝”是指同時將還原氣體和滲碳氣體引入單一反應器中而進行的操作，如下列反應式(1)-(6)所示。將細篩的鐵礦石加料到流化床反應器中，并在預定的溫度，同包括還原氣體(如氫氣)和滲碳氣體(如甲烷等)的氣體混合物反應。(1)(2)(3)(4)(5)(6)反應(1)至(6)的總的反應用反應式(7)表示(7)此外，本發明領域中的現有技術例如描述在國際專利申請號為No.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中的工業設備的操作報告和在下文所列出版物4、5和8中所描述的那些。另外，德國專利4320359公開了一種具有兩段反應器的工藝方法。如下述反應式(8)所示，滲碳工藝也可采用一氧化碳(CO)作為滲碳氣體組分來實現(8)上述領域的現有技術還進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，“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，優質廢鐵的可能替代物”，預印本93-28，SME年會，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-2)CAMP-ISU第8卷(1995)-111。”7.Hayashi等，由鐵礦石生成碳化三鐵(碳化三鐵的生產1)CAMP-ISU第8卷(1995)-110。8.Nakagawa等，氣體組分和溫度對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設備(ChemicalEquipment)，1986年6月，第99-108頁。10。T.P.McAloon，I＆SM，1994年2月。11.33金屬生產，1995年1月(第36，37和49頁)。上述常規方法具有以下缺點關于在國際專利申請6-501983(PCT/US91/05198)日文公開說明書和出版物3和5中描述的常規方法(其使用現有的工業設備)，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生的粉塵等)。與煉鐵的含鐵材料中鐵原子結合的氧的去除工藝使用甲烷(CH4)作為滲碳反應氣體的成份，在單一的反應器中，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，也就是說，主要反應(即還原和滲碳)在單一過程進行。因為該過程中甲烷直接用作滲碳氣體，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。該工藝的優點是所消耗的H2(氫氣)或CO(一氧化碳)的量很少，并且設備簡單。然而，下列缺點也是明顯的。因為固體氧化鐵與還原和滲碳氣體之間的反應是催化反應，所以反應速度低，反應時間(即，需要用來完全轉化為所希望的碳化三鐵產品的時間)長，從而與常規煉鐵方法，如高爐法等相比，需要很長時間得到預定量的煉鋼材料。因此，為了增加單位時間的產量，需要增大設備的規模。所以，直接煉鐵法的主要目標(與常規煉鐵方法相比，降低設備規模和生產成本)并未達到。為了增加反應速度，優選增加反應時間。然而，在氧化鐵還原反應中，當反應溫度增加到約600-700℃時，即使該溫度處于氧化鐵的熔點之下，當還原率達到100％時，氧化鐵晶體的角狀表面由于表面張力變得平滑(稱之為燒結或半熔，以后稱之為“燒結”)。該現象的結果是反應活性損失。如圖8和出版物9所示，赤鐵礦還原反應的反應溫度和反應時間的關系曲線表明當還原達到約100％時，在約600-700℃，反應時間增加。因此，即使增加反應溫度，也不能實現增加反應速度的目標。若還原反應中產生大量的水或若由于反應器的結構特征使原料不能平滑地流動，水將與鐵反應引起局部固化，也就是說，發生所謂的“粘結現象”。若發生燒結或粘結，氧化鐵顆粒凝結或附聚，從而使得不可能機械地除去。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行上述反應式(1)-(3)的還原反應和反應式(4)的滲碳反應。因此，必須考慮還原和滲碳反應，并且不能獨立地設定反應氣體的組成和反應溫度，從而不能分別地優化還原和滲碳反應。因此，要增加反應氣體量(即為了生產單位產品，待接觸的反應氣體量)。如下文所述的表8a中所示，在國際專利申請6-501983(PCT/US91/05198)的日文公開說明書中所述的常規碳化三鐵生產工藝中，所消耗的能量、電能、冷卻水等的量大于在常規直接還原煉鐵法(如MIDREX法)中所用的相應的量。在德國專利4320359中所述的方法降低了反應氣體的量，并且用兩段來完成反應。在第一段中，使用混合氣體來對鐵礦石進行部分還原，該混合氣體由50-20％的循環反應氣體和50-80％由第二段排出的剩余的部分反應的循環反應氣體組成。然后，該部分還原的鐵礦石轉移到第二段，使用50-80％循環反應氣體來進一步進行還原和滲碳。上述方法的目的是通過將50-80％的循環反應氣體在兩段中與礦石接觸，從而增加氣體的反應效率。與國際專利申請6-501983(PCT/US91/05198)的日文公開說明書及出版物11(其描述了現有的工藝設備)中所述的常規方法相比，所述的方法降低了反應氣體的一些消耗。然而，下述缺點還要考慮。特別是，引入第二段的循環反應氣體需要足夠的碳電勢(即化學反應力)來生產碳化三鐵。因此，需要增加反應氣體的甲烷濃度。因此，在還原氣體中作為還原成份的氫氣濃度就相對較低。而且，因為在第二段的反應完成后，氣體含有大量水和二氧化碳作為還原反應的產物，所以氣體的還原能力下降。因此，要增加第一段的反應時間。所以，不能降低第一段和第二段總的反應時間。氣體組分和第一及第二段的溫度不能獨立地設定，因而不能獨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氣體成份，并且報導，滲碳的反應時間大大降低。然而，必須考慮分別使用一氧化碳或甲烷時，將赤鐵礦(Fe2O3)完全轉化為碳化三鐵的總反應式的差別。在CO的情況下，總反應式為(9)在CH4的情況下，總反應式為(10)如反應式(9)和(10)所示，若使用一氧化碳作為滲碳反應氣體成份，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，然而進行催化反應(稱之為蒸汽轉化法)生產H2和CO。因此，若使用一氧化碳作為滲碳氣體，還需要昂貴的蒸汽轉化裝置，并且能耗增加。這種關系如圖10所示。本發明解決了生產Fe3C的傳統方法中的上述缺點。本發明的主要目的是提供一種有效地和經濟地生產碳化三鐵的方法及設備。該方法和設備能縮短反應時間，降低反應氣體和能量的消耗，并且能使用體積較小的設備。參照附圖，從以下說明中，本領域的普通技術人員將更清楚地認識本發明的這些或其它目的及其優點。為了能實現縮短反應時間、降低反應氣體的消耗和利用較小型設備及緊湊型蒸汽轉化裝置的目的，權利要求1所述的生產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行還原和滲碳，其中所述的方法的特征在于在反應過程的第一段中將所述的赤鐵礦部分還原，并且隨后在反應過程的第二段對部分還原的赤鐵礦進行進一步還原和滲碳。根據權利要求1生產碳化三鐵的方法，該反應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一步還原和滲碳的第二段。因此，用于反應過程第一段的氣體可以為優化用于還原反應的成份，并且用于反應過程第二段的氣體可以為優化用于進一步還原和滲碳反應的成份。根據本發明，與使用還原和滲碳氣體的混合氣體，在單一工藝中進行赤鐵礦的還原和滲碳(即轉化為碳化三鐵)的生產碳化三鐵的方法相比，反應速度能夠增加。因此，可以縮短反應時間(將赤鐵礦中的鐵轉化為碳化三鐵以達到一定轉化率所需時間)。若還原度高，在600-700℃的反應溫度下，赤鐵礦的還原引起燒結，而這又增加了反應時間。在常規工藝中，將反應溫度調到約590℃來防止燒結。與此相反，在生產碳化三鐵的本方法中，還原反應分為第一階段和第二階段，并且可以將第一階段的反應過程中的部分還原調節到沒有燒結發生的程度。因此有可能在上述的反應溫度進行還原反應。因此，可以在比常規方法更高的溫度進行反應，從而進一步增加反應速度來縮短反應時間。此外，在反應過程第一階段和第二階段所需的還原和滲碳氣體的流動速率，由于上述的高溫和較短的反應時間等特征從而大大地降低。因為本反應工藝分為兩段來生產碳化三鐵，所以也需要兩套氣體系統。這使得系統復雜化。但是，由于縮短了反應時間，從而增加了相同大小反應器的生產率。另一方面，若不希望提高產量，可以使用較小的反應器。還原反應進行的程度，即還原率，可以通過測量在反應過程第一階段中產生的蒸汽量而測定。因此，即使由于赤鐵礦品質的變化而引起反應時間的變化，也易于控制生成碳化三鐵的轉化率。也可以利用下述的變化和改進。這些變化和改進不能在常規的工藝中用單一的工藝生產碳化三鐵，如公開在國際專利申請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)滲碳氣體具有熱分解產生游離碳的趨勢。為防止分解，將反應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過程第二階段的氣體。(b)為了降低引起產生游離碳的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經過上述的洗滌操作處理，可以防止游離碳的產生，并且可以增加氫氣的濃度。上述CO和CO2在反應過程第一階段的反應氣體中累積達到化學平衡組分。(c)當碳化三鐵的轉化率太高時，Fe含量變少，并且甲烷氣體能分解成碳和氫。僅能在反應過程第二階段進行轉化率的控制。如在權利要求2中所述，優選地，使用主要含有氫的還原氣體來進行反應過程的第一階段，并且使用主要含有氫和甲烷的還原和滲碳氣體來進行反應過程的第二階段。根據權利要求2的生產碳化三鐵的方法，反應過程的第一段使用主要含氫氣的還原氣體來進行，而第二段使用主要含有氫氣和甲烷的還原和滲碳氣體來進行。因此，在反應過程的第一段可以得到部分還原，在反應過程的第二段可以得到進一步的還原反應和滲碳反應，從而實現上述的優點(1)。此外，還可以獲得用公開在德國專利4320359中的常規生產碳化三鐵的方法不能獲得的優點。(a)就具有獨立的反應氣體的氣體循環回路的第一段反應工藝而言，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，在常規方法中，滲碳反應的必要氣體成份(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過程中的還原反應產生的水。因此，第一階段反應時間變長。(b)由于第一反應階段的反應氣體是還原氣體，所以在第一反應階段基本上無碳化三鐵產生。因此，可以控制還原度或金屬化程度，從而可以優化還原度以在第二階段的滲碳反應中迅速地取得所需的滲碳率。另一方面，由于傳統方法使用具有基本上用于滲碳反應的成份的氣體，所以在第一反應段，難于獨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段分別具有獨立的反應氣體循環回路，就有可能提供最適合各階段的氣體成份，并且在各階段最優化的溫度下獨立地反應。另一方面，由于在傳統方法中，采用單一的循環氣體，所以獨立地控制第一和第二階段的溫度受到限制。與采用CO氣體作為滲碳氣體成份的傳統生產碳化三鐵的方法(如公開在出版物6和7中)相比，在第二段反應過程中使用為天然氣體主要成份的甲烷來進行滲碳和還原反應。甲烷是本發明主要的反應氣體成份。因此，由蒸汽將甲烷轉化為CO+H2的裝置可以制得1/2.6的較小規模，從而減小能量消耗，并減小設備的大小。如權利要求3所述，本發明的另一方面是提供一種生產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行還原和滲碳。這些原料如鐵礦石、由煉鐵工藝產生的粉塵等，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)％，在第一反應階段，采用主要含有氫氣的還原氣體對煉鐵的含鐵原料進行部分還原，并且，此后為了使最終轉化為碳化三鐵的轉化率大于總鐵含量的75％(原子)，在第二級反應中，采用主要含有H2和CH4的還原和滲碳氣體進行進一步的還原和滲碳。更優選地，在反應第一階段，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階段。此外，轉化為碳化三鐵的最終轉化率優選為不小于總鐵含量的85(原子)％。根據權利要求3生產Fe3C的方法，可以對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行有效地加工。這些含鐵原料如煉鐵工廠產生的粉塵和殘渣含有氧化鐵(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)％。由于第一級反應是在最優化的操作條件(例如，溫度、壓力、氣體成份等)下進行(該條件對應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，并提供第二級反應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，所以得到這些優點。因此，不管作為起始原料的鐵化合物的一致性，可以得到上述優點(1)和(2)。另外，通過縮短反應時間、降低能量消耗和使用緊湊型的設備可以克服傳統方法的缺點。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，那么不進行第一段反應而直接進行第二段反應是更有效的，因為原料中金屬鐵含量已經在權利要求1中所期望的范圍內。在反應第一段，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)被還原來調整金屬鐵的量在第一段反應總鐵量的25-70(原子)％范圍內，并且在反應第二段，采用含甲烷為主要成份的還原氣體進一步進行還原和滲碳反應。由于在第二段滲碳反應中由甲烷產生的氫氣的量能與第二段還原反應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第二段進行進一步還原和滲碳反應。該結果是由于化學反應平衡，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化的小型設備成為可能。因此，為了降低天然氣中轉化為氫氣和一氧化碳的甲烷的含量(如上所述)，本發明涉及到直接利用甲烷作為滲碳反應的主要反應成份的工藝。若用赤鐵礦作為原料，用甲烷將氧化鐵轉化為碳化三鐵(Fe3C)的反應可分為三個反應類型(如圖12)。這些反應已從反應動力學角度進行了研究。因此，得到了總結在圖13中的數據。(1)從金屬鐵到碳化三鐵(Fe3C)的反應速度是最快的。考慮到只有滲碳反應，將氧化鐵或氫氧化鐵，或其混合物還原為金屬鐵，隨之轉化為碳化三鐵(Fe3C)的工藝的優點已顯示出。(2)另一方面，當用甲烷將氧化鐵轉化為碳化三鐵，甲烷(CH4)中的氫原子也參加了還原反應，如上述反應式11和圖10所示，因此，這就有可能通過氣體轉化降低氫氣和/或一氧化碳的進料。認識到上述①和②條的結果是重要的，在反應第一段的金屬化程度和總反應時間(即第一段和第二段反應過程時間的總和)之間的關系示于圖14。若金屬鐵的比例在25-70(原子)％內，總反應時間能被縮短。若比例在30-65(原子)％內，總反應時間最短。根據本發明，從煉鐵的含鐵原料轉化為碳化三鐵的最終轉化率為75(原子)％或更大。用于煉鐵和煉鋼的原料轉化為碳化三鐵的所需要的最佳轉化率的改變取決于加工過程(如煉鐵、煉鋼等)和所述加工的目的，并且本發明能滿足任何條件。例如，當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)的轉化率為90％或以上是優選的。另一方面，有時精煉反應的加速效果主要地是通過攪拌作用實現的，這種作用歸于下式(12)所示的反應生成的氣泡，盡管能量消耗有一定程度的增加。(12)在這種情況下，可以利用轉化率大約為75(原子)％的碳化三鐵(Fe3C)產品。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)的最適合的轉化率。如權利要求4所述，在反應第一段，優選使用具有下述組分的反應氣體，這種組分不允許碳化三鐵的形成，但適于還原，并且可工業化生產和循環使用。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，降低了活性反應氣體成份的相對濃度，所以惰性氣體從經濟上盡可能地低，特別是從能量效率和反應時間角度考慮，這是優選的。根據權利要求4生產碳化三鐵的方法，反應第一階段是部分地還原煉鐵的含鐵原料以調整金屬鐵含量在25-70(原子)％之內的過程，即，氧化鐵的還原反應是主要反應。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品的(CO2+H2O)的濃度越低，反應速度越快。在本反應溫度范圍內，使用H2的還原反應速度高于使用CO的還原反應速度，并且縮短了反應時間和降低了反應氣體的消耗。此外，氫氣的反應產物是可在處理中通過簡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方式使用反應氣體，而無需積聚H2O，或增加H2O的濃度。上述組分能用作進行第一階段反應的氣體。也就是說，通過保持低的甲烷濃度可以抑制反應式(4)表示的生產碳化三鐵的反應。所以，沒有碳化三鐵產生，而且還原反應能有效進行。由此，提供一種可實際應用于工業生產上的設備是可能的。如權利要求5所述，在反應第二階段，進行進一步的還原和滲碳，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同時進行，能以循環方式使用，并且提供足夠的反應速度的這樣的組分的反應氣體是優選的。這樣的氣體包括H2+CH4≥65％(CH4≥20％)，15％≥CO+CO2≥0.5％，H2O≤1.5％因為H2O對滲碳反應速度總體上起著負作用，而且惰性氣體(如N2)量的升高降低了活性反應氣體成份的相對濃度，所以H2O和惰性氣體維持低含量，尤其從能量效率和反應時間角度考慮，是優選的。根據權利要求5的生產碳化三鐵的方法，煉鐵的含鐵原料(在反應第一階段被部分還原和金屬化)的繼續還原和滲碳反應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行的，因而縮短了反應時間，也降低了反應氣體的消耗。為生產碳化三鐵(Fe3C)需要足夠的碳電位(即化學反應動力)。在使用甲烷的滲碳反應條件下，從反應式4清楚可知，反應與PCH4/(PH2)2成正比，這里PCH4是反應氣體中甲烷(CH4)的分壓，PH2是反應氣體中氫氣(H2)的分壓。在使用氫氣的還原反應條件下，從反應式(1)、(2)和(3)清楚可知，反應氣的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反應動力學)。在本發明中，若反應氣體主要成份是甲烷和氫氣，而且甲烷和氫氣的濃度調到適合的比例，并且水蒸汽(H2O)維持在預定濃度或以下，那么還原和滲碳反應可以迅速地同時進行，因而獲得了反應氣體的高反應效率。當用于反應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。根據反應式(10)，CO或CO2作為滲碳反應的反應氣體組分，同時在甲烷的滲碳反應中也作為催化劑。因此，增加了反應速度。所以，優選CO或CO2以預定的濃度存在以縮短反應時間。在使用圖1的實驗裝置進行相同的第一反應階段后，改變入口反應氣體中CO+CO2的百分比來進行第二階段的反應。結果列于圖11。圖11(a)表示在30-75％滲碳率時，平均滲碳速度和入口的CO+CO2的百分比的關系。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％時達到飽和。對于實際工業應用，理想的是平均滲碳速度不小于6％/小時，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和原料反應期間產生CO+CO2。若入口(CO+CO2)％較高，則消耗CO+CO2。也就是說，當入口CO+CO2不小于約3％時，有時必須向循環氣體中供應CO+CO2。本發明的目的是在滲碳反應中使用甲烷作為主要反應成份來使天然氣轉化的CO+H2的進料最小(如上所述)。因此，滿足下列式15％≥CO+CO2≥0.5％，可以獲得工業上反應速度的重要效果(即，縮短反應時間)；同時，可以實現高的滲碳反應效率。因此，若用于進行第二段反應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％，反應時間縮短，從而有可能使用實際工業上的應用方法。如權利要求6所述，也優選將甲烷加入到在第一階段反應所用的還原氣體中使得可以調節在還原氣體中的氫氣含量，并且優選將氫氣或甲烷加入到第二階段反應所用的還原和滲碳氣體中使得可以調節在還原和滲碳氣體中的氫氣和甲烷含量。根據權利要求6生產碳化三鐵的方法，可以將甲烷氣體加入到第一反應階級的還原氣體中來改變氫氣的比例，從而控制還原反應的反應速度。因此，有可能控制第一反應階段的還原程度，控制獲得預定還原程度的反應時間，同時控制在權利要求3范圍內的第一反應階段的產物中金屬鐵的含量。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)。維持還原反應的反應速度從而有可能控制反應時間，并且降低反應氣體的消耗和氫氣和一氧化碳的進料，(13)此外，將氫氣或甲烷加入第二反應階段的還原和滲碳氣體中可以改變氫氣與甲烷的成份比例。因此，可以控制滲碳反應的反應速度。所以，可以控制滲碳率(即轉化為碳化三鐵的轉化率)和反應時間，直到在第二反應階段獲得預定的滲碳率。可以控制繼續還原反應的反應速度和滲碳反應的反應速度之間的相對關系，從而有可能如式(1)、(2)和(3)所示，繼續進行還原反應，同時如式(4)所示，進行滲碳反應。另外，可以控制最終產物的滲碳率以及殘余氧化鐵的形式和量；同時可以縮短反應時間并以循環方式最有效地利用反應氣體。此外，如權利要求7所示，在反應第一階段，赤鐵礦作為煉鐵的含鐵原料的還原度優選為50-65％，更優選為55-62％。本文中所用的術語“還原度”是指減少的氧原子數與每個赤鐵礦(Fe2O3)的鐵原子的氧原子數(即，將赤鐵礦的氧原子數減去已進行還原反應的氧化鐵的每個鐵原子的氧原子數而得到的數)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)用作反應氣體成份以在第二反應階段進行進一步還原和滲碳反應的化學計量關系如式(11)所示(11)就實際的FeO2/3成份而言，當赤鐵礦(Fe2O3)用作原料時，金屬鐵(MFe)和氧化鐵(磁鐵礦(Fe3O4)和/或方鐵礦(FeO))以及還原度的關系列于表5。還原度約為56％。根據權利要求7的生產碳化三鐵的方法，若在第一級反應中赤鐵礦的還原度為50-65％，那么總反應時間(第一級反應和第二級反應之和)為最短；同時，在第二級反應的滲碳反應中產生的氫氣量和還原反應所需氫氣量基本相同。因此，從化學反應平衡的角度，只需提供滲碳氣體就可以進行第二級反應。因為固體和氣體間的催化反應速度通常較低，所以對氣體進行循環，從而有效地利用氣體。也就是說，提供反應氣體成份維持反應氣體的平衡成份，同時將固定量的反應氣體進行循環。在本發明中，分別在第一和第二反應階段提供氫氣和甲烷。如權利要求8所述，優選地，赤鐵礦生成碳化三鐵的最終轉化率為90-99％，更優選93％或以上，更優選95％或以上。根據權利要求8生產碳化三鐵的方法，赤鐵礦生成碳化三鐵的最終轉化率為90-99(原子)％，因而獲得了合適的產品。若轉化率小于90(原子)％，碳化三鐵的質量降低。另一方面，若轉化率大于99(原子)％，產生的游離碳的量增加。如權利要求9所述，第一級反應溫度優選為550-750℃，更優選610-650℃。根據權利要求9生產碳化三鐵的方法，第一級反應溫度為550-750℃，因此，獲得了適合進行上述反應的溫度。若反應溫度低于550℃，反應速度較低，從而反應時間較長。因此，必須調節溫度大于550℃。另一方面，若反應溫度大于750℃，這將對反應器的耐熱結構有不利的影響。如上所述，在赤鐵礦的還原反應中，燒結發生在600-700℃，導致反應時間增加，因此，在傳統方法中，反應在低于上述溫度如590℃下進行。在生產碳化三鐵的本方法中，還原反應分為兩個階段，并且在第一反應階段中的還原度并不特別高。因此，即使反應溫度高，也不會發生燒結并不產生負影響(如反應速度降低)。如權利要求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)，優選在550-750℃進行第二段反應。為了提供磁鐵礦作為氧化鐵殘余形式(這是最穩定的形式)，溫度優選在550-590℃。為了縮短反應時間并使反應穩定地進行，溫度優選為610-650℃。根據權利要求10生產碳化三鐵的方法，第二階段反應溫度為550-750℃。因此，不會發生燒結或反應過的鐵礦石粘結到爐壁上，這就易于控制碳化三鐵產品中殘余氧化鐵的形式(如磁鐵礦、方鐵礦)，并縮短反應時間。也就是說，在第二階段反應中，繼續的還原反應、滲碳反應和轉化為鐵可以同時進行(因為當還原率高時進行滲碳反應，所以燒結比只進行還原的情況發生的機會少)，并且反應是在不產生燒結或鐵礦石粘結到爐壁上的情況下進行。因此，若反應溫度增加，則縮短了反應時間。所以，第二階段優選在不發生燒結或鐵礦石粘結到爐壁的情況下如610-750℃進行。在第二反應階段，為了獲得產品穩定性，防止在產品運輸和長期貯存過程中自發燃燒，不僅得到所希望的生成碳化三鐵(Fe3C)的轉化率，而且控制殘余鐵的化學形式(如金屬鐵(Fe)，磁鐵礦(Fe3O4)，方鐵礦(FeO)等)也是重要的。就與水發生放熱反應來說，鐵化合物的相對穩定性的順序是Fe3O4(最穩定)，FeO和Fe。在長期運輸和貯存的情況下，有時將盡可能多的殘余鐵組分，即，碳化三鐵產品中除碳化三鐵以外的組分，轉化為最穩定的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℃進行反應，使得所有殘余鐵組分為Fe3O4形式。如權利要求11所述，第二階段反應溫度優選在590-750℃，更優選610-650℃進行。根據權利要求11生產碳化三鐵的方法，第二階段反應溫度在590-750℃，這對于快速生產碳化三鐵是一個合適的溫度。理由如下如圖9中所示，在Fe-H-O體系還原平衡中，在反應溫度為590℃或以下，磁鐵礦(Fe3O4)區較寬。當磁鐵礦在還原反應中長時間存在，生成碳化三鐵滲碳反應的最后階段速度放慢，從而需要長時間充分轉化為Fe3C。因此，必須將反應溫度調到590℃或以上，以遠離磁鐵礦區，并且可以相對高的量，設定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氣體進行還原反應，可以得到盡可能多的金屬鐵含量，并且甚至在生產碳化三鐵的滲碳反應最后階段，由于存在金屬鐵，因而可以維持較高的滲碳反應速度，從金屬鐵生成碳化三鐵。另一方面，若反應溫度調節到750℃或以上，這將對反應器的耐熱結果產生不利的影響。此外，在第二級反應的還原之后不斷地進行滲碳反應，因而不會引起燒結。所以，反應溫度能上升。如權利要求12所述，優選從用于第二階段反應的反應氣體中除去水蒸汽來降低水的分壓。根據權利要求12生產碳化三鐵的方法，從第二階段反應的反應氣體中除去水蒸汽，可以降低水蒸汽分壓。因此，在Fe-H-O體系還原平衡中，FeO-Fe區變寬而磁鐵礦區變窄。因此，有可能防止由于磁鐵礦的存在而引起的滲碳反應的下降，從而縮短反應時間。如權利要求13所述，優選將二氧化碳和氫氣加入到用于第二階段反應的反應氣體中。根據權利要求13生產碳化三鐵方法，將二氧化碳和氫氣加入到第二階段反應的反應氣體中。因此，進行下述反應式(14)的反應，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速度。(14)如權利要求14所述，第一階段和第二階段反應的反應壓力優選為1-9.9kgf/cm2G，更優選為2-5kgf/cm2G(G定義為表壓)。根據權利要求14生產碳化三鐵的方法，第一和第二反應階段的反應壓力為1-9.9kgf/cm2G。該反應壓力適于得到上述反應。若反應壓力低于1kgf/cm2G，反應速度較低，因而反應時間較長。另一方面，若反應壓力大于9.9kgf/cm2G，反應器中的水蒸汽凝結，并粘結在進料的原料上，然后，進料不能均勻地流動，導致生成碳化三鐵的轉化率降低。另外，較高的壓力對反應器和反應器氣體供應管的強度有不利影響。就壓力對還原反應(主要在第一反應階段進行)和還原反應速度影響而言，當壓力增加到5-6atm(即約4-5kgf/cm2G)，還原度通常增加。若壓力高于上述范圍，壓力對還原率的影響較小，并且壓力為6atm或更低，這對于實際應用是經濟的。在第二反應階段，繼續進行還原和滲碳反應。為了保持高的還原和滲碳反應力，即使以循環方式使用氣體，優選除去還原反應中生成的H2O以盡可能降低H2O的濃度。當氣體經過冷卻處理以除去H2O時，若壓力較高，H2O的量相對降低。當壓力增加時，滲碳反應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較低。因此，優選在足夠的壓力下進行操作以保持還原速率和滲碳速率的合適的關系。優選的壓力為3-6atm。在權利要求14的方法中，調節該操作壓力至一合適值，從而有可能縮短反應時間，獲得有利的反應經濟性。如權利要求15所述，優選將供入反應器的第一和第二階段反應的原料進行預熱或預冷至各反應階段的反應溫度±100℃。根據權利要求15生產Fe3C的方法，將加入第一和第二級反應器中的細篩原料預熱或預冷至每段反應溫度±100℃。因此，原料進料不會附聚，并且冷凝的水蒸汽不會對原料的流動能力產生不利影響。因為反應式(1)-(3)的還原反應是吸熱反應，所以進料被冷卻。供給第二反應階段的進料具有特別高的反應活性，并且在反應開始快速地產生水蒸汽冷卻進料。因此，產生的水蒸汽冷凝粘結在進料上，從而阻礙了進料的流動。因此，供給反應器的進料預熱至約反應溫度，從而防止水蒸汽冷凝，并防止了反應速度下降。此外，根據用于煉鐵和含鐵原料的形式，第一階段反應的溫度能對隨后的第二反應階段的反應速度產生影響。例如，在比第二階段反應低幾十度的溫度下進行第一階段的還原反應，增加了單位重量原料的表面積。這提供了第二階段的反應一種活性更高并且部分金屬化的原料。然后，原料(具有相對的活性)進行繼續還原和滲碳反應，從而縮短了整個反應時間。為了使碳化三鐵的殘余鐵成份最大程度為穩定的磁鐵礦，并且縮短總的反應時間，在第一階段，反應在盡可能高的溫度進行后，也可在較低溫度如575℃或以下，進行第二段反應。根據本發明，有時必須向反應第一階段的反應器的原料加入足夠的熱，并加入經預熱的原料以提供部分反應熱，從而避免反應氣體過熱。除了將反應第一階段加入的原料預熱以外，有時還必須進行初步處理，如從起始物質中除去結合的水。在這種情況下，在至少比第一階段反應高100℃的溫度進行預熱操作是有效的。本發明包括這一操作。如權利要求16所述的進行本發明工藝的裝置，生產煉鐵和煉鋼的原料。該原料含有碳化三鐵作為主要組分。該裝置對用于煉鐵的含鐵原料進行還原和滲碳(例如鐵礦石或煉鐵工藝產生的粉塵等，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反應工藝以將用于煉鐵的含鐵原料部分還原的第一級反應單元，和用于第二級反應工藝以將部分還原的含鐵原料進行進一步還原和滲碳反應的第二級反應單元，其中，原料輸送管線與第一級反應單元的上部相連；部分還原的材料輸送管線位于第一級反應單元的下部，與第二級反應單元上部相連；而碳化三鐵的回收管線在操作上與第二級反應單元的下部相連；并且其中第一級反應氣體的循環回路包括第一級反應氣體輸送管線(其具有一末端，該端部通過壓縮機和加熱器同第一級反應單元氣體入口相連)和位于第一級反應單元氣體出口的循環管線(其通過一洗滌器與第一級反應氣體輸送管線的另一端相連)，而第二級反應氣體循環回路包括第二級反應氣體輸送管線(其有一末端，通過壓縮機和加熱器與第二級反應單元氣體的入口相連)和位于第二級反應單元氣體出口的循環管線(其通過一洗滌器同第二級反應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線與第一級反應氣體輸送管線相連，而主要含有甲烷的還原和滲碳氣體的供應線，與第二級反應氣體輸送線相連，從而可以向每一個第一級和第二級反應單元連續提供不同的反應氣體。根據權利要求1-15所述的反應工藝和條件，該裝置可以有效地控制第一和第二級反應工藝中的各自反應。此外，基本上所有各自的反應氣體均可以循環方式使用，并且在除去粉塵和水之后，可以以循環方式有效地利用。優選地，本發明的裝置如圖5所示進行建造，例如，用于調整每個反應階段中反應氣體組分的獨立的氣體回路與每個反應裝置和各自的氣體循環回路相連。本發明生產權利要求16的碳化三鐵的裝置的一個具體實施方案如圖5所示。第一級反應工藝進行還原直到原料中20-70(原子)％的總鐵被金屬化，而第二級反應工藝則進行繼續還原，并轉化產生碳化三鐵。反應分別在獨立的反應裝置41和61中進行。反應完成后，從廢氣中除去粉塵和不純氣體組分，在洗滌器45和65中進行。為了控制氣體組分，反應氣體用還原氣體或滲碳氣體補充之后，通過再循環壓縮機42和62以及氣體加熱器43和63，第一級反應氣體循環回路40和第二級反應氣體回路60，輸入反應器41和61，從而可以獨立地將反應氣體送入第一級反應器41和第二級反應器61。此外，相應原料的組分和反應特征，可容易地調節和控制各自不同的最佳操作條件，并控制最終產品的成份。也可以降低設備大小，并降低能源消耗，從而改善經濟性。上述裝置可作為批料生產裝置或連續生產裝置，由原料供應線80將原料供入第一反應裝置41，并由傳輸線81將在第一反應裝置41中制備的部分金屬化的原料傳輸給第二反應裝置61，并且批料地或連續地通過出料管線82，將在第二反應裝置61中生產的碳化三鐵產品排出。在連續生產工藝的情況下，特別是，可使用流化床反應裝置有效地生產高滲碳率的Fe3C產品或組分稍有變化的Fe3C產品，其中，如權利要求18所述，內反應區包含一個隔墻，為原料提供路徑來通過反應工藝。此外，根據圖16所示的實施方案，若在第一級氣體循環回路40和第二級氣體循環回路60之間提供連接線101和102，以將在第一級氣體循環回路40中部分含高濃度氫氣組分的氣體供給第二級氣體循環回路60或將在第二級氣體循環回路60中部分含高濃度甲烷的氣體供入第一級氣體循環回路40。管線101和102使得有可能以相應于所消耗的氣體組分量，提供特定的反應氣體組分(如氫、甲烷等)，這個量本身又對應于不同反應器中的反應量，并有可能有效地控制反應氣體組分的濃度。如權利要求17所述，第一級和第二級反應優選使用流化床反應器進行。根據權利要求17的生產碳化三鐵的本發明裝置，反應過程的第一和第二階段均分別在流化床反應器中進行。流化床反應可使反應優化，從而將煉鐵的固體含鐵原料與還原氣體和滲碳氣體接觸，以轉化成碳化三鐵。流化床反應器均勻地進行反應，其中細篩的含鐵原料加料到反應器上部，反應氣體由反應器下部供入。原料和產品的供應和排出可以連續地進行。此外，由于接觸面積大，反應時間縮短。如權利要求18所述，優選，流化床反應器具有隔墻，以防止原料顆粒直接從入口運動到反應器的出口。根據權利要求18，生產碳化三鐵的本發明的裝置，使用具有隔墻的反應器以防止原料顆粒直接從入口運動到出口。這樣的反應器防止原料和反應產物在反應器中混合。所以可提高生產Fe3C產品的轉化率。通常，對于沒有隔墻的流化床反應器，難以提高反應程度，因此將許多反應器串聯，來提高反應程度。根據本發明，僅使用一個具有隔墻的流化床反應器，可以獲得高的反應度。有可能防止反應器入口的原料(如進料)和出口的產物混合，從而可以均勻地進行反應。如權利要求19所述，用于制備煉鐵的含鐵原料(主要含有粗顆粒)的第一級和第二級反應，優選在長方形立式移動床反應器中進行(該反應器沿相對的長方形墻，在相應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反應器，而排出的固體材料沿垂直方向流動，如圖21所示的爐。根據權利要求19的生產碳化三鐵的本發明裝置，即使原料含有大量直徑大于6mm的粗顆粒，可以有效地生產用于煉鐵的含鐵原料。在本發明的方法中，反應氣體量相對較大，并且反應氣體與固體顆粒充分地接觸。流化床反應器是一個用于細篩的原料的適合反應裝置。在原料含有大量直徑大于6mm的粗顆粒的情況下，需要大量的反應氣體用于流化。然而在此情況下，在立式移動床反應器中，需要使氣體水平地流動以減小壓力損失，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的長方形反應器壁的相應高度的入口和出口空氣箱來沿垂直方向均勻地提供反應氣體。將上入口和出口空氣箱分別與第一級反應的反應氣體的供應管線和廢氣管線相連，并將下入口和出口空氣箱與第二級反應的反應氣體供應管線和廢氣管線相連，可以使用一個立式移動床反應器進行第一和第二級反應。在這種情況下，通過將用于第一級反應氣體的最下部的空氣箱和第二級反應氣體的最上部的空氣箱間的距離調節到在爐中水平氣體流動方向上墻間長度的一至二倍，可以防止第一級和第二級反應氣體混合。從上可以看到，根據本發明生產碳化三鐵的方法和裝置具有如下優點(1)如權利要求1的生產Fe3C的方法，可以縮短反應時間。反應可在高溫進行而不引起燒結，因此可進一步增加反應速度，縮短反應時間。與進行常規方法的裝置規模一樣的情況下，可以增加產量。由于反應溫度增加，反應時間縮短，需用于第一級和第二級反應的還原和滲碳氣體的流動速度可以極大地下降。因此，即使反應氣體流動需要兩個系統，并且裝置復雜，由于反應氣體流速下降和產量上升等，該方法具有足夠的經濟性。此外，由于在各反應階段，可以采用各種調節(在生產碳化三鐵的常規方法中，如國際專利申請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)，所以本方法是一個靈活的工藝，從而可以易于控制工藝參數，如轉化率和反應速度。(2)如權利要求2生產Fe3C的方法，采用易于得到的氣體，可顯示上述(1)中所述的優點。與使用含CO的氣體作為滲碳反應的主要成份的常規方法(如出版物6和7中所述)相比，可以降低用于生產氫氣和CO的轉化氣體的量。另外，可以降低能量消耗，并使設備小型化。此外，與德國專利4320359中公開的傳統工藝(包括將部分滲碳氣體加入第二級出口反應氣體中，并在第一級反應中使用所得的氣體)相比，可以極大地縮短第一級的反應時間，從而由于設備小型化而得到經濟性。(3)根據權利要求3生產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生的粉塵和鐵屑的金屬鐵反應的情況下，也可進行第一級反應，以將原料還原至預定還原度/金屬鐵含量，而不管在含鐵原料中氧化鐵的狀態或金屬鐵等混合物的狀態(適于加料在第二級反應操作中)。因此，可以采用甲烷作為第二級反應工藝中主要還原和滲碳反應的合適成份。因此，可以靈活地操作，同時降低反應時間及反應氣體量。若碳化三鐵產品在煉鐵和煉鋼爐中作為鐵原料，則可提供具有預定性質的Fe3C產品以實現需要的功能，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產生的CO2，加速了精煉作用，同時根據不同爐的工藝要求，表現出如上述(1)和(2)中所述的優點。此外，通過將第一級反應的金屬化度調節在25-70(原子)％，可以專門向第二級反應中加入甲烷，從而縮短總的反應時間。將金屬化度調整到30-65(原子)％，可以使總反應時間最少。通過將所述的煉鐵的含鐵原料生成碳化三鐵的最終轉化率調整到至少75(原子)％，可以生產具有最佳轉化率的煉鐵或煉鋼原料。(4)根據權利要求4和5生產Fe3C的方法，使用易于得到的氣體組分，可得到上述(1)中所述的優點。(5)如權利要求6的生產Fe3C的方法，可以控制還原反應的反應速度，從而可以控制還原度和需要在第一級反應中得到預定還原度的反應時間。可以控制滲碳反應的反應速度，從而可以控制滲碳率(生成碳化三鐵的轉化率)，和在第二級反應中得到預定滲碳率的反應時間。因此可以精確地控制反應預定的滲碳率，同時防止游離碳的產生。(6)根據權利要求7的生產Fe3C的方法，可調節在第二級反應的滲碳過程中由甲烷生成的氫氣的量和還原反應的所需氫氣的量至基本相同，從而從化學反應平衡角度，可只提供滲碳氣體就可進行第二級反應。因此，無須對反應氣體成份進行復雜的調節。即使使用循環反應氣體，也可以分別在第一級和第二級反應中提供氫和甲烷氣體，所以，如調節反應氣體成份這樣的操作容易進行。(7)根據權利要求8的生產Fe3C的方法，可得到合適的產品形態，維持碳化三鐵產品的價值，并防止游離碳的產生。(8)根據權利要求9的生產Fe3C的方法，可選擇適合具有上述優點的反應溫度，同時提高反應速度，而對反應器耐熱結構不會產生負面影響。(9)根據權利要求10的生產Fe3C的方法，不會出現如燒結、產生游離碳的缺點，并且通過提高反應進行溫度來縮短反應時間，如圖3和4所示。將反應溫度設定在575℃或更低，碳化三鐵產品中的殘余鐵的形式可以為對空氣中水分穩定的磁鐵礦(Fe3O4)，如圖15所示。因此，在反應參數上，本發明表現為靈敏性。(10)根據權利要求11生產Fe3C的方法，反應溫度應當合適，以防止生成Fe3C的轉化變慢，縮短反應時間，并得到設備上的經濟性。(11)根據權利要求12的生產Fe3C的方法，在Fe-H-O體系還原平衡中，FeO和Fe存在的區域較大，而磁鐵礦存在區域較窄。因此，可以抑制由于磁鐵礦的存在而產生滲碳反應速度下降，從而縮短反應時間。(12)根據權利要求13的生產Fe3C的方法，可增加反應氣體中CO和CO2的濃度。因此，可極大地提高滲碳反應的反應速度，如圖11所示。(13)根據權利要求14的生產Fe3C的方法，壓力應當適于獲得上述優點，同時降低反應時間，并滿足經濟上的要求。(14)根據權利要求15的生產Fe3C的方法，可防止由于反應開始產生的水蒸汽的冷凝而產生的產品凝聚和不易流動。因此，可以防止如反應速度、反應程度下降等缺點。(15)如權利要求1-15本發明的方法，可使用權利要求16的生產碳化三鐵的裝置。在工業規模裝置中，與用于傳統方法的裝置相比，可縮短反應時間，降低能耗，并使設備小型化，如圖8-a最右邊一欄所示。(16)如權利要求17生產Fe3C的本發明的裝置，通過將用于煉鐵的固體含鐵原料與還原和滲碳氣體接觸可使反應最佳化以生成Fe3C。(17)如權利要求18生產Fe3C的本發明的裝置，可提高反應速度。因此可以減少用于提高反應速度的流化床數量。也可防止入口處的原料和反應器出口處的Fe3C產品混合。因此可使反應均勻地進行。此外，在具有相同的平均停留時間反應中，可獲得碳化三鐵轉化率高的產品。(18)如權利要求19生產Fe3C的本發明的裝置，盡管使用一般不適合流化的主要含有粗顆粒的原料，也可使反應氣體具有高的利用率和得到高的碳化三鐵的轉化率，并且可在實際中使用設備。圖1是說明根據本發明的一個實施方案，實施生產Fe3C方法的實驗裝置示意圖。圖2是使用圖1的實驗裝置進行的試驗A所得結果的原料(進料)組分比率和時間的關系曲線。圖3是使用圖1的實驗裝置進行的試驗B的結果中得出的原料(進料)組分比率和時間的關系曲線。圖4是使用圖1的實驗裝置進行的試驗C的結果中得出的原料(進料)組分比率和時間的關系曲線。圖5是說明生產碳化三鐵裝置的實施方案的示意圖，該裝置是根據本發明的一個實施方案來進行生產碳化三鐵的方法。圖6(a)是說明用在圖5生產裝置中的流化床反應器的縱截面圖；圖6(b)是所述反應器的橫截面圖。圖7(a)到7(e)是說明圖6的流化床反應器的各種實施方案橫截面。圖8是說明在鐵礦石還原反應中反應溫度(℃)和反應時間(分鐘)的關系曲線。圖9是Fe-H-O體系的平衡圖。圖10是說明滲碳反應氣體的類型與所需的蒸汽轉化量的關系表。圖11(a)是說明CO和CO2的濃度與滲碳速度的關系曲線；圖11(b)是說明在反應氣體中CO和CO2比例增加/降低的曲線。圖12是說明在由氧化鐵生產碳化三鐵的工藝中，還原反應和滲碳反應關系示意圖。圖13(a)是說明滲碳速度和金屬鐵與氧化鐵的比例的關系曲線；圖13(b)是說明就每種新材料的表觀滲碳反應速度(apparentcarburizingspeed)的實施例。圖14(a)和(b)是說明在第一級反應中金屬化程度和反應時間的關系曲線。圖15(a)是說明循環氣體流速和溫度/壓力的關系曲線；圖15(b)是產品成份表。圖16是生產碳化三鐵裝置另一個實施方案的示意圖，該裝置根據本發明的一個實施方案用于進行生產碳化三鐵的方法。圖17是就表1而言，在入口氣體成份反應之后，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實驗裝置的實驗關于氣壓影響的結果曲線。圖20是使用圖5中的裝置，在各種操作條件下，對各種原料進行測試的實驗規模的實驗儀器的一個實施方案的示意圖。圖21是本發明的立式移動床反應器的一個實施方案的示意圖，該反應器適于由粗顆粒的原料生成Fe3C，其中氣體水平流動而固體原料在反應器中垂直方向加入和移動。圖22(a)是以冷模型試驗結果說明圖1，5，6和7的曲線，這些冷模型試驗是為了證實在流化床反應器內部存在的隔墻的效果而進行；圖22(b)是由表中數據所得到的Fe3C轉化率的表。在下文將對根據本發明進行生產Fe3C的方法的試驗及其結果進行說明。此外，還對根據本發明生產Fe3C裝置的實施方案和生產方法進行說明。(1)試驗儀器進行本發明生產Fe3C的方法的試驗裝置的實施方案，包括一個流化床反應器1及其外圍設備，如圖1的示意圖所示。流化床反應器1通常為圓柱形，并安有一個電加熱器以提供預定的溫度。在該實施方案中，標稱直徑為50mm的管道用作流化床反應器的主要部件。另外，溫度檢測傳感器3a、3b、3c、3d、3e和3f沿著反應器1長度的方向，分別位于從流化床反應器1的底部127mm、187mm、422mm、697mm和1007mm和流化床反應器1的頂部，以測量反應器1內的溫度。通過一個閉鎖料斗6和一組閥門26，由管線4將料斗5與流化床反應器1上部的周邊部位相連，以使細篩的進料(如赤鐵礦(Fe2O3))在加壓的狀態從料斗5流入流化床反應器1中。另外，冷卻器8在操作上，由管線7與流化床反應器1的底部周邊部分相連，以將從反應器1的內部排出的材料充分冷卻。流化床反應器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中預定組分的反應氣體流入流化床反應器1中。此外，在管線11和12之間，在操作上還提供一個飽和器13以用水將反應氣飽和。管線20、21和22相互串連；管線20與流化床反應器1上部的周邊部分相連，以將反應后的廢氣導入焚化設備(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)試驗條件和結果(A)第一，進行單一的操作，也就是說，使用含有還原氣體和滲碳氣體的混合氣，將主要含有赤鐵礦(Fe2O3)的鐵礦石進行催化反應，以將鐵礦石轉化生成碳化三鐵的傳統方法。實驗條件如下試驗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)加料到流化床反應器1中，(即細顆粒鐵礦石粒徑在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，反應氣體以2.15Nm3/小時的流速流入流化床反應器1中。在流化床反應器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驗條件的數據，列入表1中。表1<>表1續表1包括反應溫度(表1的溫度欄)和壓力(壓力欄)，反應開始后，每30分鐘進行測量。在溫度欄標有127mm、187mm、442mm、697mm、1707mm和凈空欄中為分別由圖1的溫度檢測傳感器3a-3f檢測到的溫度。從使用入口氣體組分的反應得到的出口氣體組分列于圖17。該氣體組分通過質譜檢測并由氣相色譜多次確認。上述條件下所得到的實驗結果，示于圖2中。圖2中的橫坐標和縱坐標設定為時間(小時)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)的轉化率需要約20小時，這轉化率對于Fe3C產品是足夠的。(B)在將鐵礦石轉化為Fe3C的實驗中，先使用還原氣體對原料進行催化反應(下文稱之為第一級反應過程)，然后使用含還原和滲碳氣體的氣體混合物，將第一級反應產物進行催化反應(下文稱之為第二級反應過程)。換句話，根據本發明，試驗分為部分還原反應和繼續還原和滲碳反應。試驗條件如下加入流化床反應器1中的鐵礦石成份和量，反應氣體的流速和流化床反應器1中的壓力均與上述實驗(A)相同，但是改變反應氣體成份和流化床反應器1中的溫度。即，第一級反應的反應氣體成份從反應開始進行3小時如下H2約74％；N2，約25％。第一級反應開始后3小時，第二級反應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％。流化床反應器1的溫度保持在600℃。使用這些實驗條件所得數據列于表2，其與上述表1類似。表2使用入口氣體成份由反應得到的出口氣體成份如圖18所示。在第一級反應中，主要消耗氫，在第二級反應中，主要消耗甲烷，以得到類似于總反應式(7)的結果。使用上述條件獲得的實驗結果列入圖3，其與圖2相似。從圖3的曲線可以看到生成Fe3C以達到93％(原子)的轉化率，需要7.5小時(該百分比(原子)適合于Fe3C產品)，且與實驗A相比，反應時間大大縮短。其原因是，該方法分為兩個階段，即在第一階段的鐵礦石部分還原反應和在第二階段進行繼續還原和滲碳反應。因此，只考慮還原反應，在第一級反應中氫的濃度增加。各級的還原率并不非常大，因此，不會引起燒結，并且反應溫度可升高到600℃。(C)最后，以與試驗B相同的方式進行試驗，不同的是，改變反應溫度和壓力。下面討論試驗條件。加入流化床反應器1中的鐵礦石成份和量，反應氣體的流速均與實驗B相同。在使用下列成份的反應氣開始反應后，第一級反應進行1.5小時H2約70％，(N2+CH4)約30％。開始反應后一個半小時，將第二級反應的反應氣體成份，按如下進行調節CO+CO2約7％，CO2+H2O≤4.0％(H2O≤1.5％)，H2+CH480-85％，N2≤10％。流化床反應器中的溫度和壓力分別保持在650℃和5個大氣壓。上述條件的實驗結果列入圖4，其與圖2、3相似。從圖4可以看到達到93％(原子)的Fe3C轉化率，需要約5.5小時(該轉化率對Fe3C產品是合適的)，并且與試驗A相比，可以大大縮短反應時間，其與試驗B相似。由于反應溫度上升，在反應的后階段，Fe3C的產率不會下降。(3)生產Fe3C裝置為了經濟地生產含鐵原料(其含有Fe3C主要成份)用于高爐和化鐵爐等中煉鐵和在轉爐及電爐等中煉鋼，需要能進行連續轉化的大型裝置。根據本發明生產Fe3C的裝置的一個實施例示于圖5的示意圖中。如圖5所示，該方案的裝置包括第一級反應部分(稱之為第一級氣體循環回路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行部分還原反應，和第二級反應部分(稱之為第二級氣體循環回路60)以進行繼續的還原和滲碳反應。就第一級反應部分40的流動而言，管線46和47、壓縮機42、管線48、熱交換器44、管線49、加熱器43、管線50、流化床反應器41、管線51、熱交換器44、管線52、洗滌器45和管線53構成了第一回路40。即反應氣體如通過氣體入口，按序經管線47、壓縮機42、管線48、熱交換器44、管線49、加熱器43、管線50引入流化床反應器41的底部附近。反應氣體經管線51、熱交換線44、管線52、洗滌器45、管線53、管線46和47從流化床反應器頂部附近排出，從而形成第一反應氣體的循環回路。從流化床反應器41的底部流向頂部的反應氣體，通過壓縮機42進行循環。流入流化床反應器41的反應氣體，在熱交換器44中進行熱交換，反應完成后，氣體從反應器41中流出，然后由氣體加熱器43加熱。洗滌器45包括一個空心主體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，供入循環回路40；預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。調節進料氣體和排出氣體，以維持流入流化床反應器41中的反應氣體具有衡定成份，從而防止氣體組分的變化和反應速度的降低。另外，第二反應氣體在第二級反應部分中的流動，類似于第一反應氣體在第一級反應部分中的流動，如圖5所示，其中將第一回路40的相應部件的參考號碼加上20，就得到第二回路60的參考號碼。就第一回路40，上面對第二回路60的元件及其功能進行了解釋。考慮到原料在反應器中的流動，由包括管線80的進料管線，將細篩的鐵礦石連續供入第一級反應部分40的流化床反應器41的上部；在反應器41中，已經經過部分還原反應的原料，通過包括管線81的供料線，連續地從流化床反應器41的底部流入第二級反應部分的流化床反應器61中。在流化床反應器61中，進行繼續的還原反應和滲碳反應；并將已轉化的Fe3C由包括管線82的回收管線連續地排出。考慮到在各個第一和第二級所用的氣體成份，由于只發生還原操作，所以使用主要含氫氣的還原氣進行第一級反應。氫氣的濃度較高，增加了還原反應的反應速度，從而與傳統方法相比，可以縮短反應時間。由于既發生還原又發生滲碳反應，第二級反應使用含有氫和甲烷的氣體混合物進行。然而在第一階段的反應中進行了部分還原反應，因此，滲碳反應就認為更重要。因此，為了增加滲碳反應的反應速度，可以增加甲烷氣體的濃度，從而可以縮短反應時間。可以將預定量的甲烷氣體加入到第一級反應的主要含H2的還原氣中，以降低H2濃度，從而可以控制還原反應速度。另一方面，通過調整第二級反應的甲烷濃度，可以控制滲碳反應速度，從而可以控制反應時間而幾乎不產生游離碳，并得到預定的滲碳率。在該方案生產Fe3C的裝置中，在第一級反應中的赤鐵礦的還原度為總鐵原子的50-65％(原子)。因此，在第二級反應的還原反應所需的氫氣量與在滲碳反應中產生的氫氣量相同。因此，可以只提供甲烷作為第二級反應的反應氣體。其理由是，如從上述反應式①-④可知，若鐵含量相同，還原反應所需的氫氣與滲碳反應產生的氫氣的比例為9∶4。因此，通過在化學計量上，分別調整第一級和第二級的還原度至約56(原子)％和繼續的44(原子)％，可以滿足第二級反應中提供氫氣。若在上述條件下操作設備，所用氣體成份列于表3。表3中標有第一級和第二級的欄中，分別表示第一級和第二級反應。標有供入氣體、排出氣體、反應器入口和反應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回路40和60的氣體成份，經過管線55和75排出的氣體成份，流入反應器41和61的成份，流出反應器41和61的氣體成份，標題為NCM/T*表示流速，Nm3/t，其中N表示每噸(干重)待反應原料所需的反應氣體在通常狀態下的體積。此外，將反應器41和61中的壓力和溫度分別調整到4個大氣壓和590℃。如上所述，在反應第一級中只消耗氫氣，甲烷氣體的量幾乎不變。因此，只有還原反應進行。另一方面，在第二級反應中，只消耗甲烷氣體，氫氣的量不變，因此，在滲碳反應中產生的氫氣被還原反應中消耗的氫氣所平衡。為了增加滲碳反應速度，縮短反應時間，將第一級和第二級反應溫度和壓力改變為650℃和5個大氣壓來操作裝置。所得結果列于表4，其與表3相似。與傳統裝置相比，在這兩個方案中，循環氣體的流速大大下降。生產Fe3C轉化率為90(原子)％或更高的Fe3C產品所消耗的能量，可以使用天然氣由年生產能力為500，000噸的裝置產生，其基于上述結果計算出來。計算值列于表8-b。在常規方法中，直接生產還原鐵或Fe3C所消耗的能量的量，描述在出版物10中，列于表8-a。現發現，本發明可以得到相似和極大的改進結果。表3表4</tables>表8a-8b</tables>mmt/y＝百萬噸/年表8a來自出版物10表8b根據本發明，對于工廠(規模500，000噸/年)的工藝的例子，由上述結果計算得到。(4)生產Fe3C方法的實施例(a)從赤鐵礦到碳化三鐵的轉化率在90-99(原子)％范圍內，優選93(原子)％或更大，且更優選95(原子)％或更大。轉化率越高，碳化三鐵產品價值越大。(b)反應第一階段反應溫度是550-750℃，優選600-750℃。如上所述，在本發明的反應第一階段中，還原度并不進行到很高的值，并且，因此，不產生燒結，并且操作可以在600℃或更高溫度下進行。因此，優選升高反應溫度以提高反應速度。(c)反應第二階段反應溫度是550-750℃，優選590-750℃。當在反應第二階段還原反應一結束，滲碳反應就接著進行。因此，在600-700℃的反應溫度下，不產生燒結，并且滲碳反應能夠進行。所以，優選升高反應溫度以加快還原和滲碳反應速度。而且，如圖9所示，當反應溫度升到590℃或更高，在Fe-H-O體系還原平衡中，磁鐵礦(Fe3O4)存在區變窄，FeO存在區變寬。在滲碳反應最后階段，磁鐵礦的存在降低了碳化三鐵的轉化速度。所以，通過使磁鐵礦存在區變窄來縮短反應時間。(d)在反應第一和第二階段的反應壓力是1-9.9kgfcm2G，優選2-5kgf/cm2G。當流化床反應器41和61的壓力太低時，難以使進料鐵礦石流化，因此，反應器41和61的直徑必須擴大。反應速度也被降低。另一方面，當反應壓力太高時，將影響到反應器41和61主體以及附加閥和管道等抗壓強度。(e)為了易于說明，圖5所示流化床反應器41和61作為單一反應器加以說明。然而，本發明的反應是在固體和氣體之間的催化反應，而且反應度低。所以，根據本發明，將許多流化床反應器41和61串聯連接在一起來進行反應。因為各個反應的反應速度是快的，所以利用1-4個反應器，反應就能充分進行。(f)反應氣體中蒸汽的量(在反應第一階段的開始快速生成)可通過冷卻(用圖示5中洗滌器)將從循環氣中來的蒸汽冷凝或者通過單位時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料聚集的缺點和進料流化不均勻。此外，將循環氣體冷卻到10-25℃，可以更有效地除去水蒸汽。(g)通過用冷卻將循環氣體中的水蒸汽冷凝(圖5洗滌器65)也可以降低第二級反應中反應氣體中產生的水蒸汽。在第二級反應氣體中水蒸汽的減少具有以下優點即由于除去水蒸汽，減少了反應氣體中水蒸汽的分壓，在還原反應中(附圖9)，Fe-H-O體系的平衡表明氫的分壓增加。因此，磁鐵礦存在的區域(其引起生成碳化三鐵轉化速度的降低，如上所述)變窄，而Fe和FeO存在區域變寬，這導致了反應時間縮短。特別優選的是用于進行第二級反應的氣體中的水蒸汽濃度下降到工業上可以控制的范圍，因此，水的濃度優選調整到不大于1.5％。另一方面，若第二級反應氣體中無水蒸汽存在，根據下述反應，產生游離碳。(15)(16)因此，若壓力升高或水量升高，由于反應式(15)和(16)的反應，產生的游離碳下降。因此，水蒸汽濃度具有較低限，在正常操作中，水的濃度調整到不小于0.2％。若產生游離碳，加入水蒸汽防止游離碳產生。(h)在第一級反應中，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，這會導致在化學平衡關系中，CO和CO2濃度的降低。CO和CO2濃度的降低，降低了化學平衡中甲烷的濃度，從而防止了游離碳的產生；并且進一步相對增加了氫氣的濃度，從而提高了還原反應的速度。(i)在反應第一級和第二級中，供給流化床反應器41和61的原料進料預熱到反應溫度±100℃。因此，能夠防止在還原反應開始產生的蒸汽凝結引起進料聚集和不能流化進料。因為還原反應是吸熱反應，蒸汽有凝結的趨勢。因為反應過程第二階段的還原反應進行很快，所以這種缺點、尤其可能發生。除預熱操作以外，還可以在第二級反應開始使用其溫度從預定溫度下降10℃至100℃的氣體，以降低反應速度，從而可以防止游離碳的沉積和蒸汽凝結。(j)在第一級反應中的還原反應進行的程度即還原度，可以通過測量循環氣體中水蒸汽的量來測定。若能測定還原度，也就可以容易地控制由于鐵礦石質量的變化而引起的反應時間的變化。(k)在第一級反應中，將預定量的甲烷加入到主要含有H2的供入氣體中，可以控制還原反應的反應速度。另一方面，在第二級反應中，將預定量的氫氣加入到主要含有甲烷的供入氣體中，可以控制滲碳反應的反應速度。因此，可以控制具有高碳活性的滲碳反應，以防止游離碳的產生。此外，在第一級和第二級反應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)來化學計量地測定。因此，如上所述，優選從第二級反應所需的甲烷的理論量中減去加入第一級反應的甲烷的量，并且從第一級反應所需的氫氣的理論量中減去加入第二級反應的氫氣的量。(1)在第一級和第二級反應中，由管線55和75排出的排出氣體直接導入氫氣發生裝置以將氫氣循環。(m)若使用如圖5所示的加熱器46和63作為燃燒器，利用產生的廢氣預熱進料以有效地利用能源。(n)在第二級反應中，可以加入CO2+H2。由此，在第二級反應的循環氣體中，CO和CO2的濃度優選增加約30-50％。CO和CO2的存在，可以極大地提高滲碳反應速度，從而大大地降低反應時間。(o)供入反應器41和61的原料的溫度升高到高于在上述(i)項中所述的預熱溫度(例如，高于預熱溫度的50-150℃)。另一方面，降低加入到反應器41和61的循環氣體的溫度，反應可以在這種操作下進行。另外，若進行這一操作，可以降低由于游離碳的產生或鋼的滲碳而引起的對管線(如循環氣體的管線50和76)的損害。(p)由于Fe3C在高溫反應活性高，所以需要將第一和第二級反應所產生的Fe3C冷卻。優選地，將Fe3C快速冷卻至其反應活性低的溫度，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。根據這一方法，Fe3C易于冷卻。另外，優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向其它成份的轉化。在圖5所示的裝置中，若在第一級反應中，部分還原或金屬化百分比，例如FeOx中x的值變化至一個不同值，即，根據反應式(11)(即圖5中所示FeO2/3的關系)，在權利要求3的范圍內，比2/3較大或較小，那么在第二氣體循環回路60中還原組分，特別是氫出現過量或不足，同時根據式(13)在第一氣體循環回路40中合成甲烷，從而導致如由于甲烷的積累造成還原反應速度的降低的缺點。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，將用于不同的反應氣體的循環回路40和60相連，并將圖5裝置中氣體成份的供應管線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氣體，從而有效地利用了循環氣體，調整并控制反應氣體中的組分。下文參考圖16，將生產Fe3C的本方法的一個實施方案列于表7中。表710*X表示FeOx中x的數。列于表7的實施方案表明了將用于煉鐵的各種含鐵原料進行試驗所得到的結果，其中第一級反應的部分還原度，根據圖3所示的工藝操作，并使用圖1的裝置進行改變，接著如圖4所示進行分析。也就是說，假設在煉鐵燃料E的情況下，在第一級反應中用于降低總反應時間的合適的金屬化程度為55.7(原子)％，相應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氣體。供入的氫氣量為約每噸Fe3C產品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回路40中供應。在第一循環回路40中，由于根據上述反應式(13)的反應而引起的甲烷積累偶然發生，并因此，通過管線55進行排放。在這種情況下，更有效的是將第一循環回路40中的氣體轉移到第二循環回路60中，這也需經輔助+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，在第二級反應氣體循環回路60中氣體中的氫氣濃度按次序升高。這說明必須增加經管線75的排放氣體的量。為了有效地利用氫氣，經輔助管線102從第二循環回路60向第一循環回路40轉移適合量的氫氣以降低經管線75排放氣體的量。在煉鐵的原料G的條件下，有必要以每噸產品約160Nm3從第二級反應氣體循環回路60中抽出氣體，但是，最經濟的是以每噸產品約95Nm3經輔助管線102將氣體轉移到第一循環回路40中，隨后經管線75以每噸產品約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條件的測試結果利用圖5所示實施方案的設備制成測試各種原料和試驗條件的工作臺規模(benchscale)的設備，接著進行特定的試驗操作。結果如下。用于測試的工作臺規模的測試設備具有于圖20所示的結構，并且包括一個內徑為200mm的第一流化床反應器1和一個內徑為250mm的第二流化床反應器2，其中每個反應器裝有一個隔墻，以控制各自反應器中鐵礦石的流動。第一反應器1裝有一個氣體循環回路，其包括氣體壓縮機60、氣體預熱器62、反應器1、除塵器52、氣體驟冷裝置54和貯氣罐56及氣體壓縮機60。在第一反應器1中氣體與原料反應后，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，并且除去作為反應產物的水，接著氣體被導入貯氣罐56。隨后，還原反應中所消耗的氣體(即主要為氫氣)由供氣管線59提供，多余氣體經排放氣體管線57從回路中排放。接著，利用氣體壓縮機60和氣體加熱器62將已調整到預定壓力和溫度的氣體導入第一反應器1。第二反應器2也有一個相同的氣體循環回路，但是因為在第二反應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15將原料連續裝入第一反應器1。然后利用高溫原料轉移裝置17將原料連續轉入第二反應器2。從第二反應器2排出的產品貯存在高溫產品儲存容器19中。還原氣體和滲碳用甲烷(遠離工業設備)由不同氣體(其貯于高壓氣瓶內)混合物提供，并且可省掉熱交換器。在溫度為550-750℃，壓力2-7atm，反應第一階段氣體流速為每小時45-200Nm3，反應第二階段氣體流速為每小時60-300Nm3下進行連續操作15-20小時以得到充分地穩定狀態。此外，圖20中每個符號代表下面的設備。1第一流化床反應器(內徑200mm，床高5m)2第二流化床反應器(內徑250mm，床高7m)3，4用于第一和第二反應器具有輔助電加熱器的絕緣耐熱材料。11原料供應入口12具有攪煉的原料加熱設備13，16封口閥14加熱的原料料斗15加熱的原料送料機17高溫原料轉移設備(氣壓傳送型)18封口閥19高溫產品貯存器31氫氣氣瓶33CO氣瓶35CO2氣瓶37CH4氣瓶39CH4氣瓶32，34，36流動控制閥38，40，41流動控制閥42氫氣連接管51，71第一和第二反應器出口氣體導管52，72第一和第二反應器出口除塵器53，73第一和第二反應器除塵后氣體導管54，74第一和第二反應器氣體驟冷裝置55，75第一和第二反應器驟冷氣體導管56，76第一和第二反應器貯氣罐57，77第一和第二反應器排氣導管58，78第一和第二反應器循環氣體導管59，79第一和第二反應器輔助氣體供應導管60，80第一和第二反應器循環氣體壓縮機61，81第一和第二反應器壓縮機出口氣體導管62，82第一和第二反應器氣體預熱器63，83第一和第二反應器入口氣體導管64，84第一和第二反應器隔墻圖15列出了使用與圖2、3、4試驗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驗結果。就溫度的影響而言，如圖15所示，若反應溫度升高，不僅可以縮短反應時間，而且降低了反應氣體的量。將反應溫度調整到575℃，可以使Fe3C產品中殘余鐵含量轉化為對空氣中水分穩定的磁鐵礦(Fe3O4)。就壓力影響而言，從圖15中試驗5、6、7的關系可以看到，當壓力按照7atm、3atm、5atm的次序變化時，反應氣體的量下降。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試驗設備來測量第二級反應中滲碳反應的速度。結果如圖19所示。從圖19的結果可以清楚地看出，由于壓力的增高，反應時間縮短。然而在約6-7atm時，壓力影響開始下降。使用圖20的裝置，對各種鐵礦石和煉鐵廠產生的再循環材料的試驗結果列于表6，操作條件列于表4，即壓力為5大氣壓，溫度為650℃，反應氣體的組分控制在如表4中的第一級和第二級入口氣體的成份的范圍內。表6</tables>從表6的結果可以看到與圖4的結果相比，即使反應時間稍微增加，在產物中含有1-3％未反應的赤鐵礦(Fe2O3)，并且同時滲碳率比圖4的結果低。理論上，這一結果的原因是雖然在第一和第二級的流化床反應器內部裝有隔墻，以控制鐵礦石的流動和防止未反應的原料和已反應的原料混合，但因為流化床反應器的直徑較小，并且與流化床的高度相比，流化床反應器中流送管的寬度較窄，使得流化床高度與直徑比較大，所以只有一個隔墻存在。因此，流化態不穩定，導致原料和產品的混合；另外，在流化床中原料的流動不能充分控制，導致最終Fe3C產品中含有1-3％的赤鐵礦。裝有隔墻的工業反應器，如圖6或圖7所示，由于反應器的直徑足夠的大，并且能得到穩定的流化態，所以解決了這一問題。(6)流化床反應器下面說明流化床反應器的改進。如圖6(a)和6(b)所示，在圓柱形的側壁90的內部和分布板91的上表面裝有用來防止反應器的進料從進口92直接運動到出口93的隔墻94。因此，反應器進料需要經過足夠長的時間通過流化床反應器，從而反應度較高。為了增加反應程度，通常將許多流化床反應器串聯，但是使用本發明的流化床反應器，減少了所需的流化床的數目。使用本發明的流化床反應器，可以防止反應的進料和未反應的進料混合，并且使得反應器的原料能夠均勻地反應。此外，本發明的流化床反應器不限于圖6所示的實施方案，其可以是任何能提供從反應器入口92到出口93較長距離的設計。其它的方案列于圖7(a)-7(e)。在這些方案中，圖7(d)和7(e)的反應器沒有死區域(在那里，在流進反應器的進料流送管中產生原料的渦漩或滯留)從而可以更均勻地反應。用來證實流化床反應器內部存在的隔墻的效果而進行的冷模型試驗的結果和由這些結果計算出的產品的碳化三鐵轉化率列于圖22中。若沒裝有隔墻，引入到反應器中的總原料顆粒的40％，在半平均保留時間內(即0.5θ)排出(θ為殘留在反應器中總顆粒的量比單位時間內加入或排出顆粒的量)。另外，在θ和1.5θ內，分別有63％和77％的原料排出。另一方面，若相同的流化床反應器內部被隔成含有4個室，或在反應器內部裝有線性的隔板，在0.5θ內，排出量分別為3％和14％。從上述結果可知，若使用無隔墻的反應器，反應器中顆粒的保留時間較短，并且排出的未轉化為Fe3C的顆粒的量增多。因此，使用含鐵的煉鐵原料所得到的Fe3C轉化率為約66％。相反，若相同的流化床反應器內部按照上述試驗相同的方式隔開，在一小段時間內排出的顆粒的量下降。因此，若反應器分為4室，使用相同的含鐵的煉鐵的原料所得到的Fe3C轉化率上升為約90％。若提供線性的隔墻，轉化率升高至約84％。(7)立式移動床反應器的實施方案圖21是本發明的立式移動床反應器的示意圖，其中適于從粗顆粒原料生產Fe3C的氣體水平地流動，而加入的原料垂直流動。如圖21所示，在此方案中，立式移動床反應器6具有第一反應區300和第二反應區400以形成單一的立式移動床反應器。在第一反應區300中，用于第一級反應的入口反應氣體30，經管線31和33流經入口總管22，加入入口空氣室23，幾乎水平地流入移動床，然后氣體作為第一級反應的出口反應氣體35，通過出口空氣室24和出口總管25，經管線32和34排出。另外，在第二反應區400中，第二級反應的入口反應氣體40，作為第二級反應的出口反應氣體47，經管線41、43、45、42、44和46排出。加入第一反應區300之前，進料原料經元件1-5加壓。在第一反應區300中進行還原反應，在第二反應區400中進行繼續的還原反應和滲碳反應，然后，經元件7-11對產品減壓，并半連續地排出。圖21中各參考符號表示如下的元件。1原料的進料斗2、4氣體封口閥3原料中間貯料斗5具有控制設備的原料進料斗6長方形立式移動床7產品出口8具有控制裝置的產品排出裝置9、11氣體封口閥10排出中間貯料斗22第一級反應的反應氣體入口總管23第一級反應的反應氣體入口空氣室24第一級反應的反應氣體出口空氣室25第一級反應的反應氣體出口總管30第一級反應的入口反應氣體31、33第一級反應的入口反應氣體的導管32、34第一級反應的入口反應氣體出口導管35第二級反應的出口反應氣體40第二級反應的入口反應氣體41、43、43第二級反應的反應氣體入口導管43、44、46第二級反應的反應氣體出口導管47第二級反應的出口反應氣體52第二級反應的反應氣體的入口總管53第二級反應的反應氣體入口空氣室54第二級反應的反應氣體出口空氣室55第二級反應的反應氣體出口總管工業實用性如前所述，本發明適合能降低反應時間，減少反應氣體和能量消耗，使用較小體積的設備，和高效經濟地生產碳化三鐵的設備。權利要求1.一種生產碳化三鐵的方法，其包括將含有赤鐵礦作為主要成份的鐵礦石進行還原和滲碳，其中首先在第一級反應中將所述的赤鐵礦部分還原以生成部分還原的赤鐵礦，隨后在第二級反應中對部分還原的赤鐵礦進行進一步的還原和滲碳以生成碳化三鐵。2.根據權利要求1的生產碳化三鐵的方法，其中使用主要含氫氣的還原氣體來進行第一級反應的部分還原，而使用主要含有氫氣和甲烷的還原和滲碳氣體來進行第二級反應的進一步的還原和滲碳。3.一種生產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行還原和滲碳首先，采用主要含有氫氣的還原氣體對煉鐵的含鐵原料進行部分的還原反應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的還原和滲碳氣體對部分還原的含鐵原料進行進一步的還原和滲碳以生成最終轉化為碳化三鐵的轉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.如權利要求1-3之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中在第一級反應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.如權利要求1-3之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中在第二級反應中，主要含有氫氣和甲烷的還原和滲碳氣體具有如下組成H2+CH4≥65％(CH4≥20％)，15％≥CO+CO2≥0.5％，H2O≤1.5％，N2和其它惰性氣體≤20％。6.如權利要求1-5之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中將甲烷加入到在第一級反應的還原氣體中，并且將氫氣或甲烷加入到第二級反應的還原和滲碳氣體中。7.如權利要求1-6之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中第一級反應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.如權利要求1-7之一所述的生產碳化三鐵的方法，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化率為總鐵含量的90-99(原子)％。9.如權利要求1-8之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中第一級反應在550-750℃下進行。10.如權利要求1-9之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中第二級反應在550-750℃下進行。11.如權利要求1-10之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中第二級反應在590-750℃下進行。12.如權利要求1-11之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中在第二級反應進一步的還原和滲碳之前，從還原和滲碳反應氣體中除去水蒸汽來降低水蒸汽的分壓。13.如權利要求1-12之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中將二氧化碳和氫氣加入到用于第二級反應的反應氣體中。14.如權利要求1-13之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中第一級反應的部分還原反應和第二級反應的進一步還原和滲碳反應在反應壓力為1-9.9kgf/cm2G下進行。15.如權利要求1-14之一所述的生產碳化三鐵的方法，其中在進行第一級反應的部分還原反應之前和第二級反應的進一步還原和滲碳反應之前，將含鐵原料進行預熱或預冷至各反應階段的反應溫度±100℃。16.一種生產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，所述的裝置包括對用于煉鐵的含鐵原料例如鐵礦石或煉鐵工藝產生的粉塵等進行還原和滲碳，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；該裝置包含用于進行第一級反應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反應單元，和用于進行第二級反應以將部分還原的含鐵原料進行進一步還原和滲碳反應的第二級反應單元，其中第一級反應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反應單元的下部，在操作上與第二級反應單元上部相連；而碳化三鐵的回收管線在操作上與第二級反應單元的下部相連；并且其中第一級反應單元在操作上與將第一級反應單元的第一級反應氣體循環的第一循環回路相連，所述的第一循環回路包括具有一末端并通過壓縮機和加熱器同第一級反應單元氣體入口相連的第一級反應氣體輸送管線和位于第一級反應單元氣體出口與第一級反應氣體輸送管線的另一端相連的循環管線，而第二級反應單元在操作上與將第二級反應單元的第二級反應氣體循環的第二循環回路相連，第二循環回路包括具有一末端并通過壓縮機和加熱器與第二級反應單元氣體的入口相連的第二級反應氣體輸送管線和位于第二級反應單元氣體出口，同第二級反應氣體輸送管線的另一端相連的循環管線，并且其中第一級反應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線相連，而第二級反應氣體輸送線在操作上與主要含有甲烷的還原和滲碳氣體的供應線相連，從而可以向每一個第一級和第二級反應單元連續提供不同的反應氣體。17.如權利要求16所述的生產碳化三鐵的裝置，其中第一級和第二級反應單元分別包括流化床反應器。18.如權利要求17所述的生產碳化三鐵的裝置，其中所述的流化床反應器具有隔墻，以防止原料直接從入口運動到反應器的出口。19.如權利要求16所述的生產碳化三鐵的裝置，其中第一級和第二級反應單元包括立式移動床反應器，其中第一級和第二級反應氣體水平地流經多層的空氣箱，而含鐵原料沿垂直方向流經第一級和第二級反應單元。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C01B31/30GK1184455SQ96193913公開日1998年6月10日申請日期1996年5月27日優先權日1995年5月31日發明者宮下虎勝,內山義雄,井上英二,中谷純也,中澤輝幸,飯島悟申請人:川崎重工業株式會社,三菱商事株式會社