高品质碳化铁(Fe₃C)生产工艺分步指南

碳化铁制造工艺概述

碳化铁(Fe₃C)为高熔点、非自燃、强磁性合成化合物，颗粒状。含~90%总铁(Fe)、~7%总碳(C)。主用途：炼钢金属炉料替代铁水(HM)、直接还原铁(DRI)或废钢。工艺在流化床反应器中以预热细铁矿颗粒接触以甲烷(CH₄)、氢(H₂)为主工艺气体还原铁矿生成碳化铁。

工艺最初由美国科罗拉多州Golden市Hazen Research Inc.技术副总裁Dr. Frank M. Stephens设计开发。工艺在闭路流化床反应器中用含CH₄、H₂、CO、CO₂、H₂O预热工艺气体、600℃条件还原预热细铁矿颗粒(0.1-1.0mm)。实验室用50mm直径间歇反应器，继之600mm直径连续反应器试验。多国铁矿样在Hazen测试。1979年产品在瑞典MEFOS转炉(BOF)成功转炼钢。

1977年10月11日Hazen初步实验后Dr. Stephens申请专利获美国专利局授权"US Patent No. 4,053,301"。1985年Stephens退休获专利权，成立"Iron Carbide Development Corporation"(ICDC)推广工艺。1988年ICDC与澳大利亚PACT Resources合资成立"Iron Carbide Holdings, Limited"(ICH)。后续在西澳Wundowie闲置钒厂改建中试装置(1989年建成)，反应器直径1830mm、床深~3700mm，日产~25吨。

商业化尝试历程

1989年ICH中试产310吨碳化铁售予7客户。5公司(Nucor、North Star Steel、Mitsubishi、Qualitech Steel、Cleveland Cliffs)购买许可/期权。Nucor用达灵顿钢厂32吨电弧炉(EAF)转炼中试碳化铁，以现有喷射罐注入速率达90kg/min。

Nucor1992获许可，授权丹佛PLS Engineering(现属Harris Group)建特立尼达Point Lisas年产30万吨碳化铁厂，1994年底投产。Nucor1993开工但限制PLS资金，PLS耗尽资金未完成设计，Nucor完成设计。Nucor压缩部分设备投资包括换热器。

1994年9月底投产。但工艺气压缩机故障停产，留冷却水运行。期间技术员拆除填料塔液位传感器校准致液位报警失效。填料塔一阀门虽关闭但泄漏数日未觉。发现后立即排空但酿成大祸：水经管道混合氧化铁粉尘严重污染换热器。Nucor花>1年清洗换热器无果。

Nucor还面临其他运行问题：(i)工艺气管道偏小限制气流≤设计65%，(ii)流化床风帽板气密封频繁损坏，(iii)矿石加热系统因磨损失效放弃使用致反应器化学成分妥协进一步限产限质，(iv)洗涤器收集罐偏小，(v)产品冷却器气动提升系统不可靠需频繁维护，(vi)供矿螺旋给料机过小，(vii)螺旋给料机填料函密封不严严重泄漏。

Nucor攻关4年，1998年因钢价下跌停产。2002年厂拆除。尽管困难重重，仍生产357,712吨碳化铁证明工艺技术可行。机械故障凸显完善可靠设施必要性。

第二次商业化尝试：Qualitech Steel德州Corpus Christi新建厂。Qualitech获ICH许可但改工艺——三菱出资要求双反应器、流化床管网式工艺气分布系统。德州厂调试初期母公司1999年3月破产，仅产几千吨碳化铁即1999年停产、2004年拆除。

Dr. Frank M. Stephens Jr.之子Frank A. Stephens 2010年获碳化铁工艺独家权利。2011年初成立International Iron Carbide LLC，拥35项专利。新公司深度分析特立尼达和德州一代厂问题并形成文档化解决方案。多方案属专有。部分公开方案：(i)健壮管壳式换热器设计，(ii)工艺气系统重新设计达全产能，(iii)改进流化床反应器和气体分布设计增强抗停车容错，(iv)风帽板气密封改双重密封，(v)矿石闪蒸加热系统含热料气力输送、极少固体库存快速启停、消除角度偏移避免磨损、模块化结构便维护，(vi)洗涤器重新设计达全产能，(vii)简化产品处理系统消除入冷却器产品提升系统，(viii)用射流器替代机械输送机移动固体。

目前无碳化铁生产运行装置。但International Iron Carbide利用特立尼达和德州一代厂经验(正反两面)开发基于诸多教训的二代厂设计，正积极寻找合作伙伴建设二代厂。

工艺流程

碳化铁制造工艺清洁简洁。三主步骤(图1)：(i)铁矿加热至~700℃，(ii)热铁矿在流化床反应器中与加压H₂/CH₄混合气接触，~600℃、~4.5 kg/cm²绝对压力下强还原气体将氧化铁转化为碳化铁，(iii)产品冷却至~65℃。

铁矿通常为赤铁矿，典型成分：Fe 62%-65%、脉石1%-5%、水分1%-6%。露天堆放通常无需覆盖(视天气)。覆盖决策因素：燃料成本、天然水分含量、气候。

矿堆经变频输送机计量控制送料仓(日料仓)。料仓储存~24小时运行量矿石。

矿石加热器为"闪蒸加热器"，由三级串联旋风分离器组成。热氧化气体(离火箱/燃烧器)接触矿石加热至710℃。提高铁矿温度利于工艺：(i)除去矿石水分，(ii)部分铁矿中磁铁矿氧化为赤铁矿——利于反应器反应，因赤铁矿比磁铁矿更快转化为碳化铁。矿石加热器排出热矿石入给料锁料斗暂存待入反应器。

热矿经两并联锁料斗供给反应器。锁料斗耐火衬砌，锥底/锥形底。典型一料斗供料~1小时。两料斗交替工作：一供料时另一填料。锁料斗亦防氧化气体入反应器。热矿经N₂吹扫增压后连续给料，速率使一料斗排空卸压恰逢另一料斗填满。

流化床反应器与工艺反应

流化床反应器用铁矿细粉，免烧结/球团预处理。理想原料：0.1-1.0mm赤铁矿细粉。

反应器内径~12米，操作温度~600℃。接收本质为H₂、CH₄工艺气。H₂维持反应器自由板4.5 kg/cm²绝对压力。压缩机循环工艺气获0.92 m/s表观速度。

反应器中H₂、CH₄转化热铁矿为碳化铁。氧与H₂生成水，碳与铁生成碳化铁。总化学反应：3Fe₂O₃ + 2CH₄ + 5H₂ = 2Fe₃C + 9H₂O。此为反应器所有反应总体概括。反应相对慢速，反应器停留时间远超炼钢炉，但可通过调整温压缩短。

气相反应三基本组分：(i)H₂，(ii)O₂，(iii)C。三元素相互作用生成H₂、H₂O、CO、CO₂、CH₄。各化合物浓度取决于：(i)元素个别质量比，(ii)体系温度，(iii)系统压力，(iv)一定程度接触时间。

两主气相反应：蒸汽重整CH₄+H₂O=CO+3H₂——天然气与蒸汽反应生成工艺所需H₂。水煤气变换CO+H₂O=CO₂+H₂。

高温下将反应物混合得含H₂、H₂O、CO、CO₂、CH₄气体混合物，含少量N₂。

气相反应受金属铁/碳化铁催化。上述反应C、H₂来自工艺添加试剂。O₂由Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O反应从矿石析出。控制工艺气C、H₂相对浓度可促进矿石脱氧和碳化生成碳化铁。

生成碳化铁反应微吸热，维持~600℃需将工艺气加热至633℃。

反应器作为稠相流化床运行。流化床中工艺气形成气泡。反应器一侧进料、另侧出产品。内部挡板输送固体，最小化固体短路、创造更均匀固体停留时间分布。固体停留时间~16小时。

工艺气成分、温度、压力由过程仪表连续监控。产品非自燃，可储运。

反应器产出~42吨/小时产品(碳化铁)。产品经反应器和尾气旋风分离器两锁料斗连续卸料后过产品冷却器。

早期工艺问题：Boudouard反应(2CO=C+CO₂)非预期生成游离C(煤烟)。但International Iron Carbide已确认不生成游离C且仍生产高质量碳化铁的工艺条件。具体条件属专有。

反应器经两锁料斗(似给料锁料斗)卸出碳化铁产品。锁料斗释放产品至常压。一料斗接收~3.5 kg/cm²热产品，另一卸至常压产品冷却器。碳化铁离锁料斗~590℃经产品冷却器冷至~65℃。产品冷却器物料量由变频输送带控制，输送至干式磁选机。磁选机除去典型50%解离脉石(视入工艺铁矿质量而定)。

煤气处理系统

工艺气~590℃离反应器经四并联耐火衬旋风分离器(反应器旋风分离器)除去反应器出口夹带固体。旋风收集细粉(~36吨/小时)重力入缓冲仓循环反应器。额外固体经系列锁料斗入产品冷却器冷至<65℃(通常~40℃)，最终汇入磁选机上游反应器冷却产品流。

反应器旋风出口工艺气经四并联气-气换热器(工艺气换热器)降温至150℃。文丘里洗涤器和填料塔(填料塔)进一步冷却工艺气至~30℃，除去反应器生成水和逃逸旋风分离器的悬浮细粒，确保工艺气细粒含量足够低避免损坏"工艺气循环压缩机"。

从填料塔顶部进入循环压缩机前的循环工艺气中抽取小流量(放空气)防止N₂在回路积累。放空量取决于天然气N₂含量、随热矿料入反应器的N₂量。

补充试剂气(通常H₂和天然气)在压缩机前入循环工艺气。流化床反应器自由板压力决定精确H₂加入量。工艺气CH₄浓度决定天然气添加量。

两台离心压缩机(工艺气循环压缩机)，一运行一备用，入口~4.20 kg/cm²、出口~5.30 kg/cm²循环工艺气。压缩机压差调节工艺气流量至反应器。

四台气-气换热器冷却反应器出口工艺气的同时加热压缩机出口工艺气至~520℃。工艺气加热器(工艺气加热器)用放空气和天然气作燃料进一步升温至~630℃。加热器排气提供能量加热供矿石加热器燃烧空气。

两套水冷却系统：一系直接接触工艺气("直接接触冷却水")供文丘里洗涤器和填料塔——水直接接触工艺气。另系间接水冷却系统供：(i)产品冷却系统，(ii)H₂重整器，(iii)其他工艺用小换热器。

填料塔出口热水直接回接触冷却塔除热。文丘里洗涤器出水先经浓缩机过滤除去污水中固体。

工艺典型产品碳化铁转化率93%。典型矿物学元素组成：Fe₃C 91%-96%、Fe(总) 89%-93%、Fe(金属) 0.5%-1%、SiO₂+Al₂O₃ 2%-5%、Fe₃O₄ 2%-5%、C(作Fe₃C) 6%-6.5%、O(作Fe₃O₄) 0.5%-1.5%。碳化铁有磁性，若脉石在碳化前/中/后物理解离，可干式磁选降低成品脉石含量提高铁品位。

产品分虽随矿种变化，但无显著硫。磷视矿种而定通常以P₂O₅形式存在产品中，但大部分铁入炉渣非产品。

矿石残留元素通常以氧化物形式存在产品中，但因多数铁矿铜镍铬钼锡含量极低，成品无显量这些元素。故碳化铁极洁净，炼钢中有效稀释伴生有害金属，避免部分铁源带硫。

电池极限单位吨碳化铁典型消耗：铁矿1.42吨、天然气350 Mcal、电力400 kWh、水1.2 m³、氮10 m³、工时0.22工时。

碳化铁极环保，具巨大环境优势。工艺实现所有原铁炼钢工艺最低碳排放：每公斤钢仅排1.09公斤CO₂。远低于常规高炉-转炉2.01公斤、煤基DRI 3.09公斤、天然气基DRI-EAF 1.87公斤。仅全废钢炼钢排放更低。

碳化铁及其生产优势

• 优于其他炉料作EAF金属炉料：含~6.0%-6.5% C且由原生铁矿生产故微量有害元素极少。炼钢用碳化铁致钢中N₂、H₂含量低。
• 非自燃→安全易处理。
• 致密颗粒粉易溶液态钢。可轻松喷射入BOF/EAF瞬间溶解。
• 生产工艺环保：无需团聚铁矿。
• 唯一副产品水和CO₂，CO₂排放量远低于其他炼钢工艺。大量CO₂以高浓度气流离开重整器，易封存/再利用。
• 用铁矿细粉——比球团块矿便宜。
• 无需产品压球。
• 低温运行、热效率高。
• 闭环工艺100%利用添加试剂。
• 单级反应器工艺简洁易控制。