炼铁主干课5A.docx

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炼铁主干课5A

第五章高炉冶炼过程的能量利用

5.1概述

5.1.1高炉冶炼过程的能量来源

钢铁冶金工厂70~80%的能量消耗在炼铁及其前部工序中!

燃料

能源

鼓风

本章主要研究一次能量的利用问题!

节约燃料消耗：

（1）节约焦炭消耗：

替代品、极限骨架作用

（2）改善燃料利用：

发热剂、还原剂作用

5.1.2高炉冶炼过程的能量利用指标

1.燃料比（焦比+煤比+油比）

=（干焦量+喷吹燃料量）吨铁，kg/t

2.焦比=干焦量吨铁，kg/t

综合焦比=（干焦量+置换比喷吹燃料量）吨铁

=焦比+煤粉置换比煤比+重油置换比油比，kg/t

3.直接还原度和间接还原度

（1）铁直接还原度rd（原苏联M.A.巴甫洛夫定义）

（51）

（2）高炉直接还原度Rd

（52）

（3）高炉总直接还原度

（53）

（57）

（58）

（58）

4.高炉内碳素利用程度

（1）炉顶煤气中CO2与CO的比值m

m=CO2CO（m值一般为0.6~0.7）

m大，CO2多，说明煤气利用率高；m小，说明煤气利用率低。

当高炉加生熔剂（石灰石）时，这时CO2高，m值并不能表征煤气利用率!

（2）CO利用率（化学能利用率）CO

CO=CO2（CO+CO2）=m/（m+1）（510）

CO值大，说明煤气利用好（CO值一般为0.4左右）。

（3）碳素热能利用系数C

C=0.2932+0.7068CO（C值一般在0.6左右）（511）

5.高炉内热能利用程度t

（512）

（t值一般为0.85~0.92）

6.氢利用率H2

高炉内水煤气置换反应：

H2+CO2===H2O+CO接近平衡，

因此H2CO=

const=0.9~1.1。

西德巴格达弟经验关系：

H2CO=0.88+0.1/CO（514）

苏联巴巴柳金经验关系：

H2CO=1.411.07CO（515）

H2=H2O还（H2+H2O还）（513）

5.1.3能量利用分析方法

1.生产上直观分析

直觉观察：

T顶、炉顶煤气中CO2、CO含量

简易计算：

燃料比、焦比、CO、H2

2.深入详尽地分析研究

（1）计算法：

物料平衡计算、热平衡计算

直接还原度计算、理论焦比计算

（2）图解法：

巴甫洛夫直接还原度图解

Rist操作线图解

Reichardt区域热平衡图解

操作线和区域热平衡联合图解

计算、图解分析好处与目的：

研究高炉能量消耗分配，寻找进一步改善能量利用的途径；

高炉采用某些新技术措施（高风温、富氧、喷吹、综合鼓风等）时，预测冶炼效果，得出最适应的冶炼制度；

可用计算机程序自动计算，得出控制参数供操作者调节参考。

对新建高炉，提供本体设计、设备选型、运输和动力平衡的依据。

5.2高炉冶炼过程能量利用计算分析

5.2.1计算分析内容

生产高炉的计算

设计高炉的计算

计

算

依

据

（已知

条件）

生产的原始数据

（1）原燃料的化学成分全分析和消耗

量；

（2）冶炼产品数量及其成分；

（3）鼓风参数；

（4）各种实测生产数据：

数量和温度。

给定的原燃料条件和冶炼参数

（1）原燃料和炉尘的化学成分全分析；

（2）冶炼生铁品种、成分；

（3）鼓风参数；

（4）冶炼工艺参数选择：

元素在铁、渣和煤气中的分配率；

焦比、喷吹燃料比、炉渣碱度和rd

计

算

内

容

（1）各元素在铁、渣、炉尘和炉顶煤气

中的分配情况、回收率和铁损等；

（2）渣量、煤气量、实际风量和漏风率；

（3）直接还原度和H2参与还原反应的

情况；

（4）热量消耗利用的合理性、碳素和热

能利用程度；

（5）理论焦比和各种因素对焦比影响的

数值分析等。

（1）单位生铁的原燃料消耗量配

料计算；

（2）冶炼产品的成分和数量；

（3）鼓风量；

（4）煤气量及其成分；

（5）通过热平衡联立求解焦比。

实际计算中，先根据经验选定rd和焦比、喷吹燃料比计算物料平衡，然后计算热平衡以检查rd和焦比选定的合理性。

计算分析注意事项：

（1）以冶炼1000kg生铁为计算基础；

（2）以物质不灭定律和能量守恒定律为理论依据；

（3）计算前，原燃料、产品等的化学成分必须按元素或化合物的实际化学存在形式整理、换算成总和为100%；

记住：

高炉的投入与产出：

元素或/和化合物的存在状态：

S：

FeSFeS2SO3

Fe、S：

烧结矿、球团矿：

Fe2O3、FeO、FeS（CaS）

生块矿：

Fe2O3、FeO、FeS2

熔剂：

Fe2O3、FeO、FeS2、SO3

废铁：

Fe、Fe2O3、FeO、S（单质）

焦炭：

FeO、FeS、S（有机）

煤粉：

Fe2O3、FeO、FeS、S（有机）

Mn：

烧结矿、球团矿：

MnO

生块矿：

MnO2

CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5、CO2

H2O：

H2O化：

结晶水

H2O物：

物理水（Moist）

（设计高炉不计Moist，只计算干基数量!

）

Rest：

（为整理合理，而人为设计的“组分MeXOY”，假设全进入炉渣）

焦炭：

工业分析：

CF、S、灰分、挥发分、Moist

化学分析：

灰分：

CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5、

挥发分：

CO、CO2、CH4、H2、N2

煤粉：

工业分析：

CF、S、灰分、挥发分、H2O

化学分析：

灰分：

CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5、

挥发分：

C、H、N、O

5.2.2生产高炉的计算

1.校正焦比，原、燃料成分整理

（1）校正焦比：

由铁损校正，总铁损可达1.0~1.5%，计入回收铁

（2）成分整理：

按元素或/和化合物的实际化学存在状态，将所有物料成分调整、换算成总和为100%

成分整理诀窍：

IFSum=99.5~100.0，THEN

余下的加入到CO2、H2O中，其它不变；

或以MeXOY形式存在，加入到Rest中。

IF100.0Sum2.0，THEN

Fe、CaO、SiO2不变；

根据数量按顺序酌情变更CO2、H2O、Rest、MgO、Al2O3量。

（当用MgO、Al2O3平衡方程时，最好不要变动MgO、Al2O3成分）

IF100.0Sum2.0，THEN

整体调整：

（MeXOi）100%

或要求重新给定成分。

2.物料平衡计算

（1）矿石消耗量验算：

Fe平衡方程

（2）熔剂消耗量验算：

碱度平衡方程

（3）渣量计算：

CaO平衡方程

u=（CaO料CaO尘）（CaO%）渣

造渣氧化物平衡计算：

CaO、SiO2、MgO、Al2O3

（4）元素平衡计算和渣铁间分配比和回收率：

Fe、Mn、V、Ti、Nb、S、P

（5）煤气量和风量计算列平衡方程组联立求解

V煤气、V风冶炼1000kg生铁的干煤气量和湿风量，Nm3/t

注意：

湿煤气量=V煤气（干）+H2O煤气

H2O煤气=H2O还+H2O化未+H2O物

干风量=

（1）V风

风中湿度，%干风含O2，%

按照进入炉顶煤气的C、O、N、H四元素的平衡方程，联立解平衡方程组，计算V煤气和V风：

CO、CO2、H2、N2、CH4炉顶煤气中组分的体积百分含量，%

C平衡方程：

（517）

O平衡方程：

（518）

N平衡方程：

（519）

H平衡方程：

（520）

由于H2还原生成的H2O还量难于确定，列方程组时，通过O平衡方程式（518）和H平衡方程式（520）消除H2O还，而得到一个无H2O还的O平衡方程式：

（518）

于是，按两两组合，可得三个方程组，解之得到：

[C,O]平衡法：

C平衡方程（517）、O平衡方程（518）

（521）

（522）

[C,N]平衡法：

C平衡方程（517）、N平衡方程（519）

（521）

（523）

[O,N]平衡法：

O平衡方程（518）、N平衡方程（519）

（524）

（523）

注：

当煤气成分用奥氏气体分析仪分析时，[C,O]法误差最小，

[C,N]法误差居中，[O,N]法误差最大。

当煤气成分用气相色谱仪分析时，可选用最简单的[C,N]法即可。

说明：

a.C气化气化进入煤气的总碳量（包括元素和化合物状态）

C气化=C矿+C熔+C废+C焦+C喷C尘C生铁C回收铁，kg/t

C矿=矿石量（C%矿+12/44CO2%矿）

C熔=熔剂量12/44CO2%熔

C废=废铁量C%废

C焦=干焦比（C%焦固+12/44CO2%焦挥+12/28CO%焦挥+12/16CH4%焦挥）

C喷=喷吹量C%喷

C尘=炉尘量（C%尘+12/44CO2%尘）

C生铁=1000[C%]=10[C]

C回收铁=回收铁量C%回收铁

b.O料=O矿+OSi,Mn,P,S+O熔+O废+O焦O尘O渣，kg/t

O喷=喷吹量（48/159.7Fe2O3%喷+16/71.85FeO%喷

+O2%喷+16/18H2O%喷），kg/t

O矿=矿石量（48/159.7Fe2O3%矿+16/71.85FeO%矿

+32/44CO2%矿+16/1830%H2O化%矿）

OSi,Mn,P,S=32/1810[Si]+16/5510[Mn]+80/6210[P]+渣量16/32（S%）

O熔=熔剂量（48/159.7Fe2O3%熔+16/71.85FeO%熔+32/44CO2%熔）

O废=废铁量（48/159.7Fe2O3%废+16/71.85FeO%废）

O焦=干焦比（16/71.85FeO%焦灰+32/44CO2%焦挥+16/28CO%焦挥）

O尘=炉尘量（48/159.7Fe2O3%尘+16/71.85FeO%尘+32/44CO2%尘）

O渣=渣量16/71.85（FeO%）

c.N料=干焦比N2%焦挥，kg/t

N喷=喷吹量N2%喷，kg/t

d.H料=2/180.3矿石量H2O化%矿+干焦比（H2%焦挥+4/16CH4%焦挥），kg/t

H喷=喷吹量（H2%喷+2/18H2O%喷），kg/t

（6）参与还原的H2量和生成的H2O还量计算：

H2还=H2O还=11.2（H料+H喷）+V风（H2+2CH4）V煤气，Nm3/t

（7）编制物料平衡表：

鼓风比重：

，kg/Nm3

鼓风重量：

G风=V风风，kg/t

风中水分=V风，Nm3/t（=18/22.4V风，kg/t）

干煤气比重：

，kg/Nm3

干煤气重量：

G煤气=V煤气煤气，kg/t

炉料物理水重量=矿石量H2O%矿+熔剂量H2O%熔+湿焦比H2O%焦，kg/t

煤气中水分重量=18/22.4H2O还+0.7矿石量H2O化%矿+炉料物理水重量，kg/t

表56生产高炉物料平衡表

收入项

支出项

名称

kg/t铁

名称

kg/t铁

铁矿石（混合矿）

生铁

熔剂

回收铁

废铁

炉渣

干焦炭

煤气（干）

喷吹物（煤粉）

煤气中水分

鼓风

炉尘

炉料物理水

总计

总计

绝对误差

kg/t

相对误差

%

计算误差应小于0.3%，结果才算正确。

3.直接还原度rd、CO和H2计算

（1）铁直接还原度rd计算：

（526）

或

（527）

CdFe=C气化C风口CdSi,Mn,P,S1.5C熔C焦挥CH2O化，kg/t

，kg/t

CdSi,Mn,P,S=24/2810[Si]+12/5510[Mn]+60/6210[P]+渣量12/32（S%）

C焦挥=干焦比（12/44CO2%焦挥+12/28CO%焦挥+12/16CH4%焦挥）

[当炉顶煤气中无CH4时，C焦挥=干焦比（12/44CO2%焦挥+12/28CO%焦挥）]

CH2O化=12/180.3矿石量H2O化%矿

（2）间接还原度riCO和riH2计算：

（3）CO和H2计算：

按炉顶煤气成分：

按炉内反应过程：

H2CO=

Nm3/t

4.热平衡计算

与设计高炉计算方法相同，见5.2.3节之4。

5.2.3设计高炉的计算

1.原、燃料成分整理

按原、燃料中各元素或/和化合物的实际化学存在状态，将所有物料成分调整、换算成总和为100%。

整理方法与生产高炉相同，见5.2.2节之1。

2.物料平衡计算

（1）原料消耗量计算配料计算：

配料计算通用方法：

根据未知数个数，按以下顺序列平衡方程组，联立求解。

Fe平衡方程Al2O3平衡方程

碱度平衡方程V平衡方程

P平衡方程Ti平衡方程

Mn平衡方程Nb平衡方程

MgO平衡方程………………

当已知含铁炉料配比时，即已知混合矿成分时，炼钢生铁对Mn、P量等无特殊要求，熔剂不含Fe或含Fe甚微而忽略不计时，可直接通过Fe平衡方程和碱度平衡方程求出矿石（混合矿）消耗量P和熔剂消耗量Q。

矿石（混合矿）消耗量：

Fe平衡方程

PFe%矿+Fe熔+Fe废+Fe焦+Fe喷=Fe生+Fe渣+Fe尘

，kg/t

Fe熔=熔剂量Fe%熔

Fe焦=干焦比（55.85/71.85FeO%焦灰+55.85/87.85FeS%焦灰）

Fe喷=喷吹量（111.7/159.7Fe2O3%喷+55.85/71.85FeO%喷+55.85/87.85FeS%喷）

Fe废=废铁量Fe%废

Fe生=1000[Fe%]=10[Fe]

Fe渣=1000[Fe%]FeFe（=0.002~0.003，=0.998~0.997）

Fe尘=炉尘量Fe%尘

熔剂消耗量：

碱度平衡方程

，kg/t

SiO2矿=矿石量SiO2%矿CaO矿=矿石量CaO%矿

SiO2废=废铁量SiO2%废CaO废=废铁量CaO%废

SiO2焦=干焦比SiO2%焦灰CaO焦=干焦比CaO%焦灰

SiO2喷=喷吹量SiO2%喷CaO喷=喷吹量CaO%喷

SiO2尘=炉尘量SiO2%尘CaO尘=炉尘量CaO%尘

表5高炉配料结果表

名称

kg/t铁

%

铁矿石1

铁矿石2

铁矿石3

混合矿

100.000

熔剂（石灰石）

（2）渣量和渣成分计算计算：

按进入炉渣的氧化物和脱硫产物量逐项计算。

u=CaO渣+SiO2渣+MgO渣+Al2O3渣+MnO渣+FeO渣+S渣2+V2O5渣

+TiO2渣+（K+Na）2O渣+……，kg/t

CaO渣=CaO矿+CaO熔+CaO废+CaO焦灰+CaO喷CaO尘

SiO2渣=SiO2矿+SiO2熔+SiO2废+SiO2焦灰+SiO2喷SiO2尘60/2810[Si]

MgO渣=MgO矿+MgO熔+MgO废+MgO焦灰+MgO喷MgO尘

Al2O3渣=Al2O3矿+Al2O3熔+Al2O3废+Al2O3焦灰+Al2O3喷Al2O3尘

MnO渣=

FeO渣=

S渣2=1/2{（1S）（S矿+S熔+S废+S焦+S喷）S尘10[S]}

V2O5渣=

TiO2渣=

（K+Na）2O渣=（K+Na）2O矿+（K+Na）2O熔+（K+Na）2O废+（K+Na）2O焦灰

+（K+Na）2O喷（K+Na）2O尘

……………………

各组分百分含量=各组分重量u100%，wt.%

表5炉渣数量和成分表

组分

CaO

SiO2

MgO

Al2O3

MnO

FeO

S/2

V2O5

TiO2

（K+Na）2O

CaO/SiO2

kg/t

wt.%

100.000

（3）炉渣性能和脱硫能力验算：

炉渣性能验算：

将渣中四大组元CaO、SiO2、MgO、Al2O3换算成100%，然后在四元相图上查得炉渣熔化温度和1400~1500℃下粘度，它们必须满足所炼生铁品种及其相适应的炉缸热制度的要求!

适宜的熔化温度范围：

炼钢生铁：

1300~1450℃

铸造生铁：

1350~1500℃

炉渣粘度以1450~1500℃（炉缸温度）下，0.2~0.6Pas为好。

脱硫能力验算：

按拉姆教授的最低碱性氧化物经验公式：

（584）

验算。

要求：

实际（RO）=（CaO）+（MgO）+（MnO）+（FeO）（RO）min。

按沃斯柯博依尼科夫经验公式计算硫分配比LS（见p.178）：

要求：

实际LS=（S）[S]LS计算值。

按炉渣硫化物容量CS计算：

lgCS=2.55B7.23

（3117）

LS=mCS（m值由表36查得）（3118）

要求：

实际LS=（S）[S]LS计算值。

（4）生铁成分核算：

按元素分配率核算最终生铁成分：

[Fe]、[Si]、[S]按预定的成分计。

[Mn]=

[P]=

[V]=

[Ti]=

[C]=100[Fe][Si][Mn][P][S][V][Ti]……

要求符合预定生铁成分。

若不符，可在铁种合理范围内变更[C]量。

否则，需重新给定生铁成分，重算一遍。

表5生铁成分核算表

组分

Fe

Si

Mn

P

S

V

Ti

C

……

wt.%

100.000

（5）风量V风计算：

C平衡法

计算风口前燃烧的碳量C风口：

C风口=C总CdFeCdSi,Mn,P,SC[C]CCO2CH2O化，kg/t

C总=C矿+C熔+C废+C焦+C喷C尘，kg/t

C矿=矿石量C%矿

C熔=熔剂量C%熔

C废=废铁量C%废

C焦=干焦比（C%焦固+12/16CH4%焦挥）

C喷=喷吹量C%喷

C尘=炉尘量C%尘

CdFe=12/55.85（10[Fe]废铁量Fe%）rd

CdSi,Mn,P,S=24/281