铁合金矿热炉设计及冶金计算毕业课程设计Word格式.docx
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计划三周完成。
要求收齐《冶金课程设计报告》并及时交到材料楼三系办公室（二楼冶金系），通过答辩。
工作形式：
集中辅导+学生自由安排作业+现场及网络检查辅导+统一讲评考核。
6.成绩组成及考核要求：
成绩综合评定：
平时成绩15%+书面成果70%+答辩成绩15%
7.条件：
年产12kt；
硅石平均品位99.0%；
设计所需其它数据，自行合理选取并适当验证。
指导教师：
黄海芳
系主任：
吴晓东
铁合金矿热炉设计及冶金计算工艺设计
J冶金1101学生姓名：
周纪雪
指导教师：
黄海芳职称：
副教授
摘要：
在冶金上常用的铁合金种类有：
硅铁、锰铁等，而硅铁就是铁和硅组成的铁合金。
硅铁是以焦炭、钢屑、硅石为主要原料，用电炉冶炼制成的铁硅合金。
矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉。
它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。
本文根据相关要求进行年产1万吨硅铁合金矿热炉的设计以及冶炼过程中的物料平衡和热平衡的计算。
根据已知条件，选定操作技术条件，选择合适的工艺流程和主辅设备。
关键词：
铁合金，工艺设计，矿热炉，物料平衡，热平衡
目录
课程设计任务书I
第一章年产10ktFeSi75Al2.0矿热炉设计1
1.1炉型变压器选择1
1.2矿热炉设计1
1.3技术指标7
第二章配料计算8
2.1计算条件8
2.2参数计算和还原剂的计算9
2.3炉料的计算9
2.4合金成分计算11
2.5炉渣的成分及数量的计算12
第三章物料平衡的计算14
3.1焦炭及电极糊中的碳在炉口处被燃烧所需的空气量的计算14
3.2生成的一氧化碳气体量14
3.3借电极糊的灰分中的氧化物将碳氧化时，生成一氧化碳14
3.4焦炭和电极糊所含挥发物量14
3.5冶炼过程中的物料平衡15
第四章热平衡计算16
4.1热量收入16
4.2热量支出17
4.3冶炼75硅热平衡表21
结语22
致谢23
参考文献24
第一章年产10ktFeSi75Al2.0矿热炉设计
1.1炉型变压器选择
根据《钢铁工业“十二五”发展规划》及现行“淘汰落后生产工艺装备和产品指导目录得知变压器容量低于6300KVA的工艺装备是被淘汰的，查阅铁合节能及精炼技术）
，取单位电耗为8500kwht
功率因数cosф：
0.85-0.88取0.8
设每天的产量为30t硅铁，每月生产30天，每年生产12个月。
年产量为10kt：
S=GAK1K2K324cosα=11870.25（KVA）
式中：
cosα为功率因素取0.8
A为产品单位电耗（kWht）8500【9】
K1为实际工作时变压器的利用系数0.98
K2为实际工作时间与日历时间之比0.96
K3为供电线路上实际供给的平均电压与额定电压之比，一般取0.95
G为要求的电炉日产水平（td）30t
1.2矿热炉设计
1.2.1矿热炉电气参数的确定
在工业硅冶炼过程中矿热炉的状态与电气参数的变化密切相关，控制最佳的供电制度对保证取得好的经济技术指标十分重要。
一般而言，在功率一定情况下提高矿热炉的二次电压，电流就可以降下来，这有利于提高线路功率因数和减少电损失，但是过分提高矿热炉电压，电极就不能深插，炉膛料面就会过热，热损失增加，硅回收率降低，因此每台电炉都有其适宜的二次电压值。
在设计电炉时往往利用米古林斯基公式来确定矿热炉正常工作时的二次电压
U2＝KP13
K为电压系数，取6.0～7.5；
P是变压器额定功率，kVA。
二次电流＝P（U2）=46305.1A。
1.2.2矿热炉结构设计
正确设计矿热炉的结构是保障矿热炉工作性能的先决条件，是设计工作者面
临的最大困难。
如图a为矿热炉主体设备示意图。
好的矿热炉结构设计不仅有利于炉子保障高产、优质、低能耗、少故障的生产，而且有利于节约筑炉成本、方便其它设备布置、保证操作顺畅。
图a矿热炉主体设备示意图
1-高压母线；
2-油开关；
3-电炉变压器；
4-高压线圈；
5-低压线圈；
6-铁芯；
7-铜排；
8-软电缆；
9-导电铜管；
10-铜瓦；
11-电极；
12-炉衬；
13-熔池
1.2.2.1电极直径的选取
在确定矿热炉其它结构尺寸之前，必须先确定电极直径，它决定着矿热炉其它结构尺寸的大小。
电极直径有许多计算方法，一般根据电极电流和电极电流密度确定
式中:
I2为电极电流，A；
δ为电极电流密度5.5～6.1Acm2，取5.9计算。
根据国内厂家生产炭素电极的标准，取电极直径为1050mm。
1.2.2.2极心圆直径计算
极心圆直径是一个对冶炼过程有很大影响的设备结构参数，电极极心圆直径选得适当（图1a），三根电极电弧作用区域部分刚好相交于炉心，各电极反应区既相互相连又重叠部分最小，在这种情况下，炉内热量分配合理，坩埚熔池最大，吃料均匀，炉况稳定，炉况也易于调节。
如果设计不当，热量不是过分集中（图1b）就是热量分散（图1c），这都会造成炉况调节频繁或根本无法调节的严重错误。
设计中极心圆直径可按下式计算
Dg＝ad＝2.3×
1050＝2415mm
式中:
a为极心圆倍数，a＝2.2～2.3，这里取2.3计算。
结合矿热炉容量、可调极心圆范围、实际电气参数调节空间这里取极心圆直径为2500mm。
1.2.2.3硅铁及硅铁合金炉炉膛结构
炉膛内径计算：
在选择炉膛内径时，要保证电流流过电极-炉料-炉壁时所受的阻力大于经过电极-炉料-电极或炉底时所受的阻力。
否则，炉膛内径选择尺寸过大，矿热炉表面散热面积大，还原剂烧损严重，出料口温度低，出硅困难，炉况会恶化；
炉膛内径选择过小，电极-炉料-炉壁回路上通过的电流增加，反应区偏向炉壁，将使炉内热量分散，炉心反应区温度低，炉壁腐蚀严重，炉况也会恶化。
炉膛内径可按下面经验公式计算
Dn＝rd＝5.8×
1050＝6090mm
式中：
r为炉膛内径倍数，r＝5.8～6.0，这里取5.8。
炉膛内径这次设计中取为6200mm。
1.2.2.4炉膛深度计算
在选择炉膛深度时，要保证电极端部与炉底之间有一定的距离、电极有效插入的深度和料层有一定的厚度。
炉膛深度若过深，电极与炉底距离远，电极不能深插，高温区上移，炉底温度低，炉底SiC会沉积，炉底上抬，堵塞出硅口，炉况变差；
炉膛深度若太浅，料层厚度将很薄，炉口温度升高，硅挥发损失增加，容易露弧操作，能耗增大。
合适的炉膛深度可按下面经验公式计算
为炉膛深度倍数,β＝2.5～2.8，这里取2.5。
炉膛深度这次设计中取为2700mm。
图b硅铁及硅铁合金炉炉膛结构示意图
1-预热区；
2-烧结区；
3-还原区；
4-电弧区；
5-熔池区；
6-假炉底；
7-死料区；
8-电极；
9-炉衬；
10-出铁口
1.2.2.5炉衬与炉底的结构、尺寸及材料选择
一般而言，炉衬、炉底结构包含了工作层、保温层、隔热层、绝热层、钢板层5个主要层次，但是每个层次的具体尺寸却是很有技术含量的，因为这涉及到筑炉成本、炉子性能、炉子寿命等许多经济因素。
炉衬厚度过厚，引起筑炉成本上升，占地面积扩大，炉衬表面积增加，散热面积也增大；
炉衬厚度过薄，抑或炉衬强度不够，抑或无法保温。
炉底厚度亦是如此。
国内外对炉衬、炉底散热强度计算表明，保持炉衬与炉底热损失为2%～4%是在合理的范围内，或者保持炉衬表面温度在70～120℃是允许的，因此按照这个条件以及结合所选择材料的使用温度,根据传热学知识可确定炉衬与炉底工作层、保温层、隔热层、绝热层的厚度，钢板层的厚度根据强度需要而定。
我们在这次设计中，工作层都使用自焙碳砖、保温层选用新型隔热耐火粘土砖（热导率<
0.44W（m·
K）、隔热层使用粒度为3～8mm的细硅石与矿渣混合物、绝热层使用石棉纤维板、钢板层选用14mm厚的普通钢（炉底钢板厚18mm）。
1.2.2.6出料口位置、结构、尺寸与材料选择
出料口是矿热炉上非常重要的一个部位，它的位置、结构形状、尺寸、材料选择都是需要仔细斟酌的。
位置布置不当，出料口部位温度低，出料不畅或者是操作不方便；
结构形状尺寸不当，也会导致出料不畅或者封堵困难或者出硅时间延长；
材料选择不当，容易氧化腐蚀，维修频繁。
在这次设计中，出料口设计2个，每个出料口水平位置与炉底齐平并比炉底水平线下倾斜3°
，角度位于炉心与电极中心两点的延长线与炉壁的交点上。
出料口应当设计成圆形，便于烧穿与封堵，尺寸根据出硅时间要求计算并结合实际操作需要来决定大小，一般为直径100mm，容易氧化的外侧选择石英材料与碳糊。
1.2.2.7炉门结构、尺寸与材料选择
大容量炉最大的问题是炉缘距离炉心远，上料困难，国内特别强调以人工精细加料来取得好质量与低能耗产品，普遍认为大容量炉子在国内不如6300kVA炉子的性能。
我们在这次设计中设计了3个机械加料炉门，3个捣料炉门。
3个机械加料炉门取代了炉顶上料，因为从炉顶上料，必须建造一个高的加料台或皮带上料系统，同时用机械加料炉门也解决了大容量矿热炉上料困难的问题。
考虑到德国DDS公司生产的加料捣炉机比较昂贵，因此将加料捣炉功能分开，加料从3个密封加料炉门通过摇动料桥（可伸缩深入到炉心）将料布放在料面各处，捣炉功能通过窥视孔根据需要打开捣料炉门进行捣炉操作。
加料炉门位于离炉沿400mm高度处，其门槛长500mm，高400mm，普通钢材质。
捣炉炉门门槛下部与炉沿等高，门槛长1200mm，高1500mm，使用单独水冷结构。
1.2.2.8烟罩结构、尺寸与材料选择
大容量矿热炉炉膛尺寸跨度大，烟罩设计较困难，同时从烟罩通过的电流大，处理不好涡流损失大。
为了解决烟罩结构强度与防止涡流损失，我们采取用水冷钢管（防磁）做骨架并起吊，上下盖采用石板与水泥构筑，用细钢筋做支撑，既减轻了烟罩整体重量又防止了筑砌或制作上的不便。
烟罩高度离炉沿2300mm，直径与炉壳直径等同，厚度160mm，上下盖间通水冷却。
1.3技术指标
设计完成以后有关该炉的技术参数与性能如下：
电极直径mm1050；
极心圆直径mm2500；
炉膛直径mm6200；
炉膛深度mm2700；
炉壳直径mm8000；
炉壳高度mm4618；
烟罩高度mm2300；
理论日产量t30；
理论电单耗量kW·
h·
t-1=8500；
第二章以100kg硅石为基础的炉料计算
2.1已知条件（以100Kg硅石为基础来进行计算）
表1原料化学成分表
名称
SiO2
Fe2O3
Al2O3
CaO
MgO
P2O5
Fe
Mn
Si
S
P
C
灰分
水分
挥发分
硅石
98.6
0.5
0.3
0.2
干焦炭
1
83
13
3
焦炭灰分
48
21
25
4.7
钢屑
98.9
0.34
0.03
电极糊
8
9
电极糊灰分
50
26
7
4
2.2计算参数
2.2.1钢屑中的硫、磷进入合金，其它的硫挥发掉。
2.2.2设在冶炼过程中各氧化物的分配表。
表2冶炼过程中各氧化物的分配表
氧化物
SiO2
Fe2O3
Al2O3
CaO
P2O5
MgO
被还原的%
98
99
50
40
100
0
进入渣中的%
2
1
60
100
2.2.3被还原出来的元素分配表
表3被还原出来的元素分配表
元素
Si
Al
Ca
P
S
进入合金
95
85
挥发
5
2
15
2.3炉料的计算
2.3.1还原剂用量的计算。
还原反应
SiO2+C=Si+COSiO2+C=SiO+CO
Fe2O3+3C=2Fe+3COAl2O3+3C=2Al+3CO
CaO+C=Ca+COP2O5+5C=2P+5CO
还原硅石中的各种氧化物所需的碳如下表：
从l00kg硅中还原的数量（kg）
还原所需碳量（kg）
还原为Si
100x98.6%x（98%-7%）=89.726
89.726x2460=35.89
还原为SiO
100x98.6%x7%=6.902
6.902x1260=1.38
还原为Fe
100x0.5%x99%=0.495
0.495x36160=0.11
还原为Al
100x0.3%x50%=0.15
0.15x36102=0.05
CaO还原为Ca
100x0.2%x40%=0.08
0.08x1256=0.02
总计
37.45
2.3.2还原焦炭灰分中氧化物的碳见下表
100kg焦炭含固定碳83kg，用来还原焦炭中灰分中的氧化物有3.61kg，用来还原硅石中的氧化物的碳有83-3.61=79.39kg。
还原l00kg硅石需要同定碳37.49kg，折合干焦量为37.4979.39%=47.22kg.
从l00kg焦炭中还原的数量（kg）
还原所需的碳量（kg）
还原为Si
还原为SiO
还原为Fe
还原为Al
CaO还原为Ca
还原为P
共计
13x0.48x0.91=5.678
13x0.48x0.07=0.437
13x0.21x0.99=2.703
13x0.25x0.5=1.625
13x0.047x0.4=0.244
13x0.003x1=0.0039
5.678x2460=2.27
0.437x1260=0.09
2.703x36160=0.61
1.625x36102=0.58
0.244x1256=0.05
0.039x60142=0.02
3.61
设有10%的焦炭在炉口处燃烧及用于合金增碳。
该条件下需焦炭量：
47.220.9=52.47kg
2.3.3电极中的碳参加还原反应．冶炼硅75每吨硅石需电极糊25kg。
电极糊含有灰分，还原电极糊灰分中的氧化物所需碳见下表
氧化物
从2.5kg电极中还原的数量（kg）
还原所需的碳量（Kg）
2.5x0.08x0.5x0.91=0.091
2.5x0.08x0.5x0.07=0.007
2.5x0.08x0.13x0.99=0.026
2.5x0.08x0.26x0.5=0.026
2.5x0.08x0.07x0.4=0.006
0.91x2460=0.0364
0.007x1260=0.0014
0.026x36160=0.0059
0.026x36102=0.0092
0.006x1256=0.0013
总计0.0542
电极糊带入碳：
2.5x83%=2.075kg
这些数量的碳大约一半用于还原氧化物，因而减少焦炭用量：
（2.0752-0.0542）79.39%=1.24kg
因此，每一批料（l00kg硅石）中的焦炭量为：
52.47-1.24=51.23kg
从硅石中来（kg）
从焦炭灰分中来（kg）
从电极中来（kg）
合计
（Kg）
89.726x2860=41.872
0.15x54102=0.079
0.495x112160=0.347
0.08x4056=0.057
Al
Ca
5.678x2860x0.51=1.351
1.625x54102x0.51=0.440
2.703x112160x0.51=0.969
0.244x4056x0.51=0.089
0.039x62142x0.51=0.009
0.091x12860=0.0425
0.026x54102=0.014
0.026x112160=0.018
0.006x4056=0.004
43.266
0.533
1.334
0.150
0.009
2.4合金成分计算．
从100kg硅石、51.27kg焦炭和2.5kg的电极糊中还原出来的元素量如下表
还原出来的元素分配情况见下表
进入合金的数量（kg）
挥发损失（kg）
43.27x0.98=42.4
0.533x0.85=0.453
1.334x0.95=1.267
0.150x0.85=0.128
0.009x0.50=0.005
44.291
SiO=（6.909+0.437+0.007）x4460=5.39
Si=43.391x2%=0.870
0.533-0.453=0.080
1.334-1.267=0.067
0.150-0.128=0.022
0.009-0.005=0.004
6.444
则1000kg合金挥发物量6.444xl00056.679=113.69kg
冶炼75硅时，42.4kg的硅应占合金重量的75%，合金总重量等于42.40.75=56.601kg，除了被还原进入合金中的元素外，自焙电极壳带入的铁每l00kg硅石约为0.1kg，因此需加的钢屑量为：
（56.601-44.291-0.1）0.989=12.346kg
金属的成分及重量见表
由硅石焦炭
电极带入来
的（kg）
由钢屑带入来的（kg）
%
42.4
0.500
1.267
0.128
0.005
0.020
12.346x0.0034=0.042
12.346x0.988=12.198
12.346x0.0003=0.004
12.346x0.005=0.062
12.346x0.003=0.037
42.442
13.473
0.004
0.062
0.057
74.985
0.882
23.778
0.226
0.016
0.007
0.109
0.101
56.679
含硅75%的硅铁合金含碳约为0.1%，故56.679x0.1%=0.057．钢屑带入的
0.037kg，则由焦炭进入合金的碳为0.057-0.037=0.02kg。
2.5炉渣的成分及数量的计算见表
由硅石（kg）
由焦炭灰分（kg）
由电极糊灰分（kg）
Kg
100x0.986x
0.02=1.972
51.27x0.13x0.48x0.02=0.064
2.5x0.08x0.5x0.02=0.002
2.004
54.29
Al2O3
100x0.003x0.5=0.150
51.27x0.13x0.25x0.5=0.833
2.5x0.08x0.26x
0.5=0.026
1.009
27.553
100x0.005x0.01x144160=0.0045
51.27x0.13x0.21x0.Olx144
160=0.0126
2.5x0,08x0.13x
O.Olx144160=0.0002
0.015
0.45
100x0.002x0.6=0.120
51.27x0.13x0.047x0.6=0.188
2.5x0.08x0.07x
0.6=0.008
0.316
8.629
100x0.002
=0.200
51.27x0.13x0.01=0.0666
2.5x0.08x0.04
=0.008
0.275
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