设计年产120万吨制钢生铁的炼铁厂.docx
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设计年产120万吨制钢生铁的炼铁厂
河北理工大学轻工学院
HEBEIPOLYTECHNICUNIVERSITY
课程设计说明书
设计题目：
设计年产120万吨制钢生铁的高炉
学号：
201015090502
班级：
10冶金五
姓名：
俞占扬
导师：
刘卫星
2014年1月4日
摘要
本设计建造一座年产180万吨制钢生铁的炼铁厂，力求达到低污染，低能耗，高效率。
高炉炼铁是现代获得生铁的主要手段，而高炉是炼铁的主要设备。
设计中高炉的主要经济技术指标：
年产量P：
120×104t
焦比：
350kg/t
煤比：
160kg/t
综合冶炼强度：
1.05t/m3·d
高炉有效容积利用系数：
2.197t/m3·day
本设计说明书高炉设计内容包括绪论、工艺计算（配料计算、物料平衡和热平衡）、高炉炉型设计、厂址的选择、高炉炉顶设备、高炉送料系统、送风系统、煤气处理系统、渣铁处理系统、高炉喷吹系统和炼铁车间的布置等。
设计同时借鉴了了国外先进技术和经验，尽量实现高机械化、自动化，并获得最大的经济效益。
关键词：
高炉炼铁设计，物料平衡，渣铁处理，热平衡，喷吹，热风炉，煤气处理
第一节绪论
1.1概述
高炉冶炼是获得生铁的主要手段，它以铁矿石（天然富矿，烧结矿，球团矿）为原料，焦碳，煤粉，重油，天然气等为燃料和还原剂，以石灰石等为溶剂，在高炉内通过燃料燃烧，氧化物中铁元素的还原以及非氧化物造渣等一系列复杂的物理化学过程，获得生铁。
其主要副产品有高炉炉渣和高炉煤气。
为了实现优质，低耗，高产和延长炉龄，高炉本体结构及辅助系统必须满足冶炼过程的要求，即耐高温，耐高压，耐磨，耐侵蚀密封性好，工作可靠，寿命长，而且具有足够的生产能力
我国自1996年粗钢产量突破1亿吨以来，连续稳居第一钢国的位置。
2012年我国粗钢产量更是达到7.16亿吨，占全球钢产量的46.3%。
虽然多年来我国生铁产量居世界第一位，但是我们应该看到与世界先进国家的差距。
目前，我国正在生产的高炉有几千座。
近年来，由于生铁铁水供不应求，价格上涨，一些本应该淘汰的500m3容积以下的小高炉，又开始生产。
应当承认，小高炉的发展现状，一定程度上阻碍了我国高炉大型化的发展。
在21世纪，我国高炉炼铁将继续在结构调整中发展。
高炉结构调整不能简单的概括为大型化，应该根据企业生产规模、资源条件来确定高炉炉容。
从目前的我国的实际情况来看，高炉座数必须大大减少，平均炉容大型化是必然趋势。
高炉大型化，有利于提高劳动生产率、便于生产组织和管理，提高铁水质量，有利于减少热量损失、降低能耗，减少污染点，污染容易集中管理，有利于环保。
所有这一切都有利于降低钢铁厂的生产成本，提高企业的市场竞争力。
1.2高炉冶炼现状及其发展
（1）炉容大型化及其空间尺寸的横向发展。
最近几年来，大型钢铁企业大多采用V有4000m3以上的高炉，中国沙钢拥有世界上最大的高炉，有效容积达5860m3。
（2）精料：
精料是改善高炉冶炼的基础，近代高炉冶炼必须将精料列为头等重要措施,精料包括提高入炉况品味，改善入炉原料的还原性能，提高熟料率，稳定入炉原料成分和整粒。
（3）提高鼓风温度：
提高鼓风温度可以大幅度降低焦比，特别是在鼓风温度比较低时效果更为显著。
（4）高压操作：
高压操作可以延长煤气在炉内的停留时间，改善煤气热能及化学能利用，有利于高压操作，为强化冶炼创造条件。
（5）富氧大喷吹：
从60年代起，世界各国都在发展向炉内喷吹燃料的技术，取代部分焦炭。
喷吹得燃料有重油、天然气和煤粉等，燃料种类的选择与国家和地区的资源条件有关。
目前国内外大多以喷吹煤粉（无烟煤和烟煤）为主。
（6）电子计算机的应用：
60年代起高炉开始已用计算机，目前已可以控制配料、装料和热风炉操作。
高炉冶炼计算机控制的最终目标是实现总体全部自动化控制，但由于目前冶炼技术水平，还难于实现这一目标。
1.3高炉生产主要技术经济指标
高炉生产主要技术经济指标是衡量高炉生产优劣的参数，因此，现代高炉在冶炼过程中总是尽量提高高炉的主要生产经济技术指标。
1．综合冶炼强度
冶炼强度是指每昼夜每立方米高炉有效容积燃烧的焦碳量，高炉喷吹燃料时，冶炼强度应包括燃烧焦碳和喷吹物折合焦碳的总量，即称为综合冶炼强度。
冶炼强度的选择主要应根据原燃料及冶炼条件、同类型的高炉的实际生产指标、鼓风机能力等经过计算、比较后确定。
在原燃料相似的情况下，一般较大容积的高炉采用较低的冶炼强度，较小容积的高炉采用较高的冶炼强度。
2．焦比
焦比是指冶炼一吨生铁所需要的焦碳量。
焦比可根据设计所采用的原燃料、风温、设备、操作等条件与实际生产情况进行全面分析比较和计算确定。
当高炉采用喷吹燃料时，计算焦比必须考虑喷吹物的焦碳置换量。
3．煤比（Y）。
冶炼每吨生铁消耗的煤粉量称为煤比。
当每昼夜煤粉的消耗量为QY时，则：
Y=
喷吹其它辅助燃料时的计算方法类同，但气体燃料应以体积（
）计算。
单位质量的煤粉所代替的焦炭的质量称为煤焦置换比，它表示煤粉利用率的高低。
一般煤粉的置换比为0.7～0.9。
4．高炉有效容积利用系数
利用系数是指每昼夜每立方米高炉有效容积生产的生铁量。
5．休风率
休风率是指高炉休风时间占高炉规定作业时间的百分数。
休风率反映高炉设备维护的水平。
一定的高炉休风率是保证高炉检修以获得安全操作和高指标的途径之一，但是高炉休风率不能过大，否则会降低年产量。
本设计选取年工作日为355天。
6．高炉一代寿命
高炉一代寿命是从点火开炉到停炉大修之间的冶炼时间，或是指高炉相邻两次大修之间的冶炼时间。
大型高炉一代寿命为10～15年。
7．生铁合格率：
高炉生产的化学成分符合国家的规定的合格生铁占生铁量的百分数为生铁合格率。
8．生铁成本。
生产1t合格生铁所消耗的所有原料、燃料、材料、水电、人工等一切费用的总和，单位为元/t。
1.4高炉冶炼的主要操作技术措施
高炉基本操作制度包括热制度、造渣制度、送风制度和装料制度。
高炉冶炼强化的主要途径是提高冶炼强度和降低燃料比，本设计由于采用了现代炼铁新技术，单位容积的产铁量较大，使高炉达到强化生产，其主要措施有精料、提高风温、高压、加湿和脱湿鼓风、喷吹燃料以及高炉生产过程的自动化等。
本设计主要操作技术措施如下：
（1）采取调节喷吹量来维持稳定的热制度，以保持炉况顺行。
（2）采用高炉高碱度渣操作制度，有利脱硫。
1.5本设计采用的技术
（1）无钟炉顶和皮带上料，布料旋转溜槽可以实现多种布料方式。
（2）本设计采用了陶瓷杯炉缸炉底结构。
（3）高炉喷煤设备。
（4）有余热回收和余压发电装置。
（5）水渣系统采用过滤式。
第二节工艺计算
2.1配料计算
2.1.1原料成分计算
表2-1原料成分原始资料
项目
%Fe
%Fe2O3
%FeO
%CaO
%P2O5
%MgO
%SiO2
烧结矿
58.3
74.15
8.35
8.72
0.12
1.69
4.76
球团矿
61.83
86.36
1.50
0.69
0.01
0.60
6.80
天然矿
63.92
90.41
0.82
0.62
0.03
0.42
3.70
炉尘
40.08
45.22
10.76
6.68
0.16
4.02
4.88
项目
%Al2O3
%MnO
%TiO2
%V2O5
%S/2
%烧损
%∑
烧结矿
1.71
0.39
0.11
0.00
0.006
0.00
100.012
球团矿
1.71
0.18
1.77
0.03
0.02
2.85
102.54
天然矿
1.62
0.12
0.00
0.00
0.03
2.31
100.11
炉尘
2.50
0.14
C=25.56
0.1
0.00
100.03
表2-2校核后原料成分资料
项目
%Fe
%Fe2O3
%FeO
%CaO
%P2O5
%MgO
%SiO2
烧结矿
58.40
74.14
8.35
8.72
0.12
1.69
4.76
球团矿
60.09
84.22
1.46
0.67
0.01
0.59
6.63
天然矿
63.85
90.31
0.82
0.62
0.03
0.42
3.69
炉尘
39.86
45.21
10.75
6.68
0.16
4.02
4.88
项目
%Al2O3
%MnO
%TiO2
%V2O5
%S/2
%烧损
%∑
烧结矿
1.71
0.39
0.11
0.00
0.005
0.00
100
球团矿
1.67
0.17
1.73
0.03
0.02
2.78
100
天然矿
1.62
0.12
0.00
0.00
0.03
2.31
100
炉尘
2.50
0.14
C=25.55
0.1
0.00
100
表2-3焦炭成分
固定碳
灰分（12.24%）
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
P2O5
86.05
6.8
4.24
0.26
0.14
0.79
0.01
挥发分（1.03%）
全硫
合计
H2O
CO2
CO
CH4
H2
N2
0.30
0.30
0.04
0.26
0.13
0.68
100
0.23
表2-4煤粉成分
固定碳
灰分（10.2%）
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
Fe2O3
P2O5
74.31
5.46
2.88
0.22
0.32
0.80
0.52
挥发分（15.1%）
全硫
合计
H2O
CO2
CO
CH4
H2
N2
2.5
7.7
2.8
1.6
0.5
0.39
100
0.8
2.1.2参数设定
焦比：
350kg/t煤比：
160kg/t综合焦比：
350+160×0.8=478kg/t
铁水温度：
1500℃炉渣温度：
1550℃炉尘吹出量：
18Kg/t
炉顶煤气温度：
200℃鼓风温度：
1200℃
入炉烧结矿温度：
80℃直接还原度：
0.40炉渣碱度：
1.2
鼓风湿度：
1.5%综合冶炼强度：
1.05t/d·m3
氢的高炉利用率
：
0.35被利用氢中参加还原FeO的质量分数a：
0.9
[Si]：
0.40%[S]：
0.03%
C=1.30+2.57t铁水×10-3+0.04[Mn]-0.35[P]-0.03[Si]-0.54[S]
2.1.3预定生铁成分
表2-5元素在生铁、炉渣与煤气中的分配率
项目
Fe
Mn
P
S
V
Ti
生铁
0.998
0.5
1.0
0.8
0.1
炉渣
0.002
0.5
0.0
0.2
0.9
煤气
0.0
0.0
0.0
0.05
0.0
0.0
假设冶炼一吨生铁烧结矿的用量为1350kg，球团矿的用量是150kg，天然矿的用量是100kg。
生铁中[Si]=0.4%,[S]=0.03%。
则：
（1）生铁中[P]按原料带入全部进入生铁计算，则：
[P]=（1350×0.12%+150×0.01%+100×0.03%-18×0.16%+350×0.01%+160×0.52%）×62/142×1/1000=0.11%
（2）生铁中[Mn]按原料带入量的50%计算，则：
[Mn]=（1350×0.39%+150×0.17%+100×0.12%-18×0.14%）×55/71×50%×1/1000=0.22%
（3）生铁中的[C]量为：
[C]=（1.30+2.57×1500×10-3+0.04×0.22-0.35×0.11-0.03×0.4-0.54×0.03）/100=5.10%
（4）生铁中的[V]为：
[V]=150×0.0003×102/182×0.2/1000=5.04×10-6
（5）生铁中的[Ti]为：
[Ti]=（1350×0.11%+150×1.77%）48/80×0.9/1000=0.22%
（6）生铁中的[Fe]为：
[Fe]=100-（0.4+0.03+0.11+0.22+5.10+0.22）/100=93.92%
表2-6预定铁水成分（%）
Fe
Mn
P
S
Si
Ti
V
C
93.92
0.22
0.11
0.03
0.4
0.22
5.04×10-4
5.10
2.1.4矿石需求量的计算
焦炭带入的铁量：
350×0.79%×56/72=2.15kg
煤粉带入的铁量：
160×0.80%×112/160=0.90kg
炉尘带走的铁量：
18×（45.21×112/160+10.75×56/72）=7.20kg
进入渣中的铁量：
939.2×0.002/0.998=1.88kg
设需烧结矿Xkg/t，球团矿固定150kg/t，天然矿Ykg/t。
根据铁平衡
939.2+7.20+1.88=58.40%X+150×60.09%+63.85%Y+2.15+0.90…………①
碱度平衡
铁水等价带走的SiO2量=1000×0.4%×60/28=8.57kg
R=
1.2=
…………②
由式①②得X=1379.89kg，Y=77.60kg
2.1.5生铁成分校核
（1）生铁中含[P]=（1379.89×0.12%+150×0.01%+77.60×0.03%-18×0.16%+350×0.01%+160×0.52%）×62/142×1/1000=0.11%
（2）生铁中含[Mn]=（1379.89×0.39%+150×0.17%+77.60×0.12%-18×0.14%）×55/71×50%×1/1000=0.22%
（3）生铁中含[C]=（1.30+2.57×1500×10-3+0.04×0.22-0.35×0.11-0.03×0.4-0.54×0.03）/100=5.10%
（4）生铁中含[V]=150×0.0003×102/182×0.2/1000=5.04×10-6
（5）生铁中含[Ti]=（1379.89×0.11%+150×1.77%）48/80×
=0.22%
（6）生铁中含[Fe]=100-（0.4+0.03+0.11+0.22+5.10+0.22）/100=93.92%
表2-7校核后铁水成分（%）
Fe
Mn
P
S
Si
Ti
V
C
93.92
0.22
0.11
0.03
0.4
0.22
5.04×10-4
5.10
2.1.6渣量及炉渣成分计算
∑CaO=350×0.0026+160×0.0022+1379.89×0.0872+150×0.0069+77.60×0.0062-18×0.0668=121.90kg
∑SiO2=350×0.068+160×0.0546+1379.89×0.0476+150×0.068+77.60×0.037-18×0.0488=110.41kg
∑Al2O3=350×0.0424+160×0.0288+1379.89×0.0171+150×0.0167+77.60×0.0162-18×0.025=46.08kg
∑MgO=350×0.0014+160×0.0032+1379.89×0.0169+150×0.0060+77.60×0.0042-18×0.0402=24.82kg
∑MnO=（1379.89×0.0039+150×0.0018+77.60×0.0012-18×0.0014）×0.5=2.86kg
∑FeO=93.92×72/56×0.002/0.998=2.42kg
∑S=350×0.0068+160×0.0039+1379.89×0.0001+150×0.0004+77.60×0.0006-18×0.002-1000×0.03%=2.91kg
∑TiO2=（1379.89×0.0011+150×0.0177）×0.9=3.76kg
∑V2O5=150×0.0003×0.2=0.01kg
表2-8炉渣的成分
组成
CaO
SiO2
Al2O3
MgO
MnO
FeO
TiO2
kg
121.90
110.41
46.08
24.82
2.86
2.42
3.76
%
38.68
35.03
14.62
7.88
0.91
0.77
1.19
组成
V2O5
S
∑
CaO/SiO2
kg
0.01
2.91
315.17
1.2
%
0.92
100
2.1.7炉渣性能及脱硫能力的计算
将SiO2、CaO、Al2O3、MgO看成四元素换算成100%如下：
%SiO2+%CaO+%Al2O3%+MgO=35.03+38.68+14.62+7.88=96.21
换算为100%后：
SiO2:
35.03×100/96.21=36.41
CaO:
38.68×100/96.21=40.20
MgO:
7.88×100/96.21=8.19
Al2O3:
14.62×100/96.21=15.20
所以：
（R0`）=50-0.25（Al2O3）+3（S）-
=50-0.25×15.20+3×0.245-
=44.28
（R0）=CaO+MgO+FeO+MnO
=38.68+7.88+0.77+0.91
=48.24
（R0`）＜（R0）所以能保证脱硫
2.2物料平衡计算
2.2.1风量计算
1.风口前燃烧的碳量
（1）燃料带入总C量
GC总=G焦C焦+G煤C煤=350×0.8605+160×0.7431=420.07kg
（2）溶入生铁中的C量
GC生铁=1000×0.0510=51.0kg
（3）生成CH4的C量：
（燃料带入的总碳量约有1%到1.5%与氢化合成甲烷）
GC甲烷=1%GC总=1%×420.07=4.20kg
（4）炉尘带走的碳量
GC炉尘=18×0.2555=4.60kg
（5）直接还原消耗的C量
锰还原消耗的C量=1000×0.0022×12/55=0.48kg
磷还原消耗的C量=1000×0.0011×60/62=1.06kg
硅还原消耗的C量=1000×0.004×24/28=3.43kg
钛还原消耗的C量=1000×0.0022×24/48=1.10kg
铁直接还原消耗的C量=939.2×12/56×0.40=80.50kg
故GC直=0.48+1.06+3.43+1.10+80.50=86.57kg
（6）脱硫消耗的C量
GC脱硫=2.91×12/32=1.09kg
∴风口前燃烧的碳量
GC燃=420.07-51.0-4.20-4.60-86.57-1.09=272.61kg
2.风量计算
（1）鼓风中氧的浓度=21%（1-1.5%）+0.5×1.5%=21.44%
（2）风口前碳燃烧消耗的氧
=272.61×22.4/24=254.44m3
（3）焦炭带入氧量=350×0.0023×22.4/32=0.56m3
（4）煤粉带入氧量=160×0.008×22.4/32=0.90m3
（5）需鼓风供给的氧气体积为V=254.44-0.56-0.90=252.98m3
故V风=252.98/21.44%=1179.94m3
2.2.2炉顶煤气成分及数量计算
（1）甲烷的体积
由燃料C生成的CH4量=4.20×22.4/12=7.84m3
焦炭挥发分中的CH4量=350×0.0004×22.4/16=0.20m3
煤粉挥发分中的CH4量=160×0.028×22.4/16=6.27m3
故
=7.84+0.20+6.27=14.31m3
（2）氢的体积
由鼓风中水分分解产生的H2量=1179.94×1.5%=17.70m3
焦炭水分分解产生的H2量=350×0.0023×22.4/18=1.00m3
焦炭挥发分中的H2量=350×0.0026×22.4/2=10.19m3
煤粉挥发分中的H2量=160×0.016×22.4/2=28.67m3
煤粉水分分解产生的H2量=160×0.008×22.4/18=1.59m3
生成甲烷消耗的H2量=4.20×2=8.40m3
炉缸煤气中H2的总量=17.70+1.00+10.19+28.67+1.59=59.15m3
参加间接还原消耗的H2量=59.15×0.35=20.70m3
故
=59.15-8.40-20.70=30.05m3
（3）二氧化碳的体积
由矿石和煤粉带入的Fe203的量=1379.89×74.14%+150×84.22%+77.60×90.31%+160×0.8%-18×45.21%=1212.60kg
参加还原Fe2O3为FeO的氢气量=20.70×（1-0.9）×2/22.4=0.185kg
由氢还原的Fe2O3的量=0.185×160/2=14.80kg
由CO还原的Fe2O3的量=1212.60-14.80=1197.80kg
故CO2还=1197.80×22.4/160=167.69m3
CO还原FeO为Fe生成CO2的量=939.92×（1-0.4-
）×22.4/56=206.62m3
焦炭挥发分中的CO2量=350×0.30%×22.4/44=0.53m3
煤粉挥发分中的CO2量=160×2.5%×22.4/44=2.04m3
故
=167.69+206.62+0.53+2.04=376.88m3
（4）一氧化碳的体积
风口前碳燃烧生成CO量=GC燃×22.4/12=272.61×22.4/12=508.87m3
直接还原生成CO量=86.57×22.4/12=161.60m3
焦炭挥发分中的CO量=350×0.3%×22.4/28=0.84m3
煤粉挥发分中的CO量=160×7.7%×22.4/28=9.85m3
间接还原消耗的CO量=206.62+167.69=374.31m3
故
=508.87+161.60+0.84+9.85-374.31=306.85m3
（6）氮气的体积
鼓风带入的N2量=1179.94×（1-1.5%）×79%=918.17m3
焦炭带入的N2量=350×0.13%×22.4/28=0.364m3
煤粉带入的N2量=160×0.5%×22.4/28=0.64m3
故
=918.17+0.364+0.64=919.17m3
由以上结果可得煤气成分表，见表2-8
表2-9煤气成分表
成分
CO2
CO
N2
H2
CH4
∑
m3
376.88
306.85
919.17
30.05
14.31
1647.26
%
22.88
18.63
55.80
1.82
0.87
100
2.2.3编制物料平衡表
（1）鼓风量的计算
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