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1、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7080%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.

2、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) (5 1) (2) 高炉直接还原度 Rd (5 2) (3) 高炉总直接还原度 (5 3) (5 7) (5 8) (5 8 ) 4. 高炉内碳素利用程度 (1) 炉顶煤气中CO2与CO的比值m m = CO2 CO (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) (5 10) CO值大，说明煤气利用好

3、 ( CO值一般为0.4左右)。 (3) 碳素热能利用系数 C C = 0.2932 + 0.7068 CO ( C值一般在0.6左右) (5 11) 5. 高炉内热能利用程度 t (5 12) ( t值一般为0.850.92) 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 H2 CO = const = 0.9 1.1。 西德巴格达弟经验关系： H2 CO = 0.88 + 0.1/ CO (5 14) 苏联巴巴柳金经验关系： H2 CO = 1.41 1.07 CO (5 15) H2 = H2O还 (H2 + H2O还) (5 13)

4、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

5、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

6、、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

7、、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： FeS FeS2 SO3 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： H

8、2O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、O5.2.2 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1.01.5%，计入

9、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： IF Sum = 99.5100.0，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。 IF 100.0 Sum 2.0，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) IF 100.0 Sum 2.0，THEN 整体调整： (MeXOi ) 100% 或 要求重新给定成分。 2. 物料平

10、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，

11、 % 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 ： (5 17) O平衡方程 ： (5 18) N平衡方程 ： (5 19) H平衡方程 ： (5 20) 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(5 18)和H平衡方程式(5 20)消除H2O还，而得到一个无H2O还的O平衡方程式 ： (5 18 ) 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 (5 17)、 O平衡方程 (5 18 ) (5 21) (5 2

12、2) C, N平衡法： C平衡方程 (5 17)、 N平衡方程 (5 19) (5 21) (5 23) O, N平衡法： O平衡方程 (5 18 )、N平衡方程 (5 19) (5 24) (5 23) 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 + 12/44 CO2%矿) C熔 =

13、 熔剂量 12/44 CO2%熔 C废 = 废铁量 C%废 C焦 = 干焦比 (C%焦固+12/44 CO2%焦挥+12/28 CO%焦挥+12/16 CH4%焦挥) C喷 = 喷吹量 C%喷 C尘 = 炉尘量 (C%尘 + 12/44 CO2%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 (48/159.7 Fe2O3%喷 + 16/71.85 FeO%喷 + O2%喷 + 16/18 H2O%喷) ， kg/t O矿 = 矿石量 (

14、48/159.7 Fe2O3%矿 + 16/71.85 FeO%矿 + 32/44 CO2%矿 + 16/18 30% H2O化%矿) OSi,Mn,P,S = 32/18 10 Si+16/55 10 Mn+80/62 10 P+渣量 16/32 (S%) O熔 = 熔剂量 (48/159.7 Fe2O3%熔+16/71.85 FeO%熔+32/44 CO2%熔) O废 = 废铁量 (48/159.7 Fe2O3%废 + 16/71.85 FeO%废) O焦 = 干焦比 (16/71.85 FeO%焦灰+32/44 CO2%焦挥+16/28 CO%焦挥) O尘 = 炉尘量 (48/159.7

15、 Fe2O3%尘+16/71.85 FeO%尘+32/44 CO2%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 = 2/18 0.3 矿石量 H2O化%矿+干焦比 (H2%焦挥+4/16 CH4%焦挥)，kg/t H喷 = 喷吹量 (H2%喷 + 2/18 H2O%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/N

16、m3 鼓风重量： G风 = V风 风， kg/t 风中水分 = V风 ， Nm3/t (= 18/22.4 V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 = 18/22.4 H2O还+0.7 矿石量 H2O化%矿+炉料物理水重量，kg/t表5 6 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

17、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： (5 26) 或 (5 27) CdFe = C气化 C风口 CdSi, Mn, P, S 1.5C熔 C焦挥 CH2O化， kg/t ， kg/t CdSi,Mn,P,S = 24/28 10 Si+12/55 10 Mn+60/62 10 P+渣量 12/32 (S%) C焦挥 = 干焦比 (12/44 CO2%焦挥+12/28 CO%焦挥+12/16 CH4%焦挥) 当炉顶煤气中无CH4时，C焦挥 = 干焦比 (12/44 CO2%

18、焦挥+12/28 CO%焦挥) CH2O化 = 12/18 0.3 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： H2 CO = 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

19、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 P Fe%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 (55.85/71.85 FeO%焦灰+55.85/8

20、7.85 FeS%焦灰) Fe喷 = 喷吹量 (111.7/159.7 Fe2O3%喷+55.85/71.85 FeO%喷+55.85/87.85 FeS%喷) Fe废 = 废铁量 Fe%废 Fe生 = 1000 Fe% = 10 Fe Fe渣 = 1000 Fe% Fe Fe ( =0.0020.003， =0.9980.997) 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

21、= 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

22、+ CaO喷 CaO尘 SiO2渣 = SiO2矿+SiO2熔+SiO2废+SiO2焦灰+SiO2喷 SiO2尘 60/28 10 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 (1 S) (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

23、 + (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 u 100% ， wt.%表5 炉渣数量和成分表组 分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOS/2V2O5TiO2(K+Na)2O CaO/SiO2kg/twt.%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14001500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： 13001450 铸造生铁： 135015

24、00 炉渣粘度以14501500(炉缸温度)下，0.20.6Pa s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： (5 84) 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： lg CS = 2.55B 7.23 (3 117) LS = m CS (m值由表3 6查得) (3 118) 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

25、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FeSiMnPSVTiC 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 CdFe CdSi,Mn,P,S CC CCO2 CH2O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 + 12/16 CH4%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 = 24/28 1