2000m3高炉炉型设计及物料平衡计算

1、2000m 3 高炉炉型设计及物料平衡计摘要： 本设计要求建2000m3 炼铁高炉。设计主要内容包括高炉炉型设计计算及高炉本体立剖图，同时对所设计高炉的特点进行简述。设计高炉有效容积为2000m3,高径比取，高炉利用系数取值为，据此设计高炉炉型。设计本着优质、高产、 低耗和对环境污染小的宗旨，为日产生铁4000t 的高炉提供高炉内型设计。并对2000m3 炼铁高炉进行物料平衡计算，物料平衡计算是炼铁工艺计算中重要组成部分，它是在配料计算的基础上进行的。整个物料平衡计算有配料计算和物料衡算两部分构成。在配料计算过程中，进行了原料和燃料的全分析，渣铁成分及含量分析；在物料衡算过程中计算了包括鼓风量

2、、煤气量以及物料收支总量等项内容的计算，并制作物料平衡表。关键词： 高炉发展；高炉炉型；炉型计算；物料平衡配料计算物料衡算物料平衡表绪论最近二十年来，日本和欧盟区的在役高炉座数由1990 年的 65 座和 92座下降到28 座和 58 座，下降幅度分别为%和 37%，但是高炉的平均容积却分别由1558m和1690m上升到4157m和2063m，上升幅度为 咐口 22%这基本代表了国外高炉大型化的发展状况。高冶炼强度、高富氧喷煤比和长寿命化作为大型高炉操作的主要优势受到大家越来越高的关注和青睐, 但是高炉大型化作为一项系统工程, 它在立足自身条件的基础上仍须匹配的炼钢、烧结和炼焦能力。我国近年推

3、出的钢铁产业发展政策中规定高炉炉容在300m以下归并为淘汰落后产能项目，且仍存在扩大小高炉容积的淘汰范围的趋势。同时国内钢铁产业的快速发展均加速了世界和我国高炉大型化的发展进程。由于大型化高炉具备的单位投资省、效能高和成本低等特点，从而有效地增强了其竞争力。20世纪高炉容积增长非常快。20世纪初，高炉炉缸直径4-5m,年产铁水约100000 吨左右，原料主要是块矿和焦炭。20 世纪末，最大高炉的炉缸直径达到14-15m， 年产铁水300-400 万吨。 目前， 特大型高炉的日产量能够达到甚至超过12000 吨。例如，大分厂2 号高炉（日本新日铁）炉缸直径，生产能力为13500吨铁 / 天。蒂森

4、 - 克虏伯公司施韦尔格恩2 号高炉炉缸直径，生产能力为12000吨铁 /天。 70年代末全世界2000立方以上高炉已超过120座，其中日本占1/3，中国有四座。全世界4000 立方以上高炉已超过20 座，其中日本15 座，中国有1 座在建设中。我国高炉大型化的发展模式与国外基本相近，主要是采取新建大型高炉、以多座旧小高炉合并成大型高炉和高炉大修扩容等形式来推动着高炉的大型化发展。据不完全统计，我国自2004年以来相继建成投产的3200m级15座，4000m3级8座，5000m3级3座，且有越来越大的趋势。目前，河北迁钢和山东济钢等企业也正在建设4000m3 级高炉，近来宝钢湛江和武钢防城港项

5、目也在规划筹建5500m级超大型高炉。我国高炉大型化的标准主要是依据高炉容积的大小来划分的，且衡量标准也由过去的1000m提高到2000ml,甚至更大。虽然大型化高炉相对于小高炉存在着生产率高、生产稳定、指标先进和成本低等显著的优点，但是对于我国高炉大型化的发展状况，我们仍然需要科学客观地看待。本课程设计嗨针对改路物料计算做了计算，分析。 高炉物料平衡的计算是通过高炉配料计算确定单位生铁所需要的矿石、焦炭、 石灰石和喷吹物等数量，这是制定高炉操作制度和生产经营所不可缺少的参数。而在此基础上进行的高炉物料平衡计算，则要确定单位生铁的全部物质收入与支出，即计算单位生铁鼓风数量与全部产品的数量，使物

6、质收入与支出平衡。这种计算为工厂的总体设计、设备容量与运输力的确定及制定生产管理与经营制度提供科学依据，是高炉与各种附属设备的设计及高炉正常运转的各种工作所不可缺少的参数。第一章高炉炉型高炉是竖炉，高炉内部工作空间剖面的形状称为高炉炉型或高炉内型。高炉冶炼的实质是上升的煤气流和下降的炉料之间进行传热传质的过程，因此必须提供燃料燃烧的空间，提供高温煤气流与炉料进行传热传质的空问。高炉炉型要适应原燃料条件的要求，保证冶炼过程的顺利。炉型的发展过程炉型的发展过程主要受当时的技术条件和原燃料条件的限制。随着原燃料条件的改善以及鼓风能力的提高，高炉炉型也在不断地演变和发展，炉型演变过程大体可分为3 个阶

7、段。（ 1）无型阶段又称生吹法。在土坡挖洞，四周砌行块，以木炭冶炼，这是原始的方法。（ 2）大腰阶段炉腰尺寸过大的炉型。出于当工业不发达，高炉冶炼以人力、蓄力、风力、水力鼓风，鼓风能力很弱，为了保证整个炉缸截面获得高温，炉缸直径很小，冶炼以木炭或无烟煤为燃料，机械强度很低，为了避免高炉下部燃料被压碎，从而影响料柱透气性，故有效高度很低；为了人工装料方便并能够将炉料装到炉喉中心炉喉直径也很小，而大的炉腰直径减小了烟气流速度，延长了烟气在炉内停留时间，起到焖住炉内热量的作用。因此， 炉缸和炉喉直径小，有效高度低，而炉腰直径很大。这类高炉生产率很低，一座28m3 高炉日产量只有 t 左右。（ 3）

8、近代高炉由于鼓风机能力进一步提高原燃料处理更加精细，高炉炉型向着“大型横向”发展。 高炉内型合理与否对高炉冶炼过程有很大影响。炉型设计合理是获得良好技术经济指标，保证高炉操作顺行的基础。五段式高炉高炉有效客积和有效高度高炉大钟下降位置的下沿到铁口中心线间的距离称为高炉有效高度，对于无钟炉顶为旋转溜槽最低位置的下缘到铁口中心线之间的趴离。在有效高度范围内，炉型所包括的容积称为高炉有效容积。高炉的有效高度，对高炉内煤气与炉料之间传热传质过程行很大影响。在相同炉窖和冶炼强度条件下，增大有效高度，炉料与煤气流接触机会增多，有利于改善传热传质过程、降低燃料消耗；仅过分增加有效高度，料校对煤气的阻力增大容

9、易形成料供，对炉科下降不利。高炉有效高度应适应原燃料条件，如原燃料强度、粒度及均匀性等。生产实践证明，高炉有效高度与有效容积有一定关系，但不是直线关系，当有效容积增加到定值后，有效高度的增加则不显著。炉缸 高炉炉型下部的圆筒部分为炉缸，炉缸的上、中、 下部位分别没有风口、渣口与铁口，现代大型高炉多不设渣口。炉缸下部容积盛装液态渣铁，上部空间为风口的燃烧带。（ 1） 炉缸直径炉缸直径过大和过小都直接影响高炉生产。直径过大将导致炉腹角过大，边缘气流过分发展，中心气流不活跃而引起炉缸堆积，同时加速对炉衬的侵蚀；炉缸直径过小限制焦炭的燃烧影响产员的提高。炉缸截面积应保证一定数量的焦炭和喷吹燃料的燃烧，

10、炉缸截面燃烧强度是高炉冶炼的一个重要指标，它是指每1h每1m炉缸截面积所烧侥的焦炭的数量，一般为（m 2 h）。炉缸截面燃烧强度的选择，应与风机能力和原燃料条件相适应，风机能力大、原料透气性好、燃料可燃性好的燃烧强度可选大些，否则选低值。（ 2）炉缸高度炉缸高度的确定，包括渣口高度、风口高度以及风口安装尺寸的确定。铁口位于炉缸下水平面，铁口数目根据高炉炉容或高炉产量而定，一般1000m以下高炉设一个铁口，15003000m高炉设23个铁口，3000m 以上高炉设34个铁口，或以每个铁口日出铁量 15003000t设铁口数目。原则上出铁口数目取上限，有利于强化高炉冶炼。渣口中心线与铁口中心线间距

11、离称为渣口高度，它取决于原料条件，即渣量的大小。渣口过高，下渣量增加，对铁口的维护不利；渣口过低，易出现渣中带铁事故，从而损坏渣口，大、中型高炉渣口高度多为。（ 3）炉腹炉腹在炉缸上部，呈倒截圆锥形。炉腹的形状适应了炉料熔化滴落后体积的收缩，稳定下料速度。同时，可使高温煤气流离开炉墙，既不烧坏炉墙又有利于渣皮的稳定，对上部料柱而言，使燃烧带处于炉喉边缘的下方，有利于松动炉料，促进冶炼顺行。燃烧带产生的煤气量为鼓风量的倍左右，理论燃烧温度18002000C,气体体积剧烈膨胀，炉腹的存在适应这一变化。炉腹的结构尺寸是炉腹高度h2和炉腹角a。炉腹过高，有可能炉料尚未熔融就进人 收缩段，易造成难行和悬

12、料；炉腹过低则减弱炉腹的作用。（ 4）炉身炉身呈正截圆锥形，其形状炉料受热后体积的膨胀和煤气流冷却后的收缩，有利于减少炉料下降的摩擦阻力，避免形成料拱。炉身角对高炉煤气流的合理分布和炉料顺行影响较大。炉身角小，有利于炉料下降，但易于发展边缘煤气流，过小时但只边缘煤气流过分发展。炉身角大，有利于抑制边缘煤气流发展，但不利于炉料下行，对高炉顺行不利。设计炉身角时要考虑原料条件，原料条件好时，可取大些，相反，则取小些。高炉冶炼强度大，喷煤量大，炉身角取小值。同时要适应高炉容积，一般大高炉由于径向尺寸大，径向膨胀量也大，就要求小些，中小型高炉大些。（ 5）炉腰炉腹上部的圆柱形空间为炉腰，是高炉炉型中直

13、径最大的部位。 炉腰处恰是冶炼的软熔带、透气性变差，炉腰的存在扩大了该部位的横向空间，改善了透气条件。在炉型结构上，炉腰起着承上启下的作用，使炉腹向炉身的过渡变得平缓，减小死角。炉腰直径与炉缸直径和炉腹角和炉腹高度几何相关，并决定了炉型的下部结构特点。一般炉腰直径与炉缸直径有一定比例关系，大型高炉D/d取值,中型高炉，小型高炉。（ 6）炉喉炉喉吴圆柱形，它的作用是承接炉料，稳定料面，保证炉料合理分布。炉喉直径与炉腰直径、炉身角、炉身高度几何相关，并决定了高炉炉型的上部结构特点。第二章高炉炉型设计计算根据任务要求, 可得出以下条件：Hu/D= Vu=15003000m设置2个铁口 炉腹炉腰直径D

14、/炉缸直径d=炉腹角取78o-83o炉渣口高度 炉腰直径高度1-3m炉喉直径di/炉腰直径D=一本设计任务：设计2000m高炉一座定容积选定高炉座数为1座，高炉利用系数为 4v=（m3 d）,高炉容积U=2000n3确定年工作日和日产量年工作日为355天，日产量P总=M4v=4000t炉缸尺寸1 炉缸直径它是决定焦炭燃烧量和出铁能力的重要参数，大型高炉一般采用经验公式：0.42050 4205炉缸直径d 0.4087V u0.4087 2000 0.4205 10.0m2 ） 炉缸高度要求能储存一次铁水量和下渣量，加上出铁量波动系数。一般应使炉缸的容积占高炉有效容积的一个比例范围，现代大型高炉

15、一般在17%-18%£右。A.炉缸高度0.1590.841hi 1.4206Vu34.8707V 14.7mB.风口高度hi 3.09 取 h3.1mhf k 0.55hfC.风口数量1.2炉腰尺寸(1) )炉腰直径决定于炉缸直径，炉腰高度和角度，炉腰直径稍大些好，它有利改善初 成谓的透气性 可D/d来确定，可经验公式炉腰直径 D 0.5684v0.3942 0.5684 20000.3942 1 1.3m(2) 炉腰高度在炉腹部位炉料下降缓慢，未还原的矿石在此经过充分还原后进入炉 缸。因此，炉腹的高度应与炉容相适应。炉腹过高，可能是炉料还未熔化就过早 的进入炉腹，容易导致悬料：炉腹

16、过低就无法发挥作用炉腰高度0.21520.7848h3 0.3586V u6.3278V u1.8m(3) .炉喉尺寸1)炉喉直径 d1 0.4317VU3777 0.4317 20000.3777 7.6m2)炉喉高度炉喉起到控制炉料和煤气流分布的作用。炉喉过高时炉料挤紧，影响下降速度，过低不便使改变装料制度调节煤气流分布。一般在13m炉喉高度0.24460.7554h5 0.3527V u28.3805V u2.3m(4) .炉腹高度在炉腹部位炉料下降缓慢，未还原的矿石在此经过充分还原后进入炉 缸，所以在冶炼铸造生铁和使用难还原的矿石的时候，炉腰要高一些好。炉腹高度0.78480.8129

17、0.841 1h2 1.6818Vu 63.5879 Vu0.719Vu0.517Vu3.2m(5) .炉身高度主要炉料粒度和焦炭强度等对煤气流分布的影响，也要考虑和其他比为 的相互关系炉身高度0.77010.75540.7848h46.3008Vu 47.7322 Vu0.7833Vu0-5769Vu 15m(6)有效高度高炉有效高度直接影响到高炉的还原能力和热交换能力，并对料柱的透 气性带来影响有效高度hu h h2 h3 h4 h5 4.7 3.2 15 1.8 2.3 27m(7)死铁层高度 22, 一h0 0.0937Vud0.0937 2000 10 2 1.874m(8)日产量

18、p Vu Nv 2.0 2000 4000t(9)炉腹角、炉身角A.炉腹角tan加工 4.923D d 11.3 1078.5o19B.炉身角tan-h2 158.108D d111.3 7.683.0o(10)校核炉容炉缸体积 V1 -d2h1 0.785 100 4.7 368.95m3炉腹体_ 2_23V2 h2 D Dd d 0.262 3.2127.69 113 100285.27m炉腰体积 V3 -D2h3 0.785 127.69 1.8 180.43m3炉身体积-2_2 , _ 3V4 h4 D D d1 d10.262 15 127.69 85.88 57.761066.33

19、m炉喉体积 V5 -d2h5 0.785 57.76 2.3 104.29m3Vu Vi V2 V V V高炉容积3368.95 285.27 180.43 1066.33 104.29 2005.27m相对误差V Vu VuVu2005.27 2000 100%20000.26% 1%所以，设计合理。具体设计参数见表。表高炉内型参数项目参数项目参数炉缸直径10炉缸局度炉腰直径炉腰高度炉喉直径炉喉高度死铁层高度炉腰角°炉身高度15炉腹角°炉腹高度风口数目26有效高度27铁口数目2高径比有效容积2000第三章物料平衡计算整个物料平衡计算有配料计算和物料衡算两部分构成配料计算由

20、于物料平衡计算是在配料计算的基础上进行的，故欲进行物料平衡的计 算，就得先进行配料计算。而配料计算的基本原则是要满足质量守恒定律，即加入炉内的炉料中的各种元素和化合物的总和应等于高炉产品中各元素和化合物 的总和。为进行配料计算，需收集和整理一些资料。包括：1、需要原料和燃料的全分析数据，并折算成 100%2、生铁品种及其成分；3、确定矿石配比；4、确定焦比；5、各种元素在生铁、炉渣和煤气间的分配率；6、炉渣成分，即选定合适的炉渣碱度。确定原始条件原始条件包括(1)原料的主要成分见表1烧结矿球团矿天然矿混合矿石灰石（2）焦炭成分及焦炭灰分、挥发分和有机物见表 2至表4表2焦炭成分（）灰分水分挥发

21、分有机物S固定碳TFe 焦炭中的水分是在打水熄焦时渗入得，通常为 2%6%.表3焦炭灰分（%FezQSiO2CaOMgOAl 2O3MnOP2O5表4焦炭挥发分和有机物含量（%成分COCOCHHbN2S挥发物有机物(4)煤粉成分见表5表5煤粉成分(为CH2N2O2H2。S灰分SiO2AL2O3CaOMgOFeO(5)炼钢生铁成分见表6表6炼钢生铁成分(为SiMnSPCFe(6)配矿比：烧结矿70%球团矿20% 天然矿10%(7)元素分配率见表.7表7各种元素的分配率(%FeMnPS生铁501003炉渣50082煤气00015(8)炉渣碱度 R = CaO/SiO 2 =。(9)焦比为450 k

22、g/t ,煤比为90 kg/t计算以1000Kg生铁作为计算单位，进行计算：(1)根据铁平衡求矿石需求量：焦炭带入的铁量：450 X = kg煤粉带入的铁量：90XX ( 56 + 72) = kg进入炉渣的铁量：X ( + )= Kg需要混合矿量：()+ = Kg(2)根据碱度平衡求石灰石用量：混合矿带入的CaO量：X = kg焦炭带入的CaO量：450XX =kg煤粉带入的CaO*: 90 X = kg共带入的CaO量：+ + = kg混合矿带入的SiO2量：X = kg焦炭带入的SiO2量：450XX = kg煤粉带入的SiO2量：90 X = kg共带入的SiO2量：+ + = kg还

23、原 Si 消耗的 SiO2 量：3X(60 + 28)= kg石灰石用量：kg考虑到机械损失及水分，则每吨生铁的原料实际用量列于表8表8每吨生铁的实际用量名称干料用量/kg机械损失/%水分/%实际用量/kg混合料3右灰心1焦炭45024合计(3)终谓成分：1)终谓S量：炉料全部含S量：X + 450 X + 90 X + X =3.36 Kg进入生铁S量：Kg进入煤气S量:X = Kg进入炉渣S量：=Kg由于分析得到的二价钙离子都折算成 CaO而其中一部分钙离子以CaS形式存在，CaSt CaO之重量差为S/2,为了重量平衡钙离子仍以 CaO存在计 算，而S则只算S/2。2）终谓 FeO量：X

24、 （72/56） = 6.12 Kg3）终谓 MnCM: XX = 8.64 Kg4）终谓 SiO2 量：=160.50 Kg5）终谓 CaO*: +X = 167.41 Kg6）终谓Al2Q量:X + 450 X X + 90 X + X = 44.88 Kg7）终谓 MgCM: X + 450 X X + 90 X + X = 26.38 Kg 终谓成分见表9 。表9终谓成分成分SiQAl2O3CaOMgOMnOFeOS/2ERkg%（4）生铁成分校核：1）生铁含量：X + 450 XXX 62/142 + X = 1.62 Kg1000 =%2）生铁含S量：3）生铁含Si量：%4）生铁含

25、 Mn量：X X 55/71 乂 100/1000 =%5)生铁含Fe量：6)生铁含 C量：100% % % %- % - % =%最终生铁成分列于表10表10最终生铁成分(%SiMnSPCFeE校验结果与原设生铁成分相符合.物料平衡高炉物料衡算分两种情况，一是生产高炉的，另一种是设计高炉的，它们计 算的内容、方法和程序有所不同。但计算原理是一样的。本课题做的是炼铁设计 时的物料衡算方法。是在前面配料计算的基础上进行的。原始条件的确定原始条件为：7(1)选择确定直接还原度：可根据煤气成分来计算，但较复杂，故这里直 接选定直接还原度rd = o(2)鼓风湿度f:这里取大自然湿度为 Kg/ m3

26、,f =% 。(3)假定入炉碳量%勺碳与味反应生成CH4 (纯焦冶炼可取%M吹燃料时 可取%。物料衡算物料平衡计算步骤为：(1) 风口前燃烧的碳量: 焦炭带入固定碳量：450 X = Kg 煤粉带入固定碳量：90 X = Kg 共计燃烧碳量：+ = Kg 生成CH的碳量：X = Kg 熔于生铁的碳量：X 1000 = Kg还原Mn消耗的碳量：X 1000X55 = Kg还原Si消耗的碳量：X 1000X 24/28 = Kg还原P消耗的碳量：X 1000X 60/62 = Kg还原Fe消耗的碳量：X 1000X X 12/56 = Kg直接还原消耗的碳量：+ + + = Kg风口刖燃烧碳量：C

27、风=-=KgC风占入炉总碳量的百分数：X 100% = %( 2)根据碳平衡计算风量：鼓风中氧的浓度：X + X = m3/ m3风口前燃烧碳素需要氧量：(X) / (2X12)=煤粉可供给：90 X (32 + 36 ) X = m3则每吨生铁鼓风量：V风=()/ = m3( 3)计算煤气各组分的体积和成分：1) CH的体积：由燃烧碳素生成CH: X12 = m3焦炭挥发分含CH： 450XX 16 = m3进入煤气的CH4： + = m32) H2体积：由鼓风中水分分解出的 代：X = m3焦炭挥发分及有机物的 代量：450X+X2 = m3煤粉分解出得 代量：90X +18)X2 = m

28、340%8 ，即：入炉总H2量：+ = m3在喷吹条件下参加还原反应的H2量为入炉总H2昼X = m3生成CH的H量：X 2 = m3进入煤气的H2量：=m33) CO2体积：由Fe2Q还原FeO所生成的CO: 乂 X 160 = m3由FeO还原Fe所生成的CO: 乂 X 87 = m3由MnOS原MnOff生成的CO:X X 87/103) X87=m3另外，H2还参加还原反应，即相当于同体积的CO参加反应，所以CO生成量 中应减去m3总计间接还原生成CO量：+ = m3石灰石分解出的CO量：XX 44 = m3焦炭挥发分的CO量：450X X44 = m3混合矿分解出的CO量：XX 44

29、 = m3煤气中总CO量：+ = m34)CO体积：风口前碳素燃烧生成的CO量：X 12 = m3 各种元素直接还原生成的CO*: X 12 = m3 焦炭挥发分中的CO量：450X X 12 = m3 间接还原消耗CO量为。则煤气中总CO量：+ = m35) N2体积：鼓风中带入的N2量：XX = m3 焦炭带人的 N量：450X X 28 = m3 煤粉带入的N量：90XX 28 = m3 煤气中总降量：+ = m3根据计算，列出煤气成分表11。表11煤气成分成分COCON2CH总计体积/3/ m%100(4)计算物料重量和编制平衡表：1)计算鼓风重量：1 m3鼓风重量：(XX 32 + XX 28 + X18) / = Kg/ m3全部鼓风重量：X = 1670.99Kg2)计算煤气的重量：1m3的重量：(X 44 + X28 + X28 + X2 + X 16) / = m3全部煤气重量：x = 3)计算水分重量：炉料带入的水分：450 X =H2还原生成的水分：X 18/ = 25.75Kg总计水分重量：+ =4)计算炉料机械损失：-=59.82Kg根据上述计算，列出物料平衡表12，表12物料平衡序号收入项/Kg支出项/Kg绝对误差/Kg相对误差/%1原料生铁2鼓风炉渣3煤粉煤气4水分5炉料机械损失合计一般平衡相对误差允许在 蛆下，所以计算是正确的第四章 结语经过两周