年产380万吨炼钢生铁车间或2000立方米高炉设计-毕业设计

根据昆钢原燃料条件，设计一座年产炼钢生铁380万吨的高炉车间学院：冶金与能源工程学院专业：冶金工程

AccordingtothefuelandrawmaterialsconditionsofKunmingIronandSteelCompany,designablastfurnaceiron-makingworkshopwitharatedannualcapacityof3.8milliontonsofhotmetal.Speciality:MetallurgicalengineeringGrade:2021Author:University:KunmingUniversityTutor:Date:2021.3.12~2002

目录摘要 IABSTRACT II第一章概述 1高炉炼铁工艺流程 1设计任务 3高炉主要经济技术指标的选择 3高炉有效容积利用系数ηv。 3高炉冶炼焦比K，煤比M。 3高炉冶炼强度 4高炉一代寿命 41.4设计所采用的先进技术 4高炉煤气余压透平发电装置 4高炉煤气全干式布袋收尘 6热风炉烟气余热回收 9高炉综合长寿技术 9厂址的选择 9第二章高炉炼铁计算 11配料计算 11有关资料及其整理 11原燃料成分 11、配料计算 14、渣量及炉渣成分计算 18物料平衡计算 22鼓风量的计算 22煤气量及煤气成分的计算 24热平衡计算 29热收入项的计算 29碳氧化生成CO和CO2放热Q1的计算 292.3.1.2H2氧化放热Q2的计算 30鼓风热量Q3的计算 30成渣热Q4的计算 30炉料物理热Q5的计算 31总热收入Q的计算 31热支出项的计算 31氧化物分解耗热Q分解’的计算 31炉料游离水蒸发耗热Q蒸发的计算 35水分分解吸热Q分解的计算 36铁水带走的热量Q铁水的计算 36渣带走的热量Q渣的计算 36喷吹物分解耗热Q煤粉的计算 37干煤气带走的热量Q煤气的计算 37煤气水蒸气带走的热量Q8，的计算 37炉尘带走的热量Q8，的计算 38总热支出Q’的计算 38热损失Q失’的计算 38热平衡表的建立 39高炉热能利用分析 39高炉有效热能利用系数KT(%) 39碳素热能利用系数KC(%) 40第三章高炉本体设计 41高炉炉型设计计算 41确定年工作天数 41定容积 41炉缸尺寸 43死铁层厚度 44炉腰直径、炉腹角、炉腹高度 44炉喉直径、炉喉高度 45炉身角、炉身高度、炉腰高度 45校核炉容 45绘制高炉炉型图 47高炉炉衬的设计 48炉衬破损机理 49炉底 49炉缸 50炉腹、炉腰、炉身下部 52炉身上部和炉喉 52最终决定炉衬寿命的因素 53高炉耐火材料的选择和炉衬的设计 53炉底、炉缸及风口区域 53炉腹、炉腰、炉身下部 54炉身中部 54炉身中上部及炉喉 553.3高炉冷却设备和冷却系统 55冷却设备的作用 55冷却介质 56高炉冷却结构形式 56炉底、炉缸 57炉腹、炉腰及炉身下部 59炉身中上部 59炉身上部至炉喉 60高炉冷却方式设计 60高炉钢结构 62设计高炉钢结构应该考虑的因素 62高炉本体钢结构形式 63炉壳 63炉体框架 65高炉根底 65高炉根底的负荷 65对高炉根底的要求 66高炉炼铁车间的平面布置 67高炉车间平面布置应遵循的原那么 68高炉炼铁车间平面布置形式 68一列式 68并列式 69岛式 69半岛式 69第四章附属设备系统 71送风系统 71高炉冶炼对鼓风机的要求。 71高炉鼓风量和鼓风压力确实定 72高炉鼓风量得计算 72高炉鼓风压力的计算 73高炉鼓风机的选择 75脱湿鼓风 78高炉热风炉 78高炉供料系统和炉顶装料设备 80矿槽、焦槽及槽上槽下运输称量 81矿槽、焦槽 81槽上，槽下运输 83槽下称量 83高炉上料设备 83炉顶装料设备 84高炉喷吹煤粉系统 86煤粉制备系统 87喷吹系统 88枯燥惰化系统 90喷吹烟煤的平安措施 90高炉煤气处理系统 91粗煤气除尘系统 93干式精细除尘系统 94渣铁处理系统 95风口平台及出铁场 95风口平台及出铁场的布置 96风口平台及出铁场的结构 97渣铁沟和撇渣器 98铁水处理系统 99渣处理系统 100第五章能源回收利用与环境保护 102高炉炉顶余压发电 102热风炉废气余热回收 1045.3粉尘污染控制 1055.4煤气洗涤污水处理 1065.4.1悬浮物的处理 1065.4.2水的软化处理 1065.4.3氰化物的处理 107噪声的消除 108总结与体会 109谢辞 110参考文献 111附录 113英文文献 113中文翻译 126摘要根据昆钢原燃料条件，设计一座年产炼钢生铁380万吨的高炉车间。主要设计内容包括：厂址选择；关键技术经济指标的选择及论证；高炉炼铁综合计算〔包括配料计算、物料平衡计算及热平衡计算〕；炉座规划和车间平面布置；高炉本体设计——高炉内型、内衬材质、冷却、高炉钢结构和根底；高炉车间附属设备系统选型；以及两张0号图纸。主要设计特征概括如下：高炉：有效容积，2129m3热风炉：结构形式，外燃式；座数，4；风温，1400℃主要技术经济指标：有效容积利用系数，2.5t/m3d；焦比，480kg/t；煤比，130kg/t；综合冶炼强度，1.含铁炉料组成:烧结矿，球团矿，块矿；混合矿品位，。炉渣：渣量，kg/t；碱度〔CaO/SiO20铁水：[Si]，50；[P]，；[Ti]，。鼓风参数：风量，m3/min；风温，1100℃；富氧率，2炉顶煤气：炉顶压力200KPa，煤气量m3/t；煤气温度，200℃设计遵循技术压力源上先进、经济上合理的原那么，采用了一系列炼铁先进技术，包括：全炭砖水冷炉底、炉缸；铜冷却壁冷却的薄炉衬；软水密闭循环冷却；并罐式无料钟炉顶装料；炉顶煤气余压发电；热风炉废气余热利用；以及严格的环境保护措施等等。关键词：高炉车间设计；高炉本体；配料计算；高炉附属系统ABSTRACTAccordingtoKunmingSteelrawfuelconditions,designanannualproductioncapacityof38millionsoftonsofblastfurnacepigironforsteelmakingworkshop.Themaindesignelementsinclude:siteselection;keytechnicalandeconomicindicatorsselectionandverificationofthecomprehensivecalculation(including;blastfurnaceburdencalculation,thecalculationofmaterialbalanceandheatbalancecalculationoffurnace);planningandworkshoplayout;designofblastfurnaceblastfurnacebody--type,liningmaterial,cooling,blastfurnacesteelstructureandfoundation;blastfurnaceworkshopequipmentsystemselection;aswellastwopieceof0drawings.Themaindesignfeaturesaresummarizedasfollows:Blastfurnace:theeffectivevolume,2129m3;basenumber，Hotblaststove:structure,externalcombustiontype;thenumber4seat,airtemperature,1400℃Themaintechnicalandeconomicindicators:effectivevolumeutilizationcoefficient,2.5t/m3d;coke480kg/t;coalratio,130kgt/m3d;generationoflife,in15years.Ironburdencomposition,sinter,pellet,oreblock.Mixedoregrade.Slag:amountofslag,460.81kg/t；basicityofslag(CaO/SiO2),1.10.Iron:[Si],0.7000;[S],0.0350;[P],0.0706;[Ti],0.0250,[V],0.1705.Blastparameters:Volume，m3/min;airtemperature,Topgas:Toppressure200Kpa,gasvolume1959.85m3/tgastemperature,Designfollowsthetechnologicallyadvanced,economicallyrationalprinciple,usingarangeoftheadvancedtechnology,including:fullcarbonbrickwater-cooledbottom,hearth;coppercoolingstavecoolingthinfurnacelining;softwaterclosedcirculatingcooling;andtanktypebell-lesstopcharging;topgasresidualpressurepowergeneration;blastfurnaceexhaustgasandwasteheatutilization;andstrictenvironmentalprotectionmeasuresandsoon.Keywords:BFiron-makingworkshopdesign,BFproper,Ingredientscalculation,BFsubsidiarysystem第一章概述高炉炼铁工艺流程高炉冶炼过程中，炉料(矿石、焦炭、煤粉)按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内，高温热风从下部风口鼓入，与焦炭反响生成高温复原性煤气；炉料在下降过程中被加热、复原、熔化、造渣，发生一系列物理化学变化，最后生成液态渣、铁聚集于炉缸，周期地从高炉排出。煤气流上升过程中，温度不断降低，成分不断变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。总的来说，高炉生产工艺过程中是由一个高炉本体和六个附属系统完成的，它们是：=1\*GB2⑴供料系统：包括贮矿槽、贮焦槽、称量与筛分等一系列设备，主要任务是及时、准确、稳定的将合格原料送入高炉。=2\*GB2⑵送风系统：包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门等，主要任务是连续可靠地供给高炉冶炼所需热风。=3\*GB2⑶炉顶装料系统：钟式炉顶包括受料漏斗、旋转布料器、大小料钟和大小料斗等一系列设备，无料钟炉顶有料罐，密封阀和旋转溜槽等一系列设备，主要任务是将炉料装入高炉并使之合理分布，同时防止炉顶煤气外逸。=4\*GB2⑷煤气除尘系统：包括煤气管道、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等，使之含尘量降至10mg/m³以下，以满足用户对煤气质量的要求。=5\*GB2⑸渣铁处理系统：包括出铁场、开铁口机、泥炮、堵渣口机、炉前吊车、铁水罐车及水冲渣设备等，主要任务是及时处理高炉排放出的渣、铁，保证高炉生产正常进行。=6\*GB2⑹喷吹系统：包括原煤的储存、运输、煤粉的制备、收集及煤粉喷吹等系统，主要任务是均匀稳定地向高炉喷吹大量煤粉，以煤代焦，降低焦炭消耗。现代高炉炼铁生产流程为图1-1所示。图1-1现代高炉炼铁生产流程图设计任务根据毕业设计任务书的要求，参考毕业实习收集的资料，系统地完成一座高炉车间的初步设计方案,即“根据昆钢原燃料条件，设计一座年产炼钢生铁380万吨的高炉车间。1.3高炉主要经济技术指标的选择高炉有效容积利用系数ηv。昆钢新六号高炉(2000m³)的有效容积利用系数高达2.4t/(m³·d)以上，由此可见其高炉冶炼强化程度很高。但是，过高的冶炼强度，会加剧高炉的内衬以及各种设备的老化，对高炉的长寿不利。高炉的一代寿命降低，使得高炉生产的本钱升高。另一方面，如果有效容积利用系数过低，也不利于高炉的高效总上所述，高炉有效容积利用系数，应在2.0~2.5t/(m³·d)之间，可以兼顾到高炉寿命和生产效率两个方面，做到既经济又高效。本设计中，选择高炉有效容积利用系数为2.5t/(m³·d)。高炉冶炼焦比K，煤比M。根据云南省昆钢六号高炉的冶炼条件：2000m³级别的高炉，其设计年平均燃料比约为610(kg/t);设计年平均焦比约为480本设计根据昆钢钢实际原燃料条件和冶炼条件，进行高炉炼铁配料计算，选定煤比为130(kg/t)，焦比K=480(kg/t)。高炉冶炼强度经过高炉炼铁联合计算。求得K综×M=480×130=584(kg/t)高炉冶炼强度I=K综×ηu/1000=584×2.5/1000=1.46(t/d)高炉一代寿命根据云南省各地高炉实际冶炼炉龄：高炉一代炉役的工作年限应到达15年以上。在高炉一代寿命期间，单位高炉容积的产铁量应到达或者大于10000t。本设计中，选择高炉的一代寿命为15年，期间大修一次，每年小修两次。1.4设计所采用的先进技术TRT高炉煤气余压透平发电装置TRT———(BlastFurnaceTopGasRecoveryTurbineUnit，以下简称TRT)高炉煤气余压透平发电装置，是利用高炉冶炼的副产品———高炉炉顶煤气具有的压力能及热能，使煤气通过透平膨胀机做功，将其转化为机械能，驱动发电机或其他装置发电的一种二次能源回收装置。该装置既回收减压阀组泄放的能量，又净化煤气、降低噪音、稳定炉顶压力，改善高炉生产的条件，不产生任何污染，可实现无公害发电，是现代国际、国内钢铁企业公认的节能环保装置。工艺过程介绍：高炉产生的煤气经重力除尘、净化除尘后，压力为140kPa左右，温度低于200℃。含尘量小于10mg/Nm3的带一定能量的煤气，经过TRT的进口蝶阀、启动阀、全封闭液压入口插板阀、紧急迫断阀和可调静叶进入透平膨胀做功，透平带动发电机发电。膨胀后的煤气经过全封闭液压出口插板阀，送到减压阀组后的煤气主管道上。这样，TRT与减压阀组就形成并联关系，实现对高炉顶压的控制。在入口插板阀之后、出口插板阀之前，与TRT并联的地方，有一旁通管及快开慢关旁通阀(简称旁通快开阀)，作为TRT紧急停机时TRT与减压阀之间的平稳过渡之用，以确保高炉炉顶压力不产生大的波动，从TRT和减压阀组出来的低压煤气再送到高炉煤气柜和用户。同时TRT=1\*GB2⑴可靠性提高———由于整个控制系统采用三电一体化设计、编程、调试，减少了控制元件及接线，防止了不必要的中间环节给系统带来的故障。=2\*GB2⑵操作方便———操作方式比以前大为简化，减少了由于操作失误导致事故的可能性；在计算机上的每一步操作均有提示。=3\*GB2⑶投资少———由于整个控制系统采用三电一体化设计的方式，因此减少了控制元件和备品备件。另外，控制方式的修改、改良，只需修改软件，不需要增加设备和投资。=4\*GB2⑷系统可扩展性强———由于整个软件系统基于WindowsNT操作系统，遵循TCP/IP协议，为将来系统的扩展留下了空间，同时也便于该系统与其他控制系统及企业的MIS系统交换信息。=5\*GB2⑸收益大———TRT正常发电量为8000～10000kW/h，按年发电7000h、每度电0.35元计算，那么TRT投资一年左右就可收回投资。所以TRT已经在宝钢，莱钢，以及韶钢等许多钢铁企业得到了良好的应用。高炉煤气全干式布袋收尘本设计采用全干式收尘(重力收尘+布袋收尘)。高炉全干式煤气布袋除尘是“十五〞期间国家在冶金行业重点推进,具有共性和关键作用的节能环保技术之一,由于受大中型高炉操作的复杂性和煤气温度难控制等条件影响,一直未能在大中型高炉中推广使用。近几年该技术不断完善与开展,现已成功运用于大中型高炉,并取得了很好的综合效益。目前各高炉采用干式煤气布袋除尘技术的工艺主要有2种:①外滤式脉冲小布袋除尘;②干式煤气布袋除尘。干式煤气布袋除尘采用的是内滤式加压反吹大布袋除尘,该系统在运行中存在对滤袋质量要求较高(目前滤料均为进口),系统设备繁多、操作复杂、清灰效果差、反吹时影响高炉顶压等不利因素,后经多年技术改良,现在根本可以满足运行需要,但在全国范围使用较少。而外滤式脉冲小布袋除尘是近几年才开展起来的成熟技术,也是目前国内煤气除尘采用的主流技术,该技术操作简单、除尘效率高、运行稳定平安,图1为该系统工艺。=1\*GB2⑴过滤系统该系统工艺过程为高炉煤气在符合运行条件下进入干式除尘，经滤袋过滤产生净煤气后通过调压阀组或TRT发电后进入煤气管网供用户使用。在此系统中采用的滤料主要是玻璃纤维针刺毡或氟美斯针刺毡，它以5.5μm的玻璃纤维为主体，配以一定量的高温纤维(P84,美塔斯,PPS)制成,具有三维微孔结构，运行阻力低,特别是P84纤维截面呈不规那么叶片状，纤维外表积增加了80%左右,因此具有较强的阻尘与捕尘能力。=2\*GB2⑵清灰系统目前,本系统使用的反吹清灰方式为氮气脉冲反吹,主要设备由贮气罐、喷吹管、脉冲阀、分气包等组成;低压氮气通过脉冲膜片阀产生脉冲气流,振落滤袋外外表附着的积灰而到达清灰的目的。此套系统自动化程度高、效果显著,当设备发生故障或不符合反吹条件时,PLC可自动发出指令封锁一切现行的操作,以此来杜绝较大事故的发生。=3\*GB2⑶输卸灰系统该系统流程为“上灰仓→中间灰仓→埋刮板机→斗式提升机→高位灰仓→加湿机→下灰仓→外运〞。此系统流程太长,运行中不可防止地出现二次扬尘现象,目前国内还无较好的解决方法。包钢、济钢采用新开发的高炉煤气除尘罐车输灰装置克服了上述缺点,但在应用上还需进一步完善。=4\*GB2⑷煤气调温系统干法除尘所选用的滤袋能承受的最高温度大概为280℃左右,而进入滤袋除尘器的煤气温度下限应高于露点30℃,因此,为防止温度超高烧损滤袋或因温度低而粘结滤袋,有效地控制进入箱体的煤气温度对布袋除尘器的正常运行是极为重要的。大中型高炉在操作中正常煤气温度在120-210℃之间,如出现炉况不顺时煤气温度偏高的情况多于偏低的情况,目前国内通常采用调温系统来控制煤气温度以利除尘系统的运行,其工艺流程如图2。当煤气温度在正常情况下(炉顶上升管煤气温度低于300℃时)煤气走旁通管,进入布袋可正常工作。当炉顶上升管煤气温度达300-350℃时,马上切换到调温系统,启动风机吸入冷风进行热交换降温,以保证布袋除尘器煤气温度控制在300℃以下。当炉顶上升管煤气温度高于350高炉煤气此种除尘方式是解决钢铁厂环境污染治理的途径之一，因其对细微粉尘具有很高的捕集率，是防治大气污染的一种效果很好的设备。国内的钢铁厂，大量的在建高炉淘汰了湿式煤气净化系统。在太原钢铁的高炉车间，因减少了水的需求和相应的污水处理系统，利用干式除尘系统，每个月可节省超过45000美元。热风炉烟气余热回收这项技术是利用其中热风炉烟道废气来预热助燃空气和煤气，有效回收热风炉烟道废气的显热。高炉综合长寿技术包括：炉底炉缸采用炭砖，高炉薄壁式内衬设计，水冷炉底设计，铜冷却壁，陶瓷杯炉底炉缸结构等等。冶金工厂厂址选择，要考虑环境保护问题，必须尽量考虑在主导风向和主要水流的下游位置。本设计所选厂址在安宁市，考虑到安宁市的常年风向为东南风，即风常年吹往西北方，所以将厂址选定在安宁市北，可以有效降低工业气体污染对昆明市区的影响。

第二章高炉炼铁计算高炉炼铁计算是设计高炉时或高炉采用新的冶炼条件之前确定各种物料用量、选择各项生产指标和工艺参数的重要依据，更是全面地、定量地分析和评价高炉生产技术经济指标、热能利用及高炉效率的一种有效方法。必须收集和确定的原始资料有：(1)各种入炉物料的化学成分；(2)各种入炉物料单位的消耗量、炉渣量和炉尘(煤气灰)量；(3)各种产品如生铁、炉渣、干煤气和炉尘等的化学成分；(4)鼓风参数：即风温、湿份及鼓风含氧量等；(5)冶炼参数：生铁的种类和规格，各元素在生铁、炉渣和煤气中的分配率，炉渣碱度，物料入炉温度，炉顶温度，铁的直接复原度(在配料计算中可按经验设定；在分析和评价高炉冶炼过程及能量利用时，由计算获得)，高炉冶炼强度等。配料计算有关资料及其整理.1原燃料成分〔1〕原料成分高炉采用烧结矿、球团矿、块矿三种矿石冶炼，矿石成分已经过整理计算，如下表1所列。表1原料成分表(原始数据%)原料TFeFeOFe2O3CaOSiO2TiO2V2O5烧结矿50.86007.001060014.880000330球团矿59.000076.99000000000.3220块矿55.930077.25000.460018.2200原料MgOMnOAl2O3P2O5FeSFeS2烧结矿1.44000.55000009050球团矿3.45000.2300000.06000.0110块矿0.55000.52001.49000.07200.0110〔2〕燃料成分高炉使用的焦炭及喷吹的无烟煤粉，其成分如表2所列。表2焦炭成分表燃料固定碳CaOSiO2MgOAl2O3FeOFeSMeO焦炭0.00480.0015680.00210.0015燃料SCO2COCH4H2N2合计H2O物焦炭0.00610.00200.00340.00260.0027003表3煤粉成分表燃料CHONSH2OFeO煤粉0.00980.0020燃料SiO2MgOAl2O3CaOMeO合计煤粉0.00170.00680.00361.0000〔3〕元素在生铁、炉渣与煤气中的分配率，如下表所列。表4元素分配率表成分SiTiVMnPSMgFe铁中渣中煤气〔4〕炉渣碱度炉渣碱度根据冶炼的铁种及脱硫要求(即硫负荷的上下)来选择。一般情况下，冶炼炼钢生铁时采用二元碱度R=CaO/SiO2，其值为--。当炉渣中MgO含量较高且波动大时，应采用三元碱度R'=(CaO+MgO)/SiO2，其值一般为--。本计算取采用二元碱度，根据昆钢钢实际生产条件，取R=1.10。〔5〕规定生铁成分(%)[C]=4.5[Si]=0.70[Ti]=〔6〕设计焦比K=480kgM=130kg〔7〕选取铁的直接复原度rd=55%，氢的利用率ηH2=34%。〔8〕鼓风湿度:1.5%。〔9〕热风温度1100℃〔10〕高炉使用冷烧结矿，炉顶煤气温度为200℃、配料计算设烧结矿、球团矿的矿石用量分别为x、y〔kg〕，块矿用量为w=100kg。铁在生铁中的分配率表5矿石主要成分矿石TFeCaOSiO2用量/kg烧结矿TFe(1)CaO(1)SiO2(1)x球团矿TFe(2)CaO(2)SiO2(2)y块矿TFe(3)CaO(3)SiO2(3)w由于70%的钒进入生铁，那么而磷那么全部进入生铁中，那么而锰有50%进入生铁当中，所以根据高炉冶炼的任务和条件，假定生铁中的Si、Ti、Mn、P、S的含量，那么铁分方程其中为燃料带入的铁量，在这里不考虑，由上面的公式可得表示冶炼生铁的全部铁量〔包括进渣的局部〕在扣除第三种矿石以及燃料带入的铁量后的铁量，亦即应由第一、第二种矿石带入的铁量。碱度方程其中整理后得到其中用二阶行列式解以下方程组那么可得各种矿石用量分别为烧结矿：球团矿：块矿：100kg矿石总用量：所以生铁中锰，磷，钒的含量为:表6生铁成分FeSiMnPSCTiV∑100、渣量及炉渣成分计算炉料带入的各种炉渣组分的数量为炉渣组分表工程CaOSiO2MgOAl2O3FeOMnOTiO2V2O5S/2数量成分%炉渣性能校核：炉渣实际碱度：R=176.90/160.82=1.10〔与规定碱度相符〕炉渣脱硫之硫的分配系数LS=2×〔S渣/2〕/S铁=2×0.325=查阅15%的Al2O3等熔化温度相图，其中CaO：39%，SiO2：35%，MgO：11%。图2-1该炉渣熔化温度为1350℃。黏度：温度为1400℃时粘度为5.5泊，温度为1500℃,由炉渣成分及性能校核可以看出，这种炉渣是能够符合高炉冶炼要求的。物料平衡计算直接复原度鼓风湿度鼓风量的计算〔1〕风口前燃烧碳量Cb的计算1〕氧化碳量C0的计算2〕合金元素复原耗碳Cda的计算〔此设计中未参加石灰石〕3〕铁直接复原耗碳CdFe的计算〔2〕鼓风量Vb的计算就是所谓的富氧率，假设富氧率，富氧气体氧的纯度。〔3〕鼓风质量Gb的计算煤气量及煤气成分的计算1〕2〕3〕4〕5〕煤气量的计算表7煤气组成表工程CO2COH2N2∑体积/m3含量/%100煤气质量的计算6〕煤气中水蒸气量的计算考虑炉料的机械损失，实际入炉里：矿石量焦碳量因此，机械损失〔炉尘〕量为列物料平衡表，计算物料平衡误差表8物料平衡表物料收入物料支出工程数量/kg工程数量/kg矿石生铁1000焦碳480炉渣煤粉130煤气煤气中水鼓风炉尘总计总计物料平衡误差：绝对误差相对误差热平衡计算全炉热平衡计算的方法有多种，比拟常用的是：第一种全炉热平衡计算，它是按热化学的盖斯定律，依据入炉物料的最初形态和出炉的最终形态，来计算产生和消耗的热量，而不考虑高炉内实际的化学反响过程。这种方法出现较早，原理简单，但计算较为繁琐，也不尽如实反映高沪冶炼过程热量消耗的情况。虽然如此，它仍然是目前高炉热平衡测定所采用的方法。第二种全炉热平衡计算，它是按高炉内实际发生的复原过程来计算热量消耗的，这种方法更能说明高炉冶炼能量利用的实际状况。在本计算中，采用的是第一种全热平衡的计算的方法。热收入项的计算.1碳氧化生成CO和CO2放热Q1的计算Q1=×(2340CCO+7980Ci)由前面物料平衡中求出的CO2还=。所以氧化成CO2的碳素量Ci×12/44QUOTE=〔碳素氧化成CO2的量〕。氧化成CO的碳素量为：CCO=C0－Ci=465.06－163.57=。式中：2340(kJ/kg)为1kg焦炭的碳生成CO所产生的热量。7980(kJ/kg)为1kgC生成CO2所产生的热量。Q1×(2340×301.49+7980×163.57)Q1×.2H2氧化放热Q2的计算氢参加复原生成的水量为H2Or=。Q2=×〔3211×28.00〕Q2=×Q2=.3鼓风热量Q3的计算热风带入的物理热是热收入中的另一大项，约占15%到20%之间之多。鼓风物理热是根据风量，风温及湿度计算的。为简化计算现场亦常采用气体比焓来计算鼓风物理热：Q3=｛〔1－φ〕×qb+φ×qH2O｝×Vb={(1－1.5%)×+1.5%×1908.7}×=2108451.6(kJ/t)式中：qb，qH2O分别为热风温度(1100.4成渣热Q4的计算成渣热是指高炉冶炼过程中，由CaO和MgO同酸性氧化物形成炉渣而放出的热量。通常每kgCaO(或MgO)放出的热量×270kJ。因为本计算的原料中，烧结矿球团矿均为熟料，其中的CaO(或MgO)已在烧结过程中成渣放热，故不计算其成渣热。所以只算生矿中的CaO和MgO的成渣放热量。Q4×270×｛CaO+MgO｝Q4×270×｛100×〔0.46%+0.55%〕｝Q4×(kJ/t).5炉料物理热Q5的计算对于使用冷矿的高炉，这项热量很少，可以忽略不计。所以Q5=0。.6总热收入Q的计算Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=++++0=(kJ/t)热支出项的计算.1氧化物分解耗热Q分解’的计算=1\*GB3①铁氧化物分解耗热烧结矿中以硅酸铁形态存在的FeO的量为FeO硅=FeOa×～0.25)+K×FeOK+M×FeOM－U×FeOU=×7.0010%×6.5676%〕×0.24+480×0.0168+130×=矿石中以Fe3O4形态存在的FeO的量为FeO磁=A×[FeOA－～0.25)×а×FeOа]××6.5676%+100×2.3855%)－×A×а×FeOа=×=kg矿石中以Fe3O4形态存在的Fe2O3量Fe2O3磁=FeO磁×160/72×160/72矿石中以Fe3O4磁的数量Fe3O4磁=FeO磁+Fe2O3磁矿石中自由的FeO数量Fe2O3赤=A×Fe2O3A－Fe2O3磁××0.7699+100×因此，冶炼每吨生铁因铁氧化物分解消耗的热量为Q1××FeO硅×Fe3O4磁×Fe2O3赤)××××=×=6989930.1kJ=2\*GB3②锰氧化物分解耗热1kgMnO2×kJ，这局部耗热由炉料计算；由MnO分解出1kg×kJ，这局部耗热有生铁来计算。因此，锰氧化物分解耗热为Q2××A×MnO2A×10×[Mn])=××10×0.3097)×kJ=3\*GB3③硅氧化物分解耗热由SiO2分解出的1千克×7366kJ，硅氧化物分解耗热为Q3×7366×10×[Si]×7366×10××51562=215529.2kJ=4\*GB3④磷酸钙分解磷的耗热由磷酸钙分解出1千克×8540kJ，因此这项耗热为Q4×8540×10×[P]×8540×10××=6071.9kJ对于冶炼一般生铁，氧化物分解耗热就由上列四项组成，即Q分解=Q1+Q2+Q3+Q4=×1672232.1+×××=×=kJ2脱硫耗热Q脱硫×1995×S渣式中，S渣指每吨生铁进入炉渣的硫量，kg。Q脱硫×1995×S渣×1995××Q脱硫.2炉料游离水蒸发耗热Q蒸发的计算Q蒸发=×620×H2O游离=×620×〔480×0.0230〕=×=(kJ/t)每千克水由20℃升温之100℃×80kJ，在蒸发成为100℃×540kJ×.3水分分解吸热Q分解的计算Q分解×〔2580××1.5%+3211×130×0.0151〕=×=(kJ/t)式中，10806(kJ/m³)为每立方米H2O分解消耗的热，而从物料中逐出一千克结晶水需要热量331(kJ/kg)，分解一千克水蒸气需要热量13444(kJ/kg)。因为前面假设鼓风水分和煤粉中的水分全局部解，故此处应如此计算。.4铁水带走的热量Q铁水的计算Q铁水=×280×1000=×280000=1170400(kJ/t)式中，×280(kJ/kg)为每千克的炼钢生铁所带走的热量。.5渣带走的热量Q渣的计算Q渣=×430×=×=828259.9(kJ/t)式中，×430(kJ/kg)为每千克的炼钢生铁的渣所带走的热量。.6喷吹物分解耗热Q煤粉的计算Q煤粉=×250×M=×250×130×32500=135850.0(kJ/t)式中，×250(kJ/kg)为每千克的无烟煤分解所消耗的热量。.7干煤气带走的热量Q煤气的计算Q煤气1=ωCO2×VCO2+ωCO×VCO+ωH2×VH2+ωN2×VN2××+×+×+×1025.24〕=×=546766.7(kJ/t)式中，ωCO2，ωCO，ωH2，ωN2分别为炉顶煤气温度时(200℃)，CO2，CO，H2，N2.8煤气水蒸气带走的热量Q8，的计算Q煤气2=××××(72.8－36)｝×=12772.3(kJ/t)(水蒸气100℃×kJ/m3,200℃×kJ/m3,.8炉尘带走的热量Q8，的计算Q炉尘××200××=9400.5(kJ/t).9总热支出Q’的计算Q支出=Q分解+Q脱硫+Q蒸发+Q分解+Q铁水+Q渣+Q煤粉+Q煤气1+Q煤气2+Q炉尘=7253604.7++12772.3+(kJ/t).10热损失Q失’的计算因高炉热损失难以测量和估计，故假设高炉热收入热支出的差值即为高炉热损失。冶炼炼钢生铁的高炉热损失一般占热收入总量的6%~12%。Q失=Q-Q支出(kJ/t)热平衡表的建立由以上计算，建立热平衡表如表2-3所示：热平衡表(kJ/t)收入支出工程数量%工程数量%碳氧化生成CO及CO2放热氧化物分解及脱硫耗热’H2氧化放热水分蒸发耗热’鼓风热量水分分解吸热’5成渣热铁水及渣带走的热量’炉料物理热喷吹物分解耗热干煤气带走的热量煤气水分带走的热量炉尘带走的热量热损失QQ失表2-3热平衡表高炉热能利用分析.1高炉有效热能利用系数KT(%)KT=热量总收入－(热损失+煤气带走热量)=100－(+2＋)=%一般中小型高炉KT=80%~85%，大型而原料条件较好的高炉可到达90%及以上。.2碳素热能利用系数KC(%)KC=碳氧化成CO和CO2时放出的热量/碳全部氧化成CO2时放出的热量×100%=Q1/(7980×C总)×100%=)/(7980×465.06)×100%=5%一般中小型高炉KC=50%~60%，大型而原料条件较好的高炉可到达65%以上。第三章高炉本体设计确定年工作天数设高炉一代寿命为15年，每年小修两次，每次2天，一代寿命期间，大修一次，60天。那么高炉有效年工作天数=(365×15-60-15×2×2)/15=357d。那么高炉日产量P总=3800000/357=t定容积高炉有效容积利用系数ηu(t/d)，高炉座数确实定，应该同时兼顾节约投资，提高生产效率与保障铁水煤气供给两个方面，国内新建企业，一般只有2~3座高炉。所以取高炉座数为2。采取五段式高炉设计，如以下图所示：图3-1五段式高炉内型图Hu-有效高度；h0-死铁层厚度；h1-炉缸高度；h2-炉腹高度；h3-炉腰高度；h4-炉身高度；h5-炉喉高度；hf-风口高度；hz-渣口高度；d-炉缸直径；D-炉腰直径；d1-炉喉直径；α-炉腹角；β-炉身角。每座高炉日产量：P=P总t每座高炉的容积：Vu’=P/ηu2m³取为炉缸尺寸(1)炉缸直径冶炼强度I=每昼夜入炉总干焦量/高炉有效容积=ηu×K=1.46(t/m³·d)；2选定燃烧强度i燃=1.60(t/m³·h)。那么取d=10(2)炉缸高度渣口高度=702m取hZ=式中：P为日生产铁量；b为生铁生产波动系数，此处取1.2；N为昼夜出铁次数，一般2h出一次铁；c为渣口以下炉缸容积利用系数，一般取0.55~0.60，此处取0.57；ρ铁³；d为炉缸直径。(3)风口数量及高度尺寸风口高度hf=hZ6=3.0357m取hf风口数目n=2×(d+3)=2×(10+3)=26取n=26个风口结构尺寸选取a=那么炉缸高度h1=hf+a=3.0+0.5=死铁层厚度选取h0=炉腰直径、炉腹角、炉腹高度×10=11.3取D=11选取α=80°30′那么取h2=校核αα=79°28′45″炉喉直径、炉喉高度选取d1那么d1×11.3=7.684取d1=选取h5=炉身角、炉身高度、炉腰高度选取β=84°那么取h4=18校核ββ=83°58′28″选取Hu那么Hu××11.3=m这里取29求得h3=Hu-h1-h2-h4-h5=29-3.5-3.5-18-2校核炉容炉缸体积V1m³炉腹体积V2==m³炉腰体积V3=m³炉身体积V4=m³炉喉体积V5m³高炉容积Vu=V1+V2+V3+V4+V5=2++20+11=m误差ΔV==0.56%＜1%炉型设计合理，符合要求。绘制高炉炉型图高炉内型尺寸如图3-2所示：图3-2高炉炉型尺寸?高炉炼铁设计原理?：按照设计炉型，以耐火材料砌筑的实体称为高炉炉衬。高炉炉衬的作用在于构成高炉的工作空间，减少热损失，并保护炉壳和其他金属结构免受热应力和化学侵蚀的作用。高炉砌体的设计应根据炉容和冷却结构，以及各局部的工作条件选用耐火材料。高炉内衬直接影响着高炉一代寿命。在本设计设定高炉一代寿命为15年，高炉内衬的设计显得尤为重要。研究高炉各个部位所使用的耐火材料，就要对每个部位的耐火材料破损机理做出一定的了解。在此根底上，再根据耐火材料本身的特性，对各部位的耐火材料，做针对性的选择。炉衬破损机理.1炉底炉底局部承受着：炉料和液态渣铁的静压力作用，碱金属的氧化物的熔蚀作用，1400℃炉底的温度如果分布的不均匀，在热应力的作用下，可能导致砌砖开裂。当炉底的耐火材料不止一种时，不同材料的不同膨胀系数，会加剧这种开裂。铁水在1300℃以上，具有良好的流动性，从而从开裂的缝隙和砖的气孔中渗入。当铁水再次冷却至1150℃此外，炭砖会与碱金属反响生成碱性碳化物，使其强度下降，造成损坏。炉底坑下的砖，由于长期的高温和高压作用，局部发生了软化和重结晶，形成了熔结层。熔结层使砖结成了整体，可以抵抗铁水的渗入，这时的炉衬损坏的主要因素，就是铁水中的碳，对砖中的二氧化硅的复原作用，造成的化学侵蚀。反响式为：SiO2+2[C]+[Fe]=[FeSi]+2CO因为熔结层能显著的减缓炉底的侵蚀速度，所以熔结层的位置很重要，在设计时，应考虑采取措施使熔结层上移，以延长炉底耐火砖的寿命。实践生产说明：采用炉底冷却的大高炉，炉底侵蚀深度为1~2m，而没有炉底冷却设备的高炉，侵蚀深度可达4~5m。从上述炉底破损机理看出，影响炉底寿命的因素：首先是它承受的高压，其次是高温，再次是铁水和渣水在出铁时流动对炉底的冲刷，炉底的砖衬在加热过程中产生温度应力引起砖层开裂，此外在高温下渣铁对炉衬有化学侵蚀作用，特别是渣液的侵蚀更为严重。根据以上的分析，应选择气孔率底，气孔直径相对小，体积密度高，砌筑质量优良，抗碱性腐蚀和热应力破坏的耐火材料。综上所述：本设计采用全炭砖炉底，炉底砌筑采用满铺炭砖炉底砌筑。.2炉缸炉缸下部盛聚着高温的渣铁，周期性的排出会对炉衬造成冲刷，高温的煤气流，也会对炉衬造成冲刷，所以渣口，铁口附近的冲刷作用尤其严重。高温熔渣，也会对此处的炉衬造成化学侵蚀。炉衬的上部，由于风口带的存在，是整个高炉的温度最高的区域，温度高达1300℃~1900根据以上的分析，对于炉缸的耐火材料，要求有：气孔率底，气孔小，密度高，导热性能好，抗渣性能好，抗强碱性，抗高温等等。所以，本设计高炉炉缸采用炭砖砌筑，炉缸炭砖砌筑以薄缝连接。风口，渣口和铁口砖衬以炭砖砌筑时，应使用异形炭砖，如以下图所示。图3-3渣口，风口和铁口的砌筑1-炭砖；2-碳素填料；3-侧砌盖砖；4-异型砖；5-出铁口框；6-冷却壁.3炉腹、炉腰、炉身下部从炉腹到炉身下部的衬砖，承受着下降的炉料和上升的高温高压煤气流的双重磨损，同时，高FeO和高碱度初渣又会造成化学侵蚀。最严重的是，碱金属的蒸汽会与耐火砖发生反响，形成低熔点化合物，并与砖中的Al2O3形成钾霞石等，造成体积膨胀，使砖衬剥落。研究说明改部位的砖衬破损，是碱金属和锌蒸汽的破坏作用造成的。根据以上分析，该部位应采用耐剥落性和耐磨性优异的耐火材料。所以在本设计中，炉衬厚度采用575mm。炉腹，炉腰和炉身下部用高铝砖砌筑。炉腹，炉腰砌砖砖缝应不大于1毫米，炉身下部不大于，上下层砖缝和环缝均应错开。炉身倾斜局部按3层砖错台一次砌筑。.4炉身上部和炉喉此处主要破损的原意有：固体炉料的机械磨损和夹带炉尘的煤气流的冲刷，碳素沉淀，也有碱金属和锌的侵蚀和破坏作用，装入炉料时温度的急剧变化，炉料对炉喉的冲击。所以，此处要求耐火材料有较好的机械性能和抗震性能因此在本设计中炉身上部以高铝砖砌筑，砖缝小于2毫米，炉身上部砌砖与炉壳间隙为100~150毫米，添以水渣-石棉隔热材料，为防止填料下沉，每隔15层砖，砌二层带砖即砖紧靠炉壳砌筑，带砖与炉壳间隙为10~15毫米。炉喉衬板以铸铁、铸钢件制成，称为炉喉钢砖或条状保护板。最终决定炉衬寿命的因素最终决定炉衬寿命的因素有：(1)炉衬质量，是决定炉衬寿命的关键因素，如耐火材料的化学成分、物理性质、外形公差等。(2)砌筑质量，砌缝大小是否均匀，膨胀缝是否合理，填料是否填实等。(3)操作因素，如开炉时的烘炉质量，正常操作时各项操作制度是否稳定、合理。(4)炉型结构尺寸是否合理，如炉身角，炉腹角等。另一方面高炉内也存在着保护炉衬的因素，如合理的冷却设备、渣皮的形成、炉壳的存在，都有助于炉衬的保护，减弱了高温热应力的破坏。高炉耐火材料的选择和炉衬的设计.1炉底、炉缸及风口区域?高炉炼铁设计原理?：炉缸、炉底应采用全炭砖或复合炭砖炉底结构，并应采用优质炭砖砌筑。风口带宜采用组合砖结构。炭砖是以热处理无烟煤或焦炭、石墨为主要原料，宜焦油沥青或酚醛树脂为结合剂制成的耐火制品。炭砖具有以下的性质：(1)耐火度高；(2)极高的荷重软化温度；(3)高温耐磨性能好；(4)高温体积热稳定新好；(5)良好的导热性和导电性；(6)抗热振性能好。(7)其缺点是在高温下易氧化。炭砖的以上特点，适应高炉炉底和炉缸生产特点对内衬的要求。综上所述，本设计采用我国生产的高炉用炭砖，它的断面尺寸为400mm×400mm，长度为1200~3200mm，其质量要求是含碳量大于92%，灰分小于8%，耐压强度不低于25Mpa，显气孔率不大于24%。如上设计，能提铁水温度，降低较比，保证一代寿命15~20年。.2炉腹、炉腰、炉身下部根据炉衬破损机理，炉腹、炉腰、炉身下部结构为“软水密闭循环冷却系统+铜冷却壁〞，该结构的指导思想是形成一个良好的冷却体系。靠良好的冷却形成稳定的渣皮。实践证明渣皮是最好的耐火材料，它能保护冷却设备长期稳定工作。因此采用镶砖铜冷却壁，镶砖为高铝砖，厚度为150mm。.3炉身中部炉身中部，热负荷及化学侵蚀较小，所以采用耐磨性较好和延伸率高的球墨铸铁镶砖冷却壁，砖壁合一薄衬结构，厚度为150mm，内衬材质采用氮化硅结合碳化硅砖(Si3N4-SiC)，可有效防止碱金属侵蚀和碳沉积。.4炉身中上部及炉喉?高炉炼铁设计原理?：炉身上部宜采用镶砖冷却壁。因此采用了两段球墨铸铁倒扣冷却壁，其下两段冷却壁冷镶150mm的高铝砖。高铝砖具有具有较强的抗磨损能力，同时抗冲刷能力得到一定提高，因此在此区域采用高铝砖砌筑。炉喉上安装条状保护板。见以下图3-4。图3-4炉喉钢砖1-炉喉钢砖；2-钢轨形吊挂；3-炉壳3.3高炉冷却设备和冷却系统冷却设备的作用高炉冷却设备是高炉炉体结构的重要局部，对炉体寿命可起到如下作用：(1)保护炉壳。正常生产时，高炉炉壳只能在低于80℃(2)对耐火材料的冷却和支撑。在高炉内耐火材料的外表工作温度高达1500℃(3)维持合理的操作炉型。使耐火材料的的侵蚀型接近操作炉型，对高炉内煤气流的合理分布、炉料的顺行起到积极意义。(4)在耐火材料大局部或者全部被侵蚀后，冷却设备上的渣皮能继续维持高炉的生产。冷却介质根据高炉不同部位的工作条件及冷却的要求，所用的冷却介质也不同，一般常用的冷却介质有：水、空气和汽水混合物，即水冷、风冷、和汽化冷却。对冷却介质的要求是：有较大的热容量及导热能力；来源广、容易获得、价格低廉；介质本身不会引起冷却设备及高炉的破坏。高炉冷却的冷却介质主要是水。水的比热容大，热导率高，便于输送，本钱低廉。高炉冷却用水质不能过硬，那么容易引起设备结垢，从而降低了冷却设备的效率，所以需要对水进行软化处理。高炉冷却结构形式综合比拟，本设计采用铜冷却壁。由于球墨铸铁在高炉操作条件下磨损严重，同时在热负荷和温度的急剧波动条件下，其裂纹敏感性也很高，甚至在第四代铸铁冷却壁上也不能完全克服这些缺乏之处，这就限制了冷却壁寿命的进一步提高。铜冷却壁具有以下特点：1〕铜冷却壁具有热导率高，热损失低的特点。2〕利于渣皮的形成与重建。3〕铜冷却壁的投资本钱。使用铜冷却壁并不意味着高炉投资本钱增加，这主要基于以下几点：首先单位重量的铜冷却壁冷却的炉墙面积比铸铁冷却壁要大一倍；其次，铜冷却壁前不必使用昂贵的和很