高炉能量利用计算

4.4高炉能量利用计算对于生产高炉，为了能对冶炼过程进行全面、定量的深入研究，发现增产、节焦的薄弱环节。提出努力方向和改革措施，也常要进行物料平衡和热平衡计算。

4.4.1高炉能量利用计算

4.4.2高炉操作线图及其应用

4.4.1高炉能量利用计算高炉物料平衡和热平衡以配料计算为基础，并严格遵守质量守恒和能量守恒定律。4.4.1.1配料计算和物料平衡配料计算的目的是根据巳知原、燃料成分和冶炼条件来决定矿石、燃料和熔剂的需要量，以获得性能良好的炉渣和合乎规格的生铁，并为编制物料平衡和热平衡打好基础。配料计算和物料平衡必须具备以下数据：1)各种原料(包括喷吹物)的全分析(各种成分的总和应调整到100％)；2)汁算得到或实际所用的各种原料(包括喷吹物)重量，生铁产量、渣量、炉尘吹出量；3)冶炼铁种及成分，炉渣成分和碱度，炉尘的成分；4)炉顶煤气成分；5)鼓风参数(包括富氧程度、湿分等)；6)各种元素在生铁、炉渣、煤气中的分配比例等。在计算热平衡时，还必须补充风温、炉顶煤气温度、入炉原料温度、冶炼强度等数据。计算前必须将各种原始数据、资料进行整理、按核，减小计算误差。4.4.1高炉能量利用计算计算以冶炼1t生铁为基准。根据生铁成分、炉渣碱度和Fe、Mn及CaO的平衡，分别求出铁矿石(锰矿石)及熔剂的需要量。这样便可按照它们的化学成分，分别求出其带入炉内的各种化学组分含量，再根据各种元素在渣、铁、煤气中的分配率，便可求得最终渣、铁成分。根据相图可初步了解这种炉渣的物理性能是否能满足要求。为了编制物料平衡必须进行风量和煤气量的计算。计算风量是根据碳平衡原理，首先计算出风口前被鼓风中的氧所燃烧的碳量(C风)面对喷吹重油的高炉，可按4.4.1高炉能量利用计算近似计算(相当于炉顶煤气中含CH40．6％左右)得铁的直接还原度rd可按经验选取。其次，根据C风和氧平衡可计算每吨生铁的鼓风量(湿)，即然后将鼓风体积按下式换算成重量4.4.1高炉能量利用计算于是按收入等于支出的质量守恒定律，可编制出物料平衡表，举例如表4-2所示。若是对生产高炉进行分析，则各种原、燃料消耗和炉顶煤气成分为已知配料计算和风量的计算可以大为简化。相对误差一般应小于0.3%，否则应检查计算中的错误。4.4.1高炉能量利用计算4.4.1.2热平衡通过热平衡计算可以了解高炉冶炼过程热量利用情况，从而找到改善热能利用、降低焦比的途径。常见的热平衡计算法有两种。第一种是建立在盖斯定律基础上的，即依入炉物料的初态和出炉产物的终态来计算，与炉内实际反映过程无关。第二种是按炉内实际反应过程来计算热量消耗。前者比较简便，但不考虑实际过程；后者比较实际，但计算较繁琐。此外还有“区域热平衡法”．可根据高炉特定区域，如高炉下部的实际需要来进行。实际生产中多用第一种热平衡法。它是先分别计算出冶炼过程中的热收入项和热支出项，然后编制出热平衡法。根据能量守恒定律．热收入应等于热支出来进行比较和检查。举例如表4—3。其中热支出第九项外部热损失系根据热收入总和减去前八项热支出之和得出。关键是看它所占百分数是否在合理范围以内。冶炼炼钢生铁时，此值一般为3%-6％，铸造生铁一般为6％-10％。此值过高，说明计算有错误，或焦比选择不当，应予以检直和调整。如果测试手段齐备，外部热损失也可用准确实测数据来计算。4.4.1高炉能量利用计算4.4.1高炉能量利用计算由热平衡计算可得高炉热量利用系数(Kr)：此值一般为80％-85％，个别高达90％。上例中：还可得到碳素利用系数(Kc)：此值一般在50％-60％之间，个别可达65％。4.4.2高炉操作线图及其应用1967年，法国学者A·里斯持(A.Rist)和N·梅依森(N.Meyssem)提出高炉操作线图(简称操作线)。该图能直接表达出高炉冶炼过程中Fe—O—C体系的变化和高炉各生产指标间的内在联系．对分析高炉冶炼全过程甚为方便。4.4.2.1构成操作线的基本原则高炉冶炼主要反应都涉及氧，是氧从铁矿石和鼓风移向或转变成煤气的进程。如铁矿石的还原，碳的燃烧和气化等。在这些涉及氧的反应中，氧有三个来源—铁的氧化物、脉石中的氧化物和鼓风中的氧。氧也有三个去向—高温区碳氧化(包括燃烧和气化)，最终生成CO；直接还原，铁及其他氧化物中的氧被碳夺取变成CO；间接还原，铁及其他氧化物中的氧被CO夺取变成CO2。这些生成或转变成的CO和CO2，最终都进入煤气。Rist操作线正是抓住“氧的转移”这个高炉冶炼最本质的特征来描述高炉过程。在物料平衡和热平衡中，常以1t生铁来计算。而操作线则以1个铁原子，实际用1kmolFe，即质量为56kg的铁为基准来计算。这样，能更好地反映出化学反应是以原子、分子为单位进行的本质。4.4.2高炉操作线图及其应用例如操作线图系一平面直角坐标(图4—12)，x轴为氧、碳原于比，即O／C，主要用来表示氧的去向。y轴为氧、铁原子比，即O／Fe，主要用来表示氧的来源。在X、Y平面上，线段AB及其投影∆X(或x)和∆Y(或y)，代表一种特定类型的氧的迁移。相应的氧的流量no与沿着x轴的煤气中的碳量nc有关，也与沿着Y轴的固体炉料中的铁量nFe有关。线段AB的斜率：4.4.2高炉操作线图及其应用

由于x,y均为正值，所以斜率u亦为正值。斜率等于碳同铁的产物量的比值，即nc/nFe，实际就是用c／Fe原于比表示的单位原于铁的碳量消耗，也就是以比值(分子co／原子Fe)表示的单位原子铁的还原气体消耗量。可见，斜率的意义在实际上与焦比(或燃料比)是完全一致的。当原料和冶炼条件一定时，焦比或c／Fe原子比是一个定值。由于u＝c／Fe原子比一定，故o／Fe与O／C原于比或Y与X呈直线关系。

当表示若干氧的迁移过程时所有的线段都具有同一斜率u，而且可按一定顺序在斜率为u的同一条直线AE上互相衔接起来，就构成了操作线(图4—12)，由于是以原子比为计量单位，所以操作线AE是一条直线，其斜率u＝c／Fe原子比。实际代表了焦比或燃料比。4.4.2.2操作线图组成4.4.2高炉操作线图及其应用取纯碳(X＝0)和纯铁(Y＝0)为坐标原点O。引三条垂直线：X＝0，纯碳，即Y轴；X＝1，纯CO气体，这里O／C＝1，即GF线；X＝2，纯CO2气体，这里O／C＝2，即HX线(H点对X轴的垂线)。引两条水平线：Y＝0，纯铁，即X轴；Y＝y0，即y0H线，表示炉料中铁的氧化度(O／Fe原于比)。例如，Fe2O3=3/2=1.5,Fe3O4=1.33,FeO=1.0。

在GF线左侧，o＜x＜1的区间，为高炉下部c氧化为CO的直接还原区，并用来描述还原性气体的生成。

在GF线右侧，1＜x＜2的区间，为CO转化为CO2的直接还原区，并用来描述还原性气体的利用。4.4.2高炉操作线图及其应用在x轴以上，即o＜y＜y0的区间，用来表示炉料中铁氧化物提供的氧，并用以描述整个高炉内铁的还原过程。其中AB部分在y轴上的投影即yi，为用于间接还原，使CO转变为CO2的氧，BC部分在y轴上的投影即yd，为用于直接还原，使C变为CO的氧。因此，铁氧化物中提供的氧，既参与了还原气体的生成，又参与了还原性气体的在x轴以下，坐标平面负的y值一边，说明除铁的氧化物外，在高炉下部(炉腹、风口区、炉缸)发生作用的其他氧的来源。这些氧只参与还原性气体的生成．而未参与还原性气体的利用，其中包括碳燃烧、气化、夺取脉石氧化物中的氧而生成的co。如CD部分，它在y轴上的投影yf，为脉石命Si、Mn、P、S等氧化物直接还原提供的氧；DE部分在y轴上的投影yb，为鼓风中提供的氧，用于碳的燃烧和气化。

在y＞y0部分，即物y0H水平线以上区域，用处很少，但它可说明在高炉以外，使高炉煤气完全燃烧所需氧的来源，如在热风炉、加热炉、焦炉中应用高炉煤气作燃料进行的燃烧等。4.4.2高炉操作线图及其应用沿着操作线AE，可找到各线段及其坐标：

xd、xf、xb分别为铁和脉石中si、Mn、P等的氧化物直接还原以及鼓风燃烧碳生成的还原性气体CO部分。显然，xd十xf十xb＝1，(O／c＝1)，即上述生成还原性气体CO的三部分，共同组成为100％CO的炉腹煤气。

yi、yd、yf、yb分别为间接还原．铁氧化物直接还原．脉石氧化物(Si、Mn、P)直接还原和碳在鼓风中燃烧夺取的氧。显然，yi十yd十yf十yb＝∑y就是冶炼1kmolFe，由燃料(或还原剂)中碳素夺取的总氧量。4.隶4.钱2高炉撤操作泽线图泻及其棒应用由此础定义姓的上妹述变宵量之故间满柔足下雹面的冲关系悔式：沿操败作线地入R上特贿性点坡的意霜义及我坐标态确定云如下粱：(1再)A点：羽描述菊了炉殃顶煤凭气情滴况和西炉料商中铁急的初层始氧连化度朗。XA＝炉吊顶煤袋气中槽碳的拌氧化楼度(O／C原子浆比)＝1十xi＝式中刊，φ(C避O)%、φ(C吊O2)%分别以为炉捕顶煤皮气中CO和CO2的体露积百亏分含较量故已狐知炉韵顶煤脉气，桂便可蚁求出Xd。4.笨4.您2高炉总操作手线图狗及其逗应用即炉狡顶煤劈燕气的凤氧化予度或CO利用茎率ηco。Yd＝y0＝yi十yd＝炉皮料中帐铁的辨初始河氧化煮度(o／Fe原子犬比)，即独铁氧秤化物长直接育和间习接还僵原被钳夺去庸氧量纯的总夺和。已知筝人炉驴矿石东成分朴，便土可分暑别求扇出原盆子氧旁和原支于铁井数，汗从而o／Fe＝YA。(2良)节B点：拌假定虫铁的逗直接衫还原栏和间例接还谎原不康发生医重叠哭，则B点为棋两者敌的理词论分欧界点嘱。Xb诞=1设=x横d+签xf扶+x接b舰(生成CO的三概个来谷源)Yb页=y献d=铁氧下化物愁直接指还原赛夺取评的氧勒量显然蚕，ri译=1副00您=r扩d铁的袭直接耳还原饥度rd骡=y哈d/崭y0贝*1倚00场%ri圣=1冲-r洁d4.经4.茂2高炉圆操作映线图弊及其童应用(3纽奉)C点：貌由铁耐的氧右化物捡中来各的氧辫和其争他来雷源的靠氧生环成的炼两个侮部分韵还原碧性气神体CO的分夺界点稿。Xc＝xf十xb由脉心石氧束化物亮直接揭还原愚和鼓拨风中却的氧郑同碳组燃烧亡生成凡的还厘原性横气体CO之和脖。或Xc劝=1检-x梯d，故xd何=1饲-X风c=铁的西氧化坡物直需接还钻原生被成的co部分歌。Yc记=0惜,即铁爬的氧亩化物饮还原量的终斗点。(4语)D点：塞由脉喝石氧责化物砖提供舱的氧悄和鼓抹风中寨的氧乡丰生成凉还原奖性气税体CO的分焰界点XD=xb，由鼓耗风中瞧的氧则同碳脉燃烧傲生成芬的还垂原性槐气体(C谁O)部分粒。xb可根鲁据炉押顶(或炉过腹)或煤魄气中渴的含绍氮量(按氮仿平衡辽原理)来计逗算。4.厌4.麦2高炉换操作倘线图味及其搁应用4.勤4.投2高炉唱操作踏线图邀及其携应用（5）E点：XE=0为鼓狂风所仰提供析的氧(k乖mo谜l)．是协对生汉成还健原性布气体短的第挥一个低贡献故。yE=-杀yf—yb为脉消石氧波化物脆和鼓慕风所捎提供肯的氧蓝的代卡数和封。作泥图时yf、yb均应怨取负鸭值。为鼓残风中需氧的槐消耗介量．步即风娇量(原子O／单哑位时饱间)与税生铁羽产量(原子Fe／单呀位时性间)的比渴值为了述保持物产量网固定剪，风尝量必狼须与yb成正跟比。蹈当风笨量一追定时艰，产忘量与yb成反海比。操作尝线把管冶炼偿单位刮生铁(原子腾数)所需地风量(与yb成正床比)，生们铁成僚分(以yf代表)，铁班的直构接还渐原度(以yd表示)，矿喇石中少铁的魂氧化肿度(YA或y0)，炉洗顶煤和气和C／Fe霸(焦比怕，即AE线斜方率)相互例联系拌并简伍明定叮量的分表示伸出来复。4.屡4.保2高炉舟操作沙线图侮及其鞭应用化学纷平衡菌限制凡要求绝操作霉线通厉过W点，嗽但不舌能超私过W点。拒这样走，通蜻过W点的旨操作项线ALEL就是川某一晋生产清条件畏下的各最低埋理论挣焦比另操作习线。ALEL的斜弯率u0就是席该条率件下效的最僻低理邪论焦较比。热平倒衡的寺限制条要求骆操作蚀线AE通过UV上的倒一个清固定腥点P。欲崖达到贸理论充最低斥焦比选，操强作线AE必须厕通过W点，穗也通院过P点，得即理微想操撒作线兆。但是桃．操谊作线魂受到猴物料些平衡肤、化苏学平析衡(动力落学需种要)和热笛平衡焰三者气的限许制。4.舱4.泽2高炉跪操作滋线图热及其希应用4.裂4.前2.犬3操作滥线的辨应用掌握烫了高肿炉操敞作线接原理发．性减质以防及各忍线段摩和特捷性点显的意醒义，注就可谣用来旺解决摸高炉舞生产截问题例如泰，如垄可以畏根据劈燕特定瓦高炉离已知作的矿兵石成赌分，献炉顶干煤气辜成分浊，生晴铁成江分，份风口纱前燃洒烧的韵碳量跑，并廉在物疾料平椒衡的茅热平贡衡计宰算基篇础上陶，选都择适之宜的挡数据假组合驱，如A点及讯斜率µ，A点及D点，者或P点及较斜率请等，炉便可扔确定框或描司绘出芬该高宝炉的唯实际迈操作辣线．刮并与理其理翅想操器作线甜对分令，分朵析各奸种因岛素对乐焦炭司的影拜响。柜如A点的峡变化市．即星精料稿水平泄的高慨低(ya)．煤父气利堡用的帆好坏(xa)；B点的纺改变浑，即晋直接杰还原煮的变把化(yb或ya)；正上点(ya)的变道化，铺即风问量或桑料批煤时速待的变恢化；U点(yu或yf)的改窗变，梅即直脊接还偶原度普的变返