贺志强课程设计

1、 高炉物料平衡与热平衡计算二一四年十二月附件2: 题目高炉物料平衡和热平衡的计算1、课程设计的目的1.正确、完整理解冶金工艺和设备要求2.查询、收集、整理工艺设计参考资料3.加强学生对高炉物料平衡的理解和计算能力4.为毕业设计打下基础2、课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）1.对物料从进入高炉到出铁出渣的过程进行物料平衡计算和热平衡计算，要对整 个工艺过程进行分析、分布计算，步骤要清晰2.加强学生对参考文献的查找和收集运用3.学生正确使用计算机软件的能力4.进一步提高对整个工艺过程的理解3、 主要参考文献任贵义.炼铁学（上）M.北京.冶金工业出版社.2004成兰伯.高炉炼

2、铁工艺及计算M.北京.治金工业出版社.1991张殿有.高炉冶炼操作技术M.北京.冶金工业出版社.2007周传典.高炉炼铁生产技术手册.北京.冶金工业出版社.20024、 课程设计工作进度计划1. 15周星期一、二完成参考文献的查找2. 15周星期三、四完成物料平衡计算的相关准备3. 15周星期五及周末完成物料计算4.16周完成热平衡计算和论文格式修改指导教师（签字）日期年 月 日教研室意见：年 月 日学生（签字）： 接受任务时间： 年 月 日注：任务书由指导教师填写。附件3: 课程设计（论文）指导教师成绩评定表题目名称高炉物料平衡和热平衡的计算评分项目分值得分评价内涵工作表现20%01学习态度

3、6遵守各项纪律，工作刻苦努力，具有良好的科学工作态度。02科学实践、调研7通过实验、试验、查阅文献、深入生产实践等渠道获取与课程设计有关的材料。03课题工作量7按期圆满完成规定的任务，工作量饱满。能力水平35%04综合运用知识的能力10能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题，能正确处理实验数据，能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。05应用文献的能力5能独立查阅相关文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。06设计（实验）能力，方案的设计能力5能正确设计实验方案，独立进行装置安装、调试、操作等实验工作，数据正确、可靠；研究思路清晰、完整。

4、07计算及计算机应用能力5具有较强的数据运算与处理能力；能运用计算机进行资料搜集、加工、处理和辅助设计等。08对计算或实验结果的分析能力（综合分析能力、技术经济分析能力）10具有较强的数据收集、分析、处理、综合的能力。成果质量45%09插图（或图纸）质量、篇幅、设计（论文）规范化程度5符合本专业相关规范或规定要求；规范化符合本文件第五条要求。10设计说明书（论文）质量30综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学。11创新10对前人工作有改进或突破，或有独特见解。成绩指导教师评语指导教师签名： 年月日目录 摘 要1绪论21.炼铁配料31.1原料计算41.2计

5、算矿石需要量G51.3炉渣成分的计算61.4校核生铁成分82.物料平衡计算92.1原始物料92.2计算风量92.3炉顶煤气成分及数量的计算112.3.2氢气的体积V112.4编制物料平衡表143.热平衡计算173.1原始资料173.2热量收入Q入173.3 热量支出q支183.4热平衡表21参考文献22摘 要通过高炉物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数量，试物料收入与支出平衡。这种计算为工厂的总体设计、设备容量与运

6、输力的确定及制定生产管理与经营制度提供科学依据，是高炉余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。高炉物料平衡的计算有两种方法：一般物料平衡计算法与现场物料平衡计算法。两种物料平衡均为热平衡的基础，以物质不灭定律为依据。物料平衡计算是炼铁工艺计算中的重要组成部分，它是在配料计算的基础上进行的。物料平衡计算包括鼓风量、煤气量以及物料收支总量等项内容的计算。物料平衡有助于检验设计的合理性，深入了解冶炼过程的物理化学反应，检查配料计算的正确性。校验高炉冷风流量，核定煤气成分和煤气数量，并能检查现场炉料称量的准确性，为热平衡及燃料消耗计算的下基础。关键词 物料平衡计算，鼓风量，煤气量

7、，热平衡计算绪论在计算物料平衡和热平衡之前，首先必须确定主要工艺技术参数。对于一种新的工业生产装置，应通过实验室研究、半工业性试验、以致于工业性试验等一系列研究来确定基本工艺技术参数。高炉炼铁工艺已有200余年的历史，技术基本成熟，计算用基本工艺技术参数的确定，除特殊矿源应作冶炼基础研究外，一般情况下都是结合地区条件、地区高炉冶炼情况予以分析确定。例如冶炼强度、焦比、有效容积利用系数等。计算用的各种原料、燃料以及辅助材料等必须作工业全分析，而且将各种成分之总和换算成100，元素含量和化合物含量要相吻合。配料计算是高炉操作的重要依据，也是检查能量利用状况的计算基础。配料计算的目的，在于根据已知的

8、原料条件和冶炼要求来决定矿石和溶剂的用量，以配置合适的炉渣成分和获得合格的生铁。通常以一吨生铁的原料用量为基础进行计算。物料平衡是建立在物质不灭定律的基础上，以配料计算为依据编算的。计算内容包括风量、煤气量、并列出收支平衡表。物料平衡有助于检验设计的合理性，深入了解冶炼过程的物理化学反应，检查配料计算的正确性，校核高炉冷风流量，核定煤气成分和煤气数量，并能检查现场炉料称量的准确性，为热平衡及燃料消耗计算打基础。热平衡计算的基础是能量守恒定律，即供应高炉的热量应等于各项热量的消耗；而依据是配料计算和物料平衡计算所得的有关数据。热平衡计算采用差值法，即热量损失是以总的热量收入，减去各项热量消耗而得

9、到的，即把热量损失作为平衡项，所以热平衡表面上没有误差，因为一切误差都集中掩盖在热损失之重。1.炼铁配料1.1原料计算1.1.1原料成分，见表11.1.2燃料成分，见表2,31.1.3确定冶炼条件1.1.4预定生铁成分（%），见表4表1原料成分，（%）原料FeMnPSFeOFe2O3SiO2Al2O3CaO烧结矿53.940.0300.0310.03012.5469.355.821.548.54球团矿58.940.0330.0370.0036.2484.995.131.371.36天然矿55.081.1700.0390.0489.8974.335.410.800.62混合矿54.500.085

10、0.0310.02511.7871.165.731.497.43续表1原料MgOMnOP2O5FeS烧损烧结矿2.0180.0390.070.083-100.00球团矿0.5260.0420.0840.0080.25100.00天然矿1.211.510.0890.1316.01100.00混合矿1.830.110.070.080.32100.00烧结:球团:天然=85:10:5表2焦炭成分，（%）C灰分（12.64）挥发份（0.58）SiO2Al2O3CaOMgOFeOCOCO2CH4H2N285.367.324.260.510.120.430.210.190.0250.0370.118续表2

11、有机物（1.42）游离水H2N2S0.360.270.79100.004.17表3喷吹煤粉成分，（%）燃料CHNSOH2O煤粉77.752.280.520.302.320.85续表3燃料灰分SiO2Al2O3CaOMgOFeO煤粉7.316.700.730.320.92100.00表4生铁成分，（%）FeSiMnPSC95.230.550.030.0340.0264.13其中Si、S由生铁质量要求定，Mn、P由原料条件定，C参照下式定，其余为Fe。C=4.3-0.27Si-0.329P-0.032S+0.3Mn表5生铁、炉渣、没棋的分配率，（%）-FeMnSP生铁99.750100炉渣0.35

12、00炉气0050燃料消耗量（kg/t生铁）：焦炭 345（干） 360（湿）煤粉 140 kg/t生铁鼓风湿度 12g/ m3相对湿度 =1.493%风温 1250炉尘量 20 kg/t生铁入炉熟料温度 80炉顶煤气温度 200焦炭冶炼强度 0.98 t/（m3d）高炉有效容积利用系数 2.6 t/（m3d）炉渣碱度 R=1.101.2计算矿石需要量G1.2.1燃料带入的铁量GG= GFeO%+ GFeO% =3450.43%+1400.92%=2.16kg1.2.2进入炉渣中的铁量G=1000Fe% =952.3=2.865kg式中 0.3%、99.7%分别为铁在炉渣和生铁中的分配比1.2.

13、3 需要由铁矿石带入的铁量为：G=1000 Fe%+ G- G=952.3+2.865-2.16=953.01kg1.2.4冶炼1t生铁的铁矿石需要量：G= G/ Fe%=953.01/54.50%=1748.64kg1.3炉渣成分的计算原料、燃料带入的成分见下表6表6 每吨生铁带入的有关物质的量原燃料数量kgSiO2CaOAl2O3%kg%kg%kg混合矿1748.645.73100.207.43129.921.4926.05焦炭3457.3225.250.511.764.2614.70煤粉1407.3110.230.731.026.709.38-135.69-132.71-50.13续表6

14、原燃料MgOMnOS%kg%kg%kg混合矿1.8332.000.111.920.0250.44焦炭0.120.41-0.792.73煤粉0.320.45-0.300.42-32.68-1.92-3.581.3.1炉渣中CaO的量G由上表： G=132.71kg；1.3.2炉渣中SiO2的量G由上表： G=135.69kg；1.3.3炉渣中Al2O3的量G由上表： G=50.13kg；1.3.4炉渣中MgO的量G由上表： G=32.68kg；1.3.5 炉渣中MnO的量GG=1.9250%=0.96kg50%锰元素在炉渣中的分配率；1.3.6炉渣中FeO的量G进入渣中的铁量为：Fe=2.865

15、kg ，并以FeO形式存在故 G=2.865=3.68kg1.3.7炉渣中S的量G原燃料带入的总S量为：G=3.58kg （见表6）；进入生铁的S量为：G=1000S%=10000.026%=0.26kg；式中0.026%硫在生铁成分中的百分比。进入煤气中的S量为：G= G5%=3.580.05=0.179kg式中5%硫在煤气中的分配比；故G= G-G-G =3.58-0.26-0.179 =3.14kg炉渣成分见下表7表7炉渣成分，（%）组元CaOSiO2Al2O3MgOMnOFeOS/2CaO/ SiO2kg132.71 135.69 50.13 32.86 0.96 3.68 1.57

16、357.60 -%37.11 37.94 14.02 9.19 0.27 1.03 0.44 100.00 0.98将CaO、SiO2、Al2O3、MgO四元组成换算成100%，见下表8。表8 四元炉渣成分CaOSiO2Al2O3MgO37.1337.9614.029.1498.2537.7938.6414.279.30100.001.4校核生铁成分1.4.1生铁含P 按原料带入的磷全部进入生铁计算铁矿石带入的P量为：G= GP%=1748.640.031%=0.54kg故 P=0.54=0.054%1.4.2生铁含Mn 按原料带入的锰有50%进入生铁计算,原料工带入GMnO为0.64kg,见

17、表6；故 Mn=1.9250%=0.075%1.4.3生铁含C C= 100-(95.23+0.55+0.026+0.054+0.075) %=4.065%校核后的生铁成分（%）见下表9表9 校核后的生铁成分 ，（%）FeSiMnPSC95.230.550.0750.0540.0264.0652.物料平衡计算2.1原始物料2.1.1原料全分析并校正为100%2.1.2生铁全分析2.1.3各种原料消耗量2.1.4 鼓风湿度2.1.5铁的直接还原度2.1.6 假定焦炭和喷吹物含C总量的1.0%与H2反应生成CH4，（全焦冶炼可选0.5%1.0%的C与H2生成CH4）。2.2计算风量2.2.1风口前

18、燃烧的碳量G2.2.1.1 GG= GC%+ GC% =34585.36%+14077.75%=403.34kg2.2.1.2溶入生铁中的碳量为：G=1000C%=10004.065%=40.65kg式中4.065%碳在校核后的生铁中的百分比。2.2.1.3生成甲烷的碳量为：燃料带入的总碳量有1%1.5%与氢化合生成甲烷，本例去1%。G=1% G=0.01403.34=4.03kg2.2.1.4直接还原消耗的碳量G锰还原消耗的碳量：G=1000Mn%=10000.07%=0.15kg硅还原消耗的碳量：G1000Si%=10000.55%=4.71kg磷还原消耗的碳量：G1000P%=10000

19、.054%=0.52kg铁直接还原消耗的碳量： G=1000Fe% rdrd= rd-r=0.46-0.06=0.4rd一般为0.40.5，本计算取0.46。r= G( H2%+ H2%)+ GH2%+(V+ GH2 O %)H2/(1000Fe%) = 345(0.037%+ 0.36%)+ 1402.28%+ (12001.493%+ 1400.85 %)0.350.9/(100095.23%) = 0.06式中 H2氢在高炉内的利用率，一般为0.30.5，本计算取0.35； 被利用氢气量中，参加还原FeO的百分量，一般为0.851.0，取0.9；V设定的每吨生铁耗风量，本计算取1200m

20、3。G=100095.23%0.4=102.05kg故G= G+ G+G+G =0.15+4.71+0.52+102.05=107.43kg风口前燃烧的碳量为：G= G-G-G-G =403.34-40.65-4.03-107.43=251.22kg2.2.2计算鼓风量V2.2.2.1 鼓风中氧的浓度NN=21 %( 1-)+0.5 =21 %( 1-1.493%)+0.51.493%=21.43 %2.2.2.2G燃烧需要氧的体积为：V= G =251.22 =234.47 m32.2.2.3煤粉带入氧的体积为：V=G（O%+ H2 O %） =140（2.32%+ 0.85 %）=3.01

21、 m32.2.2.4需鼓风供给氧的体积为：V= V-V=234.47-3.01=231.46 m3故 V= V/N=231.46/21.43%=1079.92m3式中21.43%鼓风中氧的浓度。2.3炉顶煤气成分及数量的计算2.3.1甲烷的体积V2.3.1.1由燃料碳素生成的甲烷量为：V= G=4.03=7.53 m32.3.1.2焦炭挥发分中的甲烷量为：V=GCH% =3450.025%=0.121 m3故 V= V+V=7.53+0.121=7.65 m32.3.2氢气的体积V2.3.2.1由鼓风中水分分解产生的氢量为：V= V=1079.921.493%=17.45 m32.3.2.2

22、焦炭挥发分及有机物中的氢量为： V= G（H2%+ H2%）=345（0.037%+0.36%）=15.34 m32.3.2.3煤粉分解产生的氢量为：OV= G（H2%+ H2 O %） =140（2.28%+0.85%）=30.63 m32.3.2.4 炉缸煤气中氢的总产量为：V= V+V+V =17.45+15.34+30.63=63.42 m32.3.2.5生成甲烷消耗的氢量为：V=2V=27.65=15.3 m32.3.2.6参加间接反应消耗的氢量为：V=VH2 =70.020.35=22.2 m3故 V =V-V-V =63.42-15.3-22.2=25.92 m32.3.3 二氧

23、化碳的体积V2.3.3.1 由CO还原Fe2O3为FeO生成的CO2 VG= GFe2O3% =1748.6471.16% =1244.33kg参加还原Fe2O3为FeO的氢气量为：G= VH2（1-） =63.420.4（1-0.9）=0.25kg由氢气还原Fe2O3的质量为：G= G =0.25=20kg由CO还原Fe2O3的质量为：G= G- G =1244.33-20=1224.33kg故V= G =1224.33 =171.41 m32.3.3.2由CO还原FeO为Fe生成的CO2量为：V=1000Fe%1- rd-r =100095.23%(1-0.4-0.05) =209.51

24、m32.3.3.3焦炭挥发分中的CO2量为：V= GCO2% =3450.19%=0.33 m3 故V=V+V+V =171.41+209.51+0.33=381.30 m32.3.4 一氧化碳的体积 V2.3.4.1风口前碳素燃烧生成的CO量为：V=G=251.22=468.944 m32.3.4.2 直接还原生成的CO量为：V= G=87.01=162.42 m32.3.4.3焦炭挥发分中的CO量为：V= GCO%=3450.21%=0.58 m32.3.4.4间接还原消耗的CO量为：V= V+V=171.74+205.7=377.44 m3故 V=V+V+V-V =468.944+162

25、.42+0.58-377.44=308.15 m32.3.5氮气的体积V2.3.5.1 鼓风带入的氮气量为：V= V（1-）N2% =1079.92（1-1.493%）79%=840.4 m32.3.5.2焦炭带入的氮气量为：V=G（N2%+ N2%） =345（0.118%+0.27%）=1.07 m32.3.5.3 煤粉带入的氮气量为：V=GN2% =1400.52%=0.58 m3故V=V+V+V =840.4+1.07+0.58=842.05 m3煤气成分见下表10表10煤气量及成分成分CO2CON2H2CH4体积，m3381.30308.15842.0525.927.651565.0

26、7%24.3619.6953.801.660.49100.002.4编制物料平衡表2.4.1 鼓风质量的计算1 m3鼓风的质量为：r=0.21（1-）32+0.79（1-）28+18/22.4 =0.210.98532+0.790.98528+180.01493/22.4=1.28kg/ m3鼓风的质量为：G=Vr=1079.921.28=1382.59kg2.4.2煤气质量的计算1 m3煤气的质量为：r=（44 CO2%+28 CO %+28 N2%+2 H2%+16 CH4%）/22.4 =（440.2518+280.1904+280.5337+20.0191+160.005）/22.4=

27、1.405 kg/ m3煤气的质量为：G=Vr =1565.071.405 =2194.51kg2.4.3煤气中的水分2.4.3.1 焦炭带入的水分G=GH2O%=3454.17%=14.39kg2.4.3.2氢气参加还原生成的水分为：G= V0.417 =68.70.417=23.02kg故G= G +G =14.39+23.02=37.41kg物料平衡列表11表11物料平衡表入相kg%混合矿1748.6448.36焦炭3459.54鼓风1382.5938.23煤粉1403.87总计3616.23100.00出相kg%生铁100027.70炉渣357.609.91炉气（干）2194.5160

28、.80煤气中水37.411.04总计3609.52100.00相对误差=（3616.233609.52）/3674.47=0.19%0.3%所以计算结果符合要求。3.热平衡计算3.1原始资料物料的入炉温度热风温度，输送煤粉的载气温度，炉顶温度，渣、铁液温度各种冷却介质耗量及出、入炉温度和有关参数3.2热量收入Q入3.2.1碳的氧化热Q13.2.1.1碳素氧化为CO2放出的热量Q1-1碳素氧化产生CO2的体积V：V= V- V=381.30-0.33=380.97 m3Q1-1= V33410.66=380.9733410.66= kJ式中 33410.66C氧化为CO2放热，kJ/kg3.2.

29、1.2 碳素氧化为CO放出的热量Q1-2碳素氧化产生CO的体积V：V= V- V=308.15-0.58=291.97 m3Q1-2= V9797.11=291.979797.11= kJ式中 9797.11C氧化为CO放热，kJ/kg故 Q1= Q1-1+ Q1-2=+=.88 kJ3.2.2鼓风带入热Q2Q2= (V- V) Q空气+ V Q水汽=(1079.92-1079.920.01493)1755.82+1079.920.014932161.6= .65 kJ式中 Q空气在1250下空气的热容量，其值为1755.82kJ/kg Q水汽在1250下水汽的热容量，其值为2161.6kJ/

30、kg3.2.3 H2氧化放热Q3Q3 = G13454.09=19.7013454.09=.93 kJ式中 13454.09H2氧化为H2O放热，kJ/kg3.2.4 CH4生成热Q4Q4= V4709.56=7.644709.56=19623.76 kJ式中 4709.56甲烷生成热，kJ/kg3.2.5炉料物理热Q5Q5= G1.080=1748.641.080=.36 kJ式中 1.080时混合矿的比热容，kJ/(kg)3.2.6 热量总收入Q入Q入 = Q1 +Q2 +Q3 + Q4 +Q5 =.88+.65+.93 +19623.76 +.20=.58 kJ3.3 热量支出q支3.3

31、.1 氧化物分解吸热q13.3.1.1铁氧化物分解吸热q1-1：由于原料中含有溶剂型烧结矿，可以考虑其中有20%FeO以硅酸盐形式存在，其余以Fe3O4形式存在。因此：G= G85%FeO%20%=1748.640.8512.54%20%=37.28kgG= GFeO%- G=1748.6411.78%-37.28=168.71kgG= G=168.71=374.92 kgG= GFe2O3%- G=1748.6471.16%-374.92 =869.42kgG= G+ G=168.71+374.92 =543.63kg故q= G4087.52=37.284075.22=.7 kJq= G51

32、56.69=869.425156.69= kJq= G4803.33=543.624803.33= kJ式中 4087.52、4803.33、5156.69分别为FeSiO4、Fe3O4、Fe2O3分解热，kJ/kg故q1-1=q+q+q =.7+= kJ3.3.1.2锰氧化物分解吸热q1-2：q1-2=1000Mn%7366.02=10000.075%7366.02=5524.515 kJ式中 7366.02由MnO分解产生1kgMn吸收的热量，kJ3.3.1.3硅氧化物分解吸热q1-3：q1-3=1000Si%31102.37=10000.55%31102.37=.04 kJ式中 3110

33、2.37由SiO2分解产生1kg硅吸收的热量，kJ3.3.1.4磷酸盐分解吸热q1-4：q1-4 =1000P%35782.6=10000.054%35782.6=19322.60 kJ式中 35782.6由Ca3(PO4)2分解产生1kg磷吸收的热量，kJ故q1= q1-1+ q1-2+ q1-3+q1-4 =+5524.515+.04+19322.60=.16 kJ3.3.2脱硫吸热q2q2= G8359.05=3.148359.05=26276.90 kJ式中 8359.05假定烧结矿中硫以FeS形式存在，1kg硫吸收的值，kJ3.3.3水分分解热q3q3= (V+ GH2O%煤) 13454.1=(1079.920.01493+1400.85%) 13454.1=.56 kJ式中 13454.1水分解吸热，kJ3.3.4游离水蒸发吸热q4q4=