铁冶金学18-物料平衡与热平衡

物料平衡与热平衡计算

物料平衡计算

(1)原料成分、预定的生铁成分见表。 冶炼条件的确定，燃料消耗量(kg/T铁)： 焦炭 340 353.6(湿)

煤粉 180 置换比 鼓风湿度 12 g/m3 相对湿度 1.493% 风温 1250 ℃ 炉尘量 入炉熟料温度 80 ℃ 炉顶煤气温度 200 焦炭冶炼强度 0.952 t/d m3 综合冶炼强度利用系数 2.8 t/d m3

0.85 20 ㎏/t ℃ t/d m3 1.38

铁矿石成分

原料烧结矿0.03

0.03

0.03

9.459.63

Fe2O375.3680.37

SiO2Al2O33.86

CaO

MgOMnO1.881.781.861.99

0.04

2O50.0310.069

7.99

球团矿0.0320.031混合矿0.03炉尘0.24

0.030.026

0.030.08

3.23

7.0320.0390.0280.0730.040.31

0.030.243

0.070.06

9.48676.3623.8115.30

44.77

焦炭成分

13.8

灰分(13.51)

C固

SiO22O3CaOFeOMgO

0.12

CO

挥发分(0.43) CO2

CH4

H2

N2

有机物(1.32) H2

Σ 游

离

N2水

0.520.48

0.160.150.0770.30.250.771004.0

煤粉成分

品种H2O

灰分

SiO22O3CaOMgOFeO

0.30

Σ

煤粉2.350.460.302.330.830.69

0.93100

预定生铁成分

4.17

(2)根据碱度平衡求铁矿石配比

根据原料条件，假设烧结矿的配比为x，则球团矿的配比为1－x。再按照生产经验确定炉渣碱度R渣，然后根据碱度平衡求出x。

xCaO烧 1 x CaO球 QK焦CaO焦 QK煤CaO煤 0.85 1.75S料

R渣=

xSiO

2烧 1 xSiO2球 QK焦SiO2焦 QK煤SiO2煤 2.14QSixFe烧 1 x Fe球

Q=

[Fe]

本例选定确定R渣=1.20，得到烧结矿和球团矿的比例约为80∶20，按此比例得到混合矿的成分。 (3)根据铁平衡求铁矿石需要量

1)燃料带入的铁量：

进入炉尘的焦炭量=G尘·C%尘/C%焦=20×11.95/84.74=2.82 kg 11.95%为炉尘中碳的烧损量。

高炉内参加反应的焦炭量为 G焦=340－2.82=337.18 kg

故焦、煤带入的铁GFe燃=(337.18×0.68%＋180×0.93%)×56/72=3.085 kg 2)进入炉渣中的铁量：

GFe渣==95.29%×1000×0.3%/99.7%=2.867 kg 3)需要由铁矿石带入的铁量：

G矿=1000[Fe]＋GFe渣－GFe燃=952.9＋2.867－3.085=952.68 kg 4)冶炼一吨生铁的矿石需要量： G矿=G矿/Fe矿=952.68/60.71%=1569.23 kg 考虑到炉尘吹出量，入炉矿石量为： G矿入=1569.23＋20－2.82=1586.4 kg (4)渣量及炉渣成分计算

∑CaO=340×0.0052＋180×0.0069＋1586.4×7.032%=114.57 kg ∑SiO2=340×0.0781＋180×0.0715＋1586.4×3.81%=99.87 kg ∑Al2O3=340×0.0458＋180×0.0683＋1586.4×1.31%=48.65 kg ∑MgO=340×0.0012＋180×0.003＋1586.4×0.0186=30.45 kg 渣中MnO量=0.5×1586.4×0.04%=0.32 kg 渣中FeO量=952.9×0.3%/99.7%×72/56=3.69 kg

每吨生铁含硫量=340×0.0077＋180×0.003＋1586.4×0.0003=3.63 kg 进入生铁中的S=1000×0.0023=0.23 kg 进入煤气的S=0.05×3.63=0.182 kg 进入渣中的S=3.63―0.23―0.182=3.218 kg

炉渣成分

组元 kg

22O3114.57

90.2331.17

48.6516.80

MgO30.4510.52

MnO

∑ 289.52 100.00

CaO/SiO2 1.207

1.60

9 0.56

以上碱度的计算需要考虑脱硫消耗的CaO，即 脱硫所耗CaO=3.218×56/32=5.63 kg， R= CaO/ SiO2=

114.57 5.63

1.207

90.23

校核生铁成分： [S]= 0.023%；LS=

2 0.56

=48.70 0.023

[Si]=0.45% [P]=1586×0.03%/1000=0.047% [Mn]=0.32×55/71×1/1000=0.025%

[Fe] =95.29%

[C]=100―95.29―0.45―0.025―0.047―0.023=4.165 %

校核后生铁成分，%

C 4.165

效验结果与预定生铁成分相符合，计算正确。若效验成分不符合时，可变更C量，或重新给定生铁成分，重新计算。

物料平衡计算

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。

高炉物料平衡的计算方法有两种方法：一般物料平衡计算方法与现场物料平衡计算方法。一般物料平衡计算法用于高炉配料计算和设计阶段的工艺计算，是在假定铁的直接还原度和氢的利用率等前提下，用来检查煤气成分及风量和煤气量是否正确。计算步骤主要是由碳氧平衡算出入炉风量，然后计算出煤气各组成，总量和成分含量，最终列出物料平衡表。

风量计算

(1)燃料带入总C量 GC总=337.18×84.74%＋180×77.83%=425.82 kg (2)溶入生铁中的 C量GC生铁=1000×4.165%=41.65 kg (3)生成CH4的 C量GC甲烷=1.1%×425.82=4.684 kg

(4)直接还原消耗的C量

1)锰还原消耗的C量 GC锰=1000×0.025×12/55=0.055 kg 2)磷还原消耗的C量 GC磷=1000×0.047%×60/62=0.455 kg 3)铁还原消耗的C量 GC铁=1000×95.29%×12/56×0.38=77.59 kg 4)硅还原消耗的C量 GC硅=1000×0.45%×24/28=3.86 kg 故 GC直=77.59＋0.455＋3.86＋0.055=81.96 kg (5)炉渣脱硫用C量 GCS=3.218×12/32=1.21 kg (6)计算鼓风量V风

风口前燃烧的C量为=425.82－41.65－4.684－81.96=296.32 kg 1)鼓风中氧的浓度=21%(1—1.493%)+0.5×1.493%=21.43% 2)GC燃燃烧所需要氧的体积 VO2=296.32×22.4/24=276.57m³

3)煤粉带入氧体积 VO2=180×(2.33%＋0.83%×16/18)×22.4/32=3.87 m³

所以鼓风需要氧气量=276.573－3.87=272.70 m³ 故 V风=272.70/21.43%=1272.52 m³ 煤气及数量的计算

(1)甲烷的体积VCH

4

1)燃料碳素生成的CH4量 VCH=4.684×22.4/12=8.74 m³

4

2)碳挥发分中的CH4量 VCH=337.18×0.017%×22.4/16=0.08 m³

4

故 VCH=8.74＋0.08=8.82 m³

4

(2)氢气的体积为VH

2

1) 由鼓风中水分分解产生的H2量=1272.52×1.493%=19.00 m³ 2)焦炭挥份及有机物中H2量=337.18×(0.026%＋0.3%)×22.4/2=12.31 m³ 3)煤粉分解产生的H2量=180×(2.35%＋0.83%×2/18)×22.4/2=49.24 m³ 4)炉缸煤气中H2的总量=19.00＋12.31＋49.24=80.55 m³ 5)生成甲烷消耗的氢量=2×8.74=17.48 m³

6)参加间接还原消耗的氢量=80.55×0.4=32.22 m³ 故

VH2=80.55－17.48－32.22=30.85m³

2

(3)二氧化碳的体积VCO

1)由矿石带入的Fe2O3的量=1586.4×76.36%=1211.41 kg

还原FeO耗H2量=1000×95.29%×0.07×22.4/56=22.68 m³(r H2=0.07) 还原的Fe2O3耗H2量=32.22－22.68=5.54 m³ 由H2还原的Fe2O3量=5.54/22.4×160=39.57 kg 由CO还原的Fe2O3的量=1211.41－39.57=1171.84kg 故CO2还=1171.84×22.4/160=164.06 m³ 2)CO还原FeO生成CO2的量

=1000×95.29%×(1－0.38－0.07)×22.4/56=209.64 m³ 3)碳挥发分中CO2量=337.18×0.15%×22.4/44=0.26 m³ 故VCO=164.06＋209.64＋0.26=373.96 m³

2

(4)一氧化碳的体积VCO

1)风口前碳燃烧生成CO量=296.32×22.4/12=553.13 m³ 2)直接还原生成CO量=81.96×22.4/12=153 m³ 3)焦炭挥发分中CO量=337.18×0.16%×22.4/28=0.43 m³ 4)间接还原消耗的CO量=209.64＋164.06=373.70 m³ 5)脱硫生成CO量=1.21×22.4/12＝2.26 m³

故VCO=553.13＋153＋0.43＋2.26－373.70=335.11 m³ (5)氮气的体积VN

2

1)鼓风带入N2量=1272.52×(1－1.493%)×79%=990.28 m³ 2)焦炭带入的N2量=337.18×(0.077%＋0.25%)×22.4/28=0.88 m³ 3)煤粉带入的N2的量=180×0.46%×22.4/28=0.66 m³ 故VN=990.28＋0.88＋0.66=991.82 m³

2

煤气成分表

成分22

H24 ∑

体积1740.56

100.00

编制物料平衡表

(1)鼓风质量的计算，1 m³鼓风的质量为

γ风=(0.21×0.985×32＋0.79×0.985×28＋18×0.01493)/22.4=1.28kg/m³ 鼓风质量为 G风=1272.52×1.28=1628.83 kg (2)煤气质量的计算，1 m³煤气的质量为

γ气 =(44×0.2149＋28×0.1925＋28×0.5698＋2×0.0177＋16×0.0051)/22.4 =1.38 kg/m³

煤气的质量为 G气=1740.56×1.38=2401.97 kg (3)煤气中的水分

1)焦炭带入的水分量为=340×4%=13.60kg

2)氢气参加还原生成的水分为=32.22×2/22.4×18/2=25.89 kg 故GH2O=13.60＋25.89=39.49kg

物料平衡表

收入项支出项%

铁矿石鼓风生铁煤气焦炭炉渣7.72 煤粉煤气中水分总计

1.05 100.0

水分炉尘0.53

3748.83100.0总计3750.98

相对误差=[(3748.83－3750.98)/3748.83]×100%=－0.057%，在±0.3%之内。

热平衡计算

热平衡计算的目的，是为了了解高炉内热量供应和消耗的状况，掌握高炉内热能的利用情况，研究改善高炉热能利用和降低消耗的途径。编制热平衡计算表是研究高炉冶炼过程的基本方法之一。

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中。 热量收入Q收

(1)碳素氧化放热QC

1)碳素氧化成CO2的体积=373.96－0.26=373.70 m³

碳素氧化成CO2产生的热量=373.70×12/22.4×33436.2=6693807.83 kJ 2)碳素氧化产生CO的体积=335.11－0.43=334.68m³ QCO=334.68×12/22.4×9804.6=1757894.75 kJ 故 QC=6693807.83＋1757894.75=8451702.58 kJ

(2)鼓风带入的热量：

Q风 =1272.52×(1－1.493%)×1643.11+1272.52×1.493%×2120.4=2099958.24 kJ (3)氢氧化为水放热=25.89×1345.09=34824.38 kJ (4)甲烷生成热=8.74×16/22.4×4709.56=29401.11 kJ (5)炉料物理热=1586.4×0.6704×80=85081.8 kJ

Q收入=8451702.58+2099958.24+34824.38+29401.11+85081.8=10700968.11 kJ 6.5.2 热量支出Q支

(1)氧化物分解吸热

1)假设焦炭和煤粉中的FeO全以硅酸铁形态存在，烧结矿和球团矿其中有20%FeO以硅酸铁形式存在，其他以Fe3O4形式存在。故有：

GFeO硅酸铁=1586.4×9.486%×20%+340×0.48%+180×0.93% =33.40 kg GFeO四氧化三铁=1586.4×9.486%×80%=120.39 kg GFe2O3四氧化三铁=120.39×160/72=267.53 kg

GFe2O3自由=1586.4×76.362%－267.53=943.88 kg 故 GFe3O4=120.39＋267.53=387.92 kg

依据每千克铁氧化物分解热，即可算出总的分解热。 QFeO硅酸铁=33.40×4078.52=136222.57 kJ QFe3O4=(120.39+267.53)×4803.33=1863307.77 kJ QFe2O3=943.88×5156.59=4867202.17 kJ

Q铁氧化物总分解=136222.57＋1863307.77＋4867202.17=6866732.51kJ 2)锰氧化物分解吸热=0.025%×1000×7366.02=1841.51 kJ 3)硅氧化物分解吸热=0.45%×1000×31102.37=139960.67 kJ 4)磷氧化物分解吸热=0.047%×1000×35782.6=168782.6=16817.82 kJ Q氧化物总分解=6866732.51＋1841.51＋139960.67＋16817.82=7025352.51 kJ

(2)脱S吸热 由于CaO脱硫耗热为5400.97kJ/kgS，MgO脱硫耗热为8038.66 kJ/kgS，二者差别很大，故取其渣中成分比例39.57∶10.52≈4∶1来计算平均脱硫耗热。

1kg硫的平均耗热=5400.97×0.8+8038.66×0.2=5928. 5 kJ Q脱S=3.218×5928. 5=19077.91 kJ

(3)炉料游离水蒸发吸热=13.6×2862=38923.2kJ (4)铁水带走的热=1000×1214=1214000 kJ (5)炉渣带走的热=289.52×1800=521136 kJ (6)喷吹物分解吸热=180×1172.3=211014 kJ

(7)炉顶煤气带走的热量Q煤气，从常温到200°C 之间，各种气体的平均比热容200×Cp(kJ/m3·℃)如下表。

煤气各成分平均比热容

N22H24

H2O

1)Q煤气=262.8×991.82＋364.8×373.96＋263.9×335.11＋257.7×30.85＋356.9×8.82=496604.34kJ 2)Q水=1.065×39.49×22.4/18×100=5233.74kJ Q煤气=496604.34＋5233.74=501838.08kJ

(8)水分分解吸热=(1272.52×1.493%×18/24＋180×0.83%)13454.13=225502.41 kJ (9)炉尘带走的热=20×0.7542×200=3016.8 kJ

故Q=7025352.51＋19077.91＋38923.2＋1214000＋521136＋ 211014＋501838.08＋225502.41+3016.8=9759860.91 kJ

(10)冷却水带走的热及炉壳散发热损失=10700968.11－9759860.91=941107.2 kJ

热平衡表

热收入碳素氧化放

热 热风带的热氢氧化放热甲烷生成热物料物理热

热支出% 65.65

氧化物分解脱硫0.18 水分解2.11 游离水蒸发

炉渣带热喷吹物分解煤气带走热炉尘带热0.36 4.87 1.97 4.69 0.03 100.00

铁水带热11.35

热损失8.79

总 计总 计热量利用系数KT

KT=100%－(4.69%＋8.79%)=86.52%

KC=[8451702.58/(425.82－41.65)×33436.2]×100%=65.80%

从上述指标可以看出，本例的碳素热能利用情况较好，约为66 %。保证冶炼必须的热量为支出项的前七项，后

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