年产300万吨生铁高炉设计（指导书）

江西理工大学应用科学学院课程设计

年 产 300 万 吨 生 铁 高 炉 设 计

周英彪 0802011025

I

周英彪：年产300万吨生铁高炉设计

目 录

1 绪 论 ............................................................................................................................ 1

1.1高炉炼铁概述 ...................................................................................................... 1 1.2高炉生产主要经济技术指标 .............................................................................. 2 1.3高炉炉型发展趋势 .............................................................................................. 3 2 高炉配料计算 .............................................................................................................. 4

2.1配料计算的目的 .................................................................................................. 4 2.2配料计算时需要确定的已知条件 ...................................................................... 4 2.3冶炼条件的确定 .................................................................................................. 4

2.3.1根据铁平衡求铁矿石的需求量 ................................................................. 5 2.3.2根据CaO的平衡求石灰石用量 ............................................................... 6 2.3.3最终炉渣成分和数量计算 ......................................................................... 7 2.3.4最终生铁成分计算 ..................................................................................... 8 2.4物料平衡 .............................................................................................................. 9

2.4.1根据C的平衡计算风量 ............................................................................ 9 2.4.2风量的计算 ............................................................................................... 10 2.4.3炉顶煤气成分及数量的计算 ................................................................... 11 2.4.4物料平衡表的编制 ................................................................................... 13 2.5热平衡 ................................................................................................................ 14

2.5.1热量收入的计算 ....................................................................................... 14 2.5.2热量支出项的计算 ................................................................................... 15 2.5.3热平衡表及能量利用评定 ....................................................................... 18

3 高炉炉型设计 ............................................................................................................ 19

3.1 高炉容积的确定 ............................................................................................... 19 3.2 高炉炉型及尺寸确定 ....................................................................................... 19 参考文献 ........................................................................................................................ 23

II

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1 绪 论

1.1高炉炼铁概述

1、高炉结构

高炉是一种竖式的反应炉。现代高炉内型一般由圆柱体和截头圆锥体组成，由下而上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五段。由于高炉炼铁是在高温下进行的，所以它的工作空间是用耐火材料围砌而成，外面再用钢板作炉壳。

图1-1 高炉的结构

1—炉底耐火材料；2—炉壳；3—生产后炉内砖衬侵蚀线；4—炉喉钢砖； 5—煤气导出管；6—炉体夸衬；7—带凸台镶砖冷却壁；8—镶砖冷却壁； 9—炉底碳砖；10—炉底水冷管；11—光面冷却壁；12—耐热基墩；13—基座

2、高炉炼铁原理及工艺流程示意图 高炉生产是连续进行的。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产几年到十几年。生产时，从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶）不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂，从高炉下部的风口吹进热风（1000～1300℃），喷入油、煤或天然气等燃料。装入高炉中的铁矿石，主要是铁和氧的化合物。在高温下，焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来，得到铁，这个过程叫做还原。铁矿石通过还原反应炼出生铁，铁水从出铁口放出。铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣，从出铁口和出渣口分别排出。煤气从炉顶导出，经除尘后，

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作为工业用煤气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。高炉炼铁工艺流程示意图见图1-2。

图1-2 高炉炼铁工艺流程示意图

1.2高炉生产主要经济技术指标

1、高炉有效容积利用系数（η）

指高炉每立方米有效容积一昼夜生产合格铁水的吨数，单位为t/(m3?d)。

昼夜合格生铁产量t高炉有效容积系数??

高炉有效容积Vuη是高炉冶炼的一个重要指标，η越大，其高炉生产率越高。小型高炉利用系数可达2.8～3.2，大型高炉一般为2.0~2.5。

2、焦比（K）

每炼一吨生铁所消耗的焦炭量,单位为Kg/t-Fe。先进高炉焦比为300～400公斤/吨生铁。焦炭价格昂贵，降低焦比可降低生铁成本。

昼夜干焦消耗量Kg焦比K?昼夜合格生铁产量t3、燃料比（i）

高炉采用喷吹煤粉、重油或天然气后，折合每炼一吨生铁所消耗的燃料总量，单位为kg/t-Fe。每吨生铁的喷煤量和喷油量分别称为煤比和油比。此时燃料比等于焦比加煤比加油比。根据喷吹的煤和油置换比的不同，分别折合成焦炭(公斤)，再和焦比相加称为综合焦比。燃料比和综合焦比是判别冶炼一吨生铁总燃料消耗量的一个重要指标。

昼夜干焦消耗和喷吹燃烧总量kg

燃烧比i?昼夜合格生铁产量t4、高炉炼铁强度（I）

每昼夜高炉燃烧的焦炭量与高炉容积的比值，是表示高炉强化程度的指标，单位为t/(m3?d)。

每昼夜燃料的干焦量t高炉冶铁强度I?

高炉有效容积Vu5、休风率

休风时间占全年日历时间的百分数。降低休风率是高炉增产的重要途径一般高炉休风率低于2%。

休风时间休风率??100%

规定工作时间6、生铁合格率

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化学成分符合规定要求的生铁量占全部生铁产量的百分数，是评价高炉优质生产的主要指标。

合格生铁量生铁合格率??100%

生铁总产量7、炉龄

炉龄的定义为两代高炉大修之间高炉实际运行的时间，即不计划中进行中小修而造成的休风以及封炉时间。

1.3高炉炉型发展趋势

高炉的炉型随着高炉精料性能，冶炼工艺，高炉容积，炉衬结构，冷却形式的发展而演变，高炉设计的理念也随着科学技术的进步和生产实践的进展而更新。

总结国内外同类型容积高炉尺寸，原燃料条件，强化冶炼的矮胖型炉型已成为主要的炉型，其优点如下：

1、适当矮胖，减小炉腹角，炉身角。较小的炉身角有利于受热膨胀后炉料下降，较小的炉腹角有利于煤气流的均匀分布，减小对炉腹生成渣皮的冲刷，保护炉腹冷却壁，延长其寿命。

2、加深死铁层厚度，有利于开通死料柱下部通道，从而减少出铁时铁水环流对炉衬的侵蚀，提高炉底炉缸的寿命。同时较深的死铁层可多贮存铁水，保证炉缸有充足的热量储备，稳定铁水的温度和成分。

3、加大炉缸的高度。可保证风口前有足够的风口回旋区，有利于煤粉的充分燃烧及改善高炉下部中心的透气性，有利于改善气体动力学条件。

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m[P]k—矿石带入的磷量（1t生铁），kg\\t；

m[P]j—焦炭带入的磷量（1t生铁），kg\\t；

，kg\\t； m?P?me—煤粉带入的磷量（1t生铁）m[P]L—溶剂带入的磷量（1t生铁），kg\\t； m[P]ch—炉尘带出的量（1t生铁），kg\\t。

2、生铁含S量的计算

100% w[S]t?m(S)t?

1000100%?0.30? 1000

?0.030%3、生铁含Si量为0.35% 4、生铁含Mn量的计算。

55?100% w[Mn]?m(MnO)za???

71?1000550.7100%?5.186???710.31000 ?0.937%

5、生铁含Fe量为94.99% 6、生铁含C的计算。

w[C]t?100%?w[P]t?w[S]t?w[Mn]t?w[Si]t?w[Fe]t

?(100?0.081?0.03?0.35?0.937?94.99)% ?3.612%

所以，生铁的最终成分如表2-14。

成分 质量分数 / % Si 0.35 表2-14 生铁的最终成分 Mn P C 0.937 0.0812 3.612 Fe 94.99 S 0.03 Σ 100 2.4物料平衡 高炉物料平衡计算包括风量计算、煤气量计算以及编制物料平衡表。通过它可以进一步了

解高炉反应过程的各种变化和检查有关计算（配料计算、风量和煤气量计算)的正确性，同时也可以检查称量工作及其他工作的情况。 2.4.1根据C的平衡计算风量

1、风口前燃烧的总C量 炉料带入的C量：

m(C)Lu?m(C)j?m(C)me?m?C?M

?390??1?0.032??0.8502?175?0.7649?50?0.0341(5kg) ?45.6

式中：m(C)Lu—炉料带入的C量（1t生铁），kg\\t； m(C)j—焦炭带入的C量（1t生铁），kg\\t； m(C)me—煤粉带入的C量（1t生铁），kg\\t；

，kg\\t； m(C)M—碎铁带入的C量（1t生铁）

消耗的铁量：

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（1）生成甲烷的C量： C?2H2?CH4

m(C)CH4?[m(C)j?m(C)me]?1%?455.546?0.01?4.555(kg) （2）溶于生铁中的C量：

m(C)t?w[C]t?1000?3.612%?1000?36.12(kg)

（3）还原Mn消耗的C量： MnO?C?Mn?CO

m(C)Mn?w?Mn?t?1000?12/55?2.04(kg4)

（4）还原Si消耗的C量： SiO2?2C?Si?2CO

m(C)Si?3.5?24/28?3.0(kg)（5）还原Fe消耗的C量： FeO?C?Fe?CO

12 m(C)Fe?(949.9?50?0.85)??0.4?77.777(kg)

56（6）还原P消耗的C量： P2O5?5C?2P?5CO m(C)p?0.0812%?1000?60/62?0.786(kg)

根据以上计算，得出直接还原消耗的C量为：

m?C?d?m(C)Mn?m?C?si?m?C?Fe?m?C?p

?2.044?3?77.777?0.786

?83.604(Kg) 式中：m(C)Mn——还原Mn所消耗的C量；

m(C)Si——还原Si所消耗的C量；

m(C)Fe——还原Fe所消耗的C量；

m(C)p——还原P所消耗的C量。

风口前燃烧的C量为：

m(C)f?m(C)Lu?m(C)d?m(C)ch4?m(C)t?m(C)ch

?456.415?83.604?4.555?36.12?30?0.1764 ?326.844?Kg?式中：m(C)Lu ——炉料带入的C量； m(C)d ——直接还原消耗的C量；

m(C)CH4——生成甲烷的C量； m(C)t ——溶于生铁的C量；

m(C)ch ——炉尘带走的C量（1t生铁），kg\\t。

2.4.2风量的计算

鼓风中氧的浓度：

NO2?0.21?(1??)?0.5? ?0.21?(1?0.015)?0.5?0.015

?0.2144

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式中：NO2— 鼓风中氧的浓度； ? — 鼓风中水分。

风口前碳燃烧时需氧量： 2C?O2?2CO

V(O2)C?m(C)f?22.4/(2?12)

?3260844?22.4/24?305.054(m)3

其中，煤粉供氧：

V(O2)me?22.4/32?175?0.0601?7.362(m3)

则需要由鼓风供氧：

V(O2)f?V(O2)C?V(O2)me

?305.054?7.3623?297.693(m)所以，每吨生铁需要风量：

V(O2)f297.693 Vf???1388.493(m3)

NO20.21442.4.3炉顶煤气成分及数量的计算

1、甲烷的计算

（1）由燃料碳素生成的甲烷： C?2H2?CH4

V(CH4)?m?C?CH4?22.4/12?4.555?22.4/12?8.50m3 （2）焦炭挥发分中的甲烷：

V(CH4)?390?(1?0.032)?0.0117?0.04?22.4/12?0.237(m3)

则进入煤气中的甲烷为：

V(CH4)?8.50?0.237?8.737(m3)

2、氢量的计算

（1）由鼓风水分中分解出的氢： V(H2)f?Vf???1388.493?0.015?20.82(7m3) （2）焦炭挥发分及有机物中的的氢：

V(H2)J?390?(1?0.032)?0.117?0.06?22.4/2?2.97(m3)

（3）煤粉分解出的的氢：

V(H2)me?175?0.0351?22.4/2?68.79(6m3)

（4）在喷吹条件下，进入炉内的H2有35%参加还原，故H2参加还原的量为：

H2?FeO?H2O?Fe

??V(H2)h?(20.827?2.97?68.796)?0.35?32.389(m3)

（5）生成甲烷的氢：

V(H2)?2?V(CH4)?2?8.50?17.00(m3)

则进入煤气的氢： C?2H2?CH4

V(H2)?20.827?2.97?68.796?32.389?17.00?43.204(m3)

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3、CO2的计算。

（1）Fe2O3还原为FeO时，生成的CO2为： Fe2O3?CO?FeO?CO2

V(CO2)Fe2O3?QK??Fe2O3?22.4/160

?1742.776?0.588576?22.4/160?143.605(m)3

（2）FeO还原为Fe时，生成的CO2为：

FeO?CO?Fe?CO2

V(H2)h?56/22.4V(CO2)FeO?[m(Fe)t?m(Fe)M]?(1?rd?)?22.4/56

m(Fe)t?m(Fe)M3?180.432(m)

（3）焦炭挥发分中的CO2为：

V(CO2)?390?(1?0.032)?0.0117?0.342?22.4/44?0.769(m3))

（4）溶剂分解出的CO2为： V(CO)?Q??

2LL（烧损）?22.4/44 ?93.9426?0.429?22.4/44?20.517(m3) （5）混合矿分解出的CO2为： V(CO2)K?QK??K(烧损)?22.4/44

?1742.776?0.00084?22.4/443?0.745(m)则进入煤气中的CO2为：

V(CO2)?143.6055?180.432?0.769?20.517?0.745?35.093(9m3)

4、CO的计算

（1）风口前燃烧生成的CO为： 2C?O2?2CO

V(CO)f?m(C)f?22.4/12

?324.089?22.4/123

?604.966(m)（2）直接还原生成的CO为：

MeO+C=Me+CO （Me为Fe、Si、Mn、P） V(CO)d?m(C)d?22.4/12

?83.606?22.4/12

?148.795(m3)（3）焦炭挥发分中的CO为：

V(CO)?390?(1?0.032)?0.0117?0.378?22.4/28?1.336(m3)

（4）间接还原消耗的CO为： Fe2O3?CO?FeO?CO2 FeO?CO?Fe?CO2

V(CO)i?V(C)Fe2O3?V(CO)FeO

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?V(C)Fe2O3?V(CO2)FeO

?32.903(7m3)进入煤气的CO为： V(CO)?60.4966?15.6064?1.336?32.9037?43.832(9m3)

5、N2的计算。

（1）鼓风带入的N2： V(N2)f?Vf?(1?0.015)?0.79?1388.493?(1?0.015)?0.79?108.405(5m3) （2）焦炭带入的N2：

V(N2)j?390?(1?0.032)?0.0117?0.18?22.4/28?0.636(m3) （3）煤粉带入的N2：

V(N2)me?175?0.006?22.4/28?0.84(m3)

则进入煤气带入的N2为： V(N2)?1080.455?0.636?0.84?108.811(1m3)

根据以上计算列出的煤气成分见表2-15。

表2-15 煤气成分及数量 化学成分 CO2 CO N2 体积/ m3 350.939 438.329 1081.811 体积分数/ % 18.248 22.795 56256 化学成分 H2 CH4 总计 体积/ m3 43.204 8.737 1923.17 体积分数/ % 2.247 0.454 100 ?14.3605?18.54322.4.4物料平衡表的编制 1、鼓风质量的计算 1m3鼓风的质量为：

[??18?0.21??1????32?0.79??1????28]/22.2?[0.015?18?0.21?(1?0.015)?32?0.79?(1?0.015)]/22.4 ?1.2802 (kg/m3)则全部鼓风质量为： 1388.492?1.2802?1777.548(kg) 2、煤气质量的计算 1m3煤气的质量为：

(CO2%?44?CO%?28?N2%?28?H2%?2?CH4%?16)/22.4

?(0.18248?44?0.22795?28?0.56256?28?0.02247?2?0.00454?16)/22.4?1.351(kg8/m3)则全部煤气质量为： 1923.17?1.3518?2599.806(kg) 3、煤气中水分的计算

氢参加还原生成的水为：32.389?18/22.4?26.026(kg) 焦炭含的游离水量：410*3.2%=12.48 煤粉中水分：175?1.85%?3.2375Kg

根据以上计算，得到吨铁物料平衡表2-16。

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表2-16 物料平衡表 收入项目 矿石 碎铁 焦炭 煤粉 熔剂 风量 总计 绝对误差 / kg 数量/kg 1742.776 50 410 175 93.6426 1777.549 4228.971 4.524 支出项目 渣 炉尘 煤气 水蒸气 生铁 总计 相对误差 / % 数量/kg 552.8816 30 2599.806 41.754 1000 4224.447 0.107% 一般相对误差应小于3%，否则应该检查计算是否有错误。

2.5热平衡

进行高炉热平衡的计算，可以深入了解在高炉冶炼过程中热量利用率的情况，从而找到高炉进一步降低焦比的途径。根据能量守恒定律，在高炉冶炼过程中吸收的热量应等于支出的热量。热平衡和物料平衡这两个概念构成了高炉计算的全部基础。综合前面的配料计算和物料平衡，以下进行热平衡计算。 2.5.1热量收入的计算

热量收入的各项计算如下： 1、碳氧化放热

（1）由C氧化成1m3CO2放出的热量为：

(7980/22.4)?12?4.2?17955(KJ/m3) 其中，7980为C氧化为CO2放热，KJ/kg。 （2）由C氧化成1m3 CO放出的热量为： ?2340/22.4??12?4.2?5265?KJ? 则碳氧化放出的总热量为：

?V?CO?生成?5265?V?CO2?生成?17955??438.329?1.336??5265??350.939?0.769?20.517?0.745??17955

?8207785.56 ?KJ?2、鼓风带入的热量

1100℃干空气的热容量为0.3751kcal/m3?℃，水蒸气比焓是0.4576kcal/m3?℃。 鼓风带入热量：

?Vf?1????0.3751?Vf???0.4576?1100?4.2???????[1388.492??1?0.015??0.3751?1388.492?0.015?0.45767]?1100?4.2

?2414065.96 ?KJ?3、氢氧化放热。

1m3氢氧化成水蒸气放出热量为2581kcal。

?KJ? 氢氧化放热=V?H2?h?2581?4.2?32.389?2581?4.2?351297.244、成渣热

炉料中存在的1kgCaO、MgO在高炉内生成钙镁硅酸盐所放出的热量为270KCal，在大量使用熟料的情况下，可以只考虑熔剂中CaO、MgO成渣时放出的热量（因为熟料情况下，CaO、MgO在烧结时已经释放了成渣热，不游离存在，混合矿中烧损部分中以CaCO3、MgCO3存在

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的CaO、MgO在混合矿烧损值不大时可以忽略不计。）

溶剂中的（CaO+MgO)为：

??50.65193.6426??0.5278?0.0132kg则成渣热为： 50.651?270?4.2?57432.83 (KJ)5、混合矿带入热

本设计只需计算烧结矿带入的物理热，其他料(如煤粉）等带入的物理热均忽略不计。

t烧结矿带入热量=N?ca?ta ?1742.776?0.80?0.19?25?4.2

?KJ??27814.65式中：N—每吨生铁烧结矿用量，kg；本设计烧结矿占混合矿的80%。

tt ca—烧结矿入炉温度下比热容，kcal/?kg?℃?，本设计取ca=0.19kcal/?kg?℃?； ta—烧结矿入炉温度，℃，本设计取ta=25℃。 6、甲烷生成热

焦炭与喷吹燃料中总碳量的1%和H2生成CH4。 CH4的生成热= m(C)CH4?16/12?1124?4.2

?4.555?16/12?1124?4.2?KJ? ?28630.99

则冶炼1t生铁的总热量收入为：

8207785.56?2414065.96?351297.24?57432.83?27814.65?28630.99?11087027.23?KJ? 2.5.2热量支出项的计算

热量支出项的各项计算如下： 1、氧化物的分解和脱S热

计算时首先应该弄清各种氧化物在不同原料中的存在形态。一般原料分析中没有指出各种形态氧化物的含量，计算时依据矿物常识做出假定。

铁矿石中没有自由的FeO，在溶剂性烧结矿中的FeO约有20%呈2FeO·SiO2，其余以Fe3O4形态存在，焦炭中的全部以2FeO·SiO2的形态存在。 （1）铁氧化物的分解热计算

m?FeO?硅酸铁?1742.776?0.8?0.152?20%?390?(1?0.032)?0.1294?0.0946

?42.384?4.62131

?47.005(Kg)m(FeO)四氧化三铁?1742.776?0.147056-42.384?209.28(Kg) m?Fe2O3?四氧化三铁?209.28?160/72?46.506(9Kg)

m?Fe2O3?游离?1742.776?0.588576?465.069?560.6Kg89) (

①分解1KgFeO（2FeO·SiO2）需要973.33kcal热量，故：

?KJ? FeO的分解热?47.005?973.33?4.2?192155.782②分解1KgFe3O4需要1146.38kcal热量，故：

.38?4.2?3246852.868 ?KJ? Fe3O4的分解热??209.28?465.069??1146③分解1KgFe2O3需要1230.69kcal热量，故： Fe2O3的分解热?560.689?1230.69?4.2?2898144.251 ?KJ? 所以：

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氧化物的总分解热=192155.782?3246852.868?2898144.251?6337152.901?KJ? （2）Mn氧化物的分解热计算

由MnO分解出1Kg Mn需要1758.5kcal热量。 故：

锰氧化物的分解热?0.937%?1000?1758?KJ? .5?4.2?69204.009（3）SiO2的分解热计算

由SiO2分解出1kgSi需要7423kcal热量， 故：

SiO2的分解热?0.35%?1000?7423?4.2?109118.10 ?KJ? （3）磷酸钙的分解热计算

由Ca3(PO4)2分解出1kg磷需要8540kcal热量， 故：

?KJ? Ca3(PO4)2的分解热?0.0812%?1000?8540?4.2?29124.816（4）脱S需要热量的计算

使用不同脱S剂时，脱S消耗的热量见表2-17。

表2-17 脱S消耗的热量 脱S剂 CaO MnO FeO MgO 1kmol硫消耗热量/kcal 41340 47910 42070 61410 1kg硫消耗热量/kcal 1290 1495 1315 1920 事实上炉渣中的硫不仅呈CaS，而且也呈MgS、FeS等形态存在，但它们各自的数量不详，不能准确计算脱S所消耗的热量。

以CaO、MnO、FeO作为脱S剂时，它们脱除1kgS所消耗的热量很相近，只有MgO脱S消耗的热量较大。计算生成硫化物的热效应时应该采用CaO和MgO在渣中的比例39.58%/10.76%≈3.7/1来计算平均脱S热值，所以1kgS消耗的平均热量为： ?1290?3.7?1920??4.7?1424.663kcal/Kg

所以：脱S消耗的热量：?m(S)za?1424.663 ?4.2

?4.5876?1424.663 ?4.2?KJ??27450.29

故：氧化物的分解和脱S消耗的总热量

?KJ??6337152.901?69204.009?109118.10?29124.816?27450.29?6590640.112、碳酸盐的分解热

由CaCO3分解出1kgCO2需966kcal，由MgCO3分解出1kgCO2需594kcal。

?0.084%?1464?Kg? 混合矿中CO2量?1742.776假定CaCO3和MgCO3是按比例分配的，其中以CaCO3存在的CO2为

9.7421.464??1.092?Kg?， 9.742?3.34则以MgCO3形式存在的CO2为1.464?1.092?0.372?Kg?

溶剂中以CaCO3存在的CO2量?93.6426?0.5278?44/56?38.823?Kg?

?Kg? 溶剂中以MgCO3存在的CO2量?93.6426?0.429?38.742?1.419所以：碳酸盐分解热

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?KJ???1.092?38.823??966?4.2??0.372?1.419??594?4.2?166231.323、水分分解热

只考虑鼓风中水蒸气分解热 故：风中水蒸气分解热

?Vf???2581?4.2?1388.493?1.5%?2581?4.2?225763.13 ?KJ?

分解1m3水蒸气需要2581kcal热量 4、喷吹物分解热 Q分解?4.29?7980w（C）?28905w（H）?2212w(S)?4.2Q低

式中：Q分解 — 1Kg喷吹物的分解热，KJ/Kg；

Q低 — 1Kg喷吹物的低发热值，kcal/Kg；

w?C?，w?H?，w?S? — 喷吹物中该成分的质量分数，%。

煤粉的分解热约为300kcal/KJ，所以： Q分解?175?300?4.2?220500.00?KJ?

5、炉料游离水的蒸发热

1Kg水由0℃升至100℃吸热100kcal，再变为100℃水蒸气吸热540kcal，共640kcal。

?KJ? 所以：游离水的蒸发热??390?3.2%?175?1.85%??640?4.2?42248.646、铁水带走的热

取铁水的焓量为270kcal/Kg，则

铁水带走热?270?1000?4.2?1134000?KJ? 7、炉渣带走的热

取炉渣的焓量为410kcal/Kg，则

?KJ? 炉渣带走热?552.8816?410?4.2?952160.9588、煤气带走的热

取炉顶煤气温度T顶=200℃。200℃时煤气各成分的热熔见表2-18。

3表2-18 200℃时煤气各成分的热熔kcal/m?℃

??N2 0.313 CO 0.314 CO2 0.434 H2 0.307 CH4 0.425 H2O 0.364 （1）干煤气带走的热量 干煤气的热熔为：

N2%*0.313+CO%*0.314+CO2%*0.434+H2%*0.307+CH4%*0.425 ?0.56256?0.313?0.22795?0.314?0.18248?0.434?0.02247?0.307?0.00454?0.425

?0.335kcal/m3?℃所以干煤气带走的热量为：

?KJ? ?0.335?4.2?200?540718.73 1923.17（2）水蒸气带走的热量为：

.KJ72) 41.754?22.4/18?0.364?4.2?(200?100)?7943(（3）炉尘的比热容为0.2kcal/?m3?℃?， 则炉尘带走的热量为：

?KJ? 30?0.2?200?4.2?5040 故煤气走的总热量为：

?KJ? 540718.73?7943.72?5040.00 ?5537024.45

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??周英彪：年产300万吨生铁高炉设计

9、外部热损失 11087027.23?6590640.11?166213.32?225 763.13?220500.00?42248.64?1134000? 952160.958?553702.44

?KJ??1201780.622.5.3热平衡表及能量利用评定

1、热平衡

根据以上计算，列出吨铁热平衡表2-19。

表2-19 吨铁热平衡表 收入 项目 碳氧化热 鼓风带入热 H2氧化热 成渣热 混合矿带入热 CH4生成热 共计 热量/KJ 8207785.56 2414065.96 351297.24 57432.83 27814.65 28630.99 11087027.23 百分数 74.03% 21.77% 3.17% 0.52% 0.25% 0.26% 100.00% 项目 氢氧化物分解及脱S热 碳酸盐分解热 水分分解热 喷吹物分解热 炉料中水蒸发热 铁水带走热 炉渣带走热 煤气带走热 外部热损失 共计 支出 热量/KJ 6590640.11 166231.32 225763.13 220500.00 42248.64 1134000.00 952160.958 553702.45 1201780.62 11087027.23 百分数 59.44% 1.50% 2.04% 1.99% 0.38% 10.23% 8.59% 4.99% 11.84% 100.00% 2、能量利用的评定：

根据总热平衡的数据，可以计算出高炉内有效热量利用系数及碳的利用系数。

1、有效热利用系数KT

指高炉内有效热量的消耗（煤气带走、热损失二项除外）与总热消耗之比值。

Q有效 KT??100%

Q全部式中：Q全部 — 单位生铁的全部热量消耗，KJ/t；

Q有效 — 单位生铁的有效热量消耗（煤气带走、热损失外的全部热支出），KJ/t； KT?100%??4.99%?10.84%??83.20%

显然，KT的高低标志着高炉热量利用的好坏。一般情况下，此值为75%~85%。较好的可达90%以上

2、碳的利用系数Kc

指高炉内1kg固定碳燃烧时放出的热量与碳素完全燃烧生成CO2时所放出热量之比。

QC Kc??100%

4.2?7980?m?C? 式中：QC — 冶炼1t生铁在高炉生成的CO和CO2碳放出的总热量，kcal； m?C? — 冶炼1t生铁的入炉总C量，Kg。

8207785.56 Kc??100%?53.67% 4.2?7980?4560415Kc是表述高炉能量利用好坏的又一指标。Kc值一般在50%～60%之间，个别可高达65%。

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3 高炉炉型设计

3.1 高炉容积的确定

1、年工作日的计算

假定高炉一代炉龄为8年，大修时间为50天，一代中有一次中修，时间为30天，每年一次计划检修，时间是48h，则高炉年工作日为：

365?8?50?30?2?8?353d

82、高炉车间日产铁量

300?104?8498.584t 日产量P总?3533、高炉车间高炉座数

高炉车间建设高炉的座数，既要考虑尽量增大高炉容积，又要考虑企业煤气平衡和生铁量的均衡，保证在一座高炉停产时，铁水和煤气的供应不致间断。一般新建车间由两2~3座高炉组成为宜。

本设计确定高炉为2座。 4、高炉容积计算

高炉座数为2座，利用系数?V=2.7t/(m3?d)

P?总??4249.292t 每座高炉日产量P?t??2每座高炉容积

P?t?4249.2923V???1573.81m u?，取Vu?1420m3。 2.7v3.2 高炉炉型及尺寸确定

现代高炉只要是五段式炉型，见图3-1。五段分别为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉。

炉缸—高炉炉型下部的圆筒部分为炉缸，炉缸的上、中、下部位分别设有风口、渣口与铁口。是富集渣铁的地方。

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；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；燃烧带产生大量高温煤气，气体体积激烈膨胀，炉腹的存在适应这一变化。

炉腰—炉腹上部的圆柱形空间为炉腰，是高炉炉型中直径最大的部位。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，起承上启下的作用，使炉腹向炉身的过渡变得平缓，减小死角。

炉身—炉身呈正截圆锥形。适应炉料受热后体积的膨胀，有利于减小炉料下降的摩擦阻力，避免形成料拱；适应煤气流冷却后体积的收缩，保证一定的煤气流速；炉身高度占高炉有效高度的50～60%，保障了煤气与炉料之间传热和传质过程的进行。

炉喉—炉喉呈圆柱形。承接炉料，稳定料面，保证炉料合理分布。 1、炉缸直径d： （1）炉缸直径

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周英彪：年产300万吨生铁高炉设计

IVu' d?0.23i燃其中，冶炼强度I=?V×K=2.7×0.39=1.053(m3?d)；燃烧强度i燃取1.10t/(m3?h)。

1.053?1580?8.945m。

1.10（2）炉缸直径校核

不同炉容高炉的Vu/A（炉容/炉缸截面积比）比值是不同的，一般大型高炉为22~28，中型高炉为15~22，小型高炉为11~15。

Vu1580m3对本设计??25.14，符合大型高炉数值，所以炉缸直径取值合理。

?A?8.945242、炉缸高度h1：

炉缸高度h1（铁口中心线至风口中心线的高度）设计分为三段考虑，一般先求渣口高度hz，然后求风口高度hf，最后求出炉缸高度h1。 则，d?0.23（1）渣口高度hz：

渣口中心线至铁口中心线的高度，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1.5～1.7m。也可以参照下式计算：

bPhz??Nc?铁d2

4其中， b—生铁波动系数，取1.2；P—生铁产量，t/d；N—每昼夜出铁次数，平均每两小时出一次；c—渣口以下炉缸容积利用系数，多取0.55~0.60，本设计取0.55；?铁—铁水密度，7.1t/m3；d—炉缸直径，m；

1.2?4249.3本设计hz??1.732m

?12?0.55?7.1??8.94524（2）风口高度hf：

风口中心线至铁口中心线的高度，风口高度可参照下式计算：

hhf?z

K其中，为渣口高度与风口高度之比，一般为0.5~0.6，渣量大取低值。 本设计K取0.55。

h1.732hf?z??3.15m。

K0.55（3）风口数目n： 按照经验公式

中小型高炉：n?2?d?1? 大型高炉：n?2?d?2?

4000m3左右的巨型高炉：n?3d 其中，d为炉缸直径，m。

本设计n?2?d?2??2??8.945?2??22个，风口数目必须为偶数，所以取n?22个。

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（4）风口结构尺寸a

安装风口的结构尺寸，大中型高炉0.35~ 0.5m，本设计a取0.4m。 （5）炉缸高度h1

炉缸高度h1=hf+a=3.15+0.4=3.55m。

（6）渣口、铁口

大型高炉一般设2~4个铁口，不设渣口，本设计不设渣口，设两个互成90°的铁口，铁口高度即为渣口高度1.732m。

3、死铁层厚度h0： 铁口中心线到炉底砌砖表面之间的距离称为死铁层厚度。 本设计取h0=1.5m。 4、炉腰直径D、炉腹角?、炉腹高度h2： （1）炉腰直径D 可由D/d确定，一般大型高炉为1.09~1.15，中型高炉为1.15~1.25，小型高炉为1.25~1.50。本设计选D/d=1.11。则D=1.11?8.945=9.93m。

（2）炉腹角? 一般为79o～83o，炉腹角过小不利于炉料下降，影响顺行；炉腹角过大不利于煤气流分布，容易使边缘煤气流过分发展，同时不利于产生稳定的渣皮保护炉衬。本设计选?=82°。

（3）炉腹高度h2

现代大中型高炉炉腹高度一般为2.8~3.6m，小型高炉一般为1.5~2.5m。 本设计

h2?0.5?D?d?tan??0.5??9.93?8.945?tan82??3.504m，符合要求。 5、炉喉直径d1、炉喉高度h5： （1）炉喉直径d1

可用d1/D的比值确定，大中型高炉d1/D为0.65~0.70，300m3以下的高炉取 0.70~0.75为宜。

本设计取d1/D=0.65，则d1=0.65?9.93=6.4545m。 （2）炉喉高度h5 一般参照同类型高炉数据选取，大型高炉为2.0~2.5m；中型高炉为 1.5~2.0m；小型高炉为0.6~1.5m。本设计选h5=2.0m。

6、炉身角?、炉身高度h4、有效高度Hu、炉腰高度h3： （1）炉身角? 一般取值为81.5o～85.5o之间。大高炉取小值，中小型高炉取大值。4000～5000m3高炉?角取值为81.5o左右。本设计取?=84°。

（2）炉身高度h4

?tan84??16.53m。 h4?0.5?D?d1?tg??0.5??9.93?6.4545（3）有效高度Hu

对无钟炉顶，旋转溜槽最低位置的下缘到铁口中心线之间的距离称为高炉有效高度（Hu），有效高度与炉腰直径的比值（Hu/D）是表示高炉“矮胖”或“细长”的一个重要设计指标，巨型高炉～2.0，大型高炉2.5～3.1，中型高炉2.9～3.5，小型高炉3.7～4.5。

本设计取Hu/D=2.80，则Hu?2.80D?27.804m。

（4）炉腰高度h3

一般取值1～3m，炉容大取上限，设计时可通过调整炉腰高度修定炉容。 根据h3?Hu?h1?h2?h4?h5求的本设计

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h3?Hu?h1?h2?h4?h5?27.804?3.55?3.504?16.53?2?2.22m

7、校核炉容： （1）炉缸体积：V1?（2）炉腹体积：V2??4d2h1??4?8.9452?3.55?223.09m3

?12?245.34m3

h2(D2?Dd?d2)??12?3.504?(9.932?9.93?8.945?8.9452)

（3）炉腰体积：V3?（4）炉身体积：V4??4D2h3??4?9.932?2.22?171.9m3

?12?884.37m3

h4(D2?Dd1?d12)??12?16.53?(9.932?9.93?6.4545?6.45452)

（5）炉喉体积：V5??4d12h5??4?6.45452?2?65.44m3

高炉容积：Vu'?V1?V2?V3?V4?V5?223.09?245.34?171.9?884.37?65.44?1590.14m3

?Vu?Vu1590.14?1580?100%??100%?0.638% <1% 误差：?u=

Vu1580炉型设计合理，符合要求。计算得高炉内型参数列于表3-1中。

表3-1 高炉内型参数 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

项目 有效容积Vu/m3 炉缸直径d/mm 炉腰直径D/mm 炉喉直径d1/mm 死铁层深度h0/mm 炉缸高度h1/mm 炉腹高度h2/mm 炉腰高度h3/mm 炉身高度h4/mm 炉喉高度h5/mm 有效高度Hu/mm 炉腹角α 炉身角β Hu/D 铁口数/个 风口数/个 数值 1590.14 8945 9930 6455 1500 3550 3504 2220 16530 2000 27804 820 840 2.80 2（夹角180°） 22 22

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参考文献

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