炼铁物料平衡及能量平衡计算

炼铁配料、物料平衡及能量平衡计算(回顾)问题的提出生产高炉的节能潜力在哪里？高炉的直接还原度是多少合适？高炉的理论焦比？已知原料条件和产品种类，炉料结构是什么样？炉渣是否满足冶炼要求？煤气组成什么样？送风系统怎么设计？……改变冶炼参数对能量利用产生什么样的影响？……设计高炉计算所需条件给定原燃料条件和冶炼参数(1)原、燃料和炉尘的化学成分全分析(2)冶炼生铁品种、成分(3)鼓风参数(4)冶炼工艺参数选择：元素在铁、渣和煤气中的分配率焦比、喷吹燃料比、炉渣碱度和rd计算内容(1)单位生铁的原燃料消耗量配料计算(2)冶炼产品的成分和数量(3)鼓风量(4)煤气量及其成分(5)通过热平衡联立求解焦比实际计算中，先根据经验选定rd和焦比、喷吹燃料比计算物料平衡，然后计算热平衡以检查rd和焦比选定的合理性。高炉的投入与产出铁矿石：烧结矿球团矿生块矿熔剂：石灰石废铁(碎铁)焦炭煤气：CO、CO2、H2、N2(干)、H2O炉尘：生铁回收铁炉渣热风(、)喷吹物(煤粉、重油、天然气)注：回收铁，即铁损(指生产高炉而言)，一般为1.0~1.5%1高炉配料计算1高炉配料计算目的：为原料系统设计提供依据。（矿槽、焦槽、熔剂仓的大小、数量，皮带运送能力的选择等）计算时需要用到完整的物料化学成分，但是现场给出的成分往往是不全的；例如：铁矿石给出的成分Fe,Mn,P,S等元素和FeO,CaO,SiO2,Al2O3,MgO等几种化合物含量，直接计算误差较大。1.1原料成分的整理(1)元素和化合物的存在状态S：FeSFeS2SO3（硫酸盐）Fe、S：烧结矿、球团矿：Fe2O3、FeO、FeS(CaS)生块矿：Fe2O3、FeO、FeS2熔剂：Fe2O3、FeO、FeS2、SO3废铁：Fe、Fe2O3、FeO、S(单质)焦炭：FeO、FeS、S(有机)煤粉：Fe2O3、FeO、FeS、S(有机)元素和化合物的存在状态Mn：烧结矿、球团矿：MnO生块矿：MnO2Ti、V:TiO2和V2O5CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5、CO、CO2H2O：H2O化：结晶水H2O物：物理水(Moist)(设计高炉不计Moist，只计算干基数量!)Rest：(为整理合理，而人为设计的“组分MeXOY”，假设全进入炉渣)元素和化合物的存在状态焦炭：工业分析：CF、S(有机硫为主)、灰分、挥发分、Moist化学分析：灰分：CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5、FeO、FeS挥发分：CO、CO2、CH4、H2、N2煤粉：工业分析：CF、S、灰分、挥发分、H2O化学分析：灰分：CaO、SiO2、MgO、Al2O3、P2O5、挥发分：C、H、N、O以Fe2O3给出，需折算(2)成分补齐一般给出TFe、Mn、P、S以及FeO、CaO、SiO2、Al2O3、MgO五种化合物烧结矿为例：由Mn计算MnO；由P计算P2O5；由S计算FeS；(去掉SO3中的S)由FeS、FeO、TFe计算Fe2O3。块矿计算类似Mn-MnO2，S-FeS2，天然矿石的烧损除CO2外，还可能有结晶水(3)成分平衡补齐后矿石成分之和往往不是100%平衡条件：误差超过3%，表明矿石分析不够准确，偏差过大，应重新分析。误差小于3%，表明偏差较小，在允许的范围内可以进行矿石平衡计算。成分TFeSiO2Al2O3CaOMgOMnOPS误差0.500.300.250.400.250.050.0050.005矿石成分分析误差，%成分平衡计算IFSum=99.5~100.0，THEN余下的加入到CO2、H2O中，其它不变；或以MeXOY形式存在，加入到Rest中。IF100.0Sum2.0，THENFe、CaO、SiO2不变；根据数量按顺序酌情变更CO2、H2O、Rest、MgO、Al2O3量。(当用MgO、Al2O3平衡方程时，最好不要变动MgO、Al2O3成分)IF100.0Sum2.0，THEN整体调整：(MeXOi)100%或要求重新给定成分。1.2配料计算任务：在已知燃料用量的前提下，求出在满足炉渣碱度要求条件下，冶炼规定成分生铁所需要的矿石、熔剂数量。已知：焦比煤比碱度生铁成分元素分配比1.2.1已知条件的确定焦比、煤比参考同类原料条件高炉确定。碱度炉渣碱度R=CaO/SiO2炉渣总碱度R=(MgO+CaO)/SiO2炉渣全碱度R=(MgO+CaO)/(SiO2+Al2O3)对于含氟矿石，氟在炉渣中以CaF2形态存在，炉渣分析时将CaF2中的Ca算成CaO了，因此考虑炉渣碱度时采用了“自由碱度”的概念:R0=(CaO-1.473F2)/SiO2考虑生铁种类，Si的还原以及高炉操作外，还要考虑炉渣的脱S，一般炼钢生铁取二元碱度1.0-1.2，三元碱度1.2-1.41.2.1已知条件的确定元素分配比与元素还原的难易程度以及沸点有关；Cu、Pb、Zn、Ni以及As在高炉冶炼条件下比Fe容易还原，能够全部还原；Cu全部进入生铁；要求0.3%Pb、Zn能全部还原，但不进入生铁，Zn沸点905℃，挥发进入煤气，部分氧化沉积在炉衬或炉料中，铅的沸点为1550℃，部分进入炉尘，另一部分与铁水互不溶解而沉于炉底。Ni在高于110℃被还原，90%进入生铁，10%进入煤气；1.2.1已知条件的确定比铁难还原的元素：Mn、V、Ti、Cr、Nb、Si、P需要高温条件下用C直接还原；CrVNb有70-80%被还原进入生铁，其余进入炉渣；Ti只有少部分被还原进入生铁，大部分进入炉渣；P是难还原元素，但在高炉条件下，几乎全部进入生铁。1.2.1已知条件的确定冶炼炼钢生铁时常见元素的分配率预定生铁成分给定[Si]、[S]根据矿石情况和分配比给定[Mn]、[P][C]=4.3-0.27[Si]-0.32[P]-0.032[S]+0.03[Mn][Fe]=100-{[C]+[Si]+[Mn]+[P]+[S]}12345678910产品FeMnVNbTiCrCuK,NaPS生铁0.99750.700.80.700.100.851.001.00炉渣0.00250.300.20.300.900.150.950.00煤气0.050.051.2.2配料计算配料计算通用方法：根据未知数个数，按以下顺序列平衡方程组，联立求解。Fe平衡方程Al2O3平衡方程碱度平衡方程V平衡方程P平衡方程Ti平衡方程Mn平衡方程Nb平衡方程MgO平衡方程………………特例：当已知含铁炉料配比时，即已知混合矿成分时，炼钢生铁对Mn、P量等无特殊要求，熔剂不含Fe或含Fe甚微而忽略不计时，可直接通过Fe平衡方程和碱度平衡方程求出矿石(混合矿)消耗量P和熔剂消耗量Q。矿石(混合矿)消耗量：Fe平衡方程PFe%矿+Fe熔+Fe废+Fe焦+Fe喷=Fe生+Fe渣+Fe尘矿喷焦废熔尘渣生Fe%FeFeFeFeFeFeFePFe熔=熔剂量Fe%熔Fe焦=干焦比(55.85/71.85FeO%焦灰+55.85/87.85FeS%焦灰)Fe喷=喷吹量(111.7/159.7Fe2O3%喷+55.85/71.85FeO%喷+55.85/87.85FeS%喷)Fe废=废铁量Fe%废Fe生=1000[Fe%]=10[Fe]Fe渣=1000[Fe%]FeFe(=0.002~0.003，=0.998~0.997)Fe尘=炉尘量Fe%尘熔剂消耗量：碱度平衡SiO2矿=矿石量SiO2%矿CaO矿=矿石量CaO%矿SiO2废=废铁量SiO2%废CaO废=废铁量CaO%废SiO2焦=干焦比SiO2%焦灰CaO焦=干焦比CaO%焦灰SiO2喷=喷吹量SiO2%喷CaO喷=喷吹量CaO%喷SiO2尘=炉尘量SiO2%尘CaO尘=炉尘量CaO%尘熔熔尘喷焦废矿尘喷焦废矿%SiORCaO%CaOCaOCaOCaOCaO]Si[102860SiOSiOSiOSiOSiOR20222220Q配料表名称kg/t铁%铁矿石1铁矿石2铁矿石3混合矿100.000熔剂(石灰石)1.2.3渣量和渣成分计算按进入炉渣的氧化物和脱硫产物量逐项计算CaO渣=CaO矿+CaO熔+CaO废+CaO焦灰+CaO喷CaO尘SiO2渣=SiO2矿+SiO2熔+SiO2废+SiO2焦灰+SiO2喷SiO2尘60/2810[Si]MgO渣=MgO矿+MgO熔+MgO废+MgO焦灰+MgO喷MgO尘Al2O3渣=Al2O3矿+Al2O3熔+Al2O3废+Al2O3焦灰+Al2O3喷Al2O3尘MnO渣=FeO渣=S渣2=1/2{(1S)(S矿+S熔+S废+S焦+S喷)S尘10[S]}V2O5渣=TiO2渣=(K+Na)2O渣=((K+Na)2O矿+(K+Na)2O熔+(K+Na)2O废+(K+Na)2O焦灰+(K+Na)2O喷(K+Na)2O尘MnMn1]Mn[105571FeFe1]Fe[1085.5585.71VV1]V[10102182TiTi1]Ti[104880u=CaO渣+SiO2渣+MgO渣+Al2O3渣+MnO渣+FeO渣+S渣2+V2O5渣+TiO2渣+(K+Na)2O渣+…，kg/t各组分百分含量=各组分重量u100%，wt.%组分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOS/2V2O5TiO2(K+Na)2OCaO/SiO2kg/twt.%100炉渣数量和成分表炉渣性能和脱硫能力验算性能：将渣中CaO、SiO2、MgO、Al2O3换算成100%，根据相图确定炉渣熔化温度和1400~1500℃粘度，应满足所炼生铁品种及其相适应的炉缸热制度的要求：适宜的熔化温度范围：炼钢生铁：1300~1450℃铸造生铁：1350~1500℃炉渣粘度以1450~1500℃(炉缸温度)时，0.2~0.6Pas为好。炉渣性能和脱硫能力验算脱硫能力：按拉姆教授的最低碱性氧化物经验公式：要求：实际(RO)=(CaO)+(MgO)+(MnO)+(FeO)(RO)min。按沃斯柯博依尼科夫经验公式计算硫分配比LS(见p.178)：要求：实际LS=(S)[S]LS计算值。按炉渣硫化物容量CS计算：lgCS=2.55B7.23LS=mCS(m值由表36查得)要求：实际LS=(S)[S]LS计算值。u]S[30]Si[3.0)S(3)OAl(25.050)RO(32min)SiO(%)MgO(%)CaO(%B21.2.4生铁成分核算按元素分配率核算最终生铁成分[Fe]、[Si]、[S]按预定的成分计[Mn]=[P]=[V]=[Ti]=[C]=100[Fe][Si][Mn][P][S][V][Ti]……%1001000%)MnO(u7155MnMnMnMnMnMn尘喷焦灰废熔矿－%1001000OPOPOPOPOPOP14262525252525252尘喷焦灰废熔矿－%1001000%)OV(u182102VVVVVV52尘喷焦灰废熔矿－%1001000%)TiO(u8048TiTiTiTiTiTi2尘喷焦灰废熔矿－生铁成分核算要求符合预定生铁成分。若不符，可在铁种合理范围内变更[C]量。否则，需重新给定生铁成分，重算一遍。生铁成分核算表组分FeSiMnPSVTiC…wt.%100.002物料平衡计算风口燃烧区热分解焦炭分解水煤气反应直接还原反应分界面直接还原带间接还原带H2还原CO还原喷煤铁水