高炉炉型设计.docx
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高炉炉型设计
目录
1高炉配料……………………………………………………………………………1
1.1原料条件……………………………………………………………………1
1.2根据铁平衡求铁矿石需要量………………………………………………2
1.3终渣成分……………………………………………………………………2
1.4生铁成分校核………………………………………………………………3
2物料平衡……………………………………………………………………………4
2.1根据碳平衡计算风量………………………………………………………4
2.1.1风口前燃烧的碳含量C风………………………………………………4
2.1.2风量计算………………………………………………………………4
2.2煤气成分及数量计算………………………………………………………4
2.3编制物料平衡表……………………………………………………………6
3热平衡………………………………………………………………………………7
3.1第一总热平衡计算…………………………………………………………7
3.1.1热量收入…………………………………………………………………7
3.1.2热量支出…………………………………………………………………7
3.2热平衡指标…………………………………………………………………10
422003高炉炉型设计………………………………………………………………11
4.1原始条件……………………………………………………………………11
4.2炉缸尺寸……………………………………………………………………11
4.3死铁层厚度…………………………………………………………………11
4.4炉腰直径、炉腹角、炉腹高度……………………………………………11
4.5炉喉直径、炉喉高度………………………………………………………12
4.6炉身角、炉身高度、炉腰高度……………………………………………12
4.7校核炉容……………………………………………………………………12
5结论…………………………………………………………………………………14
参考文献………………………………………………………………………………15
1高炉配料
1.1原料条件
(1)原料成分
表1原料成分(%)
原料
Fe
Mn
P
S
Fe2O3
FeO
MnO2
MnO
CaO
烧结矿
天然矿
混合矿
55.93
60.52
56.62
0.093
0.158
0.103
0.052
0.022
0.048
0.029
0.176
0.051
70.58
70.01
70.49
8.32
14.60
9.26
—
0.25
0.04
0.12
—
0.10
10.30
0.57
8.84
续上表
原料
MgO
SiO2
Al2O3
P2O5
FeS2
FeS
SO2
烧损CO2
合计
烧结矿
天然矿
混合矿
2.57
0.58
2.27
5.57
11.42
6.45
1.20
1.05
1.18
0.12
0.05
0.11
—
0.33
0.05
0.08
—
0.07
—
—
—
1.14
1.14
1.14
100.00
100.00
100.00
(2)焦炭成分
表2焦炭成分(%)
固定碳
灰分12.27
挥发分0.91
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
FeS
P2O5
CO2
CO
CH4
H2
N2
85.52
6.16
4.71
0.52
0.16
0.65
0.05
0.02
0.33
0.33
0.04
0.05
0.16
续上表
有机物,1.30
合计
全S
游离水
H2
N2
S
0.40
0.40
0.50
100.00
0.52
3.50
(3)喷吹物成分
表3喷吹物成分(%)
品种
C
H2
O2
H2O
N2
S
灰分,12.27
合计
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
煤粉
77.52
4.36
4.00
0.77
0.43
0.65
7.62
3.33
0.58
0.29
0.45
100.00
(4)预定生铁成分:
炼钢铁
表4生铁成分
成分
Si
Mn
S
P
C
Fe
合计
%
0.35
0.09
0.03
0.08
4.45
95.00
100.00
(5)各种元素分配表
表5各种元素分配表
元素
Fe
Mn
P
S
生铁
炉渣
煤气
0.997
0.003
0
0.5
0.5
0
1.0
0
0
0.06
(6)配矿比:
烧结矿:
天然矿=85:
15,配成混合矿。
(7)焦比340kg/t,煤比190kg/t,风温1200oC,
(8)元素分配率,见表5。
1.2根据铁平衡求铁矿石需要量
矿石量=
式中
——矿石含铁量,%;
——焦炭及煤粉带入铁量,kg;
——生铁含铁量,kg;
——进入炉渣的铁,kg。
根据表6和上式贴平衡关系得:
焦炭带入Fe量=
煤粉带入Fe量=
进入渣中Fe量=
需混合矿量=
每吨生铁实际用料量计算于表6
表6每吨生铁炉料实际用量
名称
干料用量/kg
机械损失/%
水分/%
实际用量/kg
混合矿
焦炭
煤粉
共计
1678.49
340
190
2208.49
0.5
0.5
—
—
3.50
1678.49×1.005=1686.88
340×1.040=353.60
190
2230.48
1.3终渣成分
(1)终渣S含量
炉料全部含S量=1678.49×0.00051+340×0.0052+190×0.0065=3.86(kg)
进入生铁的S量=0.3kg
进入煤气的S量=3.86×0.06=0.23(kg)
进入炉渣的S量=3.86-(0.3+0.23)=3.33(kg)
(2)终渣的FeO量=3.68kg
(3)终渣的MnO量=1678.49×0.00103×0.5×
=1.12(kg)
(4)终渣的SiO2量=1678.49×0.0645+340×0.0616+190×0.0762-3.5×
=136.18(kg)
(5)终渣的CaO量=
(6)终渣的Al2O3量=
(7)终渣的MgO量=
将终渣成分及数量列于表7
表7终渣成分
成分
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
MnO
FeO
S/2
合计
R
kg
%
136.18
36.29
42.15
11.23
151.25
40.31
39.20
10.45
1.12
0.30
3.68
0.98
1.67
0.44
375.25
100.00
1.11
表中S/2:
渣中S以CaS形式存在,在计算中Ca全部按CaO形式计算,O原子量16,而S原子量32,相当于已计入S/2,故表中计入S/2。
根据炉渣百分组成,校验炉渣物理性质:
渣土的炉渣熔化温度介于1400℃―1500℃之间,而相应的炉渣粘度介于0.25Pa·s—0.55Pa·s。
所以该炉渣适合于炼钢生产。
1.4生铁成分校核
(1)含P量=
(2)含S量=0.03%;LS=
(3)含Si量=0.35%
(4)含Mn量=
(5)含Fe量=95%
(6)含C量=100%-(95.00%+0.09%+0.35%+0.03%+0.08%)=4.45%
生铁成分列于表8
表8生铁成分
Fe
Si
Mn
S
P
C
合计
95.00
0.35
0.09
0.03
0.08
4.45
100.00
校验结果与生铁成分符合,表明原定生铁成分恰当,计算符合。
2物料平衡
焦炭和喷吹物含C总量的1.2%与H2反应生成CH4,鼓风湿度f=1.5%,即12g/m3;直接还原度rd=0.45。
2.1根据碳平衡计算风量
2.1.1风口前燃烧的碳含量C风
燃料带入固定碳=
溶于生铁的碳=0.0445
1000=44.50(kg)
直接还原耗碳=
=
=
生成CH4耗碳量=438.06×0.12=5.26(kg)
则风口前燃烧的C量=
=438.06-44.50-95.58-5.26=292.72(kg)。
占入炉总C量的66.82%(即
)。
2.1.2风量计算
鼓风含氧浓度=0.21+0.29×0.015=0.2144
风口前C燃烧所需氧量=
燃料带入氧量=
每吨生铁鼓风量=
2.2煤气成分及数量计算
(1)CH4由燃料中碳生成CH4量=
焦炭挥发分含CH4量=
进入煤气的CH4量=9.82+0.19=10.01(m3)
(2)入炉总H2量=鼓风带入H2+焦炭带入H2+煤粉带入H2
=
设在喷吹条件下有40%的H2参加还原,则参加还原的H2量=130.41×0.4=52.16(m3)
生成CH4的H2量=10.01×2=20.02(m3)
进入煤气的H2量130.41-52.16-20.02=58.23(m3)
(假定用H2还原的铁氧化物中,1/3是用于还原Fe3O4,2/3是用于还原FeO)
(3)由
的量=
由
的量=
由于
生成的
量
另外,H2参加还原反应,相当于同体积的CO所参加的反应,所以CO2生成量中应减去52.16m3,总计间接还原生成量CO2量=165.64+174.23+0.173-52.16=287.88m3
各种炉料分解CO2或带入的CO2量=焦中的CO2量+矿中的CO2量
=
=0.57+9.74=10.31(m3)
煤气中总CO2量=287.88+10.31=298.19(m3)
(4)CO风口前碳素燃烧生成CO=
元素直接还原生成CO量=
焦炭挥发分中CO量=
间接还原消耗CO量=287.88(m3)
煤气中总CO量=546.41+178.42+2.09-287.88=439.04(m3)
(5)N2由鼓风、焦炭及煤粉带入,总量为:
根据以上计算结果,列出煤气组成表9如下:
表9煤气成分表
成分
CO2
CO
N2
H2
CH4
总计
Vg/V风
m3
%
298.19
16.79
439.04
24.72
970.76
54.65
58.23
3.28
10.01
0.56
1776.23
100.00
1.427
2.3编制物料平衡表
(1)计算鼓风量:
1m3鼓风质量=
全部鼓风质量=1244.73×1.28=1593.25(kg)
(2)计算煤气质量:
1m3煤气质量=
全部煤气质量=1776.23×1.33=2362.39(kg)
(3)水分计算:
焦炭带入水分=340×0.035=11.90(kg)
煤粉水分=190×0.0077=1.46(kg)
H2还原生成水=
总计水分质量=11.90+1.46+41.91=55.27(kg)
(4)炉料机械损失=2230.48-2208.49-11.90-1.46=8.63(kg)
根据上述计算结果,列出物料平衡表如下。
表10物料平衡
序号
收入项
kg
序号
支出项
kg
1
2
原燃料
鼓风
共计
绝对误差
2208.49
1593.73
3802.22
0.68%
1
2
3
4
5
生铁
炉渣
煤气
水分
炉尘
共计
相对误差
1000
375.25
2362.39
55.27
8.63
3801.54
0.0179%
一般要求物料平衡的相对误差应在0.3%以下,所以上述计算符合要求。
3热平衡
3.1第一总热平衡计算
鼓风风温1200oC;炉顶温度200oC;入炉矿石温度80oC。
3.1.1热量收入
(1)碳的氧化热:
由C氧化成1m3的CO2放热=
由C氧化成1m3的CO放热=
碳的氧化热=287.88×17898.57+(439.04-2.09)×5248.45=7445950.56(kJ)
(2)热风带入热:
1200oC时干空气和水蒸气比热容分别为1.428kJ/(m3·oC)和1.763kJ/(m3·oC)。
热风带入热=[(1244.73-18.67)×1.428+18.67×1.763]×1200=2140474.67(kJ)
(3)成渣热:
炉料中以碳酸盐形式存在的CaO和MgO,在高炉内生成钙铝硅酸盐是,1kg放出1130.49kJ的热量。
混合矿中的CaO量=
成渣热=25.35×1130.49=27527.43(kg)
(4)混合矿带入物理热:
80OC时混合矿的比热容为1.0kJ/(kg·OC)
混合矿带入物理热=1678.49×1.0×80=134279.20(kJ)
(5)H2氧化放热:
1m3H2氧化成H2O放热10806.65kJ
H2氧化放热=52.16×10806.65=563674.86(kJ)
(6)CH4生成热:
1kgCH4生成热=
CH4生成热
冶炼1t生铁的总热量收入等于
(1)—(6)项热量之和,即
Q总=7445950.56+2140474.67+27527.43+134279.20+563674.86+34139.58
=10346046.30(kJ)
3.1.2热量支出
(1)铁氧化物分解与脱硫:
1)铁氧化物分解热:
设焦炭和煤粉中的FeO以硅酸铁形态存在,烧结矿中的FeO有20%以硅酸铁形态存在,其余以Fe3O4形态存在。
铁氧化物分解热由FeO、Fe3O4和Fe2O3三部分组成。
去除进入渣中的FeO,也以硅酸铁形态存在,计3.68kg。
余下的
依据1kg铁氧化物分解热,即可算出总得分解热。
(4799.98kJ/(kgFe3O4))
(5152.94kJ/(kgFe2O3))
氧化物总分解热=94259.61+2036775.51+4588847.66=6719882.78(kJ)
2)锰氧化物分解热
分解热=1678.49×0.0004×2629.44=1765.40(kJ)
分解热=0.9×7362.84=6626.56(kJ)
锰氧化物分解总热=1765.40+6626.56=8391.96(kJ)
3)SiO2分解热=3.5×30288.76=106010.66(kJ)
4)Ca3(PO4)2分解热=0.8×35756.98=28605.58(kg)
5)脱硫耗热:
由于CaO脱硫耗热为5401.23kJ/(kgS),MgO脱硫耗热为8039.41kJ/(kgS),二者差别较大,故取其渣中成分比例(40.42:
10.48≈4:
1)来计算平均脱硫
耗热。
1kg硫的平均耗热=
脱硫耗热=3.33×5928.79=19742.88(kJ)
氧化物分解耗热和和脱硫总耗热为上述1)—5)项耗热之和,即
Q氧=6719882.78+8391.96+106010.66+28605.58+19742.88=6882633.86(kJ)
(2)碳酸盐分解热。
由CaCO3分解出1kg的CO2需热4044.64kJ,由MgCO3分解出1kg的CO2需热2487.08kJ,混合矿石CO2量=1678.49×0.0114=19.13(kg)。
假定CaCO3和
MgCO3按比例分配的,其中以CaCO3分解的CO2为
,则以MgCO3形式分解的CO2量=19.13-15.22=3.91(kg)。
碳酸盐的分解热=15.22×4044.64+3.91×2487.08=71283.90(kg)
(3)水分分解热=18.67×10806.65=201760.16(kJ)
(4)喷吹物分解热=190×1256.1=238659.00(kJ)
(5)炉料游离水的蒸发热1kg水由20OC升到100OC吸热334.96(kJ),再变成100OC水蒸气,吸热2261(kJ),总吸热2595.96(kJ)
游离水蒸发热=340×0.035×2595.94=30891.69(kJ)
(6)生铁带走热:
表11生铁焓值
生铁焓值
炼钢生铁
铸造生铁
铁锰
kJ/kg
1130.449—1172.36
1256.04—1297.91
1172.3—1214.17
铁水带走热=1000×1172.36=1172360(kJ)(取1172.36kJ/kg铁)
(7)炉渣带走热:
表12炉渣热焓值
炉渣焓值
炼钢铁渣
铸造铁渣
铁锰渣
kJ/kg
1716.59—1758.54
1884.06—2009.66
1842.192—1967.79
炉渣带走热=375.25×1758.54=659892.14(kJ)(取1758.54kJ/kg铁)
(8)炉顶煤气带走热:
表13200OC时煤气各成分比热容(kJ/m3·OC):
CO2
CO
N2
H2
CH4
H2O
1.787
1.313
1.313
1.302
1.820
1.519
干煤气比热容=0.1679×1.787+(0.2472+0.5465)×1.313+0.0056×1.820+0.0328×1.302=1.395(kJ/m3·OC)
干煤气带走热=1776.23×1.395×200=495568.17(kJ)
水蒸气带走热=
炉尘带走热=8.63×0.8374×200=1445.35(kJ)
煤气带走热=495568.17+10447.75+1445.35=507461.27(kJ)
前8项之和=6882633.86+71283.90+201760.16+238659.00
+30891.69+1172360+659892.14+507461.27
=9764942.02(kJ)
(9)外部损失热=10346046.30-9764942.02=581104.28(kJ)(包括散热和冷却水带走热),此项作为热平衡项,即为总热量收入与以上八项热支出的差值等于587258.21kJ。
根据热收入与热支出数值列于表14:
表14热平衡表
收入项名称
kJ
%
支出项名称
kJ
%
1
2
3
4
5
6
碳的氧化热
热风带入热
成渣热
炉料物理热
H2的氧化热
CH4的生成热
共计
7445950.56
2140474.67
27527.43
134297.20
563674.86
34139.58
10346046.30
71.97
20.69
0.26
1.30
5.45
0.33
100.00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
氧化物分解与脱硫
碳酸盐分解
水分分解
喷吹物分解
游离水蒸发
铁水带走
炉渣带走
煤气带走
外部热损失
共计
6882633.86
71283.90
201760.16
238659.00
30891.69
1172360.00
659892.14
507461.27
581104.281
10346046.30
66.52
0.69
1.95
2.31
0.30
11.33
6.38
4.90
5.62
100.00
3.2热平衡指标
(1)碳的热能利用系数
;
(2)热量有效利用系数
;
=100%-4.90%-5.62%=89.48%
值对于中小型高炉为50%—60%,大型高炉以及原料条件比较好的可以达到65%以上。
对于中小型高炉,
值为80%—85%,近代高炉由于大型化和原料条件的改善,可以达到近90%。
42200m3高炉炉型设计
4.1原始条件
利用系数为η=2.2t/(m3·d)
高炉容积Vu=2200m3
日产量P总=Vu·η=2200×2.2=4840(t)
4.2炉缸尺寸
(1)炉缸直径:
选定冶炼强度I=1.0t/(m3·d),燃烧强度JA=26t/(m2·d),
则
校核
合理
(2)炉缸高度
1)风口高度
取hZ=1.70(m)
2)风口数目
n=2(d+2)=2×(10.4+2)=24.8取n=26个
3)风口结构尺寸
选取a=0.5m,则炉缸高度
h1=hf+a=3.2+0.5=3.7(m)
4.3死铁层厚度
hO=0.2d=0.2×10.4=2.08(m)取hO=2.0(m)
4.4炉腰直径、炉腹角、炉腹高度
选取D/d=1.12,则
D=1.12d=1.12×10.4=11.64(m)取D=11.6(m)
选取α=80º30′,则
取h2=3.6(m)
校核α
α=arctan6=80º32′16″
4.5炉喉直径、炉喉高度
选取d1/D=0.68,则
d1=0.68×11.6=7.89(m)取d1=7.9(m)
选取h5=2.0m
4.6炉身角、炉身高度、炉腰高度
选取β=83º30′,则
取h4=16.5(m)
校核β
β=arctan8.92=83°36′12″
选取Hu/D=2.4,则
Hu=2.4×11.6=27.84(m)取Hu=27.8(m)
由上求得
h3=Hu-h1-h2-h4-h5=27.8-3.7-3.6-16.5-2.0=2.0(m)
4.7校核炉容
(1)炉缸体积
(2)炉腹体积
(3)炉腰体积
(4)炉身体积
(5)炉喉体积
(6)高炉容积
Vu=V1+V2+V3+V4+V5
=314.31+342.46+211.37+1246.71+98.03
=2212.88(m3)
(7)误差
误差在允许范围,炉型设计合理。
具体设计参数见表15
表15高炉内型参数
项目
参数
项目
参数
炉缸直径
炉腰直径
炉喉直径
死铁层高度
炉缸高度
炉腹高度
炉腰高度
炉身高度
10.4
11.6
7.9
2.0
3.7
3.6
2.0
16.5
炉喉高度
有效高度
高径比
炉腰角
炉腹角
风口数目
铁口数目
有效容积
2.0
27.8
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