高炉炼铁毕业设计.docx
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高炉炼铁毕业设计
(2012届)
专科毕业设计(论文)资料
题目名称:
根据娄底地区,设计一个年产
量为480万吨的高炉炼铁车间
学院(部):
冶金工程学院
专业:
冶金技术
学生姓名:
胡攀
班级:
冶金092
学号09395920203
指导教师姓名:
王建丽
职称讲师
最终评定成绩:
湖南工业大学教务处
前言
本次设计是根据娄底地区设计年产量为480万吨的高炉炼铁车间,该地区矿藏丰富,水资源充沛,交通发达,设计炼铁车间比较合理。
炼铁方法主要有高炉法、直接还原法、熔融还原法等,其原理是矿石在特定的气氛中(还原物质CO、H2、C;适宜温度等)通过物化反应获取还原后的生铁。
生铁除了少部分用于铸造外,绝大部分是作为炼钢原料。
虽然现在高炉并不是以后炼钢的发展趋势,但高炉冶金是获得生铁的重要手段。
它是以铁矿石是为原料,焦炭煤粉作为燃料和还原剂,在高炉内通过燃料燃烧,氧化物中铁元素的还原以及非铁氧化物造渣等一系列复杂的物理化学过程。
随着冶金技术的不断发展,对其冶炼的关键设备
——“高炉”。
也有了越来越严格的要求。
高效率、高质量、高寿命、低能耗、低污染——是本次设计所追求的目标。
在本次设计中翻阅了大量的参考文献,相当于又系统的学习了一遍高炉的有关知识,是对高炉发展的新的具体认识和总结,是本人三年专业知识学习的一个促进过程。
本次设计中得到了王建丽老师的悉心指导和帮助,本人表示非常的感谢。
然而,由于本人水平有限,设计中难免有不足和纰漏之处。
望各位给予指正。
第一章绪论……………………………………………………………1
1.1高炉炼铁任务及工艺流程………………………………………1
1.2高炉生产的特点及优点…………………………………………2
1.3设计原则和指导思想……………………………………………2
1.4厂址及建厂条件论证……………………………………………3
第二章炼铁工艺计算……………………………………………………4
2.1配料计算…………………………………………………………4
2.2根据铁平衡求铁矿石需要量……………………………………6
2.3渣量及炉渣成分计算……………………………………………6
2.4物料平衡计算……………………………………………………7
2.5热平衡计算………………………………………………………8
第三章高炉本体…………………………………………………………14
3.1高炉炉型…………………………………………………………14
3.2高炉炉衬…………………………………………………………16
3.3炉体冷却方式……………………………………………………16
3.4冷却系统…………………………………………………………19
3.5高炉钢结构及高炉基础…………………………………………20
第四章炉顶装料系统…………………………………………………23
4.1串罐式无钟炉顶装料设备………………………………………23
4.2串罐式无钟炉顶的特点…………………………………………25
第五章供料系统…………………………………………………………26
5.1高炉供料系统……………………………………………………26
5.2储矿(焦)槽及其主要设备……………………………………27
5.3槽下运输及炉料称量…………………………………………30
第六章送风系统…………………………………………………………31
6.1鼓风机的选择……………………………………………………31
6.2热风炉设计………………………………………………………32
6.3热风炉常用耐火材料……………………………………………34
6.4燃烧器及送风制度的选择………………………………………34
6.5热风炉主要管道直径的选定……………………………………35
第七章渣铁处理系统……………………………………………………36
7.1风口平台及出铁场………………………………………………36
7.2炉前设备…………………………………………………………37
7.3炉渣处理…………………………………………………………39
第八章煤气除尘系统…………………………………………………41
第九章喷吹系统设计…………………………………………………42
9.1主要设备…………………………………………………………43
9.2喷煤车间设备……………………………………………………43
第十章车间布置形式
10.1高炉车间平面布置……………………………………………46
结束语………………………………………………………………………48
主要参考文献……………………………………………………………49
1绪论
1.1高炉炼铁的任务及工艺流程
高炉炼铁的任务是用还原剂(焦炭、煤粉)在高温下将铁矿石或含铁原料还原成液态生铁的过程。
高炉生产要求以最小的投入获得最大的产出,即做到高产、优产、低耗、有良好的经济效益。
高炉生产是借助高炉本体和其辅助设备来完成的。
高炉本体是冶炼生铁的主体设备,它是由耐火材料砌筑的竖立式圆筒形炉体,最外层是由钢板制成的炉壳,在炉壳和耐火材料之间有冷却设备。
要完成高炉炼铁生产,除高炉本体外,还必须有其他附属的配合,其工艺流程如图1-1所示。
1
(1)供料系统包括贮矿槽、贮焦、称量与筛分等一系列设备,其任务是将高炉冶炼所需要原料通过上料系统装入高炉。
(2)送风系统包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门等,其任务是连续可靠地供给高炉冶炼所需要的热风。
(3)煤气除尘系统包括煤气管道、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等,其任务是将高炉冶炼所产生的煤气,经一系列的净化使其含尘量降至10mg/m3以下,以满足用户对煤气质量的要求。
(4)渣铁处理系统包括出铁场、开铁口机、炉前吊车、铁水罐车及水冲渣设备等,其任务是及时处理高炉排放的渣、铁,保证高炉生产正常进行。
(5)喷吹燃料系统包括原煤的存储、运输、煤粉的制备、收集罐车及煤粉喷吹,以煤代焦,降低焦炭消耗。
1.2高炉生产的特点及优点
特点:
(1)高炉是一个多相复杂的巨型高温化学反应器;
(2)炉内两股逆向流动是一切反应的基础;
(3)高炉寿命长;
(4)连续作业率高;
(5)热效率高;
(6)生铁质量稳定。
优点:
既能利用多种原料,产品性能又能满足广泛的质量要求,铁的收得率高,又具备大规模生产的能力。
1.3设计原则和指导思想
设计的总要求是技术上优先,工艺上可行,经济上合理。
(1)积极采用成熟的生产工艺,设备和结构;
(2)学习总结生产经验,移植适用可行的先进技术;
(3)在现有条件允许的情况下,留足够的发展余地;
(4)充分考虑节约能源,资源的综合利用,改善劳动条件和环境保护。
2
1.4厂址及建厂条件论证
本设计是针对娄底地区设计的。
娄底市,是湖南的能源、矿产和化工重镇,也是省内重要的铁路枢纽,有”世界锑都“、”百里煤海“之称。
位于省湖南中部。
铁路建设方面,沪昆客运专线经过娄底,并在娄底城区和新化设站;娄邵铁路既有线改造开工建设。
高速公路方面,二广高速娄底段、娄新高速、新溆高速建设如火如荼;长娄、娄益、娄衡高速进入了省里的建设,我市东、南、西、北四个高速出口即将全面打通,一个面向湘西、大西南的综合交通枢纽城市日益显现在公众面前。
3
2炼铁工艺计算
2.1配料计算
(1)原始资料的收集和整理
1)矿石成分分析:
见表2-1
2)焦炭成分分析:
见表2-2
3)煤粉成分分析:
见表2-3
(2)矿石的选配
因现场提供的化验成分不完全,为此因按元素在原料中存在形态不全应有的组成,并各组分含量之和等于100%。
如矿石中其他物质(如碱金属化合物)未做化验分析,所以常规分析组分之和(包括烧损等)不等于100%,则可补加一个其他项,使总和等于100%。
表2-1矿石成分%
Fe
Mn
P
S
FeO
Fe2O3
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
TiO2
MnO
Zn
P2O5
生
铁
矿
64.24
0.026
0.033
0.052
0.55
91.159
0.84
5.12
2.106
0.083
0.034
0.015
0.076
烧
结
矿
59.92
0.031
0.03
0.03
9.48
75.029
7.99
2
3.86
1.447
0.04
0.069
球
团
矿
64.53
0.038
0.009
0.012
0.87
91.141
1.34
1.39
3.976
1.082
0.076
0.049
0.011
0.021
综
合
矿
61.003
0.032
0.027
0.029
7.388
78.897
6.287
1.81
3.978
1.441
0.019
0.041
0.003
0.062
表2-2焦炭成分%
灰分(13.17)
挥发分(0.95)
有机物(1.78)
∑
游离水
SiO2
Al2O3
CaO
FeO
MgO
CO
CO2
CH4
H2
N2
H2
N2
S
84.74
7.81
4.58
0.52
0.68
0.14
0.16
0.15
0.017
0.026
0.077
0.3
0.25
0.77
100
4.0
4
表2-3煤粉成分%
C
H
N
S
O
H2O
灰分(14.70)
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
FeO
77.83
2.35
0.46
0.30
2.33
0.83
7.15
8.83
0.69
0.30
0.93
100.0
表2-4预定生铁成分%
Fe
Si
Mn
P
S
C
95.29
0.45
0.03
0.035
0.023
4.17
表2-5常见元素分配率%
原料
Fe
Mn
S
P
生铁
99.3
50
—
100
炉渣
0.3
50
—
—
煤气
—
—
5
—
冶炼条件的确定燃料消耗量
焦比340kg/t煤比180kg/t重比30kg/t
置换比0.7鼓风湿度12g/m3相对湿度1.493%
风温1200℃炉尘量20kg/t入炉熟料温度80℃
炉顶煤气温度200℃焦炭冶炼强度0.9t/(d·m3)综合冶炼强度1.05t/(d·m3)利用系数3.0t/(d·m3)燃烧强度1.00t/(d·m3)
(3)根据碱度平衡求铁矿石配比
根据原料条件,假设生铁矿的配比为a,烧结矿的配比为b,球团矿的配比为c。
在按照生产经验确定炉渣碱度R,然后根据碱度平衡求出a,b,c。
其中a+b+c=1
如果假设焦、煤带入的铁和进入炉渣和炉尘的铁相等,既有
本设计选定R=1.1,计算得生铁矿,烧结矿和球团矿的配比为8:
76:
16,按比例得到混合矿的成分,见表2-1。
5
2.2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=2.82kg
11.95%为炉尘中炭的烧损量。
高炉内参加反应的焦炭量为G焦=340-2.82=337.18kg
故焦,煤带入的铁GFe燃=(337.18×0.68%+180×0.93%)×56/72=3.085kg
(2)进入炉渣中的铁量
GFe渣=95.29%×1000×0.3%/99.3%=2.867kg
(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=952.68kg
(4)冶炼1t生铁的矿石需要量
G矿=G矿/Fe矿=952.68/61.003%=1561.72kg
考虑到炉尘吹出量,入炉矿石量为G矿入=1561.72+20-2.82=1578.9kg
2.3渣量及炉渣成分计算
∑CaO=340×0.0052+180×0.0069+1578.9×0.0628=102.165kg
∑SiO2=340×0.0781+180×0.0715+1578.9×0.0398-9.643=92.621kg
∑Al2O3=340×0.0458+180×0.0883+1578.9×0.0144=54.202kg
∑MgO=340×0.0014+180×0.003+1578.9×0.0184=30.068kg
渣中MnO量=0.5×1578.9×0.00041=0.324kg
渣中FeO量=952.9×0.3%/99.7%×72/56=3.687kg
每吨生铁含硫量=340×0.0077+180×0.003+1578.9×0.0003=3.632kg
进入生铁中的硫=1000×0.00023=0.23kg
进入煤气中的硫=0.05×3.614=0.181kg
进入渣中的硫=3.632-0.23-0.181=3.221kg
表2-6炉渣成分
组元
CaO
SiO2
Al2O3
MgO
MnO
FeO
S/2
∑
R
kg
102.165
92.621
54.202
30.068
0.324
3.687
1.610
284.677
1.103
%
35.888
32.535
19.040
10.562
0.114
1.295
0.566
100
校核生铁成分
[S]=0.023%;LS=2×0.566/0.023=49.22
[Si]=49%
[P]=0.43×1/1000=0.043%
[Mn]=0.324×55/71×1/1000=0.023%
[Fe]=95.29%
[C]=100%-95.29%-0.023%-0.043%-0.023%=4.131%
6
表2-7校核后生铁成分%
Fe
Si
Mn
P
S
C
95.29
0.49
0.023
0.043
0.023
4.131
2.4物料平衡计算
1、风量计算
(1)燃料带入总C量
GC总=G焦C焦+G煤C煤=337.18×84.74%+180×77.83%+30×84.32%=451.116kg
(2)溶入生铁中的C量
GC生铁=1000×4.131%=41.31kg
(3)生成甲烷的C量
GC甲烷=1.0%×451.116=4.51kg
(4)直接还原消耗的C量
1)锰还原消耗的C量GC锰=1000×0.03%×12/55=0.07kg
2)磷还原消耗的C量GC磷=1000×0.043%×60/62=0.416kg
3)硅还原消耗的C量GC硅=1000×0.45%×24/28=3.86kg
4)铁直接还原消耗的C量GC铁直=1000×95.29%×12/56×0.38=77.59kg
故GC直=0.07+0.416+77.59+3.86=81.936kg
风口前燃烧的C量=451.116-41.31-4.51-81.936=323.36kg
(5)计算鼓风量V风
1)鼓风中的氧浓度=21%(1-1.493%)+0.5×1.493%=21.43%
2)GC燃燃烧需要的氧为Vo2=323.36×22.4/24=301.8m3
3)煤粉带入氧量Vo2=180×(2.33%+0.83%×16/18)×22.4/32=3.87m3
4)重油带入氧量Vo2=30×(0.76%+3.01%×16/18)=0.72m3
(6)需鼓风供给的体积Vo2风=301.8-3.87-0.72=297.21m3
故V风=297.21/21.43%=1386.89m3
2、炉顶煤气成分及数量计算
(1)甲烷的体积VCH4
1)由燃料碳生成的CH4量VCH4=4.51×22.4/12=8.42m3
2)焦炭挥发分中的CH4量VCH4=337.18×0.017%×22.4/16=0.08m3
故VCH4=8.42+0.08=8.5m3
(2)氢的体积VH2
1)由鼓风中水分分解产生的H2量=1275.97×1.493%=19.1m3
2)焦炭挥发分及有机物中H2量=337.18×(0.026%+0.3%)×
22.4/2=12.31m3
3)煤粉分解产生的H2量=180×﹙2.35%+0.83%×2/18﹚×
22.4/2=49.24m3
4)重油分解产生的H2量=30×﹙11.18%+3.01%×2/18﹚×
22.4/2=38.69m3
5)炉缸煤气中H2的总量=19.1+49.24+12.31+38.69=119.34m3
7
6)生成甲烷消耗的H2量=8.5×2=17m3
7)参加间接还原消耗的H2量=119.34×0.35=41.77m3
故VH2=119.34-17-41.77=60.57m3
(3)二氧化碳的体积VCO2
1)由矿石带入的Fe2O3的量=1578.9×78.89%=1245.59kg
参加还原Fe2O3为FeO的氢气量=119.34×0.35×﹙1-0.9﹚×
2/22.4=0.37kg
由氢还原的Fe2O3的量=0.37×160/2=29.6kg
由CO还原的Fe2O3的量=1245.59-29.6=1215.99kg
故VCO2还=1215.99×22.4/160=170.24m3
2)CO还原FeO为Fe生成CO2的量=1000×95.3%×﹙1-0.38-
0.07﹚×22.4/56=209.64m3
3)焦炭挥发分中CO2量=337.18×0.15%×22.4/44=0.26m3
故VCO2=170.24+209.64+0.26=308.14m3
(4)一氧化碳的体积VCO
1)风口前炭燃烧生成CO量=GC燃×22.4/12=323.36×
22.4/22=603.61m3
2)直接还原生成CO量=GC直×22.4/12=81.936×
22.4/12=152.95m3
3)焦炭挥发分中的CO量=337.18×0.16%×22.4/28=0.43m3
4)间接还原消耗的CO量=170.24+209.64=379.88m3
故VCO=603.61+152.95+0.43-379.88=377.11m3
由以上计算结果得煤气成分表,见表2-8。
表2-8煤气成分表
成分
CO2
CO
N2
H2
CH4
∑
体积
380.14
377.11
984.23
60.57
8.5
1810.55
%
20.99
20.83
54.36
3.35
0.47
100.00
3、编制物料平衡表
(1)鼓风质量的计算,1m3鼓风的质量为
1.27kg/m3
鼓风的质量为G风=1386.89×1.27=1761.35kg
(2)煤气质量的计算,1m3煤气的质量为
1.389kg/m3
煤气的质量为G煤气=1.389×1810.55=2514.85kg
(3)煤气中的水分GH2O
1)焦炭带入的水分量=337.18×4%=13.49kg
8
2)氢气参加还原生成的水分量=VH2间×
=
41.77×2/22.4×18/2=33.57kg
故GH2O=13.49+33.57=47.06kg
由以上计算结果编制物料平衡表,见表2-9。
表2-9物料平衡表
收入项
kg
%
支出项
kg
%
铁矿石
1578.90
40.59
生铁
1000.00
25.86
焦炭
340.00
8.74
炉渣
284.677
7.36
鼓风
1761.35
45.27
煤气
2514.85
65.04
煤粉
180.00
4.63
煤气中水分
47.06
1.22
重油
30.00
0.77
炉尘
20.00
0.52
总计
3890.25
100.00
总计
3866.587
100.00
相对误差=
×100%=0.06%<0.3%
2.5热平衡计算
高炉热平衡是按照能量守恒定律以物料平衡为基础来计算的。
通过热平衡计算可以了解冶炼过程的能量利用情况,找出改善热量利用焦比的途径,指导高炉生产。
以1t生铁作业为计算单位。
1、计算热量收人Q收
(1)碳氧化放热QC
1)碳氧化为CO2放出的热量QCO2
碳氧化产生的CO2的体积为:
VCO2氧化=VCO2煤气-VCO2=380.14-0.26=379.88m3
QCO2=VCO2氧化
×33436.2=379.88×12/22.4×33436.2=6804505.53kJ
式中33436.2——C氧化为CO2放热,kJ/kg。
2)碳氧化为CO放出的热量QCO
VCO氧化=VCO煤气-VCO挥=377.11-0.43=376.68m3
QCO=VCO氧化
×9804.6=376.68×12/22.4×9804.6=1978498.25kJ
9
式中9804.6——C氧化为CO2放热,kJ/kg。
故QC=QCO2+QCO=6804505.53+1978498.25=8783003.78kJ
(2)鼓风带入的热量Q风
Q风=(V风-V风Φ)Q空气+V风ΦQ水汽=1386.89×﹙1-1.493%﹚×1643.11+1386.89×1.493%×2030.26=2286829.30kJ
式中Q空气——在1250℃下空气的热容量,其值为1643.11kJ/kg;
Q水汽——在1250℃下空气的热容量,其值为2120.4kJ/kg。
(3)氢氧化为水放热
QH2O=GH2O还×13454.09=33.57×13454.09=451653.8kJ
式中13454.09——H2氧化为水放热,kJ/kg。
(4)甲烷生成热
QCH4=VCH4碳
×4709.56=8.5×16/22.4×4709.56=28593.76kJ
式中4709.56——甲烷生成热,
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