机械毕业设计（论文）-2200立方米砖壁合一薄壁高炉炉型设计【全套图纸】 .wps

重庆科技学院本科生毕业设计 1 绪 论 高炉在冶金工业中的重要地位, 决定了高炉钢结构设计技术的理论和经济 价值。高炉炉型合理与否，对炼铁生产技术经济指标有着扳其重要的影响。近十 几年来, 随着高炉结构向现代化、 大型化的发展, 高炉冶炼技术和冶炼强度不断 提高, 要求愈来愈精细的炉型结构与之相适应。 现代化高炉，其设备不仅承受着 巨大的载荷，而且在生产过程中还处于高温、 高压和多尘的严酷条件下工作，极 易磨损和侵蚀。 为了确保高炉生产长时期顺利进行，对高炉提出了越来越高的要 求。 这些要求主要包括：有高度的可靠性；寿命长，易于维修；尽可能定型化合 标准化；易于实现自动化操作等。 全套图纸，加全套图纸，加153893706153893706 1.1砖壁合一薄壁高炉炉型的发展和现状 近年来, 炼铁技术迅猛发展, 总的发展趋势是建立精料基础, 扩大高炉容 积, 减少高炉数目, 延长高炉寿命, 提高生产效率,控制环境污染, 持续稳定地 生产廉价优质生铁, 增加钢铁工业的竞争力。 现代高炉的冶炼特征低渣量, 大喷煤, 低焦比, 高利用系数高炉结构的特 征是,采用软水冷却、全冷却壁、薄壁炉衬、操作炉型的薄壁高炉。 高炉采用大喷煤、 高利用系数冶炼, 要求改善高炉的料柱透气性和延长高炉 寿命高炉精料、 布料、 耐火材料、 冷却等技术的进步,不断促进长寿的薄壁高炉发 展。 近年来新建或改造的薄壁高炉, 设计标准炉龄15年, 利用系数大于等于2.3, 单位炉容产铁10000t/m3以上。 1.2砖壁合一薄壁高炉炉型的应用 德国不来梅厂2号高炉工作容积3143 m,炉缸直径 12m,全部采用冷却壁软 水闭环冷却,设计炉龄15年,生产能力7300t/d,高炉于 1999年11月大修改造后 投产。炉型的主要特征为:炉腹角 0 73.67,炉身角 0 83.04。炉缸墙上部采用微孔炭 1 重庆科技学院本科生毕业设计 砖,炉缸下部和炉底异常侵蚀区采用超微孔炭砖,炉缸炭砖热面 以小块刚玉砖保 护炉缸炉底周 围采用2段铜冷却壁 ,高热负荷区采用段铜冷却壁,热面只喷涂 50mm 绝热保护层。炉身中上部及炉喉区域,采用8段铸铁冷却壁。 武钢1号高炉大修改造 ,炉容从1386 m 扩大到 2200 m,炉缸直10.7m,采 用全冷却壁软水串联冷却系统,设计生产能力170万t/a,炉龄 15年,计划2001 年 5 月投产。炉型为矮胖型 ,高径比2.45,炉身角 0 83.45,炉腹 0 81.63。炉缸采用 微孔炭砖和陶瓷杯结构 ,炉底水冷,上砌2层1.2m 半石墨炭砖 ,顶面以2层高 铝砖保护,炉底异常侵蚀区亦采用微孔炭砖,死铁层深2m。 炉腹采用2段双层水管 铸铁冷却壁,热面嵌砌一刚玉砖,砖衬厚度150mm,炉腰和炉身下部引进pw型铜冷 却壁 2 段夕铜冷却壁厚度 120mm ,含 c99.9%,连铸成型并铸椭 圆形流通道 ,消 除传统铸管产生的绝热层 ,热面嵌砌155mm厚一砖衬 ,炉身中下部采用4 层双 层水管铸铁冷却壁 ,热面亦嵌砌一砖衬炉身中上部采用单层水管铸铁冷却壁 , 热面嵌砌155mm厚浸磷粘土砖炉身上部采用1 段光面冷却壁 ,维持布料内型长 期稳定。 莱钢1000m高炉设计采用全覆盖、 砖壁合一薄壁炉衬、 铜冷却壁、 炭砖-陶瓷 杯复合炉底、 软水密闭循环冷却系统、 pw串罐无料钟炉顶、 改进型顶染式热风炉、 全干法布袋除尘等一系列先进实用技术。 炉体框架设计采用自立式框架结构,炉腰平台以下的4根框架柱为倾斜结构, 底部框架跨距为16m*16m,炉体中上部14m*14m,平台宽敞,炉体负荷轻.高炉内型 设计有利于强化冶炼的矮胖型,并采用全冷却壁、 砖壁合一薄壁内衬、 水冷炉喉钢 砖、 铜冷却壁、 水冷炭砖炉底、 软水密闭循环冷却系统等技术。 保证了高炉的顺利 生产。 在总结国内外同类型容积高炉内型尺寸，原燃料条件，建议设计采用适宜 强化冶炼的矮胖炉型，其优点如下： （1）适当矮胖,减小炉腹角、 炉身角。 有效高度 hu26.2m,可适应济钢焦碳强度 hu/d为2.4,适应济钢原料条件,可保证炉况顺行和强化生产需要。 较小的炉身角 有利于受热膨胀后的炉料下降,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,稳定铁水温度和成分。 （3）加大炉缸高度。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焦的透气（液）性，有利于改善气体动力学条件。 2 重庆科技学院本科生毕业设计 2 高炉能量利用计算 钢铁联合企业中，炼铁工序能耗占吨钢能耗50%以上。2007年我国钢铁工业 能源消耗量占全国总能耗的14%以上。相当长时期内，能源都将是制约我国国民 经济发展的重要因素，所以炼铁节能工作的必要性和重要性就更为突出了。 炼铁过程所耗能源品种很多、 如燃料、 电力、 等各种耗能。 在各种形式的能耗 中，燃料占每吨生铁总能耗的 80以上。因此，充分利用高炉冶炼过程所用燃 料的能量，是节能的中心问题。 作为炼铁能源的燃料主要是焦炭、煤粉，焦炭不仅为高炉冶炼提供必要的热 能和化学能，而且在炉内还起着骨架作用。 所以分析高炉冶炼的能量利用时，需 就以上三个方面全面考虑、研究改善和利用的途径。迄今为止，对燃料热能和化 学能的利用研究较多，而对焦炭的骨架作用，因其尚未成为冶炼过程的突出矛 盾，尚待深入研究。应当指出，高炉焦节的下限是由骨架作用决定的。因此，节 约焦炭不只是充分利用其能量，也应不断改善焦炭的冶金机械性能。 往高炉内鼓入具有一定压力的热风，也是一种重要的耗能工质，或者说载 能介质。热风具有的能量一是热能，风温愈高、风量愈大，所带入的热能愈多； 另一是压力能，风压越高，能量越大，这部分能量因热风燃烧燃料后而以煤气 的压力形式表现出来。 煤气在炉内上升过程中，克服料层阻力而损失了一部分能 量，剩余的能量由具有一定压力的炉顶煤气带走。 目前国内多数高炉把这部分能 量利用起来进行煤气余压发电。 余压作为二次能源，受到高度重视并逐渐加以利用。 高炉冶炼所得的其它二次能 源，如冷却水的压力（头）和热量、渣、铁水的显热，热风炉烟气的余热等的用 也开始受到重视，有的已在生产中得到利用，如冷却水压差发电，热风炉烟气 余热回收等。 2.1 高炉能量利用指标与分析方法 2.1.1 能量利用指标 高炉能量利用指标，一般分为两大类，即热能利用指标和化学能利用指标。 前者如有效热量利用系数，碳素热能利用系数等；后者如co、h2的利用率，直 接还原度，间接还原度等，即能量总的利用程度则集中表现为焦比或燃料比。 有效热量利用系数kt与碳素热能利用系数kc 5 1）有效热量利用系数kt，它是指冶炼单位生铁的有效热量消耗 效 q 与总热量消 耗 总 q 的百分比： 3 重庆科技学院本科生毕业设计 总 效 100 q q kt （2-1） 其值大小，表明高炉中热能利用的好坏，通常为80%90。 2）碳素热能利用系数 kc 是指高炉内每单位固定碳燃烧时放出的热量，与碳完 全燃烧时所放出的热量之比 1 co coco c c cc707. 0293. 0 c33410 c33410)cc(9797 c33410 q k 2 22 （2- 2） 式中 qc冶炼单位生铁时，在高炉内燃烧生成 co 和 co2，放出的总热量， kj； 2 co c 冶炼单位生铁燃烧成 co2的碳量，kg； c 冶炼单位生铁消耗的碳量，kg。 其值大小表明高炉热效率的高低，通常为50%60。 显然在一定碳耗下， 间接还原愈发展，kc值就愈高。 co 和h2的利用率 co 和 h2利用率是衡量煤气化学能利用程度的指标，在计算时不应包括炉 料带入的 h2o 和 co2。co 和 h2的利用率是正相关的，改善 h2的利用，也同时 改善了 co 的利用。但在高炉不同部位，它们的利用率是不一样的。在高炉下部 高温区域，h2的利用率大于 co 的利用率；而在高炉上部低温区域，则 co 利 用率大于h2的利用率。其相关性有多种经验公式表示。式2-3 是其中一例。 1 . 0n88. 0 coh2 （2- 3） 2.1.2能量利用分析方法 在生产中一般是观察炉顶煤气温度，比较 co2曲线，分析混合煤气中的 co2含量，计算实际焦比、 燃料比等。 这些方法比较简便、 直观，较粗略，能大致 看出高炉内能量利用的情况；但不能全面地反映能量利用的好坏，一般情况下， 也不能从中分析出进一步改善煤气能量利用的途径。 另外一种普遍使用的方法是计算法，或计算与图解相结合的方法。 计算法包 括直接还原度计算、 配料计算、 物料平衡与热平衡计算，理论焦比计算等。 计算与 图解法有巴甫洛夫直接还原度图解，rist 操作线和区域热平衡图解等。 2.2 直接还原度选择 在编制物料平衡时，为了确定单位生铁消耗的风量，必须先知道铁的直接 还原度。铁的直接还原度可按经验公式计算。如果经验公式中数据不全，则可按 拉姆推荐的数值（表 2-1）进行选择。在喷吹燃料后，由于 h2的还原作用加强， 4 重庆科技学院本科生毕业设计 rd的值小于表 2-1 中数据。此时，可计算出 h2的还原率 2 h r ，由 2 hd rr 即可作为 所在条件下的直接还原度。 高炉直接还原度也可按拉姆建议的直接还原度指标 dr 即 气 气 100 nco5 . 0co n)coco(5 . 0 r100r 2 2 id （2-4） 式中 ri-高炉间还原度； 气 n -煤气中的 n2量，； co、co2-分别为煤气中该成分的百分含量，； -风中o2/n2的比值。（ )f1 (79. 0 f5 . 0)f1 (21. 0 ，f 为鼓风湿度，） 表2-1 不同冶炼条件下的直接还原度 冶炼条件rd 炼钢生铁：0.380.7 1.最易还原的矿石：高碱度熔剂性烧结矿富褐铁矿及焙烧过的 菱铁矿等 0.350.5 2.赤铁矿、假象赤铁矿及普通烧结矿0.450.6 3.不很致密的磁铁矿、含feo 较高的烧结矿及未经焙烧的菱铁矿0.60.7 4.致密的磁铁矿，未处理的钛磁铁矿及过熔烧结矿铸造铁及镜铁：比炼钢生铁高5 10 硅铁及锰铁：0.851.0 由（2-4）式可知，只要根据煤气的平均成分和鼓风湿度，便能计算出高炉 的直接还原度，使用很方便。 2.3 配料计算 配料计算是高炉操作的重要依据，也是检查能量利用状况的计算基础。 配料 计算的目的，在于根据已知的原料条件和冶炼要求来决定矿石和熔剂的用量 （而焦比或燃料比一般根据生产经验和设计指标来确定），以配制合适的炉渣 成分和获得合格的生铁。通常以一吨生铁的原料用量为基础进行计算。 2.3.1 计算准备及需要确定的已知条件 原始资料整理 在生产中原料分析常常不完全，或元素分析和化合物分析不吻合，加之分析 方法不同存在分析误差，以致各种化学组成之和不等于100。为此，首先要确 定元素在原料中存在的形态，然后进行核算，并使总和为 100。换算为 100 5 重庆科技学院本科生毕业设计 的方法，可以均衡地扩大或缩小各成分的百分比，调整为 100；或者按分析 误差允许范围，人为地调整为100。调整幅度不大时，以调al2o3或mgo 为宜。 在各种原料中化合物存在的形式和有关换算，按下述方法处理。 烧结矿分析中的s、p、mn，分别以fes、p2o5、mno形态存在。它们的换算为： sfes % 32 88 sfes pp2o5 % 312 142 pop 52 mnmno % 55 71 mnmno 式中 s、p、mn 等元素皆为分析值（百分含量）。当要计算 fe2o3时，需从生铁 （tfe）中扣除feo和 fes中的 fe，再进行换算。 % 88 56 fes 72 56 feofe 112 162 ofe 32 式中的 fe、feo为分析所得烧结矿的全铁和氧化亚铁的百分含量，fes为换算所 得的硫化铁量。 天然矿石中的s以 fes2形态存在，换算式如下： % 64 120 sfes2 式中 s 为分析所得的百分含量。 焦炭工业分析是指干焦分析，固定碳是由 100减去各项成分的百分含量 后得到的，故焦炭分析不需调整。但是焦炭灰分各组成若按100计算，亦应调 到 100；同理，挥发分也应如此。但因挥发分中n2量为总量与各项含量之差， 故亦不需再调。 焦炭中的 fe 以 feosio2及 fes 状态存在，mn 呈 mnosio2形态，s 以有机 s 和 fes 状态存在，p 以磷酸盐存在，c 以近似石墨碳和无定型碳各半存在于焦 炭之中。 熔剂的碱性物质必须与其烧损（co2量）相适应，在此基础上再调为100。 石灰石、白云石中的fe以 feco3、fe2o3状态为主，mn以高价氧化物状态存在，p 为 p2o5或磷酸盐，s 呈so3状态。 选配矿石 在使用多种矿石冶炼时，应据矿石供应量及炉渣成分要求选定适当配比。 此 时需注意矿石含p量不应超过生铁允许含p 量。因考虑p全部进入生铁，故需依 矿石含 p 量事先核算，若某种矿石冶炼含 p 超标，此种情况下，只能搭配含 p 更低的矿石冶炼。 需要确定的冶炼条件 1)根据原料条件、国家标准及行业标准等确定生铁成分。c、p元素一般操作不能 控制；而si、mn、s等元素可以改变操作条件加以控制。 2)各种元素在铁、 渣和煤气中的分配比例，按经验和实际生产数据选择，一般可 参考表 2.2选定。 表 2.2常见元素分配率（炼钢铁） 6 重庆科技学院本科生毕业设计 元素 铁种 femnpsv 生铁0.9970.5001.0000.800 炉渣0.0030.5000.200 煤气0.050 3)炉渣碱度。碱度的选择，主要取决于炉渣脱硫的要求，此外若冶炼低硅生铁、 钒钛磁铁矿时，还应考虑炉渣抑制硅钛还原和利于钒的回收能力。 在正常的炉缸 温度下，要保证流动性和稳定性。因此，除考虑二元碱度外，还需有适宜的mgo 含量。若炉料含碱金属，还应兼顾炉渣排碱要求。 4)燃料比。 确定燃料比应依据冶炼铁种、 原料条件、 风温水平和生产经验等全面衡 定。在有喷吹的高炉上，力争多喷燃料。 5)炉尘量、废铁加入量，应根据冶炼条件事先确定。 计算内容 1)矿石用量计算； 2)熔剂用量计算； 3)生铁成分验算； 4)渣量及炉渣成分计算； 5)炉渣性能校验。 计算步骤 任务要求: 入炉原料品位:w(tfe)=56%; 焦比:355kg/t铁 煤 比:125kg/t铁; 熟料率:85% 风 温:1150; 利用系数:2.2t/( m.d) 炉渣碱度:1.0-1.05; 炉渣mgo%=7.0-13.0% a.原料成分 表 2.3 原料成分（） 成分 原料 femnpsfe2o3feomno2mnocao 烧结矿55.630.0930.0480.03370.308.180.1210.10 优质 块矿 58.940.1640.0430.6476.47.020.260.82 混合矿55.990.1020.0470.03673.006.300.030.0169.08 成分 原料 mgosio2al2o3p2o5fes2fesso2烧损 7 重庆科技学院本科生毕业设计 烧结矿2.616.201.130.110.091.16100.00 优质 块矿 0477.130.950.1050.251.13100.00 混合矿2.376.301.260.1150.030.081.16100.00 b.焦炭成分 表 2.4 焦炭成分（%） 固定炭灰分，12.17 sio2al2o3caomgofeofesp2o5 85.635.654.830.760.120.750.050.01 续表2.4 挥发分，0.90有机物，1.30游离水 co2coch4h2n2h2n2s 0.330.330.030.060.150.400.400.50100.000.524.8 c.喷吹物成分 表 2.5喷吹物成分（） 成分 品种 ch2o2h2on2s灰分 sio2al2o3caomgofeo 煤粉77.4 8 4.354.050.790.420.667.483.420.600.300.45100.00 d.配矿比。烧结矿:优质块矿89:11，配成混合矿。 e.生铁成分。 表 2.6 生铁成分（） 成分simnspcfe 0.350.090.030.084.4595.00100.00 f.焦比350kg，煤比130kg。风温 1200 g.元素分配率。 表 2.7 各种元素分配表 femnps 生铁0.9970.51.0 炉渣0.0030.50 煤气0000.06 h.炉渣碱度r= 2 1.04 cao sio = 现以 1000kg生铁作为计算单位进行计算。 8 重庆科技学院本科生毕业设计 矿石量 矿 渣焦煤 fe fefefe103 kgt-1 (2-5) 式中 fe矿矿石含铁量，； fe焦炭及煤粉带入铁量，kg； fe生铁含铁量kg； fe渣进入炉渣的铁kg。 据（2-5）铁平衡关系式得： 焦炭带入fe量 56 0.007556 0.0005 3502.153 7288 创骣 =琪 桫 (kg) 煤粉带入fe量 56 130 0.00450.455 72 =创（kg）； 进入渣中fe量 997. 0 003. 0 9502.86（kg）；（相当于feo3.68kg） 需要混合矿量 9502.180.43752.86 0.5603 -+ 1695.97（kg） 表 2.8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1695.970.51695.971.0051704 焦炭350.00.54.8350.01.053368.5 煤粉165165 共计2210.972237.5 终渣成分 1）终渣s量 炉料全部含s量1695.970.00053500.00521650.0066 3.76(kg) 进入生铁s量0.3(kg) 进入煤气s量3.760.060.22(kg) 进入炉渣s量3.76-(0.3+0.23)3.23（kg） 2）终渣feo量3.68kg 3）终渣mno量1695.970.0010.5 55 71 1.12(kg) 4）终渣sio2量1695.970.06303500.05651650.0748-3.5 28 60 131.46（kg） 5）终渣cao量1695.970.09083500.000761650.006 155.25（kg） 6）终渣al2o3量1695.970.01263500.04831650.0342 43.92（kg） 9 重庆科技学院本科生毕业设计 7）终渣mgo量1695.970.02373500.00121650.003 41.1（kg） 将终渣成分及数量列表。 表 2.9终渣成分 成分sio2al2o3caomgomnofeos/2r kg131.4643.92155.2541.101.123.681.61378.14 34.7611.6141.0610.860.290.970.43100 生铁成分校核 1)含 p 量10-3（1695.970.000473500.0001 142 62 ）0.08 2)含 s 量0.03；67.28 03. 0 243. 0 ls 3)含 si量0.35 4)含 mn量 1000 100 71 55 10. 10.09 5)含 fe量95 6)含 c 量100（95.000.090.350.030.08）4.45 2.4 物料平衡 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。 2.4.1 原始资料 原料全分析并校正为100； 生铁全分析； 各种原料消耗量； 鼓风湿度； 选择直接还原度，或依煤气成分算得； 假定焦炭和喷吹物含 c 总量的 1.2与 h2反应生成 ch4，（全焦冶炼可选 0.51.0的c与 h2生成 ch4）。 上述1、2、3原始条件已由配料计算给出，本例仅假定其余各项未知条件， 分别为鼓风湿度f1.5，即12gm-3；直接还原度rd0.45。 2.4.2 根据碳平衡计算风量 10 重庆科技学院本科生毕业设计 风口前燃烧的碳量 c风据碳平衡得： c风c燃c103c直cch4 （2-6） 式中 c风风口前燃烧的c 量，kg； c燃、c直、cch4分别为燃料带入c量，直接还原耗c和生成 ch4的c 量，kg， c生铁含c 量，。 按（2-6）式分别进行计算。 燃料带入固定碳cjcm3500.85631300.7748 400.429(kg)； 溶于生铁的碳00.04445100044.5(kg)； 直接还原耗碳cmncsi十 cpcfe 0.9 55 12 3.5 28 24 0.8 62 60 9500.45 56 12 0.2030.7791.6095.58(kg)； 生成 ch4耗碳400.4290.0124.805 （kg）； 则风口前燃烧的 c 量：c风400.42944.595.584.805255.54 （kg）。 占入炉总c量的 63.82。 风量计算（v风）根据氧平衡可得： f29. 021. 0 q933. 0cc v 2 o 风料 风 m3/t铁 （2-7） 其中 32 4 .22 18 16 )( 2 2 mmo ohmomq m3/t铁 式中 c料c风0.933风口前燃烧的 c 所需氧量（m3）（c料为燃料带 入 c 量，c风为c 在风口前的燃烧率）； 2 o q 燃料带入的氧量（m3）（m，为煤粉，om、 h2om为煤带入的氧和h2o 量）； 0.210.29f鼓风含氧浓度（f为鼓风湿度）。 按（2-7）式分别进行计算。 鼓风含氧浓度0.210.290.0150.2144 （m3m-3）； 风口前 c燃烧所需氧量400.42963.82%0.933238.4（m3）； 燃料带入氧量130（0.04050.0079 18 16 ） 32 4 .22 4.32（m3）； 每吨生铁鼓风量 238.44.32 0.2144 - =1091.8（m3）。 2.4.3 煤气成分及数量计算 计算步骤 1)ch4由燃料碳素生成ch44.32 12 4 .22 8.064 （m3） 11 重庆科技学院本科生毕业设计 焦炭挥发分含ch43500.0003 16 4 .22 0.147（m3） 进入煤气的ch48.064+0.1478.211 （m3） 2)h2 入炉总h2量鼓风带入 h2焦炭带入 h2煤粉带入h2 即 h2 总 1091.80.015 350 （ 0.0006 0.004 ） 2 4 . 22 130 2 4 .22 18 20079. 0 0435. 0 99.023（m3） 设在喷吹条件下有40h2参加还原，则参加还原的 h299.0230.439.61（m3） 生成 ch4的 h28.064216.128 （m3） 进入煤气的h299.023（39.6116.128）43.286（m3） 2 256 43.286 322.4 7.64% 950 h ri 创 = （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)co2 由fe2o3feo生成的 co21695.970.6999 160 4 .22 166.14 （m3） 由 feofe生成的 co2950（1.00.45-0.0844） 56 4 .22 176.93 （m3） 由 mno2mno生成的 co21695.970.0003 87 4 .22 0.131（m3） 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 48.09m3，总计间接还原生成 co2量166.14176.930.13143.58 299.621 （m3） 各种炉料分解或带入的co2co2焦co2 矿 3500.0033 44 4 . 22 1695.970.0116 44 4 .22 10.6（m3） 煤气中总co2量299.62110.6310.22(m3) 4)风口前碳素燃烧生成co299.55 12 4 .22 558.6 （m3） 元素直接还原生成co95.58 12 4 .22 178.42（m3） 焦炭挥发分中co3500.0033 12 4 .22 2.156（m3） 间接还原消耗co295.11 （m3） 煤气中总co558.6178.422.156295.11444.066（m3） 5)n2 n2由鼓风、焦炭及煤粉带入，其总量为： n2 n2 风 n2 焦 n煤 1091.8(1 0.015)0.79 3500.0055 28 4 .22 1650.0042 28 4 . 22 851.434（m3） 12 重庆科技学院本科生毕业设计 据以上计算结果，列出煤气组成如表2.10。 表 2.10 煤气成分表 成分co2con2h2ch4总计vg/v风 体积， m3 310.22444.066851.43443.2868.2111657.2171.416 18.6526.751.192.960.5100.00 2.4.4 编制物料平衡表 计算鼓风量 1m3鼓风质量 4 . 22 18015 . 0 28985 . 0 79 . 0 32985 . 0 21 . 0 1.28 （kgm-3） 全部鼓风质量1091.81.281397.504（kg） 计算煤气质量 1m3煤气质量 4 . 22 20289. 0160056 . 0 285508 . 0 282456 . 0 441691 . 0 1.33 （kgm-3） 全部煤气质量1657.2171.332204.099 （kg） 水分计算 炉料带入水分3500.04816.8（kg） 煤粉水分=1300.0079=1.027（kg） h2还原生成水分39.61 4 .22 18 31.83（kg） 总计水分质量16.81.02731.8349.66（kg） 炉料机械损失2237.52210.9716.81.0278.703 （kg） 根据上述计算结果，列出物料平衡，如表 2.11。 表 2.11 物料平衡表 序号收入项kg序号支出项kg 1原燃料2237.51生铁1000.00 2鼓风1397.5042炉渣378.14 3煤气2204.099 4水分49.66 5炉尘8.703 共计3635.004共计3640.602 绝对误差0.154%相对误差0.0042% 2.5 热平衡 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 13 重庆科技学院本科生毕业设计 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。 根据不同需要，可以把热平衡分为两大类，即全炉热平衡和区域热平衡。 全 炉热平衡是整个高炉内的热量收支平衡，作为衡量全高炉的热能利用状况；区 域热平衡则是研究高炉不同部位热能的利用情况，尤其是高炉的高温区域。 全炉热平衡现有三种编制方法，这里仅介绍第一热平衡。 第一热平衡是根据热化学中的盖斯定律编制的，即根据加入高炉物料的最 初形态和产品的最终形态，以计算量的转变，而不考虑高炉内的实际反应过程。 例如铁矿石加入高炉内最终变为生铁，在热消耗中，只依据原料所含的铁氧化 合物分解耗热；焦炭燃烧最后变成煤气，在热收入项中，只依据焦炭所含碳素 的燃烧反应放热。 所以计算简便，也能反映高炉内燃烧和直接、 间接还原状况。 可 以用来分析直接还原发展的程度，为巴甫洛夫直接还原的图解分析方法奠定了 基础。因此，这种热平衡方法可称为经典式的一种方法而广为流传。 但是第一热平衡不能真实地反映高炉冶炼过程的热量分配状况，夸大了热 量的收入和支出。 比如反应feocfeco，在计算时，既支出了feo的分解热 269755.5kj(kgmol) -1，也收入了碳燃烧热 117565.3kj(kgmol) -1；而 实际上反应是吸热 117565.3269755.5152190.2kj(kgmol) -1、虽然收 支平衡无错（这也是第一热平衡值得肯定和供使用的重要原因），但高炉内既 未放热 117565.3kj，也没有吸热 269755.5kj。这样在利用热平衡分析热量收支 时，就不能得出更为合理的结论；同时，这种方法不符合现代关于还原机理的 概念。 第二热平衡基本上按高炉内实际反应过程编制，它克服了热量收入上的不 合理计算。例如前述 feo 直接还原反应，只计算此反应实际吸热 152190.2kj (kgmol) -1，而不是按前述二步法来计算。实际上第一热平衡的计算，是设想 各还原过程都包括氧化物的分解，和还原剂的氧化二步组成，这和还原机理的 二步理论一样，显然是不符合实际的。 按第二热平衡计算所得的热量总值，接近于高炉内实际收入的热量，也完 全相当于高炉内进行化学变化和物理变化所消耗的热量总值。 在热量收支比例上 减少了不合实际的碳素燃烧热量收入和氧化物热量支出的比值，因而也相应增 大了其它热收入项和热支出项的比例，同时，能量利用指标也有改变。 据以上分 析，以第二热平衡为依据，进行能量利用分析和考虑节焦途径与效果，就比较 真实可靠。 2.5.1 第一总热平衡计算 需要补充的原始条件： 鼓风温度1200；炉顶温度200；入炉矿石温度80。 鼓风温度与前面不符。 热量收入 14 重庆科技学院本科生毕业设计 1)碳素氧化热 由 c 氧化成 1m3的 co2放热 4 .22 66.33410 1217898.43 （kjm-3） 由 c 氧化成 1m3的 co放热 4 .22 11.9797 125250.50 （kjm-3） 碳素氧化热299.62117899.43(444.0662.156)5250.50 5363045.11+2320248.455 7683293.565（kj） 2)热风带入热 1200时干空气及水蒸汽比热容分别为 1.433kj m-3和 1.777kjm-3。 热风带入热(1091.817.827)1.43317.8271.7771200 1884818.3kj 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时，1kg 放出 1130.49kj的热量。 混合矿中的cao1695.970.0116 44 56 25.03（kg） 成渣热25.031130.4928296.16（kj） 4)混合矿带入物理热 80时混合矿的比热为1.0 kj(kg)-1 混合矿带入物理热1695.971.080135677.6 （kj） 5)h2氧化放热。 1m3h2氧化成h2o 放热10806.65kj h2氧化放热39.6110806.65428051.4 （kj） 6) ch4生成热 1kgch4生成热 16 4 .77874 4865.29 （kj） ch4生成热8.064 4 .22 16 4865.2928024.07 （kj） 冶炼一吨生铁的总热量收入等于16项热量之和，即 q总收7683293.565+1884818.3+28296.16+135677.6+428051.4+28024.07 =10188161.1（kj） 热量支出 1)氧化物分解与脱硫 a.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 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。 feo硅酸铁1695.970.870.08180.20+3500.0075+1300.0045 27.35 （kg） 去除入渣中的feo，它也以硅酸铁形式存在，计3.68kg。 余下的 feo硅酸铁27.353.6823.67 （kg） feo四氧化三铁1695.970.0631695.970.870.08180.272.7 （kg） 15 重庆科技学院本科生毕业设计 fe2o3 四氧化三铁72.7 72 160 161.6 （kg） fe2o3自由1695.970.73161.61076.46 （kg） 依据每千克铁氧化物分解热，即可算出总的分解热。 feo硅酸铁分解热23.674075.2196460.22 （kj） （4075.21kj(kgfeo硅酸铁)-1） fe3o4分解热(72.7161.6) 4799.981124635.314（kj） （4799.98kj(kg fe3o4)-1） fe2o3分解热1076.465152.945546933.8kj （5152.94kj(kg fe2o3)-1) 铁氧化物总分解热996460.22+1124635.314+5546933.8=6768029.3264（kj） b.锰氧化物分解热： mno2mno分解热1695.970.00032629.441337.83（kj） （2629.44kj(kgmno2)-1） mnomn分解热0.97362.846626.56（kj） （7362.84kj(kgmn) -1） 锰氧化物分解总热1337.836626.567964.39 （kj） c.sio2分解热 sio2分解热3.530288.76106010.65 （kj） （30288.76kj(kgsi)-1） d.ca3(po4)2分解热 ca3(po4)2分解热0.835756.9828605.58 （kj） （35756.98kj(kgp)-1） e.脱硫耗热 由于 cao 脱硫耗热为 5401.23kj(kg.s)-1，mgo 脱硫耗热为 8039.4kj (kgs)-1二者差别较大，故取其渣中成分比例（39.74:10.594:1）来计算平均 脱硫耗热。 1kg硫的平均耗热（5401.23 5 4 8039.04 5 1 ）5928.79 （kj） 脱硫耗热3.235928.7919150（kj） 氧化物分解和脱硫总耗热为上述ae项热耗之和，即 q氧6768029.3264+7964.39+106010.65+28605.58+19150 6929759.9464（kj） 2)碳酸盐分解热 由 caco3分解 出 1kgco2需热 4044.64kj， 由 mgco3分 解出 1kgco2需 热 2487.08kj，混合矿石 co2量1695.970.011619.67（kg）。假定 caco3和 mgco3是按比例分配的，其中以caco3分解的co2为: 19.67 40. 299. 8 99. 8 39.11 99. 867.19 15.53（kg） 则以 mgco3形式分解的 co2量19.6715.534.14（kg）。 碳酸盐分解热15.534044.644.142487.0873109.77（kj） 3)水分分解热17.82710806.65 192650.15（kj）（10806.65kj(kgh2o)-1） 16 重庆科技学院本科生毕业设计 4)喷吹物分解热1651256.1207256.5 （kj）（1256.1kj/kg煤粉） 5)炉料游离水的蒸发热 1kg 水由 20升温到 100吸热 334.96（kj），再变成 100水蒸汽，吸热2261（kj），总吸热2595.94（kj） 游离水蒸发热3700.0482595.9446103.89（kj） 6)生铁带走热 生铁热焓值 炼钢生铁 铸造生铁 锰铁 kjkg-1 1130.441172.36 1256.041297.91 1172.31214.17 铁水带走热10001172.361172360（kj）（取1172360kj(kg铁)-1） 7)炉渣带走热 炉渣热焓值 炼钢铁渣 铸造铁渣 锰铁渣 kjkg-1 1716.591758.54 1884.062009.66 1842.1921967.79 炉渣带走热378.141758.54664974.3（kj）（取1758.54kj(kg渣)-1） 8)炉顶煤气带走热 表 2.12 2200时煤气各成分比热容（kj(m3)-1） co2con2h2ch4h2o 1.7871.3131.3131.3021.821.519 a. 干 煤 气 比 热 容 0.16911.787 （ 0.2456 0.5508 ） 1.313 0.02891.3020.00561.821.396（kj(m3)-1） b.干煤气带走热1808.261.396200504866.19 （kj） c.水蒸气带走热57.7 18 4 .22 1.519（200100）10907.1（kj） e. 炉 尘 带 走 热 9.02 0.8374200 1510.67 （ kj ） （ 炉 尘 比 热 容 0.8374kj(kg)-1） 煤气带走热504866.1910907.11510.67517284 （kj） 前 8 项之和：6929759.946473109.77+192650.15+207256.5+46103.89+ 1172360+664974.3+5172849803498.56（kj） 9)外部热损失10188161.1-9803498.56384662.54（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384662.54kj 根据热收入与热支出数值列表于2.13 表 2.13热平衡表 序号收入项名称kj序号支出项名称kj 1碳素氧化热7683293.56575.41氧化物分解与脱硫6929759.946468.02 2热风带入热1884818.318.512碳酸盐分解73109.770.72 3成渣热28296.160.283水分分解192650.151.93 4炉料物理热135677.61.334喷吹物分解207256.52.05 5h2氧化热428051.44.215游离水蒸发46103.890.45 6ch4生成热28024.070.276铁水带走117236011.5 7炉渣带走664974.36.53 8煤气带走5172845.0 17 重庆科技学院本科生毕业设计 9外部热损失384662.543.8 共计10188161.1100共计10188161.1100 18 重庆科技学院本科生毕业设计 3 高炉炉型设计 高护内型设计主要与装备水平、原燃 料和冶炼条件、操作制度以及炉顶压力有 关。本文假定上述条件物理相似,分析讨论 炉型设计的若干问题。从风口 区到料线,炉 料在下降中被加热,温度逐渐上升,煤气在 上升过程中将热量传给炉料而本身温度逐 渐下降。这两种运动完成了整个炉内各种 冶炼反应 由于炉料在炉内所处区域不同, 各段炉容所完成的任务亦各有所异。炉型 示意见图1。 hu-有效高度 vu-有效容积 1 h-炉缸高度 2 h-炉腹高度 4 h-炉身高度 5 h-炉喉高度 h。-死铁层高度 d-炉缸直径 d-炉腰直径 a-炉腹角 b-炉身角 19 重庆科技学院本科生毕业设计 3.1 炉型设计要求 高炉炉型的合理性，是高炉能实现高产、 优质、 低耗、 长寿的重要条件。 合理 炉型应该是使炉型能够很好地适应于炉料的顺利下降和煤气流的上升运动。 在设计炉型时，尽可能地使设计炉型接近于合理炉型是设计工作者的重要 任务和努力方向。炉型设计应当满足下列要求： 与原燃料条件和送风制度等操作条件相适应，有利于炉况的顺行； 能够燃烧较多数量的燃料，提高冶炼强度，增加生铁产量； 有利于煤气的热能和化学能的充分利用降低焦比； 适应于采用喷吹等强化操作的新技术。 能与炉衬结构及冷却方式配合，易于生成保护性渣皮，防止炉衬的迅速烧坏 和侵蚀，有较长的一代寿命。 炉型设计的总原则是合理确定炉型各部分尺寸之间的比例。 高炉的合理炉型 应该满足冶炼强度，降低焦比，有利于炉况顺行和长寿的要求，随着冶炼条件 的改善，装备水平和操作水平的提高，高炉内型尺寸逐步向矮胖型发展。 另外，高炉鼓风机能够提供高炉冶炼足够的风量和风压，高炉炉顶设备的改 进和发展，能够满足高炉炉顶高压操作和各种布料方式的要求，高炉富氧喷吹 煤粉，高风湿的使用等等。 为高炉大型化和炉型向矮胖型方向发展提供了有利条 件。 因此，在设计合理炉型，必须综合考虑，保证高炉