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江苏大学铁合金矿热炉设计及冶金计算（课程设计） 学 院：_ _专业班级：_ _学 号： 姓 名：_ _指导老师：_ _引 言由一种或一种以上的金属和非金属元素与铁组成的合金，称为铁合金，铁合金还包括有其它非铁质元素组成的合金。在冶金上常用的铁合金种类有：硅铁、锰铁等，而硅铁就是铁和硅组成的铁合金。硅铁是以焦炭、钢屑、硅石为主要原料，用电炉冶炼制成的铁硅合金。硅铁是炼钢工业中必不可少的脱氧剂。炼钢中，硅铁用于沉淀脱氧和扩散脱氧。硅铁还作为合金剂用于炼钢中。钢中添加一定数量的硅，能显著提高钢的强度、硬度和弹性，提高钢的磁导率，降低变压器钢的磁滞损耗。此外，硅铁粉在选矿工业中可作悬浮相使用，在焊条制造业中作焊条的涂料；高硅硅铁在电气工业中可用制备半导体纯硅，在化学工业中可用于制造硅酮等。矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉。 它主要用于还原冶炼矿石，碳质还原剂及溶剂等原料。主要生产硅铁，锰铁，铬铁、钨铁、硅锰合金等铁合金，是冶金工业中重要工业原料及电石等化工原料。 其工作特点是采用碳质或镁质耐火材料作炉衬，使用自培电极。电极插入炉料进行埋弧操作，利用电弧的能量及电流通过炉料的，因炉料的电阻而产生能量来熔炼金属，陆续加料，间歇式出铁渣，连续作业的一种工业电炉。下面根据相关要求进行年产5kt/a硅铁合金矿热炉的设计以及冶炼过程中的物料平衡和热平衡的计算。第一章 年产5ktFeSi75矿热炉设计1.1炉型变压器选择年产5kt，选用6500KVA型变压器。设每天的产量为15吨硅铁，每月生产30天，每年生产12个月。年产量为：Q=(PtcosK)/w=(6500243600.850.95)/8800=5153t式中：P变压器额定容量，kVA；Q电炉的产量，t;W冶炼品种的单位电耗，取8800kWh/t； cos电炉的功率因数取0.85；K变压器功率利用系数取0.95;t为时间一年1.2矿热炉设计1.2.1矿热炉电气参数的确定在工业硅冶炼过程中矿热炉的状态与电气参数的变化密切相关，控制最佳的供电制度对保证取得好的经济技术指标十分重要。一般而言，在功率一定情况下提高矿热炉的二次电压，电流就可以降下来，这有利于提高线路功率因数和减少电损失，但是过分提高矿热炉电压，电极就不能深插，炉膛料面就会过热，热损失增加，硅回收率降低，因此每台电炉都有其适宜的二次电压值。在设计电炉时往往利用米古林斯基公式来确定矿热炉正常工作时的二次电压U2KP1/3式中：K为电压系数，取6.0 7.5；P是变压器额定功率，kVA。因此这次设计时取二次电压U26.5140001/3=156.7v157v二次电流I2P/（3U2）=51483.4A。1.2.2 矿热炉结构设计正确设计矿热炉的结构是保障矿热炉工作性能的先决条件，是设计工作者面临的最大困难。好的矿热炉结构设计不仅有利于炉子保障高产、优质、低能耗、少故障的生产，而且有利于节约筑炉成本、方便其它设备布置、保证操作顺畅。1.2.2.1电极直径的选取：在确定矿热炉其它结构尺寸之前，必须先确定电极直径，它决定着矿热炉其它结构尺寸的大小。电极直径有许多计算方法，一般根据电极电流和电极电流密度确定d2 I2/(I) 1063mm式中: I2为电极电流，A；I 为电极电流密度5.5 6.1A/cm2，取5.8 计算。根据国内厂家生产炭素电极的标准，取电极直径为1 050 mm。1.2.2.2极心圆直径计算：极心圆直径是一个对冶炼过程有很大影响的设备结构参数，电极极心圆直径选得适当（图1a），三根电极电弧作用区域部分刚好相交于炉心，各电极反应区既相互相连又重叠部分最小，在这种情况下，炉内热量分配合理，坩埚熔池最大，吃料均匀，炉况稳定，炉况也易于调节。如果设计不当，热量不是过分集中（图1b）就是热量分散（图1c），这都会造成炉况调节频繁或根本无法调节的严重错误。设计中极心圆直径可按下式计算Dgad 2.31 0502 415 mm式中: a为极心圆倍数，a2.2 2.3，这里取2.3 计算。结合矿热炉容量、可调极心圆范围、实际电气参数调节空间这里取极心圆直径为2 500 mm。1.2.2.3炉膛内径计算：在选择炉膛内径时，要保证电流流过电极-炉料-炉壁时所受的阻力大于经过电极-炉料-电极或炉底时所受的阻力。否则，炉膛内径选择尺寸过大，矿热炉表面散热面积大，还原剂烧损严重，出料口温度低，出硅困难，炉况会恶化；炉膛内径选择过小，电极-炉料-炉壁回路上通过的电流增加，反应区偏向炉壁，将使炉内热量分散，炉心反应区温度低，炉壁腐蚀严重，炉况也会恶化。炉膛内径可按下面经验公式计算Dnrd 5.81 0506 090 mm式中：r为炉膛内径倍数，r 5.8 6.0，这里取5.8。炉膛内径这次设计中取为6 200 mm。1.2.2.4炉膛深度计算：在选择炉膛深度时，要保证电极端部与炉底之间有一定的距离、电极有效插入的深度和料层有一定的厚度。炉膛深度若过深，电极与炉底距离远，电极不能深插，高温区上移，炉底温度低，炉底SiC 会沉积，炉底上抬，堵塞出硅口，炉况变差；炉膛深度若太浅，料层厚度将很薄，炉口温度升高，硅挥发损失增加，容易露弧操作，能耗增大。合适的炉膛深度可按下面经验公式计算h d2.51 0502 625 mm式中： 为炉膛深度倍数， 2.5 2.8，这里取2.5。炉膛深度这次设计中取为2 700 mm。1.2.2.5炉衬与炉底的结构、尺寸及材料选择：一般而言，炉衬、炉底结构包含了工作层、保温层、隔热层、绝热层、钢板层5 个主要层次，但是每个层次的具体尺寸却是很有技术含量的，因为这涉及到筑炉成本、炉子性能、炉子寿命等许多经济因素。炉衬厚度过厚，引起筑炉成本上升，占地面积扩大，炉衬表面积增加，散热面积也增大；炉衬厚度过薄，抑或炉衬强度不够，抑或无法保温。炉底厚度亦是如此。国内外对炉衬、炉底散热强度计算表明，保持炉衬与炉底热损失为2 4%是在合理的范围内 ，或者保持炉衬表面温度在70 120 是允许的，因此按照这个条件以及结合所选择材料的使用温度,根据传热学知识可确定炉衬与炉底工作层、保温层、隔热层、绝热层的厚度，钢板层的厚度根据强度需要而定。我们在这次设计中，工作层都使用自焙碳砖、保温层选用新型隔热耐火粘土砖（热导率 0.44 W/（ mK）、隔热层使用粒度为3 8mm 的细硅石与矿渣混合物、绝热层使用石棉纤维板、钢板层选用14mm 厚的普通钢（炉底钢板厚18 mm）。1.2.2.6出料口位置、结构、尺寸与材料选择：出料口是矿热炉上非常重要的一个部位，它的位置、结构形状、尺寸、材料选择都是需要仔细斟酌的。位置布置不当，出料口部位温度低，出料不畅或者是操作不方便；结构形状尺寸不当，也会导致出料不畅或者封堵困难或者出硅时间延长；材料选择不当，容易氧化腐蚀，维修频繁。在这次设计中，出料口设计2 个，每个出料口水平位置与炉底齐平并比炉底水平线下倾斜3，角度位于炉心与电极中心两点的延长线与炉壁的交点上。出料口应当设计成圆形，便于烧穿与封堵，尺寸根据出硅时间要求计算并结合实际操作需要来决定大小，一般为直径100 mm，容易氧化的外侧选择石英材料与碳糊。1.2.2.7炉门结构、尺寸与材料选择:大容量炉最大的问题是炉缘距离炉心远，上料困难，国内特别强调以人工精细加料来取得好质量与低能耗产品，普遍认为大容量炉子在国内不如6 300 kVA 炉子的性能。我们在这次设计中设计了3 个机械加料炉门，3 个捣料炉门。3 个机械加料炉门取代了炉顶上料，因为从炉顶上料，必须建造一个高的加料台或皮带上料系统，同时用机械加料炉门也解决了大容量矿热炉上料困难的问题。考虑到德国DDS 公司生产的加料捣炉机比较昂贵，因此将加料捣炉功能分开，加料从3 个密封加料炉门通过摇动料桥（可伸缩深入到炉心）将料布放在料面各处，捣炉功能通过窥视孔根据需要打开捣料炉门进行捣炉操作。加料炉门位于离炉沿400mm高度处，其门槛长500mm，高400mm，普通钢材质。捣炉炉门门槛下部与炉沿等高，门槛长1 200mm，高1 500 mm，使用单独水冷结构。1.2.2.8烟罩结构、尺寸与材料选择:大容量矿热炉炉膛尺寸跨度大，烟罩设计较困难，同时从烟罩通过的电流大，处理不好涡流损失大。为了解决烟罩结构强度与防止涡流损失，我们采取用水冷钢管（防磁）做骨架并起吊，上下盖采用石板与水泥构筑，用细钢筋做支撑，既减轻了烟罩整体重量又防止了筑砌或制作上的不便。烟罩高度离炉沿2 300 mm，直径与炉壳直径等同，厚度160 mm，上下盖间通水冷却。1.3技术指标设计完成以后有关该炉的技术参数与性能如下：电极直径/mm 1050；极心圆直径/mm 2500；炉膛直径/mm 6200；炉膛深度/mm 2700；炉壳直径/mm 8000；炉壳高度/mm 4618；烟罩高度/mm 2300；理论日产量/t 15；理论电单耗量/kWht-1=8800；第二章 以100kg硅石为基础的炉料计算2.1已知条件（以100Kg硅石为基础来进行计算）名称SiO2Fe2O3Al2O3CaOMgOP2O5FeMnSiSPC灰分水分挥发分硅石98.60.50.50.20.2干焦炭183133焦炭灰分4821254.710.3钢屑98.90.50.340.030.030.3电极糊8389电极糊灰分50132674 表1 原料化学成分表2.2计算参数2.2.1钢屑中的硫、磷进入合金，其它的硫挥发掉。2.2.2设在冶炼过程中各氧化物的分配表。氧化物SiO2Fe2O3Al2O3CaO P2O5 Mg0被还原的%98 99 50 40 100 O进入渣中的%2 1 50 60 0 IOO表2 冶炼过程中各氧化物的分配表2.2.3被还原出来的元素分配表。元素Fe Si Al Ca P S Si进入合金95 98 85 85 50挥发5 2 15 15 50 100 100表3 被还原出来的元素分配表2.3炉料的计算 2.3.1还原剂用量的计算。还原反应 SiO2+C=Si+CO SiO2+C= SiO+CO Fe2O3+3C=2Fe+3CO Al2O3+3C=2Al+3CO CaO+C=Ca+CO P2O5+5C=2P+5CO还原硅石中的各种氧化物所需的碳如下表：氧化物从lOOkg硅中还原的数量(kg)还原所需碳量(kg) SiO2还原为SilOOx98.6%x (98%-7%) =89.72689.726x24/60=35.89 SiO2还原为Si01OOx98.6%x7%=6.9026.902x12/60=1.38Fe2O3还原为FelOOx0.5%x99%=0.4950.495x36/160=0.11 Al2O3还原为AllOOx0.5%x50%=0.250.25x36/102=0.09 Ca0还原为CalOOx0.2%x40%=0.080.08x12/56=0.02总计37.492.3.2还原焦炭灰分中氧化物的碳见下表 lOOkg焦炭含固定碳83kg，用来还原焦炭中灰分中的氧化物有3.61kg，用来还原硅石中的氧化物的碳有83-3.61=79.39kg。 还原lOOkg硅石需要同定碳37.49kg，折合干焦量为37.49/79.39% =47.22kg.氧化物从lOOkg焦炭中还原的数量(kg)还原所需的碳量(kg)SiO2还原为SiSiO2还原为Si0Fe2O3还原为FeAl2O3还原为AlCa0还原为CaP2O5还原为P共计13x0.48x0.91=5.67813x0.48x0.07= 0.43713x0.21x0.99=2.70313x0.25x0.5=1.62513 x0.047x0.4=0.24413x0.003x1=0.00395.678x24/60=2.270.437x12/60 =0.092.703x36/160= 0.611.625 x 36/102=0.580.244x12/56 =0.050.039x60/142=0.023.61设有10%的焦炭在炉口处燃烧及用于合金增碳。该条件下需焦炭量：47.220.9=52.47kg2.3.3电极中的碳参加还原反应冶炼硅75每吨硅石需电极糊25kg。电极糊含有灰分，还原电极糊灰分中的氧化物所需碳见下表氧化物从2.5kg电极中还原的数量（kg）还原所需的碳量（Kg） SiO2还原为Si SiO2还原为Si0 Fe2O3还原为Fe Al2O3还原为Al Ca0还原为Ca2.5x0.08x0.5x0.91=0.0912.5x0.08x0.5x0.07=0.0072.5x0.08x0.13x0.99=0.0262.5x0.08x0.26x0.5=0.0262.5x0.08x0.07x0.4=0.0060.91x24 /60 =0.03640.007x12 /60=0.00140.026x36 /160=0.00590.026x 36 /102=0.00920.006x12 / 56=0.0013 总计 0.0542电极糊带入碳：2.5x83%=2.075kg这些数量的碳大约一半用于还原氧化物，因而减少焦炭用量： (2.0752-0.0542)79.39%=1.24kg因此，每一批料（lOOkg硅石）中的焦炭量为：52.47-1.24=51.23kg2.4合金成分计算从100kg硅石、51.27kg焦炭和2.5kg的电极糊中还原出来的元素量如下表从硅石中来（kg）元素从焦炭灰分中来（kg）从电极中来（kg）合计（Kg）89.726x28/60=41.8720.25x54/102= 0.1320.495x112/160=0.3470.08x40/56=0.057SiAlFeCa P5.67x28/60x0.51=1.351.625x54/102x0.51=0.442.703x112/160x0.51=0.9690.244x40/56x0.51=0.0890.039x62/142x0.51=0.0090.09x128/60=0.04250.026x54/102= 0.0140.026x 112/160=0.0180.006x40 /56=0.00443.720.5861.3340.1500.009还原出来的元素分配情况见下表元素进入合金的数量( kg)挥发损失(kg)SiAlFeCaP总计43.27x0.98=42.40.586x0.85=0.501.334x0.95=1.2670.15 x0.85=0.1280.009x0.50=0.00544.3SiO=(6.909+0.437 +0.007)x44 / 60=5.39Si=43.391x2%=0.870.5860.50= 0.0861.334-1.267= 0.0670.15 -0.128=0.0220.009-0.005= 0.0046.44则1000 kg合金挥发物量6.44xl000/56.69=114kg 冶炼75硅时，42.4kg的硅应占合金重量的75%，合金总重量等于42.40.75=56.601kg，除了被还原进入合金中的元素外，自焙电极壳带入的铁每lOOkg硅石约为0.1 kg，因此需加的钢屑量为：( 56.601-44. 3-0.1)0.988=12.28kg金属的成分及重量见表元素由硅石焦炭电极带入来的（kg）由钢屑带入来的( kg)共计%SiAlFeCaPSMnC42.40.501.2670.1280.0050.02012.28x0.0034=0.04212.28 x 0.988=12.1312.28 x 0.0003=0.00412.28x0.005 =0.06112.28x0.003= 0.03742.4420.5013.400.1280.0090.0040.0610.05774.9850.88423.6740.2660.0160.0070.1080.100共计56.69 100 含硅75%的硅铁合金含碳约为0.1%，故56.69x0.1%=0.057钢屑带入的0.037kg，则由焦炭进入合金的碳为0.057-0.037=0.02kg2.5炉渣的成分及数量的计算见表元素由硅石( kg)由焦炭灰分( kg)由电极糊灰分（kg）共计Kg%SiO2lOOx0.986x0.02=1.97251.27x0.13x0.48x0.02=0.0642.5x0.08x0.5x0.02=0.002 2.044 54.29 Al2O3lOOx0.003x0.5=0.1551.27x0.13x0.25x0.5=0.8332.5x0.08x0.26x0.5=0.026 1.108 29.52 Fe0lOOx0.005 x0.01x144/ 160=0.004551.27x0.13x0.21x0.Olx144/ 160=0.01262.5x0,08x0.13xO.Olx144 / 160=0.0002 0.015 0.45CalOOx0.003x0.6=0.1851.27x0.13x0.047x0.6=0.1882.5x0.08x0.07x0.6=0.008 0.376 8.417 Mg0100 x0.002=0.251.27x0.13x0.01=0.06662.5x0.08x0.04=0.008 0.275 7.323共计3.778 100则1000 kg合金炉渣3.778xl000/56.69=66.64 kg渣铁比：3.77856.69=6.66%冶炼一吨合金所需的炉料见表项目计算值（kg）实际值（kg）硅石干焦炭钢屑电极lOOxl000 / 56.69=176451.27xl000 / 56.69 = 90412.17xl000 / 56.69=2152.5xl000/56.69=441750-1850100-1050220-230第三章 物料平衡的计算 根据炉料的计算数据，能够编制冶炼75硅的物料平衡表，平衡表的收入部分是炉料计算，平衡表消耗部分中的金属、炉渣已附带算出。3.1焦炭及电极糊中的碳在炉口处被燃烧所需的空气量的计算3.1.1在炉喉中燃烧的焦炭量： 2.5 x0.83 +51.23 x0.83 -37.52- 3.62x0.51 - 0.0542 - 0.02 =5.18 kg 3.1.2燃烧这些碳需氧量： 5.18x1612=6.90 kg 3.1.3 与氧同时带入的氮气量： 6.90x0.770.23=23 kg 3.1.3共用空气量：6.90+23.0= 29.9kg 3.1.4则1000 kg合金用空气量 29.9xl000/56.69=527kg 3.2生成的一氧化碳气体量 3.2.1借空气中的氧将碳氧化时，生成一氧化碳 5.18x2812=12.09kg 3.2.2借硅石中的氧化物将碳氧化时，生成的一氧化碳 37.52x2812=87.54kg 3.2.3借焦炭灰分中的氧化物将碳氧化时，生成一氧化碳 3.62x0.51x2812=4.31kg3.3借电极糊的灰分中的氧化物将碳氧化时，生成一氧化碳0.0542x2812=0.13kg3.4焦炭和电极糊所含挥发物量 51.27x3%+2.5x9%=1.763kg 其排出气体量 12.09+87.54 +4.31 +1.763 +0.13=106kg 则1000 kg合金排出气体量106xl000/56.69=1869kg3.5冶炼过程中的物料平衡衡 收入 支出物料名称Kg%产品名称Kg%硅石1764 51. 10合金1000 32.78焦炭904 26.15炉渣66 2.16钢屑215 6.26气体1869 61.26电极44 1.27挥发物114 3. 34燃烧焦炭电极所用空气量527 15.26误差2 0.07共计3454 100O总计3454 100.0第四章 热平衡计算4.1热量收入 4.1.1碳氧化成CO时的热量（Q1）： C+l/2O2=CO H= -109861.63J 每一千克碳氧化为CO放热量为9155.14KJ，氧化焦炭及电极中的碳时 放出的热量为(51.27x0.83+2.5x0.83) x9155.14=408282.62 KJ 则1000 kg合金Q1=408282.621000/56.69=7212199.61KJ4.1.2从放热反应获得的热量(Q2)：硅化铁生成放热：Fe+Si= FeSi H= -79967.88J 每一千克铁放出的热1428.0KJ,在硅75中，全部铁(13.04kg)都化合成硅化铁，放出热量为13.04x1428=18621.1KJ Al2O3和Ca0硅酸盐生成热：Al2O3 +SiO2= Al2O3 SiO2 H298=-192383.46J对每一kgAl2O3来说，放比的热量为1886.11KJ。因此1.108kgAl2O3放出热量为1.108x1886.11=2089.81KJCaO+SiO2= CaOSiO2 H298=-91062.9J对每一千克Ca0来说，放出的热量为1626.12KJ。因此0.316kgCa0放出热量为 0.316x1626.12=513.85KJ共放出热量为： 18621.1+2089.81+513.85=21224.76KJ则1000 kg合金Q2=21224.76 x1000/56.69=374400.42KJ4.1.3炉料带入的热量(Q3)： 硅石、焦炭、钢屑的热熔分别为0.703KJkg(0.168kcalkg)，0.837KJkg(0.20kcalkg)0.699KJkg(0.167kcalkg)，25炉料带入的热量： 硅石lOOx0.703x25=1757.5KJ 焦炭51.27x0.837x25=1072.82KJ 钢屑12.17x0.699x25=203.54KJ 炉料带入的热为1757.5+1072.82+203.54=3033.86KJ 则1000kg合金Q3=3033.861000/56.69=53516.67KJ4.1.4电能带入的热(Q4)： 没有进行实测，根据围国内单位电耗平均较先进水平计算，取硅75产品 单位电耗为8800kwht 8800x3600KJ/kwh=31680000KJ 1000千克合金由电能供热量： Q4=31680000/1000X l000=31680000KJ 共计收入热量：(Q入) Q入= Q1+Q2+Q3+ Q4 =7212199.61+374400.42+53516.67+31680000= 39320116.7KJ4.2热量支出4.2.1氧化物分解耗热(Q1)： SiO2Si+O2 H =862480.8J 对每千克SiO2,分解耗热14374.6KJ，为了简化计算起见，把分解成Si0的SiO2也算计在内， 则分解的热耗为： 89.999+6.923+ (5.678+0.437) x0.51+0.091+0.007 x14374 =1439393KJ Al2O3 A1+2/3 O2 H=1646668.44KJ 三氧化二铝的分解热为； ( 0.15+1.625x0.51+0.026) x1646668.44/102=16220.49KJ氧化钙的分解热： ( 0.12+0.244x0.51+0.006) x635137.56/56=2840.42 KJ Fe2O3Fe+3/2O2 三氧化二铁的分解热： H=817263.36J ( 0.297+2.703x0.51+0.026) x817263.36/160=8691.24KJ P2O52P+5/2O2 H=1507248J 五氧化二磷的分解热： 0.039 x0.5123 x15 07248/142=212.07KJ 分解氧化物总共耗热： =1439393+16220.49+2840.42+8691.24+212.07=1467357.22KJ则1000kg合金Q1=1467357.22x1000/56.69=25883881.11KJ4.2.2 加热金属到1800度时耗费的热量。要准确的计算是比较复杂的，为了简化认定合金仅含有硅和铁两种元索。且可以用下列两个公式：QSi=(124.5+0.232t)x4.1868KJkg QFe=( 22.26+0.194t) x4.1686KJ/kg 若t=1800得：QSi =2269.66KJ/kg QFe =1556.65KJ/kgQFe-Si=( 2269.66x74.95) /lOO+(1556.65x23.674)/100=2070.43KJ加热金属到1800度时耗费的热量56.69x2070.43=117188.41KJ 则1000kg合金Q2=117188.41x1000/56.69=2070430KJ4.2.3 加热炉渣到1800时耗费的热量(Q3)： 计算炉渣在t时的含热量可以用以下公式： Q=0.286x4.1868=0.286x1800x4.1868=2155.36KJ 加热炉渣到1800时耗费的热量3.754x2155.36=8091.22KJ 则1000kg合金Q3=8091.22x1 000/56.601=142951.89KJ4.2.4 炉气带走的热( Q4)： 气体离开反应带时的温度与反应带的温度相同，气体经过炉料时放出一部分热最。 设气体离开炉予时的平均温度是600，为了简化计算，设全部气体的产物的热容量气相中主要的成分一氧化碳的热容：炉气带走的热(129+6.44)x 7.2 7/286004.1868=88339.88KJ则1 000kg合金Q4 =8833