年产300万吨生铁高炉设计资料.docx
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年产300万吨生铁高炉设计资料
年
产
300
万吨生铁高炉设计
周英彪
0802011025
1绪论1…
1.1高炉炼铁概述仁
1.2高炉生产主要经济技术指标2.
1.3高炉炉型发展趋势3..
2高炉配料计算4..
2.1配料计算的目的4..
2.2配料计算时需要确定的已知条件4.
2.3冶炼条件的确定4..
2.3.1根据铁平衡求铁矿石的需求量5
2.3.2根据CaO的平衡求石灰石用量6.
2.3.3最终炉渣成分和数量计算7.
2.3.4最终生铁成分计算8.
2.4物料平衡9..
2.4.1根据C的平衡计算风量9.
2.4.2风量的计算10
2.4.3炉顶煤气成分及数量的计算11
2.4.4物料平衡表的编制1.3
2.5热平衡14.
2.5.1热量收入的计算1.4
2.5.2热量支出项的计算15
2.5.3热平衡表及能量利用评定18
3高炉炉型设计19
3.1高炉容积的确定19
3.2高炉炉型及尺寸确定19
参考文献23.
1绪论
1.1高炉炼铁概述
1、高炉结构
高炉是一种竖式的反应炉。
现代高炉内型一般由圆柱体和截头圆锥体组成,由下而上分为炉缸、炉腹、炉腰、炉身和炉喉五段。
由于高炉炼铁是在高温下进行的,所以它的工作空间是用耐火材料围砌而成,外面再用钢板作炉壳。
炉臥
炉#
8
1—炉底耐火材料;2—炉壳;3—生产后炉内砖衬侵蚀线;4—炉喉钢砖;
5—煤气导出管;6—炉体夸衬;7—带凸台镶砖冷却壁;8—镶砖冷却壁;
9—炉底碳砖;10—炉底水冷管;11—光面冷却壁;12—耐热基墩;13—基座
2、高炉炼铁原理及工艺流程示意图
高炉生产是连续进行的。
一代高炉(从开炉到大修停炉为一代)能连续生产几年到十几年。
生产时,从炉顶(一般炉顶是由料种与料斗组成,现代化高炉是钟阀炉顶和无料钟炉顶)不断地装入铁矿石、焦炭、熔剂,从高炉下部的风口吹进热风(1000〜1300C),喷入油、煤或天
然气等燃料。
装入高炉中的铁矿石,主要是铁和氧的化合物。
在高温下,焦炭中和喷吹物中的碳及碳燃烧生成的一氧化碳将铁矿石中的氧夺取出来,得到铁,这个过程叫做还原。
铁矿石通过还原反应炼出生铁,铁水从出铁口放出。
铁矿石中的脉石、焦炭及喷吹物中的灰分与加入炉内的石灰石等熔剂结合生成炉渣,从出铁口和出渣口分别排出。
煤气从炉顶导出,经除尘后,
作为工业用煤气。
现代化高炉还可以利用炉顶的高压,用导出的部分煤气发电。
高炉炼铁工艺流程示意图见图1-2。
图1-2高炉炼铁工艺流程示意图
1.2高炉生产主要经济技术指标
1、高炉有效容积利用系数(n)
指高炉每立方米有效容积一昼夜生产合格铁水的吨数,单位为t/(m3?
d)。
高炉有效容积系数
昼夜合格生铁产量t
高炉有效容积V
n是高炉冶炼的一个重要指标,n越大,其高炉生产率越高。
小型高炉利用系数可达2.8〜
3.2,大型高炉一般为2.0~2.5。
2、焦比(K)
每炼一吨生铁所消耗的焦炭量,单位为Kg/t-Fe。
先进高炉焦比为300〜400公斤/吨生铁。
焦炭价格昂贵,降低焦比可降低生铁成本。
6、生铁合格率
是评价高炉优质生产的主要指
化学成分符合规定要求的生铁量占全部生铁产量的百分数,标。
7、炉龄
炉龄的定义为两代高炉大修之间高炉实际运行的时间,即不计划中进行中小修而造成的休风以及封炉时间。
1.3高炉炉型发展趋势
高炉的炉型随着高炉精料性能,冶炼工艺,高炉容积,炉衬结构,冷却形式的发展而演变,高炉设计的理念也随着科学技术的进步和生产实践的进展而更新。
总结国内外同类型容积高炉尺寸,原燃料条件,强化冶炼的矮胖型炉型已成为主要的炉型,其优点如下:
1、适当矮胖,减小炉腹角,炉身角。
较小的炉身角有利于受热膨胀后炉料下降,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,提高炉底炉缸的寿命。
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,稳定铁水的温度和成分。
3、加大炉缸的高度。
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的透气性,有利于改善气体动力学条件。
2高炉配料计算
2.1配料计算的目的
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,以配制合适的炉渣成分和获得合格的生铁。
2.2配料计算时需要确定的已知条件
本设计所选混合矿的组成为烧结矿:
球团矿:
生矿=80:
16:
4。
各矿物成分及计算后的混合矿成分见表2-1。
表2-1各矿物及混合矿成分(%)
成分原料
Fe
P
S
FeO
Fe2O3
SiO2
CaO
MgO
烧结矿
52.744
0.039
0.030
15.200
58.460
9.760
10.100
3.740
球团矿
49.630
0.044
0.100
12.420
57.100
14.340
10.200
2.100
天然矿
62.546
0.052
0.110
13.96
73.84
3.96
0.74
0.29
混合矿
52.637
0.04032
0.044
14.7056
58.8576
10.261
9.742
3.340
成分原料
Al2O3
P2O5
S/2
K2O
Na2O
MnO
烧损
合计
烧结矿
1.365
0.090
0.015
0.300
0.050
0.920
0
100.00
球团矿
2.120
0.100
0.050
0.260
0.060
1.050
0.2
100.00
天然矿
3.200
0.120
0.055
0.232
0.103
2.190
1.31
100.00
混合矿
1.559
0.093
0.0222
0.291
0.054
0.992
0.084
100.00
2.3冶炼条件的确定
设计中需要的各种成分如以下各表所示。
表2-2碎铁成分表
成分
Fe
SiO2
Al2O3
C
合计
质量分数/%
85.00
9.00
3.00
3.00
100
表2-3焦炭工业分析表
成分
固定碳
灰分
挥发分
S
合计
有离水
质量分数/%
85.02
12.94
1.17
0.87
100
3.2
表2-4焦炭、煤粉灰分分析表
成分
MgO
SiO2
Al2O3
P2O5
CaO
Fe2O3
SO3
FeO
合计
质量分
数/%
焦炭
0.95
49.9
34.09
0.37
3.02
0.88
1.24
9.46
100
煤粉
1.03
48.31
35.82
0.30
3.68
2.98
0.93
6.95
100
表2-5焦炭挥发成分
成分
CO2
CO
H2
CH4
N2
合计
质量分数/%
34.2
37.8
6
4
18
100
表2-6煤粉成分表
成分
C
灰分
H
O
N
S
H2O
合计
质量分数/%
76.49
11.18
3.51
6.01
0.60
0.36
1.85
100
表2-7炉尘成分表
成分
Fe
P
S
Fe2O3
FeO
CaO
C
质量分数/%「
41.467
0.04
0.40
51.45
7.01
8.30
17.64
成分
SiO2
MgO
Al2O3
合计
质量分数/%
8.61
1.97
2.61
100
表2-8各种元素在炉渣、生铁和煤气中的分配率
产品
Fe
Mn
P
生铁n
0.997
0.70
1.00
炉渣卩
0.003
0.30
0.00
煤气入
0
0
0
表2-9生铁成分表
成分
Si
Mn
P
C
Fe
S
质量分数/%
0.35
0.94
0.08
3.63
94.99
0.030
100
其它各种参数的选择
1本设计所使用混合矿组成为,烧结矿:
球团矿:
生矿=80:
16:
4;
2、湿焦比(1t生铁)为390kg/t;
3、煤粉喷吹量(1t生铁)为175kg/t;
4、碎铁使用量(1t生铁)为50kg/t;
5、选择炉渣碱度w(CaO)/w(SiO2)=1.05;
6、鼓风湿度巾=1.5%
7、炉尘吹出量为(1t生铁)为30kg/t;
&直接还原度rd=0.4
9、焦炭与喷吹燃料中总碳量的1%和H2生成CH4;
10、喷吹条件下,进入炉内的H2有35%消耗于FeO还原成Fe的过程
11、热风温度T=1100C,炉顶煤气温度T=200C。
2.3.1根据铁平衡求铁矿石的需求量
1、焦炭带入的铁量
(1)Fe2O3~
2Fe
112
x
故:
x=0.00616
160
0.0088
(2)
FeO~
Fe
72
56
0.0946
y
故:
y=0.0735
所以,焦炭带入的铁量
m(Fe)j-3901-0.0320.12940.006160.0735[=3.891Kg
2、矿石的需求量
mFetmFezamFe⑷一mFem-mFej-mFeme
式中:
mFek
Qk—矿石的需求量(1t生铁),kg\t;
m(Fe)t—进入生铁的铁量(1t生铁),kg\t;m(Fe)za—进入炉渣的铁量(1t生铁),kg\t;m(Fe)ch—进入炉尘的铁量(1t生铁),kg\t;m(Fe)M—碎铁带入的铁量(1t生铁),kg\t;m(Fe)j—焦炭带入的铁量(1t生铁),kg\t;
m(Fe)me—煤粉带入的铁量(1t生铁),kg\t;m(Fe)k—矿石含铁量(1t生铁),kg\t;
其中,m(Fe)me的计算方法如下:
(1)Fe2O3~
159.7
2Fe
111.7
x
故:
x=0.021
0.0298
(2)
FeO~
Fe
71.75
55.85
0.0695
y
故:
y=0.054
根据以上计算
m(Fe)me=1750.1180.0210.054=1.4674Kg
所以
0.003
949.9949.9300.41467-500.85-3.891-1.4674
Q“°.997
0.52637
=1742.776Kg
2.3.2根据CaO的平衡求石灰石用量
表2-10溶剂的成分表
成分
P
S
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
P2O5
烧损
质量分数/%
0.014
0.012
52.78
1.32
1.62
1.32
0.03
42.90
100
根据CaO的平衡求石灰石用量,本设计的碱度w(CaO)/w(SiO2)=1.05。
石灰石的用量:
[m(SiO2)k+m(SQ)j+m(SQ)M+m(SiO2)me-m(SiO2)s-m(SiO2)chNRO
Ql
m(CaO)L-ROm(SiO2)Lm(CaO)km(CaO)jm(CaO)Mm(CaO)me-m(CaO)ch
m(CaO)L-ROxm(SiO2)L
[1742.776汇0.10261+390汉(1—0.032)汉0.1294汉0.4999+50汉0.09+175汉0.1118汉0.4831汉1.05-0.5278-1.05x0.0162
60
(3.5300.0861)1.05
28[1742.7760.09742390(1-0.032)0.12940.0302]
0.5278-1.05汉0.01620.5278-1.05汉0.0162
(5001750.11180.0368-300.083)
0.5278-1.057.0162
-93.6426Kg
式中:
Ql—溶剂的需要量(1t生铁),kg\t;
RO—炉渣的碱度;m(SiQ)K—矿石所带入的SiO2量(1t生铁),kg\t;m(CaOK—矿石所带入的CaO量(1t生铁),kg\t;m(SiO)j—焦炭所带入的SiO2量(1t生铁),kg\t;m(SiO)m—碎铁所带入的SiO2量(1t生铁),kg\t;m(CaOm—碎铁所带入的CaO量(1t生铁),kg\t;m(SiO2)me—煤粉所带入的SiO2量(1t生铁),kg\t;m(CaO)me—煤粉所带入的CaO量(1t生铁),kg\t;m(SiO2)si—还原硅所消耗的SiO2量(1t生铁),kg\t;
m(SiO2)ch—炉尘带走的SiO2量(1t生铁),kg\t;
m(CaO)ch—炉尘带走的CaO量(1t生铁),kg\t;m(SiQ)L—溶剂中的SiO2量(1t生铁),kg\t;m(CaOL—溶剂中的CaO量(1t生铁),kg\t。
在计算时要考虑机械损失,一般原燃料的机械损失和生铁原料实际消耗量分别列于表2-11
和表2-12。
表2-11原燃料的机械损失
原燃料
机械损失/%
原燃料
机械损失/%
矿石
2
焦炭
1
溶剂
1
表2-12生铁原料实际消耗量
原燃料
理论消耗量/kg
机械损失/%
水分/%
实际消耗量/kg
混合矿
1738.168
2
0
1772.931
碎铁
50
0
0
50
熔剂
93.422
1
0
94.356
焦炭
410
1
3.2
427.22
总计
2291.59
2344.507
2.3.3最终炉渣成分和数量计算
1、进入炉渣的全部S量
m(S)za=m(S)Km(S)Lm(S)jm(S)me-m(S)t-m(S)ch
=1742.7760.0004493.94260.00012[3901-0.0320.00873901-0.032
7.1294X0.0124汉32]+
80
175x0.0036+175x0.1118x0.0093汇孚j—0.3—30汉0.004
'、、80丿
=4.5876Kg
式中:
m(S)za—进入炉渣的硫量(1t生铁),kg\t;m(S)K—矿石带入的硫量(1t生铁),kg\t;m(S)L—溶剂带入的硫量(1t生铁),kg\t;m(S)j—焦炭带入的硫量(1t生铁),kg\t;m(S)me—煤粉带入的硫量(1t生铁),kg\t;m(S)y—重油带入的硫量(1t生铁),kg\t;m(S)t—进入生铁带入的硫量(1t生铁),kg\t;m(S)ch—炉尘带走的硫量(1t生铁),kg\t;m(S)m—煤气带走的硫量(1t生铁),kg\t;
2、进入炉渣的FeO量
卩72
m(FeO)za二m(Fe)—矗
-3.675Kg
3、进入炉渣的SiO2量
m(SiO2)za二m(SiO2)km(SiO2)Mm(SiO2)mem(SiO2)jmSiO2l-m(SiQ)t-m(SiO2)ch
=1742.7760.10261500.091750.11180.48313901-0.0320.1294
0.49993.94260.0162-10000.003560/28-300.0861
=208.637(kg)
4、进入炉渣的CaO量
m(CaO)za=m(CaO)km(CaO)jm(CaO)MmQaO)"m(CaO)L-m(CaO)ch-171.25550.7199249.5829-2.49
-219.1(Kg)
5、进入炉渣的MgO量
m(MgO)za=m(MgO)km(MgO)jm(MgO)Mm(MgO)mem(MgO)L-m(MgO)ch
=17427760.0334390(1-0.032)0.12940.0095500
1750.11180.010393.94260.0132-300.0197
=59.523(Kg)
6、进入炉渣的AI2O3量
m(Al2O3)zam(Al2O3)km(Al2O3)jm(Al2Oa)mem(Al2Og)^m(Al2Og)ch
-1742.7760.01559390(1-0.032)0.12940.3409500.03
1750.11180.358293.94260.0132-300.0261-52..788(Kg)
7、进入炉渣的MnO量
m(MnO)za=QKMnO
=1742.7760.009920.3=5.186(kg)
所以,炉渣成分与数量如表2-13。
表2-13炉渣成分与数量
化学成分
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
MnO
FeO
S
合计
CaO/
SiO2
CaO+MgO/SiO2
质量/kg[
208/.637
52.788
219.1
59.523
5.171
3.675
4.5876
552.8816
1.05
1.336
质量分数
/%
37.70
9.54
39.59
10.76
0.93
0.66
0.83
100.00
2.3.4最终生铁成分计算
1、生铁含P量的计算
m(P)km(P)jmPmem(P)L-m(P)ch
62
142
1000
1742.7760.04032390(1-0.032)0.12940.0037
1000
1750.11180.003——93.94260.00014-300.0004
142
0.0812%
式中:
w[P]t—生铁含P量,%;
m[P]k—矿石带入的磷量(1t生铁),kg\t;m[P]j—焦炭带入的磷量(1t生铁),kg\t;m(Pme—煤粉带入的磷量(1t生铁),kg\t;m[P]L—溶剂带入的磷量(1t生铁),kg\t;m[P]ch—炉尘带出的量(1t生铁),kg\t。
2、生铁含S量的计算
w[S]t二m(S)t100%
1000
0.030%
3、生铁含Si量为0.35%
4、生铁含Mn量的计算。
=5.186
550.7100%
Xx
710.31000
=0.937%
5、生铁含Fe量为94.99%
6、生铁含C的计算。
w[C]t=100%-w[P]t-WS]t-w[Mn]t-WSi]t-w[Fe]t
=(100-0.081-0.03-0.35-0.937-94.99)%
3.612%
所以,生铁的最终成分如表2-14。
表2-14生铁的最终成分
成分
Si
Mn
P
C
Fe
S
质量分数/%
0.35
0.937
0.0812
3.612
94.99
0.03
100
2.4物料平衡
高炉物料平衡计算包括风量计算、煤气量计算以及编制物料平衡表。
通过它可以进一步了
解高炉反应过程的各种变化和检查有关计算(配料计算、风量和煤气量计算)的正确性,同时也
可以检查称量工作及其他工作的情况。
2.4.1根据C的平衡计算风量
1、风口前燃烧的总C量炉料带入的C量:
m(C)Lu=m(C)jm(C)memCm
=3901-0.0320.85021750.7649500.03=45.41(kg)
式中:
m(C)Lu—炉料带入的C量(1t生铁),kg\t;m(C)j—焦炭带入的C量(1t生铁),kg\t;m(C)me—煤粉带入的C量(1t生铁),kg\t;m(C)M—碎铁带入的C量(1t生铁),kg\t;消耗的铁量:
(1)生成甲烷的C量:
C2H2二CH4
m(C)cH4珂m(C)jm(C)me]1%=455.5460.01=4.555(kg)
(2)溶于生铁中的C量:
m(C)t=w[C]t1000=3.612%1000=36.12(kg)
(3)还原Mn消耗的C量:
MnOC=MnCO
m(C)Mn=wMn]100012/55=2.04kg)
(4)还原Si消耗的C量:
SQ2C=Si2CO
m(C)s=3.524/28=3.0(kg)
(5)还原Fe消耗的C量:
FeOC=FeCO
12
m(C)Fe=(949.9-500.85)0.4=77.777(kg)
56
(6)还原P消耗的C量:
F2O55C=2P5CO
m(C)p=0.0812%100060/62=0.786(kg)
根据以上计算,得出直接还原消耗的C量为:
mCd=m(C)MnmCsimCFemCp
=2.044377.7770.786
二83.604(Kg)
式中:
m(C)Mn还原Mn所消耗的C量;
m(C)s――还原Si所消耗的C量;m(C)Fe――还原Fe所消耗的C量;m(C)p――还原P所消耗的C量。
风口前燃烧的C量为:
m(C)fm(C)Lu-m(C)d-m(C)ch4-m(C)t-m(C)ch
=456.415-83.604-4.555-36.12-300.1764
=326.844Kg
式中:
m(C)Lu――炉料带入的C量;
m(C)d――直接还原消耗的C量;
m(C)CH4――生成甲烷的C量;m(C)t――溶于生铁的C量;m(C)ch——炉尘带走的C量(1t生铁),kg\t。
2.4.2风量的计算
鼓风中氧的浓度:
No?
=0.21(1-)0.5
=0.21(1-0.015)0.50.015
=0.2144
式中:
No?
—鼓风中氧的浓度;
—鼓风中水分。
风口前碳燃烧时需氧量:
2C02二
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