攀枝花学院课程设计（论文）1000 m3高炉炼铁物料平衡计算
摘要
通过高炉物料计算确定单位生铁所需要的矿石、焦炭、石灰石和喷吹物等数量，这是制定高炉操作制度和生产经营所不可缺少的参数。而在此基础上进行的高炉物料平衡计算，则要确定单位生铁的全部物质收入与支出，即计算单位生铁鼓风数量与全部产品数量，试物料收入与支出平衡。这种计算为工厂的总体设计、设备容量与运输力的确定及制定生产管理与经营制度提供科学依据，是高炉余各种附属设备的设计及高炉正常运转的各种工作所不可缺少的参数。
高炉物料平衡的计算有两种方法：一般物料平衡计算法与现场物料平衡计算法。两种物料平衡均为热平衡的基础，以物质不灭定律为依据。物料平衡计算是炼铁工艺计算中的重要组成部分，它是在配料计算的基础上进行的。物料平衡计算包括鼓风量、煤气量以及物料收支总量等项内容的计算。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。校验高炉冷风流量，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的下基础。
关键词现场物料平衡，鼓风量，煤气量，物料收支总量，
1 前言（引言）
1.1物料平衡计算的准备
进行物料衡算应具备以下资料：各种物料的全分析成分，各种物料的实际用量；生铁成分、炉渣成分和数量；鼓风含氧量及鼓风湿度等。
1.2高炉物料平衡计算的内容
1.2.1高炉物料平衡的计算有两种方法与依据
一般由一般物料平衡计算法与现场物料平衡计算法组成。两种物料平衡均为热平衡的基础，以物质不灭定律为依据。1.2.2物料平衡计算组成部分
物料平衡计算是炼铁工艺计算中的重要组成部分，它是在配料计算的基础上进行的。物料平衡计算包括鼓风量、煤气量以及物料收支总量等项内容的计算。
1.2.3一般物料平衡计算
该法用于高炉配料什算和设计阶段的工艺什算，是在假定铁的直接还原度和氢利用率等前提下，用来检查煤气成分及风量和煤气量的计算是否正确。计算步骤主要是由碳氧平衡算出
入炉风量，然后计算出煤气各纽成，总量和成分含量，最终列出物料平衡表。渣量计算方法参照本文配料联合计算中炉渣成分和渣量的计算。这里直接给定了渣量。另外，原料常规分析中有SiO2、CaO、MgO、和Al2O3，物料平衡没有用到的化学成分均没有列出［3］。
1.2.4 现场物料平衡计算
现场用实际的生产数据作物料平衡，用来检查和校核入炉物料和产品称量的准确性，计算生产中无法计量的渣量和炉顶煤气量，实际的入炉风量，算出各种还原度和利用卒，如铁的直接还原度、Co利用率、氢利用率和风口燃烧碳率等，便于技术经济分析［3］。
还可用实际生产数据（包括原、燃料耗量、生铁成分、炉渣成分、渣量、炉尘量及成分等）作为计算基础，用来检查、校核入炉物料和产品计量的准确性，计算风量和煤气量，算出各种如铁的直接还原度、氢的利用率等有关参数，便于技术经济分析［5］.
1.3计算分析
计算分析的可靠性在于计算方法的科学性，原始资料的准确程
度，在生产中产生误差最大的是原燃料的成分分析和实际产量与统计产量的差别，由于我国以前分析和计量技术相对薄弱，造成的误差较大，常将进入生铁元素平衡计算用作原燃料单耗的验算，例如以铁平衡验算矿石消耗量等，然后再以验算后校正的消耗量作为平衡计算的依据［3］。
2物料平衡计算的准备
2.1 原料条件
除了在配料计算中所用的全部原始条件和每吨生铁的各种原料消耗量以外，还需要以下补充条件：
2.1.1原料条件
根据冶炼条件，按经验选定铁的直接还原度，表2-1列出在全焦冶炼时不同冶炼条件下r d值的大致范围[4]。喷吹燃料（尤其喷油）后，由于H2的还原作用的增强，r d =有所降低。
表2.1 不同冶炼条件下的rd值
2.1.2按当地湿度条件或鼓风加湿情况确定鼓风湿度。
2.2计算中应该注意的事项
物料平衡计算过程中，以每吨铁为计算单位。各种物料组成的重量，基本上取千克摩尔重量的近似值，如Fe、FeO、Mn 和CO，分别取56．72、55和44。
各种物料的化学成分表示方法如下：除了C k表示焦炭的碳含量（）表示生铁中各元素的含量，［］表示炉渣各组成的含量，以及煤气中各成分的含量无角标以外，一律用（）加角标来表示。
计算单位为kgkg或m3m3
各种物料的数量表示方法如下：除了P表示生铁，K表示焦炭以外，一般用G或无括号的化学符号表示重量，V表示体积，角标注明物料的简称；右上角有“”的表示物料平衡中要采用的数据。单位用kg或m3表示。
2.3收集原始数据
利用配料计算的原始条件和计算结果，并设生成甲烷的碳量占总碳量的0.8％（一般为0～5％，喷吹煤粉时可达1％）。各种原料的全分析。对现场化学成分分析数据，应将总和调整为100％，并删去不合理数据［6］。
3高炉物料平衡计算中理论计算
3.1 鼓风量计算
对于炼铁设计，作物料平衡计算时，应首先计算每吨生铁的鼓风量。每吨生铁的鼓风量用V b （m 3，一般均为标准立方米）
表示，它是由风口前燃烧碳量与鼓风含氧量计算的［1］。
3.1.1风口前燃烧碳量C b 的计算
图3-1［4］
3.1.1.1由碳素平衡图（图3-1）［4］可知
C b =C o -C da-C dFe （kgt ，下同）
（3-1）
式中 C o ——氧化碳量，kgt ；
C da ——合金元素还原耗碳，kgt ；
C dFe ——铁的直接还原耗碳，kgt 。
要计算风口前燃烧碳量C b ，则需先计算式中其他各项碳量。
3.1.1.2氧化碳量CO 计算
[]4
10K M CH K C M C C C =?+?-- （3-2）
式中，Cc 为生铁渗碳量，由生铁成分计算；CCH4为生成CH 4
碳量，按燃料带入碳量C f 的0.5%～1.2%取值计算；在作炼铁设
计时，选定的焦比K 是参加炉内冶炼过程的实际数值，进入炉尘的碳量不包括在内。
3.1.1.3合金元素还原耗碳C da 的计算
()32
/)(1244/12102/60][48/24][62/60][55/12][28/24][102S U CO V Ti P Mn Si C da ??+??Φ?+?+?+?+?+??=Φα （3-3）
式中 ［Si ］，［Mn ］，［P ］，［Ti ］，［V ］——生铁中相应元素含量，%；
Φ ——每吨生铁的石灰石用量，kg ； CO 2——石灰石中CO 2含量；
——石灰石在高温区分解率，通常取α = 0.5；
U —— 每吨生铁的渣量，kg ；
（S ）——渣中硫含量。
如果生铁中还含有其他直接还原的合金元素，那么应在C da 式中加上所消耗的化学当量的碳。
3.1.1.4铁直接还原耗碳C dFe 的计算
C dFe =12×Fe.r ×r d 56 （3-4）
式中，Fe.r 为冶炼每吨生铁的还原铁量，kg 。如果高炉冶炼不加废铁，Fe.r=10 [Fe]；如果加入废铁，则Fe.r=10 [Fe] – Fe 料，其中Fe 料为废铁用量，kgt 。废铁已属金属铁，在高炉内不
需还原。
由上面各式可以看出，风口前燃烧的碳量主要取决于燃料比和直接还原度，一般C b 约占入炉碳量的70%~80%。
3.1.2鼓风量的V b 计算
根据风口前碳素燃烧反应2C + O 2 = 2CO ，由燃烧碳量（C b ）及鼓风的含氧量（O 2b ），可以计算出1t 生铁的鼓风量 2222.40.933/24b b b b b
C V C O O ?=
=?? （m 3t ） （3-5）
式中，0.933为燃烧1kg 碳素所需要的氧量（m 3），在工艺计算中这是个常用的数据。鼓风含氧量可按下式计算：
O 2b =0.21+0.29×+(a －0.21)×W (3-6)
式中 ——鼓风湿度，用体积小数表示；
W ——1 m 3鼓风中兑入的富氧气体量，m 3；
a ——富氧气体氧的纯度。
“(a －0.21)×W 就是所谓的富氧率”。
当高炉喷吹燃料时，由于煤粉中常含有少量有机物氧素及水分，在风口区热分解，分解出的氧亦能燃烧碳素。因此，在精确计算时不能忽略这部分氧的影响，这时鼓风量应按下式计算
（3-7）
式中，O 喷为冶炼每吨生铁由煤粉带入的氧量（m 3），它的计算是
()222.416/18/32M M O M O H O =?+?喷 （3-8）
式中，O M 为煤粉中含氧量；H 2O M 为煤粉水分含量。
3.1.3鼓风质量G b 的计算
过去多以物料重量进行物料衡算，列物料平衡表，这不符合现行规范，应予以改正。每吨生铁的鼓风质量应为
（kg ） （3-9） 式中，P b
为标准状况下的鼓风密度（kgm 3），它要由鼓风成分及其分子量去计算。
3.2煤气量计算
组成炉顶煤气的有CO 2、CO 、N 2、H 2、CH 4五种组分，要计算
冶炼每吨生铁的高炉煤气量，就需要明确这些组分的来源及其数量的计算。
3.2.1煤气级成数量的计算
1）CH 4
CH 4的来源有二：一是焦炭挥发分中含有CH 4，它和挥发分中
其他成分一样，在高炉上部析出进入煤气（不要计入煤粉的CH 4）；另一是由高炉中碳素同煤气中氢化合生成。这后部分CH 4数量按
生成CH 4的碳量计算（现在也有认为没有碳素生成CH 4的）。因此，
每吨生铁煤气中CH 4量的计算是：
44422.4/1622.4/12CH CH V K CH C =?+ （m 3t ）
（3-10）
式中 CH 4——焦炭中CH 4的含量。
2)H 2
高炉中氢的来源有：
①燃料带入的，其中包括焦炭挥发分和有机物中的氢（可按焦炭氢元素分析计算）、喷吹燃料的氢和所含水分中的氢；
②高炉鼓风湿分带入的，它在风口前分解出氢；
③如果天然矿含有结晶水，结晶水在高炉中部（大于500℃区域）也要分解出氢。由于现在高炉熟料比较高，天然矿中结晶水含量又不多，计算时这部分氢量可不考虑。
高炉中氢的去向为：
①参加还原，约有30%～40%的氢量参加还原，这部分氢量称为“还原氢（H 2r ）”。还原氢中的绝大部分（90% ～ 100%）在
高炉高温区代替碳还原浮士体，其余的还原Fe 3O 4；
②与碳反应生成CH 4；
③其余部分进入炉顶煤气。
炉顶煤气中H 2量按下式计算
V H2=H 2－H 2r －H 2CH4（m 3t ）
或者 ()22
2241H H CH V H H η=?--∑ （3-11）
这里H 2为入炉的总氢量（m 3t ），其计算是
(){}222222.42/18/2b K M M H V K H M H H O ?=?+??+?+?∑ （3-12）
式中
H 2K ——焦炭中H 2的含量；
H 2M ，H 2O M ——煤粉中H 2及H 2O 的含量；
——氢利用率。
生成CH 4的氢量是：44
2222.4/12CH CH H C =?? （3-13） 3)CO 2
CO 2的来源有：
①高炉里间接还原产生的，这是其主要部分。矿石中的铁、锰高级氧化物的还原都是间接还原，而FeO 则有部分被CO 还原，它们的产物是CO 2；
②炉料带入的，这里面包括焦炭挥发分中的CO 2、矿石烧损
项的CO 2，以及熔剂（石灰石、白云石）带入的CO 2。对于石灰
石，因其分解温度高，有部分要在高温区分解，分解出CO 2的要同C 反应生成CO ，计算CO 2数量时，这部分不应计入。
炉顶煤气中，CO 2数量的算式是：
()22222.4/44CO V CO CO =+还料 （m 3t ）
（3-14）
式中 ——由还原产生的CO 2量，kgt ；
——由炉料带入的CO 2量，kgt 。
它们的计算是
()()()
2232244/160/87.144/56A A d i H CO A Fe O A MnO Fe r r r =?+?+?--?还
()22221A K CO A CO K CO CO αΦ=?+?+Φ??-料 式中 ，，——矿石中相应成分含量；
，——分别为熔剂、焦炭中CO 2含量； ——石灰石在高温区的分解率。
这里是按全部还原氢量都参与浮士体的还原考虑的的，因此矿石中的Fe 2O 3就都由CO 还原到浮士体。氢还原度计算如下：
（3-17）
4）CO
CO 的来源有：
①燃料中碳素在风口前燃烧生成的；
②还原产生的，其中包括FeO 被C 直接还原和生铁中Si 、Mn 、P 、Ti 、V 等合金元素的还原产生的，还有石灰石在高温区分解出的CO 2参与溶损反应及炉渣脱硫产生的CO ；
③焦炭挥发分带入的CO 。
高炉煤气在炉内上升过程中有部分CO 参加间接还原转变成CO 2，其余以CO 进入煤气。炉顶煤气中CO 数量的计算是：
22.4/1222.4./56CO b d V C Fe r r =?+??
[][][][][]{}102
/548/262/555/28/2104.22?+?+?++???+V Ti P Mn Si
()222.4/32222.4/44U S CO ?α+??+??Φ??
222.4/2822.4/44
K K CO CO +??-?还（m 3t ）
（3-18）
或者
{}2222.4/12./56/12/44/2822.4/44CO b d da K V C Fer r C CO K CO CO ?α=?+?++Φ??+?-?还 这里应明确，石灰石在高温区分解出的CO 2，要被C 还原成CO
（CO 2+C=2CO ），一个要CO 2变成两个CO ，其中一份包括在式4-16’
中的C da 项内，另一份则是该式的第四项。
5）N 2
炉顶煤气中N 2主要是由鼓风带入的，焦炭和煤粉也带入一
些，不应遗漏。
()222222.4/28N b b K M V V N K N M N =?+??+? （m 3t ） （3-20）
式中 ，——分别为焦炭、煤粉中氮的元素含量；
——鼓风中氮的含量，不富氧时按下式计算
如果属富氧鼓风，则应为：()()20.7910.21b N W ?α=?---? （3-21）
3.3 煤气中水蒸气量的计算
炉顶煤气中的水蒸气由氢还原产生和炉料带入两部分构成，每吨生铁的水蒸气量是：
()22221810.0222.41K H O K H O G H r K H O =?+??+- （kg ）
（3-21）
式中，H2OK 为焦炭游离水含量，这里把焦比扩大了2%，是考虑了焦炭的机械损失（炉尘）。K 为吨铁干焦量，湿焦应为K （1—H2OK ）。还应注意，如果熔剂、矿石（生矿）也带入了物理水，应在式3-1内加入。