第二章物料平衡及热平衡计算
1原始条件
1.1 原燃料条件
原燃料是高炉冶炼的基础。
为了使高炉实现高产、优质、低耗、低成本，就必须实行精料方针。
精料是多快好省地发展冶金工业的重要技术政策。
精料的主要措施有：提高铁矿石含铁量，增加自熔性烧结矿和球团矿使用率，缩小粒度、筛选粉矿，减少成分波动，以及提高原、燃料强度等。
炼铁所需原料包括铁矿石（天然铁矿石、烧结矿和球团矿）、锰矿石、熔剂及辅助原料等。
原料条件见表1，高炉使用的主要燃料是焦炭。
高炉喷吹用的燃料有重油、煤、天然煤气等。
计算原始数据如下：
表1-1 烧结矿化学成分（%）
试样TFe FeO CaO MgO SiO2Al2O3S Mn P 烧损
烧结矿57.75 7.03 8.46 3.02 4.64 1.53 0.019 0.10 0.06
球团矿64.72 0.25 0.32 0.82 10.01 1.64 0.007 0.12 0.05
澳矿65.80 2.57 0.21 0.11 2.04 1.04 0.006 0.07 0.02 2.46
石灰石 1.35 51.21 0.84 0.82 0.85
炉尘39.79 10.67 5.83 4.03 6.15 1.05 0.12 0.07 0.13 C=24.87 焦碳灰分 4.35 3.62 1.01 51.89 38.01
煤灰分 2.23 3.88 1.31 58.48 31.42
表1-2 燃料工业分析（一）
种类FCd Ad Vd Std H2O
焦碳85.85 12.76 1.39 0.69 4.12
煤粉72.63 10.93 12.44 0.47
表1-3 燃料工业分析（二）
挥发分CO2CO CH4H2N2O2∑
焦碳23.02 22.45 3.88 20.29 30.36 100
煤粉 3.69 13.42 6.89 43.17 14.74 18.09 100
表1-4 预定铁水成分（%） Fe
Si
Mn
S
P
C
94.516 0.48 0.03 0.026 0.098 4.85
另：烧结矿：球团矿：澳矿=70：10：20
1.2主要技术经济指标
1. 高炉有效容积利用系数(V η)：
高炉有效容积利用系数即每昼夜生铁的产量与高炉有效容积之比，即每昼夜1m³有效容积的生铁产量。
可用下式表示： 有
V P
v =
η 式中 v η---高炉有效容积利用系数，吨铁/米3·昼夜
P ---高炉每昼夜的生铁产量，吨铁/昼夜 有V ---高炉有效容积，米3
V η是高炉冶炼的一个重要指标，本设计v η =2.0 d m t ⋅3/。
2. 焦比（K ）：
焦比即每昼夜焦炭消耗量与每昼夜生铁产量之比，即冶炼每吨生铁消耗焦量。
可用下式表示： P
Q K K
=
式中 K ---高炉焦比，千克/吨铁
P ---高炉每昼夜的生铁产量，吨铁/昼夜
K Q ---高炉每昼夜消耗焦炭量，千克/昼夜
焦比可根据设计采用的原燃料、风温、设备、操作等条件与实际生产情况进行全面分析比较和计算确定。
当高炉采用喷吹燃料时，计算叫必须考虑喷吹物的焦炭置换量。
本设计的焦比为360 t Kg / 。
3. 煤比（Y ）：
冶炼每吨生铁消耗的煤粉为煤比。
本设计煤比为150 t Kg / 。
4. 冶炼强度（I ）和燃烧强度（i ）：
高炉冶炼强度是每昼夜13m 有效容积燃烧的焦炭量,即高炉每昼夜焦炭消耗量与有V 的比值,本设计I =0.95 d m t ⋅3/。
燃烧强度既每小时每2m 炉缸截面积所燃烧的焦炭数量。
本设计 i =1.10 d m t ⋅3/ 。
5. 炉尘重量：20kg 6. 鼓风湿度：1.5% 7. 炉渣碱度：R=1.1 8. 还原度：rd=0.45
2 工艺计算
2.1 配料计算
2.1.1 原燃料成分的整理
试样TFe Fe2O3 FeO P Mn SiO2 Al2O3 CaO MgO MnO2MnO P2O5 S/2 烧损∑烧结矿57.7574.697.030.060.1 4.64 1.538.46 3.02
0.130.140.0199.65校核57.9574.957.05 4.66 1.548.49 3.030.130.140.01100球团矿64.7292.180.250.050.1210.04 1.640.320.82
0.150.110.0035105.51校核61.3487.370.249.52 1.550.30.77
0.14
0.10.004100澳矿65.891.14 2.570.02
0.07 2.04 1.040.210.110.11
0.05 2.4699.74校核65.9791.38 2.58 2.04 1.040.210.110.110.05 2.47100
石灰石 1.35 1.930.820.8551.210.8441.1696.81校核 1.39 1.99
0.850.8852.90.8742.52100
炉尘39.7944.9910.670.13
0.07 6.15 1.05 5.83 4.03
0.090.30.0698.04校核40.5915.8910.88 6.27 1.07 5.95 4.110.090.310.06100复合矿
59.4978.66 5.7
4.75 1.47 6.43 2.37
0.130.120.010.37100
表2-1 烧结矿化学成分及其校核（%） S i O 2
Al 2O 3CaO MgO FeO TFe 焦灰分52.8938.01 3.62 1.01 5.47 4.35煤灰分58.4831.42 3.88 1.31 4.91 2.33表2-2
灰分成分
2.1.2 预定铁水成分(%)
Fe Si Mn S P C 94.5160.480.030.0260.098 4.85表2-3 预定生铁成分
2.1.3 原燃料的消耗
设生产每吨生铁所用的复合矿和石灰石分别为X 、Y t Kg /铁，其中:焦比360t Kg /，煤比150t Kg /，鼓风湿度1.5%，直接还原度d γ=0.45，炉尘发生量20t Kg /，炉渣碱度1.1。
根据全Fe 平衡方程得：
Fe 铁+ Fe 渣＝ Fe 矿+Fe 焦+ Fe 煤+ Fe 熔剂- Fe 尘 945.16＋945.16×
＋20×0.4059＝0.5949X ＋
360×0.1276×0.0435＋150×0.1093×0.0233 + 0.0139Y 根据碱度的平衡：
CaO 矿+ CaO 焦+ CaO 煤+CaO 熔剂- CaO 尘
R ＝————————————————————— SiO 2矿+ SiO 2焦+ SiO 2 煤+ SiO 2熔剂- SiO 2尘- SiO 2还
联立两式得：X=1634.61kg/t Y=6.87kg/t
则，烧结矿1225.96kg/t ，球团矿163.46kg/t ，澳矿245.19kg/t
2.1.4 渣量及炉渣成分的计算
1) CaO 量：G CaO 渣=CaO 矿+CaO 焦+CaO 煤+CaO 熔剂－CaO 尘 =0.0643×1570.45+0.5290×7.59+360×0.1276×0.0362
+150×0.1093×0.0388－20×0.0595
=109.85kg
2) SiO 2量：G SiO2量=SiO 2矿+SiO 2熔剂+SiO 2焦+SiO 2煤－SiO 2尘－SiO 2还
=0.0475×1570.45+0.0085×7.59+360×0.1276×0.5289+150×0.1093×0.5848－20×0.0627－4.8×
=99.59kg
3) FeO 量：G FeO 渣= Fe 渣 × = 945.16 × × =3.66kg
1.128
60
8.40627.0205848.01093.00518925.01276.03600085
.00475.00595.020388.01093.00150362.01276.0360529.00643.0=⨯-⨯-⨯⨯+⨯⨯++⨯-⨯⨯+⨯⨯++Y X Y X 28
60997.0003
.05672
4) MgO 量：G MgO 渣=MgO 矿+MgO 熔剂+MgO 焦+MgO 煤－MgO 尘
=1643.61×0.0237+6.87×0.0087+360×0.1276×0.0101+150×0.10
93×0.0131－20×0.0411
=38.66kg
5) Al 2O 3量：G Al2O3渣=Al 2O 3矿+Al 2O 3熔剂+Al 2O 3焦+Al 2O 3煤－Al 2O 3尘
=1643.61×0.0147+6.87×0.0088+360×0.1276×0.3801+150×
0.1093×0.3142－20×0.0107
=46.49kg
6) MnO 量：G MnO 渣=0.5×(MnO 矿－MnO 尘)=(1643.61×0.0013－20×0.0009)×0.5 =1.05kg 7) 炉渣S 含量
进入高炉的S ：S 矿+S 焦+S 煤=0.000187×1643.61+360×0.0069+150×0.0047=3.52kg 进入炉尘的S ：20×0.0012=0.02kg 进入煤气的S ：3.52×0.05=0.176kg 进入生铁的S ：0.26kg
进入炉渣的S ：G S 渣=3.52－0.02－0.176－0.26 =3.064kg 计算结果如下
表2-4 炉渣成分
CaO SiO 2 FeO MgO Al 2O 3 MnO S/2 Σ
重量(kg/t) 109.85 99.59 3.66 38.66 46.49 1.05 1.532 300.83 配比(%) 36.52 33.19 1.22 12.85 15.45 0.35 0.51 100
2.1.5生铁成分的校对
需要矫正的：[Mn]=1.05× × =0.082
[P]=(1634.61×0.0012－20×0.0031)× × =0.083 则 [C]=100－94.516－0.48－0.026－0.082－0.083=4.81 不需矫正的：[S]=0.026% [Si]=0.48% [Fe]=94.516%
表2-5 生铁成分表(%)
P S Mn Fe C Si 重量%
0.098
0.026
0.03
94.516
485
0.48
142621000
10071551000
100
2.2 物料平衡 2.2.1 风量的计算
C 燃=C 焦+C 煤-C 直－C 生铁－C CH4－C 尘
=360×0.8585+150×0.7663－1000×4.758%－0.7%(360×0.8585+150×0.7663)－
20×0.2537－[0.82× +4.8× +0.83× +945.16× ×0.45]
=277.54kg
鼓风含氧V O2= 277.54×22.4/24=259.04m 3
O 2=0.21×(1－f)+0.5f =0.21×(1－0.015)+0.5×0.015=0.2144 则V 风=259.04/0.2144=1208.21 m 3 G 风=V 风×γ空气=1208.21×1.29=1558.59kg
2.2.2 炉顶煤气成分的计算
1) H 2
风口燃烧：2H V =V 风×0.015=1208.21×0.015 =18.12 m 3
焦炭和煤粉的挥发：V H2=(360×0.0139×0.2029+150×0.1244×0.4317)× =101.59m 3 生成CH 4: V H2=(360×0.8585+150×0.7663)×0.7%× ×2 =11.08 m 3
参加还原（参加还原的氢量为总量的40%） V H2=（18.12+101.59）×40%=47.88 m 3
煤气中的H 2量：V H2=18.12+101.59－11.08－47.88=60.75 m 3 2) CO 2
Fe 2O 3+2CO →2FeO+2CO 2
Fe 2O 3 →Fe 3O 4 →FeO ：V CO2=(1634.61×0.7866+6.87×0.0199)× =180.03m 3
FeO →Fe ：V CO2=945.16× ×(1－0.45－0.127) =160.08m 3 FeO + H 2=Fe+H 2O 72 22.4
γH2× ×72 47.88 求得γH2=0.095 ∴V CO2= =945.86× ×(1－0.45－0.095)=172.14 m 3 熔剂CaCO 3 →CaO ：V CO2=6.87×0.4252× =1.49m 3 焦中：V CO2=360×0.0139×0.2302× =0.59m 3
55
12282462605612
2
22.412
22.416022.4
56
22.456
945.8644
22.44422.4
44
22.456
22.4
煤中：V CO2=150×0.1244×0.0369× =0.35 m 3
进入煤气中的CO 2量: V CO2=180.03+160.08+1.49+0.59+0.35=342.19 m 3 3) CO
直接还原：V CO =C
直
× =[0.78× +4.8× +0.8× +945.16× ×0.45]×
=96.26× =179.69 m 3
风口燃烧生成：V CO =277.54× =518.07 m 3
焦中：V CO =360×0.0139×0.2245× =0.9 m 3
煤中：V CO =150×0.1244×0.1342× =2.00 m 3
间接还原量：V CO =180.03+160.08=340.11 m 3
进入煤气CO 量: V CO =179.69+518.07+0.9+2.00－340.11=358.56 m 3 4) N 2
鼓风带入：V N2=V 风(1－0.015)×0.79=1208.21×(1－0.015)×0.79=931.6 m 3
焦炭和煤粉的挥发分：V N2=（360×0.0139×0.3036+150×0.1244×0.1474）× =3.38 m 3
进入煤气中的N 2量: V N2=931.6+3.38=934.98 m 3 5) CH 4
风口燃烧：V CH4=(360×0.8585+150×0.7663)×0.7%× =5.54 m 3
焦中：V CH4=360×0.0139×0.0388× =0.27 m 3
煤中：V CH4=150×0.1244×0.0689× =1.79 m 3
进入煤气的CH 4量：V CH4=5.54+0.27+1.79=5.81 m 3
表2-6 炉顶煤气成分表
品种 CO 2 CO N 2 H 2 CH 4 Σ V/ m 342.19 358.56 934.98 60.75 5.81 1702.29 % 20.10 21.07 54.93 3.56 0.34 100.00
煤气重度： g =0.2010×44+0.21×28+0.5493×28+0.0356×2+0.0038×16/22.4
=1.35kg/ m 3
G 煤气=1702.14×1.35= 2297.9 kg
551228246260561212
22.412
22.412
22.42822.4
28
22.428
22.41222.4
1622.4
16
22.4
1222.4
2.2.3 物料平衡表的编制
2.3 热平衡计算
2.3.1 热收入的计算
1)碳的氧化放热（1 m3 CO放热5241.72KJ；1 m3 CO2放热17869.50KJ）
Q=(358.56－0.9)×5241.72+(180.03+160.08)×17869.50=7952349.22KJ
2)热风带入热量（1100o C，98%带入能量，2%喷煤粉）
Q=(V风×Cp风+V H2O×Cp H2O) ×t风
=[1208.21×98%x(1－1.5%)×1.4233+1208.21×1.5%×1.7393]×1100=2010554.65KJ 3)H2氧化放热（1 m3 H2氧化放热10788.58KJ）
Q=47.88×10788.58=515909.9KJ
4)成渣热（熔剂）CaO、MgO（1kg放热1128.60KJ）
Q=(0.5290+0.0087)×6.87×1128.60=4169.05KJ
5)炉料的物理热（25℃炉料热容为0.6897KJ/o C·kg）
Q=1634.61×(25－0)×0.6897=28184.76KJ
总的热收入为：
Q总=7952349.22+2010554.65+515909.9+4169.05+28184.76=10511167.58KJ
2.3.2 热支出的计算
1) 氧化物分解放热
①20％ 以2FeO·SiO 2存在 , 80％ 以Fe 3O 4形式存在. 以2FeO·SiO 2 状态存在：
FeO=1225.96×0.0705×0.2＋360×0.1276×0.0547＋150×0.1093×0.049=20.60Kg 以Fe 3O 4 状态存在：
FeO=1225.96×0.0705×0.8＋163.46×0.0024245.19×0.0258=75.86KJ Fe 2O 3＝75.86× =168.58kg Fe 3O 4= 75.86+168.58＝244.44kg 游离状态：
Fe 2O 3＝0.7866×1634.61＋6.87×0.0199－168.58=1117.34kg 查表得，分解1kg2FeO·SiO 2 消耗耗热量 4068.52KJ ； 分解1kgFe 3O 4消耗耗热量4791.78KJ ； 分解1kg Fe 2O 3消耗耗热量5544.28KJ 。
Q ＝20.60×4068.52＋244.44×4791.78＋1117.34.×5544.28=7449960.03KJ ②Mn 、Si 、P 的分解
分解1kgMn 消耗耗热量7350.53KJ ， 分解1kgSi 消耗耗热量31028.14KJ ， 分解1kgP 消耗耗热量35697.20KJ 。
Q ＝4.8×31028.14＋0.82×7350.53＋0.83×35697.20=185662.1KJ 氧化物分解Q 总=7449960.03＋185662.1=7635622.13KJ 2) 脱硫吸热
CaO 脱除1kgS 耗热5392.2KJ/Kg ；MgO 脱除1kgS 耗热 8025.6 KJ/Kg ； MnO 脱除1kgS 耗热6249.1 KJ/Kg ；FeO 脱除1kgS 耗热5496.7 KJ/Kg 这几项的平均值为：6290.9 KJ/Kg Q ＝3.064×6290.9＝20319.61KJ 3) 碳酸盐的分解吸热
主要考虑熔剂中的CaCO 3和MgCO 3，1kg CaCO 3和MgCO 3分解时吸热分别为4037.88KJ 和2482.9KJ 。
Q ＝6.87×0.5290×4037.88＋6.87×0.0087×2482.9=14822.99KJ 4) 水的分解热
水由鼓风带入，1 m 3水分解耗热10788.58KJ Q ＝1208.21×0.015×10788.58＝193741.32KJ
72
160
5) 喷吹煤粉分解吸热（1kg 煤粉分解时耗热836KJ ） Q ＝150×836＝125400KJ 6) 游离态的水蒸发吸热 游离态的水来自于焦炭中。
已知：液态水从0o C 升温到100o C 吸收热量为100千卡，
液态水从100o C 到100o C 蒸气吸收热量为540千卡。
∴液态水从0o C 到100o C 水蒸气吸收热量为640千卡。
640千卡=640×4.18KJ=2675.2KJ Q ＝360×0.0412×2675.2＝39678.57KJ
7) 铁水带走的热量（1kg 铁水带走的热量为1237.28KJ ） Q ＝1000×1237.28＝1237280KJ
8) 炉渣带走的热量（1kg 炉渣带走的热量为1851.74KJ ） Q ＝300.83×1851.74＝557058.9KJ 9) 煤气带走的热量 干煤气带走热量
Q =1702.29×1.407×200＝478985.8KJ
煤气中的水分带走热量（煤气中水分热容为1.5086 KJ/ o C·kg ）
Q =（360×0.0412× ）×(200－100)×1.5086＋47.88×(200－0)×1.5086=17212.76KJ
炉尘带走的热量(炉尘热容为0.838 KJ/ o C·kg) Q ＝20×0.838×200＝3352KJ 煤气带走热量
Q =478985.8＋17212.76＋3352=499550.56KJ 则总的热支出为
Q 总=7635622.13+20319.61+14822.99+193741.32+125400+39648.57+1237280
+557058.9+499550.56 =10323474.03KJ
热损失为：10511167.58－10323474.03=187709.5KJ
2.3.3 热平衡表的编制
由以上计算结果，可将热量平衡数据列表如下：
18
22.4
表2-8 热平衡编制表
热量利用系数K T
K T=总热量收入—（煤气带走的热+热损失）
=100%—（4.75%+1.79%）=93.46%。
