1.1概述

組建煉鐵車間（廠）或新建高爐，都必須依據(jù)產(chǎn)量以及原料和燃料條件作為高爐冶煉綜合計(jì)算包括配料計(jì)算、物料平衡計(jì)算和熱平衡計(jì)算。從計(jì)算中得到原料、燃料消耗量及鼓風(fēng)消耗量等，得到冶煉主要產(chǎn)品（除生鐵以外）煤氣及爐渣產(chǎn)生量等基本參數(shù)。以這些參數(shù)為基礎(chǔ)作煉鐵車間（廠）或高爐設(shè)計(jì)。

計(jì)算之前，首先必須確定主要工藝技術(shù)參數(shù)。對(duì)于一種新的工業(yè)生產(chǎn)裝置，應(yīng)通過實(shí)驗(yàn)室研究、半工業(yè)性試驗(yàn)、以致于工業(yè)性試驗(yàn)等一系列研究來確定基本工藝技術(shù)參數(shù)。高爐煉鐵工藝已有200余年的歷史，技術(shù)基本成熟，計(jì)算用基本工藝技術(shù)參數(shù)的確定，除特殊礦源應(yīng)作冶煉基礎(chǔ)研究外，一般情況下都是結(jié)合地區(qū)條件、地區(qū)高爐冶煉情況予以分析確定。例如冶煉強(qiáng)度、焦比、有效容積利用系數(shù)等。

計(jì)算用的各種原料、燃料以及輔助材料等必須作工業(yè)全分析，而且將各種成分之總和換算成100％，元素含量和化合物含量要相吻合。

將依據(jù)確定的工藝技術(shù)參數(shù)、原燃料成分計(jì)算出單位產(chǎn)品的原料、燃料以及輔助材料的消耗量，以及主、副產(chǎn)品成分和產(chǎn)量等，供車間設(shè)計(jì)使用。配料計(jì)算也是物料平衡和熱平衡計(jì)算的基礎(chǔ)。 依據(jù)質(zhì)量守恒定律，投入高爐物料的質(zhì)量總和應(yīng)等于高爐排出物料的質(zhì)量總和。物料平衡計(jì)算可以驗(yàn)證配料計(jì)算是否準(zhǔn)確無誤，也是熱平衡計(jì)算的基礎(chǔ)。物料平衡計(jì)算結(jié)果的相對(duì)誤差不應(yīng)大于0.25％。

常用的熱平衡計(jì)算方法有兩種。第一種是根據(jù)熱化學(xué)的蓋斯定律，即按入爐物料的初態(tài)和出爐物料的終態(tài)計(jì)算，而不考慮爐內(nèi)實(shí)際反應(yīng)過程。此法又稱總熱平衡法。它的不足是沒有反應(yīng)出高爐冶煉過程中放熱反應(yīng)和吸熱反應(yīng)所發(fā)生的具體空間位置，這種方法比較簡(jiǎn)便，計(jì)算結(jié)果可以判斷高爐冶煉熱工效果，檢查配料計(jì)算各工藝技術(shù)參數(shù)選取是否合理，它是經(jīng)常采用的一種計(jì)算方法。

第二種是區(qū)域熱平衡法。這種方法以高爐局部區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象，常將高爐下部直接還原區(qū)域進(jìn)行熱平衡計(jì)算，計(jì)算其中熱量的產(chǎn)生和消耗項(xiàng)目，這比較準(zhǔn)確地反應(yīng)高爐下部實(shí)際情況，可判斷爐內(nèi)下部熱量利用情況，以便采取相應(yīng)的技術(shù)措施。該計(jì)算比較復(fù)雜。要從冶煉現(xiàn)場(chǎng)測(cè)取大量工藝數(shù)據(jù)方可進(jìn)行。

1.2配料計(jì)算

一.設(shè)定原料條件 1、礦石成分：

表 1-1原料成分 ，%

原料 燒結(jié)礦 球團(tuán)礦 Fe Mn P S FeO Fe2O3 69.35 SiO2 Al2O3 1. 燒損 CaO MgO MnO P2O5 FeS H2O 2.018 0.039 0.083 CO2 100.00 Σ 58.35 0.03 0.031 0.03 12. 5.82 8. 0.07 .53 0.033 0.037 0.003 6.24 85.24 5.13 1.37 1.36 0.526 0.042 0.084 0.008 100.00 混合礦 石灰石 爐塵 59.59 0.031 0.032 0.025 11.28 72.53 5.68 1.51 7.10 1.72 0.04 0.07 0.07 100.00 1.80 0.06 0.001 0.026 0.036 0.083 1.10 1.26 1.96 0.09 1.33 51.03 0. 0.078 0.10 0.002 0.227 1.06 42.43 100.00 100.00 42.21 0.22 15.60 42.76 15.80 8.73 1.296 0.28 0.06 1.967 C=11.95 燒結(jié)與球團(tuán)的比例為80：20 2、焦炭成分：

表1-2焦炭成分 ，%

灰分（12.） C固 85.36 SiO2 揮發(fā)份（0.58） FeO 0.43 CO 0.21 CO2 有機(jī)物（1.42） N2 0.118 H2 0.36 N2 0.27 S 0.79 Σ 游離水 100.00 4.17 Al2O3 4.26 CaO 0.51 MgO 0.12 CH4 0.025 H2 0.037 7.32 0.19 3、噴吹燃料成分： 表1-3煤粉成分 ，% 燃料 C H N S O H2O 灰分 SiO2 Al2O3 CaO MgO FeO Σ 煤77.75 2.28 0.52 0.30 2.32 0.85 7.31 6.70 0.73 0.32 0.92 100.00 粉 4預(yù)定生鐵成分： 表1-4預(yù)定生鐵成分 ，%

Fe 95.23 Si 0.55 Mn 0.03 P 0.034 S 0.026 C 4.13 其中Si、S由生鐵質(zhì)量要求定，Mn、P由原料條件定，C參照下式定，其余為Fe。

C=4.3-0.27Si-0.329P-0.032S+0.3Mn

某元素在生鐵、爐渣、爐氣中的分配率（%）見表1-5

表1-5元素分配率分 ，%

生鐵 爐渣 爐氣 Fe 99.7 0.3 Mn 50 50 S — — 5 P 100 0 0 二.冶煉參數(shù)參考： 燃料消耗量（kg/t生鐵）：

焦炭 360（干） 375（濕） 煤粉 150 kg/t生鐵 鼓風(fēng)濕度 12g/ m3

1222.4相對(duì)濕度 φ=×=1.493%

100018風(fēng)溫 1100℃

爐塵量 20 kg/t生鐵

入爐熟料溫度 80℃ 爐頂煤氣溫度 200℃

焦炭冶煉強(qiáng)度 0.98 t/（m3·d）

高爐有效容積利用系數(shù) 2.7 t/（m3·d） 爐渣堿度 R=1.10 （1）燃料帶入的鐵量GFe燃 首先計(jì)算20kg爐塵中的焦粉量：

G焦粉=G塵C%塵/C%焦=20×11.95/85.36=2.80kg 高爐內(nèi)參加反應(yīng)的焦炭量為： G焦=360- G焦粉=360-2.80=357.2kg

5656+ G煤FeO%煤 72725656 =357.2×0.43%×+150×0.92%×

7272 =2.27kg

（2）進(jìn)入爐渣中的鐵量

0.3%GFe渣=1000Fe%生鐵×

99.7%0.3 =952.3×=2.865kg

99.7式中 0.3%、99.7%——分別為鐵在爐渣和生鐵中的分配比 （3）需要由鐵礦石帶入的鐵量為： 故 GFe燃= G焦FeO%焦GFe礦=1000 Fe%生鐵+ GFe渣- GFe燃 =952.3+2.856-2.27 =952.9kg

（4）冶煉1t生鐵的鐵礦石需要量：

952.9G礦= GFe礦/ Fe%礦= =1599.09kg

59.59%考慮到爐塵吹出量，入爐鐵礦石量為：

/G礦= G礦+ G塵- G焦粉=1599.09+20-2.80=1616.29kg

（1）設(shè)定爐渣堿度 R=CaO/ SiO2=1.10 （2）石灰石的有效溶劑性 CaO有效= CaO%熔劑-R SiO2%熔劑 =(51.03-1.10×1.96)%

=48.87% (3)原料、燃料帶有的CaO量GCaO 鐵礦石帶入的CaO量為：

GCaO礦=G礦CaO%礦=1599.09×7.10%=113.kg 焦炭帶入的CaO量為：

GCaO焦= G焦 CaO%焦=357.2×0.51%=1.82kg 煤粉帶入的CaO量為：

GCaO煤=G煤CaO%煤=150×0.73%=1.10kg 故 GCaO= GCaO礦+ GCaO焦+ GCaO煤 =113.+1.82+1.10=116.46kg （4）原料、燃料帶入的SiO2量GSiO2 鐵礦石帶入的SiO2量為：

GSiO2礦= G礦SiO2%礦=1599.09×5.68%=90.83kg 焦炭帶入的SiO2量為：

GSiO2焦= G焦SiO2%焦=357.2×7.32%=26.15kg 煤粉帶入的SiO2量為：

GSiO2煤= G煤SiO2%煤=150×7.31%=10.97kg 硅素還原消耗的SiO2量為：

60GSiO2還=1000Si%生鐵=11.79kg

28故 GSiO2= GSiO2礦+GSiO2焦+GSiO2煤-GSiO2還90.83+26.15+10.97-11.79=116.16kg 熔劑（石灰石）需要量為： G熔=（R GSiO2- GCaO）/ CaO有效 =（1.10×116.16-116.46）/48.87% =23.16kg

原料、燃料帶入的成分見下表1-6

表1-6 每噸生鐵帶入的有關(guān)物質(zhì)的量

原數(shù)量燃kg 料 混1599.合09 礦 SiO2 % 5.68 kg 90.83 26.15 0.45 % CaO kg 113. Al2O3 % 1.51 4.26 0.09 kg 24.15 15.22 0.02 MgO % 1.72 0.12 0. kg 27.50 MnO % kg 0. 0.02 % 0.025 S kg 7.10 0.04 0.40 焦7.3357.2 炭 2 石1.923.16 灰6 0.51 1.82 51.03 11.82 0.43 0.21 0.078 0.79 2.82 0.036 0.008 石 煤粉 Σ 150 7.31 10.97 128.40 0.73 1.10 128.28 6.70 10.05 49.44 0.32 0.48 28.62 0.66 0.30 0.45 3.138 （1）爐渣中CaO的量GCaO渣 由上表： GCaO渣=128.28kg （2）爐渣中SiO2的量GSiO2渣

由上表： GSiO2渣=128.40- GSiO2還=128.40-11.79=116.61kg （3）爐渣中Al2O3的量GAl2O3渣 由上表： GAl2O3渣=49.44kg （4）爐渣中MgO的量GMgO渣 由上表： GMgO渣=28.62kg （5）爐渣中MnO的量GMnO渣 GMnO渣=0.66×50%=0.33kg

50%——錳元素在爐渣中的分配率 （6）爐渣中FeO的量GFeO渣

進(jìn)入渣中的鐵量為：Fe渣=2.865kg ，并以FeO形式存在 故 GFeO渣=2.865×

72=3.68kg 56（7）爐渣中S的量GS渣

原燃料帶入的總S量為：GS=3.138kg （見表3-6） 進(jìn)入生鐵的S量為：GS生鐵=1000S%生鐵=1000×0.026%=0.26kg 進(jìn)入煤氣中的S量為：GS煤氣= GS5%=3.138×0.05=0.157kg 故 GS渣= GS-GS生鐵-GS煤氣 =3.138-0.26-0.157 =2.72kg

爐渣成分見下表1-7

表1-7 組元 kg % CaO SiO2 Al2O3 49.44 15.06 MgO 28.62 8.72 MnO 0.33 0.1 FeO 3.68 1.12 S/2 1.36 0.41 Σ 328.32 100.00 1.10 CaO/ SiO2 128.28 116.61 39.07 35.52 （1）生鐵含[P] 按原料帶入的磷全部進(jìn)入生鐵計(jì)算 鐵礦石帶入的P量為：

GP礦= G礦P%礦=1599.09×0.032%=0.51kg 石灰石帶入的P量為：

GP熔= G熔P%熔=23.16×0.001%=0.0002kg

1=0.051% 1000（2）生鐵含[Mn] 按原料帶入的錳有50%進(jìn)入生鐵計(jì)算

551故 [Mn]=0.66×50%××=0.026%

711000（3）生鐵含[C]

[C]=[100-(95.23+0.55+0.026+0.051+0.026)]%=4.117% 校核后的生鐵成分（%）見下表1-8

表1-8 校核后的生鐵成分 ，% 故 [P]=（0.51+0.0002）×

[Fe] 95.23 [Si] 0.55 [Mn] 0.026 [P] 0.051 [S] 0.026 [C] 4.117 1.3物料平衡計(jì)算

（1）風(fēng)口前燃燒的碳量GC燃 1）GC總= G焦C%焦+ G煤C%煤 =357.2×85.36%+150×77.75% =421.53kg

2）溶入生鐵中的碳量為：

GC生鐵=1000[C]%=1000×4.117%=41.17kg

3）生成甲烷的碳量為：

燃料帶入的總碳量有1%~1.5%與氫化合生成甲烷，本例去1%。 GC甲烷=1% GC總=0.01×421.53=4.22kg 4）直接還原消耗的碳量GC直 錳還原消耗的碳量：GC錳=1000[Mn]%

1212=1000×0.026%×=0.06kg 55552424=1000×0.55%×=4.71kg 28286060磷還原消耗的碳量：GC磷1000[P]%=1000×0.051%×=0.49kg-

6262鐵直接還原消耗的碳量：

12GC鐵直=1000[Fe]% rd/

56硅還原消耗的碳量：GC硅1000[Si]%rd/= rd-rH2

rd一般為0.4~0.5，本計(jì)算取0.45。

56218/rH2= [ G焦( H2%焦揮發(fā)+ H2%焦有機(jī))+ G煤H2%煤+(V風(fēng)φ+ G煤H2

21822.4O %煤)]×ηH2α/(1000[Fe]%)

56218[ 357.2(0.037%+ 0.36%)+ 150×2.28%+ (1200×1.493%×+ 21822.4150×0.85 %)]×0.35×0.9/(100095.23%) =0.06

式中 ηH2——?dú)湓诟郀t內(nèi)的利用率，一般為0.3~0.5，本計(jì)算取0.35；

α——被利用氫氣量中，參加還原FeO的百分量，一般為0.85~1.0，取0.9；

=

/V風(fēng)——設(shè)定的每噸生鐵耗風(fēng)量，本計(jì)算取1200m3。

GC鐵直=1000×95.23%×

12×0.39=79.59kg 56故 GC直= GC錳+ GC硅+GC磷+GC鐵直 =0.06+4.71+0.49+79.59 =84.85kg

風(fēng)口前燃燒的碳量為： GC燃= GC總-GC生鐵-GC甲烷-GC直

=421.53-41.17-4.22-84.85 =291.29kg （2）計(jì)算鼓風(fēng)量V風(fēng)

1）鼓風(fēng)中氧的濃度：N=21%(1-φ)+0.5φ

=21%(1-1.493%)+0.5×1.493% =21.43% 2) GC燃燃燒需要氧的體積為： VO2= GC燃22.4 2?1222.4 2?12 =271.87 m3

3）煤粉帶入氧的體積為： =291.29×

1622.4） 18321622.4 =150（2.32%+ 0.85 %）×

1832 =3.23 m3

4）需鼓風(fēng)供給氧的體積為： VO2煤=G煤（O%煤+ H2 O %煤VO2風(fēng)= VO2-VO2煤271.87-3.23=268. m3 故 V風(fēng)= VO2風(fēng)/N=

268.=1253.57 m3

21.43%（1）甲烷的體積VCH4

1）由燃料碳素生成的甲烷量為：

22.422.4VCH4碳= GC甲烷=4.22×=7.88 m3

12122）焦炭揮發(fā)分中的甲烷量為：

22.4VCH4焦=G焦CH4%焦

1622.4 =357.2×0.025%×

16 =0.125 m3

故 VCH4= VCH4碳+VCH4焦7.88+0.125=8.01 m3 （2）氫氣的體積VH2

1）由鼓風(fēng)中水分分解產(chǎn)生的氫量為： VH2分= V風(fēng)φ=1253.57×1.493%=18.72 m3 2）焦炭揮發(fā)分及有機(jī)物中的氫量為：

22.4VH2焦= G焦（H2%焦揮發(fā)+ H2%焦有機(jī)）

222.4 =357.2（0.037%+0.36%）

2 =15.88 m3

3）煤粉分解產(chǎn)生的氫量為：O

222.4VH2煤= G煤（H2%煤+ H2 O %煤）

182222.4 =150（2.28%+0.85%×）

182 =39. m3

4）爐缸煤氣中氫的總產(chǎn)量為： VH2總= VH2分+VH2焦+VH2煤 =18.72+15.88+39. =74.04 m3

5）生成甲烷消耗的氫量為： VH2烷=2VCH4=2×8.10=16.02 m3 6）參加間接反應(yīng)消耗的氫量為： VH2間=VH2總ηH2

=74.04×0.35=25.91 m3 故 VH2 =VH2總-VH2烷-VH2間 =74.04-16.02-25.91 =32.11 m3 （3）二氧化碳的體積VCO2

1）由CO還原Fe2O3為FeO生成的CO2 GFe2O3= G礦Fe2O3%礦

=1599.09×72.53% =1159.82kg

參加還原Fe2O3為FeO的氫氣量為：

G2H2還= VH2總ηH2（1-α）22.4

=74.04×0.35×（1-0.9）×222.4

=0.23kg

由氫氣還原Fe2O3的質(zhì)量為：

G/160Fe2O3= GH2還2

=0.23×1602=18.4kg

由CO還原Fe2O3的質(zhì)量為：

G///Fe2O3= GFe2O3- GFe2O3

=1159.82-18.4 =1141.42kg

故 V///22.4CO2還= GFe2O3160 =1141.42×22.4160

V/CO2還

=159.80 m3

2）由CO還原FeO為Fe生成的CO2量為：

22.4///VCO 2還=1000[Fe]%[1- rd-rH2]

5622.4 =1000×95.23%(1-0.39-0.06)

56 =209.51 m3

3）石灰石分解產(chǎn)生的CO2量為：

22.4VCO2分=G熔CO2%熔

4422.4 =23.16×42.43%×

44 =5.00 m3

4）焦炭揮發(fā)分中的CO2量為：

22.4VCO2揮= G焦CO2%焦

4422.4 =357.2×0.91%×

44 =0.35 m3

///故 VCO2= VCO2還+VCO2還+VCO2分+VCO2揮

=159.80+209.51+5.00+0.35 374.66 m3 （4）一氧化碳的體積 VCO

1）風(fēng)口前碳素燃燒生成的CO量為：

22.422.4VCO燃=GC燃=291.29×=3.74 m3

12122）直接還原生成的CO量為：

22.422.4VCO直= GC直=84.85×=158.39 m3

12123）焦炭揮發(fā)分中的CO量為：

22.422.4VCO揮= G焦CO%焦=357.2×0.21%×=0.60 m3

28284）間接還原消耗的CO量為：

///3VCO間= VCO+V2還CO2還=159.80+209.51=369.31 m

故 VCO=VCO燃+VCO直+VCO揮-VCO間=334.42 m3 （5）氮?dú)獾捏w積VN2 1）鼓風(fēng)帶入的氮?dú)饬繛椋?VN2風(fēng)= V風(fēng)（1-φ）N2%風(fēng)

=1253.57（1-1.493%）79% =975.53 m3

2）焦炭帶入的氮?dú)饬繛椋?p>22.4 2822.4 =357.2（0.118%+0.27%）

28 =1.11 m3

3）煤粉帶入的氮?dú)饬繛椋?p>22.4VN2煤=G煤N2%煤

2822.4 =150×0.52%×

28 =0.62 m3

VN2焦=G焦（N2%焦揮發(fā)+ N2%焦有機(jī)）故 VN2=VN2風(fēng)+VN2焦+VN2煤

=975.53+1.11+0.62=977.26 m3 煤氣成分見下表1-9

表1-9煤氣量及成分

成分 體積，m3 % CO2 374.66 21.70 CO 334.42 19.37 N2 977.26 56.60 H2 32.11 1.86 CH4 8.01 0.47 Σ 1726.46 100.00 （1）鼓風(fēng)質(zhì)量的計(jì)算 1 m3鼓風(fēng)的質(zhì)量為：

r風(fēng)=[0.21（1-φ）32+0.79（1-φ）28+18φ]/22.4 =[0.21×0.985×32+0.79×0.985×28+18×0.01493]/22.4 =1.28kg/ m3 鼓風(fēng)的質(zhì)量為：

G風(fēng)=V風(fēng)r風(fēng)=1253.57×1.28=1604.57kg （2）煤氣質(zhì)量的計(jì)算 1 m3煤氣的質(zhì)量為：

r氣=（44 CO2%+28 CO %+28 N2%+2 H2%+16 CH4%）/22.4

=（44×0.217+28×0.1937+28×0.566+2×0.0186+16×0.0047）/22.4 1.381 kg/ m3 煤氣的質(zhì)量為：

G氣=V氣r氣=1726.46×1.381=2384.24kg （3）煤氣中的水分 1）焦炭帶入的水分

GH2O焦=G焦H2O%焦=357.2×4.17%=14.90kg

2）石灰石帶入的水分

GH2O熔=G熔H2O%熔23.16×1.06%=0.25kg 3）氫氣參加還原生成的水分為：

218GH2O還= VH2間×

22.42218 =25.91××

22.42 20.82kg

故 GH2O= GH2O焦 +GH2O熔 +GH2O還 =14.90+0.25+20.82 =35.97kg 物料平衡列表1-10

表1-10物料平衡表 入相 混合礦 焦炭（濕） 石灰石 鼓風(fēng)（濕） 煤粉 總計(jì) 出相 生鐵 爐渣 爐氣（干） 煤氣中水 爐塵 總計(jì) 所以計(jì)算結(jié)果符合要求。

1000 328.32 2384.24 35.97 20 3768.53 kg 1616.29 375 23.16 1604.57 150 3769.02 26. 8.71 63.27 0.95 0.53 100.00 % 42.88 9.95 0.62 42.57 3.98 100.00 相對(duì)誤差=（3769.02－3768.53）/3769.02=0.013%＜0.3%