高爐煉鐵計(jì)算

1、高爐煉鐵計(jì)算煉鐵工藝計(jì)算2 物料平衡計(jì)算物料平衡計(jì)算是煉鐵工藝計(jì)算中的重要組成部分，它是在配料計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。物料平衡計(jì)算包括鼓風(fēng)量、煤氣量以及物料收支總量等項(xiàng)內(nèi)容的計(jì)算。物料衡算有助于對(duì)高爐過(guò)程進(jìn)行全面定量的分析和深入研究，并為熱平衡計(jì)算做準(zhǔn)備。2.1 物料平衡計(jì)算的準(zhǔn)備進(jìn)行物料衡算應(yīng)具備以下資料：各種物料的全分析成分，各種物料的實(shí)際用量；生鐵成分、爐渣成分和數(shù)量；鼓風(fēng)含氧量及鼓風(fēng)濕度等。2.2 物料平衡計(jì)算內(nèi)容與方法2.2.1 鼓風(fēng)量的計(jì)算對(duì)于煉鐵設(shè)計(jì)，作物料平衡計(jì)算時(shí)，應(yīng)首先計(jì)算每噸生鐵的鼓風(fēng)量。每噸生鐵的鼓風(fēng)量用vb（m3，一般均為標(biāo)準(zhǔn)立方米）表示，它是由風(fēng)口前燃燒碳量與鼓風(fēng)含氧量

2、計(jì)算的。（1）風(fēng)口前燃燒碳量cb的計(jì)算由碳素平衡圖（圖2-4）可知 （kg/t，下同） （2-1）式中 co氧化碳量，kg/t； cda合金元素還原耗碳，kg/t； cdfe鐵的直接還原耗碳，kg/t。要計(jì)算風(fēng)口前燃燒碳量，則需先計(jì)算式中其他各項(xiàng)碳量，它們的計(jì)算是 1）氧化碳量計(jì)算 （2-2）式中，為生鐵滲碳量，由生鐵成分計(jì)算；為生成ch4碳量，按燃料帶入碳量的0.5% 1.2%取值計(jì)算；在作煉鐵設(shè)計(jì)時(shí)，選定的焦比k是參加爐內(nèi)冶煉過(guò)程的實(shí)際數(shù)值，進(jìn)入爐塵的碳量不包括在內(nèi)。2）合金元素還原耗碳的計(jì)算式中 ，生鐵中相應(yīng)元素含量，%； 每噸生鐵的石灰石用量，kg； 石灰石中co2含量； 石灰石在高溫

3、區(qū)分解率，通常取 = 0.5； 每噸生鐵的渣量，kg； 渣中硫含量。 如果生鐵中還含有其他直接還原的合金元素，那么應(yīng)在式中加上所消耗的化學(xué)當(dāng)量的碳。 3）鐵直接還原耗碳的計(jì)算=12××/56 （2-4）式中，為冶煉每噸生鐵的還原鐵量，kg。如果高爐冶煉不加廢鐵，=10 fe；如果加入廢鐵，則=10 fe fe料，其中fe料為廢鐵用量，kg/t。廢鐵已屬金屬鐵，在高爐內(nèi)不需還原。 由上面各式可以看出，風(fēng)口前燃燒的碳量主要取決于燃料比和直接還原度，一般c b約占入爐碳量的70%80%。（2）鼓風(fēng)量的計(jì)算根據(jù)風(fēng)口前碳素燃燒反應(yīng)2c + o2 = 2co，由燃燒碳量（）及鼓風(fēng)的含氧

4、量（），可以計(jì)算出1t生鐵的鼓風(fēng)量 （m3/t） （2-5）式中，0.933為燃燒1kg碳素所需要的氧量（m3），在工藝計(jì)算中這是個(gè)常用的數(shù)據(jù)。鼓風(fēng)含氧量可按下式計(jì)算：=0.21+0.29×+(0.21)×式中 鼓風(fēng)濕度，用體積小數(shù)表示； 1 m3鼓風(fēng)中兌入的富氧氣體量，m3； 富氧氣體氧的純度?！?0.21)×就是所謂的富氧率”。當(dāng)高爐噴吹燃料時(shí)，由于煤粉中常含有少量有機(jī)物氧素及水分，在風(fēng)口區(qū)熱分解，分解出的氧亦能燃燒碳素。因此，在精確計(jì)算時(shí)不能忽略這部分氧的影響，這時(shí)鼓風(fēng)量應(yīng)按下式計(jì)算 （2-6）式中，為冶煉每噸生鐵由煤粉帶入的氧量（m3），它的計(jì)算是 （2-

5、7）式中，為煤粉中含氧量；為煤粉水分含量。（3）鼓風(fēng)質(zhì)量的計(jì)算過(guò)去多以物料重量進(jìn)行物料衡算，列物料平衡表，這不符合現(xiàn)行規(guī)范，應(yīng)予以改正。每噸生鐵的鼓風(fēng)質(zhì)量應(yīng)為 （kg） （2-8）式中，為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的鼓風(fēng)密度（kg/m3），它要由鼓風(fēng)成分及其分子量去計(jì)算。2.2.2 煤氣量及煤氣成分的計(jì)算組成爐頂煤氣的有co2、co、n2、h2、ch4五種組分，要計(jì)算冶煉每噸生鐵的高爐煤氣量，就需要明確這些組分的來(lái)源及其數(shù)量的計(jì)算。（1）煤氣級(jí)成數(shù)量的計(jì)算1）ch4ch4的來(lái)源有二：一是焦炭揮發(fā)分中含有ch4，它和揮發(fā)分中其他成分一樣，在高爐上部析出進(jìn)入煤氣（不要計(jì)入煤粉的ch4）；另一是由高爐中碳素同煤氣中

6、氫化合生成。這后部分ch4數(shù)量按生成ch4的碳量計(jì)算（現(xiàn)在也有認(rèn)為沒(méi)有碳素生成ch4的）。因此，每噸生鐵煤氣中ch4量的計(jì)算是： （m3/t） （2-9）式中 ch4焦炭中ch4的含量。2）h2高爐中氫的來(lái)源有：燃料帶入的，其中包括焦炭揮發(fā)分和有機(jī)物中的氫（可按焦炭氫元素分析計(jì)算）、噴吹燃料的氫和所含水分中的氫；高爐鼓風(fēng)濕分帶入的，它在風(fēng)口前分解出氫；如果天然礦含有結(jié)晶水，結(jié)晶水在高爐中部（大于500區(qū)域）也要分解出氫。由于現(xiàn)在高爐熟料比較高，天然礦中結(jié)晶水含量又不多，計(jì)算時(shí)這部分氫量可不考慮。高爐中氫的去向?yàn)椋簠⒓舆€原，約有30% 40%的氫量參加還原，這部分氫量稱為“還原氫（）”。還原氫中

7、的絕大部分（90% 100%）在高爐高溫區(qū)代替碳還原浮士體，其余的還原fe3o4；與碳反應(yīng)生成ch4；其余部分進(jìn)入爐頂煤氣。爐頂煤氣中h2量按下式計(jì)算=（m3/t） （2-10）或者 這里為入爐的總氫量（m3/t），其計(jì)算是 （2-11）式中 焦炭中h2的含量； ，煤粉中h2及h2o的含量；氫利用率。生成ch4的氫量是： （2-12）3）co2co2的來(lái)源有：高爐里間接還原產(chǎn)生的，這是其主要部分。礦石中的鐵、錳高級(jí)氧化物的還原都是間接還原，而feo則有部分被co還原，它們的產(chǎn)物是co2；爐料帶入的，這里面包括焦炭揮發(fā)分中的co2、礦石燒損項(xiàng)的co2，以及熔劑（石灰石、白云石）帶入的co2。對(duì)于

8、石灰石，因其分解溫度高，有部分要在高溫區(qū)分解，分解出co2的要同c反應(yīng)生成co，計(jì)算co2數(shù)量時(shí)，這部分不應(yīng)計(jì)入。爐頂煤氣中，co2數(shù)量的算式是： （m3/t） （2-13）式中 由還原產(chǎn)生的co2量，kg/t； 由爐料帶入的co2量，kg/t。它們的計(jì)算是 （4-14） （4-15）式中 ，礦石中相應(yīng)成分含量； ，分別為熔劑、焦炭中co2含量；石灰石在高溫區(qū)的分解率。這里是按全部還原氫量都參與浮士體的還原考慮的的，因此礦石中的fe2o3就都由co還原到浮士體。氫還原度計(jì)算如下：4）coco的來(lái)源有：燃料中碳素在風(fēng)口前燃燒生成的；還原產(chǎn)生的，其中包括feo被c直接還原和生鐵中si、mn、p、t

9、i、v等合金元素的還原產(chǎn)生的，還有石灰石在高溫區(qū)分解出的co2參與溶損反應(yīng)及爐渣脫硫產(chǎn)生的co；焦炭揮發(fā)分帶入的co。高爐煤氣在爐內(nèi)上升過(guò)程中有部分co參加間接還原轉(zhuǎn)變成co2，其余以co進(jìn)入煤氣。爐頂煤氣中co數(shù)量的計(jì)算是： （m3/t） （2-16）或者 （2-16）這里應(yīng)明確，石灰石在高溫區(qū)分解出的co2，要被c還原成co（co2+c=2co），一個(gè)要co2變成兩個(gè)co，其中一份包括在式4-16中的cda項(xiàng)內(nèi)，另一份則是該式的第四項(xiàng)。5）n2爐頂煤氣中n2主要是由鼓風(fēng)帶入的，焦炭和煤粉也帶入一些，不應(yīng)遺漏。 （m3/t） （4-17）式中 ，分別為焦炭、煤粉中氮的元素含量； 鼓風(fēng)中氮的含

10、量，不富氧時(shí)按下式計(jì)算 如果屬富氧鼓風(fēng)，則應(yīng)為 （2）煤氣量vg及其成分的計(jì)算爐頂煤氣各組分的數(shù)量求出后，將它們加和即得到每噸生鐵的煤氣量： （m3/t）然后再求出各組成的含量，得到爐頂煤氣成分并把它們列成表格。這里得到的煤氣成分是干基成分。在此還要計(jì)算噸鐵煤氣量與風(fēng)量的比值，一般1.371.43，有噴吹時(shí)比值高些；富氧鼓風(fēng)時(shí)，、都有減少，風(fēng)量減少幅度更大些，因此該比值也會(huì)高些。（3）煤氣質(zhì)量的計(jì)算煤氣密度可按下式計(jì)算 （kg/m3） （2-18）式中 ，爐頂煤氣中相應(yīng)組分的含量。每噸生鐵的煤氣質(zhì)量則為 （kg） （2-19）2.2.3 煤氣中水蒸氣量的計(jì)算爐頂煤氣中的水蒸氣由氫還原產(chǎn)生和爐料

11、帶入兩部分構(gòu)成，每噸生鐵的水蒸氣量是 （kg） （2-20）式中，為焦炭游離水含量，這里把焦比擴(kuò)大了2%，是考慮了焦炭的機(jī)械損失（爐塵）。k為噸鐵干焦量，濕焦應(yīng)為k /（1）。還應(yīng)注意，如果熔劑、礦石（生礦）也帶入了物理水，應(yīng)在式2-20內(nèi)加入。2.3 編制物料平衡表，計(jì)算物料平衡誤差物料平衡表的收入項(xiàng)有：（1） 混合礦石用量（包括機(jī)械損失在內(nèi)，爐塵量礦石按外加3%計(jì)算）；（2） 焦炭用量（包括機(jī)械損失及水分在內(nèi)，爐塵量焦炭按外加2%計(jì)算）；（3） 噴吹燃料（煤粉）用量；（4） 熔劑用量（包括機(jī)械損失在內(nèi)，爐塵量熔劑按外加1%計(jì)算）；（5） 鼓風(fēng)質(zhì)量。物料平衡表的支出部分有：（1） 生鐵質(zhì)量（

12、1000kg）；（2） 爐渣質(zhì)量；（3） 煤氣質(zhì)量；（4） 煤氣中水質(zhì)量；（5） 爐塵量（即爐料機(jī)械損失數(shù)量之和）。物料平衡誤差包括絕對(duì)誤差及相對(duì)誤差，它們的計(jì)算是絕對(duì)誤差 = 物料收入質(zhì)量總和物料支出質(zhì)量總和在物料衡算中，相對(duì)誤差一般應(yīng)在±0.3%以下。進(jìn)行物料平衡計(jì)算，需要認(rèn)真仔細(xì)，一絲不茍。如果沒(méi)有計(jì)算錯(cuò)誤，計(jì)算的各項(xiàng)沒(méi)有遺漏和重復(fù)，誤差是不會(huì)大的，計(jì)算結(jié)果能夠滿足要求。對(duì)物料平衡影響較大的數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)要精確，取舍要合理，如鼓風(fēng)和煤氣的密度計(jì)算，應(yīng)精確到小數(shù)點(diǎn)后第三位（應(yīng)精確到克位上），它的誤差為1g，1t鐵的鼓風(fēng)量或煤氣量就會(huì)相差12kg以上。3 高爐熱平衡計(jì)算熱平衡計(jì)算是煉

13、鐵工藝計(jì)算中的重要組成部分。通過(guò)高爐冶煉過(guò)程在熱量方面的收入與支出情況的計(jì)算，能夠了解高爐內(nèi)熱量消耗狀況，分析高爐冶煉過(guò)程的優(yōu)劣，探討進(jìn)一步改善能量利用、降低燃料消耗的途徑。在追求高爐生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)低耗的今天，搞好高爐熱平衡測(cè)定與計(jì)算是具有極其重要意義的。 高爐冶煉的熱量消耗決定了煉鐵焦比（燃料比）的高低。通過(guò)熱平衡計(jì)算，可以探索一定冶煉條件下的最低焦炭消耗量。因此，理論焦比的計(jì)算是離不開(kāi)熱平衡計(jì)算的。 高爐熱平衡計(jì)算可分為兩類：一類是以整個(gè)高爐為對(duì)象的熱平衡計(jì)算，這就是全爐熱平衡計(jì)算；另一類是以高爐局部區(qū)域?yàn)閷?duì)象的熱平衡計(jì)算，即區(qū)域熱平衡計(jì)算。 全爐熱平衡計(jì)算的方法有多種，比較常用的是： 第一種全

14、爐熱平衡計(jì)算，它是按熱化學(xué)的蓋斯定律，依據(jù)入爐物料的最初形態(tài)和出爐的最終形態(tài)，來(lái)計(jì)算產(chǎn)生和消耗的熱量，而不考慮高爐內(nèi)實(shí)際的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。這種方法出現(xiàn)較早，原理簡(jiǎn)單，但計(jì)算較為繁瑣，也不盡如實(shí)反映高滬冶煉過(guò)程熱量消耗的情況。雖然如此，它仍然是目前高爐熱平衡測(cè)定所采用的方法。 第二種全爐熱平衡計(jì)算，它是按高爐內(nèi)實(shí)際發(fā)生的還原過(guò)程來(lái)計(jì)算熱量消耗的，這種方法更能說(shuō)明高爐冶煉能量利用的實(shí)際狀況。 區(qū)域熱平衡計(jì)算多是以高爐下部的高溫區(qū)為研究對(duì)象的。高溫區(qū)是對(duì)高爐冶煉有決定性影響的區(qū)域。這種高溫區(qū)熱平衡計(jì)算更能反映高爐熱交換的本質(zhì)。這種方法出現(xiàn)較晚，但日益受到高爐工作者的重視。 無(wú)論采用哪一種熱平衡計(jì)算方法

15、，熱平衡的計(jì)算都應(yīng)遵循能量守恒的原則，即供給研究區(qū)域的各項(xiàng)熱量總和等于該區(qū)域熱量消耗的總和。3.1 第一種全爐熱平衡計(jì)算第一種全爐熱平衡計(jì)算是根據(jù)熱化學(xué)蓋斯定律進(jìn)行的。蓋斯定律指出，化學(xué)反應(yīng)的熱效應(yīng)只與物質(zhì)的初末態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)的途徑無(wú)關(guān)。根據(jù)這一定律，高爐中氧化物的還原，如feo + c = fe + co反應(yīng)，其熱量轉(zhuǎn)變是按氧化物分解（feofe + o2/2）耗熱和還原劑氧化（c + o2/2co）放熱兩項(xiàng)熱量分開(kāi)計(jì)算的，而沒(méi)有考慮物料在高爐內(nèi)的實(shí)際反應(yīng)過(guò)程。這種高爐熱平衡的計(jì)算方法如下面所述。3.1.1 熱量收入的計(jì)算熱收入通常包括以下五項(xiàng)：（1） 碳素氧化熱焦炭碳素氧化熱與焦炭石墨化程

16、度有關(guān)，通常將焦炭中的固定碳按50%石墨碳，其余一半為無(wú)定形碳考慮的，這種情況下碳素氧化熱為c + o2/2co + 4.18×2340 kj/(kg) （或4.18×2340kj/m3co）c + o2co2+ 4.18×7980 kj/kg(kg) （或4.18×4275 kj/m3co2）co + o2/2co2+ 4.18×5640 kj/kg(kg) （或4.18×3021 kj/m3co2）噴吹燃料煤粉中的碳素氧化熱與焦炭碳素的稍有不同，為簡(jiǎn)化計(jì)算亦可取上面數(shù)值。 冶煉1t生鐵的碳素氧化熱是由爐頂煤氣中的co和co2數(shù)量計(jì)

17、算的。計(jì)算時(shí)要注意扣除爐料、揮發(fā)分帶入的該組分的數(shù)量，即僅計(jì)算由高爐反應(yīng)產(chǎn)生的co、co2的氧化熱量。 碳素氧化放出熱量亦可由氧化碳量來(lái)計(jì)算，這時(shí)要分清氧化成co和co2的碳量各是多少。這項(xiàng)熱量的計(jì)算是 =4.18×（2340+ 7980） (kj) (3-1) 碳素氧化熱在熱平衡的熱收入中占有較大的比例，一般可達(dá)70%80%。（2） 鼓風(fēng)物理熱 熱風(fēng)帶入的物理熱是熱收入中的另一大項(xiàng)，約占15%20%之多。鼓風(fēng)物理熱是根據(jù)風(fēng)量、風(fēng)溫及濕度計(jì)算的 (3-2)式中 每噸生鐵的風(fēng)量，m3； 鼓風(fēng)濕度； 熱風(fēng)溫度，；空氣從基準(zhǔn)溫度到熱風(fēng)溫度的平均等壓熱容，kj/（m3）；水蒸氣從基準(zhǔn)溫度到熱

18、風(fēng)溫度的平均等壓熱容，kj/（m3）。為簡(jiǎn)化計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)亦常采用氣體的比焓來(lái)計(jì)算鼓風(fēng)物理熱 =×(1-)×+× (3-2)式中，為熱風(fēng)溫度時(shí)干空氣及水蒸氣的比焓（kj/m3），各種氣體的比焓可查閱附錄表2。（3） 氫氧化放熱和ch4生成熱氫和氧化合成水，1kg水生成熱為4.18×3211 kj，若用水蒸氣體積表示，則為4.18×2580 kj/m3。氫和碳生成甲烷放熱4.18×1124 kj/kgch4，或4.18×803 kj/m3 ch4。因此，冶煉每噸生鐵的這兩項(xiàng)熱量計(jì)算是 = 4.18×3211×

19、(kj) (3-3) = 4.18×1124× (kj) (3-4) 式中，及為還原生成的水量和甲烷生成量，kg/t。（4） 成渣熱成渣熱是高爐冶煉過(guò)程中，由cao和mgo同酸性氧化物生成爐渣而放出的熱量。通常每千克cao（或mgo）成渣放熱4.18×270 kj。在大量使用熔劑性燒結(jié)礦冶煉時(shí)，因其中的cao、mgo在燒結(jié)過(guò)程中已經(jīng)成渣，所以這項(xiàng)熱量只計(jì)算由熔劑、生礦帶入的cao、mgo量的成渣放熱。 = 4.18×270× (kj) （3-5）式中，為冶煉每噸生鐵由熔劑、生礦帶入cao和mgo的總量，kg。（5） 爐料物理熱對(duì)于使用冷礦的高爐

20、，這項(xiàng)熱量很少,可以忽略不計(jì)。在使用熱燒結(jié)礦時(shí)，這項(xiàng)熱量可由燒結(jié)礦量及其溫度、比熱容求得。 燒結(jié)礦的比熱容可取下列數(shù)值 t / 100 200 300 400 500 c /kcal·(kg) -1 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20 以上五項(xiàng)熱量之和即為冶煉每噸生鐵的總熱量收入。3.1.2 熱量支出的計(jì)算 （1） 氧化物分解耗熱 氧化物的分解耗熱是按被還原元素的質(zhì)量及分解熱計(jì)算的。因?yàn)闊崞胶馐前次锪系某跄B(tài)考慮的，因此計(jì)算時(shí)首先要清楚各種氧化物在爐料中存在的形態(tài)。這一項(xiàng)熱量消耗是熱平衡計(jì)算中的耗熱大項(xiàng)，約占全部熱支出的50% 60%。它包括：1） 鐵氧化物的分解耗熱燒

21、結(jié)礦、球團(tuán)礦中的feo一般有20% 25%以硅酸鐵（2feo·sio2）形態(tài)存在，酸性燒結(jié)礦取高值；其余feo以磁鐵礦（fe3o4）形態(tài)存在，因而人造富礦中的fe2o3一部分與feo組成磁鐵礦，另一部分屬自由fe2o3，即赤鐵礦。對(duì)于天然礦應(yīng)有磁鐵礦、赤鐵礦，而無(wú)硅酸鐵。焦炭、煤粉中的feo及進(jìn)入爐渣的feo均按硅酸鐵考慮。以硅酸鐵形態(tài)存在的feo數(shù)量的計(jì)算是=a××feoa×(0.20.25)+ k×feok + m×feomu×feou (kg) (3-6)式中 feoa，feok，feom，feou分別為燒結(jié)礦（包括球

22、團(tuán)礦）、焦炭、煤粉及爐渣中的feo含量； 爐料中的人造富礦配比； a噸鐵礦石用量，kg。 礦石中以fe3o4形態(tài)存在的feo量為 feo磁 = a×feoa（0.20.25）××feoa (kg) （3-7）式中，feoa為混合礦中feo含量。 礦石中以形態(tài)存在的量 （kg）礦石中數(shù)量 （kg）礦石中自由（赤鐵礦）數(shù)量 （kg） （3-8）式中，為混合礦中含量。由以上可算出冶煉每噸生鐵需要分解的以硅酸鐵形態(tài)存在的量、量、自由狀態(tài)的量。它們分解的熱效應(yīng)是 吸熱4.18×973.3kj/kg(feo) 吸熱4.18×1146.4kj/kg(fe3o

23、4) 吸熱4.18×1230.7kj/kg(fe2o3)因此，冶煉每噸生鐵因鐵氧化物分解需要消耗的熱量為4.18×（973.3×+1146.4×+1230.7×） ( kj ) （3-9）2） 錳氧化物分解耗熱1kg分解成時(shí)需要熱量4.18×341.1kj，這部分耗熱由爐料計(jì)算；由分解出1kg耗熱4.18×1758.5 kj，這部分耗熱由生鐵來(lái)計(jì)算。因此，錳氧化物分解耗熱為4.18×（341.1×a×+1758.5×10×） （kj） （3-10）式中 混合礦中含量。 3）

24、硅氧化物分解耗熱由分解出1kg耗熱4.18×7366 kj，硅氧化物分解耗熱為4.18×7366×10× （kj） （3-11）4） 磷酸鈣分解磷的耗熱由分解放出1kg耗熱4.18×8540 kj，因此這項(xiàng)耗熱為4.18×8540×10× （kj） （3-12）5） 鈦氧化物（tio2）和釩氧化物(v2o5)分解耗熱對(duì)于冶煉一般生鐵，氧化物的分解耗熱就由上列四項(xiàng)組成，而對(duì)于冶煉釩鈦生鐵，還應(yīng)加上鈦氧化物（tio2）和釩氧化物(v2o5)的分解耗熱，即：由分解出1kg耗熱4.18×3460 kj，鈦氧化物分

25、解耗熱為4.18×3460×10× （kj）由分解出1kg耗熱4.18×2270 kj，釩氧化物分解耗熱為4.18×2270×10× （kj）6） 氧化物總的分解耗熱為：+計(jì)算各項(xiàng)耗熱時(shí)，要注意熱效應(yīng)的計(jì)算基準(zhǔn)，例如由分解出，其分解熱可表示為4.18×1758.5 kj/kg()，亦可是4.18×1362.2 kj/kg()，雖然熱效應(yīng)數(shù)值不同，但耗熱量是同一的，這只是從不同方面計(jì)算而已。各種氧化物的分解熱可參閱附錄3。（2）脫硫耗熱爐渣反應(yīng)是fes + cao = cas + fe + o2/2 - 4

26、.18×1995 kj/kg(s)脫硫耗熱可按下式計(jì)算 = 4.18×1995× （kj） (3-13)式中 冶煉每噸生鐵進(jìn)入爐渣的硫量，kg。如果爐料中含有硫酸鹽，則應(yīng)計(jì)算其分解熱，其分解熱為 caso4 = cas + 2o24.18 × 6835 kj/kg(s) baso4 = bas + 2o2 4.18 × 7332 kj/kg(s) ( 3 ) 碳酸鹽分解耗熱爐料中常見(jiàn)的碳酸鹽有碳酸鈣、碳酸鎂等，對(duì)于碳酸鈣，其分解反應(yīng)是： caco3 = cao + co24.18×42520 kj其等價(jià)的分解熱為：4.18×

27、759.3 kj/kg（cao），這項(xiàng)耗熱為 = 4.18×759.3×× （kj） （3-14）式中 每噸生鐵石灰石用量，kg; 石灰石中cao量。此項(xiàng)耗熱也可按分解出的co2量計(jì)算，其熱效應(yīng)是：4.18×966.4 kj/kg（co2）或4.18×1898.2 kj/m3（co2）對(duì)于碳酸鎂，其分解反應(yīng)是mgco3 = mgo + co24.18×26150 kj分解熱為4.18×653.7 kj/kg（mgo），或4.18×594.3kj/kg（co2），或4.18×1167.4 kj/m3（co2

28、）。其他碳酸鹽（如mnco3 、feco3等）的分解熱參閱附錄表3。如果按co2量計(jì)算碳酸鹽的分解耗熱，需劃清co2歸屬，對(duì)于石灰石、白云石中的co2，一般按先滿足與cao結(jié)合，其余的與mgo結(jié)合來(lái)分配其數(shù)量；而對(duì)于生礦中的co2，可按礦石中的cao 與mgo的含量平均分配。（4） 水分分解耗熱鼓風(fēng)中的濕分、噴吹燃料所含有的水分，都是從高爐風(fēng)口進(jìn)入爐缸的，他們?cè)跔t內(nèi)全部分解。水分的分解反應(yīng)是h2o = h2+o2/24.18×57790kj分解熱是4.18×3211 kj/kg（h2o），或4.18×2580 kj/m3（h2o或h2）。爐料（生礦）中的結(jié)晶水，在

29、高爐里約有50%進(jìn)入高溫區(qū)，要進(jìn)行分解；另外一半結(jié)晶水在高爐的中溫區(qū)以水蒸氣形態(tài)析出進(jìn)入煤氣。在計(jì)算分解耗熱時(shí)還要考慮結(jié)晶水的溶解潛熱（79kcal/kg）。爐料中結(jié)晶水的析出和分解耗熱為： =4.18×（79+3211×）×h2o結(jié)晶 （kj） (3-15)式中 結(jié)晶水的分解率，一般取=0.40.5； h2o結(jié)晶每噸生鐵的爐料帶入結(jié)晶水量，kg。（5） 爐料游離水的蒸發(fā)耗熱 1kg水由常溫（20）升溫至100吸熱4.18×80 kj，在轉(zhuǎn)變成100水蒸氣吸熱4.18×540 kj，總計(jì)吸熱4.18×620 kj。因此這項(xiàng)耗熱的計(jì)算是

30、 =4.18×620× （kj） （3-16）式中 每噸生鐵由爐料帶入的游離水量，kg。爐料中的游離水主要是焦炭帶入的，當(dāng)使用生礦、石灰石冶煉，有時(shí)它們也能帶入一些，不要遺漏。煤粉中的游離水是不應(yīng)計(jì)入在內(nèi)的。水蒸氣由100至爐頂溫度的升溫耗熱，計(jì)入煤氣帶走熱量一項(xiàng)內(nèi)，在此不予考慮。（6） 噴吹物分解耗熱高爐噴吹的煤粉進(jìn)入風(fēng)口區(qū)，在其燃燒前要經(jīng)過(guò)預(yù)熱、干餾的焦化過(guò)程，碳?xì)浠衔镆M(jìn)行熱分解，需要消耗熱量，一般按4.18×（250300）kj/kg考慮。高爐噴吹無(wú)煙煤時(shí)，煤粉的分解熱少些（240250kcal）,而煙煤的分解熱要多些（280300kcal）。（7） 鐵

31、水和爐渣帶走熱量 鐵水、爐渣帶走熱量可按它們出爐溫度時(shí)的比焓去計(jì)算。對(duì)于煉鐵設(shè)計(jì)，鐵水和爐渣的比焓可參考表3-1選取。對(duì)于某些特殊礦冶煉的高爐，爐渣比焓有別于表中的數(shù)值，例如包鋼爐渣含氟，其比焓較低。 表3-1 生鐵、爐渣比焓 kcal/kg比 焓煉鋼生鐵鑄造生鐵錳 鐵硅 鐵鐵水熱焓量270280300310280290320350爐渣熱焓量410430450480440470480500(8) 爐頂煤氣帶走熱量這一項(xiàng)熱量通常包括干煤氣、水蒸氣及爐塵三部分帶走的熱量。對(duì)于干煤氣帶走的熱量可由煤氣量、煤氣平均熱容及溫度求得，亦可以用煤氣比焓去計(jì)算 = × （kj） (3-17)式中 q

32、煤氣爐頂溫度下的煤氣比焓，kj/m3 。煤氣中水蒸氣帶走的熱量可由水蒸氣量、水蒸氣平均熱容及爐頂溫度計(jì)算求得。這里應(yīng)該指出，對(duì)于還原反應(yīng)生成的那部分水蒸氣（h2or，m3/t）,它的平均熱容應(yīng)由基準(zhǔn)溫度（th，）算至爐頂溫度（tg，）；而爐料帶入物理水部分的水蒸氣（h2of，m3/t），因已計(jì)算了蒸發(fā)耗熱（第五項(xiàng)熱支出），它的平均熱容應(yīng)該由100算至爐頂溫度。因此，水蒸氣帶走熱量應(yīng)為=×（×tg ×th）+ ×（×tg ×100） （kj） （5-18）爐塵帶走的熱量可由爐塵量、爐塵比熱容及爐頂溫度來(lái)計(jì)算，爐塵比熱容值大約為4.18&

33、#215;（0.170.18）kj/(kg)。（9） 高爐熱損失高爐的熱量損失包括：輻射于高爐周圍空間的熱量；爐殼附近空氣對(duì)流傳走的熱量；通過(guò)爐底傳入地層的熱量等。在較多的情況下，這一項(xiàng)還包括了冷卻水帶走的熱量。由于這些熱量損失的數(shù)據(jù)難以測(cè)定，通常采用由總熱收入減去其他各項(xiàng)熱支出的方法或采用經(jīng)驗(yàn)公式估算得出。對(duì)于冶煉不同種類的生鐵，高爐熱損失的大小是不一樣的。對(duì)于鑄造生鐵，高爐熱損失一般為全部熱支出的610，而煉鋼生鐵為38。高爐熱損失的大小，也可作為確定、分析焦比的一個(gè)依據(jù)。對(duì)于煉鐵設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，若熱損失過(guò)大，說(shuō)明焦比定得高了；若熱損失太少，說(shuō)明焦比定得低了；熱損失比例維持在合適的范圍內(nèi)，才表明

34、選定的焦比是合適的。（10） 編制熱平衡表當(dāng)熱收入和熱支出的各項(xiàng)算完之后，就可以列出熱平衡表，計(jì)算熱平衡指標(biāo)。熱平衡表包括各項(xiàng)收支的熱量以及它們所占的比例。3.2 第二種全爐熱平衡計(jì)算 第二種全爐熱平衡計(jì)算是在第一種熱平衡計(jì)算基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它是按高爐內(nèi)實(shí)際的還原過(guò)程來(lái)計(jì)算熱量的供給和消耗的。這種熱平衡更能反映高爐冶煉在熱量交換與熱能利用方面的實(shí)質(zhì)。因此，這種熱平衡計(jì)算在分析高爐熱現(xiàn)象，探討節(jié)約能耗、降低焦比的途徑時(shí)被廣泛應(yīng)用。 考察兩種全爐熱平衡計(jì)算能夠發(fā)現(xiàn)，在物理熱量項(xiàng)計(jì)算上，第二熱平衡與第一熱平衡具有相同的方法，若對(duì)于同一問(wèn)題，它們的計(jì)算結(jié)果應(yīng)是一樣的。熱平衡中屬于物理熱的項(xiàng)目有： 鼓

35、風(fēng)帶入的熱量； 爐料帶入的熱量； 爐料游離水的蒸發(fā)耗熱； 生鐵、爐渣帶走的熱量；爐頂煤氣（包括爐塵、水蒸氣）帶走的熱量；此外，兩種方法的高爐熱損失亦應(yīng)是相同的。在化學(xué)熱（或反應(yīng)熱）量項(xiàng)的計(jì)算上，兩種熱平衡有不同的計(jì)算方法，不同的計(jì)算結(jié)果，這是兩者的根本區(qū)別。盡管如此，兩種熱平衡也有個(gè)別的相同計(jì)算項(xiàng)，如：甲烷生成熱；造渣物質(zhì)的成渣熱；碳酸鹽的分解耗熱；鼓風(fēng)濕分及噴吹燃料中水分分解耗熱；噴吹物分解耗熱。對(duì)于上述相同的物理熱及部分化學(xué)反應(yīng)熱的計(jì)算，這里不再敘述。下面介紹第二熱平衡中與第一熱平衡不相同的計(jì)算項(xiàng)。3.2.1 風(fēng)口前碳素燃燒熱的計(jì)算高爐冶煉過(guò)程熱量的主要來(lái)源是碳素在風(fēng)口前的燃燒放熱，這部分

36、熱量約占全部熱收人的60% 70%。焦炭和噴吹燃料的碳素在風(fēng)口前燃燒的最終產(chǎn)物是co，每千克碳素燃燒成co放熱統(tǒng)取4.18×2340kj，因此冶煉1t生鐵此項(xiàng)熱收入的計(jì)算是 （3-19）式中，為每噸生鐵風(fēng)口前燃燒的碳量（kg），對(duì)于生產(chǎn)高爐，它可由鼓風(fēng)量及風(fēng)中氧含量求得；對(duì)于煉鐵設(shè)計(jì)，則由爐內(nèi)碳素平衡求得。 由于第二熱平衡只計(jì)算風(fēng)口前碳量的燃燒放熱，這要比第一熱平衡中的碳素氧化放熱少得多，因此鼓風(fēng)帶人的物理熱在第二熱平衡中所占的比例，要比第一熱平衡的大，可達(dá)30%多。3.2.2 鐵及合金元素還原耗熱的計(jì)算 這項(xiàng)耗熱是第二熱平衡計(jì)算的主要熱支出項(xiàng)，它分為兩部分。3.2.2.1 鐵氧化物

37、的還原耗熱 鐵氧化物還原耗熱的計(jì)算過(guò)程是，首先算出以硅酸鐵形態(tài)存在的feo量，算出fe3o4量及自由fe2o3量（各種氧化鐵數(shù)量的計(jì)算，可參考第一熱平衡）；然后計(jì)算硅酸鐵分解出feo及高級(jí)氧化鐵（fe3o4、fe2o3）還原到feo的耗熱量；再利用直接還原度及氫的還原度指標(biāo)，計(jì)算由feo還原到fe的耗熱量。其具體計(jì)算如下。（1） 硅酸鐵分解出feo耗熱由反應(yīng)2feo·sio22feosio2一4.18×11350kj可知，分解1kgfeo耗熱4.18×78.8kj，按lkg鐵計(jì)則為4.18×101.3kj。因此 qdfe1 4.18×78.8

38、x feo硅 （kj) (3-20)（2） fe2o3還原到feo耗熱由反應(yīng) fe2o3 + co = 2feo + co2 4.18×3.3kj/kg(fe)可計(jì)算qdfe2 4.18×3.3×fe2o3赤×112160 （kj) (3-21)這里應(yīng)注意的是，高爐里高級(jí)氧化鐵fe2o3到feo的還原，全部是間接還原，并為co所還原。其還原反應(yīng)的熱效應(yīng)是按fe計(jì)算的，而非fe2o3到fe的熱效應(yīng)。（3） fe3o4還原到feo耗熱fe3o4到feo的還原亦是間接還原，但它可能被co還原，也可能被h2還原。通常認(rèn)為有5%10%的還原氫量參加fe3o4的還原

39、。fe3o4的還原反應(yīng)是fe3o4 + co = 3feo + co2 4.18×29.7kj/kg(fe)fe3o4 + h2 = 3feo + h2o 4.18×90.4kj/kg(fe)因此，fe3o4的還原耗熱為qdfe3 4.18×29.7×fe3o4(co) + 90.4×fe3o4(h2)×168/232 kj/kg(fe) (3-22)式中 fe3o4(co)每噸生鐵由co還原的fe3o4量，kg； fe3o4(h2)被h2還原的fe3o4量，kg。 在簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)，亦可認(rèn)為全部fe3o4均被co還原，而h2只參與feo

40、的還原。 (4） h2還原feo耗熱在高爐里高于810的區(qū)域，h2比co有較強(qiáng)的還原能力，同時(shí)在還原反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)上亦占優(yōu)勢(shì)。因此，氫在高爐8001200的區(qū)域里起到還原作用，并主要參與feo的還原。對(duì)于實(shí)際冶煉的高爐，可由還原氫量計(jì)算還原鐵量，進(jìn)而計(jì)算氫的還原耗熱；對(duì)于煉鐵設(shè)計(jì)，則由全部氫量及預(yù)定的氫的利用率（h2），計(jì)算出還原氫量（h2r），再由此計(jì)算氫還原鐵量及耗熱，這時(shí)氫的還原度ri(h2)也成為已知數(shù)據(jù)。由反應(yīng)feoh2feh2o - 4.18×118. 2kj/kg(fe)可計(jì)算氫的還原耗熱 qdfe4 4.18×118.2×h2r×h2

41、15;562 （kj) （3-23）式中 h2r 冶煉每噸生鐵的還原氫量，kg； h2還原氫中參與feo還原比例，h20.901.0。（5） c還原feo耗熱 根據(jù)反應(yīng)feo + cfe + co 4.18×649.l kj/kg(fe），由直接還原度rd及全部還原鐵量計(jì)算出用碳直接還原的鐵量，進(jìn)而計(jì)算鐵的直接還原耗熱 qdfe5 4.18×649.1×fe.r×rd （kj） （3-24）（6） co還原feo的放熱量由反應(yīng)feo + co = fe + co2 + 4.18×58.1 kj/kg(fe)，co間接還原的鐵量可由全部還原鐵量及

42、rd、算出，其放熱量為qdfe5 4.18×58.1×fe.r×(1 - rd - ) （kj） （3-25）鐵氧化物還原耗熱即為上述六項(xiàng)之和，即qdfe qdfe1 + qdfe2 + + qdfe5 - qdfe6 這里應(yīng)該注意的是前5項(xiàng)均為耗熱，而第6項(xiàng)（qdfe6）是放熱，應(yīng)從耗熱中扣除。3.2.2.2 合金元素還原耗熱 這項(xiàng)耗熱是指生鐵中合金元素si、mn、p等還原所消耗的熱量，這些元素的數(shù)量由生鐵成分確定，還原反應(yīng)的熱效應(yīng)決定于高爐中發(fā)生的還原反應(yīng)的情況。 （1) 硅的還原耗熱 硅是難還原的元素，在高爐里以直接還原方式進(jìn)行，其反應(yīng)是sio2 + 2c

43、si + 2co - 4.18×5360kj/kg(si)硅的還原耗熱為 qdsi4.18×5360×10×si （kj） （3-26) （2）錳的還原耗熱錳亦是難還原的元素，在冶煉普通生鐵時(shí)大約有50%的錳還原進(jìn)入生鐵。高級(jí)錳氧化物到mno的還原均為間接還原，熱效應(yīng)很小，簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)可以忽略。從mno到mn的還原都是直接還原，其反應(yīng)是mno + c = mn + co -4.18×1248kj/kg(mn)錳的還原耗熱為 qdmn4.18×1248×10×mn （kj） （3-27) (3）磷的還原耗熱 磷的還原耗

44、熱有兩種熱效應(yīng)數(shù)值用于計(jì)算，即p2o5 + 5c = 2p + 5co - 4.18×3700kj/kg(p)3cao·p2o5 + 5c = 2p + 5co + 3cao - 4.18×6275kj/kg( p)高爐里磷多是從磷酸鈣中還原出來(lái)的，磷酸鈣主要含在礦石里，磷的還原耗熱還應(yīng)包括磷酸鈣的分解耗熱，因此在熱平衡計(jì)算時(shí)，應(yīng)按第二個(gè)反應(yīng)的熱效應(yīng)計(jì)算。如果熔劑（石灰石）中有磷，熔劑碳酸鹽的分解耗熱是按cao量計(jì)算的，這時(shí)熔劑中磷的耗熱可按第一個(gè)反應(yīng)計(jì)算。但是熔劑通常含磷不多，計(jì)算時(shí)可不考慮。磷是難還原元素，用碳直接還原，對(duì)于一般生鐵的冶煉，磷幾乎全部還原進(jìn)入生

45、鐵。磷的還原耗熱為 qdp4.18×6275×10×p （kj） （3-28)(4）如果生鐵中還含有其他合金元素，則還原反應(yīng)的熱效應(yīng)可以參考下列數(shù)據(jù)：nb2o5 + 5c 2nb + 5co - 4.18×1680kj/kg(nb)tio2 + 2c ti + 2co - 4.18×3460kj/kg（ti）v2o5 + 5c = 2v + 5co - 4.18×2270 kj/kg(v)3.2.3 其他不同耗熱項(xiàng)的計(jì)算3.2.3.1 脫硫耗熱第二熱平衡計(jì)算中通常按下式計(jì)算脫硫耗熱fes + cao + c cas + fe + co

46、 - 4.18×1139kj/ke(s)計(jì)算時(shí)仍按進(jìn)入渣中的硫量考慮。對(duì)于脫硫耗熱計(jì)算有些問(wèn)題是值得探討的，按照爐渣脫硫的分子理論考慮，其反應(yīng)是按兩步進(jìn)行的 第一步 cao + fes = cas + feo 第二步 feo + c = fe + co 第一步反應(yīng)的熱效應(yīng)很小，還屬放熱反應(yīng)，而第二步的還原耗熱，在第二熱平衡中已計(jì)入鐵的直接還原耗熱項(xiàng)（qdfe5）內(nèi)。這樣看來(lái)，對(duì)第二熱平衡而言，脫硫耗熱是可以不計(jì)算的。但高爐生產(chǎn)實(shí)踐表明，脫硫是需要消耗熱量的，當(dāng)硫負(fù)荷增加時(shí)，煉鐵焦比亦需增加，其原因可能如下： 其一，高爐中硫絕大部分來(lái)自于燃料，燃料中硫又多呈有機(jī)物形態(tài)，它們?cè)诟郀t中要分

47、解。分解出的硫有可能與高爐中溫區(qū)部位還原出的鐵化合成fes，然后硫再脫除進(jìn)渣，鐵還原進(jìn)入生鐵。這后面過(guò)程雖未額外消耗熱量，但有熱量的轉(zhuǎn)移。而燃料中有機(jī)硫的分解耗熱應(yīng)予計(jì)算，但缺少這方面的熱力學(xué)數(shù)據(jù)； 其二，脫硫需要cao，需要提高爐渣堿度。石灰石用量增多，熔劑分解需多耗熱；爐渣堿度高時(shí)，爐渣熱焓高，也需多耗熱； 其三，為充分脫硫，需要爐渣具有良好的流動(dòng)性和充沛的爐溫，這也以多耗熱量作保證。綜上所述，第二熱平衡計(jì)算中脫硫耗熱還是該計(jì)算的。但是，怎樣計(jì)算更為正確合理，是需進(jìn)一步研究探討的。3.2.3.2 碳酸鹽分解耗熱在第二熱平衡中，碳酸鹽分解耗熱的計(jì)算原則、方法，與第一熱平衡計(jì)算是一樣的。但在這

48、項(xiàng)耗熱中，還要加入碳酸鹽在高溫區(qū)分解出的co2參與碳素溶損反應(yīng)的耗熱量。一般說(shuō)來(lái)，因?yàn)樘妓徕}的分解溫度高，需在900以上區(qū)域才能分解完，所以只有在加人石灰石、白云石等類熔劑時(shí)，才考慮這項(xiàng)耗熱。石灰石在高溫區(qū)分解率為4060%，通常按50%考慮，碳素溶損反應(yīng)耗熱為co2 + c 2co - 4.18×39600kj（或4.18×90okj/kgco2）3.2.3.3 氫的反應(yīng)熱在第一熱平衡中要計(jì)算氫的氧化放熱及生成ch4放熱，而在第二熱平衡中只計(jì)算ch4生成熱。氫的氧化熱已包含在氫的還原耗熱項(xiàng)內(nèi)，在熱收入中就不應(yīng)再計(jì)算了。3.2.4 兩種熱平衡計(jì)算方法對(duì)比表為便于掌握第一、第

49、二全爐熱平衡的計(jì)算方法，了解它們之間的聯(lián)系與區(qū)別，更好地進(jìn)行熱平衡計(jì)算，這里列出了兩種熱平衡計(jì)算方法的對(duì)比表（見(jiàn)表3-2）。表3-2 兩種熱平衡計(jì)算方法對(duì)比第一、第二熱平衡計(jì)算方法對(duì)比（熱收入）第一熱平衡第二熱平衡不同計(jì)算項(xiàng)（l）碳素氧化熱按煤氣中由高爐反應(yīng)生成co，co2量計(jì)算c + o2co 放熱2340kca1/kgcc + o2co2 放熱7980kca1/kgc（1) 風(fēng)口前碳素燃燒放熱由風(fēng)口碳量（c b）計(jì)算，碳素在風(fēng)口前燃燒的最終產(chǎn)物是co,放熱量為2340 kca1/kgc(2) 氫的化學(xué)反應(yīng)熱h2 + o2h2o 放熱3211kca1/kgh2oh2 +cch4 放熱1124

50、kca1/kgch4(2）ch4生成熱只計(jì)算生成ch4放熱（h2氧化成h2o的熱量在h2還原項(xiàng)內(nèi)考慮）相同計(jì)算項(xiàng)(3）鼓風(fēng)帶入熱量、 由鼓風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)溫、濕度，按空氣（干）及水蒸氣的熱容或熱焓量計(jì)算(4) 爐料（燒結(jié)礦）帶入熱量 由熱燒結(jié)礦量、溫度，按其熱容或熱焓量計(jì)算，若用冷礦可以忽略不計(jì)此項(xiàng)熱量(5）成渣熱 按碳酸鹽分解出cao、mgo量計(jì)算，當(dāng)mgo量不多時(shí)，可以統(tǒng)取每千克cao(mgo) 成渣放熱270kcal第一、第二熱平衡計(jì)算方法對(duì)比（熱支出）第一熱平衡第二熱平衡不同計(jì)算項(xiàng)（1) 氧化物分解耗熱 鐵氧化物分解按不同鐵氧化物分解熱計(jì)算feo硅fe 吸熱973.3kca1/kg feo硅fe3o4fe 吸熱1146. 4kcal/kg fe3o4fe2o3fe 吸熱1230.7kca1/kg fe2o3mn、si、p等氧化物分解按分解產(chǎn)物由生鐵成分計(jì)算mnomn 吸熱1758.5kca/kgmnsio2si 吸熱7366.0 kca/kgsi磷酸鈣p 吸熱8540.0kca/kgp（1)氧化物還原耗熱 鐵氧化物還原按高級(jí)氧化鐵還原到feo，再由feo按還原度、)還原到fe的耗熱計(jì)算硅酸鐵分解成feo吸熱78. 8kcal/kgfeofe2o3+co2f