高炉本体设计

高炉炼铁综合计算及高炉本体设计

目录

前言3

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第一章高炉炼铁综合计算4

原始条件4

工艺计算6

配料计算6

物料平衡10

热平衡计算15

热平衡表18

m的高炉本体设计 19第二章有效容积12753

技术经济指标确定19

高炉内型尺寸计算19

炉衬材质及厚度22

炉底衬砖的设计22

炉腹、炉腰及炉身下部的砌筑22

炉身上部和炉喉砌筑23

高炉冷却 23

冷却的目的和意义24

高炉冷却介质 24

冷却设备 24

炉体钢结构25

炉体钢结构25

炉壳25

高炉基础25

结论错误!未定义书签。

谢辞26

参考文献 27

前言

高炉炼铁是以铁矿石（天然富矿、烧结矿、球团矿）为原料，以焦炭、煤粉、重油、天然气等为燃料和还原剂，以石灰石等为熔剂，在高炉内通过燃料燃烧、氧化物中铁元素的还原以及非铁氧化物造渣等一系列复杂的物理化学过程获得生铁。其主要副产品有高炉炉渣和高炉煤气。

为实现优质、低耗、高产和延长炉龄，高炉本体结构和辅助系统必须满足耐高温，耐高压，耐腐蚀，密封性好，工作可靠，寿命长，产品优质，产量高，消耗低等要求。现代化高炉已成为高度机械化、自动化和大型化的一种综合生产装置。高炉车间的设计也必须满足高炉生产的经济技术指标，以期达到最佳的生产效果。

摘要: 高炉炼铁的历史悠久，炼铁技术日臻成熟，是当今主要的炼铁方式。高炉作为炼铁工艺的主体设备，其结构的合理性对炼铁的工艺操作、生产技术指标以及自身的寿命都有十分重要的影响。根据攀枝花钒钛磁铁矿的高炉冶炼特点，通过进行配料计算和物料平衡计算，设计了1700m3高炉本体。设计过程除考虑通常的高炉设计方案外，还考虑了攀枝花钒钛磁铁矿多年高炉冶炼的一些生产实践经验。采用碳砖加高铝砖综合炉底、全碳砖炉缸；冷却设备的设计为水冷炉底、炉缸和炉底采用三段光面冷却壁、炉身采用镶砖冷却壁；高炉钢结构采用炉体框架式结构，最后采用CAD绘制出高炉本体图。

关键词: 高炉炼铁；综合计算，高炉本体设计

第一章高炉炼铁综合计算原始条件

(1) 原料成分

原料成分见表1-1

表1-1原料成分（%）

续表1-1

（2）熔剂成分

熔剂成分成分见表1-2

表1-2熔剂成分（%）

（3）焦炭成分

焦炭成分见表1-3

表1-3焦炭成分（%）

（4）煤粉成分

煤粉成分见表1-4

表1-4煤粉成分（%）

（5）铁水预定成分

铁水预定成分见表1-5

表1-5铁水预定成分（%）

（6）元素在高炉各相中的分配见表1-6

表1-6元素在高炉各相中的分配（%）

选定焦比：350kg/t 煤比：160kg/t rd=

炉渣R：风温：1100℃炉渣：1500℃生铁：1450℃炉顶煤气：200℃

工艺计算

1.2.1 配料计算

1 . 原料成分的整理

原料成分校正整理见表1-2-1

表1-2-1原料成分校正（%）

续表 1-2-1

配比；烧结矿/球团矿/精块矿=65/25/10

混合矿成分见表1-2-2 表1-2-2混合矿成分（%）

续表1-2-2

2. 冶炼1吨生铁原料的消耗

设生产每吨生铁所用的复合矿和石灰石分别为X t Kg /和Y t Kg /，其中:焦比350t Kg /，煤比160

t Kg /，

鼓风湿度1%，直接还原度

d

γ=，炉渣碱度。

铁平衡 ＋×3/997= ++350×+160×

碱度平衡 =++350×+160×/++350×+160× 解得: X =t Kg

/ Y =t Kg /

3. 渣量和炉渣成分的计算 (1)．炉渣中 的量 a.原燃料带入的总硫量:

s G =×＋350×＋×＋160×=3.648 Kg/t

b.进入生铁的硫量: 生铁

s G =Gs ×7%=

Kg

c.进入煤气的硫量:

煤气

s G =Gs ×8%=×8%=

Kg

故炉渣中的硫量:

渣s G = s G -生铁s G -煤气s G =Kg 炉渣中的FeO 的量渣FeO G

渣

FeO G =×

5672

997.00.003 =Kg (3).炉渣中的MnO 量

渣

MnO G

渣

MnO G =××=

Kg

(4).炉渣中的

2SiO 量渣2SiO G

渣

2SiO G =×+×+350×+160×Kg 炉渣中的CaO 量G CaO

G CaO 渣=×+×+350×+160×=Kg (6).炉渣中的MgO 量G MgO 渣 G MgO 渣=×+×+350×+160×=Kg (7).炉渣中的32O Al 量渣32O Al G

渣32O Al G =×+×+350×+160×=Kg

(8)炉渣中的TiO 2

渣2TiO G =×＋350××80/48=Kg

总渣量： 渣G =渣s G 1/2+渣FeO G +渣MnO G +渣2

SiO G +渣CaO G +渣MgO G +渣3

2

O Al G ＋渣2

SiO G =Kg

炉渣成分见表1-2-3 表1-2-3 炉渣成分

4. 生铁成分的校对

[Si]=% [S]=% [Ti]=％

[Fe]=（×+×+350×+160×）××100/1000=%

[]P ：××

142

62

) ×100/1000=% []Mn ：×55/71×100/1000=% []C ：

生铁成分见表1-2-4

表1-2-4 生铁成分（%）

炉渣碱度校核：

炉渣碱度=G CaO /渣2

SiO G ==

5. 炉渣性能和脱硫能力验算。

将炉渣中2SiO ，CaO ，32O Al ，MgO 四元换算成100%，然后查四元相图。

2SiO /= %

CaO /= %

32O Al /= %

MgO /= %

查得炉渣的熔化温度在1400—1500之间，考虑到渣中还有其他氧化物能在某种程度降低炉渣的熔化温度，所以在高炉炉缸温度下，此渣能顺利熔化.m(CaO +MgO )/m(2SiO +32O Al )=,查等粘度曲线图得1500℃时为 ·s,1400℃时为 ·s.

为达到渣中含S %，生铁含S %，炉渣中的ω（RO)必须达到

ω（RO)=ω（32O Al ）+3ω（S)-

U

Si ]

ω30[][ω3.0+=×＋3×〖×

＋30×〗/=炉渣中实际ω

（RO)=ω(FeO)ω(MnO)ω(MgO))(ω+++caO =.实际大于要求的，所以保证能脱硫。 1.2.2 物料平衡 （1） 风量的计算

1） 焦炭和煤粉带入的碳量=350×+160×=Kg 少量元素还原碳耗=×5512

＋×2824＋×6260＋2×4824=Kg

铁直接还原碳耗=×12×= Kg

进入生铁的碳=1000×％= 脱硫耗碳=××3212

=

生成CH4的碳=×％= Kg

CaCo3分解出CO2在高温区与C 反应=×××4412=0.472Kg

这样燃烧的碳

燃

C G =285.565Kg 风口前碳的燃烧率=×100%=%

2） 计算鼓风量

风V 鼓风中水分为φ =1% ω=22％

a.鼓风中氧的浓度:N =×+×=

b.

燃

C G 燃烧需要的氧气的体积为:

由反应

CO O C 2→22+ 得:

2

O V =×1224

.22?=3m

故

风V ＝

N

V O 鼓风

2==3

m

空气

γ＝3

/m Kg

其中水分为3

m ，干风量为3

m ,干风重为×=，水分重为×18/=煤粉带入的氧=160× =3

m ，所以需风机提供的风量为 3

m /t. (2) 煤气成分的计算 1) 4CH 体积4CH V :

a.由燃料碳素生成的4CH 的量为：

碳4CH V ＝甲烷C G ×

124.22＝×12

4.22＝3

m b.焦炭挥发分中CH 4的量：

焦焦焦%44CH G V CH ×=＝350××

16

4.22＝ 3

m 故 4CH V ＝碳4CH V + 焦4CH V ＝+＝3m

2)

2H 的体积2H V :

a.鼓风中的水分分解产生的氢量为：分

2H V =3

m

b.焦炭挥发分中的氢量为：

焦2H V ＝焦G × 挥发分%2H ×

24.22＝350××2

4

.22＝3.9593m c.煤粉分解产生的氢量为：

煤2H V ＝煤G × 挥发分%2H ×

2

4.22＝160××2

4.22＝3

m d.与氢气发生还原反应消耗的氢量为：（在喷吹条件下,一般有40％氢参加反应

还2H V ＝总2H V ×2H h =（+＋）×40%=3m

e.生成CH 4消耗的氢量为： 生成4CH 消耗的2H =×2=3

m 故 进入煤气的氢气的体积为：

2H V ＝分2H V +焦2H V +煤2H V - 还2H V - 甲烷2H V ＝++3m 2CO 的体积2CO V

a.32O Fe 还原为FeO 时生成的2CO 量为：

)(3

2

2FeO O Fe CO V = ×+× ×160= 3m

b.

FeO 还原为Fe 时生成的2CO 量为：

)(2Fe FeO CO V →=56

4.22)4.2256

-γ-1(2??

?t H d t Fe V Fe 还 =×[×56)/×] ×56=180.0663

m c.熔剂分解生成的2CO 量为：

分解2CO V ＝×（×44/40＋××44/56）×44＝3m

溶剂带入的2CO 量溶2CO V =×××44

4.22=3

m d.焦炭挥发分中的2CO 量为：

挥发2CO V ＝350××

44

4.22＝3

m 故 进入煤气的2CO 的体积为：

2CO V ＝)(3

2

2FeO O Fe CO V →+)(2Fe FeO CO V →+分解2CO V +挥发2CO V ＋溶2CO V

＝ ++++=3

m 4) CO 的体积CO V

a. 燃烧反应生成的CO 的量为：

燃CO V ＝燃C G ×

124.22＝×12

4.22＝ 3

m b. 直接还原生成的CO 的量为：

直CO V ＝直C G ×

124.22＝＋＋＋×2)×12

4.22＝18

5.2013

m c. 焦炭挥发分中的CO 为：

挥CO V ＝%CO G ×焦×

284.22＝350××28

4.22＝ 3

m d. 间接还原反应消耗的CO 的量为：

间CO V ＝)(32FeO O Fe CO V →+ )(Fe FeO CO V →

＝+ ＝3

m

溶剂在高温区分解产生的高CO V =× ×56/12=3

m

故 进入煤气的CO 的体积为：

CO V ＝ 燃CO V +直CO V ＋高CO V +挥CO V -间CO V

＝++＋3

m

2N 的体积2N V

a. 鼓风带入的2N 的量为：

风2N V ＝风风%2N V ? =×= 3m

b. 焦炭挥发分带入的2N 的量为：

焦2N V ＝28

4.22%2?

?N G 焦＝350××284.22＝0.423

m

c. 煤粉挥发分带入的2N 的量为：

煤2N V ＝28

4.22%2?

?N G 煤＝160××284.22＝3

m

故 进入煤气的2N 体积为：

2N V ＝风2N V +焦2N V +煤2N V

＝++=3

m

所以 煤气的总体积为：

总V ＝4CH V +CO V +2H V +2N V +2CO V

＝++++＝3

m 煤气成分见表1-2-5 表1-2-5 煤气成分表

ρ=（×44+×28+×28+×2+×16）/=

煤气的重量：=×= （6） 煤气中的水分O

H G 2：

a. 焦炭带入的水分为：

焦O H G 2 =焦焦%2O H G =350×=Kg

b. 氢气还原生成的水分为：

还O H G 2 = ×

4

.2218

=Kg C.溶剂带入水分为：

溶

O H

G 2=×=Kg

故

O H G 2=焦O H G 2+还O H G 2=+＋=Kg

矿石实际入炉量=×=Kg 焦炭实际入炉量=

02.1005

.0-1350

×=Kg

石灰石实际用量=×=Kg

机械损失炉尘=矿石实际用量×＋焦炭实际用量×＋石灰石实际用量×=Kg （3） 物料平衡表

物料平衡表的编制见表1-2-6 表1-2-6 物料平衡表

误差校核

%240.0%100*274

.3983552

.9=

因为 %<%，所以计算合理。 1.2.3 热平衡计算 1.2.3.1 热收入的计算收q (1) 碳素氧化放热C q

1） 碳素氧化为2CO 放出的热量2O C q 为：生成1 3

m 2CO 放热kJ 碳素氧化产生2CO 的体积

3

881.351618.0-881.0-353.38--2222m V V V V CO CO CO CO ===

kJ V q CO CO 53.628793750.17869881.35150.1786922=?=?=

2）碳素氧化为CO 放出的热O C q ：生成13

m CO 放热kJ 碳素氧化产生CO 的体积

3087.371692.0-371.779-m V V V CO CO CO ===

KJ V q CO CO 15.194513472.5241087.37172.5241=?=?=

故 KJ q q q CO CO C 68.823307115.194513453.62879372=+=+= （2） 鼓风带入的热量 鼓风中空气热占%，水蒸汽热占%

℃m kJ C q ?=34233.1风 =水q C ℃m kJ ?3

鼓风温度：1100℃

2%的风量用于输送煤粉（不带入热量）

1100)7393.1%5.1%984233.1

%5.98%98(????+???= V V q ＝×98%×%×+×98%×%× ×1100= KJ

（3） 氢氧化放热

2

H q

13

m 的2H 放热KJ

KJ

q H 570.30762558.1078828.5142=?=

（4） 成渣热渣q

KJ

MgO CaO x MgO CaO y q 26.55316.1128%)]05.0%238.0(1.01749.224%)29.0%057.54(091.8[6

.1128%)]%(1.0%)%([=?+??++?=?+?++= （5） 炉料物理热

物理热

q

单位矿石热量

25℃炉料的热容=0.6897?kg kJ ℃

KJ X q 995.36160256897.01749.224256897.0=??=??= 热量总收入

KJ q q q q q q H C 110417027.22=++++=

1.2.3.2 热支出的计算

支q

（1） 氧化物分解吸热

氧化物分解

q

1）铁氧化物分解吸热氧化物分解铁q

a.烧结矿和球团矿中FeO 的20%以22.SiO FeO 存在. 80%以43O Fe 存在。焦炭灰分和煤粉灰分中的FeO 全部以22.SiO FeO 存在，精块矿中FeO 全以43O Fe 存在。所以以22.SiO FeO 存在的FeO =××＋350×＋160×＋××=Kg

b.以43O Fe 存在的

FeO =××＋××＋×=Kg

以43O Fe 存在的32O Fe =×72

160

=Kg 所以 43O Fe =＋=Kg

游离的32O Fe =×Kg 分解1Kg 43O Fe 耗热KJ 分解1Kg 22.SiO FeO 状态存在的FeO 耗热KJ 分解1Kg 32O Fe 耗热KJ 所以

氧化物分解铁q = ×＋×＋×=KJ

2） 锰氧化物分解吸热锰氧化物分解q 由MnO 分解1Kg Mn 耗热KJ

KJ

Mn 601.2219853.73501000%302.053.73501000]%[=??=??

3） 硅氧化物分解吸热硅氧化物分解q 2SiO 分解1Kg Si 耗热KJ

KJ Si q 304.11170114.310281000%36.014.310281000]%[=??=??=硅氧化物分解 磷酸盐分解吸热

磷酸盐分解q 52.3O P CaO 分解1KgP 耗热KJ

KJ p q 92.392662.356971000%11.02.356971000]%[=??=??=磷酸盐分解

钛氧化物分解吸热钛氧化物分解q 2TiO 分解1Kg Ti 耗热×4711KJ

钛氧化物分解q =74.39289471117.41000%2.0471117.41000]%[=???=???Ti

故

氧化物分解q = 氧化物分解铁q + 锰氧化物分解q + 硅氧化物分解q + 磷酸盐分解q +钛氧化物分解q

= KJ （2） 脱硫吸热脱硫q 平均脱硫耗热kg kJ

脱硫q =渣S G × = × = KJ （3） 碳酸盐分解吸热碳酸盐分解q

3caco 分解吸热kg kJ

3mgco 分解吸热kg kJ

碳酸盐分解q = （×＋×）×＋（×＋×）×=KJ

（4）水分分解吸热

水分

q

分解1

m

3

水蒸汽吸热KJ

水分q =××=KJ

（5） 炉料游离水蒸发吸热汽q

1Kg 水从0℃℃到100℃水吸热418KJ 1Kg 水从100℃到100℃水蒸汽吸热KJ

汽q = ()2.2257418%2+??焦焦O H G = 350×5%×（418＋）=KJ

（6） 铁水带走的热量铁水q 1Kg1450℃铁水带走KJ

铁水q =1000× =1237280KJ

（7） 渣带走的热量渣q 1Kg1500℃炉渣带走KJ

渣q =渣G × =×= KJ

（8） 吸热煤粉q

分解1Kg 煤粉吸热836KJ

煤粉q =煤G ×836 = 160×836 = 133760KJ

（9） 煤气带走的热量

从常温到200℃之间，各种气体的平均比热容()[]C

m

KJ C p ο

?3/

如表1-2-3-1：

表2-2-3-1各种气体的平均比热容 煤气带走的热量为：

a.干煤气热容=×+×+×+×+×=KJ

干煤气q =××200=

KJ

b. 煤气中水分带走的热量为：

水q =(350××

18

4

.22)（200－100）×＋××200=8931.736KJ c. 炉尘热容C 尘： KJ/(Kg ·℃)

炉尘带走的热量q 尘=××200= 故 煤气q =干煤气q +水q +q 尘=KJ

故

支q =氧化物分解q +脱硫q +碳酸盐分解q +水分q +汽q +铁水q +渣q +煤粉q +煤气q

=KJ

(10)热损失为：

损失q =收q ﹣支q =.21﹣=KJ

1.2.3.2 热平衡表

热平衡表的编制见表2-2-3-2 表1-2-3-2热 平 衡 表

热量利用系数T

T K =总热量收入﹣(煤气带走的热+热损失)= 100%﹣% + %) = %

碳素利用系数C K

C K =

燃烧放热

进入生铁以外的碳全部碳素氧化热

×100%=

2

.33436)96.41-429.129(8233071.68

?×100%

=%

第二章 有效容积12753

m 的高炉本体设计 技术经济指标确定

⑴确定年工作日: 365×95%=346d

⑵高炉有效容积利用系数一般直接选定。利用系数为()

d m

t ?3

/

⑶根据高炉有效容积利用系数和高炉总容积（3

m ）可以计算出高炉日产量: 高炉日产量＝高炉总容积（3

m ）*高炉有效容积利用系数 =1700×=3400t 高炉内型尺寸计算 ⑴ 炉缸尺寸: 1) 炉缸直径

选定冶炼强度 I =()

d m

t ?3

/

, 燃烧强度燃i =(m 2．h)

则 d =燃

i V I u

×23

.0= 取 d = m 校核

A

V u

= 合理 2) 炉缸高度

渣口高度（z h ）=2

27

.1d c N P

b ????铁ρ =

2

34.91.755.01034002.127.1?????= 取hz =m

（3）风口高度（h f ）

f

h = =3 取

f

h =3m

风口数目

n =2×(d +2)=2× +2)= 取n =23个 风口结构尺寸 选取 a =m

则炉缸高度

1h = f h + a =3+= m

⑷ 死铁层厚度: 选取

o h =m

⑸ 炉腰直径,炉腹角,炉腹高度: 选取 d

D

=则 D =×d =×= m 取D = m

选取

α =810

则 h 2=(D-d)×tg81°/2= 取 h 2= 校核α：tg α=2 h 2/(D-d)=2× α=o ⑹ 炉喉直径,炉喉高度: 选取 D

d 1

= 则 1d =×D =×= 取 1d =m 选取

5h =m

⑺ 炉身角,炉身高度,炉腰高度: 选取β =84 0