高炉炼铁计算

高炉炼铁工艺计算1、物料平衡计算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。物料衡算有助于对高炉过程进行全面定量的分析和深入研究，并为热平衡计算做准备。1、物料平衡计算的准备1.1进行物料衡算应具备以下资料：1.2各种物料的全分析成分，各种物料的实际用量；1.3生铁成分、炉渣成分和数量；1.4鼓风含氧量及鼓风湿度等。2、物料平衡计算内容与方法2.1 鼓风量的计算对于炼铁设计，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Vb（m3，一般均为标准立方米）表示，它是由风口前燃烧碳量与鼓风含氧量计算的。（1）风口前燃烧碳量Cb的计算由碳素平衡图（图2-4）可知（kg/t，下同）（2-1）式中CO——氧化碳量，kg/t；Cda——合金元素还原耗碳，kg/t；CdFe——铁的直接还原耗碳，kg/t。要计算风口前燃烧碳量，则需先计算式中其他各项碳量，它们的计算是1）氧化碳量计算（2-2）式中，为生铁渗碳量，由生铁成分计算；为生成CH4碳量，按燃料带入碳量的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。2）合金元素还原耗碳的计算式中，，，，——生铁中相应元素含量，%；Φ——每吨生铁的石灰石用量，kg；——石灰石中CO2含量；——石灰石在高温区分解率，通常取α=0.5；——每吨生铁的渣量，kg；——渣中硫含量。如果生铁中还含有其他直接还原的合金元素，那么应在式中加上所消耗的化学当量的碳。3）铁直接还原耗碳的计算=12××/56              （2-4）式中，为冶炼每吨生铁的还原铁量，kg。如果高炉冶炼不加废铁，=10[Fe]；如果加入废铁，则=10[Fe]–Fe料，其中Fe料为废铁用量，kg/t。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Cb约占入炉碳量的70%~80%。（2）鼓风量的计算根据风口前碳素燃烧反应2C+O2=2CO，由燃烧碳量（）及鼓风的含氧量（），可以计算出1t生铁的鼓风量（m3/t）（2-5）式中，0.933为燃烧1kg碳素所需要的氧量（m3），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：=0.21+0.29×+(－0.21)×式中——鼓风湿度，用体积小数表示；——1m3鼓风中兑入的富氧气体量，m3；——富氧气体氧的纯度。“(－0.21)×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（2-6）式中，为冶炼每吨生铁由煤粉带入的氧量（m3），它的计算是（2-7）式中，为煤粉中含氧量；为煤粉水分含量。（3）鼓风质量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）（2-8）式中，为标准状况下的鼓风密度（kg/m3），它要由鼓风成分及其分子量去计算。2.2煤气量及煤气成分的计算组成炉顶煤气的有CO2、CO、N2、H2、CH4五种组分，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。（1）煤气级成数量的计算1）CH4CH4的来源有二：一是焦炭挥发分中含有CH4，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CH4）；另一是由高炉中碳素同煤气中氢化合生成。这后部分CH4数量按生成CH4的碳量计算（现在也有认为没有碳素生成CH4的）。因此，每吨生铁煤气中CH4量的计算是：（m3/t）（2-9）式中 CH4——焦炭中CH4的含量。2）H2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（）”。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Fe3O4；②与碳反应生成CH4；③其余部分进入炉顶煤气。炉顶煤气中H2量按下式计算=－－（m3/t）（2-10）或者这里为入炉的总氢量（m3/t），其计算是（2-11）式中——焦炭中H2的含量；，——煤粉中H2及H2O的含量；——氢利用率。生成CH4的氢量是：（2-12）3）CO2CO2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CO2；②炉料带入的，这里面包括焦炭挥发分中的CO2、矿石烧损项的CO2，以及熔剂（石灰石、白云石）带入的CO2。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CO2的要同C反应生成CO，计算CO2数量时，这部分不应计入。炉顶煤气中，CO2数量的算式是：（m3/t）（2-13）式中——由还原产生的CO2量，kg/t；——由炉料带入的CO2量，kg/t。它们的计算是（4-14）（4-15）式中，，——矿石中相应成分含量；，——分别为熔剂、焦炭中CO2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Fe2O3就都由CO还原到浮士体。氢还原度计算如下：4）COCO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CO2参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CO2，其余以CO进入煤气。炉顶煤气中CO数量的计算是：（m3/t）（2-16）或者（2-16’）这里应明确，石灰石在高温区分解出的CO2，要被C还原成CO（CO2+C=2CO），一个要CO2变成两个CO，其中一份包括在式4-16’中的Cda项内，另一份则是该式的第四项。5）N2炉顶煤气中N2主要是由鼓风带入的，焦炭和煤粉也带入一些，不应遗漏。（m3/t）（4-17）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（2）煤气量Vg及其成分的计算炉顶煤气各组分的数量求出后，将它们加和即得到每吨生铁的煤气量：（m3/t）然后再求出各组成的含量，得到炉顶煤气成分并把它们列成表格。这里得到的煤气成分是干基成分。在此还要计算吨铁煤气量与风量的比值，一般＝1.37~1.43，有喷吹时比值高些；富氧鼓风时，、都有减少，风量减少幅度更大些，因此该比值也会高些。（3）煤气质量的计算煤气密度可按下式计算（kg/m3）（2-18）式中，，，，——炉顶煤气中相应组分的含量。每吨生铁的煤气质量则为（kg）（2-19）2.3 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（kg）（2-20）式中，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—）。还应注意，如果熔剂、矿石（生矿）也带入了物理水，应在式2-20内加入。2.4编制物料平衡表，计算物料平衡误差物料平衡表的收入项有：（1）混合矿石用量（包括机械损失在内，炉尘量矿石按外加3%计算）；（2）焦炭用量（包括机械损失及水分在内，炉尘量焦炭按外加2%计算）；（3）喷吹燃料（煤粉）用量；（4）熔剂用量（包括机械损失在内，炉尘量熔剂按外加1%计算）；（5）鼓风质量。物料平衡表的支出部分有：（1）生铁质量（1000kg）；（2）炉渣质量；（3）煤气质量；（4）煤气中水质量；（5）炉尘量（即炉料机械损失数量之和）。物料平衡误差包括绝对误差及相对误差，它们的计算是绝对误差=物料收入质量总和－物料支出质量总和在物料衡算中，相对误差一般应在±0.3%以下。进行物料平衡计算，需要认真仔细，一丝不苟。如果没有计算错误，计算的各项没有遗漏和重复，误差是不会大的，计算结果能够满足要求。对物料平衡影响较大的数据，计算时要精确，取舍要合理，如鼓风和煤气的密度计算，应精确到小数点后第三位（应精确到克位上），它的误差为1g，1t铁的鼓风量或煤气量就会相差1~2kg以上。高炉热平衡计算热平衡计算是炼铁工艺计算中的重要组成部分。通过高炉冶炼过程在热量方面的收入与支出情况的计算，能够了解高炉内热量消耗状况，分析高炉冶炼过程的优劣，探讨进一步改善能量利用、降低燃料消耗的途径。在追求高炉生产优质低耗的今天，搞好高炉热平衡测定与计算是具有极其重要意义的。高炉冶炼的热量消耗决定了炼铁焦比（燃料比）的高低。通过热平衡计算，可以探索一定冶炼条件下的最低焦炭消耗量。因此，理论焦比的计算是离不开热平衡计算的。高炉热平衡计算可分为两类：一类是以整个高炉为对象的热平衡计算，这就是全炉热平衡计算；另一类是以高炉局部区域为对象的热平衡计算，即区域热平衡计算。全炉热平衡计算的方法有多种，比较常用的是：第一种全炉热平衡计算，它是按热化学的盖斯定律，依据入炉物料的最初形态和出炉的最终形态，来计算产生和消耗的热量，而不考虑高炉内实际的化学反应过程。这种方法出现较早，原理简单，但计算较为繁琐，也不尽如实反映高沪冶炼过程热量消耗的情况。虽然如此，它仍然是目前高炉热平衡测定所采用的方法。第二种区域热平衡计算，它是按高炉内实际发生的还原过程来计算热量消耗的，这种方法更能说明高炉冶炼能量利用的实际状况。区域热平衡计算多是以高炉下部的高温区为研究对象的。高温区是对高炉冶炼有决定性影响的区域。这种高温区热平衡计算更能反映高炉热交换的本质。这种方法出现较晚，但日益受到高炉工作者的重视。无论采用哪一种热平衡计算方法，热平衡的计算都应遵循能量守恒的原则，即供给研究区域的各项热量总和等于该区域热量消耗的总和。1 第一种全炉热平衡计算第一种全炉热平衡计算是根据热化学盖斯定律进行的。盖斯定律指出，化学反应的热效应只与物质的初末态有关，与反应的途径无关。根据这一定律，高炉中氧化物的还原，如FeO+C=Fe+CO反应，其热量转变是按氧化物分解（FeO→Fe+O2/2）耗热和还原剂氧化（C+O2/2→CO）放热两项热量分开计算的，而没有考虑物料在高炉内的实际反应过程。这种高炉热平衡的计算方法如下面所述。1.1热量收入的计算热收入通常包括以下五项：（1）碳素氧化热焦炭碳素氧化热与焦炭石墨化程度有关①，通常将焦炭中的固定碳按50%石墨碳，其余一半为无定形碳考虑的，这种情况下碳素氧化热为C+O2/2CO+4.18×2340kJ/(kg)（或4.18×2340kJ/m3CO）C+O2CO2+4.18×7980kJ/kg(kg)  （或4.18×4275kJ/m3CO2）CO+O2/2CO2+4.18×5640kJ/kg(kg) （或4.18×3021kJ/m3CO2）喷吹燃料煤粉中的碳素氧化热与焦炭碳素的稍有不同，为简化计算亦可取上面数值。冶炼1t生铁的碳素氧化热是由炉顶煤气中的CO和CO2数量计算的。计算时要注意扣除炉料、挥发分带入的该组分的数量，即仅计算由高炉反应产生的CO、CO2的氧化热量。碳素氧化放出热量亦可由氧化碳量来计算，这时要分清氧化成CO和CO2的碳量各是多少。这项热量的计算是=4.18×（2340+7980） (kJ)   碳素氧化热在热平衡的热收入中占有较大的比例，一般可达70%~80%。（2）鼓风物理热热风带入的物理热是热收入中的另一大项，约占15%~20%之多。鼓风物理热是根据风量、风温及湿度计算的式中——每吨生铁的风量，m3；——鼓风湿度；——热风温度，℃；——空气从基准温度到热风温度的平均等压热容，kJ/（m3•℃）；——水蒸气从基准温度到热风温度的平均等压热容，kJ/（m3•℃）。为简化计算，现场亦常采用气体的比焓来计算鼓风物理热=×{(1-)×+×}(3-2’)式中，，为热风温度时干空气及水蒸气的比焓（kJ/m3），各种气体的比焓可查阅附录表（3）氢氧化放热和CH4生成热氢和氧化合成水，1kg水生成热为4.18×3211kJ，若用水蒸气体积表示，则为4.18×2580kJ/m3。氢和碳生成甲烷放热4.18×1124kJ/kgCH4，或4.18×803kJ/m3CH4。因此，冶炼每吨生铁的这两项热量计算是=4.18×3211×  (kJ)                 (3-3)=4.18×1124×   (kJ)                (3-4)式中，及为还原生成的水量和甲烷生成量，kg/t。（4）成渣热成渣热是高炉冶炼过程中，由CaO和MgO同酸性氧化物生成炉渣而放出的热量。通常每千克CaO（或MgO）成渣放热4.18×270KJ。在大量使用熔剂性烧结矿冶炼时，因其中的CaO、MgO在烧结过程中已经成渣，所以这项热量只计算由熔剂、生矿带入的CaO、MgO量的成渣放热。=4.18×270× (kJ)              （3-5）式中，为冶炼每吨生铁由熔剂、生矿带入CaO和MgO的总量，kg。（5）炉料物理热对于使用冷矿的高炉，这项热量很少,可以忽略不计。在使用热烧结矿时，这项热量可由烧结矿量及其温度、比热容求得。烧结矿的比热容可取下列数值t/℃ 100   200   300   400   500                                         c/kcal·(kg•℃)-1 0.16   0.17   0.18   0.19   0.20              以上五项热量之和即为冶炼每吨生铁的总热量收入。1.2 热量支出的计算（1）氧化物分解耗热氧化物的分解耗热是按被还原元素的质量及分解热计算的。因为热平衡是按物料的初末态考虑的，因此计算时首先要清楚各种氧化物在炉料中存在的形态。这一项热量消耗是热平衡计算中的耗热大项，约占全部热支出的50%~60%。它包括：1）铁氧化物的分解耗热烧结矿、球团矿中的FeO一般有20%~25%以硅酸铁（2FeO·SiO2）形态存在，酸性烧结矿取高值；其余FeO以磁铁矿（Fe3O4）形态存在，因而人造富矿中的Fe2O3一部分与FeO组成磁铁矿，另一部分属自由Fe2O3，即赤铁矿。对于天然矿应有磁铁矿、赤铁矿，而无硅酸铁。焦炭、煤粉中的FeO及进入炉渣的FeO均按硅酸铁考虑。以硅酸铁形态存在的FeO数量的计算是=A××FeOa×(0.2~0.25)+K×FeOk+M×FeOm－U×FeOu   (kg)(3-6)式中FeOa，FeOk，FeOm，FeOu——分别为烧结矿（包括球团矿）、焦炭、煤粉及炉渣中的FeO含量；——炉料中的人造富矿配比；A——吨铁矿石用量，kg。矿石中以Fe3O4形态存在的FeO量为FeO磁=A×[FeOA－（0.2~0.25）××FeOa] (kg)         （3-7）式中，FeOA为混合矿中FeO含量。矿石中以形态存在的量（kg）矿石中数量（kg）矿石中自由（赤铁矿）数量（kg）（3-8）式中，为混合矿中含量。由以上可算出冶炼每吨生铁需要分解的以硅酸铁形态存在的量、量、自由状态的量。它们分解的热效应是吸热4.18×973.3kJ/kg(FeO)吸热4.18×1146.4kJ/kg(Fe3O4)吸热4.18×1230.7kJ/kg(Fe2O3)因此，冶炼每吨生铁因铁氧化物分解需要消耗的热量为＝4.18×（973.3×+1146.4×+1230.7×）(kJ) （3-9）2）锰氧化物分解耗热1kg分解成时需要热量4.18×341.1kJ，这部分耗热由炉料计算；由分解出1kg耗热4.18×1758.5kJ，这部分耗热由生铁来计算。因此，锰氧化物分解耗热为＝4.18×（341.1×A×+1758.5×10×）（kJ）（3-10）式中——混合矿中含量。3）硅氧化物分解耗热由分解出1kg耗热4.18×7366kJ，硅氧化物分解耗热为＝4.18×7366×10×（kJ）（3-11）4）磷酸钙分解磷的耗热由分解放出1kg耗热4.18×8540kJ，因此这项耗热为＝4.18×8540×10×（kJ）（3-12）5）钛氧化物（TiO2）和钒氧化物(V2O5)分解耗热对于冶炼一般生铁，氧化物的分解耗热就由上列四项组成，而对于冶炼钒钛生铁，还应加上钛氧化物（TiO2）和钒氧化物(V2O5)的分解耗热，即：由分解出1kg耗热4.18×3460kJ，钛氧化物分解耗热为＝4.18×3460×10×（kJ）由分解出1kg耗热4.18×2270kJ，钒氧化物分解耗热为＝4.18×2270×10×（kJ）6）氧化物总的分解耗热为：＝+++++计算各项耗热时，要注意热效应的计算基准，例如由分解出，其分解热可表示为4.18×1758.5kJ/kg()，亦可是4.18×1362.2kJ/kg()，虽然热效应数值不同，但耗热量是同一的，这只是从不同方面计算而已。各种氧化物的分解热可参阅附录3。（2）脱硫耗热炉渣反应是FeS+CaO=CaS+Fe+O2/2-4.18×1995kJ/kg(S)脱硫耗热可按下式计算=4.18×1995×（kJ）     (3-13)式中——冶炼每吨生铁进入炉渣的硫量，kg。如果炉料中含有硫酸盐，则应计算其分解热，其分解热为CaSO4=CaS+2O2－4.18×6835kJ/kg(S)BaSO4=BaS+2O2－4.18×7332kJ/kg(S)(3)碳酸盐分解耗热炉料中常见的碳酸盐有碳酸钙、碳酸镁等，对于碳酸钙，其分解反应是：CaCO3=CaO+CO2－4.18×42520kJ其等价的分解热为：4.18×759.3kJ/kg（CaO），这项耗热为=4.18×759.3××（kJ）（3-14）式中——每吨生铁石灰石用量，kg;——石灰石中CaO量。此项耗热也可按分解出的CO2量计算，其热效应是：4.18×966.4kJ/kg（CO2）或4.18×1898.2kJ/m3（CO2）对于碳酸镁，其分解反应是MgCO3=MgO+CO2－4.18×26150kJ分解热为4.18×653.7kJ/kg（MgO），或4.18×594.3kJ/kg（CO2），或4.18×1167.4kJ/m3（CO2）。其他碳酸盐（如MnCO3、FeCO3等）的分解热参阅附录表3。如果按CO2量计算碳酸盐的分解耗热，需划清CO2归属，对于石灰石、白云石中的CO2，，一般按先满足与CaO结合，其余的与MgO结合来分配其数量；而对于生矿中的CO2，可按矿石中的CaO与MgO的含量平均分配。（4）水分分解耗热鼓风中的湿分、喷吹燃料所含有的水分，都是从高炉风口进入炉缸的，他们在炉内全部分解。水分的分解反应是H2O=H2+O2/2－4.18×57790kJ分解热是4.18×3211kJ/kg（H2O），或4.18×2580kJ/m3（H2O或H2）。炉料（生矿）中的结晶水，在高炉里约有50%进入高温区，要进行分解；另外一半结晶水在高炉的中温区以水蒸气形态析出进入煤气。在计算分解耗热时还要考虑结晶水的溶解潜热（79kcal/kg）。炉料中结晶水的析出和分解耗热为：=4.18×（79+3211×）×H2O结晶（kJ）      (3-15)式中——结晶水的分解率，一般取=0.4~0.5；H2O结晶——每吨生铁的炉料带入结晶水量，kg。（5）炉料游离水的蒸发耗热1kg水由常温（20℃）升温至100℃吸热4.18×80kJ，在转变成100℃水蒸气吸热4.18×540kJ，总计吸热4.18×620kJ。因此这项耗热的计算是=4.18×620×（kJ）（3-16）式中——每吨生铁由炉料带入的游离水量，kg。炉料中的游离水主要是焦炭带入的，当使用生矿、石灰石冶炼，有时它们也能带入一些，不要遗漏。煤粉中的游离水是不应计入在内的。水蒸气由100℃至炉顶温度的升温耗热，计入煤气带走热量一项内，在此不予考虑。（6）喷吹物分解耗热高炉喷吹的煤粉进入风口区，在其燃烧前要经过预热、干馏的焦化过程，碳氢化合物要进行热分解，需要消耗热量，一般按4.18×（250~300）kJ/kg考虑。高炉喷吹无烟煤时，煤粉的分解热少些（240~250kcal）,而烟煤的分解热要多些（280~300kcal）。（7）铁水和炉渣带走热量铁水、炉渣带走热量可按它们出炉温度时的比焓去计算。对于炼铁设计，铁水和炉渣的比焓可参考表3-1选取。对于某些特殊矿冶炼的高炉，炉渣比焓有别于表中的数值，例如包钢炉渣含氟，其比焓较低。表3-1 生铁、炉渣比焓kcal/kg比焓炼钢生铁铸造生铁锰铁硅铁 铁水热焓量270~280300~310280~290320~350 炉渣热焓量410~430450~480440~470480~500(8)炉顶煤气带走热量这一项热量通常包括干煤气、水蒸气及炉尘三部分带走的热量。对于干煤气带走的热量可由煤气量、煤气平均热容及温度求得，亦可以用煤气比焓去计算=×（kJ）          (3-17)式中q煤气——炉顶温度下的煤气比焓，kJ/m3。煤气中水蒸气带走的热量可由水蒸气量、水蒸气平均热容及炉顶温度计算求得。这里应该指出，对于还原反应生成的那部分水蒸气（H2Or，m3/t）,它的平均热容应由基准温度（th，℃）算至炉顶温度（tg，℃）；而炉料带入物理水部分的水蒸气（H2Of，m3/t），因已计算了蒸发耗热（第五项热支出），它的平均热容应该由100℃算至炉顶温度。因此，水蒸气带走热量应为=×（×tg－×th）+×（×tg－×100）（kJ）（5-18）炉尘带走的热量可由炉尘量、炉尘比热容及炉顶温度来计算，炉尘比热容值大约为4.18×（0.17~0.18）kJ/(kg•℃)。（9）高炉热损失高炉的热量损失包括：辐射于高炉周围空间的热量；炉壳附近空气对流传走的热量；通过炉底传入地层的热量等。在较多的情况下，这一项还包括了冷却水带走的热量。由于这些热量损失的数据难以测定，通常采用由总热收入减去其他各项热支出的方法或采用经验公式估算得出。对于冶炼不同种类的生铁，高炉热损失的大小是不一样的。对于铸造生铁，高炉热损失一般为全部热支出的6％～10％，而炼钢生铁为3％~8％。高炉热损失的大小，也可作为确定、分析焦比的一个依据。对于炼铁设计来说，若热损失过大，说明焦比定得高了；若热损失太少，说明焦比定得低了；热损失比例维持在合适的范围内，才表明选定的焦比是合适的。（10）编制热平衡表当热收入和热支出的各项算完之后，就可以列出热平衡表，计算热平衡指标。热平衡表包括各项收支的热量以及它们所占的比例。2 、第二种区域热平衡计算第二种全炉热平衡计算是在第一种热平衡计算基础上发展起来的，它是按高炉内实际的还原过程来计算热量的供给和消耗的。这种热平衡更能反映高炉冶炼在热量交换与热能利用方面的实质。因此，这种热平衡计算在分析高炉热现象，探讨节约能耗、降低焦比的途径时被广泛应用。考察两种全炉热平衡计算能够发现，在物理热量项计算上，第二热平衡与第一热平衡具有相同的方法，若对于同一问题，它们的计算结果应是一样的。热平衡中属于物理热的项目有：鼓风带入的热量；炉料带入的热量；炉料游离水的蒸发耗热；生铁、炉渣带走的热量；炉顶煤气（包括炉尘、水蒸气）带走的热量；此外，两种方法的高炉热损失亦应是相同的。在化学热（或反应热）量项的计算上，两种热平衡有不同的计算方法，不同的计算结果，这是两者的根本区别。尽管如此，两种热平衡也有个别的相同计算项，如：甲烷生成热；造渣物质的成渣热；碳酸盐的分解耗热；鼓风湿分及喷吹燃料中水分分解耗热；喷吹物分解耗热。对于上述相同的物理热及部分化学反应热的计算，这里不再叙述。下面介绍第二热平衡中与第一热平衡不相同的计算项。2.1风口前碳素燃烧热的计算高炉冶炼过程热量的主要来源是碳素在风口前的燃烧放热，这部分热量约占全部热收人的60%～70%。焦炭和喷吹燃料的碳素在风口前燃烧的最终产物是CO，每千克碳素燃烧成CO放热统取4.18×2340kJ，因此冶炼1t生铁此项热收入的计算是（3-19）式中，为每吨生铁风口前燃烧的碳量（kg），对于生产高炉，它可由鼓风量及风中氧含量求得；对于炼铁设计，则由炉内碳素平衡求得。由于第二热平衡只计算风口前碳量的燃烧放热，这要比第一热平衡中的碳素氧化放热少得多，因此鼓风带人的物理热在第二热平衡中所占的比例，要比第一热平衡的大，可达30%多。2.2 铁及合金元素还原耗热的计算这项耗热是第二热平衡计算的主要热支出项，它分为两部分。2.2.1 铁氧化物的还原耗热铁氧化物还原耗热的计算过程是，首先算出以硅酸铁形态存在的FeO量，算出Fe3O4量及自由Fe2O3量（各种氧化铁数量的计算，可参考第一热平衡）；然后计算硅酸铁分解出FeO及高级氧化铁（Fe3O4、Fe2O3）还原到FeO的耗热量；再利用直接还原度及氢的还原度指标，计算由FeO还原到Fe的耗热量。其具体计算如下。（1）硅酸铁分解出FeO耗热由反应2FeO·SiO2＝2FeO＋SiO2一4.18×11350kJ可知，分解1kgFeO耗热4.18×78.8kJ，按lkg铁计则为4.18×101.3kJ。因此QdFe1＝4.18×78.8xFeO硅（kJ)(3-20)（2）Fe2O3还原到FeO耗热由反应Fe2O3+CO=2FeO+CO2–4.18×3.3kJ/kg(Fe)可计算QdFe2＝4.18×3.3×Fe2O3赤×112／160（kJ)(3-21)这里应注意的是，高炉里高级氧化铁Fe2O3到FeO的还原，全部是间接还原，并为CO所还原。其还原反应的热效应是按Fe计算的，而非Fe2O3到Fe的热效应。（3）Fe3O4还原到FeO耗热Fe3O4到FeO的还原亦是间接还原，但它可能被CO还原，也可能被H2还原。通常认为有5%～10%的还原氢量参加Fe3O4的还原。Fe3O4的还原反应是Fe3O4+CO=3FeO+CO2–4.18×29.7kJ/kg(Fe)Fe3O4+H2=3FeO+H2O–4.18×90.4kJ/kg(Fe)因此，Fe3O4的还原耗热为QdFe3＝4.18×｛29.7×Fe3O4(CO)+90.4×Fe3O4(H2)｝×168/232 kJ/kg(Fe)    (3-22)式中Fe3O4(CO)——每吨生铁由CO还原的Fe3O4量，kg；Fe3O4(H2)——被H2还原的Fe3O4量，kg。在简化计算时，亦可认为全部Fe3O4均被CO还原，而H2只参与FeO的还原。(4）H2还原FeO耗热在高炉里高于810℃的区域，H2比CO有较强的还原能力，同时在还原反应的动力学上亦占优势。因此，氢在高炉800～1200℃的区域里起到还原作用，并主要参与FeO的还原。对于实际冶炼的高炉，可由还原氢量计算还原铁量，进而计算氢的还原耗热；对于炼铁设计，则由全部氢量及预定的氢的利用率（ηH2），计算出还原氢量（H2r），再由此计算氢还原铁量及耗热，这时氢的还原度ri(H2)也成为已知数据。由反应FeO＋H2＝Fe＋H2O-4.18×118.2kJ/kg(Fe)可计算氢的还原耗热QdFe4＝4.18×118.2×H2r×αH2×56／2（kJ)（3-23）式中 H2r——冶炼每吨生铁的还原氢量，kg；αH2——还原氢中参与FeO还原比例，αH2＝0.90～1.0。（5）C还原FeO耗热根据反应FeO+C＝Fe+CO–4.18×649.lkJ/kg(Fe），由直接还原度rd及全部还原铁量计算出用碳直接还原的铁量，进而计算铁的直接还原耗热QdFe5＝4.18×649.1×Fe.r×rd（kJ）（3-24）（6）CO还原FeO的放热量由反应FeO+CO=Fe+CO2+4.18×58.1kJ/kg(Fe)，CO间接还原的铁量可由全部还原铁量及rd、算出，其放热量为QdFe5＝4.18×58.1×Fe.r×(1-rd-)（kJ）（3-25）铁氧化物还原耗热即为上述六项之和，即QdFe＝QdFe1+QdFe2+…+QdFe5-QdFe6这里应该注意的是前5项均为耗热，而第6项（QdFe6）是放热，应从耗热中扣除。2.2.2合金元素还原耗热这项耗热是指生铁中合金元素Si、Mn、P等还原所消耗的热量，这些元素的数量由生铁成分确定，还原反应的热效应决定于高炉中发生的还原反应的情况。（1)硅的还原耗热硅是难还原的元素，在高炉里以直接还原方式进行，其反应是SiO2+2C＝Si+2CO-4.18×5360kJ/kg(Si)硅的还原耗热为QdSi＝4.18×5360×10×［Si］（kJ）（3-26)（2）锰的还原耗热锰亦是难还原的元素，在冶炼普通生铁时大约有50%的锰还原进入生铁。高级锰氧化物到MnO的还原均为间接还原，热效应很小，简化计算时可以忽略。从MnO到Mn的还原都是直接还原，其反应是MnO+C=Mn+CO-4.18×1248kJ/kg(Mn)锰的还原耗热为QdMn＝4.18×1248×10×［Mn］（kJ）（3-27)(3）磷的还原耗热磷的还原耗热有两种热效应数值用于计算，即P2O5+5C=2P+5CO-4.18×3700kJ/kg(P)3CaO·P2O5+5C=2P+5CO+3CaO-4.18×6275kJ/kg(P)高炉里磷多是从磷酸钙中还原出来的，磷酸钙主要含在矿石里，磷的还原耗热还应包括磷酸钙的分解耗热，因此在热平衡计算时，应按第二个反应的热效应计算。如果熔剂（石灰石）中有磷，熔剂碳酸盐的分解耗热是按CaO量计算的，这时熔剂中磷的耗热可按第一个反应计算。但是熔剂通常含磷不多，计算时可不考虑。磷是难还原元素，用碳直接还原，对于一般生铁的冶炼，磷几乎全部还原进入生铁。磷的还原耗热为QdP＝4.18×6275×10×［P］（kJ）（3-28)(4）如果生铁中还含有其他合金元素，则还原反应的热效应可以参考下列数据：Nb2O5+5C＝2Nb+5CO-4.18×1680kJ/kg(Nb)TiO2+2C＝Ti+2CO-4.18×3460kJ/kg（Ti）V2O5+5C=2V+5CO-4.18×2270kJ/kg(V)2.3 其他不同耗热项的计算2.3.1 脱硫耗热第二热平衡计算中通常按下式计算脱硫耗热FeS+CaO+C＝CaS+Fe+CO-4.18×1139kJ/ke(S)计算时仍按进入渣中的硫量考虑。对于脱硫耗热计算有些问题是值得探讨的，按照炉渣脱硫的分子理论考虑，其反应是按两步进行的第一步CaO+FeS=CaS+FeO第二步FeO+C=Fe+CO第一步反应的热效应很小，还属放热反应，而第二步的还原耗热，在第二热平衡中已计入铁的直接还原耗热项（QdFe5）内。这样看来，对第二热平衡而言，脱硫耗热是可以不计算的。但高炉生产实践表明，脱硫是需要消耗热量的，当硫负荷增加时，炼铁焦比亦需增加，其原因可能如下：其一，高炉中硫绝大部分来自于燃料，燃料中硫又多呈有机物形态，它们在高炉中要分解。分解出的硫有可能与高炉中温区部位还原出的铁化合成FeS，然后硫再脱除进渣，铁还原进入生铁。这后面过程虽未额外消耗热量，但有热量的转移。而燃料中有机硫的分解耗热应予计算，但缺少这方面的热力学数据；其二，脱硫需要CaO，需要提高炉渣碱度。石灰石用量增多，熔剂分解需多耗热；炉渣碱度高时，炉渣热焓高，也需多耗热；其三，为充分脱硫，需要炉渣具有良好的流动性和充沛的炉温，这也以多耗热量作保证。综上所述，第二热平衡计算中脱硫耗热还是该计算的。但是，怎样计算更为正确合理，是需进一步研究探讨的。2.3.2 碳酸盐分解耗热在第二热平衡中，碳酸盐分解耗热的计算原则、方法，与第一热平衡计算是一样的。但在这项耗热中，还要加入碳酸盐在高温区分解出的CO2参与碳素溶损反应的耗热量。一般说来，因为碳酸钙的分解温度高，需在900℃以上区域才能分解完，所以只有在加人石灰石、白云石等类熔剂时，才考虑这项耗热。石灰石在高温区分解率为40％～60%，通常按50%考虑，碳素溶损反应耗热为CO2+C＝2CO-4.18×39600kJ（或4.18×90OkJ/kgCO2）2.3.3氢的反应热在第一热平衡中要计算氢的氧化放热及生成CH4放热，而在第二热平衡中只计算CH4生成热。氢的氧化热已包含在氢的还原耗热项内，在热收入中就不应再计算了。2.4 两种热平衡计算方法对比表为便于掌握第一、第二全炉热平衡的计算方法，了解它们之间的联系与区别，更好地进行热平衡计算，这里列出了两种热平衡计算方法的对比表（见表3-2）。表3-2 两种热平衡计算方法对比第一、第二热平衡计算方法对比（热收入） 第一热平衡第二热平衡不同计算项（l）碳素氧化热按煤气中由高炉反应生成CO，CO2量计算C+O2→CO放热2340kca1/kgCC+O2→CO2放热7980kca1/kgC（1)风口前碳素燃烧放热由风口碳量（Cb）计算，碳素在风口前燃烧的最终产物是CO,放热量为2340kca1/kgC(2)氢的化学反应热H2+O2→H2O放热3211kca1/kgH2OH2+C→CH4放热1124kca1/kgCH4(2）CH4生成热只计算生成CH4放热（H2氧化成H2O的热量在H2还原项内考虑）相同计算项(3）鼓风带入热量、由鼓风风量、风温、湿度，按空气（干）及水蒸气的热容或热焓量计算(4)炉料（烧结矿）带入热量由热烧结矿量、温度，按其热容或热焓量计算，若用冷矿可以忽略不计此项热量(5）成渣热按碳酸盐分解出CaO、MgO量计算，当MgO量不多时，可以统取每千克CaO(MgO)成渣放热270kcal第一、第二热平衡计算方法对比（热支出） 第一热平衡第二热平衡不同计算项（1)氧化物分解耗热①铁氧化物分解按不同铁氧化物分解热计算FeO硅→Fe吸热973.3kca1/kgFeO硅Fe3O4→Fe吸热1146.4kcal/kgFe3O4Fe2O3→Fe吸热1230.7kca1/kgFe2O3②Mn、Si、P等氧化物分解按分解产物由生铁成分计算MnO→Mn吸热1758.5kca/kgMnSiO2→Si吸热7366.0kca/kgSi磷酸钙→P吸热8540.0kca/kgP（1)氧化物还原耗热①铁氧化物还原按高级氧化铁还原到FeO，再由FeO按还原度、)还原到Fe的耗热计算硅酸铁分解成FeO吸热78.8kcal/kgFeOFe2O3+CO→2FeO+CO2吸热3.3kca1/kgFeFe3O4+CO→FeO+CO2吸热29.7kcal/kgFeFe3O4+H2→FeO+H2O吸热90.4kce1/kgFeFeO+C→Fe+CO吸热649.lkcal/kgFeFeO+H2→Fe+H2O吸热118.2kcal/kgFeFeO+CO→Fe+CO2放热58.0kcal/kgFe②Mn、Si、P氧化物还原由生铁成分按还原产物计算MnO+C→Mn+CO吸热1248kca1/kgMnSi2O+C→Si＋CO吸热5360kca1/kgSi3CaO·P2O5+C→2P+5CO+3CaO吸热6275kcal/kgP（2）脱硫耗热按渣中S量计算FeS分解耗热FeS+CaO→CaS+Fe+O2/2吸热1995kcal/kgS(2)脱硫耗热按渣中硫量计算S＋CaO+C→CaS+CO吸热1139kcal/kgS(3)碳酸盐分解耗热将熔剂中CO2折算成CaCO3、MgCO3由CO2量计算耗热CaCO3→CaO+CO2吸热966.4kcal/kgCO2MgCO3→MgO+CO2吸热594.3kcal/kgCO2(3)碳酸盐分解耗热分解耗热计算相同，但需加入高温区分解出的CO2参加溶损反应的耗热量CO2+C→2CO吸热900kca1/kgCO2相同计算项(4）水分分解耗热鼓风中的湿分及喷吹燃料的水分按H2O→H2+0.5O2吸热3211kca1/kgH2O（或2580kcal/m3H2O）计算(5）炉料游离水蒸发耗热焦炭带入的物理水由常温升至100℃再转变成水蒸气（100℃），按620kca1/kgH2O计算(6)喷吹物分解耗热按200～300kca1/kg煤(350～450kcal/kg油）计算(7）铁水、炉渣带走热量按给定温度下的渣铁热焓量计算，一般炼钢生铁：270～280kcal/kg铁；410～430kcal/kg渣(8)炉顶煤气带走热量干煤气带走按煤气比热、温度或热焓量计算；水蒸气带走按水蒸气比热、温度或热焓量计算；炉尘带走按炉尘比热，温度计算(9)热损失＝全部热收入－其他8项热支出3.3热平衡指标的计算由热平衡计算来评价高炉冶炼能量利用的优劣，通常采用两项指标，其一是高炉有效热量利用系数KT，另一是碳素热能利用系数KC。这两项指标的意义和计算是应该熟悉、掌握的。3.3.1高炉有效热量利用系数KT高炉有效热量利用系数是指高炉热支出中扣除炉顶煤气带走的热量及热损失之外，其余各项热支出占全部热支出的百分数。对于高炉冶炼来说，这其余各项热消耗是必不可少的。显然，KT越大表明高炉内热量利用得越好。有效热量利用系数KT是在第一热平衡中计算得出的，一般情况下KT在75％~85%范围内，个别高炉冶炼可以达到90％。对于第二热平衡，由于总热收入基数小，煤气带走热量及热损失所占的比例要比第一热平衡为大，因此，如果考虑KT的话，它的合适范围要来得小些，一般应为65％～75％。3.3.2高炉碳素热能利用系数KCKC是指高炉内碳素氧化成CO2和CO放出的热量与这些碳全部氧化成CO2放出热量的比值，KC亦常表示为百分数。其计算式为：（3-29）式中，QC为冶炼过程中氧化碳量氧化成CO2和CO的实际放出热量(kcal/t)，对每吨生铁而言，由于＝+（式中的、分别为每吨生铁氧化成CO、CO2的碳量，kg），并且，所以上式可以写成（3－30）KC还有另一种算法，即（3－31）式中——煤气中由鼓风燃烧及直接还原产生的CO体积，m3/t；3021——1m3CO进一步氧化成CO2放出的热量，kcal。由上面公式可以看出，碳素热能利用系数KC与氧化碳量成反比，与成正比，当焦比升高时，KC变差；而间接还原发展，煤气能量利用变好时，KC值就变大。KC亦是由第一热平衡得到的，但对第二热平衡也同样适用，因为无论对第一还是第二热平衡计算来说，和都是一样的，只不过第二热平衡中以CO2形态存在的碳量，是由CO参加间接还原生成，不说成“氧化”而已。一般情况下，KC在48%~56%范围内，个别高炉可达60%。碳素热能利用系数KC是用热量利用来评价高炉里碳素化学能利用情况的指标，它把热能与化学能有机地联系在一起，因此是个十分有用的指标。由于铁的还原受到化学平衡的限制，C转变成CO2的数量是有限的，因此KC值不会太高。这里还需指出的是，对KC的定义、计算应该严格准确。例如，把“”说成是“入炉碳量C”，那是不对的，如果用“C”代替“”就不会得到后面的两个KC算式（式3-30,式3-31）；再如，“”一定是煤气中由鼓风燃烧及直接还原产生的CO体积，它应由炉顶煤气量来计算，计算时要扣除焦炭挥发分带入的CO及石灰石分解出CO2参与溶损反应转成CO中的那部分，把笼统地说成煤气中CO的体积，也是不正确的。3.3.3关于高炉热效率的计算在《高炉热平衡测定及计算方法暂行 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 》中，有“高炉热效率”的评定指标，它是指氧化物分解及脱硫，碳酸盐分解，水分分解，游离水蒸发，铁水带走等五方面耗热占全部热收入的百分数，用η表示。规定中的热能利用系数KT（除上述的以外还包括炉渣带走的热量），亦是以全部热收入为分母。这样的计算适用于热收入与热支出大体相当，即热平衡误差较小的情况，当两者偏差较大，特别是支出多于收入时（当然，热平衡误差还在允许范围内），以热收人作为基准，就会得到η、KT两项指标较高的结果，这里面存在着虚假的因素。对于热工设备，其热效率通常是按热收入计算的，热工设备的一个特点就是燃料燃烧比较充分完全，因而热收人基本上是个定数。而炼铁的高炉，既是热工设备，又是一个化工设备，燃料既起发热剂作用，又起还原剂作用，高炉反应存在着化学平衡问题。因此，即使是同一座高炉有同样的焦比，前后冶炼情况也很难相同，高炉冶炼每吨生铁的热收入、热支出也不会是一样的。再者，高炉过程的各种参数的检定、测量、分析难以绝对准确，误差（包括计算误差）总会存在。因此高炉热平衡计算具有更大的相对性。作者认为，在计算高炉热效率和热能利用系数时，以热支出作为基准是更为确切的。实际上η、KT两项指标的意义基本相同．两者取其一即可，高炉炼铁的热平衡计算通常计算KT。