镍铁合金吨产品理论电耗及生产成本的计算

2009年第 4期 总第207期 铁 合 金 FERRo．ALLoYS 2009NO．4 Tot．207 镍铁合金吨产品理论电耗及生产成本的计算 储少军 刘培骁 王海丽 2 (1北京科技大学冶金与生态工程学院 北京 中国 100083) (2 亚琛工业大学 亚琛 德国 52056) 摘 要 依据物料平衡、热平衡和盖斯定律，计算了冶炼低硅镍铁合金的吨产品理论电耗及生产成本。计算结果表 明，炉料在 500 oC、600℃和 700℃人炉时，相对于冷装时吨产品理论电耗分别降低 17．3％、21．3％和 25．4％。说明 炉料热装的节能空间很大 ，对降低镍铁合金冶炼能耗可起重要作用。在镍铁合金冶炼工艺上，采用回转窑一电炉流 程具有降低成本的优势。 关键词 镍铁合金 矿热炉 热装料 理论电耗 中图分类号 TF644．1 文献标识码 A 文章编号 1001—1943(2009)04-0001—07 CALCULATIoN oF THEoRETICAL PoW ER CoNSUM P- TIoN AND PRoDUCTIoN CoST oF NICKEL FERRoALLoY Chu Shaojun LiU Peixiao Wang Haili (1 School of Metallurgical and Ecological Engineering，University of Science and Technology，Beijing 100083，China) (2 RWTH Aachen University，Aachen 52056，Germany) Abstract According to material balance，thermal balance and Hess law，the theoretical power consumption and production cost of nickel ferroalloy were calculated out．So did the reduction value of cost when the burdens were heated to 500℃ ,600 ℃ and 700 oC respectively before charging．Comparing to the cold burdens。the heated burdens greatly reduced the power cost ratio and the corresponding values were 17．3％ ．21．3％ and 25．4％ 。 It was proved that the heating burden took an impo~ant function to reduce the power consumption of nickel ferroalloy making and the energy saving space is great．Using rotary kiln and submerged arc furnace process has advantage in reducing production cost in nickel ferroalloy smelting tech- nology． Keywords nickel ferroalloy，submerged arc furnace，hot charging，theoretical power consumption 前言 镍具有抗腐蚀、耐氧化、机械强度高、延展性好 等特点，是不锈钢生产中重要的添加剂，尤其是 300 系列不锈钢不可缺少的重要原料⋯。近年来不锈钢领 域的高速发展，带动了镍铁企业的发展。镍铁作为镍 的替代品，可解决镍资源短缺问题，降低不锈钢的生 产成本，因此，得到广大不锈钢生产企业的认可【2】。 但是，我国镍铁合金吨产品电耗较国外高[31。因 此，如何降低吨产品的电耗是厂家关注的问题。其中 一 项 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 是炉料热装，使用回转窑一电炉流程可达 到热装的目的。本文就低硅镍铁合金吨产品理论电 耗、生产成本及节能空间进行了计算 ，以期找到降低 单位成本的一种 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。 1 物料平衡计算 基本原始数据有：镍烧结矿成分、燃料成分，见 表 1，表 2。 物料平衡项目包括：①收入项有：镍烧结矿、焦 炭；②支出项有：镍铁水、炉渣和炉气。计算过程如下 (以 100 kg镍烧结矿为基础进行计算)： 作者简介 储少军 男 ，1946年出生，1989年北京科技大学博士毕业 ，教授。现从事教学与科研工作。 收稿日期 2008．11-30 · 2· 铁 合 金 2009年 表2 燃料成分 ％ Tab．2 Composition of coke ％ 1．1 镍烧结矿理论耗碳量的计算 假设 Ni以NiO、Fe以Fe：0，形态存在，其中NiO 100％还原，Fe O，70％还原为 Fe、30％还原为FeO， SiO：2％还原，加入的焦炭全部用于还原氧化物，则 耗碳量见表 3。 表 3 100 kg镍烧结矿耗 C量 Tab．3 Coke quantity used by nickel sinter(per 100 kg) 100 kg镍烧结矿消耗焦炭量： 肌 ： 堑 量 (1) 。 w(C固)×(1一w(S2O)) 式(1)中，w(C周)一焦炭中固定碳的质量分数，即百 分含量，下同；w(H O)一焦炭含水的质量分数，％， 则： 肌 = 86 ·0kg ％ ×(1—8％) 可知冶炼 100 kg镍烧结矿需焦炭量为 8．_0 kg。冶炼 1 t镍铁所需镍烧结矿量： 肼 烧= Fe llJ( 镍烧结矿)×：i丕原翠 Fe2o3 式 (2)中，w(Fe镍铁水)一 镍铁水中铁的质量分数，可 由表 7得；w(Fe镍烧结矿)一 镍烧结矿中铁的质量分 数；还原率 Fe2o，一设为 70％，则： l x 70％ M 烧 5·95 即冶炼 1 t镍铁水需 5．95 t烧结矿。相应的，冶 炼 1 t镍铁水消耗焦炭量 M焦=8．0×5．95×10= 476．0 kg。 1．2 炉气生成量的计算 假设冶炼镍铁合金 的炉 口炉气含 CO量为 100％，则 100 kg镍烧结矿生成 CO量见表 4。即每 100 kg镍烧结矿会产生 487．1 mol炉气。M气= 487．1×28．O／1 000=13．6 kg。 表 4 100 kg烧结矿生成 CO量 Tab．4 CO quantity producing by nickel sinter(per 100 kg) 第4期 储少军等 镍铁合金吨产品理论电耗及生产成本的计算 1．3 渣铁比的计算 以每 100 kg镍烧结矿配 8．0 kg焦炭为基础计 算，假设元素分配按表 5所示。镍烧结矿成渣量与成 合金量见表 6。 物料平衡中未计算 P和 s的物料平衡，按国内 镍铁合金生产企业的生产状况，设定 P和 S的含量， 表 5 元素分配平衡表 Tab．5 Element partition ratio of material 则冶炼所得的镍铁水成分见表 7。 表 6 镍烧结矿成渣量与成合金量 Tab．6 Slag and ferroalloy quantity of nickel sinter 表7 镍铁水成分 ％ Tab．7 Chemical composition of nickel ferroalloy liquid ％ 1．4 物料平衡表的编制 冶炼 100 kg镍烧结矿生产低硅镍铁水的物料平 衡见表8。 2 热平衡计算 根据盖斯定律，把矿热炉冶炼镍铁合金的过程 作为绝热过程考虑，并作以下假设： (1)所有的反应物和生成物均按纯物质考虑。 (2)首先在 25℃进行还原反应 ，生成纯 Ni、 Fe、si等，铁水在熔点温度下溶解，然后升温到 1 500 oC。 (3)各氧化物 100％直接还原，还原耗碳由焦炭 提供。 (4)焦炭焓变按纯焦炭计算。 (5)焦炭及烧结矿中的灰分、水分及挥发分忽略 不计。 (6)溶解热按 Ni、Si溶解与铁计算。 表 8 物料平衡表 Tab．8 Blance sheet of materials 注：计算误差为(108．0—107．6)／108．0×100％ =0．37％ 铁 合 金 2009年 矿热炉冶炼过程是电热过程，可认为所用的能 量均由电能提供，焦炭只作为加热体和还原剂。电能 提供的能量一部分用于加热炉料，一部分用于直接 还原反应的吸热。 炉料在 25℃时发生反应，反应热效应为 △ ， 所有反应产物和未反应物从 25℃升温到 1 500 oC 热效应为△ ，则 △H=AH一+△ 。如图 1所示。 生成物 7’-25℃ AH=AHI+AH2 7 25℃ 圈 l 镍铁合金理论电耗计算示意图 Fig．1 Schematic diagram of theoretical power consumption of nickel ferroalloy 计算所需原始数据有：原料及产物温度、反应热效 应、溶人铁中的元素对铁熔点的降低值、主要元素和化 表 9 原料及产物温度 ℃ Tab．9 Temperature of materials and products ℃ 合物的热力学数据等，见表9和参考文献【4，5】。 假设矿热炉为绝热体系，热平衡项目有：①热支 出：元素还原热、镍铁水物理热、炉渣物理热、炉气物理 热；②热收入：电能、成渣反应放热、金属元素溶解热。 热平衡的计算过程如下 (以 100 kg镍烧结矿为 基础进行计算)： 2．1 计算热支出 Q 2．1．1 元素还原热 Qn，各元素还原消耗热及总量 见表 l0。 2．1．2 镍铁水物理热 镍铁水熔点为 ，由镍铁水的成分和各元素对 铁水熔点降低值计算得到，见表 7和参考文献【5】。 TI=1 536一(3．0×85+1．8×8+3．5×11．9+ 0．06×30+0．03×25)=1 222．4 oc 设镍铁水熔点为 1 220℃，则 Ni、Fe、si等元素 在 1 220 oC熔化。 表 l0 元素还原消耗热量 Q日 Tab．10 Thermal consuming of reducing elements 镍铁水中主要成分为 Ni、Fe、Si，被还原的 Ni、 Fe、si元素从 25℃上升到 l 500℃时所需热量即镍 铁水物理热 Q，。计算公式： Q= ；cpld +△H+．r cp2d +△胁+ ， cp3d (3) 式(3)中， =a+bT—cT 为不同温度段的摩尔热 容，△且为相变热，△研为熔化热 ，其中 1 cal= 4．184 J，则镍铁水中各元素摩尔物理热及总量见表 ll。 ① Ni元素升温热 Q ： QN =，裟(4．06+7．04×10一 d + ： (6．00+ 表 l1 镍铁水物理热 Q． Tab．1 1 Physical heat of nickel ferroalloy liquid 元素 Q ／(Ll／mo1) Q／kJ 1．80×10 d T+4 210+I『 9．20 d T=67．2 kJ／ mol 第 4期 储少军等 镍铁合金吨产品理论电耗及生产成本的计算 ·5· ②Fe元素升温热 Q 。 ： QF。 +S'22’(3．04+7．58×10一 T+0．60×l0 T一 )dT+326+．r：甚；l1．13 dT+215+．『：4．9。；(5．80+ 1．98×l0一 r)d T+．r： 77；(9．77+0．40×l0一。T)d T+ 3 670=72．9 kJ／mol ③ si元素升温热 Qsi ： Qsi = 298I 49 (5．70+0．70×l0一 一1．04×105 T一 ) d T+12 100+，： 77；6．10 d T=88．2 kJ／tool ④ c元素升温热 ： Qc = (4．03+1．14×l0一’T一2．04 ×105 ) dT=29．8 kJ／mol 2．I．3 炉渣物理热 ，炉渣中各物质摩尔物理热 及总量见表 l2。 2．1．4 炉气物理热 Qco 表 12 炉渣物理热 Q。 Tab．12 Physical heat of slag Q Qco=SI29~ (6．79+0．98×l0一 T一0．11×105 T2) d T=48．01d ／mol Qco=487．1×48．0 I【J=23 380．8 kJ 2．2 计算热收入 Q。 2．2．1 成渣反应放热 炉渣中酸性氧化物及碱性氧化物反应放热，炉 渣碱度 尺计算见式(4)。炉渣成分见表 l3。 JR： ! 呈 !± ： ! ! (4) w(SiO2)+0．84w(P205) 式 (4)中 w(CaO)，w(MgO)，w(SiOz)，w(P20 )为氧 化物的质量分数。 炉渣碱度R=—堕 去 =1．16 反应按 CaO全部与 SiO2反应 ，Mgo与剩余的 SiO2反应。反应产物设为 2CaO·SiO：和 2MgO· SiO2，则成渣反应热 Qc见表 14。 2．2．2 金属元素溶解热 Q 表 13 炉渣成分 Tab．13 Chemical compositon of slag 袭 l4 成渣反应放热 Qc Tab．14 Heat release offorming slag Qo 金属溶于铁液中会有溶解热，其中c元素吸热， Ni和 Si元素放热。假设 3种元素溶于铁液中成为 W (i)=1％溶液，溶解热见参考文献 【5】，则镍铁水中 金属溶解热 Q 见表 15。 2．3 编制热平衡表 上述计算中假设矿热炉为绝热体系，实际矿热 炉热损失约 10％ ，则上述热支出占总热支出的 表 15 金一元素溶解热 Q Tab．15 Dissolved heat of metal elements Q ． 6． 铁 合 金 2009年 电能 261 003．8 成渣反应放热 11 746．8 金属元素溶解热 3 807．5 94．4 4．2 1．4 合计 276 558．1 100．0 元素还原热 镍铁水物理热 炉渣物理热 炉气物理热 热损失 合计 83 863．1 22 832．6 1l8 825．8 23 380．8 27 655．8 248 902．3／(1—10％ )=276．558．1 3O．3 8．3 43．0 8．4 lO．O 1oo．O 2．4 低硅镍铁合金吨产品理论电耗计算 已知 1 kWh／kJ=3 600，因此，冶炼 1 t镍铁矿 理论 电耗为 261 003．8×10／3 600 kWh=725．0 kWh；生产出 1 t低硅镍铁合金所需的理论电耗为 5．95×725．0=4 313．8 kWh。 3 低硅镍铁合金成本计算 冶炼低硅镍铁合金，需要较高的炉渣碱度，以控 制 SiO：的还原率。因此，红土镍矿烧结时需配人一定 量的石灰。低硅镍铁水生产所需原料及能量有：红土 矿、粉煤、焦炭、石灰、电及煤气，其余不计人。按每吨 红土矿配7％石灰石、7％粉煤、12 Nm 煤气计算，生 产 1 t烧结矿需 1．33 t红土矿，93 kg石灰，粉煤93 ，煤气 16 Nm。。则冶炼 1 t低硅镍铁合金生产成本 见表 17。 ． 由表 17可以看出，冶炼 1 t低硅镍铁合金成本 为5 084．2元／t。其中电耗占总成本的46．93％，几乎 表 17 1 t低硅镍铁合金生产成本 Tab．17 Producing cost of nickel ferroalloy with low silica content per ton 相当与总成本的一半，远远超过矿石所占成本，所以 节约耗电量以降低生产成本空间巨大。 4 热装法冶炼低硅镍铁合金吨产品电耗计 算 根据盖斯定律，低硅镍铁冷装法的理论热量消 耗AH，设烧结矿和焦炭全部从25℃升温到500℃， 热效应为 AH。，在 500 oC发生反应，反应产物和未反 应物从 500 c【=升温到 1 500 oC，热效应为 △ 。则 △ 为热装法的吨镍铁合金的能量消耗，△ 即热 装法节约的电能消耗，如图 2所示。 在 3个温度水平热装低硅镍铁合金吨产品节电 效果计算如下： 当热装温度为 500℃时，设镍烧结矿和焦炭升 温消耗热量 Q 。 镍烧结矿和焦炭成分见表 1、表 2，主要元素和 化合物的热力学数据见参考文献【5】，则镍烧结矿和 焦炭升温消耗热量见表 18。 经计算在 500℃时热装冶炼 1 t镍铁矿节约电