高碳铬铁物料平衡计算.docx
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高碳铬铁物料平衡计算
一、物料平衡计算
1、基本原始数据：
直接还原铁成分、燃料成分见表一、表二
（1）直接还原铁
名称
Fe
Cr
SiO2
Al2O3
CaO
MgO
S
P
O
C
%
17.22
40.18
5.59
13.18
2.36
13.79
0.09
0.00
6.05
1.54
（2）焦炭成分
固定碳（C固）
挥发分（V）
灰分（A）
S
P
≥84%
≤2.0%
≤15%
≤0.6%
≤0.02%
（3）白云石
白云石化学成分
MgO
CaO
SiO2
Al2O3
S
P
≥40%
－
≤5%
－
＜0.05
＜0.02
入炉白云石粒度20~80mm。
（4）硅石
入炉硅石的化学成分应符合表4.2―10的规定。
表4.2―10硅石化学成分
SiO2
Al2O3
S
P
热稳定性
≥97%
≤1.0%
≤0.01%
≤0.01%
不爆裂粉化
入炉硅石粒度20~80mm。
2、直接还原铁耗碳量计算（以100kg计算）
假设Cr以Cr2O3、Cr形态存在,Fe以Fe₂O₃,Fe形态存在，其中Cr2O3全部还原，Fe₂O₃98%还原为Fe，45%还原为FeO,SiO22%还原,成品中含C量为2%，加入焦炭全部用于还原氧化物，则耗碳量为：
名称
反应方程式
耗C量/kg
Cr2O3
Cr2O3+3C=2Cr+3CO
40.18X20%X152/104X36/152=2.78
Fe₂O₃
Fe₂O₃+3C=2Fe+3CO
17.22*80%*36/112=4.44
SiO2
SiO2+2C=Si+2CO
4.18/（28.1+16*2）*12*2=1.67
铬铁水含C量
由铁水量求得
6x40.18/62=3.9
合计
12.79
12.79-1.54=11.25
冶炼100kg铁矿消耗焦炭量为
Mc=耗C量/（Wc固*（1-W水））=11.25/（84%*（1-8%））*（1+10%）=16kg
冶炼1吨高碳铬铁合金需要直接还原铁量为
M矿=1*w（Cr高碳铬铁水中质量比）/W（Cr矿中质量比）*还原率
=1*62%/（40.18%）*98%=1.575吨
3、冶炼1吨高碳铬铁合金需要焦炭量为
M焦炭=16kg*1.575*10=252kg
4、渣铁比计算
以100kg直接还原铁配16kg焦炭，假设元素分配按下表所示
成份
Cr
FeO/Fe
MgO
SiO2/Si
Al2O3
CaO
入渣率
0
2
100
98
100
100
入合金率
100
98
0
2
0
0
物料平衡中未计算P和S的平衡量，按高碳铬铁合金生产状况设定P和S的含量。
直接还原铁成渣量和成合金量见下表
名称
进入渣中量/kg
质量分比/%
进入合金中量/kg
质量分比/%
Cr
------
-----
40.18*100%=40.18
64
Fe₂O₃/Fe
17.22*2%*160/112=0.49
1.49
17.22*98%=16.88
27
Al2O3
13.18*100%=13.18
40.15
----
----
MgO
13.79*100%=13.79
42
-----
----
SiO2/Si
5.59-4.18=1.41
4.29
40.18*3/62=1.95
3
CaO
2.36*100%=2.36
7.2
----
----
C
----
-----
62.78*6%=3.77
6
灰分
16*10%=1.6
4.87
----
---
合计
32.83
100
（40.18+16.88+1.95）/（1-6%）=62.78
100
渣铁比
按高碳铬铁冶炼要求MgO:
Al2O3=1.2，原料中还应加入白云石29.4kg（MgO含量5.6kg），加入硅石21.24kg（SiO2净量20.6kg）按渣中SiO2含量35%考虑
渣铁比计算：
（32.83+5.6+20.6）/62.78=59.03/62.78=0.94
由上述计算得知所生产的镍铁合金成分镍合金水成份（Wt%）
成份
Cr
Fe
C
Si
S
P
%
64
27
6
3
0
0
由于Cr/Fe=64/27=2.37，符合高碳铬铁生产的铬铁比大于2.2的要求，MgO/Al2O3=（5.6+13.79）/13.18=1.47,符合高弹铬铁生产的镁铝比大于1.2的要求。
铁水成分符合高碳铬铁FeCr67C6的标准。
表1高碳铬铁牌号的化学成分（GB/T5683-2008）
牌号
化学成份
Cr
C
Si
S
P
范围
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
≥
≤
FeCr67C6.0
62.0~72.0
6.0
3.0
0.03
0.04
0.06
FeCr55C600
60.0
52.0
6.0
3.0
5.0
0.04
0.06
0.04
0.06
FeCr67C9.5
62.0~72.0
9.5
3.0
0.03
0.04
0.06
FeCr55C1000
60.0
52.0
10.0
3.0
5.0
0.04
0.06
0.04
0.06
5、炉气生成量计算
假设冶炼过程产生的炉气含CO量为100%，则100kg直接还原铁生成的CO量见下表，即100kg的直接还原铁产生740.1mol的炉气。
M气=740.1*28/1000=20.72kg
名称
反应方程式
生成CO量/mol
Cr2O3
Cr2O3+3C=2Cr+3CO
40.18*20%*1.5*1000/52=231.8
Fe₂O₃
Fe₂O₃+3C=2Fe+3CO
17.22*80%*1.5*1000/56=369
SiO2
SiO2+2C=Si+2CO
4.18*2*1000/60=139.3
合计
740.1mol
二、热平衡计算
1、各种物质热比容
序号
名称
比热容（KJ/Kg.K）
1
Cr
0.45
2
Cr2O3
0.17
3
Fe
0.46
4
Fe₂O₃
0.67
5
SiO2
0.966
6
MgO
0.874
7
Al2O3
0.6
8
CaO
0.728
C
1.55
2、根据盖斯定律，把矿热炉冶炼高碳铬铁合金的过程作为绝热过程考虑，并作如下假设：
1）所有反应物和生成物均按纯物质考虑
2）100kg直接还原铁从25℃上升到700℃自带热量
序号
名称
吸收热量（KJ）
1
Cr
40.18*80%*0.45*（700-25）=9763.74
2
Cr2O3
40.18*20%*0.17*（700-25）=922.31
3
Fe
17.22*20%*0.46*（700-25）=1069.36
4
Fe₂O₃
17.22*80%*0.67*（700-25）=6230.2
5
SiO2
5.59*0.966*（700-25）=3644.96
6
MgO
13.79*0.874*（700-25）=8135.4
7
Al2O3
13.18*0.6*（700-25）=5337.9
8
CaO
2.36*0.728*（700-25）=1159.7
9
C
1.54*1.55*（700-25）=1611.23
合计
37874.8KJ
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。
电能提供的一部分能量用于加热炉料，一部分用于直接还原反应的吸热。
计算所需原始数据有：
原料及产物温度、主要元素和化合物的热力学数据等见下表
入炉物料
产物
直接还原铁
焦炭
硅石
白云石
炉渣
炉气
高碳铬铁铁水
700℃
25℃
25℃
25℃
1700℃
1700℃
1700℃
假设矿热炉为绝缘体系，热平衡项目有：
1）热支出：
元素还原热、高碳铬铁物理热、炉渣物理热、炉气物理热
2）热收入：
电能、成渣反应放热、金属元素熔解热
热平衡计算过程如下（100kg直接还原铁需要16kg焦炭、硅石（SiO2）20.6kg、白云石（MgCO3）11.8kg为基础计算）
2、计算热支出
1）元素还原热：
各元素的还原热及总量见下表
名称
反应方程式
KJ/mol
Q/KJ
Cr
Cr2O3+3C=2Cr+3CO
270
40.18*1000/52/2*270=104313.46
Fe
Fe₂O₃+3C=2Fe+3CO
494.0
17.22*80%*1000/56/2*494=60762
Si
SiO2+2C=Si+2CO
654.93
4.18*1000/60*654.93=45626.79
合计
210702.25
2）铬铁水物理热
100kg直接还原铁生成的铬铁水物理热
（0.745*（1500-25）+218+0.837*（1700-1500））*62.78=93182.78KJ
名称
KJ/mol
Q/KJ
Cr
67.2
1.65*1000/58.7*67.2=2289.6
Fe
72.9
25*55%*1000/55.85*72.9=18273.9
Si
88.2
30*2%*1000/60.1/2*88.2=880.5
C
29.8
0.32*1000/12*29.8=795
合计
22239
3）炉渣物理热
100kg直接还原铁生成的炉渣物理热
59.03*（1.247*（1700-25）+209.2）=135646.5KJ
名称
KJ
Q/KJ
SiO2
100.6
30*98%*1000/60.1*100.6=49212
MgO
72.2
15*1000/40.3*72.2=26873.4
CaO
77.1
10*1000/56.1*77.1=16492
FeO
84.6
25*45%*1000/55.85*84.6=17041
合计
109618.4
4）炉气物理热
100kg直接还原铁生成CO的物理热
20.72*1.137*（1700-25）=39460.72KJ
名称
反应方程式
CO的生成量/mol
NiO
NiO+C=Ni+CO
1.65*1000/58.7=28.1
Fe₂O₃
Fe₂O₃+3C=2Fe+3CO
1.5*25*55%*1000/55.85=369.3
Fe₂O₃+C=2FeO+CO
0.5*25*45%*1000/55.85=100.7
Si
SiO2+2C=Si+2CO
2*30*2%*1000/60.1=20
合计
518.1
Qco=48KJ/mol
Qco总=518.1*48=24868.8KJ
5）碳酸镁分解热
29.4*40%*26.47*4.184*1000/84=15505.07KJ
3、计算热收入
1）成渣反应热
名称
反应方程式
KJ/mol
Q/KJ
CaO
SiO2+2CaO=2CaO.SiO2
-97.1
2.36*1000/56/2*97.1=2039.1
MgO
SiO2+2MgO=2MgO.SiO2
-5.6
19.39*1000/40/2*5.6=1357.3
合计
3396.4
2）金属元素溶解热
金属溶于铁液中会有溶解热，其中C元素吸热，Ni、Si元素放热，假设3重元素溶于铁液中成为w（i）=1%溶液，则镍铁水中金属元素溶解热见下表：
名称
KJ/mol
Q/KJ
C
-22590
-3.77/12*22590=-7097
Cr
19250
40.18/52*19250=14874.3
Si
131500
1.95/60.1*131500=4273.75
合计
12051.05
4、编制热平衡表
上述计算中假设矿热炉为绝缘体系，实际矿热炉热损失约10%，则上述热支出占总热支出的90%，则冶炼100kg的直接还原铁生产高碳铬铁合金的热平衡表如下:
热收入
热支出
项目
热量/KJ
比例/%
项目
热量/KJ
比例/%
电能
496119.25
90.3
元素还原热
210702.25
38.35
成渣反应放热
3396.4
0.61
铬铁水物理热
93182.78
16.96
金属元素溶解热
12051.05
2.2
炉渣物理热
135646.5
24.69
直接还原铁700℃
37874.8
6.89
炉气物理热
39460.72
7.18
碳酸镁分解热
15505.07
2.82
热损失
54944.15
10
合计
549441.5
100
合计
494497.32/（1-10%）=549441.5
100
5、镍铁合金吨产品理论电耗计算
已知1KW/KJ=3600,因此冶炼1吨700℃的直接还原铁理论电耗为
496119.25*10/3600=1378.1KWh.
则生产1吨高碳铬铁合金理论电耗为
1378.1KWh*1.54=2122.3KWh
考虑各种电能损失为10%，则生产1吨高碳铬铁合金实际电耗为
2122.3KWh*（1+10%）=2334.53KWh
三、电炉产量计算
单台电炉年生产高碳铬铁合金计算如下：
P－变压器额定容量（KVA）42000
Cosφ－电炉功率因数0.90
K1－功率利用系数0.76
K2－时间利用系数0.97
K3－电压波动系数0.98
d－电炉年作业天数330
W－单位重量产品冶炼耗电量2334.53kWh/t
Q＝92646.5吨/年，日产量280.75吨
5、由上述计算结果得出42MVA高碳铬铁电炉物料平衡表如下（单台量）
加入量
Fe
产出量
名称
t/h
t/a
备注
名称
t/h
t/a
备注
直接还原铁
18
142677
高碳铬铁合金水
11.7
92646.5
电极糊
0.105
831.6
炉渣
10.63
84189.6
电极壳
除尘灰
1.35
10692
烟气
6.2
48770
损失
3.24
25654.6
合计
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