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1、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 SiO2Al2O3CaO 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 SiO2Al2O3S P 40% 5% 0.05 0.02 入炉白云石粒度2080mm。 （4）硅石 入炉硅石的化学成分应符合表4.2 10的规定。 表
2、4.2 10 硅石化学成分 SiO2Al2O3S P 热稳定性 97% 1.0% 0.01% 0.01% 不爆裂粉化 入炉硅石粒度 2080mm。 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 Fe?O ?,Fe 形态存在，其中Cr2O3全 部还原， Fe?O ?98% 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 Cr2O3Cr2O3+3C= 2Cr+3CO 40.18X20%X152/104X36/152=2.78
3、 Fe?O ?Fe?O ?+3C=2Fe+3CO17.22*80%*36/112 =4.44 SiO2SiO2+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 M c=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%=
4、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 Al2O3CaO 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 Fe?O ?/
5、Fe 17.22*2%*160/112 =0.49 1.49 17.22*98%=16.88 27 Al2O313.18*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=
6、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
7、合高碳铬铁FeCr67C6的标准。 表 1 高碳铬铁牌号的化学成分（GB/T 5683-2008） 牌号 化学成份 Cr C Si S P 范围 FeCr67C6.0 62.072.0 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 62.072.0 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% ，
8、 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 Cr2O3Cr2O3+3C= 2Cr+3CO 40.18*20%*1.5*1000/52=231.8 Fe?O ?Fe?O ?+3C=2Fe+3CO17.22*80%*1.5*1000/56 =369 SiO2SiO2+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 Cr
9、2O30.17 3 Fe 0.46 4 Fe?O ?0.67 5 SiO20.966 6 MgO 0.874 7 Al2O30.6 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 Cr2O340.18*20%*0.17* （700-25）=922.31 3 Fe 17.22*20%*0.46* （700-25）=1069.
10、36 4 Fe?O ?17.22*80%*0.67* （700-25）=6230.2 5 SiO25.59*0.966* （700-25）=3644.96 6 MgO 13.79*0.874* （700-25）=8135.4 7 Al2O313.18*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。
11、 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 700252525170017001700 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
12、Cr2O3+3C= 2Cr+3CO 270 40.18*1000/52/2*270=104313.46 Fe Fe?O ?+3C=2Fe+3CO494.0 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.
13、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 SiO2100.6 30*98%*1000/60.1*100.6=49212 MgO 72.2 15*1000/40.3*72.2=26873.4 CaO 77.1 10*1000/5
14、6.1*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 Fe?O ? Fe?O ?+3C=2Fe+3CO1.5*25*55%*1000/55.85=369.3 Fe?O ?+C=2FeO+CO0.5*25*45%*1000/55.85=100.7 Si SiO2+2C=Si+2CO 2*30*
15、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
16、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/K
17、J 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135646.524.69 直接还原铁 70037874.8 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/(1-1 0%)=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
18、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： 123 24cosPdK K K Q W P变压器额定容量（KVA ） 42000 Cos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49.94 395109.2