高炉热平衡

高炉高温区热平衡是以高炉下部发生直接还原的高温区作为研究对象，分析计算其中各种热量收支情况的。 高炉炼铁焦比主要取决于高温区的热交换，因此，高温区热平衡计算，对研究高炉冶炼工艺过程更具有实际意义。

高炉热平衡确定高温区的原则

高温区热平衡 在以整个高炉为研究对象的全炉热平衡中把高炉上部与下部收支的热量看作是等价的。但实际上，高炉冶炼过程能否顺利进行不仅取决于所需要的热量，而且还取决于过程所在区域的温度，人们已完全了解清楚，同样的热量，在高炉不同部位因温度不同而具有完全不同的价值，例如热风带入的高温1kJ热量能使炉缸变热，促进Si还原而使生铁含Si量升高；而热烧结矿带入炉喉的1kJ热量只能使炉顶温度升高，仍然由煤气带出炉外，而不能使炉缸变热。因此，用全炉热平衡分析高炉的热现象有片面性。由于高炉内存在热交换空区(见高炉热交换)，边界上的煤气和炉料温度选择相对较稳定和易于切合生产实际，再加上决定高炉技术经济指标的过程也较多地集中在炉子下部，所以区域热平衡常以区域边界煤气温度950～1000℃以上的下部高温区为对象。

高炉热平衡高温区热量

高温区热平衡类似于第二种全炉热平衡，它的收入为碳素在风口前氧化为CO的放热和热风带入的有效热量等两项；而热支出为直接还原耗热、脱硫耗热、石灰石在高温区分解耗热、分解出的CO₂。参与溶损反应耗热，铁水和炉渣的焓(扣除进入边界区时的焓)以及煤气离开高温区时的焓(扣除生成煤气的焦炭进入高温区时的焓)，为简化计算，将它们归入高温区热平衡的热损失项中；在喷吹燃料时还要计算煤粉分解耗热和加热到边界温度时的耗热。高温区热损失也是采用总收入扣除上述消耗后的差值来表示。 2100433B

按照能量守恒定律，以高炉物料平衡为基础对高炉连续铸钢|炼铁过程的各项热收入和热支出进行计算，然后汇编制成热平衡表，据此能够了解高炉内热量消耗状况，分析高炉冶炼过程热消耗的问题，找出进一步改善能量利用，降低燃料消耗的途径。它还是计算理论焦比及各种因素对焦比之影响的基础。在高炉采用某些新技术措施时，通过热平衡计算，高gao并同物料平衡一起可预测冶炼效果，从而可以拟定出最适宜的冶炼制度。根据分析的需要，热平衡计算可分为两类：一类是以整个高炉为对象的，称为全炉热平衡计算；另一类是以高炉局部区域为对象的，称为区域热平衡计算。20世纪60年代前连续铸钢|炼铁工作者大都采用全炉热平衡计算，其原因在于区域热平衡的边界条件，特别是边界处炉料和煤气温变差的确定有较大的任煮性，而这个温度差的大小又在很大程度上决定着区域热平衡分析的可靠性。60年代以来，高炉传输过程研究和高炉解剖研究的结果帮助了这一温度差的选定。而且决定高炉冶炼指标的因素又较多地集中在处于高炉下部的高温区，因此高温区的区域热平衡得到普遍重视和广泛应用。

第一种全炉热平衡 这种方法出现较早，原理简单，属经典性质的。它建立在盖斯定律的基础上，即依据炉料入高炉时的初始状态和离开高炉时的最终状态来计算产生的和消耗的热量，而不考虑它们在高炉内进行的实际过程。例如是按FeO分解为Fe和l/2O2的耗热和C 1/2O₂结合成CO的放热计算的，而不是按实际吸热反应计算的。

高炉热平衡热量的收入项

热量收入 分为两类：一类是化学反应热，它由每kg或m³反应物在反应中放出的热效应与反应物数量的乘积算出；另一类是物理热，它由物料量与它们的比热容(c料)和温度(t料)的乘积算出。第一种全炉热平衡的热收入有5项：

1)碳素氧化热。在高炉内每1kg氧化成CO放热9800kJ，氧化成CO₂放热33400kJ，每1m3CO氧化成CO₂放热12600kJ。高炉内碳素氧化分为风口前碳素燃烧成CO和直接还原中C氧化成CO，间接还原中CO氧化成CO₂：qc=9800(C_风 C_d)，qco一co₂=12600CO₂i，kJ/t。碳素氧化热是热收入的主要项，约占热收入的70%～80%。

(2)热风物理热。常将鼓风中湿度分解耗热在本项收入中扣除，每1m3H₂O分解耗热10800kJ，q_风=V _风c_风t_风—10800V _风Ψ，kJ/t。

(3)氢氧化放热。这是H₂还原氧化物时氧化成H₂O放出的热，每1m3H₂氧化成H₂O放热为10800kJ，qH₂一2H₂O=10800H₂O还。

(4)成渣热。这是熔剂和生矿带入高炉内的CaO和MgO造渣时放出的热量，每1kgCaO或MgO成渣放热1130kJ，q成渣1130(CaO MgO)kJ/t，式中CaO、MgO为每吨生铁熔剂和生矿带入的自由CaO和MgO量，kg/t。在现代高炉生产中已大量使用熔剂性烧结矿、自熔性烧结矿和高碱度烧结矿或球团矿，加入高炉的熔剂量很少或完全不加入，所以为简化热平衡，常将此项微少的热收入在热支出项的碳酸盐分解耗热中扣除。

(5)炉料物理热。对使用冷矿的高炉，这项热量很少，可以忽略不计。在仍使用热烧结矿的高炉，这项热量为q_料=G_料c_料t_料，kJ/t。

高炉热平衡热量支出项

热量支出 第一种全炉热平衡的热量支出有9项：

(1)氧化物分解耗热。它包括铁氧化物和生铁中少量元素(Si，Mn，P，V，Ti等)氧化物分解耗热，它们以生铁中所含数量与该氧化物分解热的乘积算得；

(2)脱硫。按每吨生铁进入炉渣的硫量u(S)和硫化物分解热计算；

(3)碳酸盐分解耗热。进入高炉的碳酸盐有FeCO₃(菱铁矿中的)、MnCO₃(菱锰矿中的)、CaCO₃(石灰石和白云石中的)、MgCO₃(白云石中的)；有时为了简化将成渣热从此项中扣除1130；

(4)风中水分分解。常将此项在鼓风带入的物理热中扣除；

(5)喷吹物分解耗热。每1kg喷入高炉的煤粉的分解热波动在1050～1250kJ，一般无烟煤用低值，烟煤用高值；

(6)炉料中水分蒸发和加热耗热。焦炭，天然生矿及熔剂带入物理水，尤其是水熄焦带入3%～5%或更高的水分，它们蒸发并加热到炉顶温度，如果使用褐铁矿生矿或含有结晶水矿物(例如脉石中的高岭土等)的生矿，这些结晶水也要分解蒸发和加热到炉顶温度；

(7)铁水和炉渣的焓。可根据测定铁水和炉渣的温度，按各组分的含量和它们的平均比热容用加和法算得。也可根据实测温度和冶炼生铁品种选取统计出的经验数据：炼钢生铁Qu=(1720～1840)kJ/kg渣，Qe=(1180～1260)kJ/kg生铁；铸造生铁Qu=(1885～2000)kJ/kg渣，Qe=(1260～1380)kJ/kg生铁。这样q铁=1000Qe，q渣=uQu，kJ/t；

(8)炉顶煤气的焓。它包括干煤气、还原生成的H₂O和炉尘三者带走的热量，用它们数量、比热容和炉顶温度的乘积算得；

(9)热损失。高炉热损失包括冷却水带走的热量、通过炉壳表面辐射散热和对流给热损失热量以及通过炉底传给地层的热量等。除冷却水带走热量可较精确地测得外，其他几种是难于测得的，通常采用总热收入减去1～8项热支出而得出，有时也用统计经验式估算。

高炉热损失随炉子大小，冶炼强度高低和冶炼生铁品种而不同。一般炼铸造生铁时热损失占全部热收入的6%～10%，而炼钢生铁的热损失为3%～8%。

第二种全炉热平衡 是在第一种热平衡基础上发展来的，它更能反映高炉冶炼在热量交换和热能利用方面的实质。因此在分析高炉热现象，寻求节能降耗的途径时被广泛应用。这两种热平衡相同的是物理热：在热收入上是热风、炉料带入的热量；在热支出上是炉料中水分蒸发和加热，生铁、炉渣及煤气的焓。两种热平衡不同的是化学反应热：碳的氧化放热在第二种热平衡中只计算风口前碳氧化成CO的放热q_C=9800C_风kJ/t；还原耗热只计算吸热反应的铁直接还原和少量元素直接还原耗热；脱硫耗热按实际的反应热计算碳酸盐分解除计算CaCO一CaO CO₂的分解热外，还要计算进入高温区后该反应分解出来的CO₂与焦炭的碳发生溶解损失反应的耗热；结晶水分解出来的H₂O进入高温区也要计算H₂O C—H₂ CO反应的吸热。

众所周知，热平衡是以能量守恒定律为基础的，根据热化学中的盖斯定律进行计算。一般通式为:

热量=单位物质的热效应X物质的数量。

热量收入的总和=热量支出的总和。

不过热量损失是作为收支的平衡项计算的，即是以总的热量收入减去其它各项热量支出而得到的。

根据物料平衡、热平衡的计算，还可以算出燃料和焦炭在风口区域燃烧的碳率以及炉内热量利用系数和碳素利用率的能量利用指标。

2015年12月10日，《高炉热风炉热平衡测定与计算方法》发布。

2017年1月1日，《高炉热风炉热平衡测定与计算方法》实施。

如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同)，则它们彼此也必定处于热平衡。

热平衡定律是热力学中的一个基本实验定律，其重要意义在于它是科学定义温度概念的基础，是用温度计测量温度的依据。在热力学中，温度、内能、熵是三个基本的状态函数，内能是由热力学第一定律确定的；熵是由热力学第二定律确定的；而温度是由热平衡定律确定的。所以热平衡定律如第一、第二定律一样也是热力学中的基本实验定律，其重要性不亚于热力学第一、第二定律，但由于人们是在充分认识了热力学第一、第二定律之后才看出此定律的重要性，故英国著名物理学家R.H.否勒称它为热力学第零定律。