3物料平衡与热平衡

1、3.1物料平衡计算3.1.1计算所需原始数据基本原始数据：冶炼钢种及成分（见表 3-1 ）;原材料成分（见表3-2 ）;炉料中元素烧损率（见表3-3 ）;合金元素回收率（见表3-4 ）;其他数据（见表3-5 ）。表3-1冶炼钢种及其成分钢种成分/%备注CSiMnPSFeQ2150.09 0.150.030.25 0.550.0450.045余量F -B 注：分母系计算时的设定值，取其成分中限表3-2原材料成分/%名称CSiMnPSCrAlFeHO灰分挥发 分碳素0.180.250.550.030.03余量废钢00炼钢4.200.80：0.600.200.03余量生铁05FeMn6.600.50

2、67.80.230.1324.70004FeSi73.00.500.050.032.5023.90002SiM n1.6520.563.20.060.0414.500554FeCr4.350.400.030.0467.327.85507Al98.51.500焦炭81.50.5812.45.5200电极99.01.000名称CaOSiO2MgOAI2QCaFFQCOHOP2QS石灰88.002.502.601.500.504.640.100.100.06萤石0.305.500.601.6088.001.501.500.900.10铁矿 石1.305.750.301.4589.771.200.15

3、0.08火砖 块0.5560.800.6036.801.25咼铝 砖1.256.400.1291.350.88镁砂4.103.6589.500.851.90焦炭 灰分4.4049.700.9526.2518.550.15电极 灰分8.9057.800.1033.10表3-3炉料中元素烧损成分CSiMnPS烧损率/%熔化期2540,取307095,去856070,取654050,取45可以忽略氧化期0.06错误！未找到引用源。全部烧损200.015错误！未找到引用源。2530,取27错误！未找到引用源。 按末期含量比规格下限低 0.03%0.10%（取0.06%）确定（一般不低于0.03%的脱碳

4、量）；错误！未找到引用源。按末期含量的0.015%来确定表3-4铁水、废钢成分设定值类别 成分%CSiMnPS废钢设定值0.180.250.550.0300.030表3-5其他数据名称参数配碳量比钢种规格中限高0.48%,即达0.6%熔化期脱碳量30% 即 0.6%x 30%= 0.18kg电极消耗量4kg/t （金属料）：其中熔化期占75%氧化期和还原期 各占25%炉顶高铝砖消耗量1.275kg/t （金属料）：其中熔化期占59%氧化期占41%炉衬镁砖消耗量3.5kg/t （金属料）：其中熔化期占57%氧化期和还原 期各占43%熔化期和氧化期所需要 氧量100%自于氧气氧气纯度和利用率99%

5、 余者为NI,氧利用率90%焦炭中碳的回收率75% （系指配料用焦炭）碳氧化产物均按70%生成CO 30%生成CO考虑烟尘量按8.5kg/t （金属料）考虑3.1.2物料平衡基本项目收入项有：废钢、生铁、焦炭、石灰、萤石、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝 砖、火砖块、铁合金、氧气和空气。支出项有：钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、焦炭中挥发分。3.1.3计算步骤以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段一一熔化期、氧化期 和还原期分别进行计算，然后汇总成物料平衡表。第一步：熔化期计算。（1）确定物料消耗量：1）金属炉料配入量。废钢和生铁按 75kg和25kg搭配，不足碳量用焦炭来 配。其结果列于表

6、3-6。计算用原始数据见表3-2和3-5。表3-6炉料配入量名称用量/kg配料成分/kgCSiMnPSFe废钢100.0000.180.250.550.030.0398.96焦炭0.6870.42错误！未找到引用源。合计100.6870.60.250.550.030.0398.96错误！未找到引用源。碳烧损率25%2）其他原材料消耗量。为了提前造渣脱磷，先加入一部分石灰（20kg/t （金 属料）和矿石（10kg/t （金属料）。炉顶、炉衬和电极消耗量见表 3-5。（2）确定氧气和空气消耗量：耗氧项包括炉料中元素的氧化，焦炭和电极 中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中 CaO被自身S还原出部

7、分氧。前后两者之差即为所需净氧量2.458kg。详见表3-7。根据表3-5中的假设，应由氧气供给的氧气为100%即2.239kg。由此可求出氧气实际消耗量。详见表 3-8。上述1)+2)便是熔化期的物料收入量。表3-7净耗氧量的计算项目名称元糸反应产物兀素氧化量/kg耗氧量/kg供氧量/kgC(C)T CO0.1260.168(C)T CO0.0540.144Si(Si) SiO2)0.21250.2428炉料中元Mn(Mr) MnO0.35750.104耗素的氧化P(P) P2Q)0.01350.0174氧 项Fe(Fe) FeO 错误！未找到引用源。0.2971.6820.08480.72

8、1(Fe( FS)错误！未找到引用源。合计2.74251.482焦炭中碳C(C) CO0.0980.131的氧化(C) CQ0.0420.112电极中碳C(C) CO0.2080.277的氧化(C) CO0.0890.237合计2.239供矿石氧石灰SCaO+S=CaS+O)0.0006项合计0.0006净耗氧量2.2384错误！未找到引用源。令铁烧损率为2%其中80%生成FQ挥发掉成为烟 尘的一部分；20%成渣。在这20%中,按3： 1的比例分别生成(FeO和(FqQ)。表3-8氧气实际消耗量氧气/kg带入Q带入22.2384/氧利用率(3.128/99%) X=2.2384/90%=3.1

9、281%=0.032(3)确定炉渣量：炉渣源于炉料中Si、Mn P、Fe等元素的氧化产物，炉 顶和炉衬的蚀损，焦炭和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。结果见表3-9名称消耗量/kg成渣组分/kgCaOSMgOAI2QMnOFeOFe?C3F2OCaS合计Si0.20.40.45炉Mn13550.45料P0.360.00.46Fe580.30.143120.08210.031410.30.52963炉顶0.00.00.0略0.060.000.07炉衬7501040.1915焦炭0.20.00.0790.000.00略0.20电极0008070.0240石灰0.60.00.0010.020.010

10、.00.00.08870442略26020250.3略0.00.00.000.00001.7025210.0132.0580.00.0301.90005004合计1.70.50.20.120.40.30.170.00.03.737161324682233027百分47.156.23.3212.10.4.60.80.5100.比383218400（4） 确定金属量：金属量 Q=金属炉料重+矿石带入的铁量-炉料中C、Si、Mn P和Fe的烧损量+焦炭配入的碳量=100-2.7425+0.42=97.6775kg。（5） 确定炉气量：炉气来源于炉料以及焦炭和电极中碳的氧化物CO和 CO, 氧气带入的

11、2,物料中的HO及其反应产物，游离 Q及其反应产物，石灰的烧 减（CO）,焦炭的挥发分。计算结果列于表 3-10。表3-10炉气量计算项目气态产物/kgCOCONHO挥发合计物炉料中C的氧化0.2940.1980.492焦炭带入0.2280.1540.0040.0470.424电极带入0.4850.3260.811石灰带入0.0020.095氧气带入0.0930.0250.0251游离Q参与反应10.2487CO+1/28CO-0.430.684HQ参与反应541-0.000HbO+CO=2HC(Q60.00067-0.000.0149367合计0.5621.470.02500.000670.

12、0382.09131质量分数/%26.8370.131.1900.031.81100.00(6)确定铁的挥发量：有表 3-7中设定，铁的挥发量为：97.949 X 2%x 80%=1.564kg上述(3) + (4) + (5) + (6)便是熔化期的物料支出量。由此可列出熔化期物料平衡表 3-11 o表3-11熔化期物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%废钢100.00094.54金属97.677592.94焦炭0.6870.65炉渣3.73743.56电极0.3000.283炉气P 2.09611.99石灰2.0001.89铁的挥发1.5831.51炉顶0.0750.071炉衬

13、0.2000.189氧气2.5132.37合计105.775100.00合计105.094100.00注：计算误差=(105.775-105.094 ) /105.775 X 100%=0.64%第二步：氧化期计算。引起氧化期物料波动的因素有：扒除熔化渣，造新渣；金属中元素的进 步氧化；炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损。(1) 确定渣量：1) 留渣量。为了有利去磷，要进行换渣，即通常除去70%左右熔化渣，而 进入氧化期只留下30%勺渣。其组成见表3-12。2) 金属中元素的氧化产物。根据表 3-3给出的值可以计算产物量，详见表 3-12。3) 炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。根据表 3-5的假定进

14、行计算，其结 果一并列入表3-12。4) 造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量。见表3-12。渣量计算的几点说明：关于石灰消耗量：由表3-12可知，除石灰带入的以外，渣中已含Si02=0.168+0.08+0.003+0.005+0.001+0.304=0.561kg;Cao=0.531+0.001+0.006 +0.003-0.040=0.501kg。取碱度3.5，故石灰加入量为：R刀W(SiQ)-刀 W(CaO)/w(CaO 石灰)-Rw (SiO2石灰)=1.377/(88.00%-3.5 X 2.50%)=1.091kg关于磷的氧化量：根据表3-7，可近似求得(0.003-0.01

15、35)/97.687-0.015%X97.687=0.00184kg。关于铁的烧损量：一般可以设定，当氧化末期金属中含C约0.90%时，渣中刀w(Fe)约达7% 且其中75%为(FeQ, 25%为(FeO)。因此，渣中含(FeQ为(7%X 75%X 72) /56=6.75%,含(FqO)为(7%X 25%X 160) /112=2.50%，由表3-12 可知， 除 FeO 和Fe2Q以外的渣量为2.127+0.608+0.225+0.298+0.189+0.019+0.0559=3.551kg，故总 渣量=3.551/(100-6.75-2.50 ) %=3.913kg 于是可得 W FeO

16、 =0.245kg，W FeQ) =0.118kg。 其中，有Fe氧化生成的(FeO和(FqO)分别为0.19kg和0.082kg 。表2-12氧化期渣量的确定名称消耗 量/kg成渣成分/kgCaOSiO2MgOAI2OMnOFeOFe2O3P2QCaS合计留渣1.120.5310.170.070.030.130.10.00.010.001.1217965261金属 Si0.030.080.08中元 Mn80.050.05素氧 P0.0300.000化或 Fe90.10.070.00烧损S0.00-0.043480.0572020.170.1350.02380.012炉顶蚀2损0.050.00

17、10.00略0.04略0.05量30.00630.1380.02炉衬蚀损0.15略0.0040.00030.14量01.6265略10.000.009电极烧损0.10错误！未找到0.000.04略0.0330.00量0引用源。180.02091石灰带入1.840.0030.040.0080.01.76火砖块带8630.18062入0.500.3040.50040合计2.1270.600.250.290.180.20.10.010.053.9185894518963%54.3615.56.57.62 :4.816.23.00.051.43100.13410错误！未找到引用源。石灰中CaO被自身S

18、还原，消耗0.003kgCaO。（2） 确定金属量：根据熔化期的金属量以及表3-12中元素烧损量和矿石还原 出来的铁量，即可得氧化末期的金属量为97.678-（ 0.0375+0.039+0.0016+0.135+0.023+0.318 错误！未找到引用源。）+0.628=97.894kg（错误！未找到引用源。0.318为碳的烧损量接近值，即（0.60-0.18 ） -0.89% X 97.678=0.342kg ）（3）确定炉气量：计算方法如同熔化期。先求净耗氧量（见表 3-13）,再确定 氧气消耗量（见表3-14），最后将各种物料或化学反应带入的气态产物归类， 从 而得其结果（见表3-15

19、 ）。具体算法可参照表3-10。熔化期和氧化期的综合物料平衡列于表3-16。表3-13净耗氧量的计算名称=1=元糸烧损量/kg反应产物耗氧 量供氧 量/kg备注C0.342C - CO0.319r 70%C生成 COC -CQ0.27430%C生成 CO金属中元素的氧化Si0.0375Si (Sd)0.043Mn0.039Mn (MnO)0.011P0.0016P IQ)0.0021Fe0.135Fe (FeO)0.029P见表3-12Fe (FezQ)0.0145见表3-12电极中碳 的氧化C0.100 X99%=0.099C CO0.092r 70%C生成 COC CQ0.07930%C生

20、成 CO合计0.899石灰中S还原CaOS0.002CaO+S=CaS+C)0.001金属中S还 原CaO供氧S0.009CaO+S=CaS+C)0.005合计0.006净耗氧量0.8574表3-14氧气和空气实际消耗量氧气/kg带入Q带入N0.8634/氧利用率(0.959/99%) X=0.8634/90%=0.91%=0.009759表3-15炉气量项目气态产物/kg备注COCOHO合计金属中C的氧化0.550.30.935C烧损量电极带入9760.2710.342kg石灰带入0.160.10.000.128C烧损量氧气带入2090.0030.0090.099kg游离Q参与反应977CO

21、+1/2O=CO0.10.095HO参与反应250.009游离Q量HO+CO=2HCO-0.1-0.02=0.00959kg680.2030-0.005640.007HO全部消耗掉合计0.5480.8810.00100.0021.44质量分数/%38.0661.180.6700.13100.00表3-16熔化期和氧化期综合物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%废钢10091.4金属97.09982.29焦炭0.6870.64炉渣3.737+2.792=6.5296.03电极0.300+0.100=0 .4000.30炉气2.096+1.44=3.5363.25石灰2.000+1.8

22、48=3.8483.52铁的挥 发1.5831.46火砖块0.5000.46其他烟 尘0.8310.67炉顶0.075+0.053=0.1280.12炉衬0.200+0.150=0 .3500.32氧气2.513+0.986=3.4813.18合计:109.394100.00 :合计108.747100.00注：计算误差=(109.394-108.747 )/109.394 X 100%=0.59%氧化期末金属成分如下:CSiMnPS%0.08痕迹0.1580.0150.0223.2热平衡计算以100kg金属料(废钢+生铁)为基础3.2.1计算热收入Q(1) 物料的物理热。计算结果列于表3-1

23、7。(2) 元素氧化热及成渣热。计算结果列于表3-18。(3) 消耗的电能。根据消耗的热量确定，为92294.71kJ。详见下面的计表3-17物料带入的物理热名称热容/kJ -(kg C)-1温度/ C消耗量/kg物理热/kJ废钢0.69925100.0001747.5石灰0.72825.084870.034火砖块0.858250.50010.725焦炭0.858250.68714.736炉顶10.8796000.12867.507炉衬0.9966000.350209.16氧气1.318253.841126.561电极n1.5074500.400271.26合计2517.483表3-18元素氧

24、化热及成渣热名称氧化量/kg化学反应AH/kJ -kg-1放热量/kJ电极0.208+0.069=0.277C+1/2O2=CO-116393224中的C0.089+0.030=0.119C+Q=CQ-348344145焦炭0.167C+1/2O2=CO-116391944中的C0.07C+Q=CQ-348342438金属0.2125+0.0375=0.25Si+2(FeO)=(SiO 2)+2F-113292832中Sie金属0.3575+0.039=0.3965Mn +(FeO)=( Mn O)+Fe-2176863中MnFe错误8.524Fe+1/2O 2=(FeO)-425036227

25、未找到引用源。1.6822Fe+3/2O 2=(Fe 2C3)-646010866SQ0.5607 X 70%+0.6076X2(CaO)+(SiO2)=(2CaO - S-16201571成渣95%=0.9697iO2)P2Q成0.0329 X 70%+0.019X-4880200渣95%=0.041084(CaO)+(P2)=(4CaO PO)合计64347错误！未找到引用源。因熔化期和氧化期所需要的 Q量100由氧气提供， 由表3-8和3-14所知，该气态Q2总用量为3.447kg。3.2.2计算热支出Q(1) 钢水物理热 Q。该钢熔点为 1536- (0.18 X 65+0.3 X 8

26、+0.47 X 5+0.045 X30+0.045 X 25) -6=1511 T ;出钢温度控制在中下限，本计算中取1580C。贝U：Q=97.1 X 0.699 X (1511-25)+0.837 X (1580-1452)=132878.15kJ(2) 炉渣物理热Q。计算结果见表3-19。表3-19炉渣物理热名称熔化期炉渣氧化期炉渣合计温度/C15001650热容-1/kJ (kg K)1.1721.216物理热/kJ2.616 X 1.172 X (1500-25)+209=5069 .023.899 X 1.216 X (1650-25)+209=8519.3213588.34(3)

27、吸热反应消耗的物理热 Q。详见表3-20表3-20吸热量名称氧化量/kg化学反应AH/kJ kg吸热 量/kJ金属脱碳0.6-97.1 XC+(FeO)=CO+62443259.渣中(FeO和0.08%=0.522Fe624437(Fe2O3 被 CC=0.002(FeO)+C=CO+Fe852012.49粉中的C还原C=0.00434.08石灰烧碱(Fe2Q)+3C=3CO+41773.848 X 4.64%=0.1792Fe747.6CaCG=CaO+CQ8水分石灰3.848 X 0.10%=0.004 1挥发带入(由焦炭0.515 X 0.58%=0.00325 r带入升至小计0.007HQ H2O1200C1227/H2O8.591200C)金属增C0.42C- C1779/C747.18合计4809.39(4) 炉气物理热Q。令炉气温度为1200C，热容为1.137 kJ