炼钢过程中的物料平衡与热平衡计算

1、炼钢过程的物料平衡与热平衡计算炼钢过程的物料平衡与热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上。其主要目的是比较整个 冶炼过程中物料、能量的收入项和支岀项，为改进操作工艺制度，确定合理的设计参数和提髙炼钢 技术经济指标提供某些定量依据。应当指岀，由于炼钢系复杂的髙温物理化学过程，加上测试手段 有限，目前尚难以做到精确取值和计算。尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。本章主要结合实例阐述氧气顶吹转炉和电弧炉氧化法炼钢过程物料平衡和热平衡计算的基本 步骤和方法，同时列出一些供计算用的原始参考数据。1.1物料平衡计算（1）计算所需原始数据。基本原始数据有：冶炼钢种及其成分（表1）;金属料一铁水

2、和废钢的成 分（表1）；终点钢水成分（表1）;造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（表2）；脱氧和合金化用铁 合金的成分及其回收率（表3）；其它工艺参数（表4） 表1钢种、帙水.废钢和终点钢水的成分设定值含量甩类别CSiMnPS钢种H15Mn设定值0. 180. 250. 55W0. 045WO. 050铁水设定值4.200.400. 450. 120. 060废钢设定值0. 180. 250. 550. 0300. 030终点钢水设定值0. 10芋二0. 180. 0200. 021 本计算设定的冶炼钢种为HISMno C和Si按实际生产情况选取；Mn、P和S分别按铁水中相应成分含量的30%. 1

3、0%和60%留在钢水中设 定。表2原材料成分类另CaOSiO,MgOAU*FeGCaF.PGSCO,HoOC灰分挥发 分石灰88. 002. 502. 601.500. 500. 100. 064. 640. 10萤石0. 305. 500. 601.601.5088. 000. 900. 101.50生白云石36. 400. 8025. 601.0036. 20炉衬1.203. 0078. 801.401.6014. 00焦炭0. 5881.5012. 405. 52硅铁73. 00/750. 50/802. 50/00. 05/1000. 03/10023.92/100猛铁6. 60/90

4、10.50/7567.80/800.23/1000. 13/10024.74/10010%C与氧生产co,表4其它工艺參数设定值名称参数名称参数终渣碱度%Ca0/%SiO2=3. 5渣中铁损（铁珠）为渣疑的6%萤石加入量为铁水量的0.5%氧气纯度99敞余者为N2生白云石加入量为铁水量的2. 5%炉气中自由氧含量0. 5%（体积比）炉衬蚀损量为铁水量的0. 3%气化去硫量占总去硫量的1/3终渣E （FeO）含量（按 （Fe0） = 1.35（FeA）折算）15%,而(Fe2O:l) /E (FeO) = 1/3 即 (FeA)=5%(FeO)=8. 25%金属中（C）的氧化产物90%C氧化成C0

5、tIO%C氧化成C02烟尘量为铁水量的1.5%（其中FeO 为 75% FeO 为 20%）废钢量由热平衡计算确定。本 计算结果为铁水量的10. 934%,即废钢比为9. 86%喷溅铁损为铁水量的1%（2）物料平衡基本项目。收入项有：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。支出项有：钢水、炉渣、烟尘.渣中铁珠.炉气.喷溅。（3）计算步骤。以100kg铁水为基础进行计算。第一步：计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。总渣量包括铁水中元素氧化、炉衬蚀损和加入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表5、6和7。 总渣量及其成分如表8所示。第二步：计算氧气消耗量。氧气实际消耗量系

6、消耗项目与供入项目之差，详见表9。表5铁水中元素的氧化产物及其成渣量元素反应产物元素氧化量/ kg耗氧量/kg产物t/kg备注C(C) f CO(C) - COJ4.22X90%=3. 7984. 22X10%=0. 4224.9201.0908.6101.500Si(Si) -*(Si02)0. 4000.4570. 857入渣Mn(Mn) (MnO)0. 2700. 0790. 349入渣PIP) f (PQ)0. 1000. 1290. 229入渣S(S) f(SOd(S) +(CaO) = (CaS) + (O)0. 039X1/3二0.0130. 039X2/3=0. 0260.01

7、30.0130. 0260. 059 (CaS)入渣Fe(Fe) (FeO) (Fe) - (FeO)0. 675X56/72=0. 5250. 379X112/160=0. 2650. 1500. 1140. 6750. 379入渣（见表8）入渣（见表8）合计5. 6990. 965成渣量2. 548入渣组分之和 由CaO还原出的氧量，消耗的50量=0.013X56/32=0. 023kg表6炉村蚀损的成渣量炉衬蚀损量成渣组分/ kg气态产物/ kg耗氧量/ kg（kg）CaOSi02MgOAI2O3Fe20.)0. 631X6. 60%X90%=0. 038Si0.631 X 67.80%

8、 X20%二0. 0860. 0250. Ill0. 631X67. 80%X80%=0. 342Mn0.631 X 0.50% X25%二0. 0010. 0010. 0020. 631X0. 50%X75%=0. 002P0. 631X0. 23%二0. 001S0. 631X0. 13%=0, 001Fe0. 631X24. 74%=0 156合计0. 0910. 0360. 1130.0150. 540硅铁A10.425 X 2.50% X100%=0.0110.0100. 006Mn0.425 X 0.50% X20%二0. 000040. 00010. 00050.042 X 0.

9、50% X80%二0. 002Si0.042 X 73.00% X25%二0. 0780. 0890. 1670. 0425X73. 00% X75%=0. 230P0. 0425X0. 05%二0. 00002S0. 0425X0. 03%二0. 000011Fe0. 0425X23. 92%=0. 102合计0. 0880. 0990. 1740. 334总计0. 1690. 1350. 2870.0150. 874可以忽略脱氧和合金化后的钢水成分如下:w(c)=0-08%+xl00vl6%w(Si) =0.005 + 0.02393.129X100%二0 03%w (Mn) =0.210

10、%+0681 + 0.000293.129X100%二0 94%w(P)=0. 019%+ -()? X 100%=0. 022%93.129w(s)=0-016%+xl00%=0-018%可见，含碳量尚未达到设定值。为此需在钢包加焦粉增碳。其加入量岗为(0.17-0.16)%x 钢水量 1二焦炭含C量xC回收率0.01%x93.129=0. 015kg81.50% x 75%焦炭生成的产物如下:碳烧损量/kg耗氧量/kg气体 t/kg：i成渣t/kg碳入钢量/kg0. 060X81. 50%X25A0.0120. 0320. 044+0. 06 X(0. 58+5. 52) %=0. 047

11、0. 060 X12. 40%二0. 0070. 060X81. 50%X75%=0. 037C02. H*和挥发份之总和(未计挥发份燃烧的影响)由此可得冶炼过程(即脱氧和合金化后)的总物料平衡表16表16总物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水90. 1478. 93钢水93. 38 (92. 47+0. 874+0. 037)81.71废钢9. 868. 64石灰3. 112.72炉渣7. 79 (7. 50+0. 287+0. 007)6. 82萤石0. 450. 39轻烧白云石2. 251.97炉气10. 39 (10.33+0. 015+0. 047)9. 09炉衬0

12、. 270. 24喷溅0.910. 80負气7.02 (6. 85+0. 14+0.03)丄6. 14烟尘1.361. 19猛铁0. 630. 55渣中铁珠0. 440. 39硅铁0.430. 37焦粉0. 060. 05合计114.21100. 00合计114.28100. 00注：计算误差为（114.21114.28） /114. 21X100%二一0. 1%可以近视认为（0. 082+0. 008）的氧量系出钢水二次氧化所带入。1.2热平衡计算（1）计算所需原始数据。计算所需基本原始数据有：各种入炉料及产物的温度（表17）；物料平均 热容（表18）；反应热效应（表19）；溶入铁水中的元素

13、对铁熔点的影响（表20）。其它数据参照物 料平衡选取。表17入炉物料及产物的温度设定值名称入炉物料产物铁水废钢其它原料炉渣炉气烟尘温度（C）13002525与钢水相同14501450纯铁熔点为1536X：表18物料平均热容物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热容（kj/kgK）0. 7450. 6991.0470. 996溶化潜热（kj/kg）218272209209209液态或气态平均热容（kj/kg-K）0. 8370. 8371.2481. 137表19炼钢温度下的反应热效应组元化学反应AA/kj kmol 1k j kg 1Cc+|o2=co氧化反c4-O2

14、=CO2氧化反应41807234834SiSi + O2=SiO2負化反应81768229202MnMn + lO2=(MnO)氧化反应3617406594P2P + |O2=(PA)氧化反应 117656318980FeFe + jO2=(FeO)氧化反应2382294250Fer32Fe + -O2 =(Fe2O3)氧化反应7224326460Si02(SiO2) + 2(CaO)= (2CaO*SiO2)成渣反应971331620P2O5(匕O5)+4(CaO) = (4CaO 匕 O5)成渣反应6930544880CaCOCaCO3 =(CaO)+ CO2分解反应1690501690M

15、gC03MgCO3=(MgO) + CO2分解反应1180201405表20溶入铁中的元素对铁熔点的降低值元素(SiMn1S(:N. H、0在铁中的极限 溶解度/%5.4118.5无 限2.80. 1835.0无限溶入1%元素使 铁熔点的降低 值/c65707580859010085302531.5氮、氢、氧溶入 使铁熔点的降 低值/cL=6适用含量围/%0. 400X29202=11680. 80P2O5-* 4CsO P2O50. 237X4880=1156. 56Mn*MnO0.270X6594=1780. 38SiO-2CaO Si021.000X1620=1620. 00FeFeO0

16、. 525X4250=2231.25合计Q80045. 18（3）烟尘氧化热由表4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。0=1. 5X （75%X56/72X4250+20%X112/160X6460）=5075. 35KJ（4）炉衬中碳的氧化热血根据炉衬蚀损量及其含碳量确定。CI=0.3xl4%x 90% x 11639+0.3 xl4%xl0%x 34834=586.25KJ故热收入总值为：二227582. 40KJ第二步：计算热支出热支出项包括：钢水物理热；炉渣物理热；烟尘物理热；炉气物理热；渣中铁珠物理热；喷溅 物（金属）物理热；轻烧白云石分解热；热损失；废钢吸热。（1）钢水物理热a

17、：先按求铁水熔点的方法确定钢水熔点几再根据出钢和镇静时的实际温降（通 常前者为406（TC,后者约35C/inin,具体时间与盛钢桶大小和浇注条件有关）以及要求的过热 度（一般为509（rc）确定出钢温度最后由钢水量和热容算岀物理热。0=1536（0. 10X65+0. 18 X 5+0. 020 X 30+0. 021 X25） -6=1520C（式中：0.08、0.21、0.019和0.016分别为终点钢水C、Mn、P和S的含量）T 尸 1520+50+50+70=1690C（式中，50、50和70分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后处理过程中的温降和过热度）Q二91. 725X 0. 69

18、9X （1520-25）+272+0. 837X （1690-1520）1 = 133853. 834KJ（2）炉渣物理热Q：令终渣温度与钢水温度相同，则得：Q二8. 184X 1. 248X （1690-25）+2091=18716. 153KJ（3）炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热根据其数量、相应的温度和热容确定。详见表22。表22某些物料的物理热项目参数/KJ备注炉气物理热11.438X1. 137X (1450-25) 1 = 18532. 1331450C系炉气和烟尘的温度烟尘物理热1.5X0. 996X (1450-25) +209二2442. 45渣中铁珠物理热0. 491 X

19、0. 699 X ( 152025) +272+0. 837 X (16901520) 1=716.5141520T：系钢水熔点喷溅金属物理热1XO. 699 X (1520 25) +272+0. 837 X (16901520 ) =1467. 80合计=23158. 897（4）生白云石分解热根据其用量、成分和表19所示的热效应计算之。a=2. 5X （36. 40%X 1690+25. 60%X 1405）=2437. 10KJ（5）热损失心 其它热损失带走的热量一般约占总热收入的38%。本计算取5%,则得:4二204339 34X5%=10216. 967KJ（6）废钢吸热：用于加热废钢的热量系剩余热量，即：Q Q- Q QQq=15956. 389KJ故废钢加入量廉为：W产15956. 389一 1 X 0. 699 X （1523-25）+272+0. 837X（1690-1523）=10. 934kg即废钢比为:20.12100 + 20.12XI00%=