提钒转炉供氧制度的设计 周伟 打印稿

1、攀枝花学院本科毕业设计（论文）提钒转炉供氧制度的设计学生姓名： 周 伟 学生学号： 200911103097 院（系）： 资源与环境工程学院 年级专业： 2009冶金工程 指导教师： 丁满堂 副教授 助理指导教师： 二一三年五月攀枝花学院本科毕业设计(论文) 摘要摘 要供氧制度是控制转炉提钒的中心环节，该制度包括氧枪枪位、喷头结构、耗氧量、供氧强度、供氧压力等诸多参数。转炉提钒的主要产品为半钢和钒渣，通过供氧制度的设计来满足转炉内半钢碳和提钒温度的要求，使铁水中的钒尽可能的氧化进入钒渣，降低半钢余钒量，提高钒的氧化率。本文主要是对130吨的提钒转炉的供氧制度的设计。主要内容包括提钒方法的介绍，

2、转炉内物料平衡和热平衡计算，吨铁氧耗量的设计，供氧量的计算，喷头出口马赫数的确定，喉口直径的设计，氧枪枪位的设计。设计得到的参数为：供氧量282.84m3/min，设计氧压0.793 Mpa，吨铁氧耗量15.23m3/t，喉口直径40mm，喷头出口马赫数2.0、喷射扩张段的扩张角度11°，扩张段长度69mm，枪位在1.42.2m之间变化。关键词 氧枪喷头，转炉，铁水，提钒方法，供氧制度III攀枝花学院本科毕业设计(论文) ABSTRACTABSTRACTOxygen supply system is the central link to control the converter

3、of vanadium extraction, the system includes the lance position, the nozzle structure, oxygen consumption, oxygen supply intensity, oxygen pressure and other parameters. The main products of the converter of vanadium extraction are steel and vanadium slag, through the design of oxygen supply system t

4、o meet the requirements of the carbon content of the steel and the temperature of vanadium extraction in the converter, the vanadium is oxidized into the vanadium slag as much as possible for increasing vanadium oxidation rate. At the same time, reducing the vanadium content which exist in the semi

5、steel ,. The main content of this paper is to design the oxygen supply system of 130 tons of vanadium extraction converter. The main contents include analysing the performance of the vanadium slag, the calculation of material balance and heat balance in the converter, design the oxygen consumption o

6、f per ton hot metal, the calculation of the total oxygen supply, selecting the figure of Maher number in the nozzle exit, the design of the throat diameter, the design about the position of the oxygen lance. The design parameters: the amount of oxygen is 282.84 m3, the design oxygen pressure is 0.79

7、3 MPa, the oxygen consumption of per ton hot metal is 15.23 m3/t, throat diameter 40 mm, the nozzle exit Mach number is 2.0, the jet expansion segment of the expansion angle is 11 °,the expansion of the length is 69 mm, the position of the lance changes between 1.4 to 2.0 m.Key words Oxygen lan

8、ce nozzle, Converter, Hot metal, Vanadium extraction method, Oxygen supply system 攀枝花学院本科毕业设计(论文) 前言前 言 钒属贵重金属，应用范围广，经济价值高，是一种极为重要的工业原料，可广泛应用于钢铁、化工、航空航天、电子工业、生物和农业等领域。钒在自然界中的分布很广，约占地壳质量的0.02；但分布极为分散，一般共生在其它金属矿中，因此钒通常作为副产品来回收。目前钒钛磁铁矿是钒的主要矿物资源，该矿物的主要元素是铁、钒和钛，先将矿石冶炼成铁水后，再对铁水氧化吹炼得到钒渣，钒渣是生产钒及其产品的主要原料。国内生

9、产钒渣的工厂主要有承德新新钒钛股份有限公司和攀枝花钢铁集团股份有限公司。 本文主要是对130吨的提钒转炉的供氧制度的设计。主要内容包括钒渣性能的分析，转炉内物料平衡和热平衡计算，吨铁氧耗量的设计，喷头供氧量的计算、喷头出口马赫数的确定、喉口直径的设计，氧枪枪位的设计。攀枝花学院本科毕业设计(论文) 目录目 录摘 要IABSTRACTII前 言III1 钒的生产概述11.1 钒的提取方法11.1.1 含钒磁铁矿直接提钒11.1.2 钒渣提钒11.1.3 其他提钒方法11.2 含钒铁水吹炼提钒11.2.1 转炉提钒的原理11.3 氧气顶吹转炉吹炼提钒21.3.1 铁水成分的影响21.3.2 钒渣成

10、分的影响31.3.3 留渣操作41.3.4 铁水温度的影响41.3.5 供氧制度的影响51.4 其他提钒方法51.4.1 雾化提钒法51.4.2 空气底吹转炉提钒法51.4.3 顶底复吹转炉提钒法51.4.4 摇包提钒61.4.5 铁水包提钒62 提钒转炉内物料平衡和热平衡计算72.1 原始数据72.1.1 金属料成分及温度72.1.2 原料成分72.1.3 假设条件72.2 物料平衡计算82.2.1 元素氧化量82.2.2 各元素反应产物及数量82.2.3 烟尘中铁及氧耗量102.2.4 炉气成分和数量102.2.5 实际氧气消耗量的计算112.2.6 炉渣带金属铁珠量的计算112.2.7

11、钢水量计算112.2.8 物料平衡初算112.3 热平衡计算122.3.1 冷却剂的成分122.3.2 各种物质的质量热容和反应热效应122.3.3 热收入项122.3.4 热量支出项132.3.5 热平衡初算142.4 1kg氧化铁皮复合球对物料平衡和热平衡的影响152.5 实际氧耗量修正153 供氧制度中几个工艺参数的设计163.1 氧气163.2 供氧压力163.3 吨铁氧量163.4 供氧吹炼时间174 喷头的性能以及氧射流对熔池的作用184.1 喷头的作用和结构特点184.1.1 拉瓦尔喷头的工作原理184.1.2 喷头的孔数184.2 氧枪喷头氧射流的特征194.3 冲击区域与冲击

12、深度194.4 熔运动池的204.4.1 熔池的搅拌215 氧枪喷头的设计225.1 氧气流量的确定225.2 供氧强度的确定225.3 喷嘴出口马赫数的选择225.4 理论氧压的设计235.5 喷头孔数和孔间夹角235.5 喉口直径的计算245.5 出口直径的设计245.6 扩张段长度的设计245.7 收缩段长度的设计246 氧枪枪位对吹炼的影响以及枪位的设计256.1 氧枪枪位对熔池搅拌的影响256.2 枪位对熔池温度的影响256.3 氧枪枪位的设计256.3.1 吹炼各时期枪位的设计256.3.2 整个吹炼过程中枪位的几种操作方法的设计267 总结27参考文献28致 谢29攀枝花学院本科

13、毕业设计(论文) 1 钒的生产概述1 钒的生产概述1.1 钒的提取方法1.1.1 含钒磁铁矿直接提钒 从含钒磁铁矿石中直接提取钒的方法也称为湿法提钒。矿石中V2O5含量为12%，芒硝与破碎精选的精矿粉混合后制成球，在1200的高温下焙烧，钒转化为可溶性钒酸钠。加入硫酸后，钒酸钠反应转化成不溶于水的V2O5 。经过沉淀过滤后，所得的产物即为提钒产品。1.1.2 钒渣提钒 钒渣提钒是将钒钛磁铁矿经过高炉或电炉冶炼后得到含钒铁水，含钒铁水装入转炉、摇包或铁水包内，并向其中通入氧化性气体，使铁水中的钒氧化后得到钒渣。钒渣提钒也称火法提钒，提取钒渣后的铁水称为半钢，半钢还可进一步冶炼成钢产品1。1.1.

14、3 其他提钒方法 钾钒铀矿中提钒，这种矿石主要是生产金属铀，副产品为V2O5。石油及其加工的产物、碳质页岩中都含有钒，重油、石油焦及其燃烧灰渣可使钒得到富集，也可直接从石油或石油加工产物中提钒9，其中V2O5的质量分数为535%。含钒的磷酸盐矿、含钒的粘土矿中也可以提钒。而最近几十年中还发现可以从石煤中提钒，我国石煤资源丰富，可开采量大，但石煤中钒的品味相差较大，一般为0.131.00%，品味低于0.5%的占60%，提钒难度较大21。1.2 含钒铁水吹炼提钒对为0.40.6%的含钒铁水，要尽可能的将铁水中的钒氧化进入炉渣，铁的损耗要降至最低，即半钢的收得率要高，以降低钒渣生产成本，并且提钒后的

15、半钢碳含量要尽量高，以满足下一步炼钢的要求3。1.2.1 转炉提钒的原理 转炉提钒是利用选择性氧化的原理，通过氧枪喷射出的高速氧射流对转炉中的含钒铁水进行搅拌，把铁水中的钒氧化成稳定的钒氧化物，以制取钒渣的一种物理化学反应过程。在反应过程中，通过加入冷却剂控制熔池温度在碳钒转化温度以下，达到“去钒保碳”的目的2。向转炉中供氧后，铁水中的Fe被大量氧化，Si、Mn、V和少量的C也同时被氧化。钒可以氧化成V2O、VO、V2O3、V2O4、V2O5等化合物，其中V2O3和V2O5最稳定。反应式为：2V+3/2O2 = (V2O3) 式(1.1)2V+3(FeO) = (V2O3)+3Fe 式(1.2

16、)2V+5O2 = (V2O5) 式(1.3)2V+5(FeO) = (V2O5)+5Fe 式(1.4)为得到高品位的钒渣，要最大限度的将铁水中的钒氧化进入炉渣，提钒后铁水中的钒的含量要尽量的低。铁水中元素的氧化放出大量的热量使炉温升高，而炉温升高不利于钒的氧化。因此要求转化温度越低，半钢中残余钒含量就越低，才能得到高品位的钒渣。1.3 氧气顶吹转炉吹炼提钒 氧气顶吹转炉吹炼提钒是从转炉顶部吹入氧射流，使铁水中的钒被氧化提钒的方法。氧气顶吹转炉吹炼提钒可分为同炉单渣法、同炉双渣法与转炉转炉双联法三种方法。(1)同炉单渣法是在一座转炉内，加入造渣剂后，吹炼含钒铁水，获得高氧化钙低品位的钒渣。(2

17、)同炉双渣法是在同一座转炉内，不加入碱性造渣材料，而仅加入冷却剂进行吹炼，当硅锰钒等元素氧化结束，碳焰刚露头时立刻停氧，倒出钒渣，然后再向该炉内加入造渣材料造渣、降碳去磷硫继续吹炼成钢。一般前期称提钒期，而后期称炼钢期。(3)转炉转炉双联法是用两座转炉吹炼，一座为提钒炉仅加冷却剂提钒，获得钒渣和含碳的半成品半钢，再将半钢兑入另一座炼钢转炉内，加入造渣材料等降碳去磷去硫吹炼成钢。1.3.1 铁水成分的影响(1)铁水中钒含量的高低，对钒渣中含量有直接影响。如吹炼=0.20%的铁水，渣中只有10%；而吹炼=0.40%的铁水，渣中为16%20%。(2)铁水中的Si、Mn、Ti等元素的氧化如图1.1所示

18、，这些元素的氧化会放出大量的热量使熔池的温度升高，为碳的快速氧化提供了条件。而碳的氧化降低了钒的氧化率，使半钢中的余钒含量增加，不利于提钒5。 (3)铁水中硅含量高会抑制钒的氧化8。反应式如下： Si+O2 = (SiO2) G=946350+197.64T 式(1.5) V+3/4O2=1/2(V2O3) G=601450+118.76T 式(1.6)由以上两个反应式可知，Si与氧的亲合力比V与氧的亲合力强。Si被氧化成(SiO2)对钒渣有“稀释”作用，而Si氧化放热使提钒所需的低温熔池环境时间缩短。并且铁水Si含量大于0.15%时，使炉渣过稀，出钢过程中钒渣的收得率降低。因此，铁水Si含量

19、较高时，将抑制V的氧化，所以要严格控制铁水中Si的含量。 (4)铁水中含钛时，会使炉渣粘度增大，使转炉炉衬和氧枪粘结，影响设备的运行和使用寿命。因此，要控制好提钒铁水中的钛含量6。(5)而铁水中的硫也是对提钒和炼钢影响较大的元素，因而高炉铁水或经过与脱硫处理的铁水，在转入转炉前要进行扒渣或撇渣操作，使铁水中的渣量不超过0.5%。图1.1 铁水中元素氧化的G-T1.3.2 钒渣成分的影响 (1)钒渣中氧化钙的影响 钒渣在后续焙烧工序过程中，渣中的CaO和V2O5会发生反应，生成不溶于水的CaO·V2O5，影响钒的回收。根据一些研究者的研究表明，渣中CaO含量每增加1%，V2O5就会损失

20、4.7%9.0；因此/越高，对钒的回收影响越小。而钒渣中的CaO主要来源于铁水带入的渣，所以铁水在加入转炉前必须将渣尽量除尽10。 (2)钒渣中二氧化硅的影响 钒渣中SiO2含量较高时，焙烧过程中会发生如下反应， NaCO3+SiO2=Na2SiO3+CO2 式(1.7) Na2SiO3水解过程中析出SiO2胶质沉淀，影响V2O5浸出液的澄清，最终影响钒的回收。钒渣中的SiO2主要来源于铁水，冷却剂的加入也会带来一些。 (3)钒渣中铁的影响钒渣中铁有两种形态存在，金属铁和氧化铁。金属铁含量过高会使钒渣的后续处理变困难，氧化铁的存在会使钒溶解于Fe203中，进而产生钒的流失，降低钒的收得率。钒渣

21、中氧化铁的含量用表示，钒渣中含量随氧化铁含量的增加而降低，当=10%时，为53.2%；当=40%时，为20.4%。但含量过低时，不利于铁水中元素的氧化，因此要保持适当的含量7。 (4)钒渣中磷的影响 钒渣中的磷的是因铁水带入。钒渣中的磷盐与钠盐经过焙烧，生成的磷酸盐溶于水，进而会影响钒的沉淀，也会对产品的性能和质量有较大的影响。1.3.3 留渣操作留渣操作是将上一炉冶炼的终渣在出钢后留一部分或全部在转炉内，在下一炉冶炼时当作部分初渣使用。转炉终渣一般具有较高的碱度和(FeO)含量，并且熔点不高，还含有大量的热理热16。将这种炉渣留在炉内，可加速下一炉炉渣的形成，从而提高转炉的热效率。攀钢转炉采

22、用留渣操作不仅加速了初期渣的形成，而且也缓解了冶炼过程中温度不足的矛盾。留渣操作试验结果见表1.1。表1.1 不同出钒渣操作对半钢和钒渣质量的影响由表1.1可知:留渣操作与未留渣操作相比，留渣操作的(TFe)降低了4.1%，(V2O5)含量提高了3.3%；留渣操作与未留渣操作的半钢C、V含量及温度相差不大。；1.3.4 铁水温度的影响 在转炉吹炼提钒过程中，吹炼前期钒的氧化速率要大于中期和后期。这是因为吹炼前期，转炉中的渣还未造好，脱碳速度较慢；而中期和后期渣的氧化性较强，脱碳反应激烈，脱碳量大，并且脱碳放出大量的热量，使炉温升温较快。由攀钢的生产实践数据可知，当炉温低于1400时，对钒的氧化

23、基本无影响；当温度高于1400时，半钢中的余钒量有所增加。所以在吹炼前期是钒的主要氧化阶段，大量的钒被氧化进入渣中，氧化量占总量的70%左右。为达到“脱碳保钒”的目的，要将炉温控制在钒、碳氧化的转换温度以下，吹炼钒渣的终点温度应控制在13401400之间，才能得到品位较高的钒渣和合格的半钢。1.3.5 供氧制度的影响 供氧制度是在氧枪喷头结构一定的条件下使氧气流股最合理地供给熔池，创造良好的物理化学反应条件。供氧制度包括氧枪枪位、供氧强度、耗氧量、喷头结构、供氧压力等诸多参数，该制度是控制吹钒过程的中心环节。1.4 其他提钒方法 除了氧气顶吹转炉吹炼提钒以外，还有空气底吹转炉提钒、雾化法提钒和

24、摇包提钒等方法。1.4.1 雾化提钒法 雾化提钒法是攀钢19781995年采用的从铁水吹炼钒渣的方法。炼铁厂输送来的铁水倾翻机将铁水倒入中间罐，铁水进行撇渣和整流，然后进入雾化器。雾化器中的高速富氧流股将铁水击碎成雾状，雾状铁水和富氧空气强烈混合，使铁水和氧的反应界面急剧增大，氧化反应迅速进行。并且压缩空气可对反应区进行非常有效的冷却，使反应温度限制在对钒氧化有利的范围内。雾化后的铁水在反应过程中汇集到雾化室底部通过半钢出钢槽进入半钢罐，钒渣漂浮于半钢表面形成渣层，最后将半钢与钒渣分离1112。1.4.2 空气底吹转炉提钒法空气底吹转炉提钒法是从转炉底部吹入空气将铁水中的钒氧化成钒渣。采用该法

25、生产钒渣的主要是俄罗斯丘索夫冶金工厂，该冶金工厂有三座转炉，装料量为1822t/炉。空气底吹转炉提钒法的特点是生产效率高，吹炼平稳、搅拌强度大、热利用率高。建设投资少，不需要喷枪、料仓等设置。1.4.3 顶底复吹转炉提钒法 顶底复吹转炉提钒法是将顶吹法和底吹法综合在一起的提钒方法，顶底复吹的方法的目的是为了加强熔池搅拌，改善元素反应的动力学条件，以提高钒氧化率，改善钒渣成分，降低铁损。该工艺适合于含钒较低的铁水。攀钢从2001年已开始复合吹钒实验，2005年开始进行大规模实验，到2008年1月全面推广复吹提钒方法，取得了很好的效果。 顶底复吹转炉提钒法中顶部吹氧气，底部吹惰性气体。采用底吹惰性

26、气体强化搅拌时，可有效地改善金属和钒渣的氧化效果，渣中的FeO能有效地参与铁水中元素的氧化反应，钒进入渣中的速度、钒氧化率、钒回收率及渣中(V2O5)品位都得到提高，同时渣中铁含量相应降低。反应如下： 3(FeO) + 2V = (V2O3) + Fe 式(1.8) (FeO) + 2C = Fe + CO(g) 式(1.9) C + O = CO(g) 式(1.10)1.4.4 摇包提钒摇包结构与钢包相似，摇包上口带有出铁口，它装在振动台架上，呈水平方向摇动，从摇包上口伸入水冷氧枪，进而供氧吹炼提钒。南非海威尔德钢钒公司曾经采用摇包法提钒，该厂的生产流程为：回转窑直接还原得到金属化球团装入电

27、炉炼铁，得到的铁水再装入摇包内提钒，提钒后的半钢倒入转炉内炼钢4。 摇包提钒优点是不占用炼钢设备，使用寿命长，设备简单，渣铁分离较好，钒、铁回收率高，钒氧化率高。但提钒处理时间长，产量低，耗氧高。1.4.5 铁水包提钒 铁水包提钒有两支枪，一支为氧枪，其位置在铁水包中心，喷咀距熔池表面500mm。另一支为氮枪，吹氮气搅拌熔池，其位置在铁水包中心和边缘之间，枪插入铁水中，距离铁水包底部500mm。铁水包包盖上有三个孔，分别为氧枪孔、氮枪孔和冷却剂加入孔。冷却剂是用氧化铁制成的颗粒。吹炼过程图1.3所示：图1.3 铁水包提钒吹炼过程31攀枝花学院本科毕业设计(论文) 2 提钒转炉内物料平衡和热平衡

28、计算2 提钒转炉内物料平衡和热平衡计算2.1 原始数据2.1.1 金属料成分及温度 金属料成分及温度如表2.1所示：表2.1 金属料成分及温度种类C/%Si/%Mn/%P/%S/%Ti/%V/%温度/铁水4.50.160.080.0700.0130.230.301290含钒生铁块4.310.100.120.0590.050.280.324252.1.2 原料成分 渣料和炉渣成分如表2.2所示：表2.2 渣料和炉渣成分种类CaO/%SiO2/%MgO/%Al2O3/%S/%P/%CaF2/%TiO2/%Fe2O3/%C/%石英砂0.395.961.541.420.020.02001.50镁质炉衬

29、1.50.578.61.00000018.42.1.3 假设条件 (1)转炉铁水130吨，含钒生铁块为金属料装入量的5%，铁水为金属料装入量的95%。 (2)金属中碳总量的75%氧化成CO，25%的碳氧化成CO2。 (3)渣中铁珠量为渣量的8%。 (4)喷溅量极少，因此可以忽略。 (5)炉气平均温度为1450自由氧含量为0.5%。 (6)烟尘量为1.16%，其中FeO=70%，Fe2O3=20%。 (7)氧气纯度为99.6%，0.4%的氮气。 (8)进入炉渣的耐火材料量为金属量0.05%，其中炉衬侵蚀量为0.03%，补炉料为0.02。 (9)每100kg金属料加入石英砂1.20kg，铁水带入渣

30、量为0.52kg， (10)氧气利用率为75%，吹炼时间为7min。2.2 物料平衡计算2.2.1 元素氧化量金属料氧化量如表2.3所示：表2.3 金属料氧化量种类C/%Si/%Mn/%P/%S/%Ti/%V/%铁水/95%4.5×950.16×950.08×950.070×950.013×950.23×950.30×95含钒生铁块/5%4.31×50.10×50.12×50.059×50.05×50.28×50.324×5半钢3.850.02痕迹0.06

31、80.014痕迹0.04氧化量/%0.6410.1370.0820.0010.0010.2330.2612.2.2 各元素反应产物及数量 各元素反应产物及数量如表2.4所示：表2.4 各元素反应产物及数量元素产物氧化量/kg氧耗量/kg氧化产物量/kgCCO0.641×75%=0.4810.481×=0.6410.481×=1.122CO20.641×25%=0.1600.160×=0.4270.160×=0.587SiSiO20.1370.137×=0.1570.137×=0.294MnMnO0.0820.082

32、×=0.0240.082×=0.106PP2O50.0010.001×=1.290×10-30.001×=2.290×10-3SSO20.001×=3.33×10-43.33×10-4×=3.33×10-43.33×10-4×=6.66×10-4CaS0.001-3.33×10-4=6.67×10-406.67×10-4×=1.501×10-3TiTiO20.2230.223×=0.1490.22

33、3×=0.372VV2O50.2610.261×=0.2050.261×=0.466FeFeO0.2180.218×=0.0600.280Fe2O30.0650.065×=0.0280.093合计1.6391.691 注：气化脱硫占总脱硫量的，FeO和Fe2O3由渣量反算 炉渣的重量及成分如表2.5所示：表2.5 炉渣的重量及成分项目氧化产物量/kg石英砂/kg镁质炉衬/kg合计/kgCaO01.20×0.3%=0.0040.05×1.5%=0.0010.005MgO01.20×1.54%=0.0180.05

34、15;78.6%=0.0390.057SiO20.2941.20×95.96%=1.152微量1.446P2O52.290×10-3000.002MnO0.106000.106Al2O31.20×1.42%=0.01700.017CaF2000CaS0.002000.002S微量00P微量00V2O50.446000.446TiO20.372000.372Fe2O30.0841.20×1.5%=0.01800.102FeO0.252000.252C00.05×18.4%=0.0090.009 由表4和表5可知除了FeO和Fe2O3以外的熔渣量为

35、： += 1.446+0.005+0+0.106+0.057+0.002+0.017+0.002+0.446+0.372=2.453 又知终点渣成分中+=9%+3%=12% 则其他成分占百分比为（100%-12%）=88% 熔渣量为=2.788kg 总渣量=熔渣量+铁水带入的渣量=2.788+0.52=3.308kg 其中：FeO量为3.108×9%=0.280kg Fe量为0.280×=0.218kg 又Fe2O3量为3.108×3%=0.093kg Fe量为0.093×=0.065kg2.2.3 烟尘中铁及氧耗量 烟尘氧耗量=烟尘中FeO和Fe2O3

36、氧耗量 =1.16×70%×+1.16×20%× =0.250kg 烟尘带走铁量=1.16×70%×+1.16×20%× =0.794kg2.2.4 炉气成分和数量 炉气成分和数量如表2.6所示：表2.6 炉气成分和数量成分质量/kg体积(标态)/m3CO1.1381.138×=0.910CO20.6000.600×=0.305SO26.66×10-46.66×10-4×=2.331×10-4O28.764×10-36.135×10-3

37、N26.851×10-35.481×10-3合计1.754 炉气中CO2量=金属中C氧化产物+镁质炉衬中C氧化产物 =0.587+0.009×25%×=0.600kg 炉气中CO量=金属中C氧化产物+镁质炉衬中C氧化产物 =1.122+0.009×75%×=1.138kg 炉气中SO2量是由气化脱硫而来，石英砂带入的S气化脱硫量忽略不计。 自由O2和N2由上述炉气成分用以下步骤反算： 已知氧气纯度为99.6%，炉气中自由氧的体积比为0.5%，求自由氧和纯氧气体积。 设在炉气总体积中，自由氧体积（标态）占x m3,氮气体积（标态）占y

38、m3。 x=炉气总量×0.5%=(C氧化产物量+S氧化产物量+x+y)×0.5% =(0.910+0.305+2.331×10-4+x+y)×0.5% y=供氧气总量×(1-99.6%)=(1.691+0.250)+x+y×0.4% 解以上方程可得：自由氧体积（标态）x=6.135×10-3 m3,相当于 6.135×10-3×=8.764×10-3kg 氮气体积（标态）y=5.481×10-3 m3,相当于 5.481×10-3×=6.851×10-3k

39、g CaO生成CaS放出氧量6.66×10-4×=3.33×10-4kg 则氧气消耗量为8.764×10-3kg-3.33×10-4=8.431×10-3kg2.2.5 实际氧气消耗量的计算 实际氧耗量=元素氧化氧耗量+烟尘氧耗量+炉气自由氧+氧气中氮含量=(1.691+0.250+8.431×10-3+6.851×10-3)/75%=2.608kg 每100kg金属料实际消耗氧气体积（标态）=（1.691+0.250+8.431×10-3）×+6.851×10-3×/75%

40、=1.827m3/100kg=18.27m3/t2.2.6 炉渣带金属铁珠量的计算 炉渣带金属铁珠量的计算=3.108×8%=0.249kg2.2.7 钢水量计算钢水=100-(元素氧化量及脱硫量+烟尘铁损量+炉渣中金属铁珠量)=100-(1.639+0.794+0.249)=97.318kg2.2.8 物料平衡初算 物料平衡初算表如表2.7所示：表2.7 物料平衡初算表收入支出项目质量/kg项目质量/kg铁水95.000钢水97.318含钒生铁块5.000炉渣3.308镁质炉衬0.050炉气1.754石英砂1.200烟尘1.160氧气2.608金属铁珠0.249合计103.858合

41、计103.789 ×100%=×100%=-0.066%2.3 热平衡计算2.3.1 冷却剂的成分冷却剂的成分如表2.8所示：表2.8 冷却剂的成分种类CaO/%SiO2/%P/%TFe/%TiO2/%MFe/%氧化铁皮复合球0.48.30.04620.2329.032.3.2 各种物质的质量热容和反应热效应 各种物质的质量热容如表2.9所示：表2.9 各种物质的质量热容项目固态平均质量热容/kJ·(kg·)-1熔化潜热/kJ·kg-1液态或气态平均质量热容/kJ·(kg·)-1铁水0.7452180.837半钢0.6992

42、720.837炉渣2091.247炉气1.141炉尘2090.996氧化铁皮复合球1.0202092.3.3 热收入项反应热效应如表2.10所示：表2.10 反应热效应反应式H/kJ·kg-1C+O2(g)=CO(g)11637C+O2(g)=CO2(g)34824Mn+O2(g)=(MnO)6593Si+O2(g)=(SiO2)291772P+O2(g)+4(CaO)=4(CaO·P2O5)358742Fe+O2(g)=(Fe2O3)6459Fe+O2(g)=(FeO)4249(SiO2)+2(CaO)=2(CaO·SiO2)16202V+5(FeO)=(V2O

43、5)+5Fe15407Ti+O2(g)=(TiO2)11792 (1)铁水凝固点温度 =1535-(100×4.5+8×0.16+5×0.08+30×0.070+25×0.013+2×0.30+20×0.23)-7=1068 铁水物理热 =95×0.745×(1068-25)+218+0.837×(1290-1068)=112180.655kJ(2) 金属中各元素氧化热 金属中各元素氧化热如表2.11所示：表2.11 金属中各元素氧化热元素氧化产物/kg氧化量/kg热效应值/kJCCO0.641

44、×75%=0.4810.481×11637=5597.397CO20.641×25%=0.1600.160×34824=5571.840SiSiO20.1370.137×29177=3997.249MnMnO0.0820.082×6593=540.626P4CaO·P2O50.0010.001×35874=35.874SiO22CaO·SiO21.4461.446×1620=2342.520TiTiO20.2230.223×11792=2629.616VV2O50.2610.261&#

45、215;15407=4021.227FeFeO0.2180.218×4249=926.282Fe2O30.0650.065×6459=419.835合计1.63926082.466(3)烟尘氧化热烟尘氧化热如表2.12所示：元素氧化产物/kg氧化量/kg热效应值/kJFeFeO1.16×70%×=0.6310.631×4249=2683.480FeFe2O31.16×20%×=0.1620.162×6459=1048.942合计0.7943732.422表2.12 烟尘氧化热 (4)热量总收入 热量总收入=1121

46、80.655+26082.466+3732.422=141995.543kJ2.3.4 热量支出项 (1)钢水物理热 钢水凝固点 =1535-(65×3.85+8×0.02+5×0+30×0.068+25×0.014+2×0.04+20×0)-7 =1275 钢水物理热 =97.318×0.699×(1275-25)+272+0.837×(1390-1275)=120869.443kJ (2)炉渣物理热终点炉渣温度比终点钢水温度低20左右,因此终点炉渣温=1390-20=1370 炉渣物理热=3

47、.108×1.124×(1370-25)+209=5348.184kJ (3)炉气物理热 炉气物理热=1.754×1.141×(1450-25)=2851.872kJ (4)炉尘物理热 炉尘物理热=1.16×0.996×(1450-25)+209=1888.828kJ (5)炉渣中金属铁珠带走热量 =0.249×0.699×(1275-25)+272+0.837×(1370-1275)=305.838kJ(6)石英砂分解热1kg石英砂分解热为2725.43kJ，因此1.2kg石英砂的分解热为： =1.2&

48、#215;2725.43=3270.516kJ (7)其他热损失 在吹炼过程中有对流和辐射热量，冷却水带走热量以及传导导热等热损失的存在，这些部分的热损失占热量总收入的46%，本设计中为4%。 其他热损失=141995.543×4%=5679.822kJ (8)热量总支出 =120869.443+5348.184+2851.872+1888.828+305.838+3270.516+5679.822 =140214.503kJ 富余热量=热量总收入热量总支出=141995.543-140214.503=1781.040kJ2.3.5 热平衡初算 热平衡初算表如表2.13所示：表2.1

49、3 热平衡初算表热量收入热量支出项目热量/kJ项目热量/kJ铁水物理热112180.655钢水物理热120869.443C元素氧化热11169.237炉渣物理热5348.184Si元素氧化热3997.249炉气物理热2851.872Mn元素氧化热540.626烟尘物理热1888.828P元素氧化热35.874金属铁珠物理热305.838Fe元素氧化热1346.117石英砂物理热3270.516Ti元素氧化热2629.616其他热损失5679.822V元素氧化热4021.227烟尘氧化热3732.422SiO2成渣热2342.520合计141995.543合计140214.503热量富余1781

50、.0402.4 1kg氧化铁皮复合球对物料平衡和热平衡的影响 (1)渣量增加：1×(100-91.03)%=0.090kg 总渣量增加量=0.102kg (2)氧耗量减少 氧化铁皮复合球分解供氧量=1×91.03%×=0.273kg 渣中铁氧化氧耗量=0.102×(9%×+3%×)=0.003kg 总纯氧耗量减少量=0.273-0.003=0.270kg 总氧气耗减少量=0.271kg2.5 实际氧耗量修正 1kg氧化铁皮复合球分解放出的热量为1484.2kJ。 氧化铁皮复合球加入量=1.2kg 总氧气耗减少量=0.271×

51、1.2=0.325kg 氧气减少带来的氮气减少量=0.271×0.4%=1.084×10-3kg 实际氧耗量=2.608-0.325=2.283kg每100kg金属料实际消耗氧气体积（标态）=(1.691+0.250+8.431×10-3-0.325)×+(6.851-1.084)×10-3×/75%=1.523m3/100kg=15.23m3/t攀枝花学院本科毕业设计(论文) 3 供氧制度中几个工艺参数的设计3 供氧制度中几个工艺参数的设计3.1 氧气氧气是转炉提钒炼钢中的主要氧化剂，是控制整个吹炼过程的关键，是保证杂质去除、熔池升

52、温、控制喷溅、去除钢中气体与夹杂物的重要条件，并且关系到终点的控制和炉衬的寿命。提钒转炉所用的氧气是通过空气分离而制取的，空气中含有20.9%的氧气、78%的氮气、1%的稀有气体以及其他成分。在一个标准大气压下，空气、氧气和氮气的物理性质如表3.1所示：表3.1 气体的物理性质空气氮气氧气密度/kg·m-31.2931.25061.429熔点/-209.86-218沸点/-193-195.8-183 由表3.1可知，氧气和氮气的沸点不同，因此可以让空气液化后，再加热蒸馏，使沸点较低的液氮先蒸发成氮气而逸出，而剩下的液态空气中的氧浓度较高，将富氧液态空气继续蒸发，最后可以得到液态的工业纯氧17。液态氧经过气化后得到的氧气纯度为98%99.6%，并且氧气纯度越高，对转炉吹炼提钒越有利，得到的钢的质量越好。本设计中的氧气纯度选择99.6%。3.2 供氧压力 供氧压力是指供氧管路测定点的氧气压力。出口氧压用P来表示，喷嘴前的氧压用P0来表示。在吹炼过程中，若氧枪出口处的氧压高于或者小于转炉中的气压时，出口后的氧气流股会产生膨胀或者收缩，氧流变得混乱，并且使氧流的能量损失较大，不利于转炉提钒的吹炼17。因此在保证射流出口速度达到超音速，并使喷头出口处氧压稍高于炉膛内炉气压力才可获得稳定的射流，而