第2节炼钢过程的物料平衡和热平衡计算

1、第2章 炼钢过程的物料平衡和热平衡计算炼钢过程的物料平衡和热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上的。其主要目的是比较整个过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度，确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供定量依据。由于炼钢是一个复杂的高温物理化学变化过程，加上测试手段有限，目前还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。2.1物料平衡计算2.1.1 计算原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及其成分，铁水和废钢的成分，终点钢水成分（见表2.1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（见表2.2）：脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表2.3）；其他工艺参数（

2、表2.4）。表2-1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值类别成分含量%CSiMnPS钢种Q235A设定值0.180.250.550.0450.005铁水设定值4.20.500.750.200.025废钢设定值0.200.250.430.0200.032终点钢水设定值0.10痕迹0.2500.0150.002表2-2 原材料成分类别成分%CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰88.662.702.601.500.500.100.064.640.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生石灰石36.400

3、.8025.601.0036.20炉衬1.203.0078.801.401.6014.00焦炭0.5881.5012.40表2.3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母）类别成分含量/回收率/%CSiMnAlPSFe硅铁73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.8/800.23/1000.13/10024.74/100注：上表中的C中10%于氧生成CO2。表2.4 其他工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度萤石加入量生白云石加入量炉衬蚀损量终渣(FeO)含量(按向钢中传氧量(Fe2O3）=1.35(FeO)折

4、算)烟尘量喷溅铁损(CaO) (SiO2)=3.5为铁水量的0.5%为铁水量的2.5%为铁水量的0.3%15%，而(Fe2O3）/(FeO)=1/3,即(Fe2O3）=5%，(FeO)=8.25% 为铁水量的1.5%（其中(FeO)为75%，(Fe2O3）为20%)为铁水量的1%渣中铁损（铁珠）氧气纯度炉气中自由氧含量气化去硫量金属中C的氧化产物废钢量为渣量的6%99%，余者为N20.5%（体积比）占总去硫量的1/390%的C氧化成CO，10%的C氧化成CO2由热平衡计算确定，本计算结果为铁水量的13.7%，即废钢比为12.05%2.1.2 物料平衡基本项目收入项有：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤

5、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。2.1.3 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、炉衬蚀损和计入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表2.5、2.6和2.7。总渣量及其成分列于表2.8中。第二步:计算氧气消耗量。氧气实际耗量系消耗项目与供入项目之差。见表2.9。表2.5 铁水中元素的氧化产物及其渣量元素反应产物元素氧化量()耗氧量()产物量()备注CCCO4.10×90%=3.6904.7208.610CCO24.10×10%=0.4100.64

6、00.88SiSiSiO20.5000.5711.071入渣MnMnMnO0.5000.1450.645入渣PPP2O50.1850.2390.424入渣SSSO20.03×1/3=0.0080.0080.016S+(CaO)(CaS)+(O)0.03×2/3=0.015-0.0080.034(CaS)入渣FeFeFeO0.897×56/72=0.6850.1950.897入渣见表2-8FeFe2O30.48×112/160=0.3770.1440.490入渣见表2-8合计6.3307.034成渣量3.942入渣组分之和 由CaO还原出的氧量；消耗的Ca

7、O量=0.020×56/32=0.035kg。表2.6 炉衬蚀损的成渣量炉衬蚀损量/成渣组分/kg气态产物/kg耗氧量/CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO,CO20.3(据表2-5)0.0040.0090.2360.0040.0050.3×14%×90%×28/12=0.0880.3×14%×10%×44/12=0.0150.3×14%×(90%×28/12+10%×44/12)=0.062合计0.2580.1030.062表2.7 加入溶剂的成渣量类别加入量

8、/成渣组分/kg气态产物/kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2萤石0.5(据表2-4)0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005白云石2.5(据表2-4)0.9100.6400.0200.0250.905石灰5.765.0800.1500.1470.0750.0360.0110.0040.0060.2500.001合 计5.9920.7930.1950.1080.0440.0160.0050.4400.0111.1550.001成渣量7.593 石灰加入量计算如下：由表4.64.8可知，渣中已含(Ca

9、O)=-0.026+0.004+0.002+0.910=0.890；渣中已含(SiO2)=1.071+0.009+0.028+0.020=1.128。因设定的终渣碱度R=3.5；故石灰的加入量为：R(SiO2)- (CaO)/ (CaO石灰)-R×(SiO2石灰)=3.95/(88.66%-3.5×2.70%)=4.99kg (石灰中CaO含量)-(石灰中SCaS消耗的CaO量)。 由CaO还原出来的氧量，计算方法同表2-6的注。表2.8 总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合计元素氧化成渣量/kg1.0710.4

10、970.8970.5410.4240.0343.979石灰成渣量/kg4.3960.1350.1300.0750.0250.0050.0075.471炉衬蚀损成渣量/kg0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣量/kg0.9100.0200.6400.0251.595萤石成渣量/kg0.0020.0280.0030.0080.0080.4400.0050.0010.495总成渣量/kg5.1321.2631.0090.1120.4970.9730.5430.4400.4340.04110.869质量分数/%50.8214.448.720.954.218.255.

11、003.733.530.35100.00 总渣量计算如下：因为表2-9中除(FeO)和(Fe2O3)以外总渣量为：5.996+1.704+1.029+0.112+0.497+0.440+0.416+0.041=9.249Kg，而终渣(FeO)=15%(表2.4)，故总渣量为10.235÷86.75%=10.681Kg。(FeO)=10.681×8.25%=0.881Kg。(Fe2O3)=10.681×5%-0.040-0.005-0.008=0.481Kg。表2.9 实际耗氧量耗氧项/Kg供氧项/Kg实际氧气消耗量/Kg铁水中元素氧化消耗量 7.034炉衬中碳氧化

12、消耗量 0.062石灰中S与CaO反应还原出的氧化量（表2.7） 0.002烟尘中铁氧化消耗量 0.340炉气自由氧含量 0.0607.766-0.002+0.041=7.805合计 7.766合计 0.002 炉气N2(存在于氧气中，见表2.4)的质量，详见表2.10。 第三步：计算炉气量及其成分。 炉气中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O。其中CO、CO2、SO2和H2O可由表2.52.7查得，O2和N2则由炉气总体积来确定。现计算如下。 炉气总体积V：式中 VgCO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m³。本设计中，其值为6.598 ×22.4/28+2.310

13、×22.4/44+0.020×22.4/64+0.011×22.4/18=7.864m³； GS不计自由氧的氧气消耗量，Kg。其值为：7.691+0.062+0.34=8.093Kg； VX石灰中的S与CaO反应还原出的氧气量（其质量为：0.001Kg）； 99由氧气纯度99%转换得来； 0.5%炉气中自由氧含量。表2.10 炉气量及其成分炉气成分炉气量/Kg体积/m³体积分数/%CO8.6986.95879.76CO22.6520.89117.77SO20.0080.0031.06H2O0.010.0120.21O20.0400.0570.5

14、0N20.0570.0710.70合 计11.4656.617100.00 炉气中O2的体积为6.617×0.5%=0.033m³；质量为0.033×32/22.4=0.047kg。 炉气中N2的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.046×28/22.4=0.058 kg。第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。钢水量Qg=铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅、和渣中的铁损 据此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表2.11。2.11 未加废钢时的物料平衡表收入支出项目质量/ kg%项目质量/Kg%铁水1000086.48钢水92.61

15、479.23石灰4.994.98炉渣10.8710.19萤石0.500.43炉气9.047.81生白云石2.502.16喷溅1.000.86炉衬0.300.26烟尘1.501.30氧气7.8055.69渣中铁珠0.710.61合计113.072100.00合计115.81100.00注：计算误差为（115.63-115.81）/115.63100%=-0.15%。表2.12 废钢中元素的氧化量及其成渣量元素反应产物元素氧化量/kg耗氧量/kg产物量/kg进入钢中的量/kgCCCO13.7×0.08%×90%=0.0120.0160.028(入气)CCO213.7×

16、0.08%×10%=0.0010.0030.004(入气)SiSiSiO213.7×0.25%=0.0340.0390.0510MnMnMnO13.7×0.435%=0.0250.0070.1047PPP2O513.7×0.005=03.0010.0010.002SSSO213.7×0.009%×1/3=0.00130.00130.0026入气)S+(CaO)(CaS)+O13.7×0.009%×2/3=0.0026-0.00130.0059（CaS）合 计0.0770.06613.7-0.077=13.623成渣

17、量/kg0.1660第五步：计算加入废钢的物料平衡。如同“第一步”计算铁水中元素氧化量一样，利用表2.1的数据先确定废钢中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量（表2.12），再将其与表2.11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表2.13和表2.14.表2.13 加入废钢的物料平衡表(以100Kg铁水为基础)收 入支 出项 目质量/Kg%项 目质量/Kg%铁 水100.0083.54钢 水90.944+13.623=104.56779.81废 钢13.73.39炉 渣10.681+0.113=10.7949.97石 灰4.994.81炉 气11.465+0.0346=11.57.54萤 石0.500.

18、42喷 溅1.000.83轻烧生白云石2.502.09烟 尘1.501.25炉 衬0.300.25渣中铁珠0.6410.60氧 气7.085+0.066=7.875.50合 计129.86100.00合 计120.02100.00注：计算误差为(119.71-120.02)/ 119,71100%=-0.26%。表2.14 加入废钢的物料平衡表（以100Kg（铁水+废钢）为基础）收 入支 出项 目质量/kg%项 目质量/kg%铁 水87.9583.54钢 水91.4379.81废 钢12.053.39炉 渣9.529.97石 灰4.404.81炉 气10.157.54萤 石0.440.42喷

19、溅0.880.83轻烧生白云石2.202.09烟 尘1.321.25炉 衬0.260.25渣中铁珠0.560.60氧 气6.945.50合 计115.04100.00合 计115.33100.00第六步：计算脱氧和合金化后的物料平衡。 先根据钢种成分设定值（表2.1）和铁合金成分及其烧损率（表2.3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所得结果与表2.14归类合并，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量为： =硅铁加入量为： =铁合金中元素的烧损量和产物量列于表2.15表2.15 铁合金中元素烧损量及其产物量类别元素烧损量/kg脱氧量/Kg成渣量/ Kg炉气量/ Kg入钢量/ K

20、g锰铁C0.51×6.60%×10%=0.0030.0100.015(CO2)0.51×6.60%×90%=0.030Mn0.51×67.80%×20%=0.0690.0200.0890.51×67.80%×80%=0.277Si0.51×0.50%×25%=0.0010.0010.0020.51×0.50%×75%=0.002P0.51×0.23%=0.001S0.51×0.13%=0.001Fe0.51×24.74%=0.126合计0.073

21、0.0310.0910.0150.410硅铁Al0.38×2.50%×100%=0.0110.0060.006Mn0.38×0.50%×20%=0.00040.00050.00050.38×0.50%×80%=0.002Si0.38×73.0%×25%=0.06940.07930.1490.38×73.0%×75%=0.208P0.38×0.05%=0.0002S0.38×0.03%=0.0001Fe0.38×23.92%=0.0908合计0.07980.08940

22、.1720.301总 计0.1530.120.2470.0150.711脱氧和合金化后的钢水成分如下： 可见，含碳量尚未达到设定值。为此需要在钢包内加焦炭粉增碳。其加入量W1为: 焦粉生成的产物如下：炭烧损量/Kg耗氧量/Kg气体量/Kg成渣量/Kg碳入钢量/Kg0.06×81.50%×25%=0.0120.0320.037+0.05×(0.58+5.52)%=0.0470.05×12.40%=0.0070.05×81.50×0.75%=0.037由上述计算可得冶炼过程(即脱氧和合金化后)的总物料平衡表2.16。表2.16 总物料平衡

23、表收 入支 出项 目质量/kg%项 目质量/kg%铁 水87.9582.62钢 水92.7179.74废 钢12.053.35炉 渣9.7710.11石 灰4.404.76炉 气10.157.51萤 石0.440.41喷 溅0.880.82轻烧生白云石2.202.06烟 尘1.321.23炉 衬0.260.25渣中铁珠0.560.60氧 气 6.945.58锰 铁0.510.56硅 铁0.380.36焦粉0.060.05合计116.32100.00合 计116.60100.00注：计算误差为 (114.06-115.25)/ 114.06×100%=-1.04%。 可近似认为(0.1

24、02+0.016)的氧量系出钢水时二次氧化所带入的氧量。2.2热平衡计算2.2.1 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2.17）；物料平均热容（表2.18）；反应热效应（表2.19）；溶入铁水中的元素对铁熔点的影响（表2.20）。其他数据参照物料平衡选取。表2.17 入炉料及产物的温度设定值【3】表2.名 称入 炉 物 料产 物铁水废钢其他原料炉渣炉气烟尘温度/13202525与钢水相同14501450 纯铁熔点为1536表2.18 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·(kg·K)-10.7450.6991.0470

25、.996熔化潜热/ kJ·kg-1218272209209209液态或气态平均热容/ kJ·(kg·K)-10.8370.8371.2481.137表2.19 炼钢温度下的反应热效应组元化学反应H/kJ·kmol-1H/kJ·kg-1CC+1/2O2=CO 氧化反应-139420-11639CC+O2CO2 氧化反应-418072-34834SiSi+O2SiO2 氧化反应-817682-29202MnMn+1/2O2=(MnO2) 氧化反应-361740-6594P2P+5/2O2=(P2O5) 氧化反应-1176563-18980FeFe+

26、1/2O2=( FeO) 氧化反应-238229-4250Fe2Fe+3/2O2=( Fe2O3) 氧化反应-722432-6460SiO2(SiO2)+2(CaO)=(2CaO·SiO2) 成渣反应-97133-1620P2O5(P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5) 成渣反应-693054-4880CaCO3CaCO3=(CaO)+CO2 分解反应1690501690MgCO3MgCO3=(MgO)+CO2 分解反应11802014052.2.2 计算步骤以100Kg铁水为基础。第一步：计算热收入Qs。热收入项包括：铁水物理热；元素氧化热及成渣热；烟尘氧化热；

27、炉衬中碳的氧化热。（1）铁水物理热Qw：先根据纯铁熔点、铁水成分以及溶入元素对铁熔点的降低值(见表2.17、2.2和2.19)计算铁水熔点Tt，然后由铁水温度和生铁热容(见表2.17和表2.18)确定Qw。表2.20 溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值元 素CSiMnPSAlCrN、H、O在铁中的极限溶解度/%5.4118.5无限2.80.1835.0无限溶入1%元素使铁熔点降低值/65707580859010085302531.5氦、氢、氧溶入使铁熔点降低值/=6适用含量范围/%11.02.02.53.03.54.03150.70.008118(2) 元素氧化热及成渣热Qy：由铁水中元素氧化量

28、和反应热效应(见表2.29)可以计算出，其结果列于表2.21中。表2.21 元素氧化热和成渣热反应产物氧化热或成渣热/kJ反应产物氧化热或成渣热/kJCCO3.6911639=42947.91FeFe2O30.377×6460=2177.02CCO20.41×34834=14281.94PP2O50.185×18980=3511.3SiSiO20.50×29202=14601P2O54CaO·P2O50.434×4880=2117.92MnMnO0.50×6594=3297SiO22CaO·SiO21.236

29、15;1620=2002.32FeFeO0.685×4250=2911.25合 计Qy80003.42(3) 烟尘氧化热Qc：由表2.5中给出的烟尘参数和反应热效应计算可得。(4) 炉衬中碳的氧化热Q1：根据炉衬侵蚀量和含碳量确定。故热收入总值为：第二步：计算热支出项Qz。热支出项包括：钢水物理热；炉渣物理热；炉尘物理热；炉气物理热；渣中铁珠物理热；喷溅物(金属)物理热；轻烧白云石物理热；热损失；废钢吸热。(1) 钢水物理热Qg：先按求铁水熔点的方法确定钢水熔点Tg；再根据出钢和镇静时的实际温降(通常前者为4060，后者约为36/min，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5090)确定出钢温度Tz；最后由钢水量和热容算出物理热。（式中，0.60、0.50、0.020和0.021分别为终点钢水中C、Mn、P和S的含量。）（式中，50、50和70分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后包括精炼处理等过程中的温降和过热度。） (2) 炉渣物理热Qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得：(3) 炉衬、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热Qx。根据其数量、相应的温度和热容确定。祥见表2.22。表2.22 某些物料的物理热项