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。物料平衡计算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）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（见表）：脱氧和合金化用铁合金的成 分及其回收率（表）；其他工艺参数（表）。表2-1钢种、铁水、废钢

2、和终点钢水的成分设定值类别成分含量%CSiMnPS钢种Q235A设定值铁水设定值废钢设定值终点钢水设定值痕迹表2-2原材料成分类别成分%CaOSiO2MgOAl 2O3FezQCaF2P2QSCOHOC灰分挥发分石灰萤石生石灰石炉衬焦炭表 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75800100100100镒铁907580100100100注：上表中的C中10府氧生成CQ。表其他工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度3 (CaO) / 3 (SiO 2)=渣中铁损（铁珠）为渣量的6%萤石加入量为铁水量的%氧气纯度99%余者为N2生白云石加入量为铁水

3、量的%炉气中自由氧含量% （体积比）炉衬蚀损量为铁水量的%气化去硫量占总去硫量的1/3终渣汇（FeO）含量15%,而 3 (Fe?O ) / 汇 3金属中C的氧化产90%勺CM化成CO（按向钢中传氧量3(FeO)=1/3,即 3 (Fe?O) =5% 3物10%勺CM化成co(Fe?Q) =3 (FeO)折算)(FeO)=%由热平衡计算确定，烟尘量废钢量本计算结果为铁水为铁水量的 % （其中3 （FeO）为量的%即废钢比为喷溅铁损75% 3 (FezQ)为 20%)为铁水量的1%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

4、、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。计算步骤以100K抽水为基础进行计算。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、和。总谓量及其成分列于表中。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。表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（kg ）耗氧量（kg）产物量（kg）备注CC 一 COX 90%=C 一 CQX 10%=SiSi - SiO 2入渣MnMn MnO入渣PP 一P2Q入渣SS 一 SO2X 1/3=S+(CaO) (CaS)+(O)X 2/3=(CaS)入渣FeFe Fe

5、OX 56/72=入渣见表2-8Fe FezQX 112/160=入渣见表2-8合计成渣量入渣组分之和 由CaO还原出的氧量；消耗的 。20量=>< 56/32=表炉衬蚀损的成渣量炉衬蚀损成渣组分/kg气态产物/kg耗氧量/ kg量/ kgCaOSiO2MgOAl 2O3FezQC COC- COCf CO,CO（据表2-5）X 14% 90%X28/12=X 14% 10%<44/12=X 14% （90%X28/12+10% X44/12）=合计表加入溶剂的成渣量类别加入量/ kg成渣组分/kg气态产物/kgCaOMgOSiO2AlzQFeQCaSCaEH2OCOQ萤石（

6、据表2-4）白云石（据表2-4）,石灰合计成渣量 石灰加入量计算如下：由表可知，渣中已含（CaO）=+=kg；渣中已含（SiO2）=+=kg。因设定的终渣碱度R=-故石灰的加入量为：R N 3 （SiO 2）- 2 3 （CaO）/ 3 （CaO石灰）-R x 3 （SiO 2石灰）=% x %）=（石灰中CaO含量）-（石灰中S-CaN肖耗的CaO量）。由CaO还原出来的氧量，计算方法同表2-6的注。表总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAl 2O3MnOFeOFeOCaEP2O5CaS合计元素氧化成渣量/kg石灰成渣量/kg炉衬蚀损成渣量/kg生白云石成渣量/kg萤石成渣量/kg总成

7、渣量/kg质量分数/% 总渣量计算如下： 因为表2-9中除（FeO）和（FezQ）以外总渣量为：+=而终渣3 （FeO）=15%（表,故总渣量为+ %= 3 (FeO)=x %= 3 (FezQ)= X5%表实际耗氧量耗氧项/ Kg供氧项/Kg实际氧气消耗量/Kg铁水中元素氧化消耗量炉衬中碳氧化消耗量石灰中S与CaO反应还原出的氧化量（表）烟尘中铁氧化消耗量炉气自由氧含量合计合计炉气2（存在于氧气中，见表的质量，详见表。第三步：计算炉气量及其成分。炉气中含有CO C N、SO和代。其中CO C® SO和HO可由表查得,Q和降则由炉气总体积来确定。现计算如下炉气总体积5:Vg 0.5%

8、V22.432Gs 0.5%VVx)_ _37.961m399Vg 0.7Gs-Vx 99 7.864 0.7 8.093 0.002 22.4 3298.5098.50式中VgCO CO、SO和HO各组分总体积，m3 。本设计中，其值为 X28+X44+X 64+X 18=3 ;Gs不计自由氧的氧气消耗量，Kg。其值为：+=;Vx石灰中的S与CaO反应还原出的氧气量（其质量为：）;99一由氧气纯度99%专换得来；%一炉气中自由氧含量。表炉气量及其成分炉气成分炉气量/Kg体积/m3体积分数/%COCOSOHOQ©N2合计 炉气中Q的体积为X %=3 ;质量为X 32/= 炉气中冲的体

9、积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为x 28/= kg。第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。钢水量Q=铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅、和渣中的铁损100 6.33 1.50 75% 56 72 20% 112160 1 11.798 6% 90,944据此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表。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100. 00钢水石灰炉渣萤石炉气生白云石喷溅炉衬烟尘氧气渣中铁珠合计合计注：计算误差为（）/ %=%表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/kgCC 一CO

10、C CQX %X 90%=X%x 10%=（入气）（入气）SiSi SiOzx%=MnMn MnOx%=PP 一P2QX =SS SQX%X 1/3=入气）S+(CaO)-(CaS)+OX %X 2/3=(CaS)合计成渣量/kg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），再将其与表归类合并，遂得加入废钢后的物 料平衡表和表.表 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%铁水钢水+=废钢炉渣+=石灰炉气+=萤石喷溅轻烧生白云石烟尘炉衬渣中铁珠氧气+=合计合计注

11、：计算误差为119,71100%=%表 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%铁水钢水废钢炉渣右 灰炉气萤右喷溅轻烧生白云石烟尘炉衬渣中铁珠氧气合计合计第六步：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）和铁合金成分及其烧损率（表）算出钻铁和硅 铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所得结果与表归类合并，即得冶炼一炉 钢的总物料平衡表。钻铁加入量WMn为:WMnMn钢种 Mn终点 钢水量镒铁含镒量 Mn回收率0.55% 0.255% 91.43 0.51Kg67.80% 80%硅铁加入量WS为:Wsi钢种 Si终点）加镒铁后

12、的钢水量Si FeMn硅铁中Si含量Si回收率0.38 kg73.00% 75%0.25% (91.43 0.41) 0.002铁合金中元素的烧损量和产物量列于表表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/ Kg镒铁CX%x 10%=(CQ)X %X 90%=MnX %X 20%=X %X 80%=SiX %X 25%=X %X 75%=Px%=Sx%=FeX %=合计硅铁AlX。的 100%=,GMnX %X 20%=1X %X 80%=SiX %X 25%=X %X 75%=PX %=SX %=Fex%=合计总计脱氧和合金化后的钢水成分如

13、下:/0.030(C) 0.10%100%0.13%92.14(Si)0.002 0.20892.14100%0.23%/、0.277 0.002(Mn)0.25%-100%0.55%92.14(P) 0.015% 0001 100% 0.016%92.140.001(S) 0.02%-100% 0.021 %92.14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。具加入量W为:W (0.18 - 0.14)%钢水量刚水量j 焦炭含C量() C回收率()0.04% 92 .140.06 Kg81 .50% 75%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

14、碳入钢量/KgX %X 25%=+ X +%=X %=X X %=由上述计算可得冶炼过程（即脱氧和合金化后）的总物料平衡表表总物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水钢水废钢炉渣石灰炉气萤石.喷溅轻烧生白云石烟尘炉衬渣中铁珠氧气镒铁硅铁焦粉合计合计注：计算误差为X 100%=%可近似认为+的氧量系出钢水时二次氧化所带入的氧量。热平衡计算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）；物料平均热容（表）；反应热效应（表）；溶入铁水中的元素对铁熔点的影响（表）。其他数据 参照物料平衡选取。表入炉料及产物的温度设定值表2.名称入炉物料产物铁水废钢其他原料炉渣炉气烟

15、尘温度/ c13202525与钢水相同14501450纯铁熔点为1536 C表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）-1熔化潜热/ kJ kg-1218272209209209液态或气态平均热容/ kJ (kg - K)-1表炼钢温度下的反应热效应组元化学反应 H/kJ - kmo H/kJ - kg"CC+1/2O 2=CO氧化反应-139420-11639CC+O 2-CO2氧化反应-418072-34834SiSi+O 2-SiOz氧化反应-817682-29202MnMn+1/2O 2=(MnOz)氧化反应-361740-6594P2P

16、+5/2O 2=(P 2C5)氧化反应-1176563-18980FeFe+1/2O 2=( FeC)氧化反应-238229-4250Fe2Fe+3/2O 2=( Fe 2C3)氧化反应-722432-6460SiO2(SiC2)+2(CaO)=(2CaO - SiC?)成渣反应-97133-1620P2Q(P2C5)+4(CaO)=(4CaO - P2C5)成渣反应-693054-4880CaCOCaCC=(CaC)+CQ分解反应1690501690MgCOMgCC=(MgC)+CC分解反应1180201405计算步骤以100Kg铁水为基础。第一步：计算热收入Q。热收入项包括：铁水物理热；元

17、素氧化热及成渣热；烟尘氧化热；炉衬中碳 的氧化热。(1)铁水物理热Q：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、和计算铁水熔点Tt,然后由铁水温度和生铁热容(见表和表确定Q。表 溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrC在铁中的极限溶解度/%无限无限溶入1%7素使铁熔点降低值/ c6570758085901008530253Qw 100 0.745 1096 25 218 0.837 1250 1096114500.00KJ(2)元素氧化热及成渣热 Q:由铁水中元素氧化量和反应热效应(见表可以 计算出，其结果列于表中。表元素氧化热和成渣热反应产物氧化热或成

18、渣热/kJ反应产物氧化热或成渣热/kJC- CO=Fe-Fe?QX 6460=C- COX 34834=PfP2QX 18980=SifSiO2X 29202=14601P2c5f4CaO- P2QX 4880=MnMnOX6594=3297SiOzf2CaO SiO2X1620=FefFeOX 4250=合计Q(3)烟尘氧化热Q:由表中给出的烟尘参数和反应热效应计算可得。Qc 1.5 75% 5672 4250 20% 112160 64605075.35KJ(4)炉衬中碳的氧化热Q:根据炉衬侵蚀量和含碳量确定。Qi 0.3 14% 90% 11639 0.3 14% 10% 34834 5

19、86.25KJ故热收入总值为：Qs Qw Qy Qc Ql 208009.26KJ第二步：计算热支出项 Q。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Q：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4060C,后者约为36C/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5090C)确定出钢温度Tz；最后由钢水量和热容算出物理热。Ta 15360.10 65 0.25 5 0.015 30 0.002 25 6 1523

20、 cg(式中，、和分别为终点钢水中C、Mn P和S的含量。)Tz 1523 50 50 70 1693 c(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。)Qg 92.614 0.699 1523 25272 0.837 1693 1520135586.90KJg(2)炉渣物理热Q:令终谓温度与钢水温度相同，则得：Qr 10.681 1.248 1693 2520924466.58KJ(3)炉衬、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热Q。根据其数量、相应的温度和热容确定。祥见表。表 某些物料的物理热项目参数/kJ备注炉气物理热X X (1450-25)=1450 c系炉气和烟尘的温度烟尘物理热X X (1450-25)+209=渣中铁珠物理热X X (1523-25)+272+ X (1693-1523)=1520 c系钢水熔点喷溅金属物理热1 X X (1523-25)+272+ X (16