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某些定量依据。应当指出，由于炼钢系复杂的高温物理化学过程，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）；金属料铁水和废

2、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、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值成分含量 /%CSiMnPS类别钢种 H15Mn 设定值 0.180.250.55 0.045 0.050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痕迹0.180.0200.021本计算设定的冶炼钢种为H15Mn。 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%、 10

3、%和 60%留在钢水中设定。表 2原材料成分成分含量 %挥发CaOSiO2MgOAlO3Fe O3CaFP O5SCO2H OC灰分22222分类别石灰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表 3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母）成 分含量 /回收率 /%CSiMnAlPSFe类别硅铁73.00/750.50/802.50/00.

4、05/1000.03/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.80/800.23/1000.13/10024.74/100 10%C与氧生产 CO2表 4其它工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度%CaO/%SiO 2=3.5渣中铁损 (铁珠 )为渣量的 6%萤石加入量为铁水量的 0.5%氧气纯度99%,余者为 N 2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 (FeO) 含 量 （ 按2 3 (FeO)=1/3金属中 C的氧化产90%C 氧化成 CO,15%，而 (Fe O

5、)/(FeO)=1.35(Fe 2O3)折算）即 (Fe2O3)=5%(FeO)=8.25%物10%C 氧化成 CO2烟尘量为铁水量的 1.5%( 其中 FeO由热平衡计算确定。本为 75%， Fe2 O3 为 20%)废钢量计算结果为铁水量的喷溅铁损为铁水量的 1%10.934%,即废钢比为 9.86%（ 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

6、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 /产物量 /kg备注kgC C CO4.22× 90%=3.7984.9208.610 C CO24.22× 10%=0.4221.0901.500Si Si (SiO 2)0.4000.4570.857入渣Mn Mn (MnO)0.2700.0790.349入渣PP (P O)0.1000.1290.229入渣25S S (SO2 )0.0

7、39× 1/3=0.0130.0130.026 S +(CaO)=(CaS)+(O)0.039× 2/3=0.0260.0130.059(CaS)入渣Fe Fe (FeO)0.675× 56/72=0.5250.1500.675入渣 (见表 8) Fe (Fe2O3)0.379× 112/160=0.2650.1140.379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CaO量=0.013 ×56/32=0.023kg表 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

8、氧量 / kg(kg)CaO SiO2MgOAl2O3Fe O3C COC CO2C CO、CO220.30.0040.0090.2360.0040.0050.3 ×14%×90%0.3 ×14%×10%0.3 ×14%(90%×16/12+10% ×(据表 4)×28/12=0.088×44/12=0.01532/12)=0.062合计0.2580.1030.062表 7加入溶剂的成渣量类别加入量成渣组分 / kg气态产物 / kg/ kgCaOMgO2Al2 32 32 5CaS2222SiOOFe

9、OP OCaFH OCOO萤石0.5 据( 表0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.0054)生白云2.5 据( 表0.9100.6400.0200.0250.905石4)石灰3.4553.0350.0900.0860.0520.0170.0030.0050.0030.1600.001合计3.9470.7330.1340.0850.0250.0080.0060.4400.0081.0650.001成渣量7.634石灰加入量计算如下：由表57 可知，渣中已含 (CaO)= -0.455+0.004+0.002+0.910=0.461kg;渣中已含(S

10、iO 2)=0.857+0.009+0.028+0.022=0.914kg.因设定的终渣碱度R=3.5 ；故石灰加入量为 : R w(SiO2) w(CaO)/w(CaO 石灰 ) R× w(SiO2 石灰 )= 2.738/（ 88.00% 3.5× 2.50%） =3.45kg为 ( 石灰中 CaO含量 ) （石灰中 S CaS自耗的 CaO量）。 由 CaO还原出的氧量，计算方法同表5 之注。表 8 总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAl 2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合计元素氧化成渣量/0.850.3490.6750.3790.2290.

11、0592.548kg7石灰成渣量 / kg3.030.080.00.0520.0170.0030.0053.2885690炉衬蚀损成渣量/0.000.000.20.0040.0050.258kg4936生白云石成渣量/1.010.020.70.0281.786kg9217萤石成渣量 / kg0.000.020.00.0080.0080.440.0050.0010.49528030总渣量 / kg3.951.000.90.0890.3490.6750.4090.440.2370.0658.184 10690%48.212.211.1.094.268.255.005.382.900.79100.0

12、08284总 渣量计算如下：因为表8 中除 (FeO) 和 (Fe 2O3)以 外的渣量为：5.965+1.700+1.102+0.124+0.615+0.440+0.540+0.038=7.100kg,而终渣 w(FeO)=15%(表4-4) ，故总渣量为7.1/86.75%=8.184kg w(FeO)=8.184 ×8.25%=0.675kg. w(Fe 2O3)=8.184 × 5% 0.017 0.005 0.008=0.379kg.表 9 实际耗氧量实际氧气消耗量/耗氧项 / kg供氧项 / kgkg铁水中元素氧化耗氧量(表 5)6.965炉衬中碳氧化耗氧量(表

13、 6)( 表 7) 0.0020.062石灰中的 S 与 CaO反应还原出的氧量烟尘中铁氧化耗氧量(表 4)0.3407.427 0.002+炉气中自由氧含量(表 10)0.066 =7.4910.060合计7.427合计0.002为炉气中 N2 之重量，详见表10第三步：计算炉气量及其成分。炉气中含有 CO、CO2、O2、 N2、 SO2 和 H2O。其中 CO、CO2、SO2和 H2O 可由表 4-54-7 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 ：VVg0.5%V122.4 G s0.5%VVx9932V =99Vg0.7GsVx = 998.619 0

14、.7 8.186 0.00222.4 / 32=8.721 m 398.5098.50式中 Vg 、2、2和2诸组分之总体积，3。本计算中，其值为8.950×22.4/28+2.837×COCOSOH Om22.4/44+0.002×22.4/64+0.011 ×22.4/18=8.619 m 33（见表）；GS不计自由氧的氧气消耗量，。本计算中，其值为VX铁水与石灰中的与kg7.851+0.062+0.23=8.619 m9S反应还原出的氧量，3。本计算中，其值为0.002kg(见表9)CaOm30.5%炉气中自由氧含量， m；99由氧气纯度为 99%

15、转换得来。计算结果列于表 10表 10 炉气量及其成分炉气成分炉气量 /kg体积 / m3体积分数 / %CO8.6988.698× 22.4/28=6.95882.99CO 22.5802.580× 22.4/44=1.31315.66SO20.0260.026× 22.4/64=0.0090.11H2 O0.0080.008× 22.4/18=0.0100.12O20.0620.0420.50N20.0660.0520.62合计11.4388.384100.0023；质量为 0.042 ×32/22.4=0.062 kg 。炉气中 O 体积

16、为 8.384 ×0.5%=0.042 m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0.052 × 28/22.4=0.065kg 。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=100-5.699-1.00 ×（ 75%× 56/72+20%×112/160 ） +1+8.184×6%=91.725kg据此可以编制脱氧和合金化前的物料平衡表（表11）。表 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100.0087.53钢水91.7

17、380.23石灰3.4553.02炉渣8.187.16萤石0.500.44炉气11.4410.00生白云石2.502.19喷溅1.000.87炉衬0.300.26烟尘1.501.31氧气7.4916.56渣中铁珠0.490.43合计114.25100.00合计114.34100.00注 : 计算误差为（ 114.25 114.34 ） /114.25 × 100%= 0.010%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12），再将其与表11 归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表13 和表 1

18、4表 12 废钢中元素的氧化产物及其成渣量元反应产物元素氧化量 / kg耗氧量 /产物量 / kg进入钢中的量 /kg素kg10.934× 0.06%×C C CO90%=0.0080.0110.019（入气） C CO210.934× 0.06%×0.0030.004（入气）10%=0.001Si Si (SiO 2)10.934 ×0.03%=0.0270.0310.058Mn Mn (MnO)10.934 ×0.74%=0.0400.0120.052P P (P 2O5)10.934 ×0.006%=0.0010.00

19、10.002 S (SO2)10.934×0.009%×0.0006 （ 入1/3=0.00030.0003SS气）10.934×0.009× -0.0004+(CaO)=(CaS)+(O)0.002 （ CaS）2/3=0.0007合计0.0780.05810.9340.078=10.856成渣量 (kg)0.140表 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100.0079.84钢水91.725+10.856=110.5481.83废钢10.9348.73炉渣8.184+0.114=8.

20、3246.64石灰3.4552.76炉气11.438+0.024=11.4629.14萤石0.500.40喷溅1.000.80轻烧白云石2.502.00烟尘1.501.20炉衬0.300.24渣中铁珠0.4910.39氧气7.491+0.058=7.5496.03合计125.238100.00合计125.358100.00注 : 计算误差为（ 125.238 125.358 ） /125.238 × 100%= 0.1%表 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90.1479.85钢水92.4781.84废钢

21、9.868.73炉渣7.56.64石灰3.112.76炉气10.339.14萤石0.450.40喷溅0.900.80轻烧白云石2.252.00烟尘1.351.19炉衬0.270.24渣中铁珠0.440.39氧气6.806.02合计112.88100.00合计112.99100.00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 1）和铁合金成分及其烧损率（表 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 14 归类合并，既得冶炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量 WMn为：Mnw Mn 钢种w Mn 终点×钢水量W =锰铁含 M n量M n回收率=

22、0.95% 0.21% ×92.02=1.255kg67.80% 80%硅铁加入量 WSi 为： Si(w Si钢种w Si 终点 ) 加锰铁后的钢水量 - Si FeMnW =硅铁含 Si量Si 回收率0.03%92.021.0760.005=73.00%75%=0.042kg铁合金中元素的烧损量和产物量列于表15。表 15铁合金中元素烧损量及产物量类别元素烧损量 /kg脱氧量成渣量 /kg炉气量 /kg入钢量 /kg/kg0.631×6.60%×0.0100.015C0.631 × 6.60%× 90%=0.03810%=0.004（ CO

23、）20.631×67.80%×0.0250.1110.631× 67.80%× 80%=0.342Si20%=0.086锰铁0.631×0.50%×0.0010.0020.631 × 0.50%× 75%=0.002Mn25%=0.001P0.631 × 0.23%=0.001S0.631 × 0.13%=0.001Fe0.631 × 24.74%=0.156合计0.0910.0360.1130.0150.5400.425×2.50%×0.006Al0.010100

24、%=0.0110.425×0.50%×0.00050.042× 0.50% ×Mn0.000180%=0.00220%=0.000040.042×73.00%×0.1670.0425 × 73.00%×硅铁Si0.08975%=0.23025%=0.078P0.0425 × 0.05%=0.00002 S0.0425 × 0.03%=0.00001Fe0.0425 × 23.92%=0.102合计0.0880.0990.1740.334总计0.1690.1350.2870.0150.8

25、74可以忽略脱氧和合金化后的钢水成分如下：w(C)=0.08%+ 0.075 ×100%=16%93.129w(Si)= 0.0050.023×100%=0.03%93.129w(Mn)=0.210%+0.6810.0002 ×100%=0.94%93.1290.003w(P)=0.019%+× 100%=0.022%w(S)=0.016%+ 0.002 × 100%=0.018%93.129可见，含碳量尚未达到设定值。为此需在钢包内加焦粉增碳。其加入量W1为0.170.16 %钢水量W1 =焦炭含 C量C回收率= 0.01% 93.129 =

26、0.015kg81.50% 75%焦炭生成的产物如下：碳烧损量 /kg耗氧量 /kg气体量 /kg成渣量 /kg碳入钢量 /kg0.060 ×81.50%×0.0320.044+0.06×0.060 ×0.060 × 81.50%×25%=0.012（ 0.58+5.52 ）%=0.04712.40%=0.00775%=0.037 CO、 H O和挥发份之总和（未计挥发份燃烧的影响）22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

27、.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0.270.24喷溅0.910.80氧气7.02 （ 6.85+0.14+0.03）6.14烟尘1.361.19锰铁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（114.21 114.28 ）/114.21× 1

28、00%= 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（）13002525与钢水相同14501450纯铁熔点为1536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/kg· K）0.7450.6991.0470.996溶

29、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 H/kj ·kmol-1 H/kj ·kg-1CC1CO139420 11639O 2氧化反应2CC+ O2 =CO2氧化反应418072 34834SiSiO2SiO2氧化反应817682 29202MnMn1 O 2MnO氧化反应361740 65942P2 P5 O 2P2O5氧化反应 1176563 189802FeFe1 O2FeO氧化反应238229 42502Fe2 Fe3

30、O2Fe2 O3氧化反应722432 64602SiO2SiO22CaO2CaOgSiO 2成渣反应97133 1620P2O5P2 O54CaO4CaOgP2 O5成渣反应693054 4880CaCO3CaCO3CaOCO2分解反应1690501690MgCOMgCO 3MgOCO2分解反应11802014053表 20 溶入铁中的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrN、 H、O在铁中的极限5.4118.5无2.80.1835.0无限溶解度 /%限溶入 1%元素使铁熔点的降低65707580859010085302531.5值 / 氮、氢、氧溶入使铁熔点的降 =6低值/ 适用含量

31、范围1.01.02.02.53.03.54.0 30.7 1 18/%150.08（ 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；炉衬中碳的氧化热。、和）（ 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（表17和）确定 Qw。120计算铁水熔点Tt ，然后由铁水温度和生铁比热（表17××××18Tt（100+0.48+0.455+0.1230+0.06× ）1099.45=15364.2256Q×0.745×（）+2

32、18+0.837×（）118632.56KJw10010822513001082（ 2）元素氧化热及成渣热 Qy：由铁水中元素氧化量和反应热效应（表 19）可以算出，其结果列于表 21。表 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C CO3.690 × 11639=442947.91Fe Fe2O3C CO20.410 × 34834=14281.94P P2O5Si SiO0.400 × 29202=11680.80P O 4CaO· P O22525Mn MnO0.270 ×6594=1780.38SiO 2C

33、aO· SiO22Fe FeO0.525 ×4250=2231.25合计 Qy氧化热或成渣热/KJ0.379 × 6460=2448.340.100 × 18980=18980.237 × 4880=1156.561.000 × 1620=1620.0080045.18（ 3）烟尘氧化热 Qc：由表 4 中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。QC=1.5 ×(75%×56/72 ×4250+20%×112/160 ×6460)=5075.35KJ（ 4）炉衬中碳的氧化热 QI: 根据

34、炉衬蚀损量及其含碳量确定。QI =0.314%90%11639+0.314%10%34834=586.25KJ故热收入总值为:QS=QW+QY+QC+QI=227582.40KJ第二步：计算热支出QZ。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 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 35/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

35、理热。Tg=1536(0.10 ×65+0.18× 5+0.020× 30+0.021×25) 6=1520( 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 )Tz=1520+50+50+70=1690（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） Qg =91.725× 0.699 ×(1520 25)+272+0.837 ×(1690 1520)=133853.834KJ（ 2）炉渣物理热 Qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得：Qr =8.184 ×1.248 ×(1690 25)+209=18716.153KJ（ 3）炉气、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。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11.438 × 1.137 ×（ 1450 25）=18532.1331450系炉气和烟尘的温度烟尘物理热1.5 × 0.996 ×（ 145