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

2、及其回收率（表2.3）;其他工艺参数（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0.180.250.55<0.045<0.005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CaOSiO2MgOAl2O3Fe?QCaFzP2O5SCOHLOC灰分发分石灰88.662.702.601.500.500.100.064.640.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.

3、900.101.50生石灰石36.400.8025.601.0036.20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硅铁一73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100镒铁6.60/900.50/7567.8/80一0.23/1000.13/10024.74/100注：上表中的C中10%F氧生成CO。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汇（FeO）含量（按向钢中传

4、氧量3（Fe?O）=1.353（FeO）折算）烟尘量喷溅铁损3(CaO)/3(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3(FezQ)/汇3(FeO)=1/3,即3(FezQ)=5%3(FeO)=8.25%为铁水量的1.5%(其中3(FeO)为75%3(Fe2C3)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%勺%化成CQ10%勺%化成CO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

5、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。2.1.3 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元素反应产物元素氧化量（kg）耗氧量（kg）产物量（kg）备注CCCO4.10X90%=3.6904.7208.610C一CO24.10

6、X10%=0.4100.6400.88SiSiSiO20.5000.5711.071入渣MnMnMnO0.5000.1450.645入渣PP-P2O50.1850.2390.424入渣SS-SO20.03X1/3=0.0080.0080.016司+(CaO)(CaS)+(O)0.03X2/3=0.015-0.0080.034(CaS)入渣FeFeFeO0.897X56/72=0.6850.1950.897入渣见表2-8Fe-Fe?O30.48X112/160=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CaOM=0

7、.020X56/32=0.035kg表2.6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/kgCaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3C-COCfCO2CfCO,CO20.3(据表2-5)0.0040.0090.2360.0040.0050.3X14%X90%X28/12=0.0880.3X14%X10%X44/12=0.0150.3X14%X(90%X28/12+10%X44/12)=0.062合计0.2580.1030.062类加入量成渣组分/kg气态产物/kg别/kgCaOMgOSiO2AQFe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2萤石0.5（据表2-4）0.

8、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由表4.6T4.8可知，渣中已含石灰加入量计算如下：表2.7加入溶剂的成渣量（CaO）=-0.026+0.004+0.002+0.910=0.890kg;渣中已含（SiO2）=1.071+0.00

9、9+0.028+0.020=1.128kgo因设定的终渣碱度R=3.5;故石灰的加入量为:RN3（SiO2）- 2 Q （CaO）/ 3 （CaO 石灰）-RXa（SiO2石灰）=3.95/（88.66%-3.5X 2.70%）=4.99 kg（石灰中CaO含量）-（石灰中S-CaS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总渣量及其成分户渣成分CaOSiO2MgOAl2。3MnOFeOFe2O3CaEP2O5CaS合计:/元素氧化成渣量kg1.0710.4970.8970.5410.4240.0343.979日灰成渣量/kg4.3960.1350.1300.0

10、750.0250.0050.0075.471/炉衬蚀损成渣量kg0.0040.0090.2360.0040.0050.258>_/主白云石成渣量kg0.9100.0200.6400.0251.595黄石成渣量/kg0.0020.0280.0030.0080.0080.4400.0050.0010.495，总、成渣量/kg5.1321.2631.0090.1120.4970.9730.5430.4400.4340.04110.8691责量分数/%50.8214.448.720.954.218.255.003.733.530.35100.00)总渣量计算如下：因为表2-9中除（FeO）和（F

11、ez。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23(FeO)=15%(表2.4)，故总渣量为10.235+86.75%=10.681Kg。3(FeO)=10.681X8.25%=0.881Kg。3(Fe2O3)=10.681X5%-0.040-0.005-0.008=0.481Kg。表2.9实际耗氧量f供氧坝/Kg头冰虱。伯林里/Kg耗氧项/Kg铁水中元素氧化消耗量7.034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2.7）0.0020.062烟尘中专失氧化消耗量0.340炉气自由氧含量0

12、.0607.766-0.002+合计7.766合计0.0020.041=7.805炉气N2(存在于氧气中，见表2.4)的质量，详见表2.10o第三步：计算炉气量及其成分。炉气中含有CO、CO2、N2、SO2和H2。其中CO、CO2、SO2和H2O可由表2.52.7查得，。2和N2则由炉气总体积来确定。现计算如下。炉气总体积V:1224V Vg0.5%V-1-(224Gs0.5%VVx)9932V 99Vg0.7Gs-Vx997.8640.78.0930.00222.4323V g7.961m98.5098.50式中VgCO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m3。本设计中，具值为6.598X

13、22.4/28+2.310X22.4/44+0.020X22.4/64+0.011X22.4/18=7.864m3;Gs不计自由氧的氧气消耗量，Kg0其值为：7.691+0.062+0.34=8.093Kg;V石灰中的S与CaO反应还原出的氧气量(其质量为：0.001Kg);99一由氧气纯度99%专换得来；0.5%一炉气中自由氧含量。表2.10炉气量及其成分货气成分货气单/Kg体枳/m3体枳分数/%CO8.6986.95879.76CO22.6520.89117.77SO20.0080.0031.06H2O0.010.0120.21O20.0400.0570.50N20.0570.0710.7

14、0合计11.4656.617100.00炉气中02的体积为6.617X0.5%=0.033m3;质量为0.033X32/22.4=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0.046X28/22.4=0.058kg。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1006.331.5075%567220%112160111.7986%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100.0086.48钢水92.614

15、79.23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/kgCC一COC-CO213.7X0.08%X90%=0.01213.7X0.08%X10%=0.0010.0160.0030.028

16、（入气）0.004（入气）SiSi-SiO213.7X0.25%=0.0340.0390.0510MnMnMnO13.7X0.435%=0.0250.0070.1047PP-P2O513.7X0.005=03.0010.0010.002SS-SO213.7X0.009%X1/3=0.00130.00130.0026入气)S+(CaO)-(CaS)+O13.7X0.009%X2/3=0.0026-0.00130.0059(CaS)合计0.0770.06613.7-0.077=13.623成渣量/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

17、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0.500.42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

18、+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115.3

19、3100.00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2.14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终点镒铁含镒量 Mn回收率钢水量=055%0255%91.430.5lKg67.80%80%硅铁加入量WSi为：(3Si钢种3Si终点)加镒铁后的钢水量SiFeMnWSi硅铁中Si含量Si回收率0.25%(91.430.41)0.002八=0.38kg73.00%75%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

20、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/KgC0.51X6.60%X10%=0.0030.0100.015(CO2)0.51X6.60%X90%=0.030Mn0.51X67.80%X20%=0.0690.0200.0890.51X67.80%X80%=0.277镒铁Si0.51X0.50%X25%=0.0010.0010.0020.51X0.50%X75%=0.002P0.51X0.23%=0.001S0.51X0.13%=0.001Fe0.51X24.74%=0.126合计0.0730.0310.0910.0150.410Al0.38X2.50%X100

21、%=0.0110.0060.006Mn0.38X0.50%X20%=0.00040.00050.00050.38X0.50%X80%=0.002硅Si0.38X73.0%X25%=0.06940.07930.1490.38X73.0%X75%=0.208认P0.38X0.05%=0.0002S0.38X0.03%=0.0001Fe0.38X23.92%=0.0908合0.07980.08940.1720.301计总计0.1530.120.2470.0150.711脱氧和合金化后的钢水成分如下:,-0.030(C)0.10%100%0.13%92.14”.、0.0020.208(Si)100%0

22、.23%92.14/、0.2770.002(Mn)0.25%100%0.55%92.14(P)0.015%°01100%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。为此需要在钢包内力焦炭粉增碳。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%92.140.06Kg81.50%75%焦粉生成的产物如下：1炭烧损量/Kg耗氧量/Kg气体量/Kg成渣量/Kg碳入钢量/Kg0.06X81.50%X25%=0.0120.0320.037+0.05X(0.58+5.52)%=0.0470.05

23、X12.40%=0.0070.05X81.50X0.75%=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镒铁0.510.56硅铁0.380.36焦粉0.060.05合计116.32100.00合计116.60100.0C

24、注：计算误差为(114.06-115.25)/114.06X100%=-1.04%。可近似认为（0.102+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/c13202525与钢水相同14501450纯铁熔点为1536c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

25、平均热容/kJ（kg-K）-10.7450.6991.0470.996熔化潜热/kJkg-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+O2-COz氧化反应-418072-34834SiSi+O2-SiO2氧化反应-817682-29202MnMn+1/2O2=(MnOz)氧化反应-361740-6594P2P+5/2O2=(P2。)氧化反应-1176563-18980FeFe+1/2

26、O2=(FeO)氧化反应-238229-4250Fe2Fe+3/2O9=(Fe2O3)氧化反应-722432-6460SiO2(SiO2)+2(CaO)=(2CaO-SiO?)成渣反应-97133-1620P2C5(P2O5)+4(CaO)=(4CaO-P2Q)成渣反应-693054-4880CaCOCaCO=(CaO)+CO2分解反应1690501690MgCCMgCO=(MgO)+CQ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；炉衬中碳的氧化热。（1）铁水物理热Q:先根据纯铁熔点、铁

27、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Q表2.20溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrO在铁中的极限溶解度/%5.4118.5无限2.80.1835.0无限溶入1%7素使铁熔点降低值/c65707580859010085302531.5氮、氢、氧溶入使铁熔点降低值/C2=6适用含量范围/%<11.02.02.53.03.54.0<3150.70.008<118Tt1536(4.21000.580.7550.2300.02525)61096CQw1000

28、.7451096252180.83712501096114500.00KJ(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(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/kJC-CO3.6911639=42947.91FefFe?Q0.377X6460=2177.02C-CO0.41X34834=14281.94PfP2Q0.185X18980=3511.3SifSiO20.50X29202=14601P2O-4CaO-P2C50.434X4880=2117.92MnMnO0.50X6594=3297

29、SiOz-2CaO-SiO21.236X1620=2002.32FefFeO0.685X4250=2911.25合计Q80003.42（3）烟尘氧化热Q:由表2.5中给出的烟尘参数和反应热效应计算可得。Qc1.575%5672425020%11216064605075.35KJ（4）炉衬中碳的氧化热Q:根据炉衬侵蚀量和含碳量确定。Qi0.314%90%116390.314%10%34834586.25KJ故热收入总值为：QsQwQyQcQi208009.26KJ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

30、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。Tq15360.10650.2550.015300.0022561523Cg（式中，0.60、0.50、0.020和0.021分别为终点钢水中GMnP和S的含量。）Tz15235050701693c（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。）Qq92.6140.6991523252720.83716931520135586.90KJq（2）炉渣物理热Q:令终谓温度与钢水温度相同，则得：Qr10.6811.24816932520924466.58KJ(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2.22。表2.22某些物料的物理热项目参数/kJ备注炉气物理热6.333X1.137X(1450-25)=10260.881450c系炉气和烟尘的温度烟尘物理热1.5X0.996X(1450-25)+209=2442.45渣中铁珠物