炼钢课程设计讲稿-第二章ppt课件

1、炼钢厂设计原理第2章 氧气转炉物料平衡与热平衡计算收入项：开吹前首先要向炉内参与钢铁料：铁水和废钢，然后降枪吹氧，同时参与造渣料：石灰、萤石、白云石、铁皮或矿石等，以及吹炼过程中炉衬要遭到侵蚀而剥落下来进入炉内。支出项：开吹后首先从炉口冒出炉气，炉气中夹带着烟尘，吹炼过程中要产生一些喷溅，并且要产生炉渣，炉渣中夹带着铁珠，最后得到钢水。还有其它一些支出物。 经过以上分析，可以给转炉物料平衡和热平衡下个定义：所谓物料平衡就是计算在炼钢过程中参与炉内并参与炼钢过程的全部物料和炼钢过程产生物之间的平衡关系。它是物质不灭定律在炼钢过程中的详细运用。 所谓热平衡就是计算在炼钢过程中热量的收入与支出之间的

2、平衡关系。它是能量守恒定律在炼钢过程中的详细运用。 进展物料平衡与热平衡计算有什么意义呢？在进展炼钢设计和组织炼钢消费过程中，经常向我们提出一些“量的问题需求我们来回答：CSi、Mn、P、S、Fe 炉气炉渣钢水铁 水矿 石CO 90% CO2 10%炉气炉渣炉渣炉渣炉气H2OSiO2等Fe2O3钢水莹 石炉气炉渣H2OCaF 等炉 衬炉气CCaO 等炉渣 白云石炉气烧减CaO 等炉渣 石灰炉气烧减CaO 等计算渣中FeO 10% Fe2O3 5% 总炉渣 烟尘含铁量自在氧、N2总炉气 总钢水氧气氧气氧气氧气氧气氧气 渣中铁珠量 喷溅铁量氧气100 kg 1 kg 0.5 kg 0.5 kg 3

3、 kg 根据碱度计算 1.6 kg 1 kg 渣量 8% 2.1 原始数据表21 铁水成分及温度成分CSiMnPS温度， %4.2500.8500.5800.1500.0371250表23 冶炼钢种Q235成分成分CSiMnPS%0.170.300.350.800.0350.035种类成分表22 原资料成分石灰矿石萤石白云石炉衬CaO91.081.0030.8454.00SiO21.665.616.000.462.05MgO1.540.520.5820.1637.75Al2O31.221.100.780.741.00S0.060.070.09P0.55CaF290.00FeO29.40Fe2O

4、361.80烧减4.4447.80H2O0.502.00C5.00100.00100.00100.00100.00100.00 项目固态平均比热KJ/kg度熔化潜热KJ/kg液态或气态平均比热KJ/kg度生铁0.7452180.837钢0.6992720.837炉渣2091.248炉气1.137烟尘0.996209矿石1.046209表24 平均比热反应元素氧化放热KJ/KmolKJ/kg元素元素C+1/2O2=CO131365.010949.1CC+O2=CO2414481.734521.0CSi+O2SiO2795023.628314.0Si2P+5/2O2=P2O51172078.618

5、922.6PMn+1/2O2MnO384959.07020.3MnFe+1/2O2FeO266635.05021.2Fe2Fe+3/2O2Fe2O3822156.07340.7Fe2CaO+SiO2=2CaOSiO2124600.42071.1SiO24CaO+P2O5=4CaOP2O5690414.95020.8P2O5表25 铁水中元素氧化放热 6反响热效应251)渣中铁珠量为渣量的8；2)金属中碳的氧化，其中90的碳氧化成CO，10的碳氧化成CO2；3)喷溅铁损为铁水量的1；4)炉气和烟尘量，取炉气平均温度1450。炉气中自在氧含量为0.5。 烟尘量为铁水量的1.6，其中FeO=77%,

6、 Fe2O3=20%;5)炉衬侵蚀量为铁水量的0.5；6)氧气成分，98.5O2、1.5N2。7根据国内同类转炉的实测数据选取； 根据铁水成分、原资料质量以及冶炼钢种，采用单渣不留渣操作。为了简化计算，以100kg铁水为计算根底。2.2 物料平衡计算1炉渣量及成分计算炉渣来自金属中元素的氧化产物、造渣剂及炉衬侵蚀等。1)铁水中各元素氧化量表26 铁水中各元素氧化量成分项目CSiMnPS铁水4.2500.8500.5800.1500.037终点钢水0.150痕迹0.1700.0150.025氧化量4.1000.8500.4100.1350.012*终点钢水成分是根据国内同类转炉冶炼Q235钢种的

7、实践数据选取，其中：Si：在碱性氧气转炉炼钢法中，铁水中的硅几乎全部被氧化，伴随参与的其它资料而带入的SiO2一同进入炉渣中，所以终点钢水硅的含量为痕迹。P：采用低磷铁水操作，炉料中磷约8595%进入炉渣，本计算采用低磷铁水操作，取铁水中磷的90%进入炉渣，10%留在钢中。Mn：终点钢水余锰含量，普通为铁水中锰的含量3040，取30。S：去硫率，普通为3050的范围，取33。C：终点钢水含碳量，根据冶炼钢种的含碳量和预估计脱氧剂等增碳量之差，那么为终点含碳量。本计算取0.15%。元素反应极其产物元素氧化量kg耗氧量kg氧化产物量kg备注CC+1/2O2=CO4.10090%=3.6903.69

8、016/12 =4.9203.69028/12=8.610CC+O2=CO24.10010%=0.4100.41032/12=1.0950.41044/12=1.503SiSi+O2=(SiO2)0.8500.85032/28=0.9710.85060/28=1.821MnMn+1/2O2=(MnO)0.4100.4116/55=0.1190.4171/55=0.529P2P+5/2O2=(P2O5)0.1350.13580/62=0.1740.135142/62=0.309SS+O2=SO20.0121/3=0.0040.00432/32=0.0040.00464/32=0.008SS+(C

9、aO)=(CaS)+O0.0122/3=0.0080.008(-16/32)=-0.004产生氧量0.00872/32=0.018产生(CaS)-0.004表示还原出氧量。耗CaO量000856/32=0.014FeFe +1/2O2 =(FeO)1.055(Fe量后面才能计算)1.05516/55=0.3071.356由渣量计算10%见表2-13Fe2Fe+3/2O2=(Fe2O3)0.475 (同上）047548/112=0.2030.678由渣量计算5%见表2-13共计7.0377.787表27 铁水中各元素氧化产物量矿石参与量为1.00/100Kg铁水，其成分及分量见表28。2矿石参与

10、量及成分成分重量 kg备注Fe2O31.0061.800.618不进入渣中FeO1.0029.400.294不进入渣中SiO21.005.610.056Al2O31.001.100.011CaO1.001.000.010MgO1.000.500.005S*1.000.070.0007S以S+CaO=CaS+O的形式反应,其中生成CaS量为0.001 72/320.002消耗CaO量为0.00156/320.002kg H2O1.000.500.005进入烟气共 计1.000表28 矿石参与量及其成分萤石参与量为0.5/100kg铁水，其成分及分量3萤石参与量及成分成分重量， kg成分重量， k

11、gCaF20.590.000.45P*0.50.550.0028SiO20.56.000.030S*0.50.090.0004Al2O30.51.780.0089H2O0.52.000.010MgO0.50.580.0029共计0.500*P以 2P+5/2 O2=(P2O5) 的方式进展反响， 其中生成 P2O5 量为 0.0028142/62=0.007 kg。 耗费氧气量为 0.002880/620.004kg*S微量，忽略之。表29 萤石参与量及成分炉衬被侵蚀量为0.50kg/100kg铁水，其成分及分量见表2-94炉衬被侵蚀分量及成分成分重量 kg成分重量 kgCaO0.50 54.

12、00 0.270Al2O30.50 1.000.005MgO0.50 37.950.190C*0.50 5.000.025SiO20.50 2.050.010共计0.500*被侵蚀的炉衬中碳的氧化，同金属中碳氧化成CO、CO2的比例数一样，即：CCO 0.02590%28/120.053kgCCO2 0.02510%42/120.009kg其氧气耗费量：0.053 42/12 0.030kg 0.053 16/28 0.007kg共耗费氧气量为 0.030+0.0070.037kg表210 炉衬被侵蚀分量及成分为了提高转炉炉衬寿命，采用白云石造渣剂，其主要目的是提高炉渣中的MgO含量，降低炉渣

13、对炉衬的侵蚀才干。假设使渣中MgO含量在6.008.00的范围之内，其效果显著。经试算后取生白云石参与量为3.00Kg/100Kg铁水，其成分及分量5生白云石参与量及成分成分重量 kg成分重量 kgCaO3.0030.840.925SiO23.000.460.014MgO3.0020.160.605烧减*3.0047.801.434Al2O33.000.740.022共计3.000*烧减是指生白云石MgCO3CaCO3分解后而产生的气体。6石灰参与量取转炉终渣碱度 量铁水中Si氧化成SiO2量 1.821 +炉衬带入的SiO2量 0.010 +矿石带入的SiO2量 0.056 +萤石带入的Si

14、O2量 0.030 +白云石带入的SiO2量 0.014 1.821+0.010+0.056+0.030+0.0141.931kg 量白云石带入的CaO量 0.925 +炉衬带入的CaO量 0.270 +矿石带入的CaO量 0.010 -铁水中S成渣耗CaO量 0.014 -矿石中S成渣耗CaO量 0.002 0.925+0.270+0.010-0.014-0.0021.189kg 成分重量 kg成分重量kgCaO6.5291.085.940S*6.520.060.004SiO26.521.660.108烧减*6.524.440.289MgO6.521.540.100共计6.520Al2O36

15、.521.220.0795表212 石灰成分及分量*S以S+(CaO)=(CaS)+O的方式反响，其中生成CaS量为 0.00472/32=0.009 (kg)生成氧量为 0.00416/32=0.002 (kg)耗费CaO量为 0.00456/32=0.007 (kg)*烧减指未烧透的CaCO3经受热分解后产生的CO2气体分量 对于低磷铁水，参照国内同类转炉有关数据，取冶炼BD3钢的终渣 7) 终点氧化铁确实定(Fe2O3=5%,(FeO)=10%上面铁水、矿石、炉衬、萤石、白云石和石灰所构成的炉渣成分有：CaO+ MgO+ SiO2+ P2O5+ MnO+ Al2O3+ CaF2+ CaS

16、 分量为： 成分铁水氧化量Kg石灰Kg矿石Kg生白云石Kg炉衬Kg萤石Kg共计KgCaO5.933*0.0080.9250.2707.13652.65MgO0.1000.0050.6050.1900.0030.9036.65SiO21.8210.1080.0560.0140.0100.0302.03815.03P2O50.3090.0070.3162.33MnO0.5290.5293.92Al2O30.0780.0110.0220.0050.0090.1250.92CaF20.450.453.28CaS0.0180.0090.0020.0310.22小记11.528FeO1.3561.356*

17、10.00Fe2O30.6780.678*5.00共计4.7116.2280.0821.5660.4750.49913.557100.00表213 炉渣终渣量及成分表213中不计Fe2O3、FeO在内的炉渣分量为CaO+ MgO+ SiO2+ P2O5+ MnO+ Al2O3+ CaF2+ CaS7.+0.903+2.038+0.316+0.529+0.125+0.45+0.031 11.528 kg。又知 =15%,那么渣中其它成分之和为100-15=85,故炉渣分量 由此可知： (FeO)的分量=13.562 10%=1.356 kg 耗费铁水分量=1.356 56/72=1.055 kg

18、 (Fe2O3) 的分量=13.562 5%=0.678 kg 耗费铁水分量=0.678 112/160=0.475 kg* 石灰中CaO含量石灰中S自耗CaO分量=5.9400.007=5.933Kg* *矿石中CaO含量矿石中S自耗CaO分量=0.0100.002=0.008Kg2矿石、烟尘中铁及氧量。 假定矿石中FeO)全部被复原成铁，那么 矿石带入铁量 =1.00(29.4056/7261.80112/160=0.661 Kg 矿石带入氧量 =1.00(29.4016/7261.8048/160= 0.251 Kg 烟尘量是铁水量的1.6%，其中FeO=77%, Fe2O3=20%;

19、那么 烟尘耗费铁量 =1.60(7756/7220112/160=1.182 Kg 烟尘耗费氧量 =1.60(7716/722048/160= 0.370 Kg3炉气成分及分量原资料生成的炉气有 CO=铁水氧化生成的CO炉衬C氧化生成的CO =8.6100.053 = 8.663Kg CO2=铁水氧化CO2炉衬C氧化成CO2 白云石烧碱的分量石灰烧碱的分量 =1.5030.0091.4340.2893.235Kg SO2铁水中的S的气化物0.008kg H2O汽矿石带入的水+萤石带入的水 0.005+0.0100.015kg。这些都是分量，还需求转化为体积，见表2-14成分重量，kg体积，m3

20、含量 %CO8.6638.66322.4/28=6.92579.40CO23.2353.23522.4/44=1.64718.89SO20.008 0.00822.4/64=0.0030.03H2O0.015 0.01522.4/18=0.0190.22O20.0630.044*0.50N20.1060.0847*0.96共计12.098.723100.00表214 炉气成分、分量及体积知氧气成分为98.50O2、1.50N2，炉气中自在氧体积比为0.50。设：总炉气体积为：X X=元素熄灭生成的气体体积和水蒸气的体积+自在氧体积+氮气体积 元素熄灭生成的气体和水蒸气的体积 = CO+CO2+

21、SO2+H2O =6.925+1.647+0.003+0.019=8.594 m3 炉气中自在氧体积为： 0.50X N2气体积=总氧气量 1.50=反响耗费氧体积+自在氧体积/98.5% 1.50= (铁水耗氧量+烟尘耗氧量+炉衬耗氧量+萤石耗氧量-矿石带入氧-石灰带入氧22.4/32+ 0.50X /98.5% 1.50=(7.787+0.370+0.037+0.004-0.251-0.002) 22.4/32+ 0.50X/98.5% 1.50=(5.56+ 0.50X) 1.5/98.5= 0.085+0.008 X计算自在氧、氮气和炉气总体积所以炉气总量 X 8.594+0.50 X

22、 +0.085+0.008 X 炉气中自在氧体积8.7230.500.044 炉气中自在氧分量0.04432/22.4=0.063 kg 炉气中氮气体积0.085+0.0088.7230.0847 m3炉气中氮气分量0.084728/22.4=0.106 kg4氧气耗费计算元素氧化耗氧分量 7.787kg烟尘中铁氧化耗氧分量 0.370kg炉衬中碳氧化耗氧分量 0.037kg萤石中磷氧化耗氧分量 0.004kg自在氧分量 0.063kg炉气中氮气分量 0.105kg矿石分解带入氧的分量 0.251kg石灰中硫复原出氧分量 0.002kg故，氧气实践耗费分量为:7.787+0.370+0.037

23、+0.004+0.063+0.105-0.251-0.0028.113kg换算成体积量8.11322.4/32=5.68 Nm3/100kg 或 56.8Nm3/t铁水。 5钢水量计算铁水元素氧化量 7.037kg烟尘中铁损失量 1.182kg渣中铁珠损失量 13.55781.080kg喷溅铁损失量 1.000kg矿石带入铁量 0.661kg故，钢水分量收得率为100-7.037+1.182+1.080+1.000+0.66190.36kg6物料平衡表收入支出项目重量 kg 项目重量 kg 铁水100.0083.78钢水90.3675.48石灰6.525.24炉渣13.5611.33矿石1.0

24、00.84炉气12.0910.10萤石0.500.42烟尘1.601.34白云石3.000.42铁珠1.080.91炉衬0.502.51喷溅1.000.84氧气8.116.79总计119.63100.00总计119.69100.00表215 物料平衡表计算误差 2.3 热平衡计算1热收入项为了简化计算，取冷料入炉温度均为25。 1)铁水物理热铁水熔点 1536C%100+Si%8+Mn%5+P%30+S%257=1536(4.25100+0.858+0.585+0.1530+0.03725)71089 式中100、8、5、30、25分别为C、Si、Mn、P、S元素添加1含量降低铁水熔点值；7为

25、气体O、H、N共降低铁水熔点值；1536为纯铁熔点。铁水物理热1000.745(108925)+218+0.83712501089 114544 KJCCO 3.6910949.1=40402 KJCCO2 0.41034521=14154 KJSiSiO2 0.85028314=24067 KJMnMnO 0.4107020.3=2878 KJFeFeO 1.0555021.2=5297 KJFeFe2O3 0.4757340.7=3486.8 KJPP2O5 0.18922.6=2554.6 KJP2O54CaOP2O5 0.3165020.8=1586.6 KJSiO22CaOSiO2

26、2.0332071.1=4220.9 KJ合计 98646.9 KJ2铁水中各元素氧化放热及成渣热见表273烟尘氧化放热烟尘氧化放热=1.67756/725021.2+20112/1607340.7 ) 6455.7KJ烟尘量为铁水量的1.6，其中FeO=77%, Fe2O3=20%;那么，热收入总量为=114544+98646.9+6455.7 219646.6 KJ注：对于炉衬中的C和萤石中的P，其氧化放热微量，故忽略之。2热支出项1钢水物理热钢水熔点15360.1565+0.175+0.01530+0.0252571517式中65、5、30、25分别为钢中元素C、Mn、P、S添加1时，钢

27、水熔点降低值。确定出钢温度: 过热度，延续普碳钢普通在2040，取30。 吹氩后到中间包开浇5分钟期间的钢液温降，取50。 吹氩调温过程温降，取10。 出钢后到搅拌前的温降，取11。 出钢过程温降，普通在4050，取40。故，出钢温度钢水熔点+过热度+出钢温度降出钢搅拌前温降吹氩调温过程温降 1517+30+40+11+50 1658。那么，钢水物理热90.360.699151725+272+0.83716581517 129479.1 KJ取终点炉渣温度与钢水温度一样，即1658。故，炉渣物理热13.561.2481658-25+209 30469.1KJ2炉渣物理热 1kg矿石中FeO和F

28、e2O3分解成Fe要吸热吸热量=129.4056/72 5021.2+61.80 112/160 7340.7 4323.8KJ3矿石分解吸热4烟尘物理热1.6 kg烟尘1450的物理热烟尘物理热=1.60.996(145025)+209 =2605.3KJ炉气物理热=12.091.(145025) =19588.5KJ12.09 kg炉气1450的物理热5炉气物理热=1.080.699(151725)+272+0.837(16581517) =1547.6KJ6渣中铁珠物理热1658炉渣中1.08 kg铁珠的物理热=10.699(151725)+272+0.837(16581517) =14

29、32.9KJ7喷溅金属物理热1.0 kg喷溅铁温度同出钢温度1658的物理热取生白云石中的CaCO3在1183K分解，MgCO3在750K分解。经过计算，生白云石的分解热效应为1422.6 KJ/kg 生白云石，故3kg生白云石分解吸热为 31422.64267.8KJ8) 白云石分解吸热总支出热量=129497.1+30469.1+4323.8+2605.3+19588.5 +1547.6+1432.9+4267.81937321 KJ9)上述各项热支出量10)转炉热损失 普通为总收入的38%，本计算取5%。219622.95%=10981.1那么，剩余热量为：219622.9193897.

30、6-10981.114744.2KJ 1 kg废钢吸收热量 =10.699151725+272+0.8371658-1517 =1432.9KJ10废钢参与量那么，用剩余热量可加热废钢量应为：其废钢比为： 收入项支出项项目热量 KJ项目热量 KJ铁水物理热11454452.15钢水物理热129479.159.00元素氧化放热98646.944.91炉渣物理热30469.113.90其中 C5455624.84矿石分解热4323.81.84Si2406710.96烟尘物理热2605.31.19Mn28781.31炉气物理热19588.58.92P2554.61.16铁珠物理热1547.60.70

31、Fe8783.84.00喷溅金属物理热1432.90.65P2O51586.60.72白云石分解热4267.81.95SiO24220.91.92其它热损失10982.35.00烟尘氧化热6455.72.94废钢物理热14932.26.81共计219646.6100.00共计219646.6100.00表216 热平衡表11热平衡表热效率1废钢中各元素应被氧化量2.4 参与废钢和脱氧后的物料平衡2.4.1 参与废钢的物料平衡CSiMnPS废钢成分取冶炼钢种中限0.180.200.520.0220.025终点钢水0.15痕迹0.170.0150.025废钢中各元素应被氧化量0.030.200.3

32、50.007表217 废钢中各元素被氧化量210.44kg废钢元素氧化量、进入钢中量、耗氧量及氧化产物量废钢中各元素氧化重量 kg耗氧量kg氧化产物量kgCCO10.440.0390*0.0030.00316/12 0.0040.00328/12 0.007CCO210.440.03 10*0.00030.00332/12 0.00080.000844/12 0.001SiSiO210.440.200.0210.02132/28 =0.0240.02160/28 =0.045MnMnO0.350.0370.03716/55 =0.0110.03771/55 =0.048PP 2O50.0070

33、.0010.00180/62=0.0010.001142/62=0.002共计0.0620.041生成物CO和CO2均进入炉气中，其和为： 0.007+0.0010.008 kg生成物SiO2,MnO,P2O5均进入炉渣中，其和为： 0.045+0.048+0.0020.095 kg*、 * *: C同铁水中C氧化成CO、CO2的比例一样。废钢进入钢中量: 10.44-0.06210.378 kg收入项支出项项目重量 kg 项目重量 kg 铁水100.00钢水90.36+10.378废钢10.44炉渣13.56+0.095石灰6.52炉气12.09+0.008矿石1.00烟尘1.60萤石0.5

34、0铁珠1.08白云石3.00喷溅1.00炉衬0.50氧气8.01+0.041把表215和表218有关工程合并整理为表219。表219 参与废钢后的物料平衡把表219内的铁水+废钢之和110.44换算成100kg,其它项以此为计算根底，重新整理得出参与废钢后的物料平衡。3参与废钢的物料平衡收入项支出项项目重量，kg 项目重量，kg 铁水90.5576.93钢水91.2377.40废钢9.458.02炉渣12.3610.48石灰5.915.02炉气10.959.2矿石0.910.77烟尘1.451.23萤石0.450.38铁珠0.980.83白云石2.722.31喷溅0.910.77炉衬0.450

35、.38氧气7.296.19总计117.73100.00总计117.88100.00表220 参与废钢的物料平衡表计算误差1冶炼Q235钢选用锰铁和硅铁脱氧。2.4.2 脱氧后的物料平衡成分项目CSiMnPSFe锰铁7.52.575.00.380.03014.59硅铁70.00.70.050.0429.21表221为锰铁和硅铁的成分根据国内同类转炉冶炼Q235钢种的有关数据选取：FeMn：Mn的收得率为75%Si的收得率为70C的收得率为90。10的C被氧化成CO2FeSi：Mn的收得率为80%Si的收得率为75。两种脱氧剂含有的P、S、Fe均全部进入钢中。2计算锰铁、硅铁参与量FeMn参与量元

36、素烧损量，kg 耗氧量，kg 产物 kg进入钢中量 kgC0.5687.5（1-90）0.0040.00432/120.0100.00444/120.015 （炉气）0.5687.5900.039Si0.5682.5（1-70）0.0040.00432/280.0050.00460/280.008 （炉渣）0.5682.5700.010Mn0.56875（1-75）0.1070.10716/550.031 0.03171/550.040 （炉渣）0.56875750.319P0.5680.380.002S0.5680.030.00017Fe 0.56814.590.083 0.1150.0460.048 （炉渣）0.453锰铁各元素氧化量及其氧化产物 FeSi参与量元素烧损量，kg 耗氧量，kg 产物 kg进入钢中量 kgSi0.33270（1-75）0.0580.05832/280.0660.05860/280.0668 （炉渣）0.33270750.174Mn0.3320.7（1-80）0.00040.000416/550.00010.000471/550.0001（炉渣）0.3320.7800.00