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）;金属料一铁水

2、和废钢的 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/%类别、CSiMnPS钢种H15Mn设定值50.0450.050铁水设定值4.200.400.450.120.060废钢设定值50.0300.030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%和60%留在钢水中设 定。表2原

3、材料成分f-成分含量类别、* *、CaOSiO2MgOAI2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发 分石灰88.002.502.601.500.500.100.064.640.10萤仁10.305.500.601.601.5088.000.900.101.50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/回收率类别、CSiMnAlPSFe硅铁73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92

4、/100锰铁6.60/900.50/7567.80/800.23/1000.13/10024.74/10010%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/%SiO2=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N2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I (FeO)含量(按(FeO) = 1.35(Fe2O3)折算)15%，而(Fe2O3)/ I(FeO) = 1/3 即(Fe2O3) = 5%(FeO)=8.25%金属中C的氧化产物90

5、%C氧化成CO,10%C氧化成CO2烟尘量为铁水量的1.5%(其中FeO为 75%, Fe2O3 为 20%)废钢量由热平衡计算确定。本 计算结果为铁水量的 10.934%,即废钢比为9.86%喷溅铁损为铁水量的1%（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。

6、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/kg产物量/kg备注CC-COC-CO24.22x90%=3.7984.22x10%=0.4224.9201.0908.6101.500SiSi-(SiO2)0.4000.4570.857入渣MnMn(MnO)0.2700.0790.349入渣PP-(P2O5)0.1000.1290.229入渣Sstso2)S+(CaO)=(CaS) + (O)0.039x1/3=0.0130.039x2/3=0.0260.013 0.0130.0260.059(CaS)入渣FeFe-(F

7、eO)FeTFe2O3)0.675x56/72=0.5250.379x112/160=0.2650.1500.1140.6750.379入渣（见表8）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=0.013x56/32=0.023kg表6炉衬蚀损的成渣量炉衬蚀损量（kg）成渣组分/ kg气态产物/ kg耗氧量/ kgCaOSiO2MgOAI2O3匡2。3CTOcto2CTO、CO20.3(据表4)0.0040.0090.2360.0040.0050.3x14%x90%x28/12=0.0880.3x14%x10%x44/12=0.01

8、50.3x14%(90%x16/12 + 10%x32/12)=0.062合计0.2580.1030.062表7加入溶剂的成渣量类别加入量/ kg成渣组分/ kg气态产物/ kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2萤石0.5据（表4）0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005生白云2.5据(表0.910.640.020.020.90石4）00055石灰3.4553.0350.0900.0860.0520.0170.0030.0050.0030.1600.001合计3.9470.7330.1340.0850

9、.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(SiO2)=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: Rjw(SiO2) -Jw(CaO)/w(CaO石灰)-Rxw(SiO2石灰)= 2.738/ ( 88.00% - 3.5x2.50% ) =3.45kg 为(石灰中CaO含量)一(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。

10、表8总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOBQCaF2P2O5CaS合计元素氧化成渣量/ kg0.8570.3490.6750.3790.2290.0592.548石灰成渣量/ kg3.0350.0860.0900.0520.0170.0030.0053.288炉衬蚀损成渣量/ kg0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣量/ kg1.0190.0220.7170.0281.786萤石成渣量/ kg0.0020.0280.0030.0080.0080.4400.0050.0010.495总渣量/ kg3.9511.0000.9690.0

11、890.3490.6750.4090.4400.2370.0658.184 %48.2812.2211.841.094.268.255.005.382.900.79100.00 总渣量计算如下：因为表8中除(FeO)和(Fez。)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Jw(FeO) = 15%(表 4-4)，故总 渣量为 7.1/86.75%=8.184kgw(FeO)=8.184x8.25%=0.675kg.w(Fe2O3)=8.184x5%0.0170.0050.008=0.379kg.表9实际耗

12、氧量耗氧项/ kg供氧项/ kg实际氧气消耗量/kg铁水中元素氧化耗氧量（表5）6.965炉衬中碳氧化耗氧量（表6）0.062石灰中的S与CaO反应还原出的氧量（表7） 0.002烟尘中铁氧化耗氧量（表4）0.3407.427-0.002 +0.066=7.491炉气中自由氧含量（表10）0.060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:V = V + 0.5%V + f

13、224G + 0.5%V -Vz gz 991 32 sZ x JV = 99 V + 0.7G k = 99 x 8.619 + 0.7 x 8.1860.002 x 22.4/32 =8 721 m3 98.5098.50式中VgCO、CO2、SO2和H2O诸组分之总体积，m3。本计算中，其值为8.950 x22.4/28+2.8373GS一不计自由氧的氧气消耗量，kg。本计算中，其值为7.851+0.062+0.23=8.619 m3（见表9）；VX一铁水与石灰中的S与CaO反应还原出的氧量，m3。本计算中，其值为0.002kg（见表9）0.5%一炉气中自由氧含量，m3；99由氧气纯度为

14、99%转换得来。计算结果列于表10炉气成分炉气量/kg体积/ m3体积分数/ %CO8.69882.99CO22.58015.66SO20.0260.11H2O0.0080.12O20.0620.0420.50N20.0660.0520.62合计11.4388.384100.00炉气中 O2体积为 8.384x0.5%=0.042 m3 ；质量为 0.042x32/22.4=0.062 kg。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0.052x28/22.4=0.065kg。第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。钢水量。9=铁水量一铁水中元素的氧化量一烟尘、喷溅和渣中的铁损= 1

15、00-5.699- 1.00 x( 75%x56/72+20%x112/160 ) +1+8.184x6%)=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91.7380.23石灰3.4553.02炉渣8.187.16萤仁10.500.44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(114.2511

16、4.34 )/114.25x100%= - 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14表12废钢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/kg产物量/ kg进入钢中的量/kgCC-COC-CO210.934 x 0.06% x90%=0.00810.934 x 0.06% x10%=0.0010.0110.0030.019（入气）0.004（入气）SiSi-(SiO2)10.934x0.03%=0.027

17、0.0310.058MnMn(MnO)10.934x0.74%=0.0400.0120.052PP-(P2O5)10.934x0.006%=0.0010.0010.002Sstso2）S10.934 x 0.009% x1/3=0.00030.0003-0.00040.0006 (入气)枢皇皿坚殳皿%I.。 H%00lx8rnCN.LnCN( 8LnELnCNl8rnCN.LnCNI)只噩眼眦+V 坦*。.。I需6E。耳。oCN.tI。8.。3.6寸9.9蜀18%。Ln.tI00.1I9寸.1彳寸。.0+8 等.!I寸rnodHBt|.0 + 寸8lod寸Ln.mH9Ln8m+LnM.I6皇谕

18、也9要srfe矍皿!5。.。I8rnmI6寸rno.9LnZH8Ln0.0+l617z其.。co.。CN。寸.09nuod寸 8.6Z%。LnCN。Ln.。LnLn*甫6.01。.。I皇需rw葺NJlwm寰SINJffi屐皿!510.9340.078 = 10.8560.002 (CaS .。O00 LTJ 。O10.934 x 0.009 x 2/3=0.000700。O通 增！*铁水90.1479.85钢水92.4781.84废钢9.868.73炉渣7.56.64石灰3.112.76炉气10.339.14萤仁10.450.40喷溅0.900.80车工烧白云石2.252.00烟尘1.351.

19、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：W匚啊钢种一 wx钢水量锰铁含Mn量x伽回收率=0.95%一0.21% x92.02 = 1.255kg67.80% x 80%硅铁加入量W；为：W/（w叫种一 W也点）x加锰铁后的钢水量虬Sl Sl硅铁含Si量x Si回收率73.00% x 75%=0.

20、03%x(92.02 +1.076)-0.005 = 42kg铁合金中元素的烧损量和产物量列于表15。类别儿素烧损量/kg脱氧量/kg成渣量/kg炉气量/kg入钢量/kg锰铁C0.631 x 6.60% x10%=0.0040.0100.015(CO2)0.631x6.60%x90%=0.038Si0.631 x 67.80% x20%=0.0860.0250.1110.631x67.80%x80%=0.342Mn0.631 x 0.50% x25%=0.0010.0010.0020.631x0.50%x75%=0.002P0.631x0.23%=0.001S0.631x0.13%=0.001

21、Fe0.631x24.74%=0.156合计0.0910.0360.1130.0150.540硅铁Al0.425 x 2.50% x100%=0.0110.0100.006Mn0.425 x 0.50% x20%=0.000040.00010.00050.042 x 0.50% x80%=0.002Si0.042 x 73.00% x25%=0.0780.0890.1670.0425x73.00%x75%=0.230P0.0425x0.05%=0.00002S0.0425x0.03%=0.00001Fe0.0425x23.92%=0.102合计0.0880.0990.1740.334总计0.1

22、690.1350.2870.0150.874可以忽略脱氧和合金化后的钢水成分如下：w(C)=0.08%+ 0.075 x100%=16%93.129w(Si)= 0.005 + 0.023 x100%=0.03%93.129w(Mn)=0.210%+ 0.681 + 0.0002 x100%=0.94%93.129w(P)=0.019%+ 0.003 x100%=0.022%93.129w(S)=0.016%+ 002 x 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%为W 二(0.17 - 0.16)% x 钢水量1焦炭含C量x C回收率=

23、0.01% x 9329 =0.015kg81.50% x 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 x81.50%x25%=0.0120.0320.044+0.06x(0.58 + 5.52 )%=0.0470.060 x12.40%=0.0070.060 x81.50%x75%=0.037CO2、H2O和挥发份之总和（未计挥发份燃烧的影响）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93.38(92.47+0.874+0.037)81.

24、71废钢9.868.64石灰3.112.72炉渣7.79 ( 7.50+0.287+0.007)6.82萤仁10.450.39车工烧白云石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(114.21114.28 ) 7114.21x100%= 0.1%可以近视认为（0.082+0.008 ）的氧量系出

25、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*360 60CN966.0 uo.xIrfe H 要 EoLnlzxI*821 zrnKO zrnKO60CNR 8XlCN669.0Lnw/。(好皇/立)(M - ii(皇/立)ubrnLnITR亚鲤抠场 i_nCNLnCNornu ftpfIo6 9 X1I化学反应(N| (N(N

26、oII(N(N(N(Ni | (N+i1Uoz(NIT) I (N(N(N一| CN+i1O占cno(NoII(Ncn |(N+11o占(N货(N(N戈 j1 z- J y ACijc.j1jr)(N饲R.(N+cnIK 熙uuiZud陟CN o InLnoCM droMgCO3MgCO =（MgO）+Zo 分解反应321180201405表20溶入铁中的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、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 铁熔点的降低 值/C6570758085901085302531.5氮、氢、氧溶入使铁熔点的降低值/C

27、1=6适用含量范围/%1.01.02.02.53.03.54.03I0.70.08118(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、1和 20)计算铁水熔点Tt，然后由铁水温度和生铁比热(表17和18)确定QwoTt=1536 -(4.2x100+0.4x8+0.45x5+0.12x30+0.06x25 )- 6 = 1099.45CQw=100 x0.745x( 1082 - 25 ) +218+0.837x(

28、 1300 - 1082 )= 118632.56KJ(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(表19)可以算出，其结果列 于表21。表21元素氧化热和成道热反应产物氧化热或成渣热/kj反应产物氧化热或成渣热/kjCTO3.690 x11639=442947.91FeFe2O30.379x6460=2448.34cto20.410 x34834=14281.94PP2O50.100 x18980=1898Si-SiO20.400 x29202 = 11680.80P2O54CaOP2O50.237x4880=1156.56MnMnO0.270 x6594=1780.38S

29、iO22CaOSiO21.000 x1620=1620.00FeFeO0.525x4250=2231.25合计。尸80045.18(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=1.5x(75%x56/72x4250+20%x112/160 x6460) = 5075.35KJ(4 )炉衬中碳的氧化热Q:根据炉衬蚀损量及其含碳量确定。Q f0.3 x 14% x 90% x 11639+0.3 x 14% x 10% x 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；

30、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40601,后者约35C/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。Tg=1536 - (0.10 x65+0.18x5+0.020 x30+0.021x25) - 6=1520C(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+5

31、0+70=1690C(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=91.725x0.699x(1520 - 25)+272+0.837x(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=8.184x1.248x(1690 - 25)+209 = 18716.153KJ(3)炉气、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。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11.438x1.137x( 1450 - 25 ) = 18532.1331450C系炉气和烟尘的温度烟尘物理热1.5x0.996x( 1450 - 25 ) +209=2442.45渣中铁珠物理热0.491x0.699x( 1520 - 25 ) +272+0.837x( 169