物料平衡与热平衡

1、3电弧炉炼钢物料平衡和热平衡3.1物料平衡计算3.1. 1计算所需原始数据基本原始数据：冶炼钢种及成分（见表3-1）；原材料成分（见表3-2）；炉 料中元素烧损率（见表3-3）；合金元素回收率（见表3-4）；其他数据（见表3-5）。表3-1冶炼钢种及其成分钢种成分/%备注CSiMnPSFeQ2150.09 0.150.030.250.55W 0.04 5W 0.04 5余量FBZ注：分母系计算时的设定值，取其成分中限。表3-2原材料成分/%名称CSiMnPSCrAlFeHO2灰分挥发 分碳素废钢0.180.250.550.03 00.03 0余量炼钢生铁4.200.800.600.20 00.

2、035余量FeMn6.600.5067.8 00.23 00.13 024.74FeSi73.0 00.500.05 00.03 02.5023.92SiMn1.6520.5 063.2 00.0650.04514.54FeCr4.350.400.0350.04567.3 027.87Al98.5 01.50焦炭81.5 00.5812.4 05.52电极99.0 01.00名称CaOSiO 2MgOAl O2 3CaF 2FeO 2 3CO 2HO aPOS石灰88.02.502.601.500.504.640.102 50.100.060萤石0.305.500.601.6088.0 01.

3、501.500.900.10铁矿 石1.305.750.301.4589.771.200.150.08火砖 块0.5560.8 00.6036.8 01.25高铝 砖1.256.400.1291.350.88镁砂4.103.6589.5 00.851.90焦炭灰分4.4049.7 00.9526.2518.550.15电极灰分8.9057.8 00.1033.1 0表3-3炉料中元素烧损成分CSiMnPS烧损率/%熔化期2540,取307095,去856070，取654050，取45可以忽略氧化期0.06错误!未找到引用源。全部烧损200.015错误！未找到引用源。2530，取27错误!未找到

4、引用源。按末期含量比规格下限低0.03%0.10% （取0.06%）确定（一般不低于0.03%的脱碳量）；错误!未找到引用源。按末期含量的0.015%来确定。表3-4铁水、废钢成分设定值类别 成分CSiMnPS废钢设定值0.180.250.550.0300.030表3-5其他数据名称参数配碳量比钢种规格中限高0.48%，即达0.6%熔化期脱碳量30%,即 0.6%X30% = 0.18kg电极消耗量4kg/t （金属料）：其中熔化期占75%；氧化期和还原期 各占25%炉顶高铝砖消耗量1.275kg/t （金属料）：其中熔化期占59%,氧化期占41%炉衬镁砖消耗量3.5kg/t （金属料）：其中

5、熔化期占57%；氧化期和还原期各占43%熔化期和氧化期所需要 氧量100%来自于氧气氧气纯度和利用率99%，余者N，氧利用率90%焦炭中碳的回收率75% （系指配料用焦炭）碳氧化产物均按70%生成CO，30%生成CO考虑 2烟尘量按8.5kg/t （金属料）考虑3.1.2物料平衡基本项目收入项有：废钢、生铁、焦炭、石灰、萤石、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝 砖、火砖块、铁合金、氧气和空气。支出项有：钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、焦炭中挥发分。3.1.3计算步骤以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段一一熔化期、氧化期 和还原期分别进行计算，然后汇总成物料平衡表。第一步：熔化期计算。（1）确

6、定物料消耗量：1）金属炉料配入量。废钢和生铁按75kg和25kg搭配，不足碳量用焦炭来 配。其结果列于表3-6。计算用原始数据见表3-2和3-5。表3-6炉料配入量名称用量/kg配料成分/kgCSiMnPSFe废钢100.0000.180.250.550.030.0398.96焦炭0.6870.42错误！未找到引用源。合计100.6870.60.250.550.030.0398.96错误!未找到引用源。碳烧损率25%。2）其他原材料消耗量。为了提前造渣脱磷，先加入一部分石灰（20kg/t（金 属料）和矿石（10kg/t（金属料）。炉顶、炉衬和电极消耗量见表3-5。（2）确定氧气和空气消耗量：耗

7、氧项包括炉料中元素的氧化，焦炭和电极 中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中CaO被自身S还原出部分氧。前后 两者之差即为所需净氧量2.458kg。详见表3-7。根据表3-5中的假设，应由氧气供给的氧气为100%，即2.239kg。由此可 求出氧气实际消耗量。详见表3-8。上述1）+2）便是熔化期的物料收入量。表3-7净耗氧量的计算项目名称元素反应产物元素氧 化量/kg耗氧量/kg供氧量/kg耗氧 项炉料中元素的氧化CSiMnPFe(c)ico(c)ico 2 (Si)-SiO ) (Mn)fMnO)(PPR) (Fe) fFeO)错误!未找到引用源。(Fef(Fe2O3) 错误!未找到引用源

8、。0.1260.0540.21250.35750.01350.2971.6820.168 0.144 0.24280.104 0.0174 0.08480.721合计2.74251.482焦炭中碳的氧化电极中碳 的氧化CC(C)f(CO(C)f(CO、，2(C)f(CO(C)f(CO20.0980.0420.2080.0890.1310.1120.2770.237合计2.239供氧矿石石灰SCaO+S=CaS+O0.0006项合计0.0006净耗氧量2.2384错误!未找到引用源。令铁烧损率为2%，其中80%生成Fe2O3挥发掉成为烟 尘的一部分；20%成渣。在这20%中，按3： 1的比例分别

9、生成（Feb）和（FeQ）。表3-8氧气实际消耗量氧气/kg带入O 2带入N 22.2384/氧利用率 =2.2384/90%=3.128(3.128/99%) X1%=0.032（3）确定炉渣量：炉渣源于炉料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物，炉 顶和炉衬的蚀损，焦炭和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。结果见表3-9。表3-9熔化期炉渣量的确定名称消耗成渣组分/kgCaOSiO 2MgOA12O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计量/kgSi0.20.40.45炉Mn13550.45料P0.360.00.46Fe580.30.143120.08210.031410.30.52963

10、炉顶0.00.00.0略0.060.000.07炉衬7501040.1915焦炭0.20.00.0790.000.00略0.20电极0008070.0240石灰0.60.00.0010.020.010.00.00.08870442略26020250.3略0.00.00.000.00001.7025210.0132.0580.00.0301.90005004合计1.70.50.20.120.40.30.170.00.03.737161324682233027百分47.156.23.3212.10.4.60.80.5100.比383218400确定金属量：金属量Q.二金属炉料重+矿石带入的铁量-炉

11、料中C、Si、 Mn、P和Fe的烧损量+焦炭配入的碳量=100-2.7425+0.42=97.6775kg。确定炉气量：炉气来源于炉料以及焦炭和电极中碳的氧化物CO和CO ,氧气带入的N,物料中的HO及其反应产物，游离O及其反应产物，石灰的烧 减(CO),焦炭的挥发分。计算结果列于表3-10。2表3-10炉气量计算项目气态产物/kgCOCO2N2HO2H2挥发 物合计炉料中C的氧化 焦炭带入 电极带入 石灰带入 氧气带入游离O参与反应 2CO+1/2O=CO ,.2一 、2HO参与反应 2H2O+CO=H2+CO20.2940.2280.485-0.43 54-0.00930.1980.154

12、0.3260.0930.68410.014670.02510.0040.002-0.0060.000670.0470.492 0.424 0.811 0.095 0.0251 0.24870合计0.56231.470.025100.000670.0382.091质量分数/%26.8370.131.1900.031.81100.00确定铁的挥发量：有表3-7中设定，铁的挥发量为：97.949X2%X 80%=1.564kg。上述(3) + (4) + (5) + (6)便是熔化期的物料支出量。由此可列出熔化期物料平衡表3-11。表3-11熔化期物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%废

13、钢100.00094.54金属97.677592.94焦炭0.6870.65炉渣3.73743.56电极0.3000.283炉气2.09611.99石灰2.0001.89铁的挥发1.5831.51炉顶0.0750.071炉衬0.2000.189氧气2.5132.37合计105.775100.00合计105.094100.00注：计算误差二(105.775-105.094) /105.775X 100%=0.64%。第二步：氧化期计算。引起氧化期物料波动的因素有：扒除熔化渣，造新渣；金属中元素的进一 步氧化；炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损。确定渣量：1)留渣量。为了有利去磷，要进行换渣，即通常除去

14、70%左右熔化渣，而 进入氧化期只留下30%的渣。其组成见表3-12。金属中元素的氧化产物。根据表3-3给出的值可以计算产物量，详见表 3-12。炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。根据表3-5的假定进行计算，其结 果一并列入表3-12。造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量。见表3-12。渣量计算的几点说明：关于石灰消耗量：由表3-12可知，除石灰带入的以外，渣中已含SiO=0.168+0.08+0.003+0.005+0.001+0.304=0.561kg;Cao=0.531+0.001+0.0062一，、+0.003-0.040=0.501kg。取碱度3.5，故石灰加入量为：REW(SiO

15、 )-EW(CaO)/w(CaO )-Rw (SiO 六)=1.377/(88.00%-3.5X2.502石灰2石灰%)=1.091kg关于磷的氧化量:根据表3-7,可近似求得(0.003-0.0135)/97.687-0.015% X 97.687=0.00184kg。关于铁的烧损量：一般可以设定，当氧化末期金属中含C约0.90%时，渣中Ew (Fe)约达7%；且其中75%为(FeO)，25%为(FeQ)。因此，渣中含(FeO)为 (7%X75%X72) /56=6.75%,含(FO )(7%x2%X 160) /112=2.50%，由表 3-12 可知，除 FeO 2和 FeQ 以外的渣量

16、为 2.127+0.608+0.225+0.298+0.189+0.019+0.05259=3.551kg，故总渣量=3.551/(100-6.75-2.50)%=3.913kg。于是可得 W (FeO) =0.245kg，W (FO ) =0.118kg。 其中，有Fe氧化生成的(FeO)和(FeQ)分别为0.19kg和0.082kg。表2-12氧化期渣量的确定名称消耗 量/kg成渣成分/kgCaOSiO 2MgOA12O3MnOFeOFe2O 2PO 2 5CaS合计留渣1.120.5310.170.070.030.130.10.00.010.001.1217965261金属Si0.030

17、.080.08中元Mn80.050.05素氧P0.0300.000化或Fe90.10.070.00烧损S0.00-0.043480.0572020.170.13850.010.0223炉顶蚀损量炉衬蚀损量电极烧损量石灰带入火砖块带 入0.0530.1500.1001.8480.50 00.001 0.006 略1.626错误!未找到 引用源。0.0030.0030.0050.0010.0460.304略 0.13 4 略 0.04 8 0.00 30.04 80.001 略 0.0280.18 4略 0.0 030.0 09 0.0060.0030.0030.0520.1490.0011.76

18、20.50 0合计2.1270.6080.2550.2980.18 90.2 450.1180.01 90.0563.913%54.3615.536.57.624.816.243.010.051.43100. 0错误!未找到引用源。石灰中CaO被自身S还原，消耗0.003kgCaO。（2）确定金属量：根据熔化期的金属量以及表3-12中元素烧损量和矿石还原 出来的铁量，即可得氧化末期的金属量为97.678- （ 0.0375+0.039+0.0016+0.135+0.023+0.318 错误！未找到引用源。） +0.628=97.894kg（错误!未找到引用源。0.318为碳的烧损量接近值，即（

19、0.60-0.18）-0.89% X97.678=0.342kg）（3）确定炉气量：计算方法如同熔化期。先求净耗氧量（见表3-13）,再确定 氧气消耗量（见表3-14）,最后将各种物料或化学反应带入的气态产物归类，从 而得其结果（见表3T5）。具体算法可参照表3-10o熔化期和氧化期的综合物料平衡列于表3-16。表3-13净耗氧量的计算名称元素烧损量/kg反应产物耗氧 量供氧 量 /kg备注金属中元 素的氧化C0.342C f CO0.31970%C生成 COCfCO 20.27430%C生成 COSi0.0375Sif(SiO2)0.0432Mn0.039Mn f (MnO)0.011P0.

20、0016P f(PO)2 50.0021Fe0.135Fef(FeO)0.029见表3-12Fe f(Fe O) -80.014见表3-125电极中碳 的氧化C0.100X99%=0.0 99C f CO0.09270%C生成 COCfCO 20.07930%C生成 CO2合计0.899石灰中S还 原CaOS0.002CaO+S=CaS+O0.001金属中S还 原Ca O供氧S0.009CaO+S=CaS+O0.005合计0.006净耗氧量0.8574表3-14氧气和空气实际消耗量氧气/kg带入O 2带入N 20.8634/氧利用率 =0.8634/90%=0.9 59(0.959/99%)

21、X1%=0.0097表3-15炉气量项目气态产物/kg备注COCO N 2HO 2H 2合计金属中C的氧化0.550.30.935C烧损量电极带入9760.000.2710.342kg石灰带入0.160.10.128C烧损量氧气带入2090.0030.0090.099kg游离O参与反应9772CO+1/2O=CO0.10.095八2-、2HO参与反应2250.009游离。2量H O+CO=H +CO-0.1-0.02=0.0099kg222680.203064HO全部消耗掉-0.0050.007合计0.540.80.0000.001.4488112质量分数/%38.0661.180.6700.

22、13100.0 0表3-16熔化期和氧化期综合物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%废钢10091.4金属97.09982.29焦炭0.6870.64炉渣3.737+2.792=6.5296.03电极0.300+0.100=0 .4000.30炉气2.096+1.44=3.5363.25石灰2.000+1.848=3.8483.52铁的挥 发1.5831.46火砖块0.5000.46其他烟 尘0.8310.67炉顶0.075+0.053=0 .1280.12炉衬0.200+0.150=0.3500.32氧气2.513+0.986=3 .4813.18合计109.394100.00合

23、计108.747100.00注：计算误差二(109.394-108.747) /109.394X100%=0.59%。氧化期末金属成分如下:CSiMnPS%0.08痕迹0.1580.0150.0223.2热平衡计算以100kg金属料（废钢+生铁）为基础。3.2. 1计算热收入Qs 一（1）物料的物理热。计算结果列于表3-17。（2）元素氧化热及成渣热。计算结果列于表3-18。（3）消耗的电能。根据消耗的热量确定，为92294.71kJ。详见下面的计算。表3-17物料带入的物理热名称热容/kJ(kg C)-1温度/C消耗量/kg物理热/kJ废钢0.69925100.0001747.5石灰0.72

24、825.084870.034火砖块0.858250.50010.725焦炭0.858250.68714.736炉顶0.8796000.12867.507炉衬0.9966000.350209.16氧气1.318253.841126.561电极1.5074500.400271.26合计2517.483表3-18元素氧化热及成渣热名称氧化量/kg化学反应H/kJ kg-1放热量/kJ电极 中的C0.208+0.069=0.2770.089+0.030=0.119C+1/2O = CO，、2 ，、C+O = (CO 22-11639-3483432244145焦炭 中的C0.167 0.07C+1/2

25、(O = (CO，、2 ，、C+(O2 = (CO2-11639-3483419442438金属 中Si0.2125+0.0375=0.25Si+2(FeO) = (Si2O)+2F2e-113292832金属中Mn0.3575+0.039=0.3965Mn + (FeO) = (MnO) + Fe-2176863Fe错误！未找到引用源。8.5241.682Fe+1/2(O = (FeO)2,、2Fe+3/2(O = (FeO)22 3-4250-64603622710866SiO成渣P20成0.5607X70%+0.6076X95%=0.9697 0.0329X70%+0.019X 95%=

26、0.041082(CaO) + (SiO) = (2CaO - S2iO)24(CaO) + (P O ) = (4CaO - P?2o5)25-1620-48801571200合计64347错误!未找到引用源。因熔化期和氧化期所需要的02量100%由氧气提供， 由表3-8和3-14所知，该气态O2总用量为3.447kg。23.2.2计算热支出Q一 z 、一 一(1)钢水物理热 Q。该钢熔点为 1536- (0.18X 65+0.3 X 8+0.47 X 5+0.045 X30+0.045X25) -6=1511；出钢温度控制在中下限，本计算中取1580C。则:Q=97.1X0.699X (1

27、511-25)+0.837X (1580-1452)=132878.15kJ(2)炉渣物理热Q。计算结果见表3-19。表3-19炉渣物理热名称熔化期炉渣氧化期炉渣合计温度/C15001650热容 /kJ (kg K)-11.1721.216物理热/kJ2.616X 1.172X (1500-25)+209=5069 .023.899X1.216X (1650-25)+209=8519.3213588.34(3)吸热反应消耗的物理热Qs。详见表3-20。表3-20吸热量名称氧化量/kg化学反应H/kJ - kg-吸热 量/kJ金属脱碳 渣中(FeO)和 (Fe2O3)被 C 粉中的C还原石灰烧碱

28、0.6-97.1X0.08%=0.522C=0.002C=0.0043.848X4.64%=0.179C + (FeO) = CO + Fe(FeO)+C=(CO + Fe(FeO)+3C=3(CO +2 32FeCaCO =CaO+CO 3262446244852041773259.3712.4934.08747.68水分 挥发 (由 25C 升至 1200 C)石灰 带入 焦炭 带入 小计3.848X0.10%=0.0040.515X0.58%=0.0030.007HO (H O 1200C221227/H O28.59金属增C0.42CTC1779/C747.18合计4809.39炉气物理热Q。令炉气温度为1200C，热容为1.137kJ (kg - K)-1，由 炉气量可得：XQ=3.536X 1.137X (1200-25)=4724kJ_ _ - 一 一 x 一一.烟尘