炼钢课程设计讲稿-第二章课件

炼钢厂设计原理第2章氧气转炉物料平衡与热平衡计算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1收入项：开吹前首先要向炉内加入钢铁料：铁水和废钢，然后降枪吹氧，同时加入造渣料：石灰、萤石、白云石、铁皮或矿石等，以及吹炼过程中炉衬要受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。2收入项：开吹前首先要向炉内加入钢铁料：铁水和废钢，然后降枪吹通过以上分析，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加入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具体应用。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平衡关系。它是能量守恒定律在炼钢过程中的具体应用。进行物料平衡与热平衡计算有什么意义呢？在进行炼钢设计和组织炼钢生产过程中，经常向我们提出一些“量”的问题需要我们来回答：3通过以上分析，可以给转炉物料平衡和热平衡下个定义：所CSi、Mn、P、S、Fe

炉气炉渣钢水铁水矿石CO90%CO210%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FeO10%Fe2O35%总炉渣烟尘含铁量自由氧、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100kg1kg0.5kg0.5kg3kg根据碱度计算1.6kg1kg渣量8%4CSi、Mn、P、S、Fe炉气炉渣钢水铁水矿石C2.1原始数据表2－1铁水成分及温度成分CSiMnPS温度，℃%4.2500.8500.5800.1500.0371250表2－3冶炼钢种Q235成分成分CSiMnPS%≤0.17≤0.300.35～0.80≦0.035≦0.03552.1原始数据表2－1铁水成分及温度成分CSiMnPS温种类成分％表2－2原材料成分石灰矿石萤石白云石炉衬CaO91.081.0030.8454.00SiO21.665.616.000.462.05MgO1.540.520.5820.1637.75Al2O31.221.100.780.741.00S0.060.070.09P0.55CaF290.00FeO29.40Fe2O361.80烧减4.4447.80H2O0.502.00C5.00100.00100.00100.00100.00100.006种类成分％表2－2原材料成分石灰矿石萤石白云石炉衬CaO9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2－4平均比热7项目固态平均比热熔化潜热液态或气态平均比热生铁0.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+O2＝SiO2795023.628314.0Si2P+5/2O2=P2O51172078.618922.6PMn+1/2O2＝MnO384959.07020.3MnFe+1/2O2＝FeO266635.05021.2Fe2Fe+3/2O2＝Fe2O3822156.07340.7Fe2CaO+SiO2=2CaO•SiO2124600.42071.1SiO24CaO+P2O5=4CaO•P2O5690414.95020.8P2O5表2－5铁水中元素氧化放热

（6）反应热效应（25℃）8反应元素氧化放热KJ/KmolKJ/kg元素元素C+1/2O1)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℃。炉气中自由氧含量为0.5％。烟尘量为铁水量的1.6％，其中FeO=77%,Fe2O3=20%;5)炉衬侵蚀量为铁水量的0.5％；6)氧气成分，98.5％O2、1.5％N2。（7）根据国内同类转炉的实测数据选取；91)渣中铁珠量为渣量的8％；（7）根据国内同类转炉的实测数据根据铁水成分、原材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铁水为计算基础。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。10根据铁水成分、原材料质量以及冶炼钢种，采用单渣不留渣操作1)铁水中各元素氧化量表2－6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钢种的实际数据选取，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，随同加入的其它材料而带入的SiO2一起进入炉渣中，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85～95%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，一般为铁水中锰的含量30～40％，取30％。[S]：去硫率，一般为30～50％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，则为终点含碳量。本计算取0.15%。111)铁水中各元素氧化量表2－6铁水中各元素氧化量成分％项目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C[C]+1/2{O2}={CO}4.100×90%=3.6903.690×16/12=4.9203.690×28/12=8.610C[C]+{O2}={CO2}4.100×10%=0.4100.410×32/12=1.0950.410×44/12=1.503Si[Si]+{O2}=(SiO2)0.8500.850×32/28=0.9710.850×60/28=1.821Mn[Mn]+1/2{O2}=(MnO)0.4100.41×16/55=0.1190.41×71/55=0.529P2P+5/2{O2}=(P2O5)0.1350.135×80/62=0.1740.135×142/62=0.309S[S]+{O2}={SO2}0.012×1/3=0.0040.004×32/32=0.0040.004×64/32=0.008S[S]+(CaO)=(CaS)+[O]0.012×2/3=0.0080.008×(-16/32)=-0.004产生氧量0.008×72/32=0.018产生(CaS)-0.004表示还原出氧量。耗CaO量0008×56/32=0.014Fe[Fe]+1/2{O2}=(FeO)1.055([Fe]量后面才能计算)1.055×16/55=0.3071.356由渣量计算10%见表2-13Fe2[Fe]+3/2{O2}=(Fe2O3)0.475(同上）0475×48/112=0.2030.678由渣量计算5%见表2-13共计7.0377.787表2－7铁水中各元素氧化产物量12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C矿石加入量为1.00/100Kg铁水，其成分及重量见表2－8。2）矿石加入量及成分成分重量kg备注Fe2O31.00×61.80％＝0.618不进入渣中FeO1.00×29.40％＝0.294不进入渣中SiO21.00×5.61％＝0.056Al2O31.00×1.10％＝0.011CaO1.00×1.00％＝0.010MgO1.00×0.50％＝0.005S*1.00×0.07％＝0.0007S以[S]+[CaO]=[CaS]+[O]的形式反应,其中生成CaS量为0.001×72/32＝0.002消耗CaO量为0.001×56/32＝0.002kg

H2O1.00×0.50％＝0.005进入烟气共计1.000表2－8矿石加入量及其成分13矿石加入量为1.00/100Kg铁水，其成分及重量见表2－8萤石加入量为0.5/100kg铁水，其成分及重量3）萤石加入量及成分成分重量，kg成分重量，kgCaF20.5×90.00％＝0.45P*0.5×0.55％＝0.0028SiO20.5×6.00％＝0.030S**0.5×0.09％＝0.0004Al2O30.5×1.78％＝0.0089H2O0.5×2.00％＝0.010MgO0.5×0.58％＝0.0029共计0.500*P以2[P]+5/2{O2}=(P2O5)的形式进行反应，其中生成P2O5量为0.0028×142/62=0.007kg。消耗氧气量为0.0028×80/62＝0.004kg**S微量，忽略之。表2－9萤石加入量及成分14萤石加入量为0.5/100kg铁水，其成分及重量3）萤石加入炉衬被侵蚀量为0.50kg/100kg铁水，其成分及重量见表2-94）炉衬被侵蚀重量及成分成分重量kg成分重量kgCaO0.50×54.00％

＝0.270Al2O30.50×

1.00％＝0.005MgO0.50×

37.95％＝0.190C*0.50×

5.00％＝0.025SiO20.50×2.05％＝0.010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的比例数相同，即：C→CO0.025×90%×28/12＝0.053kgC→CO20.025×10%×42/12＝0.009kg其氧气消耗量：0.053×42/12

＝0.030kg

0.053×16/28

＝0.007kg共消耗氧气量为0.030+0.007＝0.037kg表2－10炉衬被侵蚀重量及成分15炉衬被侵蚀量为0.50kg/100kg铁水，其成分及重量见表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，降低炉渣对炉衬的侵蚀能力。若使渣中MgO含量在6.00～8.00％的范围之内，其效果显著。经试算后取生白云石加入量为3.00Kg/100Kg铁水，其成分及重量5）生白云石加入量及成分成分重量kg成分重量kgCaO3.00×30.84％＝0.925SiO23.00×0.46％＝0.014MgO3.00×20.16％＝0.605烧减*3.00×47.80％＝1.434Al2O33.00×0.74％＝0.022共计3.000*烧减是指生白云石（MgCO3•CaCO3）分解后而产生的气体。16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6）石灰加入量取转炉终渣碱度

176）石灰加入量取转炉终渣碱度17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SiO2量0.030+白云石带入的SiO2量0.014＝1.821+0.010+0.056+0.030+0.014＝1.931kg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+0.010-0.014-0.002＝1.189kg

18量＝白云石带入的CaO量成分重量kg成分重量kgCaO6.52×91.08％＝5.940S*6.52×0.06％＝0.004SiO26.52×1.66％＝0.108烧减**6.52×4.44％＝0.289MgO6.52×1.54％＝0.100共计6.520Al2O36.52×1.22％＝0.0795表2－12石灰成分及重量*S以[S]+(CaO)=(CaS)+[O]的形式反应，其中生成（CaS）量为0.004×72/32=0.009(kg)生成氧量为0.004×16/32=0.002(kg)消耗（CaO）量为

0.004×56/32=0.007(kg)**烧减指未烧透的CaCO3经受热分解后产生的CO2气体重量

19成分重量kg成分重量kgCaO6.52×91.08％＝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)终点氧化铁的确定(Fe2O3）=5%,(FeO)=10%上面铁水、矿石、炉衬、萤石、白云石和石灰所形成的炉渣成分有：（CaO+MgO+SiO2+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS）重量为：

20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Kg％CaO5.933*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**10.00Fe2O30.6780.678***5.00共计4.7116.2280.0821.5660.4750.49913.557100.00表2－13炉渣终渣量及成分21成分铁水氧化量Kg石灰矿石生白云炉衬Kg萤石Kg共计％CaO表2－13中不计（Fe2O3）、（FeO）在内的炉渣重量为（CaO+MgO+SiO2+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS）＝7.136+0.903+2.038+0.316+0.529+0.125+0.45+0.031＝11.528kg。又知=15%,则渣中其它成分之和为100％-15％=85％,故炉渣重量

由此可知：(FeO)的重量=13.562×10%=1.356kg消耗铁水重量=1.356

×56/72=1.055kg(Fe2O3)的重量=13.562×5%=0.678kg消耗铁水重量=0.678

×112/160=0.475kg*石灰中CaO含量－石灰中S自耗CaO重量=5.940－0.007=5.933Kg**矿石中CaO含量－矿石中S自耗CaO重量=0.010－0.002=0.008Kg22表2－13中不计（Fe2O3）、（FeO）在内的炉渣重量为由（2）矿石、烟尘中铁及氧量。假定矿石中∑（FeO)全部被还原成铁，则矿石带入铁量=1.00×(29.40％×56/72＋61.80％×112/160）=0.661Kg矿石带入氧量=1.00×(29.40％×16/72＋61.80％×48/160）=0.251Kg烟尘量是铁水量的1.6%，其中FeO=77%,Fe2O3=20%;则烟尘消耗铁量=1.60×(77％×56/72＋20％×112/160）=1.182Kg烟尘消耗氧量=1.60×(77％×16/72＋20％×48/160）=0.370Kg23（2）矿石、烟尘中铁及氧量。假定矿石中∑（FeO)全部被还（3）炉气成分及重量原材料生成的炉气有CO=铁水氧化生成的CO＋炉衬C氧化生成的CO=8.610＋0.053=8.663KgCO2=铁水氧化CO2＋炉衬C氧化成CO2＋白云石烧碱的重量＋石灰烧碱的重量=1.503＋0.009＋1.434＋0.289＝3.235KgSO2＝铁水中的S的气化物＝0.008kgH2O汽＝矿石带入的水+萤石带入的水＝0.005+0.010＝0.015kg。这些都是重量，还需要转化为体积，见表2-1424（3）炉气成分及重量原材料生成的炉气有这些都是重量，还需要转成分重量，kg体积，m3含量%CO8.6638.663×22.4/28=6.92579.40CO23.2353.235×22.4/44=1.64718.89SO20.0080.008×22.4/64=0.0030.03H2O0.0150.015×22.4/18=0.0190.22O20.0630.044*0.50N20.1060.0847**0.96共计12.098.723100.00表2－14炉气成分、重量及体积25成分重量，kg体积，m3含量%CO8.6638.663×已知氧气成分为98.50％O2、1.50％N2，炉气中自由氧体积比为0.50％。设：总炉气体积为：XX=元素燃烧生成的气体体积和水蒸气的体积+自由氧体积+氮气体积

元素燃烧生成的气体和水蒸气的体积=CO+CO2+SO2+H2O=（6.925+1.647+0.003+0.019）=8.594m3

炉气中自由氧体积为：0.50％×XN2气体积=总氧气量×1.50％=[（反应消耗氧体积+自由氧体积）/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）+0.50％×X]/98.5%}×1.50％={[(7.787+0.370+0.037+0.004-0.251-0.002)×（22.4/32）+0.50％×X]/98.5%}×1.50％=(5.56+0.50％×X)×1.5/98.5=0.085+0.008

X计算自由氧、氮气和炉气总体积26已知氧气成分为98.50％O2、1.50％N2，计算自由氧、所以炉气总量X＝

8.594+0.50％

X+（0.085+0.008

X）炉气中自由氧体积＝8.723×0.50％＝0.044

炉气中自由氧重量＝0.044×32/22.4=0.063kg炉气中氮气体积＝0.085+0.008％×8.723＝0.0847m3炉气中氮气重量＝0.0847×28/22.4=0.106kg27所以炉气总量X＝8.594+0.50％X+（4）氧气消耗计算元素氧化耗氧重量7.787kg烟尘中铁氧化耗氧重量0.370kg炉衬中碳氧化耗氧重量0.037kg萤石中磷氧化耗氧重量0.004kg自由氧重量0.063kg炉气中氮气重量0.105kg矿石分解带入氧的重量0.251kg石灰中硫还原出氧重量0.002kg故，氧气实际消耗重量为:7.787+0.370+0.037+0.004+0.063+0.105-0.251-0.002＝8.113kg换算成体积量＝8.113×22.4/32=5.68Nm3/100kg

或56.8Nm3/t铁水。

28（4）氧气消耗计算元素氧化耗氧重量（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13.557×8％＝1.080kg喷溅铁损失量1.000kg矿石带入铁量0.661kg故，钢水重量（收得率）为100-（7.037+1.182+1.080+1.000）+0.661＝90.36kg29（5）钢水量计算铁水元素氧化量（6）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1.000.84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2－15物料平衡表计算误差＝＝

30（6）物料平衡表收入支出项目重量kg％项目2.3热平衡计算312.3热平衡计算31（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＝1536－（C%×100+Si%×8+Mn%×5+P%×30+S%×25）－7=1536－(4.25×100+0.85×8+0.58×5+0.15×30+0.037×25)－7＝1089℃式中100、8、5、30、25分别为C、Si、Mn、P、S元素增加1％含量降低铁水熔点值℃；7为气体O、H、N共降低铁水熔点值℃；1536℃为纯铁熔点。铁水物理热＝100×[0.745×(1089－25)+218+0.837×（1250－1089）]＝114544KJ32（1）热收入项铁水熔点32C→CO3.69×10949.1=40402KJC→CO20.410×34521=14154KJSi→SiO20.850×28314=24067KJMn→MnO0.410×7020.3=2878KJFe→FeO1.055×5021.2=5297KJFe→Fe2O30.475×7340.7=3486.8KJP→P2O50.135×18922.6=2554.6KJP2O5→4CaO•P2O50.316×5020.8=1586.6KJSiO2→2CaO•SiO22.033×2071.1=4220.9KJ共计98646.9KJ2）铁水中各元素氧化放热及成渣热见表2－733C→CO3.69×10949.1=40403）烟尘氧化放热烟尘氧化放热=1.6×（77％×56/72×5021.2+20％×112/160×7340.7)＝6455.7KJ烟尘量为铁水量的1.6％，其中FeO=77%,Fe2O3=20%;则，热收入总量为=114544+98646.9+6455.7＝219646.6KJ[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。343）烟尘氧化放热烟尘氧化放热烟尘量为铁水量的1.6％，其中F（2）热支出项1）钢水物理热钢水熔点＝1536－（0.15×65+0.17×5+0.015×30+0.025×25）－7＝1517℃式中65、5、30、25分别为钢中元素C、Mn、P、S增加1％时，钢水熔点降低值℃。确定出钢温度:过热度，连续普碳钢一般在20～40℃，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，一般在40～50℃，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℃。35（2）热支出项钢水熔点＝1536－（0.15×65+0.17那么，钢水物理热＝90.36×[0.699×（1517－25）+272+0.837×（1658－1517）]

＝129479.1KJ36那么，钢水物理热＝90.36×[0.699×（1517－25取终点炉渣温度与钢水温度相同，即1658℃。故，炉渣物理热＝13.56×[1.248×（1658-25）+209]＝30469.1KJ2）炉渣物理热1kg矿石中FeO和Fe2O3分解成Fe要吸热吸热量=1×（29.40％×56/72×5021.2+61.80％×112/160×7340.7）＝4323.8KJ3）矿石分解吸热37取终点炉渣温度与钢水温度相同，即1658℃。2）炉渣物理热4）烟尘物理热1.6kg烟尘1450℃的物理热烟尘物理热=1.6×[0.996×(1450－25)+209]=2605.3KJ炉气物理热=12.09×[1.137×(1450－25)]=19588.5KJ12.09kg炉气1450℃的物理热5）炉气物理热384）烟尘物理热1.6kg烟尘1450℃的物理热烟尘物理热==1.08×[0.699×(1517－25)+272+0.837×(1658－1517)]=1547.6KJ6）渣中铁珠物理热1658℃炉渣中1.08kg铁珠的物理热=1×[0.699×(1517－25)+272+0.837×(1658－1517)]=1432.9KJ7）喷溅金属物理热1.0kg喷溅铁温度同出钢温度1658℃的物理热39=1.08×[0.699×(1517－25)+272+0.8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1422.6KJ/kg生白云石，故3kg生白云石分解吸热为3×1422.6＝4267.8KJ8)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+4267.8＝1937321KJ9)上述各项热支出量40取生白云石中的CaCO3在1183K分解，MgCO3在75010)转炉热损失一般为总收入的3~8%，本计算取5%。219622.9×5%=10981.1则，剩余热量为：219622.9－193897.6-10981.1＝14744.2KJ

4110)转炉热损失一般为总收入的3~8%，本计算取5%。则1kg废钢吸收热量=1×[0.699×（1517－25）+272+0.837×（1658-1517）]=1432.9KJ10）废钢加入量那么，用剩余热量可加热废钢量应为：其废钢比为：

421kg废钢吸收热量=1×[0.699×（1517－25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1547.60.70Fe8783.84.00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2－16热平衡表43收入项支出项项目热量KJ％项目热量KJ％铁水物理热111）热平衡表＝热效率＝4411）热平衡表＝热效率＝44（1）废钢中各元素应被氧化量2.4加入废钢和脱氧后的物料平衡2.4.1加入废钢的物料平衡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0.030.200.350.007－表2－17废钢中各元素被氧化量45（1）废钢中各元素应被氧化量2.4加入废钢和脱氧后的物料平（2）10.44kg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kgC→CO10.44×0.03％×90％*＝0.0030.003×16/12

＝0.0040.003×28/12

＝0.007C→CO210.44×0.03％×

10％**＝0.00030.003×32/12

＝0.00080.0008×44/12

＝0.001Si→SiO210.44×0.20％＝0.0210.021×32/28

=0.0240.021×60/28

=0.045Mn→MnO0.35％＝0.0370.037×16/55

=0.0110.037×71/55

=0.048P→P2O50.007％＝0.0010.001×80/62=0.0010.001×142/62=0.002共计0.0620.04146（2）10.44kg废钢元素氧化量、进入钢中量、耗氧量及氧化生成物CO和CO2均进入炉气中，其和为：0.007+0.001＝0.008kg生成物SiO2,MnO,P2O5均进入炉渣中，其和为：0.045+0.048+0.002＝0.095kg*、**:C同铁水中C氧化成CO、CO2的比例相同。废钢进入钢中量:10.44-0.062＝10.378kg47生成物CO和CO2均进入炉气中，其和为：生成物SiO2,Mn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0.50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2－15和表2－18有关项目合并整理为表2－19。表2－19加入废钢后的物料平衡48收入项支出项项目重量kg项目重量kg铁水100.把表2－19内的铁水+废钢之和110.44换算成100kg,其它项以此为计算基础，重新整理得出加入废钢后的物料平衡。（3）加入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0.450.38氧气7.296.19总计117.73100.00总计117.88100.00表2－20加入废钢的物料平衡表49把表2－19内的铁水+废钢之和110.44换算成100kg,计算误差50计算误差50（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2－21为锰铁和硅铁的成分51（1）冶炼Q235钢选用锰铁和硅铁脱氧。2.4.2脱氧后的根据国内同类转炉冶炼Q235钢种的有关数据选取：Fe－Mn：Mn的收得率为75%Si的收得率为70％C的收得率为90％。10％的C被氧化成CO2Fe－Si：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、硅铁加入量52根据国内同类转炉冶炼Q235钢种的有关数据选取：（2）计算锰Fe－Mn加入量53Fe－Mn加入量53元素烧损量，kg耗氧量，kg产物kg进入钢中量kgC0.568×7.5％×（1-90％）＝0.0040.004×32/12＝0.0100.004×44/12＝0.015（炉气）0.568×7.5％×90％＝0.039Si0.568×2.5％×（1-70％）＝0.0040.004×32/28＝0.0050.004×60/28＝0.008（炉渣）0.568×2.5％×70％＝0.010Mn0.568×75％×（1-75％）＝0.1070.107×16/55＝0.031

0.031×71/55＝0.040（炉渣）0.568×75％×75％＝0.319P0.568×0.38％＝0.002S0.568×0.03％＝0.00017Fe

0.568×14.59％＝0.083

0.1150.0460.048（炉渣）0.453锰铁各元素氧化量及其氧化产物

54元素烧损量，kg耗氧量，kg产物kg进入钢中量Fe－Si加入量55Fe－Si加入量55元素烧损量，kg耗氧量，kg产物kg进入钢中量kgSi0.332×70％×（1-75％）＝0.0580.058×32/28＝0.0660.058×60/28＝0.0668（炉渣）0.332×70％×75％＝0.174Mn0.332×0.7％×（1-80％）＝0.00040.0004×16/55＝0.00010.0004×71/55＝0.0001（炉渣）0.332×0.7％×80％＝0.002P0.332×0.05％＝0.0001S0.332×0.04％＝0.0001Fe

0.332×29.21％＝0.097

0.0580.0660.067（炉渣）0.274硅铁各元素氧化量及其氧化产物

56元素烧损量，kg耗氧量，kg产物kg进入钢中量（4）脱氧后的钢水成分成分CSiMnPS%0.190.200.520.0170.025(91.23*0.15%+0.039)/91.95=0.0019(0.01+0.174)/91.95=0.002(91.23*0.17%+0.319+0.002)/91.95=0.0052(91.23*0.015%+0.002)/91.95=0.00017脱氧后的钢水量=91.23+0.453（锰铁）+0.274（硅铁）=91.95kg脱氧后的钢水成分57（4）脱氧后的钢水成分成分CSiMnPS%0.190.200（5）脱氧后的物料平衡收入项支出项项目重量，kg％项目重量，kg％铁水90.5576.26钢水91.23+0.453+0.274＝91.9577.44废钢9.457.96炉渣12.36+0.048+0.067=12.47510.52矿石0.910.77炉气10.95＋0.015=10.9659.23石灰5.914.97烟尘1.451.22萤石0.450.38铁珠0.980.82白云石2.722.29喷溅0.910.77炉衬0.450.38氧气7.29+0.112=7.4026.23锰铁0.570.48硅铁0.330.28总计118.74100.00总计118.73100.0058（5）脱氧后的物料平衡收入项支出项项目重量，kg％项目重量，计算误差59计算误差59第二章作业题1.转炉冶炼的收入项有那些？2.转炉冶炼的支出项有那些？3.转炉冶炼的物料平衡与热平衡定义是什么？4.写出转炉冶炼的铁水成分和温度。5.转炉渣中铁珠量一般为渣量的多少？6.转炉冶炼过程中喷溅的铁损一般为铁水量的多少？7.转炉炉气和转炉烟尘是否是同一概念？烟尘量一般为铁水量的多少？8.冶炼一炉钢，炉衬侵蚀量为铁水量的多少？9.在碱性氧气转炉炼钢法中，铁水中的硅氧化率是多少？10.转炉冶炼过程中，铁水中的磷有多少进入炉渣，为什么？11.转炉终点钢水余锰含量一般为铁水中锰的含量多少？12.转炉冶炼的去硫率是多少？，为什么？13.转炉冶炼加入矿石的目的是什么？一般矿石加入量是多少？14.转炉冶炼加入萤石的目的是什么？一般萤石加入量是多少？15.转炉冶炼加入白云石的目的是什么？一般白云石加入量是多少？60第二章作业题6016.转炉冶炼炉渣碱度控制在多少?为什么？17.写出转炉冶炼中石灰加入量的计算式。18.冶炼低磷铁水，转炉终渣中全FeO的含量一般是多少？19.转炉炉气中自由氧体积比为多少？20.理论计算转炉冶炼的钢水重量收得率一般为多少？21.根据上表数据计算钢水熔点和转炉出钢温度。22.转炉冶炼废钢比是多少？如何提高废钢比？23.Fe－Mn中，Mn的收得率、Si的收得率和C的收得率各是多少？24.Fe－Si中，Mn的收得率、Si的收得率各是多少？25.写出锰铁和硅铁加入量的计算公式。成分CSiMnPS%≤0.15≤0.200.40≦0.020≦0.0206116.转炉冶炼炉渣碱度控制在多少?为什么？CSiMnPS%≤炼钢厂设计原理第2章氧气转炉物料平衡与热平衡计算62炼钢厂设计原理第2章氧气转炉物料平衡与热平衡计算1收入项：开吹前首先要向炉内加入钢铁料：铁水和废钢，然后降枪吹氧，同时加入造渣料：石灰、萤石、白云石、铁皮或矿石等，以及吹炼过程中炉衬要受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。63收入项：开吹前首先要向炉内加入钢铁料：铁水和废钢，然后降枪吹通过以上分析，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加入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具体应用。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平衡关系。它是能量守恒定律在炼钢过程中的具体应用。进行物料平衡与热平衡计算有什么意义呢？在进行炼钢设计和组织炼钢生产过程中，经常向我们提出一些“量”的问题需要我们来回答：64通过以上分析，可以给转炉物料平衡和热平衡下个定义：所CSi、Mn、P、S、Fe

炉气炉渣钢水铁水矿石CO90%CO210%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FeO10%Fe2O35%总炉渣烟尘含铁量自由氧、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100kg1kg0.5kg0.5kg3kg根据碱度计算1.6kg1kg渣量8%65CSi、Mn、P、S、Fe炉气炉渣钢水铁水矿石C2.1原始数据表2－1铁水成分及温度成分CSiMnPS温度，℃%4.2500.8500.5800.1500.0371250表2－3冶炼钢种Q235成分成分CSiMnPS%≤0.17≤0.300.35～0.80≦0.035≦0.035662.1原始数据表2－1铁水成分及温度成分CSiMnPS温种类成分％表2－2原材料成分石灰矿石萤石白云石炉衬CaO91.081.0030.8454.00SiO21.665.616.000.462.05MgO1.540.520.5820.1637.75Al2O31.221.100.780.741.00S0.060.070.09P0.55CaF290.00FeO29.40Fe2O361.80烧减4.4447.80H2O0.502.00C5.00100.00100.00100.00100.00100.0067种类成分％表2－2原材料成分石灰矿石萤石白云石炉衬CaO9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2－4平均比热68项目固态平均比热熔化潜热液态或气态平均比热生铁0.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+O2＝SiO2795023.628314.0Si2P+5/2O2=P2O51172078.618922.6PMn+1/2O2＝MnO384959.07020.3MnFe+1/2O2＝FeO266635.05021.2Fe2Fe+3/2O2＝Fe2O3822156.07340.7Fe2CaO+SiO2=2CaO•SiO2124600.42071.1SiO24CaO+P2O5=4CaO•P2O5690414.95020.8P2O5表2－5铁水中元素氧化放热

（6）反应热效应（25℃）69反应元素氧化放热KJ/KmolKJ/kg元素元素C+1/2O1)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℃。炉气中自由氧含量为0.5％。烟尘量为铁水量的1.6％，其中FeO=77%,Fe2O3=20%;5)炉衬侵蚀量为铁水量的0.5％；6)氧气成分，98.5％O2、1.5％N2。（7）根据国内同类转炉的实测数据选取；701)渣中铁珠量为渣量的8％；（7）根据国内同类转炉的实测数据根据铁水成分、原材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铁水为计算基础。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。71根据铁水成分、原材料质量以及冶炼钢种，采用单渣不留渣操作1)铁水中各元素氧化量表2－6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钢种的实际数据选取，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，随同加入的其它材料而带入的SiO2一起进入炉渣中，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85～95%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，一般为铁水中锰的含量30～40％，取30％。[S]：去硫率，一般为30～50％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，则为终点含碳量。本计算取0.15%。721)铁水中各元素氧化量表2－6铁水中各元素氧化量成分％项目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C[C]+1/2{O2}={CO}4.100×90%=3.6903.690×16/12=4.9203.690×28/12=8.610C[C]+{O2}={CO2}4.100×10%=0.4100.410×32/12=1.0950.410×44/12=1.503Si[Si]+{O2}=(SiO2)0.8500.850×32/28=0.9710.850×60/28=1.821Mn[Mn]+1/2{O2}=(MnO)0.4100.41×16/55=0.1190.41×71/55=0.529P2P+5/2{O2}=(P2O5)0.1350.135×80/62=0.1740.135×142/62=0.309S[S]+{O2}={SO2}0.012×1/3=0.0040.004×32/32=0.0040.004×64/32=0.008S[S]+(CaO)=(CaS)+[O]0.012×2/3=0.0080.008×(-16/32)=-0.004产生氧量0.008×72/32=0.018产生(CaS)-0.004表示还原出氧量。耗CaO量0008×56/32=0.014Fe[Fe]+1/2{O2}=(FeO)1.055([Fe]量后面才能计算)1.055×16/55=0.3071.356由渣量计算10%见表2-13Fe2[Fe]+3/2{O2}=(Fe2O3)0.475(同上）0475×48/112=0.2030.678由渣量计算5%见表2-13共计7.0377.787表2－7铁水中各元素氧化产物量73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C矿石加入量为1.00/100Kg铁水，其成分及重量见表2－8。2）矿石加入量及成分成分重量kg备注Fe2O31.00×61.80％＝0.618不进入渣中FeO1.00×29.40％＝0.294不进入渣中SiO21.00×5.61％＝0.056Al2O31.00×1.10％＝0.011CaO1.00×1.00％＝0.010MgO1.00×0.50％＝0.005S*1.00×0.07％＝0.0007S以[S]+[CaO]=[CaS]+[O]的形式反应,其中生成CaS量为0.001×72/32＝0.002消耗CaO量为0.001×56/32＝0.002kg

H2O1.00×0.50％＝0.005进入烟气共计1.000表2－8矿石加入量及其成分74矿石加入量为1.00/100Kg铁水，其成分及重量见表2－8萤石加入量为0.5/100kg铁水，其成分及重量3）萤石加入量及成分成分重量，kg成分重量，kgCaF20.5×90.00％＝0.45P*0.5×0.55％＝0.0028SiO20.5×6.00％＝0.030S**0.5×0.09％＝0.0004Al2O30.5×1.78％＝0.0089H2O0.5×2.00％＝0.010MgO0.5×0.58％＝0.0029共计0.500*P以2[P]+5/2{O2}=(P2O5)的形式进行反应，其中生成P2O5量为0.0028×142/62=0.007kg。消耗氧气量为0.0028×80/62＝0.004kg**S微量，忽略之。表2－9萤石加入量及成分75萤石加入量为0.5/100kg铁水，其成分及重量3）萤石加入炉衬被侵蚀量为0.50kg/100kg铁水，其成分及重量见表2-94）炉衬被侵蚀重量及成分成分重量kg成分重量kgCaO0.50×54.00％

＝0.270Al2O30.50×

1.00％＝0.005MgO0.50×

37.95％＝0.190C*0.50×

5.00％＝0.025SiO20.50×2.05％＝0.010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的比例数相同，即：C→CO0.025×90%×28/12＝0.053kgC→CO20.025×10%×42/12＝0.009kg其氧气消耗量：0.053×42/12

＝0.030kg

0.053×16/28

＝0.007kg共消耗氧气量为0.030+0.007＝0.037kg表2－10炉衬被侵蚀重量及成分76炉衬被侵蚀量为0.50kg/100kg铁水，其成分及重量见表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，降低炉渣对炉衬的侵蚀能力。若使渣中MgO含量在6.00～8.00％的范围之内，其效果显著。经试算后取生白云石加入量为3.00Kg/100Kg铁水，其成分及重量5）生白云石加入量及成分成分重量kg成分重量kgCaO3.00×30.84％＝0.925SiO23.00×0.46％＝0.014MgO3.00×20.16％＝0.605烧减*3.00×47.80％＝1.434Al2O33.00×0.74％＝0.022共计3.000*烧减是指生白云石（MgCO3•CaCO3）分解后而产生的气体。77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6）石灰加入量取转炉终渣碱度

786）石灰加入量取转炉终渣碱度17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SiO2量0.030+白云石带入的SiO2量0.014＝1.821+0.010+0.056+0.030+0.014＝1.931kg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+0.010-0.014-0.002＝1.189kg

79量＝白云石带入的CaO量成分重量kg成分重量kgCaO6.52×91.08％＝5.940S*6.52×0.06％＝0.004SiO26.52×1.66％＝0.108烧减**6.52×4.44％＝0.289MgO6.52×1.54％＝0.100共计6.520Al2O36.52×1.22％＝0.0795表2－12石灰成分及重量*S以[S]+(CaO)=(CaS)+[O]的形式反应，其中生成（CaS）量为0.004×72/32=0.009(kg)生成氧量为0.004×16/32=0.002(kg)消耗（CaO）量为

0.004×56/32=0.007(kg)**烧减指未烧透的CaCO3经受热分解后产生的CO2气体重量

80成分重量kg成分重量kgCaO6.52×91.08％＝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)终点氧化铁的确定(Fe2O3）=5%,(FeO)=10%上面铁水、矿石、炉衬、萤石、白云石和石灰所形成的炉渣成分有：（CaO+MgO+SiO2+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS）重量为：

81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Kg％CaO5.933*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**10.00Fe2O30.6780.678***5.00共计4.7116.2280.0821.5660.4750.49913.557100.00表2－13炉渣终渣量及成分82成分铁水氧化量Kg石灰矿石生白云炉衬Kg萤石Kg共计％CaO表2－13中不计（Fe2O3）、（FeO）在内的炉渣重量为（CaO+MgO+SiO2+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS）＝7.136+0.903+2.038+0.316+0.529+0.125+0.45+0.031＝11.528kg。又知=15%,则渣中其它成分之和为100％-15％=85％,故炉渣重量

由此可知：(FeO)的重量=13.562×10%=1.356kg消耗铁水重量=1.356

×56/72=1.055kg(Fe2O3)的重量=13.562×5%=0.678kg消耗铁水重量=0.678

×112/160=0.475kg*石灰中CaO含量－石灰中S自耗CaO重量=5.940－0.007=5.933Kg**矿石中CaO含量－矿石中S自耗CaO重量=0.010－0.002=0.008Kg83表2－13中不计（Fe2O3）、（FeO）在内的炉渣重量为由（2）矿石、烟尘中铁及氧量。假定矿石中∑（FeO)全部被还原成铁，则矿石带入铁量=1.00×(29.40％×56/72＋61.80％×112/160）=0.661Kg矿石带入氧量=1.00×(29.40％×16/72＋61.80％×48/160）=0.251Kg烟尘量是铁水量的1.6%，其中FeO=77%,Fe2O3=20%;则烟尘消耗铁量=1.60×(77％×56/72＋20％×112/160）=1.182Kg烟尘消耗氧量=1.60×(77％×16/72＋20％×48/160）=0.370Kg84（2）矿石、烟尘中铁及氧量。假定矿石中∑（FeO)全部被还（3）炉气成分及重量原材料生成的炉气有CO=铁水氧化生成的CO＋炉衬C氧化生成的CO=8.610＋0.053=8.663KgCO2=铁水氧化CO2＋炉衬C氧化成CO2＋白云石烧碱的重量＋石灰烧碱的重量=1.503＋0.009＋1.434＋0.289＝3.235KgSO2＝铁水中的S的气化物＝0.008kgH2O汽＝矿石带入的水+萤石带入的水＝0.005+0.010＝0.015kg。这些都是重量，还需要转化为体积，见表2-1485（3）炉气成分及重量原材料生成的炉气有这些都是重量，还需要转成分重量，kg体积，m3含量%CO8.6638.663×22.4/28=6.92579.40CO23.2353.235×22.4/44=1.64718.89SO20.0080.008×22.4/64=0.0030.03H2O0.0150.015×22.4/18=0.0190.22O20.0630.044*0.50N20.1060.0847**0.96共计12.098.723100.00表2－14炉气成分、重量及体积86成分重量，kg体积，m3含量%CO8.6638.663×已知氧气成分为98.50％O2、1.50％N2，炉气中自由氧体积比为0.50％。设：总炉气体积为：XX=元素燃烧生成的气体体积和水蒸气的体积+自由氧体积+氮气体积

元素燃烧生成的气体和水蒸气的体积=CO+CO2+SO2+H2O=（6.925+1.647+0.003+0.019）=8.594m3

炉气中自由氧体积为：0.50％×XN2气体积=总氧气量×1.50％=[（反应消耗氧体积+自由氧体积）/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）+0.50％×X]/98.5%}×1.50％={[(7.787+0.370+0.037+0.004-0.251-0.002)×（22.4/32）+0.50％×X]/98.5%}×1.50％=(5.56+0.50％×X)×1.5/98.5=0.085+0.008

X计算自由氧、氮气和炉气总体积87已知氧气成分为98.50％O2、1.50％N2，计算自由氧、所以炉气总量X＝

8.594+0.50％

X+（0.085+0.008

X）炉气中自由氧体积＝8.723×0.50％＝0.044

炉气中自由氧重量＝0.044×32/22.4=0.063kg炉气中氮气体积＝0.085+0.008％×8.723＝0.0847m3炉气中氮气重量