转炉炉型设计物料平衡热平衡计算

转炉物料平衡和热平衡计算（一） 原始数据一、 原材料成分1.铁水成分和温度表1 铁水和终点钢水成分原料CSiMnPS温度/铁水3.950.650.450.120.0351250（以1240为准）终点钢水0.120.140.0130.025实测钢中、影响渣质,喷溅和炉容比,Si影响炼铁焦比和转炉废钢加入量(目前要求Si0.80%)。2. 渣料和炉衬成分表2 渣料和炉衬成分种类CaOSiO2MgOAl2O3SPCaF2FeOFe2O3烧碱H2OC 石 灰90.52.02.01.40.103.50矿石1.04.610.441.100.0729.461.50.40萤石6.00.471.750.090.4489.02.00生白云石44.02.034.03.04.04.0炉衬43.52.51.01.03. 冶炼钢种和废钢成分表3 目标冶炼钢种和废钢成分%CSiMnPS钢种Q-2340.140.220.120.300.400.640.0440.040废钢0.150.200.460020.025 成品钢和废钢温度以室温为准。4. 各材料的比热容表4各材料的比热容项目固态平均比热/KJkg-1k-1溶化潜/KJkg-1液（气）态平均比热容/ KJkg-1k-1生铁0.744217.4680.8368钢0.699217.690.8368炉渣209.201.247炉气1.136烟尘1.000209.20矿石1.046209.205. 各反应热效应（认为25与炼铁温度下两者数值近似）表5 反应热效应元素反应反应热/KJkg-1C10940C34420Si28314P18923Mn7020Fe4020Fe6670SiO22070P2O54020二、 假设条件根据各类转炉生产实际工程假设：（1）炉渣中铁珠量为渣量的8%；（2）喷溅损失为铁水量的0.85%；（3）熔池中碳的氧化生成90%CO，10%；（4）烟尘量为铁水量的1.6%，其中烟尘中，；（5）炉衬侵蚀量为铁水量的0.4%；（6）炉气温度取，炉气中自由氧含量为总炉气量的0.5%；（7）氧气成分：98.4%氧气，1.4%氮气。(二) 物料平衡计算由铁水成分冶炼钢种可选用单渣发不留渣的操作。 为简化计算，物料平衡以100kg铁水为计算基础。一、 炉渣量及炉渣成分的计算炉渣来自元素的氧化，造渣材料和炉衬侵蚀等。1. 铁水中各元素的氧化量%表6 铁水中各元素的氧化量%原料CSiMnPS温度/铁水3.950.650.450.120.0351250（以1240为准）终点钢水0.120.140.0130.025实测氧化量3.830.650.310.1070.01转入表7说明：Si碱性渣操作时终点Si量为痕迹；P单渣法去磷约90%（5%）；Mn终点余锰量约3040%，这里实测为30%；S转炉去硫约3050%；C终点碳与钢种及磷量有关，要求出钢后加铁合金增碳的量能满足钢的规格中限，即：C终点=C中限C增碳； 这里取C终=0.15%,可满足去磷保碳与增碳两个条件。2. 铁水中各元素的氧化量，耗氧量和氧化产物量的计算。表7 铁水中各元素的氧化量，耗氧量和氧化产物量数据元素反应式元素氧化（kg）消耗 （kg）氧化产物（kg）备注CC +O2=CO3.830.9=3.4473.4471612=4.5968.043CC +O2=CO23.830.1=0.3830.3833212=1.021.40SiSi+O2=(SiO2)0.650.653228=0.7431.39MnMn+ O2=（MnO）0.310.311655=0.090.40P2P+O2=（P2O5）0.1070.1078062=0.1380.245SS+O2=SO20.0112=0.0050.0053232=0.0050.01设12为气化去硫FeFe+O2=(FeO)1.0210.2931.314见表13及说明SS+(CaO)=(CaS)+O0.0112=0.0050.005-1632=-0.0025产生的CaS有：0.0057232=0.011此处剩下1/2S元素由CaO除去并生成O；S消耗CaO的量为：0.0055632=0.00875Fe2Fe+O2=(Fe2O3)0.4600.1970.657见表13及说明共计6.3837.079二、造渣剂成分及数量：（选自国内有关生产炉和取用生产最常用Fe铁矿石）；1矿石成分及重量的计算（1.0kg矿石/100kg铁水）表8矿石各成分数据矿石成分重量（kg）矿石成分重量(kg)Fe2O3161.5%=0.615MgO10.44%=0.0044FeO129.4%=0.294S10.07%=0.0007（取0.001）SiO214.61%=0.0461H2O10.4%=0.004CaO11%=0.01共计1.000Al2O311.10%=0.011S*: 反应式为S+( CaO)= (CaS)+O 其中：(CaS)重为0.001=0.002S消耗（CaO) 重为0.001=0.002O微量，可不计。2萤石成分及重量的计算（0.5萤石100铁水）表9 萤石各成分数据萤石成分重量（）萤石成分重量（）CaF20.589.0%=0.445P*0.50.44%=0.0022SiO20.56%=0.030S*0.50.09%=0.0004Al2O30.51.75%=0.00875H2O0.52.00%=0.10MgO0.50.47%=0.00235共计0.500P*反应式为 2P+5/2O2=(P2O5)其中：(P2O5)重为0.0022=0.005(P)消耗O重为0.0022=0.003O微量，可不计。3炉衬侵蚀成分及重量的计算（0.5炉衬100铁水）表 10炉衬各侵蚀成分数据C*微量，C*消耗的氧也为微量，可忽略不计。炉衬成分重量（）炉衬成分重量（）CaO0.554.0%=0.270Al2O30.51%=0.005MgO0.51%=0.005C*SiO20.52.5%=0.0125共计0.5004生白云石成分及重量的计算（3.0生白云石100铁水）表11生白云石的各成分数据成分重量（）成分重量（）CaO3.044%=1.32SiO23.02.0%=0.06MgO3.034%=1.02烧碱*3.04%=0.12Al2O33.03%=0.09共计3.0*加入生白云石后经经炉渣成分计算，应满足MgO=68%范围（见表13），目的是可以提高炉衬抗熔渣的侵蚀能力，提高炉龄。* *烧碱是指生白云石或石灰中未分解的CO2及其重量。5石灰成分及重量的计算（6.25石灰/100铁水）表12 石灰成分各数据石灰成分重量（）石灰成分重量（）CaO6.2590.5%=5.656Al2O36.251.4%=0.0875SiO26.252%=0.125S*6.251%=0.0625MgO6.252%=0.125烧碱6.254.44%=0.278共计6.520说明：石灰加入量计算如下：取终渣碱度R=% CaO/%SiO2=3.5 (参炼钢原理P167图519)式中 (SiO2) = (铁水+炉衬+矿石+萤石+生白云石)中带入=（1.39+0.0125+0.0461+0.03+0.06）=1.539 参考表7、8、9、10、11、12；(CaO ) = (生白云石+炉衬+矿石铁水S消耗矿石S消耗) =（1.32+0.27+0.010.008750.002） =1.5kg参考表7、8、9、10、11； Q【石灰】=3.51.54-1.590.5%-3.52%=4.66S*:反应式为S+( CaO)= (CaS)+O 其中：生成(CaS)重:0.0625=0.141 还原O:0.0625=0.031 消耗（CaO）量：0.0625=0.1096终渣(FeO)的确定取R=3.5及(FeO)=15%时可满足终点钢水中P=0.013%的要求这里取(FeO)= (%FeO) +0.9（%FeO) =15%取（Fe2O3）/(FeO)= 。故（Fe2O3）=5%，(FeO) 10%7终渣成分及重量的计算表13 终渣各成分数据终渣成分氧化产物石灰矿石生白云石炉衬萤石总重CaO5.5470.011.3200.2707.147MgO0.1250.0041.020.0050.0021.156SiO21.390.1250.0460.0600.01250.0301.664P2O50.2450.0050.250MnO0.400.40Al2O30.08750.0110.090.0050.008750.202CaF20.4450.445CaS0.0110.1410.0020.154FeO1.3141.314Fe2O30.4600.460共计3.8213.192说明1总渣量的计算如下：表中CaO+MgO +SiO2+ P2O5 +MnO+ Al2O3 +CaF2 +CaS =7.147+1.156+1.664+0.4+0.202+0.445+0.154 = 11.168总渣量 (FeO)=100%15%=85%因此总渣量=11.16885%=13.1392(FeO)重13.55710%=1.314;其中Fe氧化量: 1.3145672=1.021 (转入表7)（Fe2O3）重13.1395%=0.657 ;其中Fe氧化量:0.657=0.460 (转入表7)*CaO= CaO石灰中 CaOS消耗 =5.565-0.109=5.456kg(表12及附注)二、 矿石及烟尘中的铁量和氧量的计算1、加入1.0矿石/100带入的铁量和氧量为：Fe（矿石中）=1.0(29.40%61.50%)=0.659 （据表2中矿石成分注：矿石中：FeO=29.40%； Fe2O3=61.50%）O2（矿石中）=1.0(29.40%61.50%)=0.1852、1.6烟尘/100铁水带入的铁量和氧量为：Fe（烟尘中）=1.6(77%20%)=1.182（据假设条件注：烟尘中：FeO=77%； Fe2O3=20%）O2（烟尘中）=1.6(77%20%)=0.37三、炉气成分及重量的计算表14 炉气各成分数据炉气成分重量，体 积 （Nm3）CO8.0438.04322.428=6.434CO21.7981.79822.444=0.915SO20.010.0122.464=0.005O20.0530.037N20.0890.071H2O0.0140.01422.418=0.017共计10.0077.479【注：标况下1mol气体的体积为22.4L】说明：CO重=（铁水+炉衬）中C氧化生成=8.043（表7）+0（表10）=8.043 kgCO2重=（铁水+炉衬）中C氧化生成+（生白云石+石灰）的烧碱=1.4（表7）+0（表10）+0.12(表11)+0.278（表12）=1.798kgSO2重=铁水中气化去硫重=0.01kg（表7）H2O汽重=矿石及萤石带入=0.004（表8）+0.1（表9）=0.014kg炉气中O2 与N2重，可由炉气总体积V(Nm3),反算求出。其中已知氧气纯度为98.4%的O2，1.4%的N2和炉气中含自由氧的体积为0.5%，因此炉气总体积V=( CO +CO2 +SO2+ H2O)体积（表14）+自由氧的体积+ N2体积=（6.434+0.915+0.005+0.017）+0.5% V+ N2其中：V（N2）=22.4327.079+0.37+0.003+0.001-0.185-0.031+0.5%V1.4%98.4%【注：大括号内的参数为“氧气的消耗和带入项目” （见表15）分式部分为氧气纯度98.4%时氧的体积。1.4%。表示换算成N2体积。】因此可得V=（7.371+0.5%V）+（5.066+0.5%V）1.4%98.4%整理后 V=7.480 Nm3炉气中自由氧体积=7.4800.5%=0.0374=0.037m3炉气中自由氧重=0.037=0.053 炉气中氮体积=（0.037+5.066）1.4%98.4%=0.071 Nm3炉气中氮重=0.071=0.089 四、未加废钢时氧气的消耗量的计算表15氧气的消耗和带入项目元素氧化耗氧7.079见表7萤石中P耗氧0.003表9说明矿石耗氧量-0.185见二自由氧重0.053表14烟尘耗氧量0.37见二炉气中氮重0.089表14矿石S消耗氧量0.0005取0.001见表8说明石灰中S反应耗氧量-0.031表12说明由此可得实耗氧量=7.079+0.37+0.001+0.003+0.053+0.089-0.185-0.031= 7.379kg或实耗氧体积=7.379=5.165 Nm3100铁水=51.65 Nm3T铁水五、钢水量计算吹喷项目：元素氧化量：6.383 kg（见表7）烟尘中铁损量：1.182kg（见二，烟尘中的Fe，O2计算）渣中铁珠重：1.055kg(注：由假设条件和终渣总重确定，见表13)喷溅铁损量:0.85kg（注：由假设条件确定）矿石带入铁重:0.659（见二，矿石带入的Fe，O2计算）因此100kg铁水可得钢水收得率为：100-（6.383+1.182+1.055+0.85）+0.659kg=91.189 kg六、未加废钢时的物料平衡表表16 未加废钢时的物料平衡收入项重量kg支出项重量kg铁水石灰矿石萤石生白云石炉衬氧气100.006.521.000.503.000.507.379钢水炉渣炉气烟尘铁珠喷溅91.18913.19210.0071.601.0550.85共计118.90共计117.90计算误差：117.90-118.90118.90100%=-0.84%（误差大时应检查原因或重算）（三）热平衡计算（取冷料为25）一、热收入项1、铁水物理热 铁水熔点=1538-（3.95100+0.658+0.455+0.1230+0.03525）-7= 112425 式中：1538为纯铁熔点,100、8、5、30、25分别为C、Si、Mn、P、S每1%含量时铁水熔点降低。7为气体O、N、H对熔点总的影响。【注：参考转炉炼钢 张芳编著 P116表3-16 溶解于铁中的元素含量为1%时，纯铁凝固点的降低值，如图1】 铁水物理热：图 1Q铁水=1000.7441124-25+217.468+0.83681240-1124=113219.28KJ;2、铁水中各元素氧化热与成渣热表17铁水中各元素的氧化热和成渣热元素反应式产生热量KJC3.44710940=37710.18KJlC0.38334420=13182.86KJSi0.6528314=18404.1KJMn0.317020=2176.2KJFe1.0214020=4104.42KJFe0.466670=3068.2KJP0.10718923=2024.76KJP2O50.254020=1005KJSiO21.6642070=3444.48KJ共计85120.23、烟尘氧化放热1.6(77%4020+20%6670) =5346.133 KJ热收入总计= 113219.28 +85120.2+5346.133=203685.613 KJ【注：炉衬中C和萤石中P因放热量低未计入内。】二、热支出项1.钢水物理热 钢水熔点=1538-(0.1265+0. 14 5+0. 01330.+0. 025 25)-7=1521 式中: 1538为纯铁熔点；65、5、30、25分别为C、Mn、P、S四个元素每 1%量对钢水量熔点的影响；出钢温度=钢水熔点+过热温度十钢液温降+出钢温降=1521 +30+21+30=1602【注：低碳钢过热取30；钢液温降按7分钟计算，每分钟温降取3；出钢温降取30(一般为2040之间)。】钢水物理热：Q钢水=91.1890.6991521-25+217.69+0.83681602-1521=121388.499 KJ2、炉渣物理热(设温度与出钢温度相同)所以炉渣物理热：Q炉渣=13.561.2471622-25+209.2=29840.936KJ；3、矿石分解吸热：Q矿石=1.0(29.40%4020+61.50%6670)=3790.675KJ；4、烟尘物理热：Q烟尘=1.611440-25+209.2=2598.72KJ;5、炉气物理热:Q炉气= 10.0071.136(1440-25)=16085.652KJ 6、渣中铁珠物理热:Q铁珠=1.0550.6991521-25+217.69+0.83681602-1521=1404.389 KJ;7、喷溅金属物理热：Q喷金=0.850.6991521-25+217.69+0.83681602-1521=1144.499KJ;8、生白云石分解吸热Q白云石=3.01422.6=4267.8KJ,【注：CaCO3=CaO+CO2，反应热为1422.6KJ/kg】;热支出总计:Q总=121388.499+29840.936+3790.675+2598.72+16085.652+1404.389+1144.499+4267.8=180521.17KJ;9、剩余热量热收入一热支出一热损失=203685.613-180521.17-8255.425=12872.162KJ热损失占热收入的38%,这里取4%203685.613 =8255.425KJ;10、废钢加入量lkg废钢吸热量为：Q废= 10.6991521-25+217.69+0.83681602-1521=1331.175KJ;因此可加废钢重=12872.1621331.175=9.67kg;得废钢比=9.67100+9.67100%=8.8%;铁水比=100100+9.67100%=91.2%注：水的汽化吸热和气化去硫，吸热甚微未计入。三、热平衡表表18 热平衡表热收入KJ热支出KJ铁水物理热113219.28钢水物理热121388.499元素氧化和成渣热85120.2炉渣物理热29840.936其中：矿石物理热3790.675C50893.04烟尘物理热2598.72Si18404.1炉气物理热16085.652Mn2176.2铁珠物理热1404.389P2024.76喷溅金属物理热1144.499P2O51005其他热损失8255.425SiO23444.48废钢物理热12872.162烟尘氧化热5346.133共计203685.613转炉热效率=钢水物理热+矿石物理热+废钢物理热总热收入100%=121388.499+3790.675+12872.162203685.613100%=67.8%(四)加入废钢和脱氧后的物料平衡计算一、加入废钢的物料平衡计算1、废钢中各元素的氧化量（%）表19废钢中各元素的氧化量（%）成分CSiMnPS废钢0.150.200.160.020.025终点钢水0.120.140.0130.025废钢元素消耗量0.030.200.020.00702、废钢中各元素的氧化量、耗氧量、氧化物量和进入钢中量的计算表20 废钢中各元素的氧化量、耗氧量、氧化物量项目废钢中元素化量kg耗氧量kg氧化物量kg备注CCO9.670.03%90%=0.0030.00316120.0040.007CO和CO2进入炉气CCO29.670.03%10%0.00030.00080.001SiSiO29.670.2%0.0190.01932280.0220.041SiO2、Mn、P2O5进入炉渣MnMnO9.670.32%0.0310.03116550.0090.040PP2O59.670.007%0.0010.00180620.0010.002共计0.05430.03680.0919.67kg废钢各元素氧化0.0543，则废钢进入钢中量9.616 kg3、将表16和表20合成新的物料平衡表（金属料100kg）表21 100kg情况下加废钢的物料平衡表收入项目重量kg支出项目重量kg钢水100.0钢水91.189+9.616=100.805废钢9.67炉渣13.192+0.041+0.04+0.002=13.275石灰6.52炉气10.007+0.008=10.015矿石1.00烟尘1.6萤石0.50铁珠1.005生白云石3.00喷溅0.85炉衬0.50氧气7.739+0.03684、加入废钢后的物料平衡表（钢水+废钢=100kg）表22 加入废钢后的物料平衡表收入项目重量kg支出项目重量kg钢水91.18钢水91.914废钢8.82炉渣12.104石灰5.94炉气9.132矿石0.912铁珠0.916萤石0.456喷溅0.775生白云石2.736烟尘1.459炉衬0.456氧气7.09共计117.59共计116.3* 将表21 根据钢水与废钢的比，以铁水91.18kg进行换算得表22*计算误差=117.59-116.3117.6100%=0.9%三、 脱氧后的物料平衡计算根据低碳钢Q-234钢固定的成分区间，属于半镇静钢脱氧，即进行锰铁和硅铁脱氧。1、 冶炼Q-234钢时选锰铁和硅铁脱氧。表23锰铁和硅铁各中元素成分含量（%）成分CSiMnPSFeFe-Mn7.52.575.00.380.0314.59Fe-Si7070.000.700.050.0429.212、计算铁合金加入量根据国内同类转炉冶炼Q-234钢种时选取一下元素的收得率表24 Q-234钢的元素收得率Fe-MnMnSiC说明Fe-SiMnSi收得率757090其中10%CCO2收得率%8075两种脱氧剂中的P、S、Fe则全部进入钢中故:Fe-Mn加入量=0.52-0.17%75%75%91.914=0.572kg;【注：0.52取自目标钢种Q-234的Mn中限】Fe-Mn中的硅进入钢中的重量%（见表25）表25 Fe-Mn合金各成分元素损耗和去向合合金成分元素烧损重kg耗氧量kg产物元素进入钢中成渣量kg炉气kg重量kg重量百分数%锰 铁CCO20.5727.5%10%=0.0040.004=0.0100.0150.5727.5%90%=0.0390.03992.369100%=0.04%SiSiO20.5722.5%30%=0.0040.004=0.0050.0090.5722.5%70%=0.010.0192.369100%=0.01%MnMnO0.57275%25%=0.1070.107=0.0310.1380.57275%75%=0.3210.32192.369100%=0.34%P0.5720.38%=0.0020.00292.369100%=0.02%S0.5720.03%=0.00017因S%微量而不计Fe0.57214.59%=0.083合计0.1150.0460.1470.0150.455【注：使得钢水由91.914kg变为92.369kg】故:Fe-Si加入量=0.21-0.01