转炉物料平衡及热平衡计算.doc

顶底复吹转炉炼钢的物料平衡和热平衡计算1 物料平衡计算1.1 计算原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及成分、铁水和废铁的成分、终点钢水成分；造渣用溶剂及炉衬等原材料成分；脱氧和合金化用铁合金的成分及回收率；其他工艺参数。表1-1 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Q235设定值0.180.25.0.550.0450.050铁水设定值4.150.700.200.2000.030废钢设定值0.180.250.550.0300.030终点钢水设定值0.10痕迹0060.0200.018表1-2 原材料成分成分含量/%类别CaSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰88.002.50.2.601.500.500.100.060.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.400.8025.601.0036.20炉衬1.203.0078.801.401.6014.0焦炭0.5881.512.45.52表1-3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母） 成分回收率/%类别CSiMnAlPSFe硅铁73.00/750.50/802.50/00.03/1000.05/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.8/800.13/1000.23/10024.74/100表1-4 其他工艺参数设定值名称参数终渣碱度w(CaO)/w(SiO2)=3.5萤石加入量为铁水量的0.5生白云石加入量为铁水量的2.5炉衬蚀损量为铁水量的0.3终渣w(FeO)含量(按向钢中传氧量w(Fe2O3)1.35w(FeO)折算)15而(Fe2O3)/ (FeO)=1/3,即金属中C的氧化产物w(Fe2O3)5，w(FeO)=8.25烟尘量为铁量的1.5(其中w(FeO)为75w(Fe2O3)的20)喷溅铁损为铁水量的1渣中铁损(铁珠)为渣量的6氧气纯度99，余者为N2 1%炉气中自由氧含量0.5(体积比)气化去硫量占总去硫量的1/3金属中C的氧化物90C氧化成CO，10C氧化成CO2废钢量由热平衡计算确定，本计算结果为铁水量的13.35，即废钢比为11.781.1.2物料平衡的基本项目收入项有：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。1.1.3 计算步骤以100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，炉衬腐蚀和加入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表5-5表5-7。总渣量及成分如表5-8所示：表5-5 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/耗氧量/氧化产物量/备注CC+1/2O2CO4.0590%=3.653.65*16/12=4.868.505C+O2CO23.9010%=0.4050.4*32/12=1.081.5SiSi+O2(SiO2)0.700.70*32/28=0.81.714入渣MnMn+1/2O2(MnO)0.2070%=0.140.14*16/44=0.0410.181入渣P2P+5/2O2(P2O5)0.2090%=0.180.18*80/62=0.230.410入渣SS+O2SO2 0.031/3=0.010.001*32/32=0.010.02S+CaO(CaS)+(O) 0.032/3=0.020.002*(-16)/32=-0.01 0.045入渣FeFe +1/2O2(FeO) 1.07856/72=0.8380.838*16/46=0.241.078入渣（表1-8）2Fe+3/2O2(Fe2O3)0.600112/160=0.4250.421*48/112=0.1820.607入渣（表1-8）合计6.3637.433成渣量3.821入渣组分之和由CaO还原出的氧量；消耗CaO量=0.0256/32=0.035。表1-6 炉衬腐蚀的成渣量炉衬蚀损渣量/成渣组分/气态氧化物/耗氧量/CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO，CO202(表1-4)0.0030.0060.1580.0030.0030.0590.0100.021合计0.1730.0690.0211-7 加入溶剂的成渣量类别加入量成渣组分/气态氧化物CaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2萤石0.50.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.440.008白云石2.50.910.640.020.0250.905石灰6.675.8540.1730.1670.10.0330.0070.0090.0070.3090.002合计6.7650.8160.2150.1330.0410.0120.010.440.0151.2140.002成渣量8.43211.2305.石灰加入量：渣中已含CaO=-0.016+0.004+0.002+0.910=0.900；渣中已含SiO2=1.710+0.009+0.028+0.020=1.767；因设定终渣碱度R=3.5，故石灰加入量为：5.285/(88.0%-3.52.50%)=6.67.石灰加入量=(石灰中CaO含量）-（石灰中SCaS自耗的CaO量）表5-8 总渣量及其成分炉渣成分/CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合计元素氧化成渣1.710.4521.0650.60.410.0214.264石灰石成渣量5.8540.1670.1730.10.0330.0070.0096.343炉衬蚀损成渣0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣0.910.020.640.0251.595萤石成渣量0.0020.0280.0030.0080.0080.440.0050.0010.495总成渣量6.771.9341.0520.1370.4521.0650.6460.440.4220.03112.955质量分数/%52.2614.938.121.063.498.255.003.403.260.24100.表中除(FeO)和(Fe2O3)以外的总渣量为6.779+1.934+1.052+0.137+0.452+0.440+0.422+0.031=11.238，而终渣(FeO)=15%(表5-4)，故总渣量为11.238/86.75%=12.955。.(FeO)=12.9108.25%=1.069 (Fe2O3)=12.9105%-0.033-0.005-0.008=0.602第二步：计算氧气消耗量。氧气的实际消耗量系消耗项目与供入项目之差。见表5-9表5-9 实际耗氧量耗氧项/供氧项/实际耗氧量/铁水中元素氧化耗氧量（表5-5） 6.698炉衬中碳氧化消耗氧量（表5-6） 0.062石灰中S与CaO反应还原出的氧化量（表5-7）0.002烟尘中铁氧化消耗氧量（表5-4） 0.3407.157-0.002+0.064=7.219炉气自由氧含量（表7-10） 0.057合计 7.157合计 0.002第三步：计算炉气量及其成分。炉气中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O.其中CO、CO2、SO2和H2O可由表7-5表7-7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VV=+0.5%V+ (V) =8.089 m式中VgCO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m。本计算中其值为：=7.998m Gs不计自由氧的氧气消耗量，。本计算中其值为：6.698+0.062+0.34=7.10（见表5-9） Vx石灰中的S和CaO反应还原出的氧量（其质量为：0.002，见表5-9），m。0.5%炉气中自由氧含量。 99自由氧纯度为99%转换得来。计算结果列于表5-10表5-10 炉气量及其成分炉气成分炉气量/炉气体积/ m体积分数/%CO8.2788.27822.4/28=6.62281.87CO22.6592.65922.4/44=1.35316.73SO20.0100.01022.4/64=0.0040.04H2O0.0150.01522.4/18=0.0190.23O20.0570.040.50N20.0640.0510.63合计11.0838.089100.00.炉气中O2的体积为8.089*0.5%=0.040m；质量为0.04032/22.4=0.057。.炉气中N2的体积系炉气总体积与其他成分体积之差；质量为0.051*28/22.4=0.064第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。钢水量Qg铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅和渣中的铁损 100-6.596-1.50(75%56/72+20%112/160)+1+12.9556% 90.542由此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表5-11表5-11 未加废钢时的物料平衡表收入支出项目质量/%项目质量/%铁水10085.33钢水90.5476.82石灰6.675.69炉渣12.9610.00萤石0.500.43炉气11.089.40生白云石2.502.13喷溅1.000.85炉衬0.300.26烟尘1.501.27氧气7.216.16渣中铁珠0.770.66合计117.39100.00合计117.55100注：计算误差为（117.39-117.55）/117.39100%=-0.1%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5-1中的数据先确定废钢种元素的氧化量及其消耗量和成渣量（表5-12），再将其与表5-11归类合并，逐得到加入废钢后的物料平衡表5-13和表5-14。表5-12 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/耗氧量产物量进入钢中的量/CCCO13.350.08%90%=0.0100.0130.023CCO213.350.08%90%=0.0010.0030.004SiSi(SiO2)13.350.25%=0.330.0380.071MnMn(MnO)13.350.37%=0.0490.0150.065PP(P2O5)13.350.01%=0.0010.0010.002SSSO213.350.009%1/3=0.00040.00040.0008S+CaO(CaS)+(O)13.350.009%2/3=0.0008-0.00040.002合计0.0950.0713.35-0.095=13.255成渣量/0.14表5-13 加入废钢的物料平衡表（以100铁水为基础）收入支出项目质量/%项目质量/%铁水10076.56钢水90.54+13.25=103.7979.06废钢13.3510.22炉渣12.96+0.14=13.109.98石灰6.675.107炉气11.08+0.028=11.108.46萤石0.50.383喷溅1.000.76轻烧白云石2.51.914烟尘1.501.14炉衬0.30.230渣中铁珠0.780.59氧气7.295.5820合计130.61100.00合计130.77100.00注：计算误差为（130.61-130.77）/130.61100%=-0.1%表5-14 加入废钢的物料平衡表（以100铁水+废钢为基础）收入支出项目质量/%项目质量/%铁水88.2076.56钢水91.5579.06废钢11.7710.22炉渣11.569.98石灰5.895.11炉气9.808.46萤石0.440.38喷溅0.880.76轻烧白云石2.211.92烟尘1.321.14炉衬0.260.23渣中铁珠0.690.6氧气6.435.58合计115.40100合计115.60100第六步：计算脱氧和合金化后的物料平衡。现根据钢种成分设定值（表5-1）和铁合金成分及其回收率（表5-3）算出锰铁和硅铁的加入量，在计算其元素的烧损量。将所有的结果与表7-14合并，及得到炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量WMn为： 硅铁加入量WSi为： 铁合金中元素烧损量和产物量列于表5-15。脱氧和合金化后的钢水成分如下：表5-15 铁合金中元素烧损量和产物量类别元素烧损量脱氧量/成渣量/炉气量/入钢量锰铁C0.596.60%10%=0.0040.0110.0150.596.60%90%=0.035Mn0.5967.80%20%=0.0800.0230.1030.5967.80%80%=0.320Si0.590.50%25%=0.0010.0010.0020.590.50%75%=0.002P0.590.23%=0.001S0.590.13%=0.001Fe0.5924.74%=0.146合计0.0850.0350.1050.0150.505硅铁Al0.422.50%100%=0.0110.0100.021Mn0.420.50%20%=0.00040.00010.0010.420.50%80%=0.002Si0.4273.00%25%=0.0770.0880.1650.4273.00%75%=0.230P0.420.05%=0.0002S0.420.03%=0.0001Fe0.4223.92%=0.100合计0.0880.0980.1870.332总计0.1730.1330.2920.0150.837可见，含碳量尚未达到设定值。为此需在钢包内加焦炭增碳。其加入量W1为： 焦粉生成的产物如下：碳烧损量/耗氧量/气体量/成渣量/碳入钢量/0.0681.50%25%=0.0120.0320.044+0.06（0.58+5.52）%=0.0470.0612.40%=0.0070.0681.50%75%=0.037由此可得整个冶炼过程（即脱氧和合金化后）的总物料平衡表5-16。表5-16 总物料平衡表收入支出项目质量/%项目质量/%铁水88.274.47钢水91.55+0.837+0.037=92.4277.24废钢11.779.94炉渣11.56+2.92+0.007=14.4912.11石灰5.894.97炉气9.80+0.015+0.047=9.868.24萤石0.440.37喷溅0.880.74轻烧白云石2.211.87烟尘1.321.10炉衬2.261.91渣中铁珠0.690.57氧气6.65.57锰铁0.590.50硅铁0.420.35焦粉0.060.05合计119.44100.00合计119.56100.计算误差为(119.44-119.56)/119.44100%=-0.1%.可以近似的认为(0.133+0.032)的氧量系出钢水二次氧化带入。5.2 热平衡计算5.2.1计算所需的原始数据计算所需的基本原始数据有：各种入炉料及产物的温度（表5-17）；物料平均热熔（表5-18）；反应热效应（表5-19）；融入铁水的元素对铁水熔点的影响（表5-20）。其他工艺参数参照物料平衡选取。表5-17 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他原料炉渣炉气烟尘温度/12852525与钢水相同14501450表5-18 物料平均热熔物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热熔kJ/（K）0.7450.699-1.0470.996-融化潜热kJ/218272209209209-液态或气态平均热熔kJ/（K）0.8370.8371.248-1.137表5-19 炼钢温度下的反应热效应组元化学反应/kJk mol-1/kJkg-1CC+1/2 O2=CO 氧化反C+ O2=CO2氧化反应41807234834SiSi + O2= (SiO2 氧化反应81768229202MnMn +1/2 O2= (MnO) 氧化反应3617406594P2P+5/2 O2= (P2O5) 氧化反应117656318980FeFe +1/2 O2= (FeO) 氧化反应2382294250Fe2Fe +3/2 O2= (Fe2O3) 氧化反应7224326460SiO2(SiO2)+2(CaO)=(2CaOSiO2) 成渣反应971331620P2O5(P2O5)+4(CaO)=(4 CaOP2O5) 成渣反应6930544880CaCO3CaCO3=(CaO)+ CO2 分解反应1690501690MgCO3MgCO3=MgO+ CO2 分解反应1180201405表5-20 融入铁水的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、O在铁中极限溶解度/%5.4118.5无限2.80.1835.0无限融入1%元素使铁熔点降低值/65707580859010085302531.5N、H、O融入使铁熔点降低值/=6适用含量范围/%11.02.02.53.03.54.03150.70.081185.2.2 计算步骤以100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(见表5-17、表5-1和表5-20)计算铁水熔点Tt，然后由铁水温度和生铁热容(见表5-17和表5-18)确定 。 =1536(4.0100+0.88+0. 55+0.330+0.03525)6=1111 () =100 0.745(111125)+218+0.837(12851111)=117270.8(KJ)(2) 元素氧化热及成渣热由铁水中元素氧化量和反应热效应(见表5-19)可以算出，其结果列于表5-21。 表5-21元素氧化热和成渣热反应产物氧化热或成渣热/kJ反应产物氧化热或成渣热/kJCCO3.5111639=40852.89FeFe2O30.4216460=2719.66CCO20.3934834=135853.26PP2O50.2818980=5314.4SiSiO20.8029202=23361.6P2O54CaOP2O50.4224880=2059.36MnMnO0.4206594=2769.48SiO22CaOSiO21.9341620=3133.08FeFeO0.8314250=3531.75合计Qy97327.48(3) 烟尘氧化热由表5-4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。1.5(7556/724250+20%112/1606460)=5075.35kJ(4) 炉衬中碳的氧化热0.31490116390.3141034834586.25kJ故热收入总量为=117270.8+97327.48+5075.35+586.25=220259.88kJ第二步：计算热支出。热支出项包括：钢水物理热；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4060，后者约为35/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5090)确定出钢温度TZ ；最后由钢水热容算出物理热。Tg1536(0.10650.1550.020300.02125)61522式中，0.10、0.15、0.020和0.021分别为终点钢水中C、Mn、P、S的含量。TZ15225050701692式中，50、50、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。Qg90.540.699(1522-25)2720.837(1692-1522)132251.14kJ(2) 炉渣物理热Qr令终渣温度与钢水温度相同，则得：Qr12.9551.248(1649-25)20928964.17kJ(3) 炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热Qx 。根据其数量、相应的温度和热容确定。详见表5-22。表5-22某些物料的物理热项 目参 数/kJ备 注炉气物理热11.0831.137(145025)=179571450系炉气和烟尘的温度烟尘物理热 1.50.996(145025)+209=2442.45渣中铁珠物理热12.9556% 0.699(152025)+272+0.