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重庆科技学院冶金工程设计课程设计报告 学 院:_ 冶金与材料工程学院 专业班级: 冶金08-01 学生姓名: X X 学 号: XXXXX 设计地点（单位）_ XXXX学院_设计题目:_ 氧气转炉炼钢物料平衡与热平衡_完成日期：2011年 12 月 30 日指导教师评语: _ _成绩（五级记分制）:_ _ 指导教师（签字）:_ _ 氧气转炉炼钢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的。其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、能量的收入和支出项，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定量依据。由于炼钢是一个复杂的高温物理化学变化过程，加上测试手段有限，目前还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的原始参考数据。1 物料平衡计算 1.1计算原始数据基本原始数据：冶炼钢种及其成分、铁水和废钢成分、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）；其他工艺参数（表4）表1 钢水、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0.11-0.180.030.8-1.10.0350.035铁水设定值4.300.700.700.3000.030废钢设定值0.140.250.550.0350.020终点钢水设定值0.12痕迹0.210.0300.018本计算设定钢种为H15Mn。C和Si按实际产生情况选取；Mn、P和S分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在刚水中设定。表2 原材料成分成分/%类别CaOSiO2MnOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰88.002.502.601.500.500.100.064.640.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.400.8025.601.0036.2炉衬1.203.0078.801.401.6014.0焦炭0.5881.512.45.52表3 铁合金成分（分子）及其回收率成分含量/回收率/%类别CSiMnAlPSFe硅铁73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.8/800.23/1000.13/10024.74/10010%与氧生成CO2表4 其他工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度萤石加入量生白云石加入量炉衬蚀损量终渣(FeO)含量(按向钢中传氧量(Fe2O3)=1.35(FeO)折算)烟尘量喷吹铁损 (CaO)/(SiO2)=3.5 为铁水量得0.5% 为铁水量得2.5% 为铁水量得0.3% 15%,而(Fe2O3)/(FeO)=1/3，即(Fe2O3)=5%，(FeO)=8.25% 为铁水量得1.5%(其中(FeO)为75%,(Fe2O3)为20%) 为铁水量得1%渣中铁损（铁珠）氧气纯度炉气中自由氧含量气化去硫量金属中C的氧化产物废钢量 为渣量的6% 99%,余者为N2 0.5%(体积比) 占总去硫量得1/3 90%C氧化成CO,10%C氧化成CO2 由热平衡计算确定，本计算结果为铁水量得22.10%，即废钢比为18.10%1.2物料平衡基本项目收入项有：铁水、废钢、溶剂、氧气、炉衬损失、铁合金。支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。1.3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5表7。总渣量及其成分如表8所示。第二步：计算氧气消耗量。氧气实际消耗量消耗项目与供入项目只差。见表9表表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CSiMnPSFeCCOCCO2Si(SiO2)Mn(MnO)P(P2O5)SSO2S+(CaO)(CaS)+(O)Fe(FeO)Fe(Fe2O3)4.1890%=3.7624.1810%=0.4180.7000.490.2700.0121/3=0.0040.0122/3=0.0081.00156/72=0.7790.566112/160=0.4005.0161.1150.8000.1430.3480.004-0.0040.2230.1718.7781.5331.5000.6330.6180.0080.018（CaS）1.0020.571入渣入渣入渣入渣入渣（见表8）入渣（见表8）合 计6.8317.816成渣量4.342入渣组分之和由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量=0.00856/32=0.014kg。 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/kgCaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO,CO20.3（据表4）0.0040.0090.2360.0040.0050.314%90%28/12=0.0880.314%10%44/12=0.0150.314%(90%16/1210%32/12)=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/kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CsSCaF2H2OCO2O2萤 石0.5(表4)0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005生白云石2.5(表4)0.9100.6400.0200.0250.905石 灰5.745.0370.1470.1430.0860.0290.0060.0080.0060.2650.002合 计5.9490.7900.1910.1190.0370.0110.0090.4400.0111.1700.002成渣量7.546石灰加入量计算如下：由表5表7可知，渣中已含（CaO）=-0.014+0.004+0.002+0.910=0.902kg；渣中已含（SiO2）=1.50+0.009+0.028+0.020=1.557kg。因设定的终渣碱度R=3.5，故石灰加入量为：R(SiO2)-(CaO)/(CaO石灰)-R(SiO2石灰)=4.548/（88%-3.52.50%）=5.74kg。（石灰CaO含量）（石灰中SCaS自耗的CaO）。由CaO还原出来的氧量，计算方法同表5的注。表8 总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CsS合计元素氧化成渣量/kg石灰成渣量/kg炉衬蚀损成渣量/kg生白云石成渣量/kg萤石成渣量/kg5.0370.0040.9100.0021.5000.1430.0090.0200.0280.1470.2360.6400.0030.0860.0040.0250.0080.6331.0010.5660.0280.0050.0080.4400.6180.0060.0050.0180.0080.0014.3365.4190.2581.5950.495总渣量/kg5.9531.7001.0260.1230.6331.0010.6070.4400.6290.02712.133质量分数/%49.0614.018.461.015.228.255.003.635.180.18100.0总渣量计算如下：表8中除(FeO)和(Fe2O3)以外的渣量为：5.953+1.700+1.026+0.123+0.633+0.44+0.629+0.027=10.525,而终渣(FeO)=15%(表4)，故总量为：10.52586.75%=12.133kg。(FeO)=12.1338.25%=1.001。(Fe2O3)=12.1335%-0.033-0.005-0.008=0.566kg。表9 实际耗氧量耗氧项/kg供氧项/kg实际氧气消耗项/kg铁水中氧化耗氧量(表5) 7.816炉衬中碳氧化耗氧量(表6) 0.062石灰中S与CaO反应还原出的氧气量(表7)0.002烟尘中铁氧化耗氧量(表4) 0.3408.2790.0020.074=8.35炉气自由氧含量(表10) 0.061合 计 8.279合 计0.002炉气N2（存在于氧气中，表4）的质量，详见表10。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5表7 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=Vg+0.5%V+1/99(22.4/32Gs+0.5%V-Vx)V式中 VgCO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m3。本计算中，其值为：8.86622.4/282.71822.4/440.00822.4/640.01122.4/18=8.494m3。Gs不计自由氧的氧气消耗量，kg。本计算中，其值为：7.8160.0620.34=8.218kg（见表9）；Vx石灰中的S与CaO反应还原出的氧量（其质量为：0.002kg，见表9），m3； 0.5%炉气中自由氧含量； 99由氧气纯度为99%转换的得来。计算结果列于表10。表10 炉气量及其成分炉气成分炉气量/kg体积/m3体积分数/%COCO2SO2H2OO2N28.8662.7180.0080.0110.0610.0748.86622.4/28=7.0932.71822.4/44=1.3840.00822.4/64=0.0030.01122.4/18=0.0140.0430.05982.5216.100.030.160.500.67合 计 11.7388.596100.00炉气中O2的体积为8.5960.5%=0.043；质量为0.0433222.4=0.061kg。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0.0592822.4=0.074kg。 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 =1006.8311.50(75%56/7220%112/160)112.1336% =90.359kg据此可以编制出未加废钢。脱氧与合金化前得物料平衡表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 水石 灰萤 石生白云石炉 衬氧 气100.005.740.502.500.308.3585.194.890.432.130.267.10钢 水炉 渣炉 气喷 溅烟 尘渣中铁珠90.35912.13311.7381.001.500.7377.9310.3610.000.851.280.58合 计117.39100.00合 计117.46100.00注：计算误差为（117.39117.46）/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/kgCSiMnPSCCOCCO2Si(SiO2)Mn(MnO)P(P2O5)SSO2S+(CaO)(CaS)+(O)22.100.02%90%=0.00422.100.02%10%=0.00122.100.25%=0.05522.100.34%=0.07522.100.005%=-0.00122.100.002%1/3=0.000122.100.002%2/3=0.00030.0050.0020.0630.0220.0010.0001-0.00020.009（入气）0.003（入气）0.1180.0970.0020.0002（入气）0.0008（CaS）合 计0.1360.09322.10.136=21.964成渣量(kg)0.218表13 加入废钢的物料平衡表(以100kg铁水为基础)收 入支 出项 目质量/kg%项 目质量/kg%铁 水废 钢石 灰萤 石轻烧生白云石炉 衬氧 气100.0022.15.740.502.500.308.35+0.093=8.44376.0210.124.360.381.900.236.99钢 水炉 渣炉 气喷 溅烟 尘渣中铁珠90.36+21.964=112.3212.133+0.218=12.3511.738+0.012=11.751.001.500.7379.379.019.180.761.14 0.54合 计139.58100.00合 计139.65100.00注：计算误差为（139.58139.65）/139.58100%=-0.1%表14 加入废钢的物料平衡表(以100kg(铁水+废钢)为基础)收 入支 出项 目质量/kg%项 目质量/kg%铁 水废 钢石 灰萤 石轻烧生白云石炉 衬氧 气81.9018.104.700.412.050.256.9171.6415.834.110.041.790.226.37钢 水炉 渣炉 气喷 溅烟 尘渣中铁珠91.9910.119.620.821.230.6080.438.848.410.721.08 0.52合 计114.32100.00合 计114.37100.00第六步：计算脱氧合金化后的物料平衡。先根据钢种成分设定值（表1）和铁合金成分及其回收率（表3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所有结果与表14归类合并，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量WMn为： WMn= 钢水量 WMn = 91.99 =0.58kg硅铁加入量WSi为：WSi= = =0.42kg铁合金中元素的烧损量和产物量列于表15。表15 铁合金中元素烧损量及产物量类别元素烧损量/kg脱氧量/kg成渣量/kg炉气量/kg入钢量/kg锰铁CMnSiPSFe合计0.586.60%10%=0.0040.5867.80%20%=0.0790.580.50%25%=0.0010.0840.0100.0230.0010.0340.1020.0020.1040.015(CO2)0.0150.686.60%90%=0.0380.6867.80%80%=0.3150.680.50%75%=0.0030.680.23%=0.0010.680.13%=0.0010.6824.74%=0.1430.496硅铁AlMnSiPSFe 合计0.452.5%100%=0.0110.450.50%20%=0.00040.4573.00%25%=0.0770.0880.0100.00010.0880.0980.0060.00050.650.1720.420.50%80%=0.0020.4273.00%75%=0.2460.420.05%=0.00020.420.03%=0.00010.4223.92%=0.1080.332总 计0.1720.1320.2760.0150.828 可以忽略。脱氧和合金化后的钢水成分如下：（C）=0.13%100%=0.16%（Si）=100%=0.25%（Mn）=0.21%100%=0.54%（P）=0.03%100%=0.031%（S）=0.018%100%=0.019%可见，含碳量已经达到范围（0.11-0.18），所以不需要拉碳。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 水废 钢石 灰萤 石轻烧生白云石炉 衬氧 气锰 铁硅 铁81.9018.104.700.412.050.257.04(6.91+0.132)0.580.4270.9415.684.070.361.780.226.100.510.34钢 水炉 渣炉 气喷 溅烟 尘渣中铁珠92.8210.399.64 0.821.230.6080.368.998.350.711.060.53合 计115.45100.00合 计115.5100.00注：计算表误差为（115.45115.5）/115.45100%=-0.1%。可近似认为（0.132）的氧量系出钢水二次氧化所带入。2 热平衡计算2.1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）。其他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 物铁水废钢其他原料炉渣炉气烟尘温度/13702525与钢水相同14501450 纯铁熔点为1536。表18 溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值元 素CSiMnPSAlCrN、H、O在铁水中的极限溶解度/%5.4118.5无限2.80.1835无限溶入1%元素使铁熔点降低值/65707580859010085302531.5氦、氢、氧溶入使铁熔点的降低值/=6适用含量范围/%11.02.02.53.03.54.03150.70.08118表19 炼钢温度下的反应热效应组元化学反应H/kJkmol-1H/kJkg-1CCSiMnPFeFeSiO2P2O5CaCO3MgCO3C+1/2O2=COC+O2=CO2Si+O2=(SiO2)Mn+1/2O2=(MnO)2P+5/2O2=(P2O5)Fe+1/2O2=(FeO)2Fe+3/2O2=(Fe2O3)(SiO2)+2(CaO)=(2CaOSiO2)(P2O5)+4(CaO)=(4CaOP2O5)CaCO3=(CaO)+CO2MgCO3=(MgO)+CO2氧化反应氧化反应氧化反应氧化反应氧化反应氧化反应氧化反应成渣反应成渣反应分解反应分解反应-139420-418072-817682-361740-1176563-238229-722432-97133-693054169050118020-11639-34834-29202-6594-18980-4250-6460-1620-488016901405表20 物料平均热容物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热容/kJ(kgK)-10.7450.6991.0470.996熔化潜热/kJkg-1218272209209209液态或气态平均热容/kJ(kgK)-10.8370.8371.2841.1372.2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、表1、表218）计算铁水熔点Tl，然后由铁水温度和生铁热容（表17和表20）确定Qw。Tl=1536（4.31000.780.750.3300.0325）6=1081Qw=1000.745（108125）2180.837（13701081）=124661.3kJ（2）元素氧化热及成渣热Qy：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 元素氧化热和成渣热反应产物氧化热或成渣热/kg反应产物氧化热或成渣热/kgCCO3.76211639=43785.92FeFe2O30.4006460=2584CCO20.41834834=14560.61PP2O50.27018980=5124.6SiSiO20.70029202=20441.4P2O54CaOP2O50.6294880=30690.52MnMnO0.496594=3231.06SiO22CaOSiO21.7001620=2754FeFeO0.779250=3311合计Qy98862.11（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=1.5（75%56/72425020%112/1606460）=5075.35kJ（4）炉衬中碳的氧化热Q1：根据炉衬蚀损量及其碳量确定。 Q1=0.314%90%116390.314%10%34834=586.25kJ故热收入总值为： Qs=Qw+Qy+Qc+Q1=229185.01kJ第二步：计算热支出Qz。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，具体时间与钢包大小和浇筑条件有关）以及要求的过热度（一般为5090）确定出钢温度Tz；最后由钢水量和热容算出物理热。Tg=1536（0.12650.2150.03300.01825）6=1519.8式中，0.10、0.15、0.020和0.021分别为终点钢水C、Mn、P和S的含量。Tz=1519.8+50+50+70=1689.8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=90.3590.699（1519.8-25）+272+0.837（1689.8-1519.8）=131847.8kJ（2）炉渣物理热Qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得：Qr=12.1331.248(1689.8-25)+209=27744.17kJ（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22。表22 某些物料的物理热项 目参数/kJ备 注炉气物理热11.741.137(1450-25)=19021.441450系炉气和烟尘的温度烟尘物理热1.50.996(1450-25)+209=2442.4