GCr15SiMn电弧炉炼钢物料平衡和热平衡.doc

西安建筑科技大学课程设计一、 物料平衡计算1 计算所需原始数据基本原始数据：冶炼钢种及成分（见表1）；原材料成分（见2）；炉料中元素烧损率（3）；其他数据（见表4）表1 冶炼钢种及其成分钢种成分（%）备注CSiMnPSCrFeGCr15SiMn0.951.050.450.650.901.200.0270.021.31.65余量氧化法表2 原材料成分（%）名称CSiMnPSCrAlFeH2O灰分挥发分碳素废钢0.180.250.550.0300.030余量炼钢生铁4.200.800.600.2000.035余量碳粉82.211.2510.735.81电极99.001.00名称CaOSiO2MgOAl2O3CaF2Fe2O3CO2H2OP2O5S石灰88.002.502.601.500.504.640.100.100.06萤石0.305.500.601.6088.001.501.500.900.10铁矿石1.305.750.301.4589.771.200.150.08火砖块0.5560.800.6036.801.25高铝砖1.256.400.1291.350.88镁砂4.103.6589.500.851.90碳粉灰分4.4049.700.9526.2518.550.15电极灰分8.9057.800.1033.10表3 炉料中元素烧损率成分CSiMnPS烧损率（%）熔化期2540,取307095，去856070，取654050，取45可以忽略氧化期全部烧损202530，取27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）；按末期含量0.015%来确定表4 其他数据名称参数配碳量比钢种规格中限高0.70%，即达1.70%熔化期脱碳量30%，即1.7030%0.51kg电极消耗量4kg/t（金属料）：其中熔化期占75%；氧化期占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）：其中熔化期占57%；氧化期占43%熔化期和氧化期所需要氧量50%来自氧气，其余50%来自矿石和空气氧气纯度和利用率99%，余者为N2，氧利用率90%碳粉中碳的回收率75%（系指配料用碳粉）碳氧化产物均按70%生成CO，30%生成CO2考虑2 物料平衡基本项目收入项有：废钢、生铁、碳粉、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、碳粉中挥发分。3 计算步骤以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段分为熔化期和氧化期分别进行计算，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，不足碳量用碳粉来配。其结果列于表5。表5 炉料配入量名称用量（kg）配料成分（kg）CSiMnPSFe废钢75.0000.1350.1880.4130.0230.02374.218生铁25.0001.0500.2000.1500.0500.00923.541碳粉0.835*0.515合计100.8351.7000.3880.5630.0730.03297.759*碳烧损率25%。0.515/（0.750.8221）=0.8352)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4。（2）确定氧气和空气消耗量：耗氧项包括炉料中元素的氧化，碳粉和电极中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中CaO被自身S还原出部分氧。详见表6。表6 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CSiMnPFeCCOCCO2Si(SiO2）Mn(MnO）P(P2O5）Fe(FeO）*Fe（Fe2O3）*1.70030%70%=0.3571.70030%30%=0.1530.38885%=0.3300.56365%=0.3660.07345%=0.03397.7592%15%=0.29397.7592%85%=1.6620.4760.4080.4430.1060.0430.0840.712合计3.1941.482碳粉中碳的氧化电极中碳的氧化CC（C）CO（C）CO2（C）CO（C）CO20.83582.21%25%70%=0.1200.83582.21%25%30%=0.0520.475%99%70%=0.2080.475%99%30%=0.0890.1600.1390.2770.237合计3.085供氧项矿石石灰Fe2O3SFe2O3 =2Fe+3/2O2CaO+S=CaS+O0.2690.0006合计0.270净耗氧量2.815*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的比例分别生成（FeO）和（Fe2O3）。如表4中所述，应由氧气供给的氧为50%，即3.08550%=1.543,空气应供氧1.543-0.270=1.273kg，由此可求出氧气与空气的实际消耗量如表7表7 氧气与空气实际消耗量氧气（kg）空气（kg）带入O2带入N2带入O2带入N21.543/90%=1.7141.714/99%1%=0.0171.2731.273（77/23）=4.262=1.714+0.017=1.731=1.273+4.262=5.535上述1）+2）便是熔化期的物料收入量。（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，碳粉和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。结果见表8。表8熔化期炉渣量的确定名称消耗量(kg)成渣组分(kg)CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计炉料SiMnPFe0.3300.3660.0330.3910.7070.4720.3770.1400.0760.7070.4720.0760.517炉顶炉衬碳粉电极石灰矿石0.0750.2000.8350.3002.0001.0000.0010.0080.004略1.7580.0130.0040.0070.0450.0020.0500.058略0.1790.001略0.0520.0030.0690.0020.0240.0010.0300.0150.0010.0040.0170.010（0.898）略0.0020.0020.0020.0020.0750.2000.0910.0031.9040.093合计1.7840.8730.2350.1410.4720.3770.1720.0800.0044.138百分比43.1121.105.683.4111.419.114.161.930.10100.00几点说明： Fe的消耗量，按表6中注释97.7592%20%=0.391 石灰中氧化钙的计算,石灰中自身S还原消耗0.002kgCa 矿石中的Fe2O3假设全部还原，还原得到的铁为1.0000.8977112/160=0.628kg（4）确定金属量：金属量Qi=金属炉料重+矿石带入的铁量-炉料中C、Si、Mn、P和Fe的烧损量+碳粉配入的碳量=100+0.628-3.194+0.515=97.949kg。（5）确定炉气量：炉气来源于炉料以及碳粉和电极中碳的氧化物CO和CO2，氧气带入的N2，物料中的H2O及其反应产物，游离O2及其反应产物，石灰的烧减（CO2），碳粉的挥发分。计算结果列于表9。表9 炉气量计算项目气态产物(kg)COCO2N2H2OH2挥发物合计炉料中C的氧化碳粉带入电极带入石灰带入矿石带入氧气带入空气带入游离O2参与反应CO+1/2O2=CO2H2O参与反应H2O+CO=H2+CO20.8330.2800.485-0.300-0.1240.5610.1910.3260.0930.4710.1960.0174.2620.0100.0020.0120.056*-0.0800.0090.0471.3940.5280.8110.0950.0120.0174.3180.1710合计1.1741.8384.27900.0090.0477.347质量分数/%15.9825.0258.2400.120.64100.00*计算条件：常温（20）、常压（0.1MPa）下空气相对湿度为70%，20的饱和蒸汽压为0.0023MPa先求空气体积1.273/3222.4+4.262/2822.4=4.301m3再求湿空气体积4.301（273+20）/2730.1/(0.1-0.0023)=4.725 m3空气中水蒸气密度=m/V=MP/RT=182.370%/(8.314293)=0.0119kg/m3空气含水量4.7250.0119=0.056kg（6）确定铁的挥发量：有表6中设定，铁的挥发量为：97.7592%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10。表10 熔化期物料平衡表收入支出项目质量(kg)%项目质量(kg)%废钢75.00067.16金属97.94988.01生铁25.00022.39炉渣4.1383.72碳粉0.8350.75炉气7.3476.60电极0.3000.27铁的挥发1.5641.41矿石1.0000.90其余烟尘取0.3000.27石灰2.0001.79炉顶0.0750.06炉衬0.2000.18氧气1.7311.55空气5.5354.96合计111.676100.00合计111.298100.00注：计算误差=（111.676-111.298）/111.676100%=0.34%。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。（1）确定渣量：1）留渣量。为了有利去磷，要进行换渣，即通常除去70%左右熔化渣，而进入氧化期只留下30%的渣。其组成见表11。2）金属中元素的氧化产物。根据表3给出的值可以计算产物量，详见表11。3）炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。根据表4的假定进行计算，其结果一并列入表11。4）造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量。见表11。表11 氧化期渣量的确定名称消耗量/kg成渣成分(kg)CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计留渣30%1.2410.5350.2620.0710.0420.1420.1130.0520.0240.0011.242金属中元素氧化或烧损SiMnPFeS0.0580.1130.0250.2240.009-0.0160.1240.1460.2380.0560.0570.0200.1240.1460.0570.2940.004炉顶蚀损量炉衬蚀损量电极烧损量石灰带入矿石火砖块带入0.0530.1500.1002.6601.0000.5000.0010.006略2.338*0.0130.0030.0030.0050.0010.0670.0580.304略0.134略0.0700.0030.0030.0480.001略0.0400.0150.184略0.0030.013（0.898）0.0060.0030.0020.0040.0020.0520.1490.0012.5350.0930.500合计2.8800.8240.2810.3300.2880.3510.1300.0860.0275.197%55.4215.865.416.355.546.752.501.650.52100.00*石灰中CaO被自身S还原，消耗0.003kgCaO。渣量计算的几点说明：关于石灰消耗量：由表11可知，除石灰带入的以外，渣中已含SiO2=0.262+0.124+0.003+0.005+0.001+0.058+0.304=0.757kgCaO=0.535-0.016+0.001+0.006+0.013+0.003=0.542kg。取碱度3.5，故石灰加入量为：R(SiO2)-(CaO)/%CaO石灰-R%SiO2石灰=2.108/(88.00%-3.52.50%)=2.660kg关于磷的氧化量：根据表6，可近似求得(0.073-0.033)/97.949-0.015%97.949=0.025kg。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Fe约达7%；且其中75%为（FeO），25%为（Fe2O3）。因此，渣中含（FeO）为7%75%72/56=6.75%,含（Fe2O3）为7%25%160/112=2.50%，由表11知，除FeO和Fe2O3以外的渣量为2.880+0.824+0.281+0.331+0.288+0.086+0.027=4.717kg，故总渣量=4.717/（100-6.75-2.50）%=5.198kg。于是可得（FeO）=0.351kg，（Fe2O3）=0.130kg。其中，有Fe氧化生成的（FeO）和（Fe2O3）分别为0.238kg和0.056kg。（2）确定金属量：根据熔化期的金属量以及表11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97.949-（0.058+0.113+0.025+0.224+0.009+0.318*）+0.628=97.830kg（*为碳的烧损量近似值，即1.70（1-30%）-0.89%97.949=0.318kg）（3）确定炉气量：计算方法如同熔化期。先求净耗氧量（见表12），再确定氧气消耗量（见表13），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14）。表12 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C0.318CCO0.29770%C生成COCCO20.25430%C生成CO2Si0.058Si(SiO2)0.066Mn0.113Mn(MnO)0.033P0.025P(P2O5)0.032Fe0.224Fe(FeO)0.053见表11Fe(Fe2O3)0.017见表11电极中碳的氧化C0.10099%=0.099CCO0.09270%C生成COCCO20.07930%C生成CO2合计0.923矿石供氧Fe2O30.898Fe2O3=Fe+3/2O20.269还原出铁0.628kg石灰中S还原CaOS0.002CaO+S=CaS+O0.001金属中S还原CaO供氧S0.009CaO+S=CaS+O0.005合计0.275净耗氧量0.648如表4中所述，应由氧气供给的氧为50%，即0.92350%=0.462,空气应供氧0.462-0.275=0.187kg，由此可求出氧气与空气的实际消耗量如表13表13 氧气和空气实际消耗量氧气（kg）空气（kg）带入O2带入N2带入O2带入N20.462/90%=0.5130.513/99%1%=0.0050.1870.187(77/23)=0.626=0.513+0.005=0.518=0.187+0.626=0.813表14 炉气量项目气态产物(kg)备注COCO2N2H2OH2合计金属中C的氧化电极带入矿石带入石灰带入氧气带入空气带入游离O2参与反应CO+1/2O2=CO2H2O参与反应H2O+CO=H2+CO20.5200.161-0.090-0.0360.3490.1090.1250.1410.0560.0050.6260.0120.0030.008*-0.0230.0030.8690.2700.0120.1280.0050.6340.0510C烧损量0.318kgC烧损量0.099kg*计算方法同表9游离氧0.51310%=0.051H2O全部消耗合计0.5550.7800.63100.0031.969质量分数/%28.1939.6132.0500.15100.00表 15 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75.00063.85金属97.83083.33生铁25.00021.28炉渣4.138+5.197-1.241=8.0946.89碳粉0.8350.71炉气7.347+1.969=9.3167.93电极0.300+0.100=0.4000.34铁的挥发1.5641.33矿石1.000+1.000=2.0001.70其他烟尘0.6000.51石灰2.000+2.660=4.6603.97火砖块0.5000.43炉顶0.075+0.053=0.1280.11炉衬0.200+0.150=0.3500.30氧气1.731+0.518=2.2491.91空气5.535+0.813=6.3485.40合计117.470100.00合计117.404100.00注：计算误差=（117.470-117.404）/117.470=0.06%。表16氧化末期各金属成分元素含量（%）备注C0.891（1.700-0.510-0.318）/97.830=0.891Si0见表3Mn0.086(0.563-0.366-0.113)/97.830=0.086P0.015见表3S0.024（0.032-0.009）/97.830=0.024二、热平衡计算以100kg金属料（废钢+生铁）为基础。1 计算热收入Qs（1）物料的物理热。计算结果列于表17。（2）元素氧化热及成渣热。计算结果列于表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17 物料带入的物理热名称热容kJ/(kgK)温度()消耗量(kg)物理热(kJ)炉顶0.8796000.12864.694炉衬0.9966000.350200.445电极1.5074500.400256.190合计521.329注:其他入炉原料都假设是25表18 元素氧化热及成渣热名称氧化量/kg化学反应H（kJ/kg）放热量（kJ）电极中的C0.208+0.069=0.2770.089+0.030=0.119C+1/2O2=COC+O2=CO2-11639-3483432244145碳粉中的C0.1200.052C+1/2O2=COC+O2=CO2-11639-3483413971811金属中Si金属中Mn金属中的P0.330+0.058=0.3880.366+0.113=0.4790.033+0.025=0.058Si+2(FeO)=(SiO2)+2FeMn+(FeO)=(MnO)+Fe2P+5(FeO)=(P2O5)+5Fe-11329-2176-241943961042140Fe*4.5261.662Fe+1/2O2=(FeO)2Fe+3/2O2=(Fe2O3)-4250-64601923610737SiO2成渣P2O5成渣0.87370%+0.824=1.4350.08070%+0.086=0.1422(CaO)+(SiO2)=(2CaOSiO2)4(CaO)+(P2O5)=(4CaOP2O5)-1620-48802325693合计49059*因熔化期和氧化期所需要的O2量50%由氧气提供，由表3和13可知，该气态O2总用量为1.543+0.462=2.005kg。其中,氧化成Fe2O3的量为1.662(见表6) 所需氧量为1.66248/112=0.712kg。其余O2均设定为将铁氧化成FeO，即该部分Fe的氧化量为（2.005-0.712）56/16=4.526kg.这些铁为金属中C、Si、Mn、P提供部分氧源。2 计算热支出Qz（1）钢水物理热Qg。该钢熔点为1536-（0.89170+08+0.0865+0.01530+0.02425）-6=1466；出钢温度控制在中下限，本计算中取1600。则：Qg=97.8300.699(1466-25)+272+0.837(1600-1466)=136122.33kJ（2）炉渣物理热Qr。计算结果见表19。表19 炉渣物理热名称熔化期炉渣氧化期炉渣合计温度/15201670热容kJ/(kgK)1.1721.216物理热/kJ4.13870%1.172(1520-25)+209=5680.645.1971.216(1670-25)+209=11481.8417162.48（3）吸热反应消耗的物理热Qs。详见表20。表20 吸热量名称氧化量（kg）化学反应H（kJ/kg）吸热量(kJ)金属脱碳金属脱硫石灰烧碱0.510+0.318=0.8280.0094.6604.64%=0.216C+(FeO)=CO+FeFeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)CaCO3=CaO+CO26244/C2143/CaS4177/CO25170.0343.40902.23水分挥发（由25升至1200）石灰带入矿石带入碳粉带入空气带入小计4.6600.10%=0.0052.0001.20%=0.0240.8351.25%=0.0100.056+0.008=0.0640.103H2OH2O12001227/H2O126.38金属增C0.515CC1779/C916.19合计7158.23（4）炉气物理热Qx。令炉气温度为1200，热容为1.137 kJ/(kgK)，由炉气量可得：Qx=9.3161.137(1200-25)=12445.94kJ（5）烟尘物理热Qy。将铁的挥发物计入烟尘中，烟尘