第2章-炼钢过程的物料平衡和热平衡计算

第 2 章 炼钢过程的物料平衡和热平衡计算 炼钢过程的物料平衡和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过程中物料 能量的收入项和支出项 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 2 1 物料平衡计算 2 1 1 计算原始数据 基本原始数据有 冶炼钢种及其成分 铁水和废钢的成分 终点钢水成分 见表 2 1 造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分 见表 2 2 脱氧和合金化 用铁合金的成分及其回收率 表 2 3 其他工艺参数 表 2 4 表 2 1 钢种 铁水 废钢和终点钢水的成分设定值 类别 成分含量 CSiMnPS 钢种 Q235A 设定值 0 180 250 55 0 045 0 005 铁水设定值 4 20 500 750 200 025 废钢设定值 0 200 250 430 0200 032 终点钢水设定值 0 10 痕迹 0 2500 0150 002 表2 2 原材料成分 类别 成分 CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC 灰分挥 发 分 石灰 88 66 2 702 601 500 500 100 0 6 4 640 10 萤石 0 3 0 5 500 601 601 5088 000 900 1 0 1 50 生石 灰石 36 40 0 8025 6 0 1 0036 2 0 炉衬 1 2 0 3 0078 8 0 1 401 6014 0 0 焦炭 0 5881 5 0 12 4 0 表2 3 铁合金成分 分子 及其回收率 分母 类别 成分含量 回收率 CSiMnAlPSFe 硅铁 73 00 750 50 802 50 00 05 1000 03 10023 92 100 锰铁 6 60 900 50 7567 8 80 0 23 1000 13 10024 74 100 注 上表中的C中10 于氧生成CO2 表2 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 喷溅铁损 CaO SiO2 3 5 为铁水量的0 5 为铁水量的2 5 为铁水量的0 3 15 而 Fe2O3 FeO 1 3 即 Fe2O3 5 FeO 8 25 为铁水量的1 5 其中 FeO 为75 Fe2O3 为 20 为铁水量的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 占总去硫量的1 3 90 的C氧化成CO 10 的C氧化成CO2 由热平衡计算确定 本计算结果为铁水 量的13 7 即废钢 比为12 05 2 1 2 物料平衡基本项目 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 2 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 炉衬蚀损和计入溶剂的成渣量 其各项成渣量分 别列于表2 5 2 6和2 7 总渣量及其成分列于表2 8中 第二步 计算氧气消耗量 氧气实际耗量系消耗项目与供入项目之差 见表2 9 表 2 5 铁水中元素的氧化产物及其渣量 元素反应产物元素氧化量 耗氧量 产物量 备注 C CO 4 10 90 3 6904 7208 610 C C CO2 4 10 10 0 4100 6400 88 Si Si SiO2 0 5000 5711 071 入渣 Mn Mn MnO 0 5000 1450 645 入渣 P P P2O5 0 1850 2390 424 入渣 S SO2 0 03 1 3 0 0080 0080 016 S S CaO CaS O 0 03 2 3 0 015 0 008 0 034 CaS 入渣 Fe FeO 0 897 56 72 0 6850 1950 897 入渣见表 2 8 Fe Fe Fe2O3 0 48 112 160 0 3770 1440 490 入渣见表 2 8 合计 6 3307 034 成渣量 3 942 入渣组分之 和 由 CaO 还原出的氧量 消耗的 CaO 量 0 020 56 32 0 035kg 表 2 6 炉衬蚀损的成渣量 成渣组分 kg气态产物 kg耗氧量 炉衬蚀损 量 CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3C COC CO2C CO CO2 0 3 据表 2 5 0 00 4 0 00 9 0 23 6 0 00 4 0 00 5 0 3 14 90 28 12 0 0 88 0 3 14 10 44 12 0 0 15 0 3 14 90 28 12 10 44 12 0 062 合计 0 2580 1030 062 表 2 7 加入溶剂的成渣量 成渣组分 kg气态产物 kg类 别 加入量 CaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2 萤 石 0 5 据 表 2 4 0 002 0 00 3 0 0280 0080 0080 0050 0010 4400 005 白 云 石 2 5 据 表 2 4 0 910 0 64 0 0 0200 025 0 90 5 石 灰 5 76 5 080 0 15 0 0 1470 0750 0360 0110 0040 006 0 25 0 0 001 合 计 5 992 0 79 3 0 1950 1080 0440 0160 0050 4400 011 1 15 5 0 001 成渣量 7 593 石灰加入量计算如下 由表 4 6 4 8 可知 渣中已含 CaO 0 026 0 004 0 002 0 910 0 890 渣中已含 SiO2 1 071 0 009 0 028 0 020 1 128 因设定的终 渣碱度 R 3 5 故石灰的加入量为 R SiO2 CaO CaO石灰 R SiO2 石灰 3 95 88 66 3 5 2 70 4 99kg 石灰中 CaO 含量 石灰中 S CaS 消耗的 CaO 量 由 CaO 还原出来的氧量 计算方法同表 2 6 的注 表 2 8 总渣量及其成分 炉渣成分CaO SiO2MgO Al2O 3 MnOFeO Fe2O 3 CaF2P2O5 CaS合计 元素氧化成渣量 kg 1 07 1 0 49 7 0 897 0 54 1 0 42 4 0 03 4 3 979 石灰成渣量 kg 4 39 6 0 13 5 0 13 0 0 07 5 0 02 5 0 00 5 0 00 7 5 471 炉衬蚀损成渣量 kg 0 00 4 0 00 9 0 23 6 0 00 4 0 00 5 0 258 生白云石成渣量 kg 0 91 0 0 02 0 0 64 0 0 02 5 1 595 萤石成渣量 kg 0 00 2 0 02 8 0 00 3 0 00 8 0 00 8 0 44 0 0 00 5 0 00 1 0 495 总成渣量 kg 5 13 2 1 26 3 1 00 9 0 11 2 0 49 7 0 973 0 54 3 0 44 0 0 43 4 0 04 1 10 869 质量分数 50 8 2 14 4 4 8 720 954 218 255 003 733 530 35100 00 总渣量计算如下 因为表 2 9 中除 FeO 和 Fe2O3 以外总渣量为 5 996 1 704 1 029 0 112 0 497 0 440 0 416 0 041 9 249Kg 而终渣 FeO 15 表 2 4 故总 渣量为 10 235 86 75 10 681Kg FeO 10 681 8 25 0 881Kg Fe2O3 10 681 5 0 040 0 005 0 008 0 481Kg 表 2 9 实际耗氧量 耗氧项 Kg 供氧项 Kg实际氧气消耗量 Kg 铁水中元素氧化消耗量 7 034 炉衬中碳氧化消耗量 0 062 石灰中 S 与 CaO 反应还原出的 氧化量 表 2 7 0 002 烟尘中铁氧化消耗量 0 340 炉气自由氧含量 0 060 合计 7 766合计 0 002 7 766 0 002 0 041 7 805 炉气 N2 存在于氧气中 见表 2 4 的质量 详见表 2 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 2 5 2 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 V 3g 961 7 50 98 32 4 22002 0 093 8 7 0864 7 99 50 98 Vx Gs7 0V99 V Vx0 5 VGs 32 4 22 99 1 0 5 VVgV m 式中 Vg CO CO2 SO2和 H2O 各组分总体积 m 本设计中 其值为 6 598 22 4 28 2 310 22 4 44 0 020 22 4 64 0 011 22 4 18 7 864m GS 不计自由氧的氧气消耗量 Kg 其值为 7 691 0 062 0 34 8 093Kg VX 石灰中的 S 与 CaO 反应还原出的氧气量 其质量为 0 001Kg 99 由氧气纯度 99 转换得来 0 5 炉气中自由氧含量 表 2 10 炉气量及其成分 炉气成分炉气量 Kg体积 m 体积分数 CO 8 6986 95879 76 CO2 2 6520 89117 77 SO2 0 0080 0031 06 H2O 0 010 0120 21 O2 0 040 0 057 0 50 N2 0 0570 071 0 70 合 计 11 4656 617100 00 炉气中O2的体积为 6 617 0 5 0 033m 质量为 0 033 32 22 4 0 047kg 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 0 046 28 22 4 0 058 kg 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 944 90 6798 111 160 112 20 72 56 7550 1 33 6100 据此可以编制出未加废钢 脱氧与合金化前的物料平衡表 2 11 2 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100 00 86 48 钢水 92 614 79 23 石灰 4 994 98 炉渣 10 87 10 19 萤石 0 500 43 炉气 9 04 7 81 生白云石 2 502 16 喷溅 1 00 0 86 炉衬 0 300 26 烟尘 1 50 1 30 氧气 7 8055 69 渣中铁珠 0 71 0 61 合计 113 072100 00 合计 115 81 100 00 注 计算误差为 115 63 115 81 115 63100 0 15 表 2 12 废钢中元素的氧化量及其成渣量 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 kg C C CO 13 7 0 08 90 0 0120 016 0 028 入气 C CO2 13 7 0 08 10 0 0010 003 0 004 入气 Si Si SiO2 13 7 0 25 0 0340 0390 0510 Mn Mn MnO 13 7 0 435 0 0250 0070 1047 P P P2O5 13 7 0 005 03 0010 0010 002 S S SO2 13 7 0 009 1 3 0 00 13 0 0013 0 0026 入气 S CaO CaS O 13 7 0 009 2 3 0 00 26 0 0013 0 0059 Ca S 合 计 0 0770 066 13 7 0 077 13 623 成渣量 kg 0 1660 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 2 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 2 12 再将其与表 2 11 归类合并 遂 得加入废钢后的物料平衡表 2 13 和表 2 14 表 2 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 100 0083 54 钢 水 90 944 13 623 104 56779 81 废 钢 13 73 39 炉 渣 10 681 0 113 10 7949 97 石 灰 4 994 81 炉 气 11 465 0 0346 11 57 54 萤 石 0 500 42 喷 溅 1 000 83 轻烧生白云石 2 502 09 烟 尘 1 501 25 炉 衬 0 300 25 渣中铁珠 0 6410 60 氧 气 7 085 0 066 7 875 50 合 计 129 86100 00 合 计 120 02100 00 注 计算误差为 119 71 120 02 119 71100 0 26 表 2 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 87 9583 54 钢 水 91 4379 81 废 钢 12 053 39 炉 渣 9 529 97 石 灰 4 404 81 炉 气 10 157 54 萤 石 0 440 42 喷 溅 0 880 83 轻烧生白云石 2 202 09 烟 尘 1 321 25 炉 衬 0 260 25 渣中铁珠 0 560 60 氧 气 6 945 50 合 计 115 04100 00 合 计 115 33100 00 第六步 计算脱氧和合金化后的物料平衡 先根据钢种成分设定值 表 2 1 和铁合金成分及其烧损率 表 2 3 算出 锰铁和硅铁的加入量 再计算其元素的烧损量 将所得结果与表 2 14 归类合并 即得冶炼一炉钢的总物料平衡表 锰铁加入量为 Mn W 加加加 加加加加加加加加 加加加加 Mn MnMn WMn g51 043 91 80 80 67 255 0 55 0 K 硅铁加入量为 Si W 加加加加加加 加加加加加加加加 加加 SiSi中中 Si SiSi ne中中 Si MF W kg38 0 75 00 73 002 0 41 0 43 91 25 0 铁合金中元素的烧损量和产物量列于表 2 15 表 2 15 铁合金中元素烧损量及其产物量 类 别 元 素 烧损量 kg 脱氧量 Kg 成渣量 Kg 炉气量 Kg 入钢量 Kg C 0 51 6 60 10 0 00 3 0 010 0 015 CO2 0 51 6 60 90 0 03 0 Mn 0 51 67 80 20 0 0 69 0 0200 089 0 51 67 80 80 0 2 77 Si 0 51 0 50 25 0 00 1 0 0010 002 0 51 0 50 75 0 00 2 P 0 51 0 23 0 001 S 0 51 0 13 0 001 Fe 0 51 24 74 0 126 锰 铁 合 计 0 0730 0310 0910 0150 410 Al 0 38 2 50 100 0 0 11 0 0060 006 Mn 0 38 0 50 20 0 00 04 0 0005 0 0005 0 38 0 50 80 0 00 2 Si 0 38 73 0 25 0 06 94 0 07930 149 0 38 73 0 75 0 20 8 P 0 38 0 05 0 0002 S 0 38 0 03 0 0001 Fe 0 38 23 92 0 0908 硅 铁 合 计 0 07980 08940 1720 301 总 计 0 1530 120 2470 0150 711 脱氧和合金化后的钢水成分如下 13 0 100 14 92 030 0 10 0 C 23 0 100 14 92 208 0 002 0 Si 55 0 100 14 92 002 0 277 0 25 0Mn 016 0 100 14 92 001 0 015 0 P 021 0 100 14 92 001 0 02 0 S 可见 含碳量尚未达到设定值 为此需要在钢包内加焦炭粉增碳 其加入量 W1 为 Kg Wj 06 0 75 50 81 14 92 04 0 C C 0 14 0 18 回收率量焦炭含 钢水量刚水量 焦粉生成的产物如下 炭烧损量 Kg耗氧量 Kg气体量 Kg成渣量 Kg碳入钢量 Kg 0 06 81 50 25 0 012 0 0320 037 0 05 0 5 8 5 52 0 047 0 05 12 40 0 0 07 0 05 81 50 0 7 5 0 037 由上述计算可得冶炼过程 即脱氧和合金化后 的总物料平衡表 2 16 表 2 16 总物料平衡表 收 入支 出 项 目质量 kg 项 目质量 kg 铁 水 87 9582 62 钢 水 92 7179 74 废 钢 12 053 35 炉 渣 9 7710 11 石 灰 4 404 76 炉 气 10 157 51 萤 石 0 440 41 喷 溅 0 880 82 轻烧生白云石 2 202 06 烟 尘 1 321 23 炉 衬 0 260 25 渣中铁珠 0 560 60 氧 气 6 94 5 58 锰 铁 0 510 56 硅 铁 0 380 36 焦粉 0 060 05 合计 116 32100 00 合 计 116 60100 00 注 计算误差为 114 06 115 25 114 06 100 1 04 可近似认为 0 102 0 016 的氧量系出钢水时二次氧化所带入的氧量 2 2 热平衡计算 2 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 2 17 物料平 均热容 表 2 18 反应热效应 表 2 19 溶入铁水中的元素对铁熔点的影响 表 2 20 其他数据参照物料平衡选取 表 2 17 入炉料及产物的温度设定值 3 入 炉 物 料产 物 表 2 名 称 铁水 废钢其他原料炉渣炉气烟尘 温度 13202525 与钢水相同 14501450 纯铁熔点为 1536 表 2 18 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 kg K 1 0 7450 6991 0470 996 熔化潜热 kJ kg 1 218272209209209 液态或气态平均热容 kJ kg K 1 0 8370 8371 2481 137 表 2 19 炼钢温度下的反应热效应 组元化学反应 H kJ kmol 1 H kJ kg 1 C C 1 2 O2 CO 氧化反应 139420 11639 C C O2 CO2 氧化反应 418072 34834 Si Si O2 SiO2 氧化反应 817682 29202 Mn Mn 1 2 O2 MnO2 氧化反应 361740 6594 P 2 P 5 2 O2 P2O5 氧化反应 1176563 18980 Fe Fe 1 2 O2 FeO 氧化反应 238229 4250 Fe 2 Fe 3 2 O2 Fe2O3 氧化反应 722432 6460 SiO2 SiO2 2 CaO 2CaO SiO2 成渣反应 97133 1620 P2O5 P2O5 4 CaO 4CaO P2O5 成渣反应 693054 4880 CaCO3 CaCO3 CaO CO2 分解反应 1690501690 MgCO3 MgCO3 MgO CO2 分解反应 1180201405 2 2 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 见表 2 17 2 2 和 2 19 计算铁水熔点 Tt 然后由铁水温度和生铁热容 见表 2 17 和表 2 18 确定 Qw 表 2 20 溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值 元 素 CSiMnPSAlCr N H O 在铁中的极 限溶解度 5 41 18 5 无 限 2 80 18 35 0 无 限 溶入 1 元 素使铁熔点 降低值 657075808590 10 0 85302531 5 氦 氢 氧 溶入使铁熔 点降低值 6 适用含量范 围 1 1 0 2 0 2 5 3 0 3 5 4 0 3 15 0 7 0 0 08 1 1 8 10966 25025 0 302 0575 0 85 01002 4 1536 t T KJQw00 11450010961250837 0 218251096745 0 100 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 见表 2 29 可以计算出 其结果列于表 2 21 中 表 2 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 kJ C CO3 6911639 42947 91 Fe Fe2O30 377 6460 2177 02 C CO20 41 34834 14281 94P P2O50 185 18980 3511 3 Si SiO20 50 29202 14601P2O5 4CaO P2O50 434 4880 2117 92 Mn MnO0 50 6594 3297SiO2 2CaO SiO21 236 1620 2002 32 Fe FeO0 685 4250 2911 25 合 计 Qy 80003 42 3 烟尘氧化热 Qc 由表 2 5 中给出的烟尘参数和反应热效应计算可得 KJQc35 50756460 160 112 204250 72 56 755 1 4 炉衬中碳的氧化热 Q1 根据炉衬侵蚀量和含碳量确定 KJQl25 58634834 10 143 011639 90 143 0 故热收入总值为 KJQQQQQ lcyws 26 208009 第二步 计算热支出项 Qz 热支出项包括 钢水物理热 炉渣物理热 炉尘物理热 炉气物理热 渣 中铁珠物理热 喷溅物 金属 物理热 轻烧白云石物理热 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 40 60 后者约为 3 6 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 50 90 确定出钢 温度 Tz 最后由钢水量和热容算出物理热 1523625002 030015 0525 0 6510 01536 g T 式中 0 60 0 50 0 020 和 0 021 分别为终点钢水中 C Mn P 和 S 的含 量 16937050501523 z T 式中 50 50 和 70 分别为出钢过程中的温降 镇静及炉后包括精炼处理等 过程中的温降和过热度 KJQg90 13558615201693837 0 272251523699 0 614 92 2 炉渣物理热 Qr 令终渣温度与钢水温度相同 则得 KJQr58 24466209251693248 1 681 10 3 炉衬 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 祥见表 2 22 表 2 22 某些物料的物理热 项 目参数 kJ备 注 炉气物理热 6 333 1 137 1450 25 10260 88 1450 系炉气和烟尘的 温度 烟尘物理热 1 5 0 996 1450 25 209 2442 45 渣中铁