电弧炉炼钢物料平衡和热平衡

3电弧炉炼钢物料平衡和热平衡3.1 物料平衡计算3.1.1 计算所需原始数据基本原始数据：冶炼钢种及成分（见表3-1）；原材料成分（见表3-2）；炉料中元素烧损率（见表3-3）；合金元素回收率（见表3-4）；其他数据（见表3-5）。表3-1 冶炼钢种及其成分钢种成分/%备注CSiMnPSFeQ2150.090.150.030.250.550.0450.045余量FBZ注：分母系计算时的设定值，取其成分中限。表3-2 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FeMn6.600.5067.800.2300.13024.74FeSi73.000.500.0500.0302.5023.92SiMn1.6520.5063.200.0650.04514.54FeCr4.350.400.0350.04567.3027.87Al98.501.50焦炭81.500.5812.405.52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焦炭灰分4.4049.700.9526.2518.550.15电极灰分8.9057.800.1033.10表3-3 炉料中元素烧损成分CSiMnPS烧损率/%熔化期2540,取307095，去856070，取654050，取45可以忽略氧化期0.06全部烧损200.0152530，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）；按末期含量的0.015%来确定。表3-4 铁水、废钢成分设定值类别成分%CSiMnPS废钢设定值0.180.250.550.0300.030表3-5 其他数据名称参数配碳量比钢种规格中限高0.48%，即达0.6%熔化期脱碳量30%，即0.6%30%0.18kg电极消耗量4kg/t（金属料）：其中熔化期占75%；氧化期和还原期各占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%；氧化期和还原期各占43%熔化期和氧化期所需要氧量100%来自于氧气氧气纯度和利用率99%，余者为N2，氧利用率90%焦炭中碳的回收率75%（系指配料用焦炭）碳氧化产物均按70%生成CO，30%生成CO2考虑烟尘量按8.5kg/t（金属料）考虑3.1.2 物料平衡基本项目收入项有：废钢、生铁、焦炭、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、焦炭中挥发分。3.1.3 计算步骤以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段熔化期、氧化期和还原期分别进行计算，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，不足碳量用焦炭来配。其结果列于表3-6。计算用原始数据见表3-2和3-5。表3-6 炉料配入量名称用量/kg配料成分/kgCSiMnPSFe废钢100.0000.180.250.550.030.0398.96焦炭0.6870.42合计100.6870.60.250.550.030.0398.96碳烧损率25%。2)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3-5。（2）确定氧气和空气消耗量：耗氧项包括炉料中元素的氧化，焦炭和电极中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中CaO被自身S还原出部分氧。前后两者之差即为所需净氧量2.458kg。详见表3-7。根据表3-5中的假设，应由氧气供给的氧气为100%，即2.239kg。由此可求出氧气实际消耗量。详见表3-8。上述1）+2）便是熔化期的物料收入量。表3-7 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CSiMnPFe（C）CO（C）CO2（Si）SiO2）（Mn）MnO）（P）P2O5）（Fe）FeO）（Fe（Fe2O3）0.1260.0540.21250.35750.01350.2971.6820.1680.1440.24280.1040.01740.08480.721合计2.74251.482焦炭中碳的氧化电极中碳的氧化CC（C）CO（C）CO2（C）CO（C）CO20.0980.0420.2080.0890.1310.1120.2770.237合计2.239供氧项矿石石灰SCaO+S=CaS+O0.0006合计0.0006净耗氧量2.2384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）。表3-8 氧气实际消耗量氧气/kg带入O2带入N22.2384/氧利用率=2.2384/90%=3.128(3.128/99%)1%=0.032（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，焦炭和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。结果见表3-9。表3-9 熔化期炉渣量的确定名称消耗量/kg成渣组分/kgCaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计炉料SiMnPFe0.2130.3580.0140.3960.4550.460.3820.1410.0310.4550.4620.0310.523炉顶炉衬焦炭电极石灰0.0750.2000.6870.3002.0000.0010.0080.004略1.7580.0040.0070.0420.0020.050略0.1790.001略0.0520.0690.0020.0220.0010.0300.0010.0040.0160.010略0.0020.0020.0750.2000.0850.0031.904合计1.7710.5610.2320.1240.460.3820.1720.0330.0023.737百分比47.38156.23.3212.310.214.60.880.54100.00（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+焦炭配入的碳量=100-2.7425+0.42=97.6775kg。（5）确定炉气量：炉气来源于炉料以及焦炭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），焦炭的挥发分。计算结果列于表3-10。表3-10 炉气量计算项目气态产物/kgCOCO2N2H2OH2挥发物合计炉料中C的氧化焦炭带入电极带入石灰带入氧气带入游离O2参与反应CO+1/2O2=CO2H2O参与反应H2O+CO=H2+CO20.2940.2280.485-0.4354-0.00930.1980.1540.3260.0930.68410.014670.02510.0040.002-0.0060.000670.0470.4920.4240.8110.0950.02510.24870合计0.56231.470.025100.000670.0382.091质量分数/%26.8370.131.1900.031.81100.00（6）确定铁的挥发量：有表3-7中设定，铁的挥发量为：97.9492%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3-11。表3-11 熔化期物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%废钢100.00094.54金属97.677592.94焦炭0.6870.65炉渣3.73743.56电极0.3000.283炉气2.09611.99石灰2.0001.89铁的挥发1.5831.51炉顶0.0750.071炉衬0.2000.189氧气2.5132.37合计105.775100.00合计105.094100.00注：计算误差=（105.775-105.094）/105.775100%=0.64%。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3-12。2）金属中元素的氧化产物。根据表3-3给出的值可以计算产物量，详见表3-12。3）炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。根据表3-5的假定进行计算，其结果一并列入表3-12。4）造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量。见表3-12。渣量计算的几点说明：关于石灰消耗量：由表3-12可知，除石灰带入的以外，渣中已含SiO2=0.168+0.08+0.003+0.005+0.001+0.304=0.561kg;Cao=0.531+0.001+0.006+0.003-0.040=0.501kg。取碱度3.5，故石灰加入量为：RW(SiO2)-W(CaO)/w(CaO石灰)-Rw（SiO2石灰）=1.377/(88.00%-3.52.50%)=1.091kg关于磷的氧化量：根据表3-7，可近似求得(0.003-0.0135)/97.687-0.015%97.687=0.00184kg。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w（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3-12可知，除FeO和Fe2O3以外的渣量为2.127+0.608+0.225+0.298+0.189+0.019+0.0559=3.551kg，故总渣量=3.551/（100-6.75-2.50）%=3.913kg。于是可得W（FeO）=0.245kg，W（Fe2O3）=0.118kg。其中，有Fe氧化生成的（FeO）和（Fe2O3）分别为0.19kg和0.082kg。表2-12 氧化期渣量的确定名称消耗量/kg成渣成分/kgCaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计留渣1.1210.5310.170.070.0370.1390.160.0520.010.0061.121金属中元素氧化或烧损SiMnPFeS0.0380.0390.0020.1350.023-0.0400.080.0500.130.0480.0070.0520.080.0500.0070.1780.012炉顶蚀损量炉衬蚀损量电极烧损量石灰带入火砖块带入0.0530.1500.1001.8480.5000.0010.006略1.6260.0030.0030.0050.0010.0460.304略0.134略0.0480.0030.0480.001略0.0280.184略0.0030.0090.0060.0030.0030.0520.1490.0011.7620.500合计2.1270.6080.2550.2980.1890.2450.1180.0190.0563.913%54.3615.536.57.624.816.243.010.051.43100.0石灰中CaO被自身S还原，消耗0.003kgCaO。（2）确定金属量：根据熔化期的金属量以及表3-12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97.678-（0.0375+0.039+0.0016+0.135+0.023+0.318）+0.628=97.894kg（0.318为碳的烧损量接近值，即（0.60-0.18）-0.89%97.678=0.342kg）（3）确定炉气量：计算方法如同熔化期。先求净耗氧量（见表3-13），再确定氧气消耗量（见表3-14），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3-15）。具体算法可参照表3-10。 熔化期和氧化期的综合物料平衡列于表3-16。表3-13 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C0.342CCO0.31970%C生成COCCO20.27430%C生成CO2Si0.0375Si(SiO2)0.043Mn0.039Mn(MnO)0.011P0.0016P(P2O5)0.0021Fe0.135Fe(FeO)0.029见表3-12Fe(Fe2O3)0.0145见表3-12电极中碳的氧化C0.10099%=0.099CCO0.09270%C生成COCCO20.07930%C生成CO2合计0.899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0.006净耗氧量0.8574表3-14 氧气和空气实际消耗量氧气/kg带入O2带入N20.8634/氧利用率=0.8634/90%=0.959(0.959/99%)1%=0.0097表3-15 炉气量项目气态产物/kg备注COCO2N2H2OH2合计金属中C的氧化电极带入石灰带入氧气带入游离O2参与反应CO+1/2O2=CO2H2O参与反应H2O+CO=H2+CO20.5590.162-0.168-0.0050.3760.1090.1250.2640.0070.00970.003-0.0030.0020.9350.2710.1280.00970.09590C烧损量0.342kgC烧损量0.099kg游离O2量=0.00959kgH2O全部消耗掉合计0.5480.8810.00100.0021.44质量分数/%38.0661.180.6700.13100.00表 3-16 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10091.4金属97.09982.29焦炭0.6870.64炉渣3.737+2.792=6.5296.03电极0.300+0.100=0.4000.30炉气2.096+1.44=3.5363.25石灰2.000+1.848=3.8483.52铁的挥发1.5831.46火砖块0.5000.46其他烟尘0.8310.67炉顶0.075+0.053=0.1280.12炉衬0.200+0.150=0.3500.32氧气2.513+0.986=3.4813.18合计109.394100.00合计108.747100.00注：计算误差=（109.394-108.747）/109.394100%=0.59%。氧化期末金属成分如下：CSiMnPS%0.08痕迹0.1580.0150.0223.2 热平衡计算以100kg金属料（废钢+生铁）为基础。3.2.1 计算热收入Qs（1）物料的物理热。计算结果列于表3-17。（2）元素氧化热及成渣热。计算结果列于表3-18。（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 3-17 物料带入的物理热名称热容/kJ(kg)-1温度/消耗量/kg物理热/kJ废钢0.69925100.0001747.5石灰0.72825.084870.034火砖块0.858250.50010.725焦炭0.858250.68714.736炉顶0.8796000.12867.507炉衬0.9966000.350209.16氧气1.318253.841126.561电极1.5074500.400271.26合计2517.483表3-18 元素氧化热及成渣热名称氧化量/kg化学反应H/kJkg-1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焦炭中的C0.1670.07C+1/2O2=COC+O2=CO2-11639-3483419442438金属中Si0.2125+0.0375=0.25Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe-113292832金属中Mn0.3575+0.039=0.3965Mn+(FeO)=(MnO)+Fe-2176863Fe8.5241.682Fe+1/2O2=(FeO)2Fe+3/2O2=(Fe2O3)-4250-64603622710866SiO2成渣P2O5成渣0.560770%+0.607695%=0.96970.032970%+0.01995%=0.041082(CaO)+(SiO2)=(2CaOSiO2)4(CaO)+(P2O5)=(4CaOP2O5)-1620-48801571200合计64347因熔化期和氧化期所需要的O2量100%由氧气提供，由表3-8和3-14所知，该气态O2总用量为3.447kg。3.2.2 计算热支出Qz（1）钢水物理热Qg。该钢熔点为1536-（0.1865+0.38+0.475+0.04530+0.04525）-6=1511；出钢温度控制在中下限，本计算中取1580。则：Qg=97.10.699(1511-25)+0.837(1580-1452)=132878.15kJ（2）炉渣物理热Qr。计算结果见表3-19。表3-19 炉渣物理热名称熔化期炉渣氧化期炉渣合计温度/15001650热容/kJ(kgK)-11.1721.216物理热/kJ2.6161.172(1500-25)+209=5069.023.8991.216(1650-25)+209=8519.3213588.34（3）吸热反应消耗的物理热Qs。详见表3-20。表3-20 吸热量名称氧化量/kg化学反应H/kJkg-吸热量/kJ金属脱碳渣中（FeO）和（Fe2O3）被C粉中的C还原石灰烧碱0.6-97.10.08%=0.522C=0.002C=0.0043.8484.64%=0.179C+(FeO)=CO+Fe(FeO)+C=CO+Fe(Fe2O3)+3C=3CO+2FeCaCO3=CaO+CO262446244852041773259.3712.4934.08747.68水分挥发（由25升至1200）石灰带入焦炭带入小计3.8480.10%=0.0040.5150.58%=0.0030.007H2OH2O12001227/H2O8.59金属增C0.42CC1779/C747.18合计4809.39（4）炉气物理热Qx。令炉气温度为1200，热容为1.137 kJ(kgK)-1 ，由炉气量可得：Qx=3.5361.137(1200-25)=4724kJ(5)烟尘物理热Qy。将铁的挥发物计入烟尘中，烟