物料平衡与热平衡计算(习题课)

11原始数据111铁水成分及温度表111成分CSIMNPS温度425008500580015000371250112原材料成分表112原材料成分种类CAOSIO2MGOAL2O3SPCAF2FEOFE2O3H2OC烧碱合计石灰913812615414200643410000矿石11051105211600728861805010000萤石600058178009055890020010000轻烧白云石3084046201607400401147810000镁质炉衬545010539451005010000表211铁水成分与温度成分CSIMNPS温度430006500560015000381300转炉冶炼钢种常为普通碳素钢和低合金钢，在此以要求冶炼BD3钢考虑，其成分见表213成分（中限）CSIMNPS01602401602803506500450045114平均比热表114项目固态平均比热千卡/公斤度熔化潜热千卡/公斤液态或气态平均比热千卡/公斤度生铁钢炉渣烟尘矿石炉气COCO2SO2O2N2H2O017801670238526550500200200298034905580555036503460489115冷却剂用废钢作冷却剂，其成份与冶炼钢种成份的中限相同。见表113116反应热效应虽然炉内化学反应，实际上是在炉料温度和炉内上部气相温度之间的任一温度发生的，但反应热效应通常仍采用25作为参考温度，值得指出的是，反应热还与组分在铁水中存在形态有关，至今对参与化学反应有关的实际组成物还有不同的看法。但是，比较常用的反应热数据见表115。表115放出热（千卡）每公斤元素或化合物反应每公斤分子千卡元素或化合物CFE3CO2CO1CFE3CO2CO2SIFE3SIO2SIO22PFE3PO2P2O5MNO2MNO1095FEO2FE095OFEO2FEO2FEO2FE2O33FE2O2FE3O42CAOSIO22CAOSIO24CAOP2O54CAOP2O5FEOSIO2FEOSIO2MNOSIO2MNOSIO23139709906351900152280133592007463727364430019691002672434297802165013245004588942616982507676724522616779120011150517581159464950116218061072CCSIPMNFEFEFEFESIO2P2O5FEOMNO通常近似认为是FEO2FEO1117其它数据的选取（根据国内同类转炉的实测数据选取）1渣中铁珠量为渣量的58，本设计取8。2金属中碳的氧化假定为8090的碳氧化成CO，2010的碳氧化成CO2。3喷溅铁损为铁水量的0710，本设计取10。4取炉气平均温度1450，炉气中自由氧含量为05，烟尘量铁珠量的16，其中FEO77，FE2O320。5氧气成分为985O2，15N2。6炉衬侵蚀量为铁水量的05。12物料平衡计算根据铁水成份，渣料质量以及冶炼钢种，采用单渣不留渣操作，通常首先以100公斤铁水为计算基础，然后再折算成100公斤金属料。121炉渣量及其成份的计算炉渣来自金属中元素的氧化产物，渣料以及炉衬侵蚀等。1铁水中各元素氧化量见表221表121成份重量项目（公斤）CSIMNPS铁水终点钢水氧化量4250015041000850痕迹0850058001740406015000150135003700220015终点钢水成份是根据同类转炉冶炼钢种的实际数据选取，其中C应根据冶炼钢种含碳量的中限和预估计的脱氧剂的增碳量（0203）之差来确定终点钢水含碳量，取0150。SI在碱性转炉炼钢法中，铁水中的硅几乎全部被氧化，随同加入的其它材料带入的SIO2一起进入炉渣中，故终点钢水硅的含量为痕迹。MN终点钢水残锰量，一般为铁水中锰含量的3040，取30。P采用低磷铁水操作，铁水中磷约8595进入炉渣，在此取铁水中磷的90进入炉渣，10留在钢中。同时要考虑钢包中回磷的因素。S氧气转炉内去硫率不高，一般在3050的范围，取40。2各元素氧化量、耗氧量及其氧化产物量见表122。表122元素反应及其产物元素氧化量（公斤）耗氧量（公斤）氧化产物量（公斤）备注CCSIMNPSSFEFECO2CO1CO2CO2SIO2SIO2MNO2MNO12PO2P2O5SO2SO2SCAOCASOFEO2FEO2FEO2FE2O341009036904100100410085004060135001500053100150005001105604753690492012604101093308500971804060118516013501742000050005300100005161056030250575020412483690861012804101503408501821860040605245710135030962400050010300100023713580679假定气化硫率占总去硫率的。0005表示还原出31的氧量，消耗CAO量为00100018256见表228见表228指生成的CAS量3造渣剂成分及数量50吨氧气转炉加入造渣剂数量，是根据国内同类转炉有关数据选取1矿石加入量及成分矿石加入量为100公斤100公斤铁水，其成分及重量见表123表123成分重量公斤FE2O3FEOSIO2AL2O3CAOMGOSH2O1006180061810029400294100561005610011000111001000010100052000510000700011000500005共计100S以SCAOCAOO的形式反应，其中生成CAS量为00010002公斤，消耗CAO量为00010002公斤，生成微量氧3273256为00010001公斤。162萤石加入量及成分萤石加入量为050公斤100公斤铁水，其成分及重量见表224表124成分重量公斤CAF2SIO2AL2O3MGOPSH2O050890004450506000030050178000905005800030500550003050009000040502000010共计0500P以2PO2（P2O5）的形式进行反应，其中生成P2O5量为500030007公斤，消耗氧量为00030004公斤。614680S微量，忽略之。3）炉衬侵蚀量为050公斤/100公斤铁水，其成分及重量见表125表125成分重量公斤CAOMGOSIO2AL2O3C0505400027005037950190050205001005010000050505000025共计0500被浸蚀的炉衬中碳的氧化，同金属中碳的氧化成CO，CO2的比例相同，即CCO0025900053公斤128CCO20025100009公斤4其消耗氧气量为00530030公斤00090007公斤816432共消耗氧气量为00300070037公斤4）生白云石加入量及成份为了提高转炉炉衬寿命，在加入石灰造渣的同时，添加一部分白云作造渣剂，其目的是提高炉渣中MGO的含量。初期渣中（MGO）含量增高，使炉渣的熔点和粘度明显降低，减缓或阻碍石灰颗粒表面的硅酸二钙层（2CAOSIO2）的形成，从而加速石灰的熔解。同时，能减少初期渣中的（FEO）含量或者中和一部分氧化铁，因此降低了炉渣的有效氧化能力。这样就使得焦油白云石炉衬中碳的氧化作用减慢，有利于提高炉衬浸蚀能力。另外，提高炉渣中的（MGO）含量，降低了炉渣对炉衬的浸蚀能力，在吹炼后期随着炉渣碱度的提高，其粘度相应提高，使得炉壁容易挂渣，从而保护避免受浸蚀，也有利于提高炉衬寿命。生产实践表明，渣中（MGO）含量为68时，其效果较好。为此，必须保证渣中（MGO）含量在68之间来计算白云石加入量。经试算后取生白云石加入量为2030/100公斤铁水，本设计取30，其成份及重量见表126表126成分重量公斤CAOMGOSIO2AL2O3烧碱30030840925300201606053000460014300074002230047801434共计3000烧减是指生白云石（MGCO3CACO3）分解后而生产的CO2气体。5）炉渣碱度和石灰加入量取终渣碱度R2840取352SIOCA首先计算由上述造渣剂以及铁水中各元素氧化产物而进入炉渣中的SIO2和CAO的重量，然后再计算石灰加入量。渣中已存在的SIO2量铁水中SI氧化生成的SIO2量炉衬带入的SIO2量矿石带入的SIO2量萤石带入的SIO2量白云石带入的SIO2量182100100056003000141931公斤。渣中已存在的CAO量白云石带入的CAO量炉衬带入的CAO量矿石带入的CAO量铁水中S成渣消耗的CAO量矿石中S成渣消耗的CAO量09250270010001800021185公斤。石灰加入量有效2CAOIRX石灰石灰22SIORXCAAI6537公斤61530891加入石灰所代入的各成份及重量见表127。表127成分重量公斤CAOMGOSIO2AL2O3S烧碱6537910859546537154010165371660108653712200806537006000465374440290共计6537S以S（CAO）（CAS）O的形式反应，其中生成（CAS）量为00040009，生成氧量为00040002公斤；消耗（CAO）量为327321600040007公斤。56烧减是指未烧透的CACO3经受热分解所产生的CO2气体量。6）终点氧化铁的确定终渣中氧化铁的含量与钢水的终点含碳量和终渣的碱度有关，根据生产实践数据，终点钢水含碳量为015和终渣碱度为35时，终渣中（FE2O3）5和（FEO）10。7）终渣量及其成份表128中不计（FEO）和（FE2O3）在内的炉渣重量为CAOMGOSIO2P2O5MNOAL2O3CAF2CAS7152090420390316052401270445003411541公斤已知渣中氧化铁量为15，则渣中其它成份之和为1001585故炉渣总重量为13578公斤由此可知8541（FEO）的重斤，其中铁重13581056公斤7256（FE2O3）的重量1357850679公斤，其中铁重量06790474公斤10将（FEO）和（FE2O3）的值分别填入表232中。终渣量及其成份见表128。表128成份氧化产物量公斤石灰公斤矿石公斤轻烧白云石公斤炉衬公斤萤石公斤合计公斤CAOMGOSIO2P2O5MNOAL2O3CAF2CASFEOFE2O3182103090524002313580679594701010108008000090010000500560011000209250605001400220270019000100005000300300007000904457152090420390316052401270445003413580679526766615022333860933280251000500总计47146245008415660475049413578100005947石灰中CAO含量石灰中S自耗CAO重量595400075947和是元素铁被氧化成氧化亚铁和三氧化二铁的重量。122矿石、烟尘中的铁及重量假定矿石中（FEO）全部被还原成铁，则矿石带入铁量100294061800661公斤72561602烟尘带走铁量16077201182公斤矿石代入的氧量10029406180251公斤148烟尘消耗氧量16077200370公斤7260123炉气成份及重量表129成份重量公斤体积，米3（体积）COCO2SO2O2N2H2O86633236001000630108001586636930284323616470010000464004400860015001918279381887004050099022共计12095873010000表129中各项的计算如下；CO的重量铁水中的C被氧化成CO的重量炉衬中的C被氧化成CO的重量861000538663公斤CO2的重量铁水中的C被氧化成CO2的重量炉衬中的C被氧化成CO2的重量白云石烧减的重量石灰烧减的15030009143402903236公斤SO2的重量铁水中的S气化而产生的氧化物重量0010公斤H2O汽的重量矿石代入的水分全部汽化的重量萤石代入的水分全部汽化的重量000500100015公斤和分别是自由氧和氮气的重量和体积，它是由表129中炉气的其它成份反算出来的，即已知氧气成份为985O2，15N2和炉气中自由氧体积比为050，求自由氧和氮气的体积和重量，其求法如下设炉气总体积为X米3，则X元素氧化生成的气体体积和水蒸汽的体积自由氧体积氮气体积，即X6930164700040019050X19855985020403778132/4X8600050X00850008X整理得X8730米30516故炉气中自由氧体积87300500044米3自由氧重量00440063公斤42炉气中氮气体积0085000887300086米3炉气中氮气重量00860108公斤8括号内的数据参看下面氧气消耗项目。124氧气消耗量计算消耗和代入氧气的项目为为元素氧化耗氧重量7782公斤烟尘中铁氧化耗氧重量0370公斤炉衬中碳氧化耗氧重量0037公斤萤石中磷氧化耗氧重量0004公斤炉气中自由氧重量0063公斤炉气中氮气重量0108公斤矿石分解代入及其中硫把氧化钙还原出的氧的重量为10618020400010252公斤160487216石灰中硫把氧化钙还原出的氧重量0002公斤故氧气实际消耗重量为778203700037000400630108025200028110公斤换算成体积8110568标米3/100公斤铁水324或568标米3/吨铁水吨钢耗氧量，即供氧强度在5565M3/T则计算合理。125钢水量计算吹损包括下列组成项目化学损失（元素氧化）量7037公斤烟尘中铁损失量1182公斤渣中铁珠损失量1357881086公斤喷溅铁损失量1000公斤但是，矿石代入铁量0661公斤故钢水重量为1007037118210861000066190356公斤即钢水收得率为9036126物料平衡表（以100公斤铁水为基础）表1210收入项支出项项目重量（公斤）项目重量（公斤）铁水石灰矿石萤石白云石炉衬氧气1000006537100005003000050081108358546034042251042677钢水炉渣炉气烟尘铁珠喷溅903561357812095160010861000754811341010134091088总计11964710000总计11971510000计算误差100收入项支出项收入项10064719500605则合格13热平衡计算131热收入项1铁水物理热为了简化计算，取冷料入炉温度均为25铁水熔点1536425100086805850183000372571089式中100、8、5、30、25分别为C、SI、MN、P、S元素增加1含量降低铁水熔点值；7为气体O2、H2、N共降低铁水熔点值；1536为纯铁熔点，取铁水温度为1250，则铁水物理热1000178108925520201250108927360千卡2铁水中各元素氧化放热及成渣热CCO36902616996564千卡CCO204108250738828千卡SISIO208506767257521千卡MNMNO0406167796812千卡FEFEO10561150512149千卡FEFE2O30475175818851千卡PP2O50135452266106千卡P2O54CAOP2O50316116213672千卡SIO22CAOSIO22039495010093千卡共计235096千卡3烟尘氧化放热167711505201758114962千卡72561602则热收入总量为2736026509614962523658千卡注对于炉衬中的C和萤石中的P，其氧化放热甚少，故忽略之。132热支出项1钢水物理热钢水熔点15360150650174500153000222571517式中65、5、30、25分别为钢中元素C、MN、P、S增加1时钢水熔点的降低值。确定出钢温度（1）钢水过热度，镇静钢一般在7090，取70（2）镇静温度降，按13/分钟计，镇静时间为79分，故其温度降为21（3）出钢温度降，一般在4050,取50故出钢温度钢水熔点过热度镇静温度降出钢温度降15177021501658则钢水物理热9035601071517256502016581517309346千卡2炉渣物理热取终点炉渣温度与钢水温度相同，即1658故炉渣物理热1357802981658255072864千卡3矿石分解吸热129401150561875817256160210236千卡4烟尘物理热160233145025506226千卡5炉气物理热6930034916471450492136渣中铁珠物理热10860167151725650201658151737187喷溅金属物理热1016715172565020165815173424千卡8白云石分解吸热取生白云石中的CACO3在1183K分解，MGCO3在750K分解，经过计算，生白云石的分解热效应为生340千卡/公斤生白云石，故3公斤生白云石分解吸热为33401020千卡上述各项热支出量为3093467286410236622649213371834241020465227千卡9剩余热量吹炼过程转炉热辐射、对流、传导、传热以及冷却等带走的热量，与炉容量小，操作等因素有关，一般为总收入热量的38，本计算取5，故热损失为523658526183千卡则剩余热量为5236584652272618332248千卡10废钢加入量1公斤废钢吸收热量为101671517256502165815173424千卡则可加入的废钢量为942公斤即废钢比为10043284291086111热平衡表表131收入项支出项项目热量（千卡）项目热量（千卡）铁水物理热2736005225钢水物理热3093465908元素氧化放热和成渣热2350964489炉渣物理热728641391其中C1303922490矿石分解热10236196SI575211090烟尘物理热6226119MN6812130炉气物理热4921894P6106117铁珠物理热3718071FE20502391喷溅物理热3424065P2O53672070白云石分解热1020195SIO210093193其它热损失26188500烟尘氧化热14962286废钢物理热32248616共计52365810000共计52365810000热效率100总热收入量炉渣物理热废钢物理热钢水物理热1000043050则合格。523687409414加入废钢和脱氧剂后的物料平衡141加入废钢后的物料平衡1废钢中各元素应被氧化量，见表241。表141成份数值CSIMNPS废钢成份取同一冶炼钢种中限终点钢水废钢中各元素应被氧化量0180150003020痕迹0200520017403460022001500070025002200052942公斤废钢各元素氧化量，进入钢中的量，耗氧量及氧化产物量见表142。把表143内的金属料（铁水废钢）换算以100公斤金属料为基础，得到重新整理加入废钢后的物料平衡。3加入废钢后物料平衡，见表144。计算误差1000059170538表142项目反应废钢中各元素氧化量（公斤）废钢进入钢中量（公斤）耗氧量（公斤）氧化产物量（公斤）备注CCO9420039000030003000412600030007128CCO2942003100000300003000130000800014SISIO2942020001900190022800190041860MNMNO942034600330033001051600330043571PP2O594200070001000100012000010002624SSO2942000300001310000100001300001300002SCAS94200030000220000221600001000022700005共计0057942005793630038生成物CO,CO2均进入炉气中，其和为000700010008生成物SIO2、MNO、P2O5、CAS均进入炉渣中，其和为004100430002000050087SO2量极微，忽略之废钢中C同铁水中C氧化成CO、CO2的比例相同把表1210和表142有关项目合并整理为表143表143收入项支出项项目重量（公斤）项目铁水废钢石灰矿石萤石白云石炉衬氧气100000942065371000050030000500811000388148钢水炉渣炉气烟尘铁珠喷溅重量（公斤）903569363997191357800871366512095000812103160010861000总计129105总计129173表144收入项支出项项目重量（公斤）项目重量（公斤）铁水废钢石灰矿石萤石白云石炉衬氧气9139186095974091404572742045774477746730506077039232039631钢水炉渣炉气烟尘铁珠喷溅91134124891106114620993091477201053937124084077总计11799110000总计11805310000142脱氧后的物料平衡1冶炼BD3钢选用锰铁和硅铁脱氧，其成份如表425表145成份合金CSIMNPSFE备注锰铁75257500380031459牌号N3硅铁/700070050042921S1752计算锰铁、硅铁加入量根据国内同类转炉冶炼BD3钢种的有关数据选取锰铁MN的收得率为75，SI的收得率为70,C的收得率为90，其中10的C被氧化成CO2硅铁MN的收得率为80，SI收得率为75两种脱氧剂含有的P、S、FE均全部进入钢中。故锰铁加入量911340561公斤75X1402硅铁加入量911340448公斤0331公斤0001是锰铁中硅进入钢中所占的重量百分数。0448是锰铁中各元素进入钢中的总重量。以上两者均见表426。3脱氧剂中各元素的计算和的数据见表428。0113公斤为脱氧剂总脱氧量。终点钢水含氧量，是根据终点钢水含C015，查CO平衡曲线，得终点钢