GCr9物料平衡计算

1、物料平衡计算 11、计算所需原始数据 12、物料平衡基本项目 23、计算步骤 2、热平衡计算 91、 计算热收入 Q 92、 计算热支出 Q 11三、电弧炉炉型及主要参数12参考文献15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（见表3）;其他数据（见表4）表1冶炼钢种及其成分钢种成分（%）备注CSiMnPSCrFeGCr91.00 0.15 0.20 0.40< 0.027< 0.0200.90余量氧化法1.10/1.050.35/0.251.20注：分母系计算时的设定值，取其成分中限。表2原材料成分（%名称C

2、SiMnPSCrAlFeH2O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余量焦炭81.500.5812.405.52电极99.001.00名称CaOSdMgOAl 2O3CaF2FeO3CO2WOP2O5S石灰88.002.502.601.500.504.640.100.100.06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4.4049.7

3、00.9526.2518.550.15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 3070 95,取 856070,取654050,取45可以忽略氧化期0.06 全部烧损200.015 2530,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1.75%熔化期脱碳量30% 即 1.75 X 30%= 0.51 kg电极消耗量熔化期3Kg/t;氧化期1 Kg/t炉顶高铝砖消耗量熔

4、化期占0.75 Kg/t，氧化期0.525 Kg/t炉衬镁砖消耗量熔化期2 Kg/t;氧化期1.5 Kg/t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%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2、物料平衡基本项目收入项有：废钢、生铁、焦炭、石灰、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝砖、火砖 块、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、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：

5、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焦炭0.9240.565 合计100.9241.7500.3880.5630.0730.03297.759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/1 （金 属料）和矿石（10kg/1 （金属料）。炉顶、炉衬

6、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，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。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）Cc-CO1.750 X 30%X 70%=0.3680.491c CO21.750 X 30%X 30%=0.1580.421SiSi-一(SiO2)0.388 X 85%=0.3300.443炉料中元Mn素的氧化Mn-(MnO)0.563 X 65%=0.3660.106PP-(P2O5)0.073 X 45%=0.0330.043耗FeFe-(

7、FeO) *97.759 X 2%X 15%=0.2930.084氧Fe-(Fe2O3)*97.759 X 2%X 85%=1.6620.712项合计3.2102.300焦炭中碳C(C)-CO0.924 X 81.5%X 25%X 70%=0.1320.176的氧化(C) CO20.924 X 81.5%X 25%X 30%=0.0570.152电极中碳C(C)-CO0.4 X 75%X 99%X 70%=0.2080.277的氧化(C)-CO20.4 X 75%X 99%X 30%=0.0890.237合计3.142供矿石Fe?O3F&O3 =2Fe+3/2 O20.269氧石灰SC

8、aO+S=CaS+O0.0006项合计0.270净耗氧量2.872*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（FezOs）。如表4中所述，应由氧气供给的氧为 50%即3.142 X 50%=1.571,空气应供氧1.571-0.270=1.301 kg，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N?带入O2带入N?1.571/90%=1.7461.746/99% X 1%=0.0181.3011.301 X( 77/23 ) =4.356刀=1.746+

9、0.018=1.764刀=1.301+4.356=5.657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，焦炭和电极中的灰分，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)CaOSiO2MgOAl 2O3MnOFeOFe>O3P2O5CaS合计Si0.3300.7070.707炉 M0.3660.4720.472料 n0.0330.0760.076P0.3910.3770.1400.517Fe炉顶0.0750.0010.004略0.0690.0010.075炉衬

10、0.2000.0080.0070.1790.0020.0040.200焦炭0.9240.0050.0570.0010.0300.0210.114电极0.300略0.002略0.0010.003石灰2.0001.7580.0500.0520.0300.0100.0020.0021.904矿石1.0000.0130.0580.0030.015余量合计1.7850.8850.2350.1470.4720.3770.1760.0800.0044.161百分比42.9021.275.653.5311.349.064.231.920.10100.00 Fe的消耗量，按表 6中注释97.759 X 25%X

11、 20%=0.391 石灰中氧化钙的计算，石灰中自身S还原消耗0.002 kgCa 矿石中的FezOs假设全部还原，还原得到的铁为1.000 X 0.8977 X 112/160=0.628 kg(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+0.628-3.210+0.565=97.983 kg o(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02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 9o表9炉气量计算项目

12、气态产物(kg)COCO2N2H2OH2挥发物合计炉料中C的氧化0.8590.5791.438焦炭带入0.3080.2090.0050.0510.573电极带入0.4850.3260.811石灰带入0.0930.0020.095矿石带入0.0120.012氧气带入0.0180.018空气带入4.3560.058*4.414游离02参与反应CO+1/2 02=82-0.3010.4800.179H2O参与反应H2O+CO=H 2+CO2-0.1200.189-0.0770.0090合计1. 2311.8764.37400.0090.0517.540质量分数/%16.3324.8858.0100.

13、120.68100.00*计算条件：常温(2O'C)、常压(0.1 MPa)下空气相对湿度为70% 20'C的饱和蒸汽压为 0.0023 MPa。先求湿空气体积 4.396 X ( 273+20) /273 X 0.1/(0.1-0.0023)=4.829m3 再算空气含水量 4.725 X0.0119=0.058 kg(6) 确定铁的挥发量：有表6中设定，铁的挥发量为：97.949 X 2%X 80%=1.564<g 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岀项目质量(kg)%项

14、目质量(kg)%废钢75.00067.01金属97.98388.08生铁25.00022.34炉渣4.1613.74焦炭0.9240.83炉气7.5406.78电极0.3000.27铁的挥发1.5641.41矿石1.0000.89石灰2.0001.79炉顶0.0750.07炉衬0.2000.18氧气1.7641.58空气5.6575.05合计111.920100.00合计111.248100.00注：计算误差=(111.920-111.248 ) /111.920 X 100%=0.60%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

15、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113）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）CaOSiO2MgOALQMnOFeOFe2O3P2QCaS合计留渣30%1.2480.5350.2660.0710.0440.1420.1130.0530.0240.0011.248金属中S

16、i0.0580.1240.124元素氧Mn0.0390.0500.050化或烧P0.0250.0570.057损Fe0.2200.2350.0530.288S0.023-0.0400.0520.012炉顶蚀损量0.0530.0010.003略0.048略0.052炉衬蚀损量0.1500.0060.0050.1340.0010.0030.149电极烧损量0.100略0.001略略0.001石灰带入2.7072.379 0.0680.0700.0410.0140.0030.0042.579矿石1.0000.0130.0580.0030.015余量0.0020.0020.093火砖块带入0.5000

17、.0030.3040.0030.1840.0060.500合计2.8970.8290.2810.3330.1920.3480.1290.0860.0595.154%56.2116.085.456.463.736.752.501.671.14100注：石灰中CaO被自身S还原，消耗0.003 kgCaO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Si02=0.266+0.124+0.003+0.005+0.001+0.058+0.304=0.761 kg. CaO=0.535-0.040+0.001+0.006+0.013+0.003=0.518 kg。取碱度 3

18、.5，故石灰加入量为：R刀 (SiO2)-刀(CaO)/% CaO 石灰-R%SiO2 石灰=(3.5 X 0.761-0.518 ) /(88.00%-3.5 x 2.50%)=2.707 kg关于磷的氧化量：根据表 6,可近似求得(0.073-0.033)/97.983-0.015% X97.983=0.025 kg。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，渣中刀Fe约达7% 且其中75%为(FeO), 25%为(F&03)。因此，渣中含(FeO)为 7%x 75%X 72/56=6.75%,含(FqOs)为 7%X 25%X 160/112=2.50%，

19、由 表 11 知，除 FeO和 FqOs 以外的渣量为 2.897+0.829+0.281+0.333+0.192+0.08 6+0.059=4.677 kg，故总渣量=4.677/ (100-6.75-2.50 ) %=5.154<g。于是可得(F eO) =0.348kg, (FezOs) =0.129kg。其中，由 Fe 氧化生成的(FeO)和(FQ 分别为 0.234 kg 和 0.054 kg。(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97.983- (0.058+0.039+0.025+0.220+0.023+

20、0.353 *) +0.628=97.893 kg(*为碳的烧损量近似值，即 1.75 (1-30%) -0.89% X 97.983=0.353 kg)(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C0.353C TCO0.32970%C生成 COC TCO20.28230%C生成 CO2Si0.058Si t(SO)0.066Mn0.039Mn t(MnO)0.011P0.025

21、P t( P2O5)0.032Fe0.220Fe t( FeO)0.052见表11Fe t (FQ)0.016见表11电极中碳的氧化C0.100 X99%=0.099C tCO0.09270%C生成 COC tCO20.07930%C生成 CO2合计0.959矿石供氧Fe2O30.898Fe2O3=Fe+3/2 O20.269还原出铁0.628 kg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0.684如表4中所述，应由氧气供给的氧为 50%即0.959 X 50%=0.480,空气应供氧

22、0.480-0.275=0.205 kg，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02带入N2带入02带入N20.480/90%=0.5330.533/99% X 1%=0.0050.2050.205 X (77/23)=0.686刀=0.533+0.005=0.538刀=0.205+0.686=0.891表14炉气量项目气态产物（kg）备注COCO2N2H2OH2合计金属中C的氧化0.5770.3880.965C烧损量0.353 kg电极带入0.1620.1090.271C烧损量0.099 kg矿石带入0.0120.012石灰带入0.12

23、60.0030.129氧气带入0.0050.005空气带入0.6860.009*0.695*计算方法同表9游离O2参与反应游离氧CO+1/2 O2=CO2-0.0930.1460.053H2O参与反应H2O+CO=H2+CO2-0.0370.059-0.0240.0030H2O全部消耗合计0.6090.8280.69100.0032.131质量分数/%28.5838.8532.4300.14100.00表15熔化期和氧化期综合物料平衡表收入支岀项目质量/ kg%项目质量/ kg%废钢75.00063.64金属97.89383.53生铁25.00021.21炉渣4.161+3.906=8.067

24、6.88焦炭0.9240.78炉气7.540+2.131=9.6718.25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石灰2.000+2.707=4.7073.99火砖块0.5000.42炉顶0.075+0.053=0.1280.11炉衬0.200+0.150=0.3500.30氧气1.764+0.538=2.3021.95空气5.657+0.891=6.5485.56合计117.859100.00合计117.195100.00注：计算误差=（117.859-117.195 ） /117.859 X 100%=0.56

25、%表16氧化末期各金属成分元素含量（%备注C0.891(1.750-0.525-0.353) /97.893=0.891%Si0Mn0.161(0.563-0.366-0.039)/97.893=0.161%P0.015(0.073-0.033-0.025)/97.893=0.015%S0.023(0.032-0.009 ) /97.893=0.023%二、热平衡计算1、计算热收入Qs以100kg金属料（废钢+生铁）为基础。（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154853.65kJ。详见下面的计算表

26、17物料带入的物理热名称热容(kJ/ kg K)温度C )消耗量(kg)物理热(kJ)废钢0.69929875.0001310.625生铁0.74529825.000465.625石灰0.7282984.70785.667火砖块0.8582980.50010.725矿石1.0472982.00052.350焦炭0.8582980.92419.820炉顶高铝砖0.8798730.12867.507炉衬镁砖0.9968730.350209.160氧气1.3182982.30275.851空气0.9632986.548157.643电极1.5077230.400271.260合计2726.233表1

27、8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=0.277C+1/2 O0= CO-1163932240.089+0.030=0.119C+ O2= CO2-348344145焦炭中的C0.132C+1/2 O= CO-1163915360.057C+ O2= CO2-348341986金属中Si0.330+0.058=0.388Si+2( FeO)=( SiO2)+2 Fe-113294396金属中Mn0.366+0.039=0.405Mn+( FeO)=( MnO)+ Fe-2176881金属中的P0.033+0.025=0

28、.0582 P+5( FeO)=( P2O5)+5 Fe-2419140Fe*4.687Fe+1/2 O2=( FeO)-4250199201.6622 Fe+3/2 O2=( Fe2O3)-646010737SiO2成渣0.885 X 70%+0.829=1.4492(CaO)+( SiO2)=(2 CaO SiO2)-162023470.080 X 70%+0.086=0.142P2O5成渣4( CaO)+( P2O5)=(4 CaO P2O5)-4880693合计50005*因熔化期和氧化期所需要的02量50%由氧气提供，由表3和13可知，该气态02总用量为2.051kg。其中，氧化成F

29、q03的量为1.662(见表6)所需氧量为1.662 X 48/112=0.712 kg。其余Q均设定为将铁氧化 成FeO,即该部分 Fe的氧化量为(2.051-0.712 )X 56/16=4.687 kg.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-(0.89 X 65+0.16 X 5+0.015 X 30+0.023X 25)-6=1470 C；出钢温度控制在中下限，本计算中取1580E。贝U：Qg=97.893 X 0.699 X (1470-25)+272+0.837 X (1580-1470)=134640.8

30、9 kJ(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厂C15001650热容/kJ (kg K)-11.1721.216物理热/ kJ2.913 X 1.172 X(1500-25)+209=5644.525.154 X 1.216 X(1650-25)+209=11261.4916906.01(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)化学反应也H(kJ/ kg)吸热量(kJ)金属脱碳0.878C+( FeO)= CO+ Fe62445482.23金属脱硫0.009FeS+( CaO)=( CaS)+( FeO)214

31、319.29石灰烧减0.218CaCO3=CaO+CO24177910.59水分挥发石灰带入4.707 X 0.10%=0.005(由 25 C矿石带入2.000 X 1.20%=0.024升至焦炭带入0.924 X 0.58%=0.0051200 C)空气带入0.058+0.009=0.067小计0.101WO H2O1200 C1227123.93金属增C0.326CC1779579.95合计7116.00(4) 炉气物理热Qx。令炉气温度为1200E，热容为1.137 kJ/ kg K，由炉气量可得： Qx=9.671 X 1.137 X (1200-25)=12920.21 kJ(5)

32、 烟尘物理热Qy。将铁的挥发物计入烟尘中，烟尘热容为0.996kJ/( kg K); 则得： Qy= (1.564+0.790 )X 0.996 X (1200-25)=2754.89 kJ(6) 冷却水吸热Qi。如炉子公称容量为60t，冷却水消耗量为30m3/ h，冷却水 进出口温差为20r，冶炼时间平均为1h,则得：Ql= (30X 1000X 1 X 4.185 X 20) /600=4185.00 kJ/100 kg(金属料)(7) 其他热损失Qq。包括炉体表面散热热损失、开启炉门热损失、电极热损失 等。其损失量与设备的大小、冶炼时间、开启炉门和炉盖的总时间以及炉内的工 作温度有关。时

33、间表明，该项热损失占总热收入的 6%-9%本设计中取8%(8) 变压器及断网系统的热损失。一般，该热损失为总热收入的57%本计 算取6%令炉子总收入等于Qs,贝Qs=134640.89+16906.01+7116.00+12920.21+2754.89+4185.00+ QsX (8%+6%) 即 0.86 Qs=178523.00Qs=207584.88kJ故应供应电能为：207584.88-2726.23-50005=154853.65 kJ ; Qq=207584.88 X8%=16606.79J; Qb=207584.88 X 6%=12455.09J。总热平衡计算结果列于表21。表2

34、1热平衡表收入支岀项目热量(kJ)%项目热量(kJ)%物料物理热2726.231.31钢水物理热134640.8964.86氧化热和成渣热50005.0024.09炉渣物理热16906.018.14其中C氧化10891.005.25吸热反应消耗热7116.003.43Si氧化4396.002.12炉气物理热12920.216.22Mn氧化881.000.42烟尘物理热2754.891.33P氧化140.000.07冷却水吸热41852.02Fe氧化30657.0014.77其他热损失16606.798.00SQ成渣2347.001.13变压器系统热损失12455.096.00P2O5成渣693.000.33电能154853.6574.60合计207584.88100合计207584.88100.00三、电弧炉炉型及主要参数1、熔池的形状锥球形熔池，上部为倒置的截锥，下部为球冠，截锥形炉坡倾角为45°。2、熔池尺寸计算对于额定容量G吨钢液，体积V=G/ p,式中p钢液密度，t/m3。对于所选钢 种，密度 p=7.0 t/m3钢液面直径：D=2.0CV1/3 m,式中 C=0.875+0.042 D/H。取 D/H=4，计算得D=4270mm, H=1067mm。熔池上缘直径 D熔=D+0.10.2 (取0.15 ) =4420mm