炼钢过程中的物料平衡与热平衡计算

1、炼钢过程的物料平衡与热平衡计算炼钢过程的物料平衡与热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上。其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、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某些定量依据。应当指出，由于炼钢系复杂的高温物理化学过程，加上测试手段有限，目前尚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。本章主要结合实例阐述氧气顶吹转炉和电弧炉氧化法炼钢过程物料平衡和热平衡计算的基本步骤和方法，同时列出一些供计算用的原始参考数据。1.1物料平衡计算（1）计算所需原始数据。基本原始数据有：冶炼钢种及其成分（表1）；金属料铁水和废钢的成

2、分（表1）；终点钢水成分（表1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（表2）；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表3）；其它工艺参数（表4）.表1钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值成分含量/%类别CSiMnPS钢种H15Mn设定值0.180.250.550.0450.050铁水设定值4.200.400.450.120.060废钢设定值0.180.250.550.0300.030终点钢水设定值0.10痕迹0.180.0200.021本计算设定的冶炼钢种为H15Mn。c和Si按实际生产情况选取；Mn、P和S分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在钢水中设定。表2原材料成分成分含量类

3、别CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰88.002.502.601.500.500.100.064.640.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.400.8025.601.0036.20炉衬1.203.0078.801.401.6014.00焦炭0.5881.5012.405.52表3铁合金成分（分子）及其回收率（分母）f、成分含量/回收率/%._CSiMnAlPSFe类别硅铁73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100锰铁6.60/900

4、.50/7567.80/800.23/1000.13/10024.74/10010%C与氧生产CO2表4其它工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度%CaO/%SiO2=3.5渣中铁损（铁珠）为渣量的6%萤石加入量为铁水量的0.5%氧气纯度99%,余者为N2生白云石加入量为铁水量的2.5%炉气中自由氧含量0.5%（体积比）炉衬蚀损量为铁水量的0.3%气化去硫量占总去硫量的1/3终渣Z（FeO）含量（按（FeO）=1.35（Fe2O3）折算）15%，而(Fe2O3)/(FeO)=l/3即(Fe2O3)=5%(FeO)=8.25%金属中C的氧化产物90%C氧化成CO,10%C氧化成CO2烟尘量为铁水

5、量的1.5%（其中FeO为75%，Fe2O3为20%）废钢量由热平衡计算确定。本计算结果为铁水量的10.934%,即废钢比为9.86%喷溅铁损为铁水量的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。（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、炉衬蚀损和加入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表5、6和7。总渣量及其成分如表8所示。第二步：计算氧气消耗量。氧气实际消耗量系消耗项目与供入项目之差，详见表9。表5铁水中元

6、素的氧化产物及其成渣量元糸反应产物兀素氧化量/kg耗氧量/kg产物量/kg备注CCfC04.22X90%=3.7984.9208.610CfC024.22X10%=0.4221.0901.500SiSif(SiO2)0.4000.4570.857入渣MnMn(MnO)0.2700.0790.349入渣PP(P2O5)0.1000.1290.229入渣SSf(S02)0.039X1/3=0.0130.0130.026S+(CaO)=(CaS)+(O)0.039X2/3=0.0260.0130.059(CaS)入渣FeFe一（FeO）0.675X56/72=0.5250.1500.675入渣（见表

7、8）Fef(Fe2O3)0.379X112/160=0.2650.1140.379入渣（见表8）合计5.6990.965成渣量2.548入渣组分之和由CaO还原出的氧量，消耗的CaO量=0.013X56/32=0.023kg表6炉衬t蚀损的成渣量炉衬蚀损量成渣组分/kg气态产物/kg耗氧量/kg(kg)CaOSiO2MgOAFgCfCOCfCO2CfCO、CO20.3(据表4)0.0040.0090.2360.0040.0050.3x14%x90%x28/12=0.0880.3x14%x10%x44/12=0.0150.3x14%(90%x16/12+10%x32/12)=0.062合计0.2

8、580.1030.062表7加入溶剂的成渣量类别加入量/kg成渣组分/kg气态产物/kgCaOMgOSiO2AlO23FeO23PO25CaSCaF2HO2CO2O2萤石0.5据(表4)0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005生白云石2.5据(表4)0.9100.6400.0200.0250.905石灰3.4553.0350.0900.0860.0520.0170.0030.0050.0030.1600.001合计3.9470.7330.1340.0850.0250.0080.0060.4400.0081.0650.001成渣量7.634石灰加

9、入量计算如下：由表57可知，渣中已含(Ca0)=-0.455+0.004+0.002+0.910=0.461kg;渣中已含(Si02)=0.857+0.009+0.028+0.022=0.914kg.因设定的终渣碱度R=3.5；故石灰加入量为：RYw(SiO)工w(CaO)/w(CaO-RXw(SiO)=2.738/(88.00%3.5X2.50%)=3.45kg2石灰)2石灰为(石灰中CaO含量)一(石灰中S-CaS自耗的CaO量)。由CaO还原出的氧量，计算方法同表5之注。表8总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAlO23MnOFeOFeO23CaF2PO25CaS合计兀素氧化成渣量

10、/0.850.3490.6750.3790.2290.0592.548kg7石灰成渣量/kg3.030.080.056900.0520.0170.0030.0053.288炉衬蚀损成渣量/0.000.000.20.0040.0050.258kg4936生白云石成渣量/1.010.020.70.0281.786kg9217萤石成渣量/kg0.000.020.00.440.0080.0080.0050.0010.49528030总渣量/kg3.951.000.90.440.0890.3490.6750.4090.2370.0658.1841069048.212.211.%82841.094.268

11、.255.005.382.900.79100.00总渣量计算如下：因为表8中除(FeO)和(Fe2O3)以外的渣量为：5.965+1.700+1.102+0.124+0.615+0.440+0.540+0.038=7.100kg,而终渣工w(FeO)=15%(表4-4)，故总渣量为7.1/86.75%=8.184kgw(FeO)=8.184X8.25%=0.675kg.w(FeO)=8.184X5%0.0170.0050.008=0.379kg.表9实际耗氧量耗氧项/kg供氧项/kg实际氧气消耗量/kg铁水中元素氧化耗氧量（表5）6.965炉衬中碳氧化耗氧量（表6）0.062石灰中的S与CaO

12、反应还原出的氧量（表7）0.002烟尘中铁氧化耗氧量（表4）0.3407.4270.002+0.066=7.491炉气中自由氧含量（表10）0.060合计7.427合计0.002为炉气中之重量，详见表10第三步：计算2炉气量及其成分。炉气中含有CO、CO、O、N、SO和H0。其中CO、CO、SO和HO可由表4-54-7查得，O和N2222222222则由炉气总体积来确定。现计算如下。炉气总体积V:1（224V二V+0.5%V+一|G+0.5%V-Veg99132sex丿99V+0.7GV99x8.619+0.7x8.1860.002x22.4/32o匸98.5098.50式中VCO、CO、SO

13、和HO诸组分之总体积，m3。本计算中，其值为8.950X22.4/28+2.837Xg22222.4/44+0.002X22.4/64+0.011X22.4/18=8.619m3G不计自由氧的氧气消耗量，kg。本计算中，其值为7.851+0.062+0.23=8.619m3（见表9）；SV铁水与石灰中的S与CaO反应还原出的氧量，m3。本计算中，其值为0.002kg（见表9）X0.5%一炉气中自由氧含量，m3；99由氧气纯度为99%转换得来。计算结果列于表10表10炉气量及其成分炉气成分炉气量/kg体积/m3体积分数/%CO8.6988.698X22.4/28=6.95882.99CO22.5

14、802.580X22.4/44=1.31315.66SO20.0260.026X22.4/64=0.0090.11h2o0.0080.008X22.4/18=0.0100.12O20.0620.0420.50N20.0660.0520.62合计11.4388.384100.00炉气中。2体积为&384X0.5%=0.042m3；质量为0.042X32/22.4=0.062kg。炉气中N的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.052X28/22.4=0.065kg。第四步:计2算脱氧和合金化前的钢水量。钢水量Q二铁水量一铁水中元素的氧化量一烟尘、喷溅和渣中的铁损S=1005.699（1

15、.00X（75%X56/72+20%X112/160）+1+8.184X6%）=91.725kg据此可以编制脱氧和合金化前的物料平衡表（表11）。表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100.0087.53钢水91.7380.23石灰3.4553.02炉渣8.187.16萤石0.500.44炉气11.4410.00生白云石2.502.19喷溅1.000.87炉衬0.300.26烟尘1.501.31氧气7.4916.56渣中铁珠0.490.43合计114.25100.00合计114.34100.00注：计算误差为(114.25114.34)/114.25X100

16、%=0.010%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12），再将其与表11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表13和表14表12废钢中元素的氧化产物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/kgCCC0CC0210.934X0.06%X90%=0.00810.934X0.06%X10%=0.0010.0110.0030.019（入气）0.004（入气）SiSif(SiO)210.934X0.03%=0.0270.0310.058MnMn一（MnO）10.934X0.

17、74%=0.0400.0120.052PP(P0)2510.934X0.006%=0.0010.0010.002SSf(SO)2S+(CaO)=(CaS)+(O)10.934X0.009%X1/3=0.000310.934X0.009X2/3=0.00070.0003-0.00040.0006(入气)0.002(CaS)合计0.0780.05810.9340.078=10.856成渣量（kg）0.140表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100.0079.84钢水91.725+10.856=110.5481.83废钢10.9348.7

18、3炉渣&184+0.114=8.3246.64石灰3.4552.76炉气11.438+0.024=11.4629.14萤石0.500.40喷溅1.000.80轻烧白云石2.502.00烟尘1.501.20炉衬0.300.24渣中铁珠0.4910.39氧气7.491+0.058=7.5496.03合计125.238100.00合计125.358100.00注：计算误差为(125.238125.358)/125.238X100%=0.1%表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90.1479.85钢水92.4781.84废钢9.86

19、8.73炉渣7.56.64石灰3.112.76炉气10.339.14萤石0.450.40喷溅0.900.80轻烧白云石2.252.00烟尘1.351.19炉衬0.270.24渣中铁珠0.440.39氧气6.806.02合计112.88100.00合计112.99100.00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1）和铁合金成分及其烧损率（表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14归类合并，既得冶炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量W为：MnwmJ-wmJ叮锰铁含屈量xMn回收率%钢水量=0.95%-0.21%X92.02=1.255kg67.8

20、0%x80%硅铁加入量W为:Si（wSi-wSi）x加锰铁后的钢水量-SiW=钢种终点FeMnSi硅铁含Si量xSi回收率=0.042kg0.03%x(92.02+1.076)0.00573.00%x75%铁合金中元素的烧损量和产物量列于表15。表15铁合金中元素烧损量及产物量类别元糸烧损量/kg脱氧量/kg成渣量/kg炉气量/kg入钢量/kg锰铁C0.631X6.60%X10%=0.0040.0100.015(C09)0.631X6.60%X90%=0.038Si0.631X67.80%X20%=0.0860.0250.1110.631X67.80%X80%=0.342Mn0.631X0.5

21、0%X25%=0.0010.0010.0020.631X0.50%X75%=0.002P0.631X0.23%=0.001S0.631X0.13%=0.001Fe0.631X24.74%=0.156合计0.0910.0360.1130.0150.540硅铁Al0.425X2.50%X100%=0.0110.0100.006Mn0.425X0.50%X20%=0.000040.00010.00050.042X0.50%X80%=0.002Si0.042X73.00%X25%=0.0780.0890.1670.0425X73.00%X75%=0.230P0.0425X0.05%=0.00002S0

22、.0425X0.03%=0.00001Fe0.0425X23.92%=0.102合计0.0880.0990.1740.334总计0.1690.1350.2870.0150.874可以忽略脱氧和合金化后的钢水成分如下：w(C)=0.08%+0.075X100%=16%93.129w(Si)=0.005+0.023X100%=0.03%93.129w(Mn)=0.210%+0.681+0.0002X100%=0.94%93.129w(P)=0.019%+0.003X100%=0.022%93.129w(S)=0.016%+0.002X100%=0.018%93.129可见，含碳量尚未达到设定值。为此需在钢包内加焦粉增碳。其加入量W为w=(0.17-0.16)%x钢水量W1=焦炭含C量xC回收率0.01%x93.12981.50%x75%=0.015kg焦炭生成的产物如下：碳烧损量/kg耗氧量/kg气体量/kg成渣量/kg碳入钢量/kg0.060X81.50%X25%=0.0120.0320.044+0.06X(0.58+5.52)%=0.0470.060X12.40%=0.0070.060X