煉鋼過程中的物料平衡與熱平衡計(jì)算

1、煉鋼過程的物料平衡與熱平衡計(jì)算煉鋼過程的物料平衡與熱平衡計(jì)算是建立在物質(zhì)與能量守恒的基礎(chǔ)上。其主要目的是比較整個(gè) 冶煉過程中物料、能量的收入項(xiàng)和支岀項(xiàng)，為改進(jìn)操作工藝制度，確定合理的設(shè)計(jì)參數(shù)和提髙煉鋼 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提供某些定量依據(jù)。應(yīng)當(dāng)指岀，由于煉鋼系復(fù)雜的髙溫物理化學(xué)過程，加上測試手段 有限，目前尚難以做到精確取值和計(jì)算。盡管如此，它對指導(dǎo)煉鋼生產(chǎn)和設(shè)計(jì)仍有重要的意義。本章主要結(jié)合實(shí)例闡述氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐和電弧爐氧化法煉鋼過程物料平衡和熱平衡計(jì)算的基本 步驟和方法，同時(shí)列出一些供計(jì)算用的原始參考數(shù)據(jù)。1.1物料平衡計(jì)算（1）計(jì)算所需原始數(shù)據(jù)。基本原始數(shù)據(jù)有：冶煉鋼種及其成分（表1）;金屬料一鐵水

2、和廢鋼的成 分（表1）；終點(diǎn)鋼水成分（表1）;造渣用溶劑及爐襯等原材料的成分（表2）；脫氧和合金化用鐵 合金的成分及其回收率（表3）；其它工藝參數(shù)（表4） 表1鋼種、帙水.廢鋼和終點(diǎn)鋼水的成分設(shè)定值含量甩類別CSiMnPS鋼種H15Mn設(shè)定值0. 180. 250. 55W0. 045WO. 050鐵水設(shè)定值4.200.400. 450. 120. 060廢鋼設(shè)定值0. 180. 250. 550. 0300. 030終點(diǎn)鋼水設(shè)定值0. 10芋二0. 180. 0200. 021 本計(jì)算設(shè)定的冶煉鋼種為HISMno C和Si按實(shí)際生產(chǎn)情況選取；Mn、P和S分別按鐵水中相應(yīng)成分含量的30%. 1

3、0%和60%留在鋼水中設(shè) 定。表2原材料成分類另CaOSiO,MgOAU*FeGCaF.PGSCO,HoOC灰分揮發(fā) 分石灰88. 002. 502. 601.500. 500. 100. 064. 640. 10螢石0. 305. 500. 601.601.5088. 000. 900. 101.50生白云石36. 400. 8025. 601.0036. 20爐襯1.203. 0078. 801.401.6014. 00焦炭0. 5881.5012. 405. 52硅鐵73. 00/750. 50/802. 50/00. 05/1000. 03/10023.92/100猛鐵6. 60/90

4、10.50/7567.80/800.23/1000. 13/10024.74/10010%C與氧生產(chǎn)co,表4其它工藝參數(shù)設(shè)定值名稱參數(shù)名稱參數(shù)終渣堿度%Ca0/%SiO2=3. 5渣中鐵損（鐵珠）為渣疑的6%螢石加入量為鐵水量的0.5%氧氣純度99敞余者為N2生白云石加入量為鐵水量的2. 5%爐氣中自由氧含量0. 5%（體積比）爐襯蝕損量為鐵水量的0. 3%氣化去硫量占總?cè)チ蛄康?/3終渣E （FeO）含量（按 （Fe0） = 1.35（FeA）折算）15%,而(Fe2O:l) /E (FeO) = 1/3 即 (FeA)=5%(FeO)=8. 25%金屬中（C）的氧化產(chǎn)物90%C氧化成C0

5、tIO%C氧化成C02煙塵量為鐵水量的1.5%（其中FeO 為 75% FeO 為 20%）廢鋼量由熱平衡計(jì)算確定。本 計(jì)算結(jié)果為鐵水量的10. 934%,即廢鋼比為9. 86%噴濺鐵損為鐵水量的1%（2）物料平衡基本項(xiàng)目。收入項(xiàng)有：鐵水、廢鋼、溶劑（石灰、螢石、輕燒白云石）、氧氣、爐襯蝕損、鐵合金。支出項(xiàng)有：鋼水、爐渣、煙塵.渣中鐵珠.爐氣.噴濺。（3）計(jì)算步驟。以100kg鐵水為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算。第一步：計(jì)算脫氧和合金化前的總渣量及其成分?？傇堪ㄨF水中元素氧化、爐襯蝕損和加入溶劑的成渣量。其各項(xiàng)成渣量分別列于表5、6和7。 總渣量及其成分如表8所示。第二步：計(jì)算氧氣消耗量。氧氣實(shí)際消耗量系

6、消耗項(xiàng)目與供入項(xiàng)目之差，詳見表9。表5鐵水中元素的氧化產(chǎn)物及其成渣量元素反應(yīng)產(chǎn)物元素氧化量/ kg耗氧量/kg產(chǎn)物t/kg備注C(C) f CO(C) - COJ4.22X90%=3. 7984. 22X10%=0. 4224.9201.0908.6101.500Si(Si) -*(Si02)0. 4000.4570. 857入渣Mn(Mn) (MnO)0. 2700. 0790. 349入渣PIP) f (PQ)0. 1000. 1290. 229入渣S(S) f(SOd(S) +(CaO) = (CaS) + (O)0. 039X1/3二0.0130. 039X2/3=0. 0260.01

7、30.0130. 0260. 059 (CaS)入渣Fe(Fe) (FeO) (Fe) - (FeO)0. 675X56/72=0. 5250. 379X112/160=0. 2650. 1500. 1140. 6750. 379入渣（見表8）入渣（見表8）合計(jì)5. 6990. 965成渣量2. 548入渣組分之和 由CaO還原出的氧量，消耗的50量=0.013X56/32=0. 023kg表6爐村蝕損的成渣量爐襯蝕損量成渣組分/ kg氣態(tài)產(chǎn)物/ kg耗氧量/ kg（kg）CaOSi02MgOAI2O3Fe20.)0. 631X6. 60%X90%=0. 038Si0.631 X 67.80%

8、 X20%二0. 0860. 0250. Ill0. 631X67. 80%X80%=0. 342Mn0.631 X 0.50% X25%二0. 0010. 0010. 0020. 631X0. 50%X75%=0. 002P0. 631X0. 23%二0. 001S0. 631X0. 13%=0, 001Fe0. 631X24. 74%=0 156合計(jì)0. 0910. 0360. 1130.0150. 540硅鐵A10.425 X 2.50% X100%=0.0110.0100. 006Mn0.425 X 0.50% X20%二0. 000040. 00010. 00050.042 X 0.

9、50% X80%二0. 002Si0.042 X 73.00% X25%二0. 0780. 0890. 1670. 0425X73. 00% X75%=0. 230P0. 0425X0. 05%二0. 00002S0. 0425X0. 03%二0. 000011Fe0. 0425X23. 92%=0. 102合計(jì)0. 0880. 0990. 1740. 334總計(jì)0. 1690. 1350. 2870.0150. 874可以忽略脫氧和合金化后的鋼水成分如下:w(c)=0-08%+xl00vl6%w(Si) =0.005 + 0.02393.129X100%二0 03%w (Mn) =0.210

10、%+0681 + 0.000293.129X100%二0 94%w(P)=0. 019%+ -()? X 100%=0. 022%93.129w(s)=0-016%+xl00%=0-018%可見，含碳量尚未達(dá)到設(shè)定值。為此需在鋼包加焦粉增碳。其加入量崗為(0.17-0.16)%x 鋼水量 1二焦炭含C量xC回收率0.01%x93.129=0. 015kg81.50% x 75%焦炭生成的產(chǎn)物如下:碳燒損量/kg耗氧量/kg氣體 t/kg：i成渣t/kg碳入鋼量/kg0. 060X81. 50%X25A0.0120. 0320. 044+0. 06 X(0. 58+5. 52) %=0. 047

11、0. 060 X12. 40%二0. 0070. 060X81. 50%X75%=0. 037C02. H*和揮發(fā)份之總和(未計(jì)揮發(fā)份燃燒的影響)由此可得冶煉過程(即脫氧和合金化后)的總物料平衡表16表16總物料平衡表收入支出項(xiàng)目質(zhì)量/kg%項(xiàng)目質(zhì)量/kg%鐵水90. 1478. 93鋼水93. 38 (92. 47+0. 874+0. 037)81.71廢鋼9. 868. 64石灰3. 112.72爐渣7. 79 (7. 50+0. 287+0. 007)6. 82螢石0. 450. 39輕燒白云石2. 251.97爐氣10. 39 (10.33+0. 015+0. 047)9. 09爐襯0

12、. 270. 24噴濺0.910. 80負(fù)氣7.02 (6. 85+0. 14+0.03)丄6. 14煙塵1.361. 19猛鐵0. 630. 55渣中鐵珠0. 440. 39硅鐵0.430. 37焦粉0. 060. 05合計(jì)114.21100. 00合計(jì)114.28100. 00注：計(jì)算誤差為（114.21114.28） /114. 21X100%二一0. 1%可以近視認(rèn)為（0. 082+0. 008）的氧量系出鋼水二次氧化所帶入。1.2熱平衡計(jì)算（1）計(jì)算所需原始數(shù)據(jù)。計(jì)算所需基本原始數(shù)據(jù)有：各種入爐料及產(chǎn)物的溫度（表17）；物料平均 熱容（表18）；反應(yīng)熱效應(yīng)（表19）；溶入鐵水中的元素

13、對鐵熔點(diǎn)的影響（表20）。其它數(shù)據(jù)參照物 料平衡選取。表17入爐物料及產(chǎn)物的溫度設(shè)定值名稱入爐物料產(chǎn)物鐵水廢鋼其它原料爐渣爐氣煙塵溫度（C）13002525與鋼水相同14501450純鐵熔點(diǎn)為1536X：表18物料平均熱容物料名稱生鐵鋼爐渣礦石煙塵爐氣固態(tài)平均熱容（kj/kgK）0. 7450. 6991.0470. 996溶化潛熱（kj/kg）218272209209209液態(tài)或氣態(tài)平均熱容（kj/kg-K）0. 8370. 8371.2481. 137表19煉鋼溫度下的反應(yīng)熱效應(yīng)組元化學(xué)反應(yīng)AA/kj kmol 1k j kg 1Cc+|o2=co氧化反c4-O2

14、=CO2氧化反應(yīng)41807234834SiSi + O2=SiO2負(fù)化反應(yīng)81768229202MnMn + lO2=(MnO)氧化反應(yīng)3617406594P2P + |O2=(PA)氧化反應(yīng) 117656318980FeFe + jO2=(FeO)氧化反應(yīng)2382294250Fer32Fe + -O2 =(Fe2O3)氧化反應(yīng)7224326460Si02(SiO2) + 2(CaO)= (2CaO*SiO2)成渣反應(yīng)971331620P2O5(匕O5)+4(CaO) = (4CaO 匕 O5)成渣反應(yīng)6930544880CaCOCaCO3 =(CaO)+ CO2分解反應(yīng)1690501690M

15、gC03MgCO3=(MgO) + CO2分解反應(yīng)1180201405表20溶入鐵中的元素對鐵熔點(diǎn)的降低值元素(SiMn1S(:N. H、0在鐵中的極限 溶解度/%5.4118.5無 限2.80. 1835.0無限溶入1%元素使 鐵熔點(diǎn)的降低 值/c65707580859010085302531.5氮、氫、氧溶入 使鐵熔點(diǎn)的降 低值/cL=6適用含量圍/%0. 400X29202=11680. 80P2O5-* 4CsO P2O50. 237X4880=1156. 56Mn*MnO0.270X6594=1780. 38SiO-2CaO Si021.000X1620=1620. 00FeFeO0

16、. 525X4250=2231.25合計(jì)Q80045. 18（3）煙塵氧化熱由表4中給出的煙塵量參數(shù)和反應(yīng)熱效應(yīng)計(jì)算可得。0=1. 5X （75%X56/72X4250+20%X112/160X6460）=5075. 35KJ（4）爐襯中碳的氧化熱血根據(jù)爐襯蝕損量及其含碳量確定。CI=0.3xl4%x 90% x 11639+0.3 xl4%xl0%x 34834=586.25KJ故熱收入總值為：二227582. 40KJ第二步：計(jì)算熱支出熱支出項(xiàng)包括：鋼水物理熱；爐渣物理熱；煙塵物理熱；爐氣物理熱；渣中鐵珠物理熱；噴濺 物（金屬）物理熱；輕燒白云石分解熱；熱損失；廢鋼吸熱。（1）鋼水物理熱a

17、：先按求鐵水熔點(diǎn)的方法確定鋼水熔點(diǎn)幾再根據(jù)出鋼和鎮(zhèn)靜時(shí)的實(shí)際溫降（通 常前者為406（TC,后者約35C/inin,具體時(shí)間與盛鋼桶大小和澆注條件有關(guān)）以及要求的過熱 度（一般為509（rc）確定出鋼溫度最后由鋼水量和熱容算岀物理熱。0=1536（0. 10X65+0. 18 X 5+0. 020 X 30+0. 021 X25） -6=1520C（式中：0.08、0.21、0.019和0.016分別為終點(diǎn)鋼水C、Mn、P和S的含量）T 尸 1520+50+50+70=1690C（式中，50、50和70分別為出鋼過程中的溫降、鎮(zhèn)靜及爐后處理過程中的溫降和過熱度）Q二91. 725X 0. 69

18、9X （1520-25）+272+0. 837X （1690-1520）1 = 133853. 834KJ（2）爐渣物理熱Q：令終渣溫度與鋼水溫度相同，則得：Q二8. 184X 1. 248X （1690-25）+2091=18716. 153KJ（3）爐氣、煙塵、鐵珠和噴濺金屬的物理熱根據(jù)其數(shù)量、相應(yīng)的溫度和熱容確定。詳見表22。表22某些物料的物理熱項(xiàng)目參數(shù)/KJ備注爐氣物理熱11.438X1. 137X (1450-25) 1 = 18532. 1331450C系爐氣和煙塵的溫度煙塵物理熱1.5X0. 996X (1450-25) +209二2442. 45渣中鐵珠物理熱0. 491 X

19、0. 699 X ( 152025) +272+0. 837 X (16901520) 1=716.5141520T：系鋼水熔點(diǎn)噴濺金屬物理熱1XO. 699 X (1520 25) +272+0. 837 X (16901520 ) =1467. 80合計(jì)=23158. 897（4）生白云石分解熱根據(jù)其用量、成分和表19所示的熱效應(yīng)計(jì)算之。a=2. 5X （36. 40%X 1690+25. 60%X 1405）=2437. 10KJ（5）熱損失心 其它熱損失帶走的熱量一般約占總熱收入的38%。本計(jì)算取5%,則得:4二204339 34X5%=10216. 967KJ（6）廢鋼吸熱：用于加熱廢鋼的熱量系剩余熱量，即：Q Q- Q QQq=15956. 389KJ故廢鋼加入量廉為：W產(chǎn)15956. 389一 1 X 0. 699 X （1523-25）+272+0. 837X（1690-1523）=10. 934kg即廢鋼比為:20.12100 + 20.12XI00%=