煉鋼過程中的物料平衡與熱平衡計算

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

2、鋼的成分（表 1）；終點鋼水成分（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、鐵水、廢鋼和終點鋼水的成分設(shè)定值成分含量 /%CSiMnPS類別鋼種 H15Mn 設(shè)定值 0.180.250.55 0.045 0.050鐵水設(shè)定值4.200.400.450.120.060廢鋼設(shè)定值0.180.250.550.0300.030終點鋼水設(shè)定值 0.10痕跡0.180.0200.021本計算設(shè)定的冶煉鋼種為H15Mn。 C 和 Si按實際生產(chǎn)情況選??；Mn 、 P 和 S 分別按鐵水中相應(yīng)成分含量的30%、 10

3、%和 60%留在鋼水中設(shè)定。表 2原材料成分成分含量 %揮發(fā)CaOSiO2MgOAlO3Fe O3CaFP O5SCO2H OC灰分22222分類別石灰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表 3 鐵合金成分（分子）及其回收率（分母）成 分含量 /回收率 /%CSiMnAlPSFe類別硅鐵73.00/750.50/802.50/00.

4、05/1000.03/10023.92/100錳鐵6.60/900.50/7567.80/800.23/1000.13/10024.74/100 10%C與氧生產(chǎn) CO2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%CaO/%SiO 2=3.5渣中鐵損 (鐵珠 )為渣量的 6%螢石加入量為鐵水量的 0.5%氧氣純度99%,余者為 N 2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?1/3終 渣 (FeO) 含 量 （ 按2 3 (FeO)=1/3金屬中 C的氧化產(chǎn)90%C 氧化成 CO,15%，而 (Fe O

5、)/(FeO)=1.35(Fe 2O3)折算）即 (Fe2O3)=5%(FeO)=8.25%物10%C 氧化成 CO2煙塵量為鐵水量的 1.5%( 其中 FeO由熱平衡計算確定。本為 75%， Fe2 O3 為 20%)廢鋼量計算結(jié)果為鐵水量的噴濺鐵損為鐵水量的 1%10.934%,即廢鋼比為 9.86%（ 2）物料平衡基本項目。收入項有：鐵水、廢鋼、溶劑( 石灰、螢石、輕燒白云石) 、氧氣、爐襯蝕損、鐵合金。支出項有：鋼水、爐渣、煙塵、渣中鐵珠、爐氣、噴濺。（ 3）計算步驟。以 100kg 鐵水為基礎(chǔ)進(jìn)行計算。第一步：計算脫氧和合金化前的總渣量及其成分。總渣量包括鐵水中元素氧化、爐襯蝕損和加

6、入溶劑的成渣量。其各項成渣量分別列于表5、6 和 7?？傇考捌涑煞秩绫?8 所示。第二步：計算氧氣消耗量。氧氣實際消耗量系消耗項目與供入項目之差，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 /產(chǎn)物量 /kg備注kgC C CO4.22× 90%=3.7984.9208.610 C CO24.22× 10%=0.4221.0901.500Si Si (SiO 2)0.4000.4570.857入渣Mn Mn (MnO)0.2700.0790.349入渣PP (P O)0.1000.1290.229入渣25S S (SO2 )0.0

7、39× 1/3=0.0130.0130.026 S +(CaO)=(CaS)+(O)0.039× 2/3=0.0260.0130.059(CaS)入渣Fe Fe (FeO)0.675× 56/72=0.5250.1500.675入渣 (見表 8) Fe (Fe2O3)0.379× 112/160=0.2650.1140.379入渣 (見表 8)合計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CaO量=0.013 ×56/32=0.023kg表 6爐襯蝕損的成渣量爐襯蝕損量成渣組分 / kg氣態(tài)產(chǎn)物 / kg耗

8、氧量 / kg(kg)CaO SiO2MgOAl2O3Fe O3C COC CO2C CO、CO220.30.0040.0090.2360.0040.0050.3 ×14%×90%0.3 ×14%×10%0.3 ×14%(90%×16/12+10% ×(據(jù)表 4)×28/12=0.088×44/12=0.01532/12)=0.062合計0.2580.1030.062表 7加入溶劑的成渣量類別加入量成渣組分 / kg氣態(tài)產(chǎn)物 / kg/ kgCaOMgO2Al2 32 32 5CaS2222SiOOFe

9、OP OCaFH OCOO螢石0.5 據(jù)( 表0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.0054)生白云2.5 據(jù)( 表0.9100.6400.0200.0250.905石4)石灰3.4553.0350.0900.0860.0520.0170.0030.0050.0030.1600.001合計3.9470.7330.1340.0850.0250.0080.0060.4400.0081.0650.001成渣量7.634石灰加入量計算如下：由表57 可知，渣中已含 (CaO)= -0.455+0.004+0.002+0.910=0.461kg;渣中已含(S

10、iO 2)=0.857+0.009+0.028+0.022=0.914kg.因設(shè)定的終渣堿度R=3.5 ；故石灰加入量為 : R w(SiO2) w(CaO)/w(CaO 石灰 ) R× w(SiO2 石灰 )= 2.738/（ 88.00% 3.5× 2.50%） =3.45kg為 ( 石灰中 CaO含量 ) （石灰中 S CaS自耗的 CaO量）。 由 CaO還原出的氧量，計算方法同表5 之注。表 8 總渣量及其成分爐渣成分CaOSiO2MgOAl 2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合計元素氧化成渣量/0.850.3490.6750.3790.2290.

11、0592.548kg7石灰成渣量 / kg3.030.080.00.0520.0170.0030.0053.2885690爐襯蝕損成渣量/0.000.000.20.0040.0050.258kg4936生白云石成渣量/1.010.020.70.0281.786kg9217螢石成渣量 / kg0.000.020.00.0080.0080.440.0050.0010.49528030總渣量 / kg3.951.000.90.0890.3490.6750.4090.440.2370.0658.184 10690%48.212.211.1.094.268.255.005.382.900.79100.0

12、08284總 渣量計算如下：因為表8 中除 (FeO) 和 (Fe 2O3)以 外的渣量為：5.965+1.700+1.102+0.124+0.615+0.440+0.540+0.038=7.100kg,而終渣 w(FeO)=15%(表4-4) ，故總渣量為7.1/86.75%=8.184kg w(FeO)=8.184 ×8.25%=0.675kg. w(Fe 2O3)=8.184 × 5% 0.017 0.005 0.008=0.379kg.表 9 實際耗氧量實際氧氣消耗量/耗氧項 / kg供氧項 / kgkg鐵水中元素氧化耗氧量(表 5)6.965爐襯中碳氧化耗氧量(表

13、 6)( 表 7) 0.0020.062石灰中的 S 與 CaO反應(yīng)還原出的氧量煙塵中鐵氧化耗氧量(表 4)0.3407.427 0.002+爐氣中自由氧含量(表 10)0.066 =7.4910.060合計7.427合計0.002為爐氣中 N2 之重量，詳見表10第三步：計算爐氣量及其成分。爐氣中含有 CO、CO2、O2、 N2、 SO2 和 H2O。其中 CO、CO2、SO2和 H2O 可由表 4-54-7 查得， O2 和 N2 則由爐氣總體積來確定。現(xiàn)計算如下。爐氣總體積 V ：VVg0.5%V122.4 G s0.5%VVx9932V =99Vg0.7GsVx = 998.619 0

14、.7 8.186 0.00222.4 / 32=8.721 m 398.5098.50式中 Vg 、2、2和2諸組分之總體積，3。本計算中，其值為8.950×22.4/28+2.837×COCOSOH Om22.4/44+0.002×22.4/64+0.011 ×22.4/18=8.619 m 33（見表）；GS不計自由氧的氧氣消耗量，。本計算中，其值為VX鐵水與石灰中的與kg7.851+0.062+0.23=8.619 m9S反應(yīng)還原出的氧量，3。本計算中，其值為0.002kg(見表9)CaOm30.5%爐氣中自由氧含量， m；99由氧氣純度為 99%

15、轉(zhuǎn)換得來。計算結(jié)果列于表 10表 10 爐氣量及其成分爐氣成分爐氣量 /kg體積 / m3體積分?jǐn)?shù) / %CO8.6988.698× 22.4/28=6.95882.99CO 22.5802.580× 22.4/44=1.31315.66SO20.0260.026× 22.4/64=0.0090.11H2 O0.0080.008× 22.4/18=0.0100.12O20.0620.0420.50N20.0660.0520.62合計11.4388.384100.0023；質(zhì)量為 0.042 ×32/22.4=0.062 kg 。爐氣中 O 體積

16、為 8.384 ×0.5%=0.042 m爐氣中 N2 的體積系爐氣總體積與其他成分的體積之差；質(zhì)量為0.052 × 28/22.4=0.065kg 。第四步：計算脫氧和合金化前的鋼水量。鋼水量 Qg=鐵水量鐵水中元素的氧化量煙塵、噴濺和渣中的鐵損=100-5.699-1.00 ×（ 75%× 56/72+20%×112/160 ） +1+8.184×6%=91.725kg據(jù)此可以編制脫氧和合金化前的物料平衡表（表11）。表 11 未加廢鋼時的物料平衡表收入支出項目質(zhì)量 /kg%項目質(zhì)量 /kg%鐵水100.0087.53鋼水91.7

17、380.23石灰3.4553.02爐渣8.187.16螢石0.500.44爐氣11.4410.00生白云石2.502.19噴濺1.000.87爐襯0.300.26煙塵1.501.31氧氣7.4916.56渣中鐵珠0.490.43合計114.25100.00合計114.34100.00注 : 計算誤差為（ 114.25 114.34 ） /114.25 × 100%= 0.010%第五步：計算加入廢鋼的物料平衡。如同“第一步”計算鐵水中元素氧化量一樣，利用表1 的數(shù)據(jù)先確定廢鋼中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量（表12），再將其與表11 歸類合并，遂得加入廢鋼后的物料平衡表13 和表 1

18、4表 12 廢鋼中元素的氧化產(chǎn)物及其成渣量元反應(yīng)產(chǎn)物元素氧化量 / kg耗氧量 /產(chǎn)物量 / kg進(jìn)入鋼中的量 /kg素kg10.934× 0.06%×C C CO90%=0.0080.0110.019（入氣） C CO210.934× 0.06%×0.0030.004（入氣）10%=0.001Si Si (SiO 2)10.934 ×0.03%=0.0270.0310.058Mn Mn (MnO)10.934 ×0.74%=0.0400.0120.052P P (P 2O5)10.934 ×0.006%=0.0010.00

19、10.002 S (SO2)10.934×0.009%×0.0006 （ 入1/3=0.00030.0003SS氣）10.934×0.009× -0.0004+(CaO)=(CaS)+(O)0.002 （ CaS）2/3=0.0007合計0.0780.05810.9340.078=10.856成渣量 (kg)0.140表 13 加入廢鋼的物料平衡表（以 100kg 鐵水為基礎(chǔ)）收入支出項目質(zhì)量 /kg%項目質(zhì)量 /kg%鐵水100.0079.84鋼水91.725+10.856=110.5481.83廢鋼10.9348.73爐渣8.184+0.114=8.

20、3246.64石灰3.4552.76爐氣11.438+0.024=11.4629.14螢石0.500.40噴濺1.000.80輕燒白云石2.502.00煙塵1.501.20爐襯0.300.24渣中鐵珠0.4910.39氧氣7.491+0.058=7.5496.03合計125.238100.00合計125.358100.00注 : 計算誤差為（ 125.238 125.358 ） /125.238 × 100%= 0.1%表 14加入廢鋼的物料平衡表（以100kg( 鐵水 +廢鋼 )為基礎(chǔ)）收入支出項目質(zhì)量 /kg%項目質(zhì)量 /kg%鐵水90.1479.85鋼水92.4781.84廢鋼

21、9.868.73爐渣7.56.64石灰3.112.76爐氣10.339.14螢石0.450.40噴濺0.900.80輕燒白云石2.252.00煙塵1.351.19爐襯0.270.24渣中鐵珠0.440.39氧氣6.806.02合計112.88100.00合計112.99100.00第六步：計算脫氧和合金化后的物料平衡。先根據(jù)鋼種成分設(shè)定值（表 1）和鐵合金成分及其燒損率（表 3）算出錳鐵和硅鐵的加入量，再計算其元素的燒損量。將所得結(jié)果與表 14 歸類合并，既得冶煉一爐鋼的總物料平衡表。錳鐵加入量 WMn為：Mnw Mn 鋼種w Mn 終點×鋼水量W =錳鐵含 M n量M n回收率=

22、0.95% 0.21% ×92.02=1.255kg67.80% 80%硅鐵加入量 WSi 為： Si(w Si鋼種w Si 終點 ) 加錳鐵后的鋼水量 - Si FeMnW =硅鐵含 Si量Si 回收率0.03%92.021.0760.005=73.00%75%=0.042kg鐵合金中元素的燒損量和產(chǎn)物量列于表15。表 15鐵合金中元素?zé)龘p量及產(chǎn)物量類別元素?zé)龘p量 /kg脫氧量成渣量 /kg爐氣量 /kg入鋼量 /kg/kg0.631×6.60%×0.0100.015C0.631 × 6.60%× 90%=0.03810%=0.004（ CO

23、）20.631×67.80%×0.0250.1110.631× 67.80%× 80%=0.342Si20%=0.086錳鐵0.631×0.50%×0.0010.0020.631 × 0.50%× 75%=0.002Mn25%=0.001P0.631 × 0.23%=0.001S0.631 × 0.13%=0.001Fe0.631 × 24.74%=0.156合計0.0910.0360.1130.0150.5400.425×2.50%×0.006Al0.010100

24、%=0.0110.425×0.50%×0.00050.042× 0.50% ×Mn0.000180%=0.00220%=0.000040.042×73.00%×0.1670.0425 × 73.00%×硅鐵Si0.08975%=0.23025%=0.078P0.0425 × 0.05%=0.00002 S0.0425 × 0.03%=0.00001Fe0.0425 × 23.92%=0.102合計0.0880.0990.1740.334總計0.1690.1350.2870.0150.8

25、74可以忽略脫氧和合金化后的鋼水成分如下：w(C)=0.08%+ 0.075 ×100%=16%93.129w(Si)= 0.0050.023×100%=0.03%93.129w(Mn)=0.210%+0.6810.0002 ×100%=0.94%93.1290.003w(P)=0.019%+× 100%=0.022%w(S)=0.016%+ 0.002 × 100%=0.018%93.129可見，含碳量尚未達(dá)到設(shè)定值。為此需在鋼包內(nèi)加焦粉增碳。其加入量W1為0.170.16 %鋼水量W1 =焦炭含 C量C回收率= 0.01% 93.129 =

26、0.015kg81.50% 75%焦炭生成的產(chǎn)物如下：碳燒損量 /kg耗氧量 /kg氣體量 /kg成渣量 /kg碳入鋼量 /kg0.060 ×81.50%×0.0320.044+0.06×0.060 ×0.060 × 81.50%×25%=0.012（ 0.58+5.52 ）%=0.04712.40%=0.00775%=0.037 CO、 H O和揮發(fā)份之總和（未計揮發(fā)份燃燒的影響）22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目質(zhì)量 /kg%項目質(zhì)量 /kg%鐵水90.1478.93鋼水93

27、.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0.270.24噴濺0.910.80氧氣7.02 （ 6.85+0.14+0.03）6.14煙塵1.361.19錳鐵0.630.55渣中鐵珠0.440.39硅鐵0.430.37焦粉0.060.05合計114.21100.00合計114.28100.00注：計算誤差為（114.21 114.28 ）/114.21× 1

28、00%= 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 熱平衡計算（ 1）計算所需原始數(shù)據(jù)。計算所需基本原始數(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）；溶入鐵水中的元素對鐵熔點的影響（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（）13002525與鋼水相同14501450純鐵熔點為1536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/kg· K）0.7450.6991.0470.996溶

29、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) H/kj ·kmol-1 H/kj ·kg-1CC1CO139420 11639O 2氧化反應(yīng)2CC+ O2 =CO2氧化反應(yīng)418072 34834SiSiO2SiO2氧化反應(yīng)817682 29202MnMn1 O 2MnO氧化反應(yīng)361740 65942P2 P5 O 2P2O5氧化反應(yīng) 1176563 189802FeFe1 O2FeO氧化反應(yīng)238229 42502Fe2 Fe3

30、O2Fe2 O3氧化反應(yīng)722432 64602SiO2SiO22CaO2CaOgSiO 2成渣反應(yīng)97133 1620P2O5P2 O54CaO4CaOgP2 O5成渣反應(yīng)693054 4880CaCO3CaCO3CaOCO2分解反應(yīng)1690501690MgCOMgCO 3MgOCO2分解反應(yīng)11802014053表 20 溶入鐵中的元素對鐵熔點的降低值元素CSiMnPSAlCrN、 H、O在鐵中的極限5.4118.5無2.80.1835.0無限溶解度 /%限溶入 1%元素使鐵熔點的降低65707580859010085302531.5值 / 氮、氫、氧溶入使鐵熔點的降 =6低值/ 適用含量

31、范圍1.01.02.02.53.03.54.0 30.7 1 18/%150.08（ 2）計算步驟。以 100kg 鐵水為基礎(chǔ)。第一步：計算熱收入 Qs。熱收入項包括：鐵水物理熱；元素氧化熱及成渣熱；煙塵氧化熱；爐襯中碳的氧化熱。、和）（ 1）鐵水物理熱Qw：先根據(jù)純鐵熔點、鐵水成分以及溶入元素對鐵熔點的降低值（表17和）確定 Qw。120計算鐵水熔點Tt ，然后由鐵水溫度和生鐵比熱（表17××××18Tt（100+0.48+0.455+0.1230+0.06× ）1099.45=15364.2256Q×0.745×（）+2

32、18+0.837×（）118632.56KJw10010822513001082（ 2）元素氧化熱及成渣熱 Qy：由鐵水中元素氧化量和反應(yīng)熱效應(yīng)（表 19）可以算出，其結(jié)果列于表 21。表 21元素氧化熱和成渣熱反應(yīng)產(chǎn)物氧化熱或成渣熱 /KJ反應(yīng)產(chǎn)物C CO3.690 × 11639=442947.91Fe Fe2O3C CO20.410 × 34834=14281.94P P2O5Si SiO0.400 × 29202=11680.80P O 4CaO· P O22525Mn MnO0.270 ×6594=1780.38SiO 2C

33、aO· SiO22Fe FeO0.525 ×4250=2231.25合計 Qy氧化熱或成渣熱/KJ0.379 × 6460=2448.340.100 × 18980=18980.237 × 4880=1156.561.000 × 1620=1620.0080045.18（ 3）煙塵氧化熱 Qc：由表 4 中給出的煙塵量參數(shù)和反應(yīng)熱效應(yīng)計算可得。QC=1.5 ×(75%×56/72 ×4250+20%×112/160 ×6460)=5075.35KJ（ 4）爐襯中碳的氧化熱 QI: 根據(jù)

34、爐襯蝕損量及其含碳量確定。QI =0.314%90%11639+0.314%10%34834=586.25KJ故熱收入總值為:QS=QW+QY+QC+QI=227582.40KJ第二步：計算熱支出QZ。熱支出項包括：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 Qg：先按求鐵水熔點的方法確定鋼水熔點 Tg; 再根據(jù)出鋼和鎮(zhèn)靜時的實際溫降（通常前者為 4060，后者約 35/min ，具體時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 5090）確定出鋼溫度 Tz; 最后由鋼水量和熱容算出物

35、理熱。Tg=1536(0.10 ×65+0.18× 5+0.020× 30+0.021×25) 6=1520( 式中： 0.08 、0.21 、0.019 和 0.016 分別為終點鋼水C、 Mn、P 和 S 的含量 )Tz=1520+50+50+70=1690（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） Qg =91.725× 0.699 ×(1520 25)+272+0.837 ×(1690 1520)=133853.834KJ（ 2）爐渣物理熱 Qr：令終渣溫度與鋼水溫度相同，則得：Qr =8.184 ×1.248 ×(1690 25)+209=18716.153KJ（ 3）爐氣、煙塵、鐵珠和噴濺金屬的物理熱 Qx。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目參數(shù) /KJ備注爐氣物理熱11.438 × 1.137 ×（ 1450 25）=18532.1331450系爐氣和煙塵的溫度煙塵物理熱1.5 × 0.996 ×（ 145