物料平衡4265141213

1、4.6轉(zhuǎn)爐煉鋼的物料平衡及熱平衡煉鋼過程的物料平衡和熱平衡計(jì)算是建立在物質(zhì)與能量守恒的基礎(chǔ)上的。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)和支出項(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，由于煉鋼是復(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(jì)算。盡管如此，它對(duì)指導(dǎo)煉鋼生產(chǎn)和設(shè)計(jì)仍有重要的意義。轉(zhuǎn)爐煉鋼的過程是一個(gè)很復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，對(duì)其作完全定量的分析是不可能 的，但是一些基本的規(guī)律和原理在該過程中仍然適用。比如說轉(zhuǎn)爐煉鋼過程遵循物質(zhì)不滅和能量守恒定律，在這個(gè)基礎(chǔ)上建立了轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的物料平衡和熱平衡計(jì)算。

2、用來研究轉(zhuǎn)爐收入、支出的物質(zhì)和能量在數(shù)量上的平衡關(guān)系，并用平衡方程式、平衡表或者物流及熱流圖表示出來。通過物料平衡和熱平衡的計(jì)算可以全面的掌握轉(zhuǎn)爐的物料和能量的利用情況，了解轉(zhuǎn)爐的工作能力和熱效率，從而為改進(jìn)工藝、實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)爐最佳操作探索途徑，并為降低原材料消耗 及合理利用能源和節(jié)能提供方向。總的來說，物料平衡和熱平衡的計(jì)算一方面可以指導(dǎo)車間或設(shè)備的設(shè)計(jì)，比如說轉(zhuǎn)爐及 其供氧設(shè)備，或者煉鋼車間的設(shè)計(jì)；另一方面可以改善和校核已投產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐冶煉工藝參數(shù)、 設(shè)備適應(yīng)性能，比如說確定加入冷卻劑的數(shù)量和時(shí)間，或者采用新技術(shù)等而由實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行的計(jì)算，比如說設(shè)計(jì)一些自動(dòng)控制模型時(shí)的計(jì)算。461物料平衡12物料平衡

3、是計(jì)算煉鋼過程中加入爐內(nèi)和參與煉鋼過程的全部物料（鐵水、廢鋼、氧氣、冷卻劑、渣料和耐材等）及煉鋼過程中產(chǎn)物（鋼液、爐渣、爐氣及煙塵等）之間的平衡關(guān)系。 以下通過舉例進(jìn)行計(jì)算分析。1 原材料成分表4.9鐵水、廢鋼成分（%原料CSiMnPS溫度，c鐵水4.2800.8500.5800.1500.0371250廢鋼0.180.200.520.0220.02525名稱CaOSiO2MgOAI2QSPCaF2FeOFe2Q燒堿H2OC石灰91.02.02.01.50.053.45礦石1.05.610.521.100.0729.461.80.50螢 石6.00.581.780.090.5589.02.00

4、生 白 云 石55.03.033.03.01.05.0爐 襯54.02.038.01.05.0表4.11各項(xiàng)目的熱容項(xiàng)目固態(tài)平均熱容kJ/kg - K熔化潛熱kJ/kg液（氣）態(tài)平均熱容kJ/kg - K生鐵0.745217.5680.8368鋼0.699271.960.8368爐渣209.201.247爐氣1.136煙塵1.000209.20礦石1.046209.20表4.12反應(yīng)熱效應(yīng)（25C）元素反應(yīng)反應(yīng)熱，kJ/kg元素CC+1/2O 2=CO10950CC+O2=CQ34520SiSi+O 2=SiO228314P2P+5/2O 2=P218923MnMn+1/2O 2=MnO702

5、0FeFe+1/2O 2=FeO5020FeFe+3/2O 2=Fe26670SiO2SiO2+2CaO=2CaO SO2070ROP2C5+4CaO=4CaO P2 Q50202.其它假設(shè)條件（根據(jù)各類轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)實(shí)際過程假設(shè)）：(1)(2)(3)(4)爐渣中鐵珠量為渣量的 8% 噴濺損失為鐵水量的1%;熔池中碳的氧化生成 90%CO 10%CQ 煙塵量為鐵水量的 1.6%，其中煙塵中FeO=77% Fe2Q=20%(5)(6)爐襯侵蝕量為鐵水量的0.5%;爐氣溫度取1450 C,爐氣中自由氧含量為總爐氣量的0.5%;(7)氧氣成分：3.冶煉鋼種及規(guī)格成分0.14 0.22 , Si 0.12

6、0.30 , Mn 0.4098.5%02，1.5%N2o要求冶煉低碳鋼，以Q-235鋼為例，其規(guī)格成分如下(%: C0.65 , P < 0.045 , S < 0.050 o4.6.2物料平衡計(jì)算4-12以100kg鐵水為單位進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)鐵水、渣料質(zhì)量以及冶煉鋼種要求，采用單渣操作。1 .渣量及成分計(jì)算(1) 鐵水中元素氧化量(表 4.13 )o說明：取脫磷率90%脫硫率35%鋼水中殘余錳占鐵水Mn的3040%取30%因合 金加入后還要增碳，鋼水中 C取較低的0.18。(2) 各元素耗氧量及氧化產(chǎn)物量(表 4.14 )o(3) 渣料加入量。4.15 ):為了化渣，本節(jié)中加入礦

7、石1%而不另加氧化鐵皮。則成分不同)。其中：S+ (CaO = (Cas +O (CaS 生成量=0.001 X 72/32 0.002kg 消耗 CaO量 =0.001 X 56/32 0.002kg表4.13鐵水中元素氧化量1) 礦石加入量及其成分(表 (若不加礦石，改用氧化鐵皮，素，%項(xiàng)目CSiMnPS鐵水4.280.850.580.1500.037鋼水0.1800.170.0150.025氧化量4.100.850.410.1350.012表4.14鐵水中元素氧化耗氧量、氧化產(chǎn)物量元素反應(yīng)元素氧化量，kg耗氧量，kg氧化產(chǎn)物量，kgCC+1/2O 2=CO4.10 X 90%=3.693

8、.69 X 16/12=4.823.69 X 28/12=8.61CC+O2=CO4.10 X 10%=0.410.41 X 32/12=1.5030.41 X 44/12=1.503SiSi+O 2=SiO20.850.85 X 32/28=0.9720.85 X 60/28=1.82MnMn+1/2O2=MnO0.410.41 X 16/55=0.1190.41 X 71/55=0.529P2P+5/2O 2=(P2O)0.1350.135 X 80/62=0.1740.135 X 142/62=0.309SS+O2=SO0.012 X1/3=0.0040.004 X 32/320.004

9、0.004 X 64/32=0.008 *SS+(CaO)=CaO+O0.012 X2/3=0.0080.008 X (-16)/32=-0.0040.008 X 72/32=0.018FeFe+1/2O 2=(FeO)0.7820.782 X 16/56=0.2231.006*Fe2Fe+3/2O 2=(Fe2Q)0.0330.033 X 48/112=0.0140.047*總計(jì)6.3227.417注* :假定爐內(nèi)氣化脫硫1/3 ;鐵的氧化由表4.20得出。表4.15礦石加入量及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgFe2Q1X 61.80%=0.618FeQ1 X 29.40%=0.294SiO

10、1X 5.61%=0.0561Al 2Q1X 1.10%=0.011CaQ1 X 1.0%=0.01MgQ1 X 0.52%=0.005S1 X 0.07%" 0.001H2Q1 X 0.50%=0.0052）螢石加入量及其成分（表 4.16 ）:根據(jù)冶金部轉(zhuǎn)爐操作規(guī)程，螢石加入量W4kg/t ,本例取3kg/t。表4.16螢石加入量及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgCaF0.3 X 89.0%=0.267P0.3 X0.55%=0.002SiQ0.3 X 6%=0.018S0.3 X 0.09%=忽略Al 2Q0.3 X 1.78%=0.005H2Q0.3 X 2%=0.006Mg

11、Q0.3 X 0.58%=0.002其中：2P+2/50 2= （RQ）（P2Q）生成量=0.002 X 142/62=0.005kg3）白云石加入量及成分（表 4.17 ）:為了提咼爐襯壽命，米用白云石造渣，控制渣中（MgO含量在68%范圍內(nèi)。根據(jù)已投產(chǎn)轉(zhuǎn)爐的經(jīng)驗(yàn)，白云石加入量在 3050kg/t , 輕燒白云石加入量在 2040kg/t ,本節(jié)取輕燒白云石 30kg/t。表4.17輕燒白云石加入量及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgCaQ3.0 X 55%=1.65MgQ3.0 X 33%=0.99SiQ23.0 X 3%=0.09FeQ3.0 X 1%=0.03AI2Q3.0 X 3%=0

12、.09燒堿3.0 X 5%=0.15其中：燒堿是指白云石中 Ca MgCO分解產(chǎn)生的CQ氣體。4）爐襯侵蝕量及其成分（表 4.18 ）:轉(zhuǎn)爐爐襯在爐渣作用下，將被侵蝕和沖刷進(jìn)入渣 中，本例取鐵水量的 0.5%。表4.18爐襯侵蝕及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgCaQ0.5 X 54%=0.27SiO20.5 X 2%=0.01MgQ0.5 X 38%=0.19C0.5 X 5%=0.025Al 2Q0.5 X 1%=0.091其中：爐襯中碳的氧化與金屬中氧化生成的CQ和CQ比例相同。C CQ數(shù)量 0.025 X 90%X 28/12=0.053 kgS CQ數(shù)量 0.025 X 10%X 4

13、4/12=0.009 kg共消耗氧量 0.053 X 16/28+0.009 X 32/44=0.037 kg5）石灰加入量及成分（表4.19 ）:根據(jù)鐵水成分，取終渣堿度B=3.5。%CaO有效彳14".853.5-1.65 X 100=5.55kg/100kg 鐵水石灰加入量=2S%SiMB白云石帶入Ca。量X 100kg91-3.5x2說明：若要詳細(xì)計(jì)算石灰加入量，則可用下式:石灰加入量莫（SiQMB-藝心。）%CaO有效Z（ SiO2）=鐵水Si生成（SiO2） +爐襯、礦石、白云石、螢石帶入（SiO2）Z（CaO）=白云石、礦石、爐襯帶入（CaO 鐵水、礦石中S消耗CaO量

14、表4.19石灰石加入量及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgCaO5.55 X 91%=5.05SiO5.55 X 2%=0.11MgO5.55%X 2%=0.11S5.55 X 0.05%=0.003Al 2Q5.55 X 1.5%=0.08燒堿5.55 X 3.45%=0.19其中:St CaS 0.003 X 72/32=0.007 kg6）渣中鐵的氧化物：對(duì)于冶煉Q-235鋼，根據(jù)已投產(chǎn)轉(zhuǎn)爐渣中含 Z（FeO）量，?。‵eO）=10% （Fe2Q） =5%7）終渣總量及成分：根據(jù)表4.13表4.19中若不計(jì)（FeO）、（ FeO ）在內(nèi)的爐渣成分 見表4.20，由4.20中可得：CaO+M

15、gO+SiO+P5+M nO+A2C3+CaF?+CaS=11.819kg已知（FeO） =10% （ Fe2Q） =5%則其余渣應(yīng)占渣量總數(shù)的85%。故總渣量為=13.90kg。11.81985%由此可知：（FeO =13.90 X 10%=1.39kg、（ FezQ） =13.90 X 5%=0.695kg由于礦石和白云石中帶入部分(FeO)和(Fe2Q),實(shí)際鐵氧化物為：(FeO)=1.39-0.294=1.096kg, (FezQ) =0.695-0.618-0.03=0.047kg。故 Fe 氧化物=1.006 X 56/72+0.047 X 112/160=0.815kg表4.20

16、終渣質(zhì)量及成分成分氧化產(chǎn)物kg石灰kg礦石kg白云石kg爐襯kg螢石kg總計(jì)kg%CaO5.050.011.650.276.9850.54MgO0.110.0050.990.190.0021.309.41SiQ1.820.110.0560.090.010.0182.10415.24RQ0.3090.0050.3142.27MnO0.5290.5293.83Al 2Q0.080.0110.090.0050.0050.2011.46CaE0.2670.2671.93CaS0.0180.0070.0020.0270.19FeO0.0960.2941.3910.06Fe2O0.0470.6180.03

17、0.6955.03合計(jì)13.81100.002. 冶煉中的吹損計(jì)算根據(jù)假設(shè)條件，渣中鐵珠量為渣量的8%噴濺損失為鐵水量的1%煙塵損失為鐵水量的1.6%。故可得到：渣中鐵珠量=13.81 X 8%=1.105kg噴濺鐵損量=100 X 1%=1.0kg煙塵鐵損量=100 X 1.6% (77%X 56/72+20%112/160 ) =1.182kg元素氧化損失=6.322kg (見表4.14 )吹損總量=1.105+1.0+1.182+6.322=9.609kg鋼水量=100-9.609=90.391kg3. 氧氣消耗量計(jì)算主要是元素氧化耗氧7.417kg (見表4.14 )，煙塵鐵消耗氧10

18、0 X1.6% (77%x 16/72+20%48/160 ) =0.37kg，其次爐襯中碳氧化消耗 0.037kg。故總耗 氧量為 7.824kg，換算給標(biāo)準(zhǔn)體積為7.824 X 22.4/32=5.48m 3/100kg=54.8m 3/t。若考慮到氧氣利用率為 7590%生產(chǎn)實(shí)際中供氧量為6070m3/t O由于氧氣不純，含有 1.5%N2,故供氧時(shí)帶入 Nb為7.824 X 1.5%=0.117kg，其體積 量為 0.117 X 22.4/28=0.094m 3/100kg o4. 爐氣量及成分 爐內(nèi)產(chǎn)生的爐氣由 CO CQ、SO、HO Nt和自由O組成，把以上計(jì) 算的爐氣成分除自由Q

19、以外占爐氣體積總量的99.5%,由表4.21可得：3CO+COSQ+H2O+NI=7.986m故爐氣總量為 7.986/99.5%=8.026m。自由 Q量為8.026 X 0.5%=0.04m，其質(zhì)量為0.04 X 32/22.4=0.057kg o5. 物料平衡表把以上各種物質(zhì)的總收入和總支出匯總起來，便可得到物料平衡表4.22 O收入項(xiàng)-支出項(xiàng)收入項(xiàng)計(jì)算誤差=收入項(xiàng)、U出丿、X 100%=-0.266%表4.21爐氣量及成分成分質(zhì)量，kg體積，m體積，%CO8.61+0.0538.663 X 22.4/28=6.9386.34CO1.53+0.19+0.009+0.151.852 X 2

20、2.4/44=0.94311.75SQ0.0080.008 X 22.4/64=0.0030.04HtO0.005+0.0080.013 X 22.4/18=0.0160.20NL0.1170.0941.17Q0.0570.040.50總計(jì)10.718.026100.04.6.3加廢鋼后的噸鋼物料平衡 廢鋼加入后，忽略廢鋼中含硅、+ 11.55 ）,即是使用100kg鐵水、可以得到噸鋼物料平衡表4.23。表 4.23錳元素的氧化損失，使鋼水量達(dá)到101.943kg （ 90.38411.55kg廢鋼可以生產(chǎn)出101.934kg鋼水。根據(jù)比例關(guān)系，收入支出項(xiàng)目質(zhì)量，kg%項(xiàng)目質(zhì)量，kg%鐵水98

21、176.96鋼水100078.25廢鋼113.38.89爐渣136.3610.67石灰54.44.28爐氣105.18.22白云石29.42.31煙塵15.701.23礦石9.80.77噴濺9.810.77螢石3.90.31鐵珠10.910.86氧氣76.766.02氮?dú)?.150.09爐襯4.90.37總計(jì)1274.61100.00總計(jì)1277.88100.00噸鋼物料平衡表4.22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100.084.47鋼水90.39176.15石灰5.554.69爐渣13.9011.71白云石3.02.53爐氣10.719.02礦石1.00.84煙塵1.

22、601.35螢石0.40.34噴濺1.00.84爐襯0.50.42鐵珠1.1050.93氧氣7.8246.61氮?dú)?.1170.10總計(jì)118.391100.00總計(jì)118.706100.004.6.4 熱平衡12-13熱平衡是計(jì)算煉鋼過程的熱量收入（鐵水的物理及化學(xué)熱）及熱量支出（鋼液、爐渣、 爐氣、冷卻劑、熱量損失）之間的平衡關(guān)系。為了簡化計(jì)算，取加入爐內(nèi)的爐料溫度均為25C。1.熱收入熱收入主要是鐵水的物理熱和元素氧化的化學(xué)熱。(1)鐵水物理熱。根據(jù)傳熱原理。鐵水熔點(diǎn) Tt=1539- ( 100X 4.28+8 X 0.85+5 X 0.58+30 X 0.15+25 X 0.037

23、) -4=1092C鐵水物理熱=1000.745(1092-25 ) +217.568+0.8368(1250-1092 )(2)=114553.40kJ鐵水中元素氧化放熱和成渣熱。根據(jù)表4.10、表4.12和表4.20數(shù)據(jù)可以計(jì)算如下：3.69X 10950=40405.5 kJ0.41 X 34520=14153.2 kJ4 SOMn MnO0.850.41X 28314=24066.9 kJX 7020=2878.2 kJP P2Q0.135X 18923=2554.6 kJFl FeO0.782X 5020=3925.6 kJFl Fe2C30.033 X 6670=220.1 kJS

24、iOzf CaOSiO22.104 X 2070=4355.3 kJF2C5 7 CaO" 總計(jì)(3)1.6 XP2O0.314 X 5020=1576.3 kJ94135.7 kJ煙塵氧化放熱。(77%X 56/72 X 5020+20%112/160X 6670) =6304.4 kJ(4)0.5 X 5% (90%X 10950+10%X 34520) =332.7 kJ因此，爐襯熱收入總量為：114553.4+94135.7+6304.4+332.7=215326.2 kJ2.熱支出(1)鋼水物理熱。鋼水熔點(diǎn) Tt=1539- (65 X 0.18+5 X 0.17+30 X

25、 0.015+25 X 0.025 ) -4爐襯中碳氧化放熱。=1521C出鋼溫度T=1521+70 (鋼水過熱度)+21 (生產(chǎn)運(yùn)輸降溫)+50 (澆注降溫)=1662 C鋼水物理熱=90.3910.699 X( 1521-25 ) +271.96+0.8368(1658-1521 )=129770.1 kJ(2)爐渣物理熱。計(jì)算取爐渣終點(diǎn)溫度與鋼水溫度相同。爐渣物理熱=13.81 X 1.247 X (1662-25 )+209.20=31079.9kJ(3) 礦石分解吸熱。1X( 29.4%X 56/72 X 5020+61.8%X 112/160 X 6670+209.20 ) =4242.5 kJ(4) 煙塵物理熱。1.61.0 X( 1450-25 ) +209.20=2614.7 kJ(5)10.71(6)1.105爐氣物理熱。X 1.136 X( 1450-25 ) =17337.3 kJ渣中鐵珠物理熱。X 0.745( 1521-25 ) +217.568+0.8368(1662-152