煉鋼過(guò)程中的物料平衡與熱平衡計(jì)算

1、煉鋼過(guò)程的物料平衡與熱平衡計(jì)算煉鋼過(guò)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(guò)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，由于煉鋼系復(fù)雜的高溫物理化學(xué)過(guò)程，加上測(cè)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。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(guò)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)?；驹紨?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、鐵水、廢鋼和終點(diǎn)鋼水的成分設(shè)定值成分含量/%類別、CSiMnPS鋼種H15Mn設(shè)定值50.0450.050鐵水設(shè)定值4.200.400.450.120.060廢鋼設(shè)定值50.0300.030終點(diǎn)鋼水設(shè)定值0.10痕跡0.180.0200.021本計(jì)算設(shè)定的冶煉鋼種為H15Mn。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%、10%和60%留在鋼水中設(shè) 定。表2原

3、材料成分f-成分含量類別、* *、CaOSiO2MgOAI2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分揮發(fā) 分石灰88.002.502.601.500.500.100.064.640.10螢仁10.305.500.601.601.5088.000.900.101.50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/回收率類別、CSiMnAlPSFe硅鐵73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92

4、/100錳鐵6.60/900.50/7567.80/800.23/1000.13/10024.74/10010%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/%SiO2=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I (FeO)含量(按(FeO) = 1.35(Fe2O3)折算)15%，而(Fe2O3)/ I(FeO) = 1/3 即(Fe2O3) = 5%(FeO)=8.25%金屬中C的氧化產(chǎn)物90

5、%C氧化成CO,10%C氧化成CO2煙塵量為鐵水量的1.5%(其中FeO為 75%, Fe2O3 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?？傇考捌涑煞秩绫?所示。第二步：計(jì)算氧氣消耗量。

6、氧氣實(shí)際消耗量系消耗項(xiàng)目與供入項(xiàng)目之差，詳見(jiàn)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)物量/kg備注CC-COC-CO24.22x90%=3.7984.22x10%=0.4224.9201.0908.6101.500SiSi-(SiO2)0.4000.4570.857入渣MnMn(MnO)0.2700.0790.349入渣PP-(P2O5)0.1000.1290.229入渣Sstso2)S+(CaO)=(CaS) + (O)0.039x1/3=0.0130.039x2/3=0.0260.013 0.0130.0260.059(CaS)入渣FeFe-(F

7、eO)FeTFe2O3)0.675x56/72=0.5250.379x112/160=0.2650.1500.1140.6750.379入渣（見(jiàn)表8）入渣（見(jiàn)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CaO量=0.013x56/32=0.023kg表6爐襯蝕損的成渣量爐襯蝕損量（kg）成渣組分/ kg氣態(tài)產(chǎn)物/ kg耗氧量/ kgCaOSiO2MgOAI2O3匡2。3CTOcto2CTO、CO20.3(據(jù)表4)0.0040.0090.2360.0040.0050.3x14%x90%x28/12=0.0880.3x14%x10%x44/12=0.01

8、50.3x14%(90%x16/12 + 10%x32/12)=0.062合計(jì)0.2580.1030.062表7加入溶劑的成渣量類別加入量/ kg成渣組分/ kg氣態(tài)產(chǎn)物/ kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2螢石0.5據(jù)（表4）0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005生白云2.5據(jù)(表0.910.640.020.020.90石4）00055石灰3.4553.0350.0900.0860.0520.0170.0030.0050.0030.1600.001合計(jì)3.9470.7330.1340.0850

9、.0250.0080.0060.4400.0081.0650.001成渣量7.634石灰加入量計(jì)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(SiO2)=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: Rjw(SiO2) -Jw(CaO)/w(CaO石灰)-Rxw(SiO2石灰)= 2.738/ ( 88.00% - 3.5x2.50% ) =3.45kg 為(石灰中CaO含量)一(石灰中S-CaS自耗的CaO量)， 由CaO還原出的氧量，計(jì)算方法同表5之注。

10、表8總渣量及其成分爐渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOBQCaF2P2O5CaS合計(jì)元素氧化成渣量/ kg0.8570.3490.6750.3790.2290.0592.548石灰成渣量/ kg3.0350.0860.0900.0520.0170.0030.0053.288爐襯蝕損成渣量/ kg0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣量/ kg1.0190.0220.7170.0281.786螢石成渣量/ kg0.0020.0280.0030.0080.0080.4400.0050.0010.495總渣量/ kg3.9511.0000.9690.0

11、890.3490.6750.4090.4400.2370.0658.184 %48.2812.2211.841.094.268.255.005.382.900.79100.00 總渣量計(jì)算如下：因?yàn)楸?中除(FeO)和(Fez。)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Jw(FeO) = 15%(表 4-4)，故總 渣量為 7.1/86.75%=8.184kgw(FeO)=8.184x8.25%=0.675kg.w(Fe2O3)=8.184x5%0.0170.0050.008=0.379kg.表9實(shí)際耗

12、氧量耗氧項(xiàng)/ kg供氧項(xiàng)/ kg實(shí)際氧氣消耗量/kg鐵水中元素氧化耗氧量（表5）6.965爐襯中碳氧化耗氧量（表6）0.062石灰中的S與CaO反應(yīng)還原出的氧量（表7） 0.002煙塵中鐵氧化耗氧量（表4）0.3407.427-0.002 +0.066=7.491爐氣中自由氧含量（表10）0.060合計(jì)7.427合計(jì)0.002為爐氣中N2之重量，詳見(jiàn)表10第三步：計(jì)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(lái)確定?，F(xiàn)計(jì)算如下。爐氣總體積V:V = V + 0.5%V + f

13、224G + 0.5%V -Vz gz 991 32 sZ x JV = 99 V + 0.7G k = 99 x 8.619 + 0.7 x 8.1860.002 x 22.4/32 =8 721 m3 98.5098.50式中VgCO、CO2、SO2和H2O諸組分之總體積，m3。本計(jì)算中，其值為8.950 x22.4/28+2.8373GS一不計(jì)自由氧的氧氣消耗量，kg。本計(jì)算中，其值為7.851+0.062+0.23=8.619 m3（見(jiàn)表9）；VX一鐵水與石灰中的S與CaO反應(yīng)還原出的氧量，m3。本計(jì)算中，其值為0.002kg（見(jiàn)表9）0.5%一爐氣中自由氧含量，m3；99由氧氣純度為

14、99%轉(zhuǎn)換得來(lái)。計(jì)算結(jié)果列于表10爐氣成分爐氣量/kg體積/ m3體積分?jǐn)?shù)/ %CO8.69882.99CO22.58015.66SO20.0260.11H2O0.0080.12O20.0620.0420.50N20.0660.0520.62合計(jì)11.4388.384100.00爐氣中 O2體積為 8.384x0.5%=0.042 m3 ；質(zhì)量為 0.042x32/22.4=0.062 kg。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0.052x28/22.4=0.065kg。第四步：計(jì)算脫氧和合金化前的鋼水量。鋼水量。9=鐵水量一鐵水中元素的氧化量一煙塵、噴濺和渣中的鐵損= 1

15、00-5.699- 1.00 x( 75%x56/72+20%x112/160 ) +1+8.184x6%)=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(shí)的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100.0087.53鋼水91.7380.23石灰3.4553.02爐渣8.187.16螢仁10.500.44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(jì)114.25100.00合計(jì)114.34100.00注:計(jì)算誤差為(114.2511

16、4.34 )/114.25x100%= - 0.010%第五步：計(jì)算加入廢鋼的物料平衡。如同第一步”計(jì)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14表12廢鋼中元素的氧化產(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)物量/ kg進(jìn)入鋼中的量/kgCC-COC-CO210.934 x 0.06% x90%=0.00810.934 x 0.06% x10%=0.0010.0110.0030.019（入氣）0.004（入氣）SiSi-(SiO2)10.934x0.03%=0.027

17、0.0310.058MnMn(MnO)10.934x0.74%=0.0400.0120.052PP-(P2O5)10.934x0.006%=0.0010.0010.002Sstso2）S10.934 x 0.009% x1/3=0.00030.0003-0.00040.0006 (入氣)樞皇皿堅(jiān)殳皿%I.。 H%00lx8rnCN.LnCN( 8LnELnCNl8rnCN.LnCNI)只噩眼眥+V 坦*。.。I需6E。耳。oCN.tI。8.。3.6寸9.9蜀18%。Ln.tI00.1I9寸.1彳寸。.0+8 等.!I寸rnodHBt|.0 + 寸8lod寸Ln.mH9Ln8m+LnM.I6皇諭

18、也9要srfe矍皿!5。.。I8rnmI6寸rno.9LnZH8Ln0.0+l617z其.。co.。CN。寸.09nuod寸 8.6Z%。LnCN。Ln.。LnLn*甫6.01。.。I皇需rw葺NJlwm寰SINJffi屐皿!510.9340.078 = 10.8560.002 (CaS .。O00 LTJ 。O10.934 x 0.009 x 2/3=0.000700。O通 增！*鐵水90.1479.85鋼水92.4781.84廢鋼9.868.73爐渣7.56.64石灰3.112.76爐氣10.339.14螢仁10.450.40噴濺0.900.80車(chē)工燒白云石2.252.00煙塵1.351.

19、19爐襯0.270.24渣中鐵珠0.440.39氧氣6.806.02合計(jì)112.88100.00合計(jì)112.99100.00第六步：計(jì)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(jì)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：W匚啊鋼種一 wx鋼水量錳鐵含Mn量x伽回收率=0.95%一0.21% x92.02 = 1.255kg67.80% x 80%硅鐵加入量W；為：W/（w叫種一 W也點(diǎn)）x加錳鐵后的鋼水量虬Sl Sl硅鐵含Si量x Si回收率73.00% x 75%=0.

20、03%x(92.02 +1.076)-0.005 = 42kg鐵合金中元素的燒損量和產(chǎn)物量列于表15。類別兒素?zé)龘p量/kg脫氧量/kg成渣量/kg爐氣量/kg入鋼量/kg錳鐵C0.631 x 6.60% x10%=0.0040.0100.015(CO2)0.631x6.60%x90%=0.038Si0.631 x 67.80% x20%=0.0860.0250.1110.631x67.80%x80%=0.342Mn0.631 x 0.50% x25%=0.0010.0010.0020.631x0.50%x75%=0.002P0.631x0.23%=0.001S0.631x0.13%=0.001

21、Fe0.631x24.74%=0.156合計(jì)0.0910.0360.1130.0150.540硅鐵Al0.425 x 2.50% x100%=0.0110.0100.006Mn0.425 x 0.50% x20%=0.000040.00010.00050.042 x 0.50% x80%=0.002Si0.042 x 73.00% x25%=0.0780.0890.1670.0425x73.00%x75%=0.230P0.0425x0.05%=0.00002S0.0425x0.03%=0.00001Fe0.0425x23.92%=0.102合計(jì)0.0880.0990.1740.334總計(jì)0.1

22、690.1350.2870.0150.874可以忽略脫氧和合金化后的鋼水成分如下：w(C)=0.08%+ 0.075 x100%=16%93.129w(Si)= 0.005 + 0.023 x100%=0.03%93.129w(Mn)=0.210%+ 0.681 + 0.0002 x100%=0.94%93.129w(P)=0.019%+ 0.003 x100%=0.022%93.129w(S)=0.016%+ 002 x 100%=0.018%93.129可見(jiàn)，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%為W 二(0.17 - 0.16)% x 鋼水量1焦炭含C量x C回收率=

23、0.01% x 9329 =0.015kg81.50% x 75%焦炭生成的產(chǎn)物如下：碳燒損量/kg耗氧量/kg氣體量/kg成渣量/kg碳入鋼量/kg0.060 x81.50%x25%=0.0120.0320.044+0.06x(0.58 + 5.52 )%=0.0470.060 x12.40%=0.0070.060 x81.50%x75%=0.037CO2、H2O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(guò)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.

24、71廢鋼9.868.64石灰3.112.72爐渣7.79 ( 7.50+0.287+0.007)6.82螢仁10.450.39車(chē)工燒白云石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(jì)114.21100.00合計(jì)114.28100.00注：計(jì)算誤差為(114.21114.28 ) 7114.21x100%= 0.1%可以近視認(rèn)為（0.082+0.008 ）的氧量系出

25、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）;溶入鐵水中的元素對(duì)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*360 60CN966.0 uo.xIrfe H 要 EoLnlzxI*821 zrnKO zrnKO60CNR 8XlCN669.0Lnw/。(好皇/立)(M - ii(皇/立)ubrnLnITR亞鯉摳場(chǎng) i_nCNLnCNornu ftpfIo6 9 X1I化學(xué)反應(yīng)(N| (N(N

26、oII(N(N(N(Ni | (N+i1Uoz(NIT) I (N(N(N一| CN+i1O占cno(NoII(Ncn |(N+11o占(N貨(N(N戈 j1 z- J y ACijc.j1jr)(N飼R.(N+cnIK 熙uuiZud陟CN o InLnoCM droMgCO3MgCO =（MgO）+Zo 分解反應(yīng)321180201405表20溶入鐵中的元素對(duì)鐵熔點(diǎn)的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、在鐵中的極限 溶解度/%5.4118.5無(wú)限2.80.1835.0無(wú)限溶入1%元素使 鐵熔點(diǎn)的降低 值/C6570758085901085302531.5氮、氫、氧溶入使鐵熔點(diǎn)的降低值/C

27、1=6適用含量范圍/%1.01.02.02.53.03.54.03I0.70.08118(2 )計(jì)算步驟。以100kg鐵水為基礎(chǔ)。第一步：計(jì)算熱收入Qs。熱收入項(xiàng)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。(1)鐵水物理熱Qw :先根據(jù)純鐵熔點(diǎn)、鐵水成分以及溶入元素對(duì)鐵熔點(diǎn)的降低值(表17、1和 20)計(jì)算鐵水熔點(diǎn)Tt，然后由鐵水溫度和生鐵比熱(表17和18)確定QwoTt=1536 -(4.2x100+0.4x8+0.45x5+0.12x30+0.06x25 )- 6 = 1099.45CQw=100 x0.745x( 1082 - 25 ) +218+0.837x(

28、 1300 - 1082 )= 118632.56KJ(2 )元素氧化熱及成渣熱Q :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元素氧化熱和成道熱反應(yīng)產(chǎn)物氧化熱或成渣熱/kj反應(yīng)產(chǎn)物氧化熱或成渣熱/kjCTO3.690 x11639=442947.91FeFe2O30.379x6460=2448.34cto20.410 x34834=14281.94PP2O50.100 x18980=1898Si-SiO20.400 x29202 = 11680.80P2O54CaOP2O50.237x4880=1156.56MnMnO0.270 x6594=1780.38S

29、iO22CaOSiO21.000 x1620=1620.00FeFeO0.525x4250=2231.25合計(jì)。尸80045.18(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(jì)算可得。Qc=1.5x(75%x56/72x4250+20%x112/160 x6460) = 5075.35KJ(4 )爐襯中碳的氧化熱Q:根據(jù)爐襯蝕損量及其含碳量確定。Q f0.3 x 14% x 90% x 11639+0.3 x 14% x 10% x 34834=586.25KJ故熱收入總值為:Qs=Qw+Qy+QC+Qi=227582.40KJ第二步：計(jì)算熱支出QZ。熱支出項(xiàng)包括：鋼水物理熱；

30、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(diǎn)的方法確定鋼水熔點(diǎn)Tg;再根據(jù)出鋼和鎮(zhèn)靜時(shí)的實(shí)際溫降(通 常前者為40601,后者約35C/min，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(guò) 熱度(一般為5090C )確定出鋼溫度Tz；最后由鋼水量和熱容算出物理熱。Tg=1536 - (0.10 x65+0.18x5+0.020 x30+0.021x25) - 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) Tz=1520+50+5

31、0+70=1690C(式中，50、50和70分別為出鋼過(guò)程中的溫降、鎮(zhèn)靜及爐后處理過(guò)程中的溫降和過(guò)熱度)Qg=91.725x0.699x(1520 - 25)+272+0.837x(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=8.184x1.248x(1690 - 25)+209 = 18716.153KJ(3)爐氣、煙塵、鐵珠和噴濺金屬的物理熱 Q。根據(jù)其數(shù)量、相應(yīng)的溫度和熱容確定。詳見(jiàn)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 ) = 18532.1331450C系爐氣和煙塵的溫度煙塵物理熱1.5x0.996x( 1450 - 25 ) +209=2442.45渣中鐵珠物理熱0.491x0.699x( 1520 - 25 ) +272+0.837x( 169