GCr15SiMn电弧炉炼钢物料平衡和热平衡

一、物料平衡计算
1 计算所需原始数据
基本原始数据：冶炼钢种及成分（见表1）；原材料成分（见2）；炉料中元素烧损率（3）；其他数据（见表4）
表1 冶炼钢种及其成分
①按末期含量比规格下限低0.03%～0.10%（取0.06%）确定（一般不低于0.03%的脱碳量）；
②按末期含量0.015%来确定
2 物料平衡基本项目
收入项有：废钢、生铁、碳粉、石灰、萤石、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝砖、火砖块、铁合金、氧气和空气。

支出项有：钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、碳粉中挥发分。

3 计算步骤
以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段分为熔化期和氧化期分别进行计算，然后汇总成物料平衡表。

第一步：熔化期计算。

（1）确定物料消耗量：
1）金属炉料配入量。

废钢和生铁按75kg和25kg搭配，不足碳量用碳粉来配。

其结果列于表5。

表5 炉料配入量
*碳烧损率25%。

0.515/（0.75×0.8221）=0.835
2)其他原材料消耗量。

为了提前造渣脱磷，先加入一部分石灰（20kg/t（金属料））和矿石（10kg/t（金属料））。

炉顶、炉衬和电极消耗量见表4。

（2）确定氧气和空气消耗量：耗氧项包括炉料中元素的氧化，碳粉和电极中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中CaO被自身S还原出部分氧。

详见表6。

*令铁烧损率为2%，其中80%生成Fe2O3挥发掉成为烟尘的一部分；20%成渣。

在这20%中，按3：1的比例分别生成（FeO）和（Fe2O3）。

如表4中所述，应由氧气供给的氧为50%，即3.085×50%=1.543,空气应供氧1.543-0.270=1.273kg，由此可求出氧气与空气的实际消耗量如表7
上述1）+2）便是熔化期的物料收入量。

（3）确定炉渣量：炉渣源于炉料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物，炉顶和炉衬的蚀损，碳粉和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。

结果见表8。

几点说明：
①Fe的消耗量，按表6中注释97.759×2%×20%=0.391
②石灰中氧化钙的计算,石灰中自身S还原消耗0.002kgCa
③矿石中的Fe2O3假设全部还原，还原得到的铁为1.000×0.8977×112/160=0.628kg
（4）确定金属量：金属量Q i=金属炉料重+矿石带入的铁量-炉料中C、Si、Mn、P和Fe的烧损量+碳粉配入的碳量=100+0.628-3.194+0.515=97.949kg。

（5）确定炉气量：炉气来源于炉料以及碳粉和电极中碳的氧化物CO和CO2，氧气带入的N2，物料中的H2O及其反应产物，游离O2及其反应产物，石灰的烧减（CO2），碳粉的挥发分。

计算结果列于表9。

表9 炉气量计算
*计算条件：常温（20℃）、常压（0.1MPa）下空气相对湿度为70%，20℃的饱和蒸汽压为0.0023MPa
先求空气体积1.273/32×22.4+4.262/28×22.4=4.301m3
再求湿空气体积4.301×（273+20）/273×0.1/(0.1-0.0023)=4.725 m3
空气中水蒸气密度ρ=m/V=M×P/RT=18×2.3×70%/(8.314×293)=0.0119kg/m3
空气含水量4.725×0.0119=0.056kg
（6）确定铁的挥发量：有表6中设定，铁的挥发量为：97.759×2%×80%=1.564kg。

上述（3）+（4）+（5）+（6）便是熔化期的物料支出量。

由此可列出熔化期物料平衡表10。

表10 熔化期物料平衡表
注：计算误差=（111.676-111.298）/111.676×100%=0.34%。

第二步：氧化期计算。

引起氧化期物料波动的因素有：扒除熔化渣，造新渣；金属中元素的进一步氧化炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损。

（1）确定渣量：
1）留渣量。

为了有利去磷，要进行换渣，即通常除去70%左右熔化渣，而进入氧化期只留下30%的渣。

其组成见表11。

2）金属中元素的氧化产物。

根据表3给出的值可以计算产物量，详见表11。

3）炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。

根据表4的假定进行计算，其结果一并列入表11。

4）造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量。

见表11。

表11 氧化期渣量的确定
*石灰中CaO被自身S还原，消耗0.003kgCaO。

渣量计算的几点说明：
关于石灰消耗量：由表11可知，除石灰带入的以外，渣中已含SiO2=0.262+0.124+0.003+0.005+0.001+0.058+0.304=0.757kgCaO=0.535-0.016+0.001+0.006+0.013+0 .003=0.542kg。

取碱度 3.5，故石灰加入量为：[R∑(SiO2)-∑(CaO)]/[%CaO石灰-R%SiO2石灰]=2.108/(88.00%-3.5×2.50%)=2.660kg
关于磷的氧化量：根据表6，可近似求得[(0.073-0.033)/97.949-0.015%]×97.949=0.025kg。

关于铁的烧损量：一般可以设定，当氧化末期金属中含C约0.90%时，渣中∑Fe约达7%；且其中75%为（FeO），25%为（Fe2O3）。

因此，渣中含（FeO）为7%×75%×72/56=6.75%,含（Fe2O3）为7%×25%×160/112=2.50%，由表11知，除FeO和Fe2O3以外的渣量为2.880+0.824+0.281+0.331+0.288+0.086+0.027=4.717kg，故总渣量=4.717/（100-6.75-2.50）%=5.198kg。

于是可得（FeO）=0.351kg，（Fe2O3）=0.130kg。

其中，有Fe氧化生成的（FeO）和（Fe2O3）分别为0.238kg和0.056kg。

（2）确定金属量：根据熔化期的金属量以及表11中元素烧损量和矿石还原出来的铁量，即可得氧化末期的金属量为
97.949-（0.058+0.113+0.025+0.224+0.009+0.318*）+0.628=97.830kg
（*为碳的烧损量近似值，即1.70（1-30%）-0.89%×97.949=0.318kg）
（3）确定炉气量：计算方法如同熔化期。

先求净耗氧量（见表12），再确定氧气消耗量（见表13），最后将各种物料或化学反应带入的气态产物归类，从而得其结果（见表14）。

表12 净耗氧量的计算
如表4中所述，应由氧气供给的氧为50%，即0.923×50%=0.462,空气应供氧0.462-0.275=0.187kg，由此可求出氧气与空气的实际消耗量如表13
表13 氧气和空气实际消耗量
表14 炉气量
表 15 熔化期和氧化期综合物料平衡表
注：计算误差=（117.470-117.404）/117.470=0.06%。

表16氧化末期各金属成分
二、热平衡计算
以100kg金属料（废钢+生铁）为基础。

1 计算热收入Q s
（1）物料的物理热。

计算结果列于表17。

（2）元素氧化热及成渣热。

计算结果列于表18。

（3）消耗的电能。

根据消耗的热量确定，为92294.71kJ。

详见下面的计算。

表17 物料带入的物理热
注:其他入炉原料都假设是25℃
表18 元素氧化热及成渣热
*因熔化期和氧化期所需要的O2量50%由氧气提供，由表3和13可知，该气态O2总用量为1.543+0.462=2.005kg。

其中,氧化成Fe2O3的量为1.662(见表6) 所需氧量为1.662×48/112=0.712kg。

其余O2均设定为将铁氧化成FeO，即该部分Fe的氧化量为（2.005-0.712）×56/16=4.526kg.这些铁为金属中C、Si、Mn、P提供部分氧源。

2 计算热支出Q z
（1）钢水物理热Q g。

该钢熔点为1536-（0.891×70+0×8+0.086×5+0.015×30+0.024×25）-6=1466℃；出钢温度控制在中下限，本计算中取1600℃。

则：
Q g=97.830×[0.699×(1466-25)+272+0.837×(1600-1466)]=136122.33kJ
（2）炉渣物理热Q r。

计算结果见表19。

表19 炉渣物理热
（3）吸热反应消耗的物理热Q s。

详见表20。

表20 吸热量
（4）炉气物理热Q x。

令炉气温度为1200℃，热容为1.137 kJ/(kg·K)，由炉气量可得：
Q x=9.316×[1.137×(1200-25)]=12445.94kJ
（5）烟尘物理热Q y。

将铁的挥发物计入烟尘中，烟尘热容为0.996kJ/(kg·K)；则得：
Q y=（1.564+0.600）×[0.996×(1200-25)]=2532.53kJ
（6）冷却水吸热Q l。

如炉子公称容量为30t，冷却水消耗量为20m3/h，冷却水进出口温差为20℃，冶炼时间平均为1h，则得：
Q l=（20×1000×1×4.185×20）/300=5580.00kJ/100kg(金属料)
（7）其他热损失Q q。

包括炉体表面散热热损失、开启炉门热损失、电极热损失等。

其损失量与设备的大小、冶炼时间、开启炉门和炉盖的总时间以及炉内的工作温度有关。

时间表明，该项热损失占总热收入的6%-9%，本设计中取8%。

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（8）变压器及断网系统的热损失。

一般，该热损失为总热收入的5～7%。

本计算取5%。

令炉子总收入等于Q s，则：
Q s=136122.33+17162.48+7158.23+12445.94+2532.53+5580.00+Q s×(8%+5%)
即 0.87Q s=181001.51
Q s=208047.71kJ
故应供应电能为：208047.71-521.33-49059.00=158467.38kJ；Q q=208047.71×8%=16643.82kJ；Q b=208047.71×5%=10402.39kJ。

总热平衡计算结果列于表21。

表21 热平衡表
①单位电耗计算：因1kJ=2.773×10-4kW·h，故单位电耗为（158467.38×2.773×10-4）×1000/97.830=449.2kW·h/t(钢水)。

11。