电弧炉炼钢物料平衡和热平衡

3电弧炉炼钢物料平衡和热平衡
3.1 物料平衡计算
3.1.1 计算所需原始数据
基本原始数据：冶炼钢种及成分（见表3-1）；原材料成分（见表3-2）；炉料中元素烧损率（见表3-3）；合金元素回收率（见表3-4）；其他数据（见表3-5）。

表3-1 冶炼钢种及其成分
注：分母系计算时的设定值，取其成分中限。

表3-2 原材料成分/%
表3-3 炉料中元素烧损
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
按末期含量的0.015%来确定。

表3-4 铁水、废钢成分设定值
表3-5 其他数据
3.1.2 物料平衡基本项目
收入项有：废钢、生铁、焦炭、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、焦炭中挥发分。

3.1.3 计算步骤
以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段——熔化期、氧化期和还原期分别进行计算，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，不足碳量用焦炭来
配。

其结果列于表3-6。

计算用原始数据见表3-2和3-5。

表3-6 炉料配入量
①碳烧损率25%。

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3-5。

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

前后两者之差即为所需净氧量2.458kg。

详见表3-7。

根据表3-5中的假设，应由氧气供给的氧气为100%，即2.239kg。

由此可求出氧气实际消耗量。

详见表3-8。

上述1）+2）便是熔化期的物料收入量。

表3-7 净耗氧量的计算
①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）。

表3-8 氧气实际消耗量
（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，焦炭和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。

结果见表3-9。

表3-9 熔化期炉渣量的确定
（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+焦炭配入的碳量=100-2.7425+0.42=97.6775kg。

（5）确定炉气量：炉气来源于炉料以及焦炭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），焦炭的挥发分。

计算结果列于表3-10。

表3-10 炉气量计算
（6）确定铁的挥发量：有表3-7中设定，铁的挥发量为：97.949×2%×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3-11。

表3-11 熔化期物料平衡表
注：计算误差=（105.775-105.094）/105.775×100%=0.64%。

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3-12。

2）金属中元素的氧化产物。

根据表3-3给出的值可以计算产物量，详见表3-12。

3）炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。

根据表3-5的假定进行计算，其结果一并列入表3-12。

4）造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量。

见表3-12。

渣量计算的几点说明：
关于石灰消耗量：由表3-12可知，除石灰带入的以外，渣中已含SiO2=0.168+0.08+0.003+0.005+0.001+0.304=0.561kg;Cao=0.531+0.001+0.006 +0.003-0.040=0.501kg。

取碱度3.5，故石灰加入量为：
[R∑W(SiO2)-∑W(CaO)]/[w(CaO石灰)-Rw（SiO2石灰）]=1.377/(88.00%-3.5×2.50
%)=1.091kg
关于磷的氧化量：根据表3-7，可近似求得[(0.003-0.0135)/97.687-0.015%]×
97.687=0.00184kg。

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∑w （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3-12可知，除FeO和Fe2O3以外的渣量为2.127+0.608+0.225+0.298+0.189+0.019+0.0559=3.551kg，故总渣量=3.551/（100-6.75-2.50）%=3.913kg。

于是可得W（FeO）=0.245kg，W（Fe2O3）=0.118kg。

其中，有Fe氧化生成的（FeO）和（Fe2O3）分别为0.19kg和0.082kg。

表2-12 氧化期渣量的确定
①石灰中CaO被自身S还原，消耗0.003kgCaO。

（2）确定金属量：根据熔化期的金属量以及表3-12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
97.678-（0.0375+0.039+0.0016+0.135+0.023+0.318①）+0.628=97.894kg （①0.318为碳的烧损量接近值，即（0.60-0.18）-0.89%×97.678=0.342kg）（3）确定炉气量：计算方法如同熔化期。

先求净耗氧量（见表3-13），再确定氧气消耗量（见表3-14），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3-15）。

具体算法可参照表3-10。

熔化期和氧化期的综合物料平衡列于表3-16。

表3-13 净耗氧量的计算
表3-14 氧气和空气实际消耗量
表3-15 炉气量
表 3-16 熔化期和氧化期综合物料平衡表
注：计算误差=（109.394-108.747）/109.394×100%=0.59%。

氧化期末金属成分如下：
3.2 热平衡计算
以100kg金属料（废钢+生铁）为基础。

3.2.1 计算热收入Q s
（1）物料的物理热。

计算结果列于表3-17。

（2）元素氧化热及成渣热。

计算结果列于表3-18。

（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 3-17 物料带入的物理热
表3-18 元素氧化热及成渣热
①因熔化期和氧化期所需要的O2量100%由氧气提供，由表3-8和3-14所知，该气态O2总用量为3.447kg。

3.2.2 计算热支出Q z
（1）钢水物理热Q g。

该钢熔点为1536-（0.18×65+0.3×8+0.47×5+0.045×30+0.045×25）-6=1511℃；出钢温度控制在中下限，本计算中取1580℃。

则：
Q g=97.1×[0.699×(1511-25)+0.837×(1580-1452)]=132878.15kJ
（2）炉渣物理热Q r。

计算结果见表3-19。

表3-19 炉渣物理热
（3）吸热反应消耗的物理热Q s。

详见表3-20。

表3-20 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)-1，由炉气量可得：
Q x=3.536×[1.137×(1200-25)]=4724kJ
(5)烟尘物理热Q y。

将铁的挥发物计入烟尘中，烟尘热容为0.996 kJ·(kg·K)-1；则得：
Q y=（1.538+0.831）×[0.996×(1200-25)]=2825.10kJ
(6)冷却水吸热Q l。

如炉子公称为120t，冷却水消耗量为30m3/h，冷却水进出口温差为20℃，冶炼时间平均为4h，则得：
Q l=（30×1000×4×4.185×20）/1200=8370kJ/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%。

令炉子总收入等于Q s，则：
Q s=132878.15+13588.34+4809.39+4724+2825+8370+Q s×(8%+6%)
即 0.86Q s=161194.88
Q s=194412.65kJ
故应供应电能为：194412.65-2517.48-64347=127548.17kJ；Q q=194412.65×8%=15553.01kJ；Q b=194412.65×6%=11664.76kJ。

总热平衡计算结果列于表3-21。

表3-21 热平衡表
①单位电耗计算：因1kJ=2.773×10-4kW·h，故单位电耗为（127548.17×2.773×10-4）×1000/97.1=364 kW·h/t(钢水)。