炼钢过程物料平衡和热平衡计算

0
0
0.10 0.0 4.64 0.10 6
88.00 0.90 0.1 0
1.50
36.2 0
14.0 0
0.58 81.5 12.4
0
0
表2.3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母）
类别
C
Si
Mn
Al
P
成分含量/回收率
/%
S
Fe
硅铁
—
73.00/75 0.50/80 2.50/0 0.05/100 0.03/100 23.92/100
㎏；渣中已含(SiO2)=1.071+0.009+0.028+0.020=1.128 ㎏。因设定的终渣碱度 R=3.5；故石灰的加入量为： [RΣω(SiO2)- Σω(CaO)]/ [ω(CaO 石灰)-R×ω(SiO2 石灰)]=3.95/(88.66%-3.5×2.70%)=4.99kg
② (石灰中 CaO 含量)-(石灰中 S→CaS 消耗的 CaO 量)。 ③ 由 CaO 还原出来的氧量，计算方法同表 2-6 的注。
2-8
入渣组分之 和
表 2.6 炉衬蚀损的成渣量
炉衬蚀损
量/㎏
CaO
0.3
0.00
(据表 2-5) 4
成渣组分/kg SiO2 MgO Al2O3 Fe2O3
0.00 9
0.23 6
0.00 4
0.00 5
气态产物/kg
C→CO
C→CO2
0.3×14%× 90%×
28/12=0.088
0.3×14%× 10%×
44/12=0.015
耗氧量/㎏ C→CO,CO2 0.3×14%×(90%× 28/12+10%× 44/12)=0.062
合计
0.258
0.103
0.062
表 2.7
加入溶剂的成渣量
类 加入量 别 /㎏ 萤 0.5(据 石 表 2-4)
CaO 0.002
MgO 0.00
3
成渣组分/kg
气态产物/kg
Gs
0.5%V
Vx）)
V
99Vg
0.7Gs - Vx 98.50
99 7.864 0.7 8.093 0.002 22.4 32 98.50
7.961m3
式中 Vg—CO、CO2、SO2 和 H2O 各组分总体积，m³。本设计中，其值为 6.598 ×22.4/28+2.310×22.4/44+0.020×22.4/64+0.011×22.4/18=7.864m³；
0.144
合计
6.330
7.034
成渣量
① 由 CaO 还原出的氧量；消耗的 CaO 量=0.020×56/32=0.035kg。
产物量(㎏) 8.610 0.88 1.071 0.645 0.424 0.016
0.034(CaS) 0.897
0.490
3.942
备注
入渣 入渣 入渣
入渣 入渣见表
2-8 入渣见表
氧气实际耗量系消耗项目与供入项目之差。见表2.9。
表 2.5 铁水中元素的氧化产物及其渣量
元素
C Si Mn P S
反应产物 [C]→{CO} [C]→{CO2} [Si]→{SiO2} [Mn]→{MnO} [P]→{P2O5} [S]→{SO2} [S]+(CaO)→(CaS)+(O)
元素氧化量(㎏) 4.10×90%=3.690 4.10×10%=0.410
类别 CaO SiO2 MgO Al2O3 Fe2O3 CaF2
P2O5
S
成分%
CO2
H2O
C 灰分 挥 发 分
石灰
萤石
生石 灰石 炉衬
焦炭
88. 2.70 2.60 1.50 0.50 66
0.3 5.50 0.60 1.60 1.50 0
36. 0.80 25.6 1.00
40
0
1.2 3.00 78.8 1.40 1.60
第 2 章 炼钢过程的物料平衡和热平衡计算
炼钢过程的物料平衡和热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上的。其 主要目的是比较整个过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度， 确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供定量依据。由于炼钢是一个复 杂的高温物理化学变化过程，加上测试手段有限，目前还难以做到精确取值和计 算。尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。
灰
②
0
0.006
0.25 0
0.001
③
合计
0.79
1.15
5.992
0.195 0.108 0.044 0.016 0.005 0.440 0.011
0.001
3
5
成渣量
7.593
① 石灰加入量计算如下：由表 4.6～4.8 可知，渣中已含(CaO)=-0.026+0.004+0.002+0.910=0.890
0.00 0.00
5.471
5
7
炉 衬 蚀 损 成 渣 量 0.00 0.00 0.23 0.00
/kg
4
9
6
4
0.00 5
0.258
生 白 云 石 成 渣 量 0.91 0.02 0.64 0.02
/kg
0
0
0
5
1.595
萤石成渣量/kg
0.00 0.02 0.00 0.00
2
8
3
8
0.00 0.44 0.00 0.00
渣中铁损（铁珠） 氧气纯度 炉气中自由氧含量
为渣量的6% 99%，余者为N2 0.5%（体积比）
炉衬蚀损量
为铁水量的0.3%
气化去硫量
占总去硫量的1/3
终渣∑(FeO)含量 (按向钢中传氧量ω (Fe2O3 ） =1.35 ω (FeO) 折 算)
15% ， 而 ω (Fe2O3 ） / ∑ ω (FeO)=1/3,即ω(Fe2O3）=5%，ω (FeO)=8.25%
2.1 物料平衡计算
2.1.1 计算原始数据
基本原始数据有：冶炼钢种及其成分，铁水和废钢的成分，终点钢水成分（见
表 2.1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（见表 2.2）：脱氧和合金化用铁
合金的成分及其回收率（表 2.3）；其他工艺参数（表 2.4）。
表 2-1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值
第三步：计算炉气量及其成分。
7.766-0.002+0.041=7.805
炉气中含有 CO、CO2、N2、SO2 和 H2O。其中 CO、CO2、SO2 和 H2O 可由表 2.5～2.7 查得，O2 和 N2 则由炉气总体积来确定。现计算如下。
炉气总体积 V∑：
V
Vg
0.5%V
1（( 22.4 99 32
GS—不计自由氧的氧气消耗量，Kg。其值为：7.691+0.062+0.34=8.093Kg； VX—石灰中的 S 与 CaO 反应还原出的氧气量（其质量为：0.001Kg）； 99—由氧气纯度 99%转换得来；
0.5%—炉气中自由氧含量。
表 2.10 炉气量及其成分
炉气成分 CO CO2 SO2 H2O O2 N2
表 2.9 实际耗氧量
耗氧项/Kg
供氧项/Kg
实际氧气消耗量/Kg
铁水中元素氧化消耗量 7.034
炉 衬 中 碳 氧 化 消 耗 量 石灰中 S 与 CaO 反应还原出的氧
0.062
化量（表 2.7） 0.002
烟尘中铁氧化消耗量
0.340
炉气自由氧含量
0.060
合计
7.766 合计
0.002
① 炉气 N2(存在于氧气中，见表 2.4)的质量，详见表 2.10。
100.00
合计
115.81
100.00
注：计算误差为（115.63-115.81）/115.63 100%=-0.15%。
表 2.12 废钢中元素的氧化量及其成渣量
元 反应产物
素
元素氧化量/kg
耗氧量 /kg
C
[C]→{CO}
13.7×0.08%×90%=0.012 0.016
[C]→{CO2}
5.996+1.704+1.029+0.112+0.497+0.440+0.416+0.041=9.249Kg，而终渣Σω(FeO)=15%(表 2.4)，故总渣
量为 10.235÷86.75%=10.681Kg。 ②ω(FeO)=10.681×8.25%=0.881Kg。 ③ω(Fe2O3)=10.681×5%-0.040-0.005-0.008=0.481Kg。
0.495
8
0
5
1
总成渣量/kg
5.13 1.26 1.00 0.11 0.49
0.54 0.44 0.43 0.04 10.869
0.973
2
3
9
2
7
3
0
4
1
①
质量分数/%
50.8 14.4
8.72 0.95 4.21 8.25
2
4
5.00 3.73 3.53 0.35 100.00
① 总渣量计算如下：因为表 2-9 中除(FeO)和(Fe2O3)以外总渣量为：
%
项目
质量/Kg
%
铁水
100．00
86.48
钢水
92.614
79.23
石灰
4.99
4.98
炉渣
10.87
10.19
萤石
0.50
0.43
炉气
9.04
7.81
生白云石
2.50
2.16
喷溅
1.00
0.86
炉衬
0.30
0.26
烟尘
1.50
1.30
氧气
7.805
5.69
渣中铁珠
0.71
0.61
合计
113.072
0.500 0.500 0.185 0.03×1/3=0.008 0.03×2/3=0.015
耗氧量(㎏) 4.720 0.640 0.571 0.145 0.239 0.008
-0.008①
[Fe]→{FeO}
0.897×56/72=0.685
0.195
Fe
[Fe]→{Fe2O3}
0.48×112/160=0.377
锰铁
6.60/90 0.50/75 67.8/80
—
0.23/100 0.13/100 24.74/100
注：上表中的C中10%于氧生成CO2。
表2.4
其他工艺参数设定值
名称
参数
名称
参数
终渣碱度 萤石加入量 生白云石加入量
ω(CaO) ∕ω(SiO2)=3.5 为铁水量的0.5% 为铁水量的2.5%
合计
炉气量/Kg 8.698 2.652 0.008 0.01 0.040① 0.057 11.465
体积/m³ 6.958 0.891 0.003 0.012 0.057① 0.071② 6.617
体积分数/% 79.76 17.77 1.06 0.21 0.50 0.70 100.00
① 炉气中 O2 的体积为 6.617×0.5%=0.033m³；质量为 0.033×32/22.4=0.047kg。 ② 炉气中 N2 的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为 0.046×28/22.4=0.058 kg。 第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。
表 2.8 总渣量及其成分
炉渣成分
Al2O
CaO SiO2 MgO
MnO FeO
3
Fe2O CaF2 P2O5 CaS 合计
3
元素氧化成渣量 /kg
1.07 1
0.49 0.897 0.54
7
②
1
0.42 0.03
3.979
4
4
石灰成渣量/kg
4.39 0.13 0.13 0.07
6
5
0
5
0.02 5
损、铁合金。 支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。
2.1.3 计算步骤 以100Kg铁水为基础进行计算。
第一步：计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。
总渣量包括铁水中元素氧化、炉衬蚀损和计入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别
列于表2.5、2.6和2.7。总渣量及其成分列于表2.8中。
第二步:计算氧气消耗量。
13.7×0.08%×10%=0.001 0.003
Si
[Si]→{SiO2}
Mn
[Mn]→{MnO}
SiO2 Al2O3 Fe2O3 P2O5
CaS
CaF2
H2O
CO2
O2
0.028 0.008 0.008 0.005 0.001 0.440 0.005
白
2.5(据
云
0Fra Baidu bibliotek910
表 2-4)
石
0.64 0
0.020 0.025
0.90 5
石
5.080 0.15
5.76①
0.147 0.075 0.036 0.011 0.004
金 属 中 [C] 的 氧 化 产 物
废钢量
90%的C氧化成CO， 10%的C氧化成CO2 由热平衡计算确定， 本计算结果为铁水
烟尘量
为铁水量的1.5%（其中ω(FeO)
量 的 13.7% ， 即 废 钢
喷溅铁损
为75%，ω(Fe2O3）为20%) 为铁水量的1%
比为12.05%
2.1.2 物料平衡基本项目 收入项有：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀
钢水量 Qg=铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅、和渣中的铁损
100 6.33 1.50 75%56 72 20%112160 111.798 6%
90.944
据此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表 2.11。
2.11 未加废钢时的物料平衡表
收入
支出
项目
质量/ kg
类别
C
Si
Mn
P
S
成分含量%
钢种 Q235A 设定值 铁水设定值 废钢设定值
终点钢水设定值
0.18 4.2 0.20 0.10
0.25 0.50 0.25 痕迹
0.55 0.75 0.43 0.250
≤0.045 0.20 0.020 0.015
≤0.005 0.025 0.032 0.002
表2-2 原材料成分