110t超高功率电弧炉热平衡计算

4
电极 合计
1.507
723
0.144
325.512 43800.529
（4）元素氧化热及成渣热
根据计算公式 Q=m H 可得下表： 表 3 元素氧化热及成渣热
元素
消耗量/t
化学反应
H
放热量 （kJ× 103) 20950 1164 1688 361
（kJ/kg） -11639
C
1．800( 炉料) 0．100( 电极) 0．145( 焦炭) 0.031( 炉衬) 0.771( 炉料) 0．043( 电极) 0．062( 焦炭) 0．013( 炉衬)
（2）炉渣物理热 Qr。 计算时取炉渣终点温度与钢水温度相同，则有： Qr =7.961×103×[1.247×(1600-25)+209.20]=17301.044×103KJ
6
（备注：钢渣量为 7.961t）
（3）炉气物理热 Qx。 炉气带走的热量主要是指从除尘烟道里烟气带走的热以及电极孔烟气 带走的热。令炉气温度为 1450℃，热容为 1.137 kJ/kg·K，由炉气量可得： Qx=8.110×103×[1.137×(1450-25)]=13140.025×103kJ （备注：生成炉气量为 8.110t）
0.146
2﹝P﹞+5(FeO)=(P2O5)+5﹝ -18980 Fe﹞
2771
5
Fe*
0．347 1．965
﹝Fe﹞+1/2{O2}=(FeO) 2﹝Fe﹞+3/2{O2}=(Fe2O3) 2(CaO)+(SiO2)=(2CaO SiO2) ·
-4250 -6460 -1620 -4880
1475 12694 2155
五 热平衡计算 1、计算热收入 Qs 热收入是由电能、物料带入的物理热、元素氧化热及成渣热所组成，而 物料带入物理热中铁水的物理热是关键性数据，因此我们单独列出计算过 程。
（1）电能 电能是电炉炼钢的主要热源。电能与废钢或者熔池进行热交换，在泡沫 渣埋弧的条件下，70％以上的电能转化为热能被熔池吸收。实际操作中根据 电弧的埋弧情况决定送电功率，尽量减少能量损失。 以热辐射的形式很大部分被炉壁和炉顶的水冷件吸收。电能在 110t 直
SiO2 成 渣 P2O5 成渣 合计
1.330
0.340
4(CaO)+(P2O5)=(4CaO· P2O5)
1659
94457
2、计算热支出 Qz 热支出是由钢水物理热，炉渣物理热，炉气物理热，烟尘物理热，冷却 水吸热，其他热损失，变压器及断网系统的热损失共同组成，下面我们分别 计算其热值大小：
（1）钢水物理热 Qg。 该钢熔点为该钢的熔点为:1539－( 70×1.00+8×0.25+5×0.35+30×0. 015+25×0.016+3×0.02)－6=1464℃考虑到出钢过程中添加合金石灰等，电 炉至精炼炉温降等，故出钢温度定为 1600℃，首先确定出钢量： 120-0.36-5.969-1.592=112.079t （备注：钢水量为入炉钢铁料重去除 1%铁水喷溅量为 0.36t,炉料中元素烧 损量为 5.969t,渣中铁元素损耗量为 1.592t） 可得:Q=112079×［0.699×(1464－25)+272+0.837×(1600－1464)］=15597 9.495×103kJ
3
（3）物料带入的物理热 根据物理热公式 Q=cmT（c 为各组分比热容，m 为消耗量，T 为温度）可 得到其他各组分物料及辅料的物理热如下表所示： 表 2 物料带入的物理热 名称 K) 热容(kJ/kg· 温度(K) 消耗量(t) 物理热(kJ× 103） 废钢 铁水 石灰 焦炭 炉衬 镁砂 氧气 空气 0.699 0.837 0.728 0.858 0.996 0.996 1.318 0.963 298 1523 298 298 873 873 298 298 84.000 36.000 5.648 0.300 0.240 0.072 2.762 7.858 1467.900 41205.924 102.800 23.784 143.424 250.992 91.021 189.172
3 3 总的 Ql =4359.38×1.2×10 =5231.25×10 kJ 3
（6）其他热损失 Qq。 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%。
3 3
Qs=226499.412×103kJ 故 应 供 应 电 能 为 ： 226499.412 × 10 -43800.529 × 10 -94457 × 10 =88241.883×10 kJ； Qq=226499.412 × 103 × 8%=18119.953 × 103kJ ； Qb=226499.412 × 103 × 6%=13589.965×10 kJ。
C+1/2{O2}={CO}
C+{O2}={CO2}
-34834
26857 1498 2160 452
金属 中 Si 金属 中 Mn 金属 中的 P
0.552
[Si]+2(FeO)=(SiO2)+2﹝Fe ﹞
-29202
16120
0.372
[Mn]+(FeO)=(MnO)+﹝Fe ﹞
-6594
2453
3 3 3 3 3
总热平衡计算结果列于表 21。
表 4 热平衡表 收入 项目 热量（kJ× 103） 物料物理热 氧化热和成渣 热 其中 C 氧化 Si 氧化 Mn 氧化 P 氧化 Fe 氧化 43800.529 94457 55130 16120 2453 2771 14169 2155 19.34 41.70 24.34 7.12 1.08 1.22 6.26 0.95 钢水物理热 炉渣物理热 炉气物理热 烟尘物理热 冷却水吸热 其他热损失 变压器系统热 损失
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支出 % 项目 热量（kJ× 103） 155979.495 17301.044 13140.025 3137.640 5231.250 18119.953 13589.965 68.86 7.64 5.80 1.39 2.31 8.00 6.00 %
SiO2 渣 P2O5 渣 电能 合计
成
1659
≦
≦
1.40~
-
-
-
0.025 0.025 1．65 5.52 -
冶炼终 ≧0.5 痕迹 0.15 0.010 0.020 铁水 4.2 0.60 0.40 0.200 0.035 废钢 0.18 0.25 0.55 0.030 0.030 焦炭 81.50 0.58 12.40 电极 99.00 1.00 （备注：其他辅料或添加料如在此次计算中出现将以备注形式标出）
1
3
料次数 1～3 次；铁水的比例为 30～60％；渣料主要结构为石灰；设计冶炼 周期为 1h。
三 根据超高功率的概念确定装入量 国际钢铁协会 IISI(International Iron and Steel Institute)1981 年在巴西会议上提出了电弧炉额定功率水平的具体分类方法，按照每吨钢占 有的变压器额定容量来划分高功率， 超高功率的界限， 额定功率(Rated Power) 在 400～700kVA／t 为高功率电炉．大于 700kVA／t 为超高功率。超高功率 电炉的吨钢额定功率越大，电炉的升温速度越快，越有利于缩短冶炼周期， 所以 11Ot 高功率电炉的装入量应该围绕这一中心概念进行。考虑留钢留渣 量确定装入量，装入量的计算可以用以下公式进行： 装入量<82000÷700—Q （1） (1)式中 Q 指留钢量。 考虑到变压器的实际容量大于 82 MVA，所以全废钢冶炼的最佳装入量为 117t (包括留钢量)。由于热装铁水可以带入丰富的物理热和部分化学热，热装铁 水比例每增加 l％，电耗下降 4.7～5.2kwh／t[引]，所以热装铁水时的装入 量控 制在 120～135t。在本文的计算中我们取 120t。
（4）烟尘物理热 Qy。 将铁的挥发物计入烟尘中，烟尘热容为 1.0kJ/(kg·K)；总烟尘量=120 ×10 ×1.6％×[1.0(1450-25)+209.20]=3137.64×103kJ
3
（5）冷却水吸热 Ql。 如炉子公称容量为 110t，冷却水消耗量为 25m /h，冷却水进出口温差为 25℃，冶炼时间平均为 1h，则得： Ql `=（25×1000×1×4.185×25）/600=4359.38kJ/100kg(金属料)
江苏大学材料学院
专业名称： 班级学号： 学生姓名： 指导教师：
冶金 3100701007 赵钊 李亚波
课设题目：110t 超高功率电弧炉热平衡计算
引言： 炼钢过程中的物料平衡和热平衡计算是建立在物料与能量守恒的基础 上的。 其主要目的是分析整个冶炼过程中的物料、能量的收人和支出,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。电弧炉炼钢作为 炼钢的一种重要手段,本文主要考虑到电炉厂对炼钢生产中不同铁水加人量 时物料和电耗等均发生大的变化,因此,本文本着为钢铁厂服务的目的,从理 论计算角度上计算 了不同工况下的热平衡,由于炼钢系统复杂的高温物理 化学过程,加上测试手段有限,目前尚难以做到精确取值和计算。尽管如 此, 希望通过本文对电炉炼钢生 产和设计给以一定的指导和帮助。 在炼钢生产中，应用能量守恒原理分析电炉热能来源，消耗和损耗，对 于钢水终点的温度控制，测温取样时间的把握，吹氧制度的改进，工艺技术 的调整有积极的指导意义。下面将具体介绍 110t 超高功率电炉热平衡计算 过程及结果，以及简单分析。
3
流电炉中的典型数值为：全废钢为 365～ 400kW·h/t。良好的泡沫渣可以提 高电能向热能的转换率。
（2）铁水的物理热 纯铁的熔点为 1536℃，铁水熔化潜热为 218kJ/kg 根据传热学原理计算 可知，铁水的熔点 t =1098℃，计算如下： 1536-(100×4.2+8×0.6+5×0.4+30×0.2+25×0.035)-4=1098℃ 铁水的物理热 Qw =36 × 103 × [0.745 × (1098 － 25)+218+0.837 × (1250 － 1098)] =41205.924×10 kJ
四 钢种及入炉原料 我们以 Gr15 钢为例，以其原材料参数及消耗指标为计算依据，入炉原 料为铁水及废钢，其中铁水占 30%，分析 110t 电炉冶炼过程的能耗情况。
2
表 1 Gr15 钢成分及主要入炉原材料成分名称
名称 C Si Mn P
ωB/% S Cr H2O 灰分 挥发 分
钢成品
0.95~ 0.15~ 0.25~ 1.05 0.35 0.45
（7）变压器及断网系统的热损失 Qb。 一般，该热损失为总热收入的 5～7%。本计算取 6%。
7
令炉子总收入等于 Qs，则： Qs=155979.495×103+17301.044×103+13140.025×103+3137.640×103+5 231.250×10 +Qs×(8%+6%) 即 0.86Qs=194789.494×10
一 能量平衡中的主要因素 供电工艺制度，吹氧工艺制度，后燃烧制度，钢水温度制度，留钢留渣 制度是能量平衡中的主要因素。能量平衡的依据是能量守恒定理，即热收入 Qs＝热支出 Qz。化学热的计算是以 1600℃的钢水温度基础进行计算的。
二 计算应用电炉工艺参数 电炉形式为 1l0t—AC—UHP～EBT； 变压器容量 82MVA； 二次侧电压为 375 —1～150V；电弧弧长 375～1150mm；氧气喷头 2 个；氧枪拉瓦尔喉口直径为 26～32mm；超音速氧枪氧气流量分 A、B、C 三种模式，l 500～7500m ／h； 炭粉喷吹速度为 30～110kg／min(分高低两档)；料型结构为铁水+废钢；加
0.73
成
88241.883 226499.412
38.96 100 合计 226499.412 100.0 0
总结： 在此次热平衡计算中，我们运用的原理和理论有：能量守恒定律，物料 平衡原理，热量守恒定律，各类物质的物理热计算方法，并对收入热和支出 热进行了系统的分析和计算， 并可以对废钢铁水比例调整得出物料配比和电能消耗的关系。 通过这次课程设计，我们对电炉炼钢有了理性认识，并了解到生产过程 中的实际问题和解决办法，有很多收获和感悟。