炼钢过程中的物料平衡与热平衡计算

炼钢过程的物料平衡与热平衡计算

炼钢过程的物料平衡与热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上。其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、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某些定量依据。应当指出，由于炼钢系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，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。

本章主要结合实例阐述氧气顶吹转炉和电弧炉氧化法炼钢过程物料平衡和热平衡计算的基本步骤和方法，同时列出一些供计算用的原始参考数据。

1.1 物料平衡计算

（1）计算所需原始数据。基本原始数据有：冶炼钢种及其成分（表1）；金属料—铁水和废钢的成分（表1）；终点钢水成分（表1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（表2）；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表3）；其它工艺参数（表4）.

①本计算设定的冶炼钢种为H15Mn。

②[C]和[Si]按实际生产情况选取；[Mn]、[P]和[S]分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在钢水中设定。

表2 原材料成分

①10%C与氧生产CO2

收入项有：铁水、废钢、溶剂(石灰、萤石、轻烧白云石)、氧气、炉衬蚀损、铁合金。

支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。

（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、炉衬蚀损和加入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表5、6和7。总渣量及其成分如表8所示。

第二步：计算氧气消耗量。

氧气实际消耗量系消耗项目与供入项目之差，详见表9。

表7 加入溶剂的成渣量

石灰加入量计算如下：由表5~7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.因设定的终渣碱度R=3.5；故石灰加入量为:

[R∑w(SiO2)－∑w(CaO)]/[w(CaO石灰)－R×w(SiO2石灰)]= 2.738/（88.00%－3.5×2.50%）=3.45kg

②为(石灰中CaO含量)—（石灰中S→CaS自耗的CaO量）。

②由CaO还原出的氧量，计算方法同表5之注。

总渣量计算如下：因为表8中除(FeO)和(Fe2O3)以外的渣量为：5.965+1.700+1.102+0.124+0.615+0.440+0.540+0.038=7.100kg,而终渣∑w(FeO)=15%(表4-4)，故总渣量为

7.1/86.75%=8.184kg

③w(FeO)=8.184×8.25%=0.675kg.

④w(Fe2O3)=8.184×5%—0.017—0.005—0.008=0.379kg.

表9 实际耗氧量

2第三步：计算炉气量及其成分。

炉气中含有CO 、CO 2、O 2、N 2、SO 2和H 2O 。其中CO 、CO 2、SO 2和H 2O 可由表4-5~4-7查得，O 2和N 2则由炉气总体积来确定。现计算如下。 炉气总体积V ∑：

g s x 122.40.5%G 0.5%9932V V V V V ∑∑∑⎛⎫

=++

+-

⎪⎝⎭

V ∑ =

990.7 98.50

g s x

V G V +-=

998.6190.78.1860.00222.4/32

98.50

⨯+⨯-⨯ =8.721 m 3

式中V g —CO 、CO 2、SO 2和H 2O 诸组分之总体积，m 3。本计算中，其值为8.950×22.4/28+2.837×

22.4/44+0.002×22.4/64+0.011×22.4/18=8.619 m

3

G S —不计自由氧的氧气消耗量，kg 。本计算中，其值为7.851+0.062+0.23=8.619 m 3（见表9）； V X —铁水与石灰中的S 与CaO 反应还原出的氧量，m 3。本计算中，其值为0.002kg(见表9) 0.5%—炉气中自由氧含量，m 3； 99—由氧气纯度为99%转换得来。 计算结果列于表10

2②炉气中N 2的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.052×28/22.4=0.065kg 。

第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。

钢水量Q g =铁水量—铁水中元素的氧化量—烟尘、喷溅和渣中的铁损

=100-5.699-﹝1.00×（75%×56/72+20%×112/160）+1+8.184×6%﹞ =91.725kg

据此可以编制脱氧和合金化前的物料平衡表（表11）。

注:计算误差为（114.25—114.34）/114.25×100%= －0.010%

第五步：计算加入废钢的物料平衡。

如同“第一步”计算铁水中元素氧化量一样，利用表1的数据先确定废钢中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量（表12），再将其与表11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表13和表14

注:计算误差为（125.238—125.358）/125.238×100%= —0.1%

表14 加入废钢的物料平衡表（以100kg(铁水+废钢)为基础）

先根据钢种成分设定值（表

1）和铁合金成分及其烧损率（表3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所得结果与表14归类合并，既得冶炼一炉钢的总物料平衡表。 锰铁加入量W Mn 为：

W Mn =

[][]w Mn w Mn n n M M -⨯钢种终点锰铁含量回收率

×钢水量

=

0.95%0.21%

67.80%80%

-⨯×92.02=1.255kg

硅铁加入量W Si 为：W Si =

[][][]FeMn

(w Si w Si )Si Si Si -⨯⨯钢种终点加锰铁后的钢水量-硅铁含量回收率

=

()0.03%92.021.0760.005

73.00%75%

⨯+-⨯=0.042kg

铁合金中元素的烧损量和产物量列于表15。

表15 铁合金中元素烧损量及产物量