物料平衡4265141213

1、4.6 轉(zhuǎn)爐煉鋼的物料平衡及熱平衡5煉鋼過程的物料平衡和熱平衡計算是建立在物質(zhì)與能量守恒的基礎(chǔ)上的。其主要目的是比較整個冶煉過程中物料、能量的收入項和支出項，為改進(jìn)操作工藝制度，確定合理的設(shè)計參數(shù)和提高煉鋼技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)提供某些定量依據(jù)。應(yīng)當(dāng)指出，由于煉鋼是復(fù)雜的高溫物理化學(xué)過程，加上測試手段有限，目前尚難以做到精確取值和計算。盡管如此，它對指導(dǎo)煉鋼生產(chǎn)和設(shè)計仍有重要的意義。轉(zhuǎn)爐煉鋼的過程是一個很復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，對其作完全定量的分析是不可能的，但是一些基本的規(guī)律和原理在該過程中仍然適用。比如說轉(zhuǎn)爐煉鋼過程遵循物質(zhì)不滅和能量守恒定律，在這個基礎(chǔ)上建立了轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中的物料平衡和熱平衡計算。

2、用來研究轉(zhuǎn)爐收入、支出的物質(zhì)和能量在數(shù)量上的平衡關(guān)系，并用平衡方程式、平衡表或者物流及熱流圖表示出來。通過物料平衡和熱平衡的計算可以全面的掌握轉(zhuǎn)爐的物料和能量的利用情況，了解轉(zhuǎn)爐的工作能力和熱效率，從而為改進(jìn)工藝、實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐最佳操作探索途徑，并為降低原材料消耗及合理利用能源和節(jié)能提供方向?？偟膩碚f，物料平衡和熱平衡的計算一方面可以指導(dǎo)車間或設(shè)備的設(shè)計，比如說轉(zhuǎn)爐及其供氧設(shè)備，或者煉鋼車間的設(shè)計；另一方面可以改善和校核已投產(chǎn)的轉(zhuǎn)爐冶煉工藝參數(shù)、設(shè)備適應(yīng)性能，比如說確定加入冷卻劑的數(shù)量和時間，或者采用新技術(shù)等而由實測數(shù)據(jù)進(jìn)行的計算，比如說設(shè)計一些自動控制模型時的計算。4.6.1 物料平衡12物料平衡

3、是計算煉鋼過程中加入爐內(nèi)和參與煉鋼過程的全部物料（鐵水、廢鋼、氧氣、冷卻劑、渣料和耐材等）及煉鋼過程中產(chǎn)物（鋼液、爐渣、爐氣及煙塵等）之間的平衡關(guān)系。以下通過舉例進(jìn)行計算分析。1 原材料成分表4.9鐵水、廢鋼成分（%）原料CSiMnPS溫度，鐵水4.2800.8500.5800.1500.0371250廢鋼0.180.200.520.0220.02525表4.10渣料和爐襯材料成分（%）名稱CaOSiO2MgOAl2O3SPCaF2FeOFe2O3燒堿H2OC石灰91.02.02.01.50.053.45礦石1.05.610.521.100.0729.461.80.50螢石6.00.581.7

4、80.090.5589.02.00生白云石55.03.033.03.01.05.0爐襯54.02.038.01.05.0表4.11各項目的熱容項目固態(tài)平均熱容kJ/kg·K熔化潛熱kJ/kg液（氣）態(tài)平均熱容kJ/kg·K生鐵0.745217.5680.8368鋼0.699271.960.8368爐渣209.201.247爐氣1.136煙塵1.000209.20礦石1.046209.20表4.12反應(yīng)熱效應(yīng)（25）元素反應(yīng)反應(yīng)熱，kJ/kg元素CC+1/2O2=CO10950CC+O2=CO234520SiSi+O2=SiO228314P2P+5/2O2=P2O518923

5、MnMn+1/2O2=MnO7020FeFe+1/2O2=FeO5020FeFe+3/2O2=Fe2O36670SiO2SiO2+2CaO=2CaO·SiO22070P2O5P2O5+4CaO=4CaO·P2O550202 其它假設(shè)條件（根據(jù)各類轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)實際過程假設(shè)）：（1） 爐渣中鐵珠量為渣量的8%；（2） 噴濺損失為鐵水量的1%；（3） 熔池中碳的氧化生成90%CO，10%CO2；（4） 煙塵量為鐵水量的1.6%，其中煙塵中FeO=77%，F(xiàn)e2O3=20%；（5） 爐襯侵蝕量為鐵水量的0.5%；（6） 爐氣溫度取1450，爐氣中自由氧含量為總爐氣量的0.5%；（7）

6、氧氣成分：98.5%O2，1.5%N2。3冶煉鋼種及規(guī)格成分 要求冶煉低碳鋼，以Q-235鋼為例，其規(guī)格成分如下（%）：C 0.140.22，Si 0.120.30，Mn 0.400.65，P 0.045，S 0.050。4.6.2 物料平衡計算4-12以100kg鐵水為單位進(jìn)行計算，根據(jù)鐵水、渣料質(zhì)量以及冶煉鋼種要求，采用單渣操作。1 渣量及成分計算（1）鐵水中元素氧化量（表4.13）。說明：取脫磷率90%，脫硫率35%；鋼水中殘余錳占鐵水Mn的3040%，取30%；因合金加入后還要增碳，鋼水中C取較低的0.18。（2）各元素耗氧量及氧化產(chǎn)物量（表4.14）。（3）渣料加入量。1） 礦石加入

7、量及其成分（表4.15）：為了化渣，本節(jié)中加入礦石1%，而不另加氧化鐵皮。（若不加礦石，改用氧化鐵皮，則成分不同）。其中：S+（CaO）=（CaS）+O（CaS）生成量=0.001×72/320.002kg消耗CaO量=0.001×56/320.002kg表4.13鐵水中元素氧化量 元素，%項目CSiMnPS鐵水4.280.850.580.1500.037鋼水0.1800.170.0150.025氧化量4.100.850.410.1350.012表4.14鐵水中元素氧化耗氧量、氧化產(chǎn)物量元素反應(yīng)元素氧化量，kg耗氧量，kg氧化產(chǎn)物量，kgCC+1/2O2=CO4.10

8、15;90%=3.693.69×16/12=4.823.69×28/12=8.61CC+O2=CO24.10×10%=0.410.41×32/12=1.5030.41×44/12=1.503SiSi+O2=SiO20.850.85×32/28=0.9720.85×60/28=1.82MnMn+1/2O2=MnO0.410.41×16/55=0.1190.41×71/55=0.529P2P+5/2O2=(P2O5)0.1350.135×80/62=0.1740.135×142/62=0.

9、309SS+O2=SO20.012×1/3=0.0040.004×32/320.0040.004×64/32=0.008*SS+(CaO)=CaO+O0.012×2/3=0.0080.008×(-16)/32=-0.0040.008×72/32=0.018FeFe+1/2O2=(FeO)0.7820.782×16/56=0.2231.006*Fe2Fe+3/2O2=(Fe2O3)0.0330.033×48/112=0.0140.047*總計6.3227.417注*：假定爐內(nèi)氣化脫硫1/3；鐵的氧化由表4.20得出。

10、表4.15 礦石加入量及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgFe2O31×61.80%=0.618FeO1×29.40%=0.294SiO1×5.61%=0.0561Al2O31×1.10%=0.011CaO1×1.0%=0.01MgO1×0.52%=0.005S1×0.07%0.001H2O1×0.50%=0.0052） 螢石加入量及其成分（表4.16）：根據(jù)冶金部轉(zhuǎn)爐操作規(guī)程，螢石加入量4kg/t，本例取3kg/t。表4.16 螢石加入量及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgCaF20.3×89.0%=0.2

11、67P0.3×0.55%=0.002SiO0.3×6%=0.018S0.3×0.09%=忽略Al2O30.3×1.78%=0.005H2O0.3×2%=0.006MgO0.3×0.58%=0.002其中：2P+2/5O2=（P2O5） （P2O5）生成量=0.002×142/62=0.005kg3） 白云石加入量及成分（表4.17）：為了提高爐襯壽命，采用白云石造渣，控制渣中（MgO）含量在68%范圍內(nèi)。根據(jù)已投產(chǎn)轉(zhuǎn)爐的經(jīng)驗，白云石加入量在3050kg/t，輕燒白云石加入量在2040kg/t，本節(jié)取輕燒白云石30kg/t。表

12、4.17輕燒白云石加入量及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgCaO3.0×55%=1.65MgO3.0×33%=0.99SiO23.0×3%=0.09Fe2O33.0×1%=0.03Al2O33.0×3%=0.09燒堿3.0×5%=0.15其中：燒堿是指白云石中Ca·MgCO3分解產(chǎn)生的CO2氣體。4） 爐襯侵蝕量及其成分（表4.18）：轉(zhuǎn)爐爐襯在爐渣作用下，將被侵蝕和沖刷進(jìn)入渣中，本例取鐵水量的0.5%。表4.18 爐襯侵蝕及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgCaO0.5×54%=0.27SiO20.5×2

13、%=0.01MgO0.5×38%=0.19C0.5×5%=0.025Al2O30.5×1%=0.09其中：爐襯中碳的氧化與金屬中氧化生成的CO和CO2比例相同。CCO數(shù)量 0.025×90%×28/12=0.053 kgCCO2數(shù)量 0.025×10%×44/12=0.009 kg共消耗氧量 0.053×16/28+0.009×32/44=0.037 kg5） 石灰加入量及成分（表4.19）：根據(jù)鐵水成分，取終渣堿度B=3.5。石灰加入量=×100kg =×100=5.55kg/100

14、kg鐵水說明：若要詳細(xì)計算石灰加入量，則可用下式：石灰加入量=鐵水Si生成（SiO2）+爐襯、礦石、白云石、螢石帶入（SiO2）白云石、礦石、爐襯帶入（CaO）鐵水、礦石中S消耗CaO量表4.19 石灰石加入量及成分成分質(zhì)量，kg成分質(zhì)量，kgCaO5.55×91%=5.05SiO5.55×2%=0.11MgO5.55%×2%=0.11S5.55×0.05%=0.003Al2O35.55×1.5%=0.08燒堿5.55×3.45%=0.19其中：SCaS 0.003×72/32=0.007 kg6） 渣中鐵的氧化物：對于冶煉

15、Q-235鋼，根據(jù)已投產(chǎn)轉(zhuǎn)爐渣中含量，取（FeO）=10%，（Fe2O3）=5%。7） 終渣總量及成分：根據(jù)表4.13表4.19中若不計（FeO）、（Fe2O3）在內(nèi)的爐渣成分見表4.20，由4.20中可得：CaO+MgO+SiO+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS=11.819kg已知（FeO）=10%、（Fe2O3）=5%，則其余渣應(yīng)占渣量總數(shù)的85%。故總渣量為=13.90kg。由此可知：（FeO）=13.90×10%=1.39kg、（Fe2O3）=13.90×5%=0.695kg由于礦石和白云石中帶入部分（FeO）和（Fe2O3），實際鐵氧化物為：（Fe

16、O）=1.39-0.294=1.096kg，（Fe2O3）=0.695-0.618-0.03=0.047kg。故 Fe氧化物=1.006×56/72+0.047×112/160=0.815kg表4.20 終渣質(zhì)量及成分成分氧化產(chǎn)物kg石灰kg礦石kg白云石kg爐襯kg螢石kg總計kg%CaO5.050.011.650.276.9850.54MgO0.110.0050.990.190.0021.309.41SiO21.820.110.0560.090.010.0182.10415.24P2O50.3090.0050.3142.27MnO0.5290.5293.83Al2O30

17、.080.0110.090.0050.0050.2011.46CaF20.2670.2671.93CaS0.0180.0070.0020.0270.19FeO0.0960.2941.3910.06Fe2O30.0470.6180.030.6955.03合計13.81100.002 冶煉中的吹損計算 根據(jù)假設(shè)條件，渣中鐵珠量為渣量的8%，噴濺損失為鐵水量的1%，煙塵損失為鐵水量的1.6%。故可得到：渣中鐵珠量=13.81×8%=1.105kg噴濺鐵損量=100×1%=1.0kg煙塵鐵損量=100×1.6%（77%×56/72+20%112/160）=1.1

18、82kg元素氧化損失=6.322kg（見表4.14）吹損總量=1.105+1.0+1.182+6.322=9.609kg鋼水量=100-9.609=90.391kg3 氧氣消耗量計算 主要是元素氧化耗氧7.417kg（見表4.14），煙塵鐵消耗氧100×1.6%（77%×16/72+20%48/160）=0.37kg，其次爐襯中碳氧化消耗0.037kg。故總耗氧量為7.824kg，換算給標(biāo)準(zhǔn)體積為7.824×22.4/32=5.48m3/100kg=54.8m3/t。若考慮到氧氣利用率為7590%，生產(chǎn)實際中供氧量為6070m3/t。由于氧氣不純，含有1.5%N2

19、，故供氧時帶入N2為7.824×1.5%=0.117kg，其體積量為0.117×22.4/28=0.094m3/100kg。4 爐氣量及成分 爐內(nèi)產(chǎn)生的爐氣由CO、CO2、SO2、H2O、N2和自由O2組成，把以上計算的爐氣成分除自由O2以外占爐氣體積總量的99.5%，由表4.21可得：CO+CO2+SO2+H2O+N2=7.986m3 故爐氣總量為7.986/99.5%=8.026m3。自由O2量為8.026×0.5%=0.04m3，其質(zhì)量為0.04×32/22.4=0.057kg。5 物料平衡表 把以上各種物質(zhì)的總收入和總支出匯總起來，便可得到物料平

20、衡表4.22。計算誤差=×100%=-0.266%表4.21爐氣量及成分成分質(zhì)量，kg體積，m3體積，%CO8.61+0.0538.663×22.4/28=6.9386.34CO21.53+0.19+0.009+0.151.852×22.4/44=0.94311.75SO20.0080.008×22.4/64=0.0030.04H2O0.005+0.0080.013×22.4/18=0.0160.20N20.1170.0941.17O20.0570.040.50總計10.718.026100.0表4.22 物料平衡表收入支出項目質(zhì)量，kg%項目

21、質(zhì)量，kg%鐵水100.084.47鋼水90.39176.15石灰5.554.69爐渣13.9011.71白云石3.02.53爐氣10.719.02礦石1.00.84煙塵1.601.35螢石0.40.34噴濺1.00.84爐襯0.50.42鐵珠1.1050.93氧氣7.8246.61氮?dú)?.1170.10總計118.391100.00總計118.706100.004.6.3 加廢鋼后的噸鋼物料平衡廢鋼加入后，忽略廢鋼中含硅、錳元素的氧化損失，使鋼水量達(dá)到101.943kg（90.38411.55），即是使用100kg鐵水、11.55kg廢鋼可以生產(chǎn)出101.934kg鋼水。根據(jù)比例關(guān)系，可以得

22、到噸鋼物料平衡表4.23。表4.23 噸鋼物料平衡收入支出項目質(zhì)量，kg項目質(zhì)量，kg鐵水98176.96鋼水100078.25廢鋼113.38.89爐渣136.3610.67石灰54.44.28爐氣105.18.22白云石29.42.31煙塵15.701.23礦石9.80.77噴濺9.810.77螢石3.90.31鐵珠10.910.86氧氣76.766.02氮?dú)?.150.09爐襯4.90.37總計1274.61100.00總計1277.88100.004.6.4 熱平衡12-13熱平衡是計算煉鋼過程的熱量收入（鐵水的物理及化學(xué)熱）及熱量支出（鋼液、爐渣、爐氣、冷卻劑、熱量損失）之間的平衡關(guān)

23、系。為了簡化計算，取加入爐內(nèi)的爐料溫度均為25。1 熱收入 熱收入主要是鐵水的物理熱和元素氧化的化學(xué)熱。（1） 鐵水物理熱。根據(jù)傳熱原理。鐵水熔點Tt=1539-（100×4.28+8×0.85+5×0.58+30×0.15+25×0.037）-4=1092鐵水物理熱=1000.745（1092-25）+217.568+0.8368（1250-1092）=114553.40kJ（2） 鐵水中元素氧化放熱和成渣熱。根據(jù)表4.10、表4.12和表4.20數(shù)據(jù)可以計算如下：CCO 3.69×10950=40405.5 kJCCO2 0.41

24、×34520=14153.2 kJSSO2 0.85×28314=24066.9 kJMnMnO 0.41×7020=2878.2 kJPP2O5 0.135×18923=2554.6 kJFeFeO 0.782×5020=3925.6 kJFeFe2O3 0.033×6670=220.1 kJSiO2CaO·SiO2 2.104×2070=4355.3 kJP2O5CaO·P2O5 0.314×5020=1576.3 kJ總計 94135.7 kJ （3） 煙塵氧化放熱。1.6×（7

25、7%×56/72×5020+20%112/160×6670）=6304.4 kJ（4） 爐襯中碳氧化放熱。0.5×5%（90%×10950+10%×34520）=332.7 kJ因此，爐襯熱收入總量為：114553.4+94135.7+6304.4+332.7=215326.2 kJ2 熱支出（1） 鋼水物理熱。鋼水熔點Tt=1539-（65×0.18+5×0.17+30×0.015+25×0.025）-4=1521出鋼溫度T=1521+70（鋼水過熱度）+21（生產(chǎn)運(yùn)輸降溫）+50（澆注降溫）

26、=1662鋼水物理熱=90.3910.699×（1521-25）+271.96+0.8368（1658-1521）=129770.1 kJ（2） 爐渣物理熱。計算取爐渣終點溫度與鋼水溫度相同。爐渣物理熱=13.81×1.247×（1662-25）+209.20=31079.9kJ（3） 礦石分解吸熱。1×（29.4%×56/72×5020+61.8%×112/160×6670+209.20）=4242.5 kJ（4） 煙塵物理熱。1.61.0×（1450-25）+209.20=2614.7 kJ（5） 爐氣物理熱。10.71×1.136×（1450-25）=17337.3 kJ（6） 渣中鐵珠物理熱。1.105×0.7