煉鋼過程中的物料平衡與熱平衡計算

1、煉鋼過程的物料平衡與熱平衡計算 煉鋼過程的物料平衡與熱平衡計算是建立在物質(zhì)與能量守恒的基礎上。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，為改進操作工藝制度，確定合理的設計參數(shù)和提高煉鋼技術經(jīng)濟指標提供某些定量依據(jù)。應當指出，由于煉鋼系復雜的高溫物理化學過程，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，它對指導煉鋼生產(chǎn)和設計仍有重要的意義。本章主要結合實例闡述氧氣頂吹轉爐和電弧爐氧化法煉鋼過程物料平衡和熱平衡計算的基本步驟和方法，同時列出一些供計算用的原始參考數(shù)據(jù)。1.1 物料平衡計算 （1）計算所需原始數(shù)據(jù)。基本原始數(shù)據(jù)有：冶煉鋼種及其成分（表1）；金屬料鐵水和廢

2、鋼的成分（表1）；終點鋼水成分（表1）；造渣用溶劑及爐襯等原材料的成分（表2）；脫氧和合金化用鐵合金的成分及其回收率（表3）；其它工藝參數(shù)（表4）.表1 鋼種、鐵水、廢鋼和終點鋼水的成分設定值 成分含量/%類別CSiMnPS鋼種H15Mn設定值0.180.250.550.0450.050鐵水設定值4.200.400.450.120.060廢鋼設定值0.180.250.550.0300.030終點鋼水設定值0.10痕跡0.180.0200.021本計算設定的冶煉鋼種為H15Mn。C和Si按實際生產(chǎn)情況選取；Mn、P和S分別按鐵水中相應成分含量的30%、10%和60%留在鋼水中設定。 表2 原材料

3、成分成分含量%類別CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分揮發(fā)分石灰88.002.502.601.500.500.100.064.640.10螢石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.400.8025.601.0036.20爐襯1.203.0078.801.401.6014.00焦炭0.5881.5012.405.52表3 鐵合金成分（分子）及其回收率（分母）成分含量/回收率/%類別CSiMnAlPSFe硅鐵73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100錳鐵6.6

4、0/900.50/7567.80/800.23/1000.13/10024.74/10010%C與氧生產(chǎn)CO2表4 其它工藝參數(shù)設定值名稱參數(shù)名稱參數(shù)終渣堿度%CaO/%SiO2=3.5渣中鐵損(鐵珠)為渣量的6%螢石加入量為鐵水量的0.5%氧氣純度99%,余者為N2生白云石加入量為鐵水量的2.5%爐氣中自由氧含量0.5%(體積比)爐襯蝕損量為鐵水量的0.3%氣化去硫量占總去硫量的1/3終渣(FeO)含量（按(FeO)=1.35(Fe2O3)折算）15%，而(Fe2O3)/ (FeO)=1/3即(Fe2O3)=5%(FeO)=8.25%金屬中C的氧化產(chǎn)物90%C氧化成CO,10%C氧化成CO2

5、煙塵量為鐵水量的 1.5%(其中FeO為75%，F(xiàn)e2O3為20%)廢鋼量 由熱平衡計算確定。本 計算結果為鐵水量的10.934%,即廢鋼比為9.86%噴濺鐵損為鐵水量的1%（2）物料平衡基本項目。收入項有：鐵水、廢鋼、溶劑(石灰、螢石、輕燒白云石)、氧氣、爐襯蝕損、鐵合金 。支出項有：鋼水、爐渣、煙塵、渣中鐵珠、爐氣、噴濺。（3）計算步驟。以100kg鐵水為基礎進行計算。第一步：計算脫氧和合金化前的總渣量及其成分?？傇堪ㄨF水中元素氧化、爐襯蝕損和加入溶劑的成渣量。其各項成渣量分別列于表5、6和7。總渣量及其成分如表8所示。第二步：計算氧氣消耗量。氧氣實際消耗量系消耗項目與供入項目之差，詳

6、見表9。表5 鐵水中元素的氧化產(chǎn)物及其成渣量元素反應產(chǎn)物元素氧化量/ kg耗氧量/ kg產(chǎn)物量/kg備注CCCOCCO24.22×90%=3.7984.22×10%=0.4224.9201.0908.6101.500SiSi(SiO2)0.4000.4570.857入渣MnMn(MnO)0.2700.0790.349入渣PP(P2O5)0.1000.1290.229入渣SS(SO2)S+(CaO)=(CaS)+(O)0.039×1/3=0.0130.039×2/3=0.0260.0130.0130.0260.059(CaS)入渣FeFe(FeO)Fe(F

7、e2O3)0.675×56/72=0.525 0.379×112/160=0.2650.1500.1140.6750.379入渣(見表8)入渣(見表8)合計5.6990.965成渣量2.548入渣組分之和 由CaO還原出的氧量，消耗的CaO量=0.013×56/32=0.023kg表6 爐襯蝕損的成渣量爐襯蝕損量(kg)成渣組分/ kg氣態(tài)產(chǎn)物/ kg耗氧量/ kgCaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO、CO20.3(據(jù)表4)0.0040.0090.2360.0040.0050.3×14%×90%×28/12=0

8、.0880.3×14%×10%×44/12=0.0150.3×14%(90%×16/12+10%×32/12)=0.062合計0.2580.1030.062表7 加入溶劑的成渣量類別加入量/ kg成渣組分/ kg氣態(tài)產(chǎn)物/ kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2螢石0.5據(jù)(表4)0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005生白云石2.5據(jù)(表4)0.9100.6400.0200.0250.905石灰3.4553.0350.0900.0860.0

9、520.0170.0030.0050.0030.1600.001合計3.9470.7330.1340.0850.0250.0080.0060.4400.0081.0650.001成渣量7.634 石灰加入量計算如下：由表57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.因設定的終渣堿度R=3.5；故石灰加入量為:Rw(SiO2)w(CaO)/w(CaO石灰)R×w(SiO2石灰)= 2.738/（88.00%3.5×2.50%）=3.45kg

10、為(石灰中CaO含量)（石灰中SCaS自耗的CaO量）。 由CaO還原出的氧量，計算方法同表5之注。表8 總渣量及其成分爐渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合計元素氧化成渣量/ kg0.8570.3490.6750.3790.2290.0592.548石灰成渣量/ kg3.0350.0860.0900.0520.0170.0030.0053.288爐襯蝕損成渣量/ kg0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣量/ kg1.0190.0220.7170.0281.786螢石成渣量/ kg0.0020.0280.0030

11、.0080.0080.4400.0050.0010.495總渣量/ kg3.9511.0000.9690.0890.3490.6750.4090.4400.2370.0658.184%48.2812.2211.841.094.268.255.005.382.900.79100.000 總渣量計算如下：因為表8中除(FeO)和(Fe2O3)以外的渣量為：5.965+1.700+1.102+0.124+0.615+0.440+0.540+0.038=7.100kg,而終渣w(FeO)=15%(表4-4)，故總渣量為7.1/86.75%=8.184kg w(FeO)=8.184×8.25%

12、=0.675kg. w(Fe2O3)=8.184×5%0.0170.0050.008=0.379kg.表9 實際耗氧量耗氧項/ kg供氧項/ kg實際氧氣消耗量/ kg鐵水中元素氧化耗氧量(表5) 6.965爐襯中碳氧化耗氧量(表6) 0.062石灰中的S與CaO反應還原出的氧量(表7) 0.002煙塵中鐵氧化耗氧量(表4) 0.3407.4270.002+0.066=7.491爐氣中自由氧含量(表10) 0.060合計 7.427合計 0.002為爐氣中N2之重量，詳見表10第三步：計算爐氣量及其成分。 爐氣中含有CO、CO2、O2、N2、SO2和H2O。其中CO、CO2、SO2和

13、H2O可由表4-54-7查得，O2和N2則由爐氣總體積來確定。現(xiàn)計算如下。 爐氣總體積V： V = = =8.721 m3式中VgCO、CO2、SO2和H2O諸組分之總體積，m3。本計算中，其值為8.950×22.4/28+2.837×22.4/44+0.002×22.4/64+0.011×22.4/18=8.619 m3GS不計自由氧的氧氣消耗量，kg。本計算中，其值為7.851+0.062+0.23=8.619 m3（見表9）；VX鐵水與石灰中的S與CaO反應還原出的氧量，m3。本計算中，其值為0.002kg(見表9)0.5%爐氣中自由氧含量，m3；

14、99由氧氣純度為99%轉換得來。計算結果列于表10表10 爐氣量及其成分爐氣成分爐氣量/kg體積/ m3體積分數(shù)/ %CO8.6988.698×22.4/28=6.95882.99CO22.5802.580×22.4/44=1.31315.66SO20.0260.026×22.4/64=0.0090.11H2O0.0080.008×22.4/18=0.0100.12O20.0620.0420.50N20.0660.0520.62合計11.4388.384100.00爐氣中O2體積為8.384×0.5%=0.042 m3 ；質(zhì)量為0.042

15、15;32/22.4=0.062 kg。爐氣中N2的體積系爐氣總體積與其他成分的體積之差；質(zhì)量為0.052×28/22.4=0.065kg。第四步：計算脫氧和合金化前的鋼水量。 鋼水量Qg=鐵水量鐵水中元素的氧化量煙塵、噴濺和渣中的鐵損 =100-5.699-1.00×（75%×56/72+20%×112/160）+1+8.184×6% =91.725kg據(jù)此可以編制脫氧和合金化前的物料平衡表（表11）。表11 未加廢鋼時的物料平衡表收入支出項目質(zhì)量/kg%項目質(zhì)量/kg%鐵水100.0087.53鋼水91.7380.23石灰3.4553.02

16、爐渣8.187.16螢石0.500.44爐氣11.4410.00生白云石2.502.19噴濺1.000.87爐襯0.300.26煙塵1.501.31氧氣7.4916.56渣中鐵珠0.490.43合計114.25100.00合計114.34100.00注:計算誤差為（114.25114.34）/114.25×100%= 0.010%第五步：計算加入廢鋼的物料平衡。如同“第一步”計算鐵水中元素氧化量一樣，利用表1的數(shù)據(jù)先確定廢鋼中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量（表12），再將其與表11歸類合并，遂得加入廢鋼后的物料平衡表13和表14表12 廢鋼中元素的氧化產(chǎn)物及其成渣量元素反應產(chǎn)物元素氧

17、化量/ kg耗氧量/ kg產(chǎn)物量/ kg進入鋼中的量/kgCCCOCCO210.934×0.06%×90%=0.00810.934×0.06%×10%=0.0010.0110.0030.019（入氣）0.004（入氣）SiSi(SiO2)10.934×0.03%=0.0270.0310.058MnMn(MnO)10.934×0.74%=0.0400.0120.052PP(P2O5)10.934×0.006%=0.0010.0010.002SS(SO2)S+(CaO)=(CaS)+(O)10.934×0.009%&#

18、215;1/3=0.000310.934×0.009×2/3=0.00070.0003-0.00040.0006（入氣）0.002（CaS）合計0.0780.05810.9340.078=10.856成渣量(kg)0.140表13 加入廢鋼的物料平衡表 （以100kg鐵水為基礎）收入支出項目質(zhì)量/kg%項目質(zhì)量/kg%鐵水100.0079.84鋼水91.725+10.856=110.5481.83廢鋼10.9348.73爐渣8.184+0.114=8.3246.64石灰3.4552.76爐氣11.438+0.024=11.4629.14螢石0.500.40噴濺1.000.8

19、0輕燒白云石2.502.00煙塵1.501.20爐襯0.300.24渣中鐵珠0.4910.39氧氣7.491+0.058=7.5496.03合計125.238100.00合計125.358100.00注:計算誤差為（125.238125.358）/125.238×100%= 0.1%表14 加入廢鋼的物料平衡表（以100kg(鐵水+廢鋼)為基礎）收入支出項目質(zhì)量/kg%項目質(zhì)量/kg%鐵水90.1479.85鋼水92.4781.84廢鋼9.868.73爐渣7.56.64石灰3.112.76爐氣10.339.14螢石0.450.40噴濺0.900.80輕燒白云石2.252.00煙塵1.

20、351.19爐襯0.270.24渣中鐵珠0.440.39氧氣6.806.02合計112.88100.00合計112.99100.00第六步：計算脫氧和合金化后的物料平衡。 先根據(jù)鋼種成分設定值（表1）和鐵合金成分及其燒損率（表3）算出錳鐵和硅鐵的加入量，再計算其元素的燒損量。將所得結果與表14歸類合并，既得冶煉一爐鋼的總物料平衡表。 錳鐵加入量WMn為：WMn= ×鋼水量=×92.02=1.255kg硅鐵加入量WSi為：WSi= =0.042kg鐵合金中元素的燒損量和產(chǎn)物量列于表15。表15 鐵合金中元素燒損量及產(chǎn)物量類別元素燒損量/kg脫氧量/kg成渣量/kg爐氣量/kg

21、入鋼量/kg錳鐵C0.631×6.60%×10%=0.0040.0100.015（CO2）0.631×6.60%×90%=0.038Si0.631×67.80%×20%=0.0860.0250.111 0.631×67.80%×80%=0.342Mn0.631×0.50%×25%=0.0010.0010.0020.631×0.50%×75%=0.002P0.631×0.23%=0.001S0.631×0.13%=0.001Fe0.631×24.7

22、4%=0.156合計0.0910.0360.1130.0150.540硅鐵Al0.425×2.50%×100%=0.0110.0100.006Mn0.425×0.50%×20%=0.000040.00010.00050.042×0.50%×80%=0.002Si0.042×73.00%×25%=0.0780.0890.167 0.0425×73.00%×75%=0.230P0.0425×0.05%=0.00002S0.0425×0.03%=0.00001Fe0.0425

23、15;23.92%=0.102合計0.0880.0990.1740.334總計0.1690.1350.2870.0150.874 可以忽略脫氧和合金化后的鋼水成分如下：w(C)=0.08%+×100%=16%w(Si)= ×100%=0.03%w(Mn)=0.210%+×100%=0.94%w(P)=0.019%+×100%=0.022%w(S)=0.016%+×100%=0.018%可見，含碳量尚未達到設定值。為此需在鋼包內(nèi)加焦粉增碳。其加入量W1為W1 =0.015kg焦炭生成的產(chǎn)物如下：碳燒損量/kg耗氧量/kg氣體量/kg成渣量/kg碳

24、入鋼量/kg0.060×81.50%×25%=0.0120.0320.044+0.06×（0.58+5.52）%=0.0470.060×12.40%=0.0070.060×81.50%×75%=0.037 CO2、H2O和揮發(fā)份之總和（未計揮發(fā)份燃燒的影響）由此可得冶煉過程（即脫氧和合金化后）的總物料平衡表16表16 總物料平衡表收入支出項目質(zhì)量/kg%項目質(zhì)量/kg%鐵水90.1478.93鋼水93.38（92.47+0.874+0.037）81.71廢鋼9.868.64石灰3.112.72爐渣7.79（7.50+0.287+0.0

25、07）6.82螢石0.450.39輕燒白云石2.251.97爐氣10.39（10.33+0.015+0.047）9.09爐襯0.270.24噴濺0.910.80氧氣7.02（6.85+0.14+0.03）6.14煙塵1.361.19錳鐵0.630.55渣中鐵珠0.440.39硅鐵0.430.37焦粉0.060.05合計114.21100.00合計114.28100.00注：計算誤差為（114.21114.28）/114.21×100%= 0.1%可以近視認為（0.082+0.008）的氧量系出鋼水二次氧化所帶入。1.2 熱平衡計算（1）計算所需原始數(shù)據(jù)。計算所需基本原始數(shù)據(jù)有：各種入

26、爐料及產(chǎn)物的溫度（表17）；物料平均熱容（表18）；反應熱效應（表19）；溶入鐵水中的元素對鐵熔點的影響（表20）。其它數(shù)據(jù)參照物料平衡選取。表17 入爐物料及產(chǎn)物的溫度設定值名稱入爐物料產(chǎn)物鐵水廢鋼其它原料爐渣爐氣煙塵溫度（）13002525與鋼水相同14501450 純鐵熔點為1536表18 物料平均熱容物料名稱生鐵鋼爐渣礦石煙塵爐氣固態(tài)平均熱容（kj/kg·K）0.7450.6991.0470.996溶化潛熱（kj/kg）218272209209209液態(tài)或氣態(tài)平均熱容（kj/kg·K）0.8370.8371.2481.137表19 煉鋼溫度下的反應熱效應組元化學反應

27、H/kj·kmol-1H/kj·kg-1C 氧化反 氧化反應41807234834Si 氧化反應81768229202Mn 氧化反應3617406594P 氧化反應117656318980Fe 氧化反應2382294250Fe 氧化反應7224326460SiO2 成渣反應971331620P2O5 成渣反應6930544880CaCO3 分解反應1690501690MgCO3 分解反應1180201405表20 溶入鐵中的元素對鐵熔點的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、O在鐵中的極限溶解度/%5.4118.5無限2.80.1835.0無限溶

28、入1%元素使鐵熔點的降低值/65707580859010085302531.5氮、氫、氧溶入使鐵熔點的降低值/=6適用含量范圍/%1.01.02.02.53.03.54.03150.70.08118（2）計算步驟。以100kg鐵水為基礎。第一步：計算熱收入Qs。 熱收入項包括：鐵水物理熱；元素氧化熱及成渣熱；煙塵氧化熱；爐襯中碳的氧化熱。（1）鐵水物理熱Qw：先根據(jù)純鐵熔點、鐵水成分以及溶入元素對鐵熔點的降低值（表17、1和20）計算鐵水熔點Tt，然后由鐵水溫度和生鐵比熱（表17和18）確定Qw。Tt=1536（4.2×100+0.4×8+0.45×5+0.12&

29、#215;30+0.06×25）61099.45Qw100×0.745×（108225）+218+0.837×（13001082）118632.56KJ（2）元素氧化熱及成渣熱Qy：由鐵水中元素氧化量和反應熱效應（表19）可以算出，其結果列于表21。表21 元素氧化熱和成渣熱反應產(chǎn)物氧化熱或成渣熱/KJ反應產(chǎn)物氧化熱或成渣熱/KJCCO3.690×11639=442947.91FeFe2O30.379×6460=2448.34CCO20.410×34834=14281.94PP2O50.100×18980=1898

30、SiSiO20.400×29202=11680.80P2O54CaO·P2O50.237×4880=1156.56MnMnO0.270×6594=1780.38SiO22CaO·SiO21.000×1620=1620.00FeFeO0.525×4250=2231.25合計Qy80045.18（3）煙塵氧化熱Qc：由表4中給出的煙塵量參數(shù)和反應熱效應計算可得。 QC=1.5×(75%×56/72×4250+20%×112/160×6460)=5075.35KJ（4）爐襯中碳的氧

31、化熱QI:根據(jù)爐襯蝕損量及其含碳量確定。故熱收入總值為 :QS=QW+QY+QC+QI=227582.40KJ第二步：計算熱支出QZ。 熱支出項包括：鋼水物理熱；爐渣物理熱；煙塵物理熱；爐氣物理熱；渣中鐵珠物理熱；噴濺物（金屬）物理熱；輕燒白云石分解熱；熱損失；廢鋼吸熱。（1）鋼水物理熱Qg：先按求鐵水熔點的方法確定鋼水熔點Tg;再根據(jù)出鋼和鎮(zhèn)靜時的實際溫降（通常前者為4060，后者約35/min，具體時間與盛鋼桶大小和澆注條件有關）以及要求的過熱度（一般為5090）確定出鋼溫度Tz;最后由鋼水量和熱容算出物理熱。Tg=1536(0.10×65+0.18×5+0.020&#

32、215;30+0.021×25) 6=1520(式中：0.08、0.21、0.019和0.016分別為終點鋼水C、Mn、P和S的含量)Tz=1520+50+50+70=1690（式中，50、50和70分別為出鋼過程中的溫降、鎮(zhèn)靜及爐后處理過程中的溫降和過熱度）Qg=91.725×0.699×(152025)+272+0.837×(16901520)=133853.834KJ（2）爐渣物理熱Qr：令終渣溫度與鋼水溫度相同，則得：Qr=8.184×1.248×(169025)+209=18716.153KJ（3）爐氣、煙塵、鐵珠和噴濺金屬的物理熱Qx。根據(jù)其數(shù)量、相應的溫度和熱容確定。詳見表22。表22 某些物料的物理熱項目參數(shù)/KJ備注爐氣物理熱11.438×1.137×（145025）=18532.1331450系爐氣和煙塵的溫度煙塵物理熱1.5×0.996