第2節(jié)煉鋼過程的物料平衡和熱平衡計算

1、第2章 煉鋼過程的物料平衡和熱平衡計算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(shè)計參數(shù)和提高煉鋼技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)提供定量依據(jù)。由于煉鋼是一個復(fù)雜的高溫物理化學(xué)變化過程，加上測試手段有限，目前還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。2.1物料平衡計算2.1.1 計算原始數(shù)據(jù)基本原始數(shù)據(jù)有：冶煉鋼種及其成分，鐵水和廢鋼的成分，終點鋼水成分（見表2.1）；造渣用溶劑及爐襯等原材料的成分（見表2.2）：脫氧和合金化用鐵合金的成分及其回收率（表2.3）；其他工藝參數(shù)（

2、表2.4）。表2-1 鋼種、鐵水、廢鋼和終點鋼水的成分設(shè)定值類別成分含量%CSiMnPS鋼種Q235A設(shè)定值0.180.250.550.0450.005鐵水設(shè)定值4.20.500.750.200.025廢鋼設(shè)定值0.200.250.430.0200.032終點鋼水設(shè)定值0.10痕跡0.2500.0150.002表2-2 原材料成分類別成分%CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分揮發(fā)分石灰88.662.702.601.500.500.100.064.640.10螢石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生石灰石36.400

3、.8025.601.0036.20爐襯1.203.0078.801.401.6014.00焦炭0.5881.5012.40表2.3 鐵合金成分（分子）及其回收率（分母）類別成分含量/回收率/%CSiMnAlPSFe硅鐵73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100錳鐵6.60/900.50/7567.8/800.23/1000.13/10024.74/100注：上表中的C中10%于氧生成CO2。表2.4 其他工藝參數(shù)設(shè)定值名稱參數(shù)名稱參數(shù)終渣堿度螢石加入量生白云石加入量爐襯蝕損量終渣(FeO)含量(按向鋼中傳氧量(Fe2O3）=1.35(FeO)折

4、算)煙塵量噴濺鐵損(CaO) (SiO2)=3.5為鐵水量的0.5%為鐵水量的2.5%為鐵水量的0.3%15%，而(Fe2O3）/(FeO)=1/3,即(Fe2O3）=5%，(FeO)=8.25% 為鐵水量的1.5%（其中(FeO)為75%，(Fe2O3）為20%)為鐵水量的1%渣中鐵損（鐵珠）氧氣純度爐氣中自由氧含量氣化去硫量金屬中C的氧化產(chǎn)物廢鋼量為渣量的6%99%，余者為N20.5%（體積比）占總?cè)チ蛄康?/390%的C氧化成CO，10%的C氧化成CO2由熱平衡計算確定，本計算結(jié)果為鐵水量的13.7%，即廢鋼比為12.05%2.1.2 物料平衡基本項目收入項有：鐵水、廢鋼、溶劑（石灰、螢

5、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。2.1.3 計算步驟以100Kg鐵水為基礎(chǔ)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、爐襯蝕損和計入溶劑的成渣量。其各項成渣量分別列于表2.5、2.6和2.7?？傇考捌涑煞至杏诒?.8中。第二步:計算氧氣消耗量。氧氣實際耗量系消耗項目與供入項目之差。見表2.9。表2.5 鐵水中元素的氧化產(chǎn)物及其渣量元素反應(yīng)產(chǎn)物元素氧化量()耗氧量()產(chǎn)物量()備注CCCO4.10×90%=3.6904.7208.610CCO24.10×10%=0.4100.64

6、00.88SiSiSiO20.5000.5711.071入渣MnMnMnO0.5000.1450.645入渣PPP2O50.1850.2390.424入渣SSSO20.03×1/3=0.0080.0080.016S+(CaO)(CaS)+(O)0.03×2/3=0.015-0.0080.034(CaS)入渣FeFeFeO0.897×56/72=0.6850.1950.897入渣見表2-8FeFe2O30.48×112/160=0.3770.1440.490入渣見表2-8合計6.3307.034成渣量3.942入渣組分之和 由CaO還原出的氧量；消耗的Ca

7、O量=0.020×56/32=0.035kg。表2.6 爐襯蝕損的成渣量爐襯蝕損量/成渣組分/kg氣態(tài)產(chǎn)物/kg耗氧量/CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO,CO20.3(據(jù)表2-5)0.0040.0090.2360.0040.0050.3×14%×90%×28/12=0.0880.3×14%×10%×44/12=0.0150.3×14%×(90%×28/12+10%×44/12)=0.062合計0.2580.1030.062表2.7 加入溶劑的成渣量類別加入量

8、/成渣組分/kg氣態(tài)產(chǎn)物/kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2螢石0.5(據(jù)表2-4)0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005白云石2.5(據(jù)表2-4)0.9100.6400.0200.0250.905石灰5.765.0800.1500.1470.0750.0360.0110.0040.0060.2500.001合 計5.9920.7930.1950.1080.0440.0160.0050.4400.0111.1550.001成渣量7.593 石灰加入量計算如下：由表4.64.8可知，渣中已含(Ca

9、O)=-0.026+0.004+0.002+0.910=0.890；渣中已含(SiO2)=1.071+0.009+0.028+0.020=1.128。因設(shè)定的終渣堿度R=3.5；故石灰的加入量為：R(SiO2)- (CaO)/ (CaO石灰)-R×(SiO2石灰)=3.95/(88.66%-3.5×2.70%)=4.99kg (石灰中CaO含量)-(石灰中SCaS消耗的CaO量)。 由CaO還原出來的氧量，計算方法同表2-6的注。表2.8 總渣量及其成分爐渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合計元素氧化成渣量/kg1.0710.4

10、970.8970.5410.4240.0343.979石灰成渣量/kg4.3960.1350.1300.0750.0250.0050.0075.471爐襯蝕損成渣量/kg0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣量/kg0.9100.0200.6400.0251.595螢石成渣量/kg0.0020.0280.0030.0080.0080.4400.0050.0010.495總成渣量/kg5.1321.2631.0090.1120.4970.9730.5430.4400.4340.04110.869質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%50.8214.448.720.954.218.255.

11、003.733.530.35100.00 總渣量計算如下：因為表2-9中除(FeO)和(Fe2O3)以外總渣量為：5.996+1.704+1.029+0.112+0.497+0.440+0.416+0.041=9.249Kg，而終渣(FeO)=15%(表2.4)，故總渣量為10.235÷86.75%=10.681Kg。(FeO)=10.681×8.25%=0.881Kg。(Fe2O3)=10.681×5%-0.040-0.005-0.008=0.481Kg。表2.9 實際耗氧量耗氧項/Kg供氧項/Kg實際氧氣消耗量/Kg鐵水中元素氧化消耗量 7.034爐襯中碳氧化

12、消耗量 0.062石灰中S與CaO反應(yīng)還原出的氧化量（表2.7） 0.002煙塵中鐵氧化消耗量 0.340爐氣自由氧含量 0.0607.766-0.002+0.041=7.805合計 7.766合計 0.002 爐氣N2(存在于氧氣中，見表2.4)的質(zhì)量，詳見表2.10。 第三步：計算爐氣量及其成分。 爐氣中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O。其中CO、CO2、SO2和H2O可由表2.52.7查得，O2和N2則由爐氣總體積來確定?，F(xiàn)計算如下。 爐氣總體積V：式中 VgCO、CO2、SO2和H2O各組分總體積，m³。本設(shè)計中，其值為6.598 ×22.4/28+2.310

13、×22.4/44+0.020×22.4/64+0.011×22.4/18=7.864m³； GS不計自由氧的氧氣消耗量，Kg。其值為：7.691+0.062+0.34=8.093Kg； VX石灰中的S與CaO反應(yīng)還原出的氧氣量（其質(zhì)量為：0.001Kg）； 99由氧氣純度99%轉(zhuǎn)換得來； 0.5%爐氣中自由氧含量。表2.10 爐氣量及其成分爐氣成分爐氣量/Kg體積/m³體積分?jǐn)?shù)/%CO8.6986.95879.76CO22.6520.89117.77SO20.0080.0031.06H2O0.010.0120.21O20.0400.0570.5

14、0N20.0570.0710.70合 計11.4656.617100.00 爐氣中O2的體積為6.617×0.5%=0.033m³；質(zhì)量為0.033×32/22.4=0.047kg。 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0.046×28/22.4=0.058 kg。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 據(jù)此可以編制出未加廢鋼、脫氧與合金化前的物料平衡表2.11。2.11 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1000086.48鋼水92.61

15、479.23石灰4.994.98爐渣10.8710.19螢石0.500.43爐氣9.047.81生白云石2.502.16噴濺1.000.86爐襯0.300.26煙塵1.501.30氧氣7.8055.69渣中鐵珠0.710.61合計113.072100.00合計115.81100.00注：計算誤差為（115.63-115.81）/115.63100%=-0.15%。表2.12 廢鋼中元素的氧化量及其成渣量元素反應(yīng)產(chǎn)物元素氧化量/kg耗氧量/kg產(chǎn)物量/kg進入鋼中的量/kgCCCO13.7×0.08%×90%=0.0120.0160.028(入氣)CCO213.7×

16、0.08%×10%=0.0010.0030.004(入氣)SiSiSiO213.7×0.25%=0.0340.0390.0510MnMnMnO13.7×0.435%=0.0250.0070.1047PPP2O513.7×0.005=03.0010.0010.002SSSO213.7×0.009%×1/3=0.00130.00130.0026入氣)S+(CaO)(CaS)+O13.7×0.009%×2/3=0.0026-0.00130.0059（CaS）合 計0.0770.06613.7-0.077=13.623成渣

17、量/kg0.1660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2.1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2.12），再將其與表2.11歸類合并，遂得加入廢鋼后的物料平衡表2.13和表2.14.表2.13 加入廢鋼的物料平衡表(以100Kg鐵水為基礎(chǔ))收 入支 出項 目質(zhì)量/Kg%項 目質(zhì)量/Kg%鐵 水100.0083.54鋼 水90.944+13.623=104.56779.81廢 鋼13.73.39爐 渣10.681+0.113=10.7949.97石 灰4.994.81爐 氣11.465+0.0346=11.57.54螢 石0.500.

18、42噴 濺1.000.83輕燒生白云石2.502.09煙 塵1.501.25爐 襯0.300.25渣中鐵珠0.6410.60氧 氣7.085+0.066=7.875.50合 計129.86100.00合 計120.02100.00注：計算誤差為(119.71-120.02)/ 119,71100%=-0.26%。表2.14 加入廢鋼的物料平衡表（以100Kg（鐵水+廢鋼）為基礎(chǔ)）收 入支 出項 目質(zhì)量/kg%項 目質(zhì)量/kg%鐵 水87.9583.54鋼 水91.4379.81廢 鋼12.053.39爐 渣9.529.97石 灰4.404.81爐 氣10.157.54螢 石0.440.42噴

19、濺0.880.83輕燒生白云石2.202.09煙 塵1.321.25爐 襯0.260.25渣中鐵珠0.560.60氧 氣6.945.50合 計115.04100.00合 計115.33100.00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(shè)定值（表2.1）和鐵合金成分及其燒損率（表2.3）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(jié)果與表2.14歸類合并，即得冶煉一爐鋼的總物料平衡表。錳鐵加入量為： =硅鐵加入量為： =鐵合金中元素的燒損量和產(chǎn)物量列于表2.15表2.15 鐵合金中元素?zé)龘p量及其產(chǎn)物量類別元素?zé)龘p量/kg脫氧量/Kg成渣量/ Kg爐氣量/ Kg入鋼量/ K

20、g錳鐵C0.51×6.60%×10%=0.0030.0100.015(CO2)0.51×6.60%×90%=0.030Mn0.51×67.80%×20%=0.0690.0200.0890.51×67.80%×80%=0.277Si0.51×0.50%×25%=0.0010.0010.0020.51×0.50%×75%=0.002P0.51×0.23%=0.001S0.51×0.13%=0.001Fe0.51×24.74%=0.126合計0.073

21、0.0310.0910.0150.410硅鐵Al0.38×2.50%×100%=0.0110.0060.006Mn0.38×0.50%×20%=0.00040.00050.00050.38×0.50%×80%=0.002Si0.38×73.0%×25%=0.06940.07930.1490.38×73.0%×75%=0.208P0.38×0.05%=0.0002S0.38×0.03%=0.0001Fe0.38×23.92%=0.0908合計0.07980.08940

22、.1720.301總 計0.1530.120.2470.0150.711脫氧和合金化后的鋼水成分如下： 可見，含碳量尚未達到設(shè)定值。為此需要在鋼包內(nèi)加焦炭粉增碳。其加入量W1為: 焦粉生成的產(chǎn)物如下：炭燒損量/Kg耗氧量/Kg氣體量/Kg成渣量/Kg碳入鋼量/Kg0.06×81.50%×25%=0.0120.0320.037+0.05×(0.58+5.52)%=0.0470.05×12.40%=0.0070.05×81.50×0.75%=0.037由上述計算可得冶煉過程(即脫氧和合金化后)的總物料平衡表2.16。表2.16 總物料平衡

23、表收 入支 出項 目質(zhì)量/kg%項 目質(zhì)量/kg%鐵 水87.9582.62鋼 水92.7179.74廢 鋼12.053.35爐 渣9.7710.11石 灰4.404.76爐 氣10.157.51螢 石0.440.41噴 濺0.880.82輕燒生白云石2.202.06煙 塵1.321.23爐 襯0.260.25渣中鐵珠0.560.60氧 氣 6.945.58錳 鐵0.510.56硅 鐵0.380.36焦粉0.060.05合計116.32100.00合 計116.60100.00注：計算誤差為 (114.06-115.25)/ 114.06×100%=-1.04%。 可近似認為(0.1

24、02+0.016)的氧量系出鋼水時二次氧化所帶入的氧量。2.2熱平衡計算2.2.1 計算所需原始數(shù)據(jù)計算所需基本原始數(shù)據(jù)有：各種入爐料及產(chǎn)物的溫度（表2.17）；物料平均熱容（表2.18）；反應(yīng)熱效應(yīng)（表2.19）；溶入鐵水中的元素對鐵熔點的影響（表2.20）。其他數(shù)據(jù)參照物料平衡選取。表2.17 入爐料及產(chǎn)物的溫度設(shè)定值【3】表2.名 稱入 爐 物 料產(chǎn) 物鐵水廢鋼其他原料爐渣爐氣煙塵溫度/13202525與鋼水相同14501450 純鐵熔點為1536表2.18 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)-10.7450.6991.0470

25、.996熔化潛熱/ kJ·kg-1218272209209209液態(tài)或氣態(tài)平均熱容/ kJ·(kg·K)-10.8370.8371.2481.137表2.19 煉鋼溫度下的反應(yīng)熱效應(yīng)組元化學(xué)反應(yīng)H/kJ·kmol-1H/kJ·kg-1CC+1/2O2=CO 氧化反應(yīng)-139420-11639CC+O2CO2 氧化反應(yīng)-418072-34834SiSi+O2SiO2 氧化反應(yīng)-817682-29202MnMn+1/2O2=(MnO2) 氧化反應(yīng)-361740-6594P2P+5/2O2=(P2O5) 氧化反應(yīng)-1176563-18980FeFe+

26、1/2O2=( FeO) 氧化反應(yīng)-238229-4250Fe2Fe+3/2O2=( Fe2O3) 氧化反應(yīng)-722432-6460SiO2(SiO2)+2(CaO)=(2CaO·SiO2) 成渣反應(yīng)-97133-1620P2O5(P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5) 成渣反應(yīng)-693054-4880CaCO3CaCO3=(CaO)+CO2 分解反應(yīng)1690501690MgCO3MgCO3=(MgO)+CO2 分解反應(yīng)11802014052.2.2 計算步驟以100Kg鐵水為基礎(chǔ)。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；

27、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(見表2.17、2.2和2.19)計算鐵水熔點Tt，然后由鐵水溫度和生鐵熱容(見表2.17和表2.18)確定Qw。表2.20 溶入鐵水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無限溶入1%元素使鐵熔點降低值/65707580859010085302531.5氦、氫、氧溶入使鐵熔點降低值/=6適用含量范圍/%11.02.02.53.03.54.03150.70.008118(2) 元素氧化熱及成渣熱Qy：由鐵水中元素氧化量

28、和反應(yīng)熱效應(yīng)(見表2.29)可以計算出，其結(jié)果列于表2.21中。表2.21 元素氧化熱和成渣熱反應(yīng)產(chǎn)物氧化熱或成渣熱/kJ反應(yīng)產(chǎn)物氧化熱或成渣熱/kJCCO3.6911639=42947.91FeFe2O30.377×6460=2177.02CCO20.41×34834=14281.94PP2O50.185×18980=3511.3SiSiO20.50×29202=14601P2O54CaO·P2O50.434×4880=2117.92MnMnO0.50×6594=3297SiO22CaO·SiO21.236

29、15;1620=2002.32FeFeO0.685×4250=2911.25合 計Qy80003.42(3) 煙塵氧化熱Qc：由表2.5中給出的煙塵參數(shù)和反應(yīng)熱效應(yīng)計算可得。(4) 爐襯中碳的氧化熱Q1：根據(jù)爐襯侵蝕量和含碳量確定。故熱收入總值為：第二步：計算熱支出項Qz。熱支出項包括：鋼水物理熱；爐渣物理熱；爐塵物理熱；爐氣物理熱；渣中鐵珠物理熱；噴濺物(金屬)物理熱；輕燒白云石物理熱；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，后者約為36/min，具體時間與盛鋼桶大小和澆注條件有關(guān))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。（式中，0.60、0.50、0.020和0.021分別為終點鋼水中C、Mn、P和S的含量。）（式中，50、50和70分別為出鋼過程中的溫降、鎮(zhèn)靜及爐后包括精煉處理等過程中的溫降和過熱度。） (2) 爐渣物理熱Qr：令終渣溫度與鋼水溫度相同，則得：(3) 爐襯、煙塵、鐵珠和噴濺金屬的物理熱Qx。根據(jù)其數(shù)量、相應(yīng)的溫度和熱容確定。祥見表2.22。表2.22 某些物料的物理熱項