物料平衡與熱平衡

1、3電弧爐煉鋼物料平衡和熱平衡3.1物料平衡計(jì)算3.1. 1計(jì)算所需原始數(shù)據(jù)基本原始數(shù)據(jù)：冶煉鋼種及成分（見(jiàn)表3-1）；原材料成分（見(jiàn)表3-2）；爐 料中元素?zé)龘p率（見(jiàn)表3-3）；合金元素回收率（見(jiàn)表3-4）；其他數(shù)據(jù)（見(jiàn)表3-5）。表3-1冶煉鋼種及其成分鋼種成分/%備注CSiMnPSFeQ2150.09 0.150.030.250.55W 0.04 5W 0.04 5余量FBZ注：分母系計(jì)算時(shí)的設(shè)定值，取其成分中限。表3-2原材料成分/%名稱CSiMnPSCrAlFeHO2灰分揮發(fā) 分碳素廢鋼0.180.250.550.03 00.03 0余量煉鋼生鐵4.200.800.600.20 00.

2、035余量FeMn6.600.5067.8 00.23 00.13 024.74FeSi73.0 00.500.05 00.03 02.5023.92SiMn1.6520.5 063.2 00.0650.04514.54FeCr4.350.400.0350.04567.3 027.87Al98.5 01.50焦炭81.5 00.5812.4 05.52電極99.0 01.00名稱CaOSiO 2MgOAl O2 3CaF 2FeO 2 3CO 2HO aPOS石灰88.02.502.601.500.504.640.102 50.100.060螢石0.305.500.601.6088.0 01.

3、501.500.900.10鐵礦 石1.305.750.301.4589.771.200.150.08火磚 塊0.5560.8 00.6036.8 01.25高鋁 磚1.256.400.1291.350.88鎂砂4.103.6589.5 00.851.90焦炭灰分4.4049.7 00.9526.2518.550.15電極灰分8.9057.8 00.1033.1 0表3-3爐料中元素?zé)龘p成分CSiMnPS燒損率/%熔化期2540,取307095,去856070，取654050，取45可以忽略氧化期0.06錯(cuò)誤!未找到引用源。全部燒損200.015錯(cuò)誤！未找到引用源。2530，取27錯(cuò)誤!未找到

4、引用源。按末期含量比規(guī)格下限低0.03%0.10% （取0.06%）確定（一般不低于0.03%的脫碳量）；錯(cuò)誤!未找到引用源。按末期含量的0.015%來(lái)確定。表3-4鐵水、廢鋼成分設(shè)定值類別 成分CSiMnPS廢鋼設(shè)定值0.180.250.550.0300.030表3-5其他數(shù)據(jù)名稱參數(shù)配碳量比鋼種規(guī)格中限高0.48%，即達(dá)0.6%熔化期脫碳量30%,即 0.6%X30% = 0.18kg電極消耗量4kg/t （金屬料）：其中熔化期占75%；氧化期和還原期 各占25%爐頂高鋁磚消耗量1.275kg/t （金屬料）：其中熔化期占59%,氧化期占41%爐襯鎂磚消耗量3.5kg/t （金屬料）：其中

5、熔化期占57%；氧化期和還原期各占43%熔化期和氧化期所需要 氧量100%來(lái)自于氧氣氧氣純度和利用率99%，余者N，氧利用率90%焦炭中碳的回收率75% （系指配料用焦炭）碳氧化產(chǎn)物均按70%生成CO，30%生成CO考慮 2煙塵量按8.5kg/t （金屬料）考慮3.1.2物料平衡基本項(xiàng)目收入項(xiàng)有：廢鋼、生鐵、焦炭、石灰、螢石、電極、爐襯鎂磚、爐頂高鋁 磚、火磚塊、鐵合金、氧氣和空氣。支出項(xiàng)有：鋼水、爐渣、爐氣、揮發(fā)的鐵、焦炭中揮發(fā)分。3.1.3計(jì)算步驟以100kg金屬爐料（廢鋼+生鐵）為基礎(chǔ)，按工藝階段一一熔化期、氧化期 和還原期分別進(jìn)行計(jì)算，然后匯總成物料平衡表。第一步：熔化期計(jì)算。（1）確

6、定物料消耗量：1）金屬爐料配入量。廢鋼和生鐵按75kg和25kg搭配，不足碳量用焦炭來(lái) 配。其結(jié)果列于表3-6。計(jì)算用原始數(shù)據(jù)見(jiàn)表3-2和3-5。表3-6爐料配入量名稱用量/kg配料成分/kgCSiMnPSFe廢鋼100.0000.180.250.550.030.0398.96焦炭0.6870.42錯(cuò)誤！未找到引用源。合計(jì)100.6870.60.250.550.030.0398.96錯(cuò)誤!未找到引用源。碳燒損率25%。2）其他原材料消耗量。為了提前造渣脫磷，先加入一部分石灰（20kg/t（金 屬料）和礦石（10kg/t（金屬料）。爐頂、爐襯和電極消耗量見(jiàn)表3-5。（2）確定氧氣和空氣消耗量：耗

7、氧項(xiàng)包括爐料中元素的氧化，焦炭和電極 中碳的氧化；而礦石則帶來(lái)部分氧，石灰中CaO被自身S還原出部分氧。前后 兩者之差即為所需凈氧量2.458kg。詳見(jiàn)表3-7。根據(jù)表3-5中的假設(shè)，應(yīng)由氧氣供給的氧氣為100%，即2.239kg。由此可 求出氧氣實(shí)際消耗量。詳見(jiàn)表3-8。上述1）+2）便是熔化期的物料收入量。表3-7凈耗氧量的計(jì)算項(xiàng)目名稱元素反應(yīng)產(chǎn)物元素氧 化量/kg耗氧量/kg供氧量/kg耗氧 項(xiàng)爐料中元素的氧化CSiMnPFe(c)ico(c)ico 2 (Si)-SiO ) (Mn)fMnO)(PPR) (Fe) fFeO)錯(cuò)誤!未找到引用源。(Fef(Fe2O3) 錯(cuò)誤!未找到引用源

8、。0.1260.0540.21250.35750.01350.2971.6820.168 0.144 0.24280.104 0.0174 0.08480.721合計(jì)2.74251.482焦炭中碳的氧化電極中碳 的氧化CC(C)f(CO(C)f(CO、，2(C)f(CO(C)f(CO20.0980.0420.2080.0890.1310.1120.2770.237合計(jì)2.239供氧礦石石灰SCaO+S=CaS+O0.0006項(xiàng)合計(jì)0.0006凈耗氧量2.2384錯(cuò)誤!未找到引用源。令鐵燒損率為2%，其中80%生成Fe2O3揮發(fā)掉成為煙 塵的一部分；20%成渣。在這20%中，按3： 1的比例分別

9、生成（Feb）和（FeQ）。表3-8氧氣實(shí)際消耗量氧氣/kg帶入O 2帶入N 22.2384/氧利用率 =2.2384/90%=3.128(3.128/99%) X1%=0.032（3）確定爐渣量：爐渣源于爐料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化產(chǎn)物，爐 頂和爐襯的蝕損，焦炭和電極中的灰分，以及加入的各種熔劑。結(jié)果見(jiàn)表3-9。表3-9熔化期爐渣量的確定名稱消耗成渣組分/kgCaOSiO 2MgOA12O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合計(jì)量/kgSi0.20.40.45爐Mn13550.45料P0.360.00.46Fe580.30.143120.08210.031410.30.52963

10、爐頂0.00.00.0略0.060.000.07爐襯7501040.1915焦炭0.20.00.0790.000.00略0.20電極0008070.0240石灰0.60.00.0010.020.010.00.00.08870442略26020250.3略0.00.00.000.00001.7025210.0132.0580.00.0301.90005004合計(jì)1.70.50.20.120.40.30.170.00.03.737161324682233027百分47.156.23.3212.10.4.60.80.5100.比383218400確定金屬量：金屬量Q.二金屬爐料重+礦石帶入的鐵量-爐

11、料中C、Si、 Mn、P和Fe的燒損量+焦炭配入的碳量=100-2.7425+0.42=97.6775kg。確定爐氣量：爐氣來(lái)源于爐料以及焦炭和電極中碳的氧化物CO和CO ,氧氣帶入的N,物料中的HO及其反應(yīng)產(chǎn)物，游離O及其反應(yīng)產(chǎn)物，石灰的燒 減(CO),焦炭的揮發(fā)分。計(jì)算結(jié)果列于表3-10。2表3-10爐氣量計(jì)算項(xiàng)目氣態(tài)產(chǎn)物/kgCOCO2N2HO2H2揮發(fā) 物合計(jì)爐料中C的氧化 焦炭帶入 電極帶入 石灰?guī)?氧氣帶入游離O參與反應(yīng) 2CO+1/2O=CO ,.2一 、2HO參與反應(yīng) 2H2O+CO=H2+CO20.2940.2280.485-0.43 54-0.00930.1980.154

12、0.3260.0930.68410.014670.02510.0040.002-0.0060.000670.0470.492 0.424 0.811 0.095 0.0251 0.24870合計(jì)0.56231.470.025100.000670.0382.091質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%26.8370.131.1900.031.81100.00確定鐵的揮發(fā)量：有表3-7中設(shè)定，鐵的揮發(fā)量為：97.949X2%X 80%=1.564kg。上述(3) + (4) + (5) + (6)便是熔化期的物料支出量。由此可列出熔化期物料平衡表3-11。表3-11熔化期物料平衡表收入支出項(xiàng)目質(zhì)量/kg%項(xiàng)目質(zhì)量/kg%廢

13、鋼100.00094.54金屬97.677592.94焦炭0.6870.65爐渣3.73743.56電極0.3000.283爐氣2.09611.99石灰2.0001.89鐵的揮發(fā)1.5831.51爐頂0.0750.071爐襯0.2000.189氧氣2.5132.37合計(jì)105.775100.00合計(jì)105.094100.00注：計(jì)算誤差二(105.775-105.094) /105.775X 100%=0.64%。第二步：氧化期計(jì)算。引起氧化期物料波動(dòng)的因素有：扒除熔化渣，造新渣；金屬中元素的進(jìn)一 步氧化；爐頂、爐襯的蝕損和電極的燒損。確定渣量：1)留渣量。為了有利去磷，要進(jìn)行換渣，即通常除去

14、70%左右熔化渣，而 進(jìn)入氧化期只留下30%的渣。其組成見(jiàn)表3-12。金屬中元素的氧化產(chǎn)物。根據(jù)表3-3給出的值可以計(jì)算產(chǎn)物量，詳見(jiàn)表 3-12。爐頂、爐襯的蝕損和電極的燒損量。根據(jù)表3-5的假定進(jìn)行計(jì)算，其結(jié) 果一并列入表3-12。造新渣時(shí)加入石灰、礦石和火磚塊帶入的渣量。見(jiàn)表3-12。渣量計(jì)算的幾點(diǎn)說(shuō)明：關(guān)于石灰消耗量：由表3-12可知，除石灰?guī)氲囊酝?，渣中已含SiO=0.168+0.08+0.003+0.005+0.001+0.304=0.561kg;Cao=0.531+0.001+0.0062一，、+0.003-0.040=0.501kg。取堿度3.5，故石灰加入量為：REW(SiO

15、 )-EW(CaO)/w(CaO )-Rw (SiO 六)=1.377/(88.00%-3.5X2.502石灰2石灰%)=1.091kg關(guān)于磷的氧化量:根據(jù)表3-7,可近似求得(0.003-0.0135)/97.687-0.015% X 97.687=0.00184kg。關(guān)于鐵的燒損量：一般可以設(shè)定，當(dāng)氧化末期金屬中含C約0.90%時(shí)，渣中Ew (Fe)約達(dá)7%；且其中75%為(FeO)，25%為(FeQ)。因此，渣中含(FeO)為 (7%X75%X72) /56=6.75%,含(FO )(7%x2%X 160) /112=2.50%，由表 3-12 可知，除 FeO 2和 FeQ 以外的渣量

16、為 2.127+0.608+0.225+0.298+0.189+0.019+0.05259=3.551kg，故總渣量=3.551/(100-6.75-2.50)%=3.913kg。于是可得 W (FeO) =0.245kg，W (FO ) =0.118kg。 其中，有Fe氧化生成的(FeO)和(FeQ)分別為0.19kg和0.082kg。表2-12氧化期渣量的確定名稱消耗 量/kg成渣成分/kgCaOSiO 2MgOA12O3MnOFeOFe2O 2PO 2 5CaS合計(jì)留渣1.120.5310.170.070.030.130.10.00.010.001.1217965261金屬Si0.030

17、.080.08中元Mn80.050.05素氧P0.0300.000化或Fe90.10.070.00燒損S0.00-0.043480.0572020.170.13850.010.0223爐頂蝕損量爐襯蝕損量電極燒損量石灰?guī)牖鸫u塊帶 入0.0530.1500.1001.8480.50 00.001 0.006 略1.626錯(cuò)誤!未找到 引用源。0.0030.0030.0050.0010.0460.304略 0.13 4 略 0.04 8 0.00 30.04 80.001 略 0.0280.18 4略 0.0 030.0 09 0.0060.0030.0030.0520.1490.0011.76

18、20.50 0合計(jì)2.1270.6080.2550.2980.18 90.2 450.1180.01 90.0563.913%54.3615.536.57.624.816.243.010.051.43100. 0錯(cuò)誤!未找到引用源。石灰中CaO被自身S還原，消耗0.003kgCaO。（2）確定金屬量：根據(jù)熔化期的金屬量以及表3-12中元素?zé)龘p量和礦石還原 出來(lái)的鐵量，即可得氧化末期的金屬量為97.678- （ 0.0375+0.039+0.0016+0.135+0.023+0.318 錯(cuò)誤！未找到引用源。） +0.628=97.894kg（錯(cuò)誤!未找到引用源。0.318為碳的燒損量接近值，即（

19、0.60-0.18）-0.89% X97.678=0.342kg）（3）確定爐氣量：計(jì)算方法如同熔化期。先求凈耗氧量（見(jiàn)表3-13）,再確定 氧氣消耗量（見(jiàn)表3-14）,最后將各種物料或化學(xué)反應(yīng)帶入的氣態(tài)產(chǎn)物歸類，從 而得其結(jié)果（見(jiàn)表3T5）。具體算法可參照表3-10o熔化期和氧化期的綜合物料平衡列于表3-16。表3-13凈耗氧量的計(jì)算名稱元素?zé)龘p量/kg反應(yīng)產(chǎn)物耗氧 量供氧 量 /kg備注金屬中元 素的氧化C0.342C f CO0.31970%C生成 COCfCO 20.27430%C生成 COSi0.0375Sif(SiO2)0.0432Mn0.039Mn f (MnO)0.011P0.

20、0016P f(PO)2 50.0021Fe0.135Fef(FeO)0.029見(jiàn)表3-12Fe f(Fe O) -80.014見(jiàn)表3-125電極中碳 的氧化C0.100X99%=0.0 99C f CO0.09270%C生成 COCfCO 20.07930%C生成 CO2合計(jì)0.899石灰中S還 原CaOS0.002CaO+S=CaS+O0.001金屬中S還 原Ca O供氧S0.009CaO+S=CaS+O0.005合計(jì)0.006凈耗氧量0.8574表3-14氧氣和空氣實(shí)際消耗量氧氣/kg帶入O 2帶入N 20.8634/氧利用率 =0.8634/90%=0.9 59(0.959/99%)

21、X1%=0.0097表3-15爐氣量項(xiàng)目氣態(tài)產(chǎn)物/kg備注COCO N 2HO 2H 2合計(jì)金屬中C的氧化0.550.30.935C燒損量電極帶入9760.000.2710.342kg石灰?guī)?.160.10.128C燒損量氧氣帶入2090.0030.0090.099kg游離O參與反應(yīng)9772CO+1/2O=CO0.10.095八2-、2HO參與反應(yīng)2250.009游離。2量H O+CO=H +CO-0.1-0.02=0.0099kg222680.203064HO全部消耗掉-0.0050.007合計(jì)0.540.80.0000.001.4488112質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%38.0661.180.6700.

22、13100.0 0表3-16熔化期和氧化期綜合物料平衡表收入支出項(xiàng)目質(zhì)量/kg%項(xiàng)目質(zhì)量/kg%廢鋼10091.4金屬97.09982.29焦炭0.6870.64爐渣3.737+2.792=6.5296.03電極0.300+0.100=0 .4000.30爐氣2.096+1.44=3.5363.25石灰2.000+1.848=3.8483.52鐵的揮 發(fā)1.5831.46火磚塊0.5000.46其他煙 塵0.8310.67爐頂0.075+0.053=0 .1280.12爐襯0.200+0.150=0.3500.32氧氣2.513+0.986=3 .4813.18合計(jì)109.394100.00合

23、計(jì)108.747100.00注：計(jì)算誤差二(109.394-108.747) /109.394X100%=0.59%。氧化期末金屬成分如下:CSiMnPS%0.08痕跡0.1580.0150.0223.2熱平衡計(jì)算以100kg金屬料（廢鋼+生鐵）為基礎(chǔ)。3.2. 1計(jì)算熱收入Qs 一（1）物料的物理熱。計(jì)算結(jié)果列于表3-17。（2）元素氧化熱及成渣熱。計(jì)算結(jié)果列于表3-18。（3）消耗的電能。根據(jù)消耗的熱量確定，為92294.71kJ。詳見(jiàn)下面的計(jì)算。表3-17物料帶入的物理熱名稱熱容/kJ(kg C)-1溫度/C消耗量/kg物理熱/kJ廢鋼0.69925100.0001747.5石灰0.72

24、825.084870.034火磚塊0.858250.50010.725焦炭0.858250.68714.736爐頂0.8796000.12867.507爐襯0.9966000.350209.16氧氣1.318253.841126.561電極1.5074500.400271.26合計(jì)2517.483表3-18元素氧化熱及成渣熱名稱氧化量/kg化學(xué)反應(yīng)H/kJ kg-1放熱量/kJ電極 中的C0.208+0.069=0.2770.089+0.030=0.119C+1/2O = CO，、2 ，、C+O = (CO 22-11639-3483432244145焦炭 中的C0.167 0.07C+1/2

25、(O = (CO，、2 ，、C+(O2 = (CO2-11639-3483419442438金屬 中Si0.2125+0.0375=0.25Si+2(FeO) = (Si2O)+2F2e-113292832金屬中Mn0.3575+0.039=0.3965Mn + (FeO) = (MnO) + Fe-2176863Fe錯(cuò)誤！未找到引用源。8.5241.682Fe+1/2(O = (FeO)2,、2Fe+3/2(O = (FeO)22 3-4250-64603622710866SiO成渣P20成0.5607X70%+0.6076X95%=0.9697 0.0329X70%+0.019X 95%=

26、0.041082(CaO) + (SiO) = (2CaO - S2iO)24(CaO) + (P O ) = (4CaO - P?2o5)25-1620-48801571200合計(jì)64347錯(cuò)誤!未找到引用源。因熔化期和氧化期所需要的02量100%由氧氣提供， 由表3-8和3-14所知，該氣態(tài)O2總用量為3.447kg。23.2.2計(jì)算熱支出Q一 z 、一 一(1)鋼水物理熱 Q。該鋼熔點(diǎn)為 1536- (0.18X 65+0.3 X 8+0.47 X 5+0.045 X30+0.045X25) -6=1511；出鋼溫度控制在中下限，本計(jì)算中取1580C。則:Q=97.1X0.699X (1

27、511-25)+0.837X (1580-1452)=132878.15kJ(2)爐渣物理熱Q。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3-19。表3-19爐渣物理熱名稱熔化期爐渣氧化期爐渣合計(jì)溫度/C15001650熱容 /kJ (kg K)-11.1721.216物理熱/kJ2.616X 1.172X (1500-25)+209=5069 .023.899X1.216X (1650-25)+209=8519.3213588.34(3)吸熱反應(yīng)消耗的物理熱Qs。詳見(jiàn)表3-20。表3-20吸熱量名稱氧化量/kg化學(xué)反應(yīng)H/kJ - kg-吸熱 量/kJ金屬脫碳 渣中(FeO)和 (Fe2O3)被 C 粉中的C還原石灰燒堿

28、0.6-97.1X0.08%=0.522C=0.002C=0.0043.848X4.64%=0.179C + (FeO) = CO + Fe(FeO)+C=(CO + Fe(FeO)+3C=3(CO +2 32FeCaCO =CaO+CO 3262446244852041773259.3712.4934.08747.68水分 揮發(fā) (由 25C 升至 1200 C)石灰 帶入 焦炭 帶入 小計(jì)3.848X0.10%=0.0040.515X0.58%=0.0030.007HO (H O 1200C221227/H O28.59金屬增C0.42CTC1779/C747.18合計(jì)4809.39爐氣物理熱Q。令爐氣溫度為1200C，熱容為1.137kJ (kg - K)-1，由 爐氣量可得：XQ=3.536X 1.137X (1200-25)=4724kJ_ _ - 一 一 x 一一.煙塵