转炉炼钢的物料平衡与热平衡doc 10页Word文件下载.docx
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2070
P2O5
P2O5+4CaO=4CaO·
1.其它假设条件(根据各类转炉生产实际过程假设):
(1)炉渣中铁珠量为渣量的8%;
(2)喷溅损失为铁水量的1%;
(3)熔池中碳的氧化生成90%CO,10%CO2;
(4)烟尘量为铁水量的1.6%,其中烟尘中FeO=77%,Fe2O3=20%;
(5)炉衬侵蚀量为铁水量的0.5%;
(6)炉气温度取1450℃,炉气中自由氧含量为总炉气量的0.5%;
(7)氧气成分:
98.5%O2,1.5%N2。
3.冶炼钢种及规格成分要求冶炼低碳钢,以Q-235钢为例,其规格成分如下(%):
C0.14~0.22,Si0.12~0.30,Mn0.40~0.65,P≤0.045,S≤0.050。
4.6.2物料平衡计算[4-12]
以100kg铁水为单位进行计算,根据铁水、渣料质量以及冶炼钢种要求,采用单渣操作。
1.渣量及成分计算
(1)铁水中元素氧化量(表4.13)。
说明:
取脱磷率90%,脱硫率35%;
钢水中残余锰占铁水[Mn]的30~40%,取30%;
因合金加入后还要增碳,钢水中[C]取较低的0.18。
(2)各元素耗氧量及氧化产物量(表4.14)。
(3)渣料加入量。
1)矿石加入量及其成分(表4.15):
为了化渣,本节中加入矿石1%,而不另加氧化铁皮。
(若不加矿石,改用氧化铁皮,则成分不同)。
其中:
[S]+(CaO)=(CaS)+[O]
(CaS)生成量=0.001×
72/32≈0.002kg
消耗CaO量=0.001×
56/32≈0.002kg
表4.13铁水中元素氧化量
元素,%
S
铁水
4.28
0.85
0.58
0.150
0.037
钢水
0.18
0.17
0.015
0.025
氧化量
4.10
0.41
0.135
0.012
表4.14铁水中元素氧化耗氧量、氧化产物量
元素氧化量,kg
耗氧量,kg
氧化产物量,kg
4.10×
90%=3.69
3.69×
16/12=4.82
28/12=8.61
10%=0.41
0.41×
32/12=1.503
44/12=1.503
0.85×
32/28=0.972
60/28=1.82
16/55=0.119
71/55=0.529
2[P]+5/2O2=(P2O5)
0.135×
80/62=0.174
142/62=0.309
[S]+O2=SO2
0.012×
1/3=0.004
0.004×
32/320.004
64/32=0.008*
[S]+(CaO)=CaO+[O]
2/3=0.008
0.008×
(-16)/32=-0.004
72/32=0.018
[Fe]+1/2O2=(FeO)
0.782
0.782×
16/56=0.223
1.006*
2[Fe]+3/2O2=(Fe2O3)
0.033
0.033×
48/112=0.014
0.047*
总计
6.322
7.417
注*:
假定炉内气化脱硫1/3;
铁的氧化由表4.20得出。
表4.15矿石加入量及成分
成分
质量,kg
Fe2O3
1×
61.80%=0.618
FeO
29.40%=0.294
SiO
5.61%=0.0561
Al2O3
1.10%=0.011
CaO
1.0%=0.01
MgO
0.52%=0.005
0.07%≈0.001
H2O
0.50%=0.005
2)萤石加入量及其成分(表4.16):
根据冶金部转炉操作规程,萤石加入量≤4kg/t,本例取3kg/t。
表4.16萤石加入量及成分
CaF2
0.3×
89.0%=0.267
0.55%=0.002
6%=0.018
0.09%=忽略
1.78%=0.005
2%=0.006
0.58%=0.002
2[P]+2/5{O2}=(P2O5)
(P2O5)生成量=0.002×
142/62=0.005kg
3)白云石加入量及成分(表4.17):
为了提高炉衬寿命,采用白云石造渣,控制渣中(MgO)含量在6~8%范围内。
根据已投产转炉的经验,白云石加入量在30~50kg/t,轻烧白云石加入量在20~40kg/t,本节取轻烧白云石30kg/t。
表4.17轻烧白云石加入量及成分
3.0×
55%=1.65
33%=0.99
3%=0.09
1%=0.03
烧碱
5%=0.15
烧碱是指白云石中Ca·
MgCO3分解产生的CO2气体。
4)炉衬侵蚀量及其成分(表4.18):
转炉炉衬在炉渣作用下,将被侵蚀和冲刷进入渣中,本例取铁水量的0.5%。
表4.18炉衬侵蚀及成分
0.5×
54%=0.27
2%=0.01
38%=0.19
5%=0.025
1%=0.09
炉衬中碳的氧化与金属中氧化生成的CO和CO2比例相同。
C→CO数量0.025×
90%×
28/12=0.053kg
C→CO2数量0.025×
10%×
44/12=0.009kg
共消耗氧量0.053×
16/28+0.009×
32/44=0.037kg
5)石灰加入量及成分(表4.19):
根据铁水成分,取终渣碱度B=3.5。
石灰加入量=
×
100kg
=
100=5.55kg/100kg铁水
若要详细计算石灰加入量,则可用下式:
铁水[Si]生成(SiO2)+炉衬、矿石、白云石、萤石带入(SiO2)
白云石、矿石、炉衬带入(CaO)—铁水、矿石中S消耗CaO量
表4.19石灰石加入量及成分
5.55×
91%=5.05
2%=0.11
5.55%×
0.05%=0.003
1.5%=0.08
3.45%=0.19
S→CaS0.003×
72/32=0.007kg
6)渣中铁的氧化物:
对于冶炼Q-235钢,根据已投产转炉渣中含
量,取(FeO)=10%,(Fe2O3)=5%。
7)终渣总量及成分:
根据表4.13~表4.19中若不计(FeO)、(Fe2O3)在内的炉渣成分见表4.20,由4.20中可得:
CaO+MgO+SiO+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS=11.819kg
已知(FeO)=10%、(Fe2O3)=5%,则其余渣应占渣量总数的85%。
故总渣量为
=13.90kg。
由此可知:
(FeO)=13.90×
10%=1.39kg、(Fe2O3)=13.90×
5%=0.695kg
由于矿石和白云石中带入部分(FeO)和(Fe2O3),实际铁氧化物为:
(FeO)=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终渣质量及成分
氧化产物kg
石灰kg
矿石kg
白云石kg
炉衬kg
萤石kg
总计kg
%
5.05
0.01
1.65
0.27
6.98
50.54
0.11
0.005
0.99
0.19
0.002
1.30
9.41
1.82
0.056
0.09
0.018
2.104
15.24
0.309
0.314
2.27
MnO
0.529
3.83
0.08
0.011
0.201
1.46
0.267
1.93
CaS
0.007
0.027
0.096
0.294
1.39
10.06
0.047
0.618
0.03
0.695
5.03
合计
13.81
100.00
2.冶炼中的吹损计算
根据假设条件,渣中铁珠量为渣量的8%,喷溅损失为铁水量的1%,烟尘损失为铁水量的1.6%。
故可得到:
渣中铁珠量=13.81×
8%=1.105kg
喷溅铁损量=100×
1%=1.0kg
烟尘铁损量=100×
1.6%(77%×
56/72+20%112/160)=1.182kg
元素氧化损失=6.322kg(见表4.14)
吹损总量=1.105+1.0+1.182+6.322=9.609kg
钢水量=100-9.609=90.391kg
2.氧气消耗量计算主要是元素氧化耗氧7.417kg(见表4.14),烟尘铁消耗氧100×
16/72+20%48/160)=0.37kg,其次炉衬中碳氧化消耗0.037kg。
故总耗氧量为7.824kg,换算给标准体积为7.824×
22.4/32=5.48m3/100kg=54.8m3/t。
若考虑到氧气利用率为75~90%,生产实际中供氧量为60~70m3/t。
由于氧气不纯,含有1.5%N2,故供氧时带入N2为7.824×
1.5%=0.117kg,其体积量为0.117×
22.4/28=0.094m3/100kg。
3.炉气量及成分炉内产生的炉气由CO、CO2、SO2、H2O、N2和自由O2组成,把以上计算的炉气成分除自由O2以外占炉气体积总量的99.5%,由表4.21可得:
CO+CO2+SO2+H2O+N2=7.986m3
故炉气总量为7.986/99.5%=8.026m3。
自由O2量为8.026×
0.5%=0.04m3,其质量为0.04×
32/22.4=0.057kg。
4.物料平衡表把以上各种物质的总收入和总支出汇总起来,便可得到物料平衡表4.22。
计算误差=
100%=-0.266%
表4.21炉气量及成分
体积,m3
体积,%
CO
8.61+0.053
8.663×
22.4/28=6.93
86.34
CO2
1.53+0.19+0.009+0.15
1.852×
22.4/44=0.943
11.75
SO2
0.008
22.4/64=0.003
0.04
0.005+0.008
0.013×
22.4/18=0.016
0.20
N2
0.117
0.094
1.17
O2
0.057
0.50
10.71
8.026
100.0
表4.22物料平衡表
收入
支出
84.47
90.391
76.15
石灰
5.55
4.69
13.90
11.71
白云石
2.53
9.02
0.84
1.60
1.35
萤石
0.4
0.34
喷溅
0.5
0.42
铁珠
1.105
0.93
氧气
7.824
6.61
氮气
0.10
118.391
118.706
4.6.3加废钢后的吨钢物料平衡
废钢加入后,忽略废钢中含硅、锰元素的氧化损失,使钢水量达到101.943kg(90.384+11.55),即是使用100kg铁水、11.55kg废钢可以生产出101.934kg钢水。
根据比例关系,可以得到吨钢物料平衡表4.23。
表4.23吨钢物料平衡
%
981
76.96
1000
78.25
废钢
113.3
8.89
136.36
10.67
54.4
105.1
8.22
29.4
2.31
15.70
1.23
9.8
0.77
9.81
3.9
0.31
10.91
0.86
76.76
6.02
1.15
4.9
0.37
1274.61
1277.88
4.6.4热平衡[12-13]
热平衡是计算炼钢过程的热量收入(铁水的物理及化学热)及热量支出(钢液、炉渣、炉气、冷却剂、热量损失)之间的平衡关系。
为了简化计算,取加入炉内的炉料温度均为25℃。
1.热收入热收入主要是铁水的物理热和元素氧化的化学热。
(1)铁水物理热。
根据传热原理。
铁水熔点Tt=1539-(100×
4.28+8×
0.85+5×
0.58+30×
0.15+25×
0.037)-4
=1092℃
铁水物理热=100[0.745(1092-25)+217.568+0.8368(1250-1092)]
=114553.40kJ
(2)铁水中元素氧化放热和成渣热。
根据表4.10、表4.12和表4.20数据可以计算如下:
C→CO3.69×
10950=40405.5kJ
C→CO20.41×
34520=14153.2kJ
S→SO20.85×
28314=24066.9kJ
Mn→MnO0.41×
7020=2878.2kJ
P→P2O50.135×
18923=2554.6kJ
Fe→FeO0.782×
5020=3925.6kJ
Fe→Fe2O30.033×
6670=220.1kJ
SiO2→CaO·
SiO22.104×
2070=4355.3kJ
P2O5→CaO·
P2O50.314×
5020=1576.3kJ
总计94135.7kJ
(3)烟尘氧化放热。
1.6×
(77%×
56/72×
5020+20%112/160×
6670)=6304.4kJ
(4)炉衬中碳氧化放热。
5%(90%×
10950+10%×
34520)=332.7kJ
因此,炉衬热收入总量为:
114553.4+94135.7+6304.4+332.7=215326.2kJ
2.热支出
(1)钢水物理热。
钢水熔点Tt=1539-(65×
0.18+5×
0.17+30×
0.015+25×
0.025)-4
=1521℃
出钢温度T=1521+70(钢水过热度)+21(生产运输降温)+50(浇注降温)=1662℃
钢水物理热=90.391[0.699×
(1521-25)+271.96+0.8368(1658-1521)]
=129770.1kJ
(2)炉渣物理热。
计算取炉渣终点温度与钢水温度相同。
炉渣物理热=13.81×
[1.247×
(1662-25)+209.20]=31079.9kJ
(3)矿石分解吸热。
(29.4%×
5020+61.8%×
112/160×
6670+209.20)=4242.5kJ
(4)烟尘物理热。
1.6[1.0×
(1450-25)+209.20]=2614.7kJ
(5)炉气物理热。
10.71×
1.136×
(1450-25)=17337.3kJ
(6)渣中铁珠物理热。
1.105×
[0.745(1521-25)+217.568+0.8368(1662-1521)]=1602.3kJ
(7)喷溅金属物理热。
[0.745(1521-25)+217.568+0.8368(1662-1521)]=1450.1kJ
(8)吹炼过程热损失。
吹炼过程热损失包括炉体和炉口的热辐射、对流和传导传热、冷却水带走热等,它根据炉容大小而异,一般为热量总收入的3~8%,本例取热损失为5%。
所以吹炼过程热损失为:
215658.9×
5%=10782.9kJ
(9)废钢耗热。
总的热收入减去以上热支出,得到的富余热量用加入废钢来调节。
富余热量=215658.9-(129507.3+31213.2+4242.5+2614.7+17337.3+1609.2+1447.1
+10764.1)=16547.1kJ
1kg废钢熔化耗热=1×
[0.699×
(1517-25)+271.96+0.8368(1658-1517)]
=1432.9kJ
废钢加入量=16547.1/1432.9=11.55kg
3.热平衡表把全部热收入和热支出汇总,得到热平衡表4.24
表4.24热平衡表
热收入
热支出
热量,kJ
铁水物理热
114553.4
53.12
钢水物理热
129770.1
60.17
元素放热和成渣热
94135.7
43.72
炉渣物理热
31079.9
14.41
54558.7
25.34
矿石物理热
4242.5
1.97
24066.9
11.18
烟尘物理热
2614.7
1.21
2878.2
1.34
炉气物理热
17337.3
8.04
2554.6
1.19
铁珠物理热
1602.3
0.74
4145.7
喷溅物理热
1450.1
0.67
4355.3
2.02
吹炼物理热
10782.9
5.00
1576.3
0.73
废钢物理热
16779.1
7.78
烟尘氧化放热
6304.4
2.93
炉衬C放热
332.7
0.15
共计
215326.2
热效率=
100%=70.03%