转炉炼钢的物料平衡与热平衡.docx
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转炉炼钢的物料平衡与热平衡
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4.6转炉炼钢的物料平衡与热平衡[5]
炼钢过程的物料平衡和热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上的。
其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度，确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供某些定量依据。
应当指出，由于炼钢是复杂的高温物理化学过程，加上测试手段有限，目前尚难以做到精确取值和计算。
尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。
转炉炼钢的过程是一个很复杂的物理化学变化过程，对其作完全定量的分析是不可能的，但是一些基本的规律和原理在该过程中仍然适用。
比如说转炉炼钢过程遵循物质不灭和能量守恒定律，在这个基础上建立了转炉炼钢过程中的物料平衡和热平衡计算。
用来研究转炉收入、支出的物质和能量在数量上的平衡关系，并用平衡方程式、平衡表或者物流与热流图表示出来。
通过物料平衡和热平衡的计算可以全面的掌握转炉的物料和能量的利用情况，了解转炉的工作能力和热效率，从而为改进工艺、实现转炉最佳操作探索途径，并为降低原材料消耗与合理利用能源和节能提供方向。
总的来说，物料平衡和热平衡的计算一方面可以指导车间或设备的设计，比如说转炉与其供氧设备，或者炼钢车间的设计；另一方面可以改善和校核已投产的转炉冶炼工艺参数、设备适应性能，比如说确定加入冷却剂的数量和时间，或者采用新技术等而由实测数据进行的计算，比如说设计一些自动控制模型时的计算。
4.6.1物料平衡[12]
物料平衡是计算炼钢过程中加入炉内和参与炼钢过程的全部物料（铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料和耐材等）与炼钢过程中产物（钢液、炉渣、炉气与烟尘等）之间的平衡关系。
以下通过举例进行计算分析。
1．原材料成分
表4.9铁水、废钢成分（%）
原料
C
Si
Mn
P
S
温度，℃
铁水
4.280
0.850
0.580
0.150
0.037
1250
废钢
0.18
0.20
0.52
0.022
0.025
25
表4.10渣料和炉衬材料成分（%）
名称
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
S
P
CaF2
FeO
Fe2O3
烧碱
H2O
C
石灰
91.0
2.0
2.0
1.5
0.05
3.45
矿石
1.0
5.61
0.52
1.10
0.07
29.4
61.8
0.50
萤石
6.0
0.58
1.78
0.09
0.55
89.0
2.00
生白云石
55.0
3.0
33.0
3.0
1.0
5.0
炉衬
54.0
2.0
38.0
1.0
5.0
表4.11各项目的热容
项目
固态平均热容kJ/kg·K
熔化潜热
kJ/kg
液（气）态平均热容kJ/kg·K
生铁
0.745
217.568
0.8368
钢
0.699
271.96
0.8368
炉渣
209.20
1.247
炉气
1.136
烟尘
1.000
209.20
矿石
1.046
209.20
表4.12反应热效应（25℃）
元素
反应
反应热，kJ/kg元素
C
[C]+1/2O2=CO
10950
C
[C]+O2=CO2
34520
Si
[Si]+O2=SiO2
28314
P
2[P]+5/2O2=P2O5
18923
Mn
[Mn]+1/2O2=MnO
7020
Fe
[Fe]+1/2O2=FeO
5020
Fe
[Fe]+3/2O2=Fe2O3
6670
SiO2
SiO2+2CaO=2CaO·SiO2
2070
P2O5
P2O5+4CaO=4CaO·P2O5
5020
2．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．冶炼钢种与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、渣料质量以与冶炼钢种要求，采用单渣操作。
1．渣量与成分计算
（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）各元素耗氧量与氧化产物量（表4.14）。
（3）渣料加入量。
1）矿石加入量与其成分（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，%
项目
C
Si
Mn
P
S
铁水
4.28
0.85
0.58
0.150
0.037
钢水
0.18
0
0.17
0.015
0.025
氧化量
4.10
0.85
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
反应
元素氧化量，kg
耗氧量，kg
氧化产物量，kg
C
[C]+1/2O2=CO
4.10×90%=3.69
3.69×16/12=4.82
3.69×28/12=8.61
C
[C]+O2=CO2
4.10×10%=0.41
0.41×32/12=1.503
0.41×44/12=1.503
Si
[Si]+O2=SiO2
0.85
0.85×32/28=0.972
0.85×60/28=1.82
Mn
[Mn]+1/2O2=MnO
0.41
0.41×16/55=0.119
0.41×71/55=0.529
P
2[P]+5/2O2=（P2O5）
0.135
0.135×80/62=0.174
0.135×142/62=0.309
S
[S]+O2=SO2
0.012×1/3=0.004
0.004×32/320.004
0.004×64/32=0.008*
S
[S]+（CaO）=CaO+[O]
0.012×2/3=0.008
0.008×（-16）/32=-0.004
0.008×72/32=0.018
Fe
[Fe]+1/2O2=（FeO）
0.782
0.782×16/56=0.223
1.006*
Fe
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矿石加入量与成分
成分
质量，kg
成分
质量，kg
Fe2O3
1×61.80%=0.618
FeO
1×29.40%=0.294
SiO
1×5.61%=0.0561
Al2O3
1×1.10%=0.011
CaO
1×1.0%=0.01
MgO
1×0.52%=0.005
S
1×0.07%≈0.001
H2O
1×0.50%=0.005
2）萤石加入量与其成分（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萤石加入量与成分
成分
质量，kg
成分
质量，kg
CaF2
0.3×89.0%=0.267
P
0.3×0.55%=0.002
SiO
0.3×6%=0.018
S
0.3×0.09%=忽略
Al2O3
0.3×1.78%=0.005
H2O
0.3×2%=0.006
MgO
0.3×0.58%=0.002
其中：
2[P]+2/5{O2}=（P2O5）
（P2O5）生成量=0.002×142/62=0.005kg
3）白云石加入量与成分（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%X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轻烧白云石加入量与成分
成分
质量，kg
成分
质量，kg
CaO
3.0×55%=1.65
MgO
3.0×33%=0.99
SiO2
3.0×3%=0.09
Fe2O3
3.0×1%=0.03
Al2O3
3.0×3%=0.09
烧碱
3.0×5%=0.15
其中：
烧碱是指白云石中Ca·MgCO3分解产生的CO2气体。
4）炉衬侵蚀量与其成分（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炉衬侵蚀与成分
成分
质量，kg
成分
质量，kg
CaO
0.5×54%=0.27
SiO2
0.5×2%=0.01
MgO
0.5×38%=0.19
C
0.5×5%=0.025
Al2O3
0.5×1%=0.09
其中：
炉衬中碳的氧化与金属中氧化生成的CO和CO2比例一样。
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）石灰加入量与成分（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
说明：
若要详细计算石灰加入量，则可用下式：
石灰加入量=
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石灰石加入量与成分
成分
质量，kg
成分
质量，kg
CaO
5.55×91%=5.05
SiO
5.55×2%=0.11
MgO
5.55%×2%=0.11
S
5.55×0.05%=0.003
Al2O3
5.55×1.5%=0.08
烧碱
5.55×3.45%=0.19
其中：
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）终渣总量与成分：
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终渣质量与成分
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
%
CaO
5.05
0.01
1.65
0.27
6.98
50.54
MgO
0.11
0.005
0.99
0.19
0.002
1.30
9.41
SiO2
1.82
0.11
0.056
0.09
0.01
0.018
2.104
15.24
P2O5
0.309
0.005
0.314
2.27
MnO
0.529
0.529
3.83
Al2O3
0.08
0.011
0.09
0.005
0.005
0.201
1.46
CaF2
0.267
0.267
1.93
CaS
0.018
0.007
0.002
0.027
0.19
FeO
0.096
0.294
1.39
10.06
Fe2O3
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
3．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100×1.6%（77%×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。
4．炉气量与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。
5．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炉气量与成分
成分
质量，kg
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
0.008×22.4/64=0.003
0.04
H2O
0.005+0.008
0.013×22.4/18=0.016
0.20
N2
0.117
0.094
1.17
O2
0.057
0.04
0.50
总计
10.71
8.026
100.0
表4.22物料平衡表
收入
支出
项目
质量，kg
%
项目
质量，kg
%
铁水
100.0
84.47
钢水
90.391
76.15
石灰
5.55
4.69
炉渣
13.90
11.71
白云石
3.0
2.53
炉气
10.71
9.02
矿石
1.0
0.84
烟尘
1.60
1.35
萤石
0.4
0.34
喷溅
1.0
0.84
炉衬
0.5
0.42
铁珠
1.105
0.93
氧气
7.824
6.61
氮气
0.117
0.10
总计
118.391
100.00
总计
118.706
100.00
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
收入
支出
项目
质量，kg
％
项目
质量，kg
％
铁水
981
76.96
钢水
1000
78.25
废钢
113.3
8.89
炉渣
136.36
10.67
石灰
54.4
4.28
炉气
105.1
8.22
白云石
29.4
2.31
烟尘
15.70
1.23
矿石
9.8
0.77
喷溅
9.81
0.77
萤石
3.9
0.31
铁珠
10.91
0.86
氧气
76.76
6.02
氮气
1.15
0.09
炉衬
4.9
0.37
总计
1274.61
100.00
总计
1277.88
100.00
4.6.4热平衡[12-13]
热平衡是计算炼钢过程的热量收入（铁水的物理与化学热）与热量支出（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。
0.5×5%（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一样。
炉渣物理热=13.81×[1.247×（1662-25）+209.20]=31079.9kJ
（3）矿石分解吸热。
1×（29.4%×56/72×5020+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。
1×[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
项目
热量，kJ
%
项目
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
C
54558.7
25.34
矿石物理热
4242.5
1.97
Si
24066.9
11.18
烟尘物理热
2614.7
1.21
Mn
2878.2
1.34
炉气物理热
17337.3
8.04
P
2554.6
1.19
铁珠物理热
1602.3
0.74
Fe
4145.7
1.93
喷溅物理热
1450.1
0.67
SO2
4355.3
2.02
吹炼物理热
10782.9
5.00
P2O5
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
100.00
共
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