炼钢过程中的物料平衡与热平衡计算.docx
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炼钢过程中的物料平衡与热平衡计算
炼钢过程的物料平衡与热平衡计算
炼钢过程的物料平衡与热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上。
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，由于炼钢系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。
本章主要结合实例阐述氧气顶吹转炉和电弧炉氧化法炼钢过程物料平衡和热平衡计算的基本步骤和方法，同时列出一些供计算用的原始参考数据。
1.1物料平衡计算
（1）计算所需原始数据。
基本原始数据有：
冶炼钢种及其成分（表1）；金属料一铁水和废钢的成分（表1）；终点钢水成分（表1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（表2）；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表3）；其它工艺参数（表4）.
表1钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值
成分含量/%
类别
C
Si
Mn
P
S
钢种H15Mn设定值①
0.18
0.25
0.55
<0.045
<0.050
铁水设定值
4.20
0.40
0.45
0.12
0.060
废钢设定值
0.18
0.25
0.55
0.030
0.030
终点钢水设定值②
0.10
痕迹
0.18
0.020
0.021
①本计算设定的冶炼钢种为H15Mn
②［C］和［Si］按实际生产情况选取；［Mn］、［P］和［S］分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在钢水中设
表2原材料成分
成分含量%类别、
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
CaF2
P2O5
S
CO2
H2O
C
灰分
挥发分
石灰
88.00
2.50
2.60
1.50
0.50
0.10
0.06
4.64
0.10
萤石
0.30
5.50
0.60
1.60
1.50
88.00
0.90
0.10
1.50
生白云石
36.40
0.80
25.60
1.00
36.20
炉衬
1.20
3.00
78.80
1.40
1.60
14.00
焦炭
0.58
81.50
12.40
5.52
表3铁合金成分（分子）及其回收率（分母）
成分
含量/回收率
类别'、
C
Si
Mn
Al
P
S
Fe
硅铁
一
73.00/75
0.50/80
2.50/0
0.05/100
0.03/100
23.92/100
锰铁
6.60/90①
0.50/75
67.80/80
一
0.23/100
0.13/100
24.74/100
①10%C与氧生产CO2
表4其它工艺参数设定值
名称
参数
名称
参数
终渣碱度
%CaO/%SiO2=3.5
渣中铁损（铁珠）
为渣量的6%
萤石加入量
为铁水量的0.5%
氧气纯度
99%,余者为N2
生白云石加入量
为铁水量的2.5%
炉气中自由氧含量
0.5%（体积比）
炉衬蚀损量
为铁水量的0.3%
气化去硫量
占总去硫量的1/3
终渣刀（FeO）含量（按
（FeO）=1.35（Fe2O3浙算）
15%，而（Fe2O3）/刀
（FeO）=1/3即
（Fe2O3）=5%（FeO）=8.25%
金属中〔C〕的氧化产
物
90%C氧化成CO,
10%C氧化成CO2
烟尘量
为铁水量的1.5%（其中FeO为75%,Fe2O3为20%）
废钢量
由热平衡计算确定。
本
计算结果为铁水量的
10.934%,即废钢比为
9.86%
喷溅铁损
为铁水量的1%
（2）物料平衡基本项目
收入项有：
铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。
支出项有：
钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。
（3）计算步骤。
以100kg铁水为基础进行计算。
第一步：
计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。
总渣量包括铁水中元素氧化、炉衬蚀损和加入溶剂的成渣量。
其各项成渣量分别列于表5、6和7
总渣量及其成分如表8所示。
第二步：
计算氧气消耗量。
氧气实际消耗量系消耗项目与供入项目之差，详见表9。
表5铁水中元素的氧化产物及其成渣量
丿元素
反应产物
兀素氧化量/kg
耗氧量/
kg
产物量/kg
备注
C
〔C〕T
〔C
{CO}
{CO2}
4.22X90%=3.798
4.22X10%=0.422
4.920
1.090
8.610
1.500
Si
〔Si〕-
-（SiO2）
0.400
0.457
0.857
入渣
Mn
〔Mn〕
-（MnO）
0.270
0.079
0.349
入渣
P
〔P〕-
>（P2O5）
0.100
0.129
0.229
入渣
0.013
〔s〕-
-（SO2）
0.039X1/3=0.013
0.026
S
—0.013
〔S〕+（CaO）=（CaS）+（O）
0.039X2/3=0.026
0.059（CaS）
入渣
①
0.675X56/72=0.525
〔Fe〕
-（FeO）
0.150
0.675
入渣（见表8）
Fe
0.379X
〔Fe丨-
>（Fe2O3）
0.114
0.379
入渣（见表8）
112/160=0.265
合计
5.699
0.965
成渣量
2.548
入渣组分之和
①由CaO还原出的氧量，消耗的CaO量=0.013X56/32=0.023kg
表6炉衬蚀损的成渣量
炉衬蚀损量
（kg）
成渣组分/kg
气态产物/kg
耗氧量/kg
CaO
SiO2
MgO
AI2O3
Fe2O3
C-CO
C-CO2
C—CO、CO2
0.3X14%（90%X
0.3
0.00
0.009
0.23
0.004
0.005
0.3X14%X90%
0.3X14%X10%
16/12+10%X
（据表4）
4
6
X28/12=0.088
X44/12=0.015
32/12）=0.062
合计
0.258
0.103
0.062
表7加入溶剂的成渣量
类别
加入量
/kg
成渣组分/kg
气态产物/kg
CaO
MgO
SiO2
AI2O
3
Fe2O
3
P2O5
CaS
CaF2
H2O
CO2
O2
0.5据（表
0.00
0.00
0.02
0.00
0.00
0.00
0.00
0.44
0.00
萤石
4）
2
3
8
8
8
5
1
0
5
生白云
2.5据（表
0.91
0.64
0.02
0.02
0.90
石
4）
0
0
0
5
5
3.03
0.09
0.08
0.05
0.01
0.00
0.00
0.00
0.16
0.001
石灰
3.455①
5②
0
6
2
7
3
5
3
0
③
3.94
0.73
0.13
0.08
0.02
0.00
0.00
0.44
0.00
1.06
合计
0.001
7
3
4
5
5
8
6
0
8
5
成渣量
7.634
①石灰加入量计算如下：
由表5~7可知，渣中已含（CaO）=-0.455+0.004+0.002+0.910=0.461kg;渣中
已含（Si02）=0.857+0.009+0.028+0.022=0.914kg.因设定的终渣碱度R=3.5;故石灰加入量为
[RDw（SiO2）—Bw（CaO）]/[w（CaO石灰）一RXw（SiO2石灰）]=2.738/（88.00%—3.5X2.50%）=3.45kg②为（石灰中CaO含量）一（石灰中StCaS自耗的CaO量）。
2由CaO还原出的氧量，计算方法同表5之注。
表8总渣量及其成分
炉渣成分
CaO
SiO2
Mg
O
Al2O3
MnO
FeO
Fe2O3
CaF2
P2O5
CaS
合计
元素氧化成渣量
kg
/
0.85
7
0.349
0.675
②
0.379③
0.229
0.059
2.548
3.03
0.08
0.0
石灰成渣量/kg
5
6
90
0.052
0.017
0.003
0.005
3.288
炉衬蚀损成渣量
/
0.00
0.00
0.2
0.004
0.005
0.258
kg
4
9
36
生白云石成渣量
/
1.01
0.02
0.7
0.028
1.786
kg
9
2
17
0.00
0.02
0.0
0.44
萤石成渣量/kg
2
8
03
0.008
0.008
0
0.005
0.001
0.495
3.95
1.00
0.9
0.44
总渣量/kg
1
0
69
0.089
0.349
0.675
0.409
0
0.237
0.065
8.184①
48.2
12.2
11.
%
8
2
84
1.09
4.26
8.25
5.00
5.38
2.90
0.79
100.00
①总渣量计算如下：
因为表8中除（FeO）和（Fe2O3）以外的渣量为
5.965+1.700+1.102+0.124+0.615+0.440+0.540+0.038=7.100kg,而终渣刀w（FeO）=15%（表4-4），故总
渣量为7.1/86.75%=8.184kg
3w（FeO）=8.184X8.25%=0.675kg.
4w（Fe203）=8.184X5%—0.017—0.005—0.008=0.379kg.
表9实际耗氧量
耗氧项/kg
供氧项/kg
实际氧气消耗量/
kg
铁水中元素氧化耗氧量（表5）6.965
炉衬中碳氧化耗氧量（表6）0.062
石灰中的S与CaO反应还原出的氧量（表7）0.002
烟尘中铁氧化耗氧量（表4）0.340
7.427—0.002+
0.066①=7.491
炉气中自由氧含量（表10）0.060
合计7.427
合计0.002
①为炉气中N2之重量，详见表10第三步：
计算炉气量及其成分。
炉气中含有CO、CO2、O2、N2、SO2和出0。
其中CO、CO2、SO2和出0可由表4-5~4-7
查得，O2和N2则由炉气总体积来确定。
现计算如下
炉气总体积Vx：
99Vg0.7Gs
98.50
VX=998&9°.7站86O.O。
222.4/32=8.721m3
98.50
式中Vg—CO、CO2、SO2和H2O诸组分之总体积，m3。
本计算中，其值为8.950X22.4/28+2.837
X22.4/44+0.002X22.4/64+0.011X22.4/18=8.619m3
Gs—不计自由氧的氧气消耗量，kg。
本计算中，其值为7.851+0.062+0.23=8.619m3（见表
9）；
Vx—铁水与石灰中的S与CaO反应还原出的氧量，m3。
本计算中，其值为0.002kg（见表9）
0.5%—炉气中自由氧含量，m3;
99—由氧气纯度为99%转换得来。
计算结果列于表10
表10炉气量及其成分
炉气成分
炉气量/kg
体积/m3
体积分数/%
CO
8.698
8.698X22.4/28=6.958
82.99
CO2
2.580
2.580X22.4/44=1.313
15.66
SO2
0.026
0.026X22.4/64=0.009
0.11
H2O
0.008
0.008X22.4/18=0.010
0.12
O2
0.062①
0.042
0.50
N2
0.066②
0.052
0.62
合计
11.438
8.384
100.00
1炉气中02体积为8.384X0.5%=0.042m3;质量为0.042X32/22.4=0.062kg。
2炉气中N2的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.052X28/22.4=0.065kg
第四步：
计算脱氧和合金化前的钢水量。
钢水量Qg=铁水量一铁水中元素的氧化量一烟尘、喷溅和渣中的铁损
=100-5.699-〔1.00X（75%X56/72+20%X112/160）+1+8.184X6%〕
=91.725kg
据此可以编制脱氧和合金化前的物料平衡表（表11）。
表11未加废钢时的物料平衡表
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
100.00
87.53
钢水
91.73
80.23
石灰
3.455
3.02
炉渣
8.18
7.16
萤石
0.50
0.44
炉气
11.44
10.00
生白云石
2.50
2.19
喷溅
1.00
0.87
炉衬
0.30
0.26
烟尘
1.50
1.31
氧气
7.491
6.56
渣中铁珠
0.49
0.43
合计
114.25
100.00
合计
114.34
100.00
注:
计算误差为（114.25—114.34）/114.25X100%=—0.010%
第五步：
计算加入废钢的物料平衡
如同“第一步”计算铁水中元素氧化量一样，利用表1的数据先确定废钢中元素的氧化量及其耗氧
量和成渣量（表12），再将其与表11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表13和表14
表12废钢中元素的氧化产物及其成渣量
元
素
反应产物
元素氧化量/kg
耗氧量/
kg
产物量/kg
进入钢中的量/kg
10.934X0.06%
X
〔C〕-
-{CO}
90%=0.008
0.011
0.019（入气）
C
〔C〕-
>{CO2}
10.934X0.06%
X
0.003
0.004（入气）
10%=0.001
Si
〔Si〕
T（Si02）
10.934X0.03%=0.027
0.031
0.058
Mn
〔Mn〕
t（MnO）
10.934X0.74%=0.040
0.012
0.052
P
〔P〕
t（P2O5）
10.934X0.006%=0.001
0.001
0.002
〔S〕
T（SO2）
10.934X0.009%
X
0.0003
0.0006（入
S
〔
S〕
1/3=0.0003
-0.0004
气）
+（CaO）=（CaS）+（O）
10.934x0.009x
0.002（CaS）
2/3=0.0007
合计
0.078
0.058
10.934—
0.078=10.856
成渣量（kg）
0.140
表13加入废钢的物料平衡表（以100kg铁水为基础）
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
100.00
79.84
钢水
91.725+10.856=110.54
81.83
废钢
10.934
8.73
炉渣
8.184+0.114=8.324
6.64
石灰
3.455
2.76
炉气
11.438+0.024=11.462
9.14
萤石
0.50
0.40
喷溅
1.00
0.80
轻烧白云石
2.50
2.00
烟尘
1.50
1.20
炉衬
0.30
0.24
渣中铁珠
0.491
0.39
氧气
7.491+0.058=7.5
49
6.03
合计
125.238
100.00
合计
125.358
100.00
注:
计算误差为（125.238—125.358）/125.238000%=—0.1%
表14加入废钢的物料平衡表（以100kg（铁水+废钢）为基础）
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
90.14
79.85
钢水
92.47
81.84
废钢
9.86
8.73
炉渣
7.5
6.64
石灰
3.11
2.76
炉气
10.33
9.14
萤石
0.45
0.40
喷溅
0.90
0.80
轻烧白云石
2.25
2.00
烟尘
1.35
1.19
炉衬
0.27
0.24
渣中铁珠
0.44
0.39
氧气
6.80
6.02
合计
112.88
100.00
合计
112.99
100.00
第六步：
计算脱氧和合金化后的物料平衡
先根据钢种成分设定值（表1）和铁合金成分及其烧损率（表3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计事其元素的烧损量。
将所得结果与表14归类合并，既得冶炼一炉钢的总物料平衡表。
锰铁加入量WMn为：
wMn钢种wMn终占
WMn=E—X钢水量
锰铁含Mn量Mn回收率
0.95%0.21%、/c
=X92.02=1.255kg
67.80%80%
铁合金中元素的烧损量和产物量列于表15
表15铁合金中元素烧损量及产物量
类别
丿元糸
烧损量/kg
脱氧量
/kg
成渣量
/kg
炉气量
/kg
入钢量/kg
0.631x6.60%
x
0.015
C
10%=0.004
0.010
（CO2）
0.631x6.60%X90%=0.038
0.631x67.80%
x
0.631X67.80%x
Si
20%=0.086
0.025
0.111
80%=0.342
0.631x0.50%
x
锰铁
Mn
25%=0.001
0.001
0.002
0.631x0.50%x75%=0.002
P
0.631X0.23%=0.001
S
0.631X0.13%=0.001
Fe
0.631x24.74%=0.156
合计
0.091
0.036
0.113
0.015
0.540
0.425x2.50%
x
Al
100%=0.011
0.010
0.006
0.425x0.50%
x
0.042x0.50%x
Mn
20%=0.00004
0.0001
0.0005
80%=0.002
0.042x73.00%
x
0.0425x73.00%x
硅铁
Si
25%=0.078
0.089
0.167
75%=0.230
P
0.0425X0.05%=0.00002①
S
0.0425X0.03%=0.00001①
Fe
0.0425x23.92%=0.102
合计
0.088
0.099
0.174
0.334
总计
0.169
0.135
0.287
0.015
0.874
①可以忽略
脱氧和合金化后的钢水成分如下:
w（C）=0.08%+^007^X1OO%=16%
93.129
w（Mn）=0.210%+0.6810.0002X100%=0.94%
93.129
w（P）=0.019%+0.003X100%=0.022%
93.129
w（S）=0.016%+0.002X100%=0.018%
93.129
可见，含碳量尚未达到设定值。
为此需在钢包内加焦粉增碳。
其加入量W1为
0.170.16%钢水量W1=-
焦炭含C量C回收率
0.01%93.129,
==0.015kg
81.50%75%
焦炭生成的产物如下:
碳烧损量/kg
耗氧量/kg
气体量/kg①
成渣量/kg
碳入钢量/kg
0.060X81.50%X
0.032
0.044+0.06X
0.060X
0.060X81.50%X
25%=0.012
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