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氧气转炉炼钢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的。
其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、能量的收入和支出项，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定量依据。
由于炼钢是一个复杂的高温物理化学变化过程，加上测试手段有限，目前还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的原始参考数据。
1物料平衡计算
1.1.1计算原始数据
基本原始数据：
冶炼钢种及其成分、铁水和废钢成分、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）；其他工艺参数（表4）。
表1钢水、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Q235设定值
0.18
0.25
0.55
≤0.045
≤0.050
铁水设定值
4.25
0.70
0.40
0.200
0.040
废钢设定值
0.18
0.25
0.55
0.030
0.030
终点钢水设定值
0.10
痕迹
0.12
0.020
0.024
本计算设定钢种为Q235。
[C]和[Si]按实际产生情况选取；[Mn]、[P]和[S]分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在刚水中设定。
表2原材料成分
成分/%
类别
CaO
SiO2
MnO
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
36.2
炉衬
1.20
3.00
78.80
1.40
1.60
14.0
焦炭
0.58
81.5
12.4
5.52
表3铁合金成分（分子）及其回收率
成分含量/回收率/%
类别
C
Si
Mn
Al
P
S
Fe
硅铁
—
73.00/75
0.50/80
2.50/0
0.05/100
0.03/100
23.92/100
锰铁
6.60/90
0.50/75
67.8/80
—
0.23/100
0.13/100
24.74/100
10%与氧生成CO2。
表4其他工艺参数设定值
名称
参数
名称
参数
终渣碱度
萤石加入量
生白云石加入量
炉衬蚀损量
终渣∑ω（FeO）含量（按向钢中传氧量ω（Fe2O3）=1.35ω（FeO）折算）
烟尘量
喷吹铁损
ω（CaO）/ω（SiO2）=3.5
为铁水量得0.5%
为铁水量得2.5%
为铁水量得0.3%
15%,而ω（Fe2O3）/∑ω（FeO）=1/3，即ω（Fe2O3）=5%，ω（FeO）=8.25%
为铁水量得1.5%（其中ω（FeO）为75%,ω（Fe2O3）为20%）
为铁水量得1%
渣中铁损（铁珠）
氧气纯度
炉气中自由氧含量
气化去硫量
金属中[C]的氧化产物
废钢量
为渣量的6%
99%,余者为N2
0.5%（体积比）
占总去硫量得1/3
90%C氧化成CO,10%C氧化成CO2
由热平衡计算确定，本计算结果为铁水量得20.97%，即废钢比为17.33%
1.2物料平衡基本项目
收入项有：
铁水、废钢、溶剂、氧气、炉衬损失、铁合金。
支出项有：
钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。
1.3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表7。
总渣量及其成分如表8所示。
第二步：
计算氧气消耗量。
氧气实际消耗量消耗项目与供入项目只差。
见表9。
表5铁水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
备注
C
Si
Mn
P
S
Fe
[C]→{CO}
[C]→{CO2}
[Si]→（SiO2）
[Mn]→（MnO）
[P]→（P2O5）
[S]→{SO2}
[S]+（CaO）→（CaS）+（O）
[Fe]→（FeO）
[Fe]→（Fe2O3）
4.15×90%=3.735
4.15×10%=0.415
0700
0.280
0.180
0.016×1/3=0.0053
0.016×2/3=0.0107
0.954×56/72=0.742
0.537×112/160=0.376
4.980
1.107
0.800
0.081
0.232
0.005
－0.005
0.212
0.161
8.715
1.522
1.500
0.362
0.412
0.011
0.024（CaS）
0.954
0.537
入渣
入渣
入渣
入渣
入渣（见表8）
入渣（见表8）
合计
6.444
7.573
成渣量
3.789
入渣组分之和
由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量=0.0107×56/32=0.018kg。
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
Al2O3
Fe2O3
C→CO
C→CO2
C→CO,CO2
0.3
（据表4）
0.004
0.009
0.236
0.004
0.005
0.3×14%×90%×28/12=0.088
0.3×14%×10%×44/12=0.015
0.3×14%（90%×16/12＋10%×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
Al2O3
Fe2O3
P2O5
CsS
CaF2
H2O
CO2
O2
萤石
0.5（表4）
0.002
0.003
0.028
0.008
0.008
0.005
0.001
0.440
0.005
生白云石
2.5（表4）
0.910
0.640
0.020
0.025
0.905
石灰
5.697
5.007
0.148
0.142
0.085
0.028
0.006
0.008
0.006
0.264
0.002
合计
5.919
0.791
0.190
0.118
0.036
0.011
0.009
0.440
0.011
1.169
0.002
成渣量
7.549
石灰加入量计算如下：
由表5—表7可知，渣中已含（CaO）=-0.018+0.004+0.002+0.910=0.935kg；渣中已含（SiO2）=1.50+0.009+0.028+0.020=1.557kg。
因设定的终渣碱度R=3.5，故石灰加入量为：
[R∑ω（SiO2）-∑ω（CaO）]/[ω（CaO石灰）-R×ω（SiO2石灰）]=（3.5×1.557-0.935）/（88%-3.5×2.5%）=5.697kg。
由CaO还原出来的氧量，计算方法同表5的注。
表8总渣量及其成分
炉渣成分
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
MnO
FeO
Fe2O3
CaF2
P2O5
CsS
合计
元素氧化成渣量/kg
石灰成渣量/kg
炉衬蚀损成渣量/kg
生白云石成渣量/kg
萤石成渣量/kg
5.045
0.004
0.910
0.002
1.500
0.167
0.009
0.020
0.028
0.149
0.236
0.640
0.003
0.086
0.004
0.025
0.008
0.633
1.003
0.562
0.029
0.005
0.008
0.440
0.618
0.007
0.005
0.018
0.008
0.001
4.334
5.468
0.258
1.595
0.495
总渣量/kg
5.961
1.701
1.028
0.123
0.633
1.003
0.562
0.440
0.630
0.027
12.150
质量分数/%
49.07
14.00
8.46
1.01
5.21
8.25
4.62
3.62
5.19
0.22
100.0
总渣量计算如下：
表8中除（FeO）和（Fe2O3）以外的渣量为：
5.961+1.701+1.028+0.123+0.633+0.44+0.63+0.027=10.545,而终渣∑ω（FeO）=15%（表4），故总量为：
10.545÷86.75%=12.156kg。
ω（FeO）=12.156×8.25%=1.003kg。
ω（Fe2O3）=12.156×5%-0.033-0.005-0.008=0.5618kg。
表9实际耗氧量
耗氧项/kg
供氧项/kg
实际氧气消耗项/kg
铁水中氧化耗氧量（表5）
7.573
炉衬中碳氧化耗氧量（表6）
0.062
石灰中S与CaO反应还原出的氧化量（表7）
0.002
烟尘中铁氧化耗氧量（表4）
0.340
8.035－0.002＋0.072①=8.102
炉气自由氧含量（表10）
0.061
合计
8.035
合计
0.002
1炉气N2（存在于氧气中，表4）的质量，详见表10。
.
第三步：
计算炉气量及其成分。
炉气中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O。
其中CO、CO2、SO2和H2O可由表5~表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V∑:
V∑=Vg+0.5%V∑+1/99×（22.4/32Gs+0.5%V∑-Vx）
V∑=
=
=8.561㎡
式中Vg—CO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m3。
本计算中，其值为：
8.803×22.4/28＋2.751×22.4/44＋0.0106×22.4/64＋0.011×22.4/18=8.461m3。
Gs—不计自由氧的氧气消耗量，kg。
本计算中，其值为：
7.573＋0.062＋0.34=7.975kg（见表9）；
Vx—石灰中的S与CaO反应还原出的氧量（其质量为：
0.002kg，见表9），m3；
0.5%—炉气中自由氧含量；
99—由氧气纯度为99%转换的得来。
计算结果
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