110t超高功率电弧炉热平衡计算.docx
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110t超高功率电弧炉热平衡计算
大
江苏大学材料学院
引言:
炼钢过程中的物料平衡和热平衡计算是建立在物料与能量守恒的基础
上的。
其主要目的是分析整个冶炼过程中的物料、能量的收人和支出，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。
电弧炉炼钢作为炼钢的一种重要手段，本文主要考虑到电炉厂对炼钢生产中不同铁水加人量时物料和电耗等均发生大的变化，因此，本文本着为钢铁厂服务的目的，从理论计算角度上计算了不同工况下的热平衡，由于炼钢系统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,希望通过本文对电炉炼钢生产和设计给以一定的指导和帮助。
在炼钢生产中，应用能量守恒原理分析电炉热能来源，消耗和损耗，对于钢水终点的温度控制，测温取样时间的把握，吹氧制度的改进，工艺技术的调整有积极的指导意义。
下面将具体介绍110t超高功率电炉热平衡计算
过程及结果，以及简单分析。
一能量平衡中的主要因素
供电工艺制度，吹氧工艺制度，后燃烧制度，钢水温度制度，留钢留渣制度是能量平衡中的主要因素。
能量平衡的依据是能量守恒定理，即热收入Qs=热支出Qz。
化学热的计算是以1600°C的钢水温度基础进行计算的。
二计算应用电炉工艺参数
电炉形式为1l0t—AC-UHP-EBT变压器容量82MVA二次侧电压为375
—1〜150V;电弧弧长375〜1150mm氧气喷头2个；氧枪拉瓦尔喉口直径为26〜32mm超音速氧枪氧气流量分AB、C三种模式，I500〜7500m/h;
炭粉喷吹速度为30〜110kg/min（分高低两档）；料型结构为铁水+废钢；加
料次数1〜3次；铁水的比例为30〜60%;渣料主要结构为石灰；设计冶炼
周期为1h。
三根据超高功率的概念确定装入量
国际钢铁协会IISI（InternationalIronandSteelInstitute）1981
年在巴西会议上提出了电弧炉额定功率水平的具体分类方法，按照每吨钢占有的变压器额定容量来划分高功率，超高功率的界限，额定功率（RatedPower）在400〜700kVAXt为高功率电炉.大于700kVAXt为超高功率。
超高功率电炉的吨钢额定功率越大，电炉的升温速度越快，越有利于缩短冶炼周期，所以11Ot高功率电炉的装入量应该围绕这一中心概念进行。
考虑留钢留渣量确定装入量，装入量的计算可以用以下公式进行：
装入量<82000-700-Q
（1）
（1）式中Q指留钢量。
考虑到变压器的实际容量大于82MVA所以全废钢冶炼的最佳装入量为
117t
（包括留钢量）。
由于热装铁水可以带入丰富的物理热和部分化学热，热装铁水比例每增加I%，电耗下降4.7〜5.2kwh/1［弓I］，所以热装铁水时的装入量控
制在120〜135t。
在本文的计算中我们取120t。
四钢种及入炉原料
我们以Gr15钢为例，以其原材料参数及消耗指标为计算依据，入炉原料为铁水及废钢，其中铁水占30%分析110t电炉冶炼过程的能耗情况。
表1Gr15钢成分及主要入炉原材料成分名称
名称
3B%
C
Si
Mn
P
S
Cr
H2O
灰分
挥发
分
钢成品
0.95~
0.15~
0.25~
1.40~
-
-
-
1.05
0.35
0.45
0.025
0.025
1.65
冶炼终
三0.5
痕迹
0.15
0.010
0.020
铁水
4.2
0.60
0.40
0.200
0.035
废钢
0.18
0.25
0.55
0.030
0.030
隹炭
81.50
0.58
12.40
5.52
电极
99.00
1.00
（备注：
其他辅料或添加料如在此次计算中出现将以备注形式标出）
五热平衡计算
1、计算热收入Qs
热收入是由电能、物料带入的物理热、元素氧化热及成渣热所组成，而
物料带入物理热中铁水的物理热是关键性数据，因此我们单独列出计算过程。
（1）电能
电能是电炉炼钢的主要热源。
电能与废钢或者熔池进行热交换，在泡沫渣埋弧的条件下，70%以上的电能转化为热能被熔池吸收。
实际操作中根据电弧的埋弧情况决定送电功率，尽量减少能量损失。
以热辐射的形式很大部分被炉壁和炉顶的水冷件吸收。
电能在110t直
流电炉中的典型数值为：
全废钢为365〜400kW・h/t。
良好的泡沫渣可以提高电能向热能的转换率。
（2）铁水的物理热
纯铁的熔点为1536E，铁水熔化潜热为218kJ/kg根据传热学原理计算可知，铁水的熔点t=1098C,计算如下：
1536-（100X4.2+8X0.6+5X0.4+30X0.2+25X0.035）-4=1098°C
铁水的物理热
Qw=36X103X[0.745X（1098—25）+218+0.837X（1250—1098）]=41205.924X103kJ
（3）物料带入的物理热
根据物理热公式Q=cmT（c为各组分比热容，m为消耗量，T为温度）可得到其他各组分物料及辅料的物理热如下表所示：
表2物料带入的物理热
名称
热容（kJ/kg・K）
温度（K）
消耗量（t）
物理热（kJX
103）
废钢
0.699
298
84.000
1467.900
铁水
0.837
1523
36.000
41205.924
石灰
0.728
298
5.648
102.800
焦炭
0.858
298
0.300
23.784
炉衬
0.996
873
0.240
143.424
镁砂
0.996
873
0.072
250.992
氧气
1.318
298
2.762
91.021
空气
0.963
298
7.858
189.172
电极
1.507
723
0.144
325.512
合计
43800.529
（4）元素氧化热及成渣热
根据计算公式Q=mH可得下表：
表3元素氧化热及成渣热
—\元糸
消耗量/1
化学反应
AH
（kJ/kg）
放热量
（kjx
103）
C
1.800（炉料）
C+1/2{O2}={CO}
-11639
20950
0.100（电极）
1164
0.145（焦炭）
1688
0.031（炉衬）
361
0.771（炉料）
C+{O2}={CO2}
-34834
26857
0.043（电极）
1498
0.062（焦炭）
2160
0.013（炉衬）
452
金属
0.552
[Si]+2（FeO）=（SO）+2
-29202
16120
中Si
〔Fe〕
金属
0.372
[Mn]+（FeO）=（MnO）+
-6594
2453
中Mn
〔Fe〕
金属
0.146
2〔P〕+5（FeO）=（P2O5）+5
-18980
2771
中的P
〔Fe〕
Fe*
0.347
〔Fe〕+1/2{O2}=（FeO）
-4250
1475
1.965
2〔Fe〕+3/2{O2}=（F^Os）
-6460
12694
Si02成
1.330
2（CaO）+（SiO2）=（2CaO•Si
-1620
2155
渣
O2）
-4880
P2O5
0.340
1659
成渣
4（CaO）+（P2O5）=（4CaO•P2
O5）
合计
94457
2、计算热支出Qz
热支出是由钢水物理热，炉渣物理热，炉气物理热，烟尘物理热，冷却水吸热，其他热损失，变压器及断网系统的热损失共同组成，下面我们分别计算其热值大小：
（1钢水物理热Qg0
该钢熔点为该钢的熔点为:
1539-（70X1.00+8X0.25+5X0.35+30X0.015+25X0.016+3X0.02）-6=1464C考虑到出钢过程中添加合金石灰等，电炉至精炼炉温降等，故出钢温度定为1600C，首先确定出钢量：
120-0.36-5.969-1.592=112.079t
（备注：
钢水量为入炉钢铁料重去除1激水喷溅量为0.36t,炉料中元素烧
损量为5.969t,渣中铁元素损耗量为1.592t）
可得:
Q=112079X[0.699X（1464-25）+272+0.837X（1600-1464）]=15597
3
9.495X10kJ
（2）炉渣物理热Q
计算时取炉渣终点温度与钢水温度相同，则有:
Qr=7.961X103x[1.247X（1600-25）+209.20]=17301.044X103KJ
（备注：
钢渣量为7.961t）
（3）炉气物理热Q。
炉气带走的热量主要是指从除尘烟道里烟气带走的热以及电极孔烟气
带走的热。
令炉气温度为1450r，热容为1.137kJ/kg•K,由炉气量可得：
Qx=8.110X103x[1.137X（1450-25）]=13140.025X103kJ
（备注：
生成炉气量为8.110t）
（4）烟尘物理热Qy。
将铁的挥发物计入烟尘中，烟尘热容为1.0kJ/（kg•K）;总烟尘量=120
X103X1.6%X[1.0（1450-25）+209.20]=3137.64X103kJ
（5）冷却水吸热Q。
3
如炉子公称容量为110t,冷却水消耗量为25m/h,冷却水进出口温差为25C,冶炼时间平均为1h,则得：
Qi'=（25X1000X1X4.185X25）/600=4359.38kJ/100kg（金属料）
总的Qi=4359.38X1.2X103=5231.25X103kJ
（6）其他热损失Qq。
包括炉体表面散热热损失、开启炉门热损失、电极热损失等。
其损失量与设备的大小、冶炼时间、开启炉门和炉盖的总时间以及炉内的工作温度有关。
时间表明，该项热损失占总热收入的6%-9%本设计中取8%
（7）变压器及断网系统的热损失Qb
一般，该热损失为总热收入的5〜7%本计算取6%
令炉子总收入等于Qs,贝U：
Qs=155979.495X103+17301.044X103+13140.025X103+3137.640X103+
3
5231.250X10+QsX（8%+6%）
3
即0.86Qs=194789.494X10
3
Qs=226499.412X10kJ
故应供应电能为：
226499.412X103-43800.529X103-94457X103=88241.883X103kJ;
Qq=226499.412X103X8%=18119.953X103kJ；Qb=226499.412X103X6%=13589.965X103kJ。
总热平衡计算结果列于表21。
表4热平衡表
收入
支出
项目
热量（kJX
103）
%
项目
热量（kJX
103）
%
物料物理热
43800.529
19.34
钢水物理热
155979.495
68.86
氧化热和成渣
94457
41.70
炉渣物理热
17301.044
7.64
热
55130
24.34
炉气物理热
13140.025
5.80
其中C氧化
16120
7.12
烟尘物理热
3137.640
1.39
Si氧化
2453
1.08
冷却水吸热
5231.250
2.31
Mn氧化
2771
1.22
其他热损失
18119.953
8.00
P氧化
14169
6.26
变压器系统热
13589.965
6.00
Fe氧化
2155
1659
0.95
0.73
损失
SiO2
成
渣
P2O5
成
渣
电能
88241.883
38.96
合计
226499.412
100
合计
226499.412
100.0
0
总结：
在此次热平衡计算中，我们运用的原理和理论有：
能量守恒定律，物料平衡原理，热量守恒定律，各类物质的物理热计算方法，并对收入热和支出热进行了系统的分析和计算，
并可以对废钢铁水比例调整得出物料配比和电能消耗的关系。
通过这次课程设计，我们对电炉炼钢有了理性认识，并了解到生产过程中的实际问题和解决办法，有很多收获和感悟。
参考文献
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铁.2008
（1）.
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