物料平衡与热平衡计算.docx
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物料平衡与热平衡计算
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钢铁冶金专业设计资料
（炼铁、炼钢）
本钢工学院冶化教研室
二00三年八月
第一章物料平衡与热平衡计算
物料平衡和热平衡计算是氧气顶吹转炉冶炼工艺设计的一项基本的计算，它是建立在物质和能量不灭定律的基础上的。
它以转炉作为考察对象，根据装入转炉内或参与炼钢过程的全部物料数据和炼钢过程的全部产物数据，如图1-1-1所
示的收入项数据和支出项数据，来进行物料的重量和热平衡计算。
通过计算，可以定量地掌握冶炼工重要参数，做到“胸中有数”。
对指导生产和分析研究改进冶炼工艺，设计转炉炼钢车间等均有其重要意义。
由于转炉炼钢过程是一个十分复杂的物理化学过程，很显然，要求进行精确的计算较为困难，特别是热平衡，只能是近似计算，但它仍然有十分重要的指导意义。
物料平衡和热平衡计算，一般可分为两面种方案。
第一种方案是为了设计转炉及其氧枪设备以及相应的转炉炼钢车间而进行的计算，通常侧重于理论计算，特别是新设计转炉而无实际炉型可以参考的情况下；另一种方案是为了校核和改善已投产的转炉冶炼工艺参数及其设备参数或者采用新工艺新技术等，而由实测数据进行的计算，后者侧重于实测。
本计算是采用第一种方案。
目前，我国顶吹转炉所采用的生铁基本上为低磷的（0.10〜0.40%）和中磷
的（0.40〜1.00%）两种，对这两种不同含磷量生铁的冶炼工艺制度也不相同。
因此，下面以50吨转炉为例，分别就低磷生铁和高磷生铁两种情况，进行物料平衡和热平衡计算。
1.1原始数据
表1-1-1
成分
C
Si
Mn
P
S
温度C
%
4.250
0.850
0.580
0.150
0.037
1250
表1-1-2原材料成分
CaO
SiO2
MgO
AI2O3
S
P
CaF2
FeO
Fe?
O3
H2O
C
烧碱
合计
石灰
91.3
1.26
1.54
1.42
0.0
4.34
100.00
8
6
矿石
1.10
5.11
0.52
1.16
0.0
28.
61.8
0.50
100.00
7
8
萤石
6.00
0.58
1.78
0.0
0.5
89.0
2.00
100.00
9
5
0
轻烧
白云石
30.8
4
0.46
20.1
6
0.74
0.0
4
0.1
1
47.8
100.00
镁质炉
54.5
1.05
39.4
1.00
5.0
100.0
衬
0
5
0
表
2-1-1铁水成分与温度
成分
C
Si
Mn
P
S
温度c
%
4.300
0.650
0.560
0.150
0.038
1300
转炉冶炼钢种常为普通碳素钢和低合金钢，在此以要求冶炼BD3钢考虑，其成分见表2-1-3
成分（中
限）
C
Si
Mn
P
S
%
0.16〜0.24
0.16〜0.28
0.35〜0.65
0.045
0.045
1-1-4
项
目
固态平均比热千卡/公斤•度
熔化潜热千卡/公斤
液态或气态平均比
执
八、、
千卡/公斤•度
生
铁
0.178
52
0.20
钢
0.167
65
0.20
炉
渣
0.238
50
0.298
烟
尘
50
0.349
矿
石
0.558
炉
气
0.555
CO
0.365
CO2
0.346
SO2
0.489
O2
N2
H2O
用废钢作冷却剂，其成份与冶炼钢种成份的中限相同。
（见表1-1-3）
虽然炉内化学反应，实际上是在炉料温度和炉内上部气相温度之
间的任一温度发生的，但反应热效应通常仍采用25C作为参考温度,
值得指出的是，反应热还与组分在铁水中存在形态有关，至今对参与化学反应有关的实际组成物还有不同的看法。
但是，比较常用的反应热数据见表1-1-5。
表
1-1-5
反应
放出热（千卡）
每公斤
分子
每公斤兀素或化合物
千卡
兀素或化合
物
1
C（Fe3C）+丄02=CO
2
C（FaC）+O2=CO2
Si（Fe3Si）+O2=SiO2
2P（Fe3P）+5O2二P2O5
2
1Mn+—。
2二MnO
2
1
*0.95Fe+-O2=Fe095O
2
1
Fe+—O2=FeO
2
3
2Fe+—O2=Fe2O3
2
3Fe+2O2=Fe3O4
2CaO+SiQ=2CaO•SQ24CaO+P2O5=4CaO•P2O5FeO+SiO2=FeO•SQ2MnO+SiO2=MnO•SQ2
31397.0
99063.5
190015.2
280133.5
92007.4
63727.3
64430.0
196910.0
267243.4
29780.2
165013.2
4500.4
5889.4
2616.9
8250.7
6767.2
4522.6
1677.9
1200.1
1150.5
1758.1
1594.6
495.0
1162.1
80.6
107.2
C
C
Si
P
Mn
Fe
Fe
Fe
Fe
SiO2
P2O5
FeO
MnO
*通常近似认为是Fe+-O2=FeO
2
1.1.7其它数据的选取（根据国内同类转炉的实测数据选取）
1.渣中铁珠量为渣量的5%-8%本设计取8%
2.金属中碳的氧化假定为：
80%-90%勺碳氧化成CO,20%-10%的碳
氧化成CO2。
3.喷溅铁损为铁水量的0.7%〜1.0%,本设计取1.0%。
4.取炉气平均温度1450C，炉气中自由氧含量为0.5%，烟尘量铁珠
量的1.6%，其中FeO=77%FqO3=20%
5.氧气成分为98.5%02，1.5%N2。
6.炉衬侵蚀量为铁水量的0.5%。
1.2物料平衡计算
根据铁水成份，渣料质量以及冶炼钢种，采用单渣不留渣操作，
通常首先以100公斤铁水为计算基础，然后再折算成100公斤金属料。
炉渣来自金属中元素的氧化产物，渣料以及炉衬侵蚀等。
1.铁水中各元素氧化量（见表2-2-1）
表
1-2-1
、\成份重量
项公斤）
C
Si
Mn
P
S
铁水
4.250
0.850
0.580
0.150
0.037
终点钢水
0.150
痕迹
0.174
0.015
0.022
氧化量
4.100
0.850
0.406
0.135
0.015
终点钢水成份是根据同类转炉冶炼钢种的实际数据选取，其中:
[C]:
应根据冶炼钢种含碳量的中限和预估计的脱氧剂的增碳量
（0.2~0.3）之差来确定终点钢水含碳量，取0.150%。
[Si]:
在碱性转炉炼钢法中，铁水中的硅几乎全部被氧化，随同加入的其它材料带入的SiO2一起进入炉渣中，故终点钢水硅的含量为痕迹。
[Mn]:
终点钢水残锰量，一般为铁水中锰含量的30%-40%取30%
[P]:
采用低磷铁水操作，铁水中磷约85〜95%进入炉渣，在此取铁水
中
磷的90%进入炉渣，10%留在钢中。
同时要考虑钢包中回磷的因素
[S]:
氧气转炉内去硫率不高，一般在30〜50%勺范围，取40%
2．各元素氧化量、耗氧量及其氧化产物量见表1-2-2。
表1-2-2
元
反应及其产物
兀素氧化量
耗氧量
氧化产物量
备注
素
（公斤）
（公斤）
（公斤）
C
C
Si
Mn
P
S
S
Fe
Fe
4.100x90%=3
3.690x兰=4.920
12
.690
0.410x弩=1.093
12
4.100x10%=0
0.850x=0.971
[C]+
28
1
410
0.406x兰=0.118
2{O2}={CO}
55
0
0.135x聖=0.174
[C]+{O2}={CO2}
62
850
0.005x=0.005
[Si]+{O2}=（SiO2）
32
[Mn]+
0.
0.010x（-兰）=-0
32
」{O2}=（MnO）
406
.005
2
0
1.056x兰=
2[P]+
56
|{O2}=（P2O5）
135
0.302
2
0.015x1=
0.575x48=
[S]+{O2}={SO2}
3
112
0.005
0.204
[S]+（CaO）=（CaS）
+[O]
0.015-0.005=
[Fe]+{O2}=（FeO）
0.01
2[Fe]+{O2}=（Fe2
1.
9
O3）
056
3.690x28=8.61
12
0
0.410x44=1.50
12
3
0.850x60=
28
1.821
0.406x71=
55
0.524
0.135x142=
62
0.309
0.005x64=
32
0.010
0.010x72=
32
0.023*
假定气化硫率占总
去硫率的一1。
-0.005
3
表示还原出的氧量，
消耗CaO量为
0.010x56=0.018
32
见表2-2-8
见表2-2-8
*指生成的CaS量
3•造渣剂成分及数量
50吨氧气转炉加入造渣剂数量，是根据国内同类转炉有关数据选取:
1）矿石加入量及成分
成分
重量（公斤）
Fe2O3
1.00X61.80%=0.618
FeO
1.00X29.40%=0.294
SiO2
1.00X5.61%=0.056
Al2O3
1.00X1.10%=0.011
CaO
1.00X1.00%=0.010
MgO
1.00X0.52%=0.005
*S
1.00X0.07%=0.001
H2O
1.00X0.50%=0.005
共计
1.00
矿石加入量为1.00公斤/100公斤铁水，其成分及重量见表1-2-3
表1-2-3
*S以]S]+（CaO）=（CaO）+[O]的形式反应，其中生成CaS量为
=0.002公斤，生成微量氧
32
2）萤石加入量及成分
萤石加入量为0.50公斤/
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