GCr9物料平衡计算.docx
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GCr9物料平衡计算
一、物料平衡计算
1、计算所需原始数据
基本原始数据：
冶炼钢种及成分（见表1）；原材料成分（见2）；炉料中元素烧损率（见表3）；其他数据（见表4）
表1冶炼钢种及其成分
钢种
成分（%）
备注
C
Si
Mn
P
S
Cr
Fe
GCr9
1.00～1.10/1.05
0.15～0.35/0.25
0.20～0.40
≤0.027
≤0.020
0.90～1.20
余量
氧化法
注：
分母系计算时的设定值，取其成分中限。
表2原材料成分（%）
名称
C
Si
Mn
P
S
Cr
Al
Fe
H2O
灰分
挥发分
碳素废钢
0.18
0.25
0.55
0.030
0.030
余量
炼钢生铁
4.20
0.80
0.60
0.200
0.035
余量
焦炭
81.50
0.58
12.40
5.52
电极
99.00
1.00
名称
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
CaF2
Fe2O3
CO2
H2O
P2O5
S
石灰
88.00
2.50
2.60
1.50
0.50
4.64
0.10
0.10
0.06
铁矿石
1.30
5.75
0.30
1.45
89.77
1.20
0.15
0.08
火砖块
0.55
60.80
0.60
36.80
1.25
高铝砖
1.25
6.40
0.12
91.35
0.88
镁砂
4.10
3.65
89.50
0.85
1.90
焦炭灰分
4.40
49.70
0.95
26.25
18.55
0.15
电极灰分
8.90
57.80
0.10
33.10
表3炉料中元素烧损率
成分
C
Si
Mn
P
S
烧损率
（%）
熔化期
25～40,取30
70～95，取85
60～70，取65
40～50，取45
可以忽略
氧化期
0.06①
全部烧损
20
0.015②
25～30，取27
①按末期含量比规格下限低0.03%～0.10%（取0.06%）确定（一般不低于0.03%的脱碳量）；
②按末期含量0.015%来确定
表4其他数据
名称
参数
配碳量
比钢种规格中限高0.70%，即达1.75%
熔化期脱碳量
30%，即1.75×30%＝0.51kg
电极消耗量
熔化期3Kg/t；氧化期1Kg/t
炉顶高铝砖消耗量
熔化期占0.75Kg/t，氧化期0.525Kg/t
炉衬镁砖消耗量
熔化期2Kg/t；氧化期1.5Kg/t
熔化期和氧化期所需要氧量
50%来自氧气，其余50%来自矿石和空气
氧气纯度和利用率
99%，余者为N2，氧利用率90%
焦炭中碳的回收率
75%（系指配料用焦炭）
碳氧化产物
均按70%生成CO，30%生成CO2考虑
2、物料平衡基本项目
收入项有：
废钢、生铁、焦炭、石灰、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝砖、火砖块、氧气和空气。
支出项有：
钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、焦炭中挥发分。
3、计算步骤
以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段分为熔化期和氧化期分别进行计算，然后汇总成物料平衡表。
第一步：
熔化期计算。
（1）确定物料消耗量：
1）金属炉料配入量。
废钢和生铁按75kg和25kg搭配，不足碳量用焦炭来配。
其结果列于表5。
表5炉料配入量
名称
用量
（kg）
配料成分（kg）
C
Si
Mn
P
S
Fe
废钢
75.000
0.135
0.188
0.413
0.023
0.023
74.218
生铁
25.000
1.050
0.200
0.150
0.050
0.009
23.541
焦炭
0.924
0.565①
合计
100.924
1.750
0.388
0.563
0.073
0.032
97.759
①碳烧损率25%。
2）其他原材料消耗量。
为了提前造渣脱磷，先加入一部分石灰（20kg/t（金属料））和矿石（10kg/t（金属料））。
炉顶、炉衬和电极消耗量见表4。
（2）确定氧气和空气消耗量：
耗氧项包括炉料中元素的氧化，焦炭和电极中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中CaO被自身S还原出部分氧。
详见表6。
表6净耗氧量的计算
项目
名称
元素
反应产物
元素氧化量
（kg）
耗氧量（kg）
供氧量（kg）
耗
氧
项
炉料中元素的氧化
C
Si
Mn
P
Fe
〔C〕→{CO}
〔C〕→{CO2}
〔Si〕→（SiO2）
〔Mn〕→（MnO）
〔P〕→（P2O5）
〔Fe〕→（FeO）*
〔Fe〕→（Fe2O3）*
1.750×30%×70%=0.368
1.750×30%×30%=0.158
0.388×85%=0.330
0.563×65%=0.366
0.073×45%=0.033
97.759×2%×15%=0.293
97.759×2%×85%=1.662
0.491
0.421
0.443
0.106
0.043
0.084
0.712
合计
3.210
2.300
焦炭中碳的氧化
电极中碳的氧化
C
C
（C）→{CO}
（C）→{CO2}
（C）→{CO}
（C）→{CO2}
0.924×81.5%×25%×70%=0.132
0.924×81.5%×25%×30%=0.057
0.4×75%×99%×70%=0.208
0.4×75%×99%×30%=0.089
0.176
0.152
0.277
0.237
合计
3.142
供
氧
项
矿石
石灰
Fe2O3
S
Fe2O3=2Fe+3/2O2
CaO+S=CaS+O
0.269
0.0006
合计
0.270
净耗氧量
2.872
*令铁烧损率为2%，其中80%生成Fe2O3挥发掉成为烟尘的一部分；20%成渣。
在这20%中，按3：
1的比例分别生成（FeO）和（Fe2O3）。
如表4中所述，应由氧气供给的氧为50%，即3.142×50%=1.571,空气应供氧1.571-0.270=1.301kg，由此可求出氧气与空气的实际消耗量如表7
表7氧气与空气实际消耗量
氧气（kg）
空气（kg）
带入O2
带入N2
带入O2
带入N2
1.571/90%=1.746
1.746/99%×1%=0.018
1.301
1.301×（77/23）=4.356
∑=1.746+0.018=1.764
∑=1.301+4.356=5.657
上述1）+2）便是熔化期的物料收入量。
（3）确定炉渣量：
炉渣源于炉料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物，炉顶和炉衬的蚀损，焦炭和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。
结果见表8。
表8熔化期炉渣量的确定
名称
消耗量（kg）
成渣组分（kg）
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
MnO
FeO
Fe2O3
P2O5
CaS
合计
炉料
Si
Mn
P
Fe
0.330
0.366
0.033
0.391
0.707
0.472
0.377
0.140
0.076
0.707
0.472
0.076
0.517
炉顶
炉衬
焦炭
电极
石灰
矿石
0.075
0.200
0.924
0.300
2.000
1.000
0.001
0.008
0.005
略
1.758
0.013
0.004
0.007
0.057
0.002
0.050
0.058
略
0.179
0.001
略
0.052
0.003
0.069
0.002
0.030
0.001
0.030
0.015
0.001
0.004
0.021
0.010
余量
0.002
0.002
0.075
0.200
0.114
0.003
1.904
合计
1.785
0.885
0.235
0.147
0.472
0.377
0.176
0.080
0.004
4.161
百分比
42.90
21.27
5.65
3.53
11.34
9.06
4.23
1.92
0.10
100.00
1Fe的消耗量，按表6中注释97.759×25%×20%=0.391
2石灰中氧化钙的计算,石灰中自身S还原消耗0.002kgCa
3矿石中的Fe2O3假设全部还原，还原得到的铁为1.000×0.8977×112/160=0.628kg
（4）确定金属量：
金属量Qi=金属炉料重+矿石带入的铁量-炉料中C、
Si、Mn、P和Fe的烧损量+焦炭配入的碳量=100+0.628-3.210+0.565
=97.983kg。
（5）确定炉气量：
炉气来源于炉料以及焦炭和电极中碳的氧化物CO和CO2，氧气带入的N2，物料中的H2O及其反应产物，游离O2及其反应产物，石灰的烧减（CO2），焦炭的挥发分。
计算结果列于表9。
表9炉气量计算
项目
气态产物（kg）
CO
CO2
N2
H2O
H2
挥发物
合计
炉料中C的氧化
焦炭带入
电极带入
石灰带入
矿石带入
氧气带入
空气带入
游离O2参与反应
CO+1/2O2=CO2
H2O参与反应
H2O+CO=H2+CO2
0.859
0.308
0.485
-0.301
-0.120
0.579
0.209
0.326
0.093
0.480
0.189
0.018
4.356
0.005
0.002
0.012
0.058*
-0.077
0.009
0.051
1.438
0.573
0.811
0.095
0.012
0.018
4.414
0.179
0
合计
1．231
1.876
4.374
0
0.009
0.051
7.540
质量分数/%
16.33
24.88
58.01
0
0.12
0.68
100.00
*计算条件：
常温（20℃）、常压（0.1MPa）下空气相对湿度为70%，20℃的饱和蒸汽压为0.0023MPa。
先求湿空气体积4.396×（273+20）/273×0.1/（0.1-0.0023）=4.829m3再算空气含水量4.725×0.0119=0.058kg
（6）确定铁的挥发量：
有表6中设定，铁的挥发量为：
97.949×2%×80%=1.564kg。
上述（3）+（4）+（5）+（6）便是熔化期的物料支出量。
由此可列出熔化期物料平衡表10。
表10熔化期物料平衡表
收入
支出
项目
质量（kg）
%
项目
质量（kg）
%
废钢
75.000
67.01
金属
97.983
88.08
生铁
25.000
22.34
炉渣
4.161
3.74
焦炭
0.924
0.83
炉气
7.540
6.78
电极
0.300
0.27
铁的挥发
1.564
1.41
矿石
1.000
0.89
石灰
2.000
1.79
炉顶
0.075
0.07
炉衬
0.200
0.18
氧气
1.764
1.58
空气
5.657
5.05
合计
111.920
100.00
合计
111.248
100.00
注：
计算误差=（111.920-111.248）/111.920×100%=0.60%。
第二步：
氧化期计算。
引起氧化期物料波动的因素有：
扒除熔化渣，造新渣；金属中元素的进一步氧化炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损。
（1）确定渣量：
1）留渣量。
为了有利去磷，要进行换渣，即通常除去70%左右熔化渣，而进入氧化期只留下30%的渣。
其组成见表11。
2）金属中元素的氧化产物。
根据表3给出的值可以计算产物量，详见表11。
3）炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。
根据表4的假定进行计算，其结果一并列入表11。
4）造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量。
见表11。
表11氧化期渣量的确定
名称
消耗量/kg
成渣成分（kg）
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
MnO
FeO
Fe2O3
P2O5
CaS
合计
留渣30%
1.248
0.535
0.266
0.071
0.044
0.142
0.113
0.053
0.024
0.001
1.248
金属中元素氧化或烧损
Si
Mn
P
Fe
S
0.058
0.039
0.025
0.220
0.023
-0.040
0.124
0.050
0.235
0.053
0.057
0.052
0.124
0.050
0.057
0.288
0.012
炉顶蚀损量
炉衬蚀损量
电极烧损量
石灰带入
矿石
火砖块带入
0.053
0.150
0.100
2.707
1.000
0.500
0.001
0.006
略
2.379
0.013
0.003
0.003
0.005
0.001
0.068
0.058
0.304
略
0.134
略
0.070
0.003
0.003
0.048
0.001
略
0.041
0.015
0.184
略
0.003
0.014
余量
0.006
0.003
0.002
0.004
0.002
0.052
0.149
0.001
2.579
0.093
0.500
合计
2.897
0.829
0.281
0.333
0.192
0.348
0.129
0.086
0.059
5.154
%
56.21
16.08
5.45
6.46
3.73
6.75
2.50
1.67
1.14
100
注：
石灰中CaO被自身S还原，消耗0.003kgCaO。
渣量计算的几点说明：
关于石灰消耗量：
由表11可知，除石灰带入的以外，渣中已含SiO2=0.266+0.124+0.003+0.005+0.001+0.058+0.304=0.761kg.CaO=0.535-0.040+0.001+0.006+0.013+0.003=0.518kg。
取碱度3.5，故石灰加入量为：
[R∑（SiO2）-∑（CaO）]/[%CaO石灰-R%SiO2石灰]=（3.5×0.761-0.518）/（88.00%-3.5×2.50%）=2.707kg
关于磷的氧化量：
根据表6，可近似求得[（0.073-0.033）/97.983-0.015%]×97.983=0.025kg。
关于铁的烧损量：
一般可以设定，当氧化末期金属中含C约0.90%时，渣中∑Fe约达7%；且其中75%为（FeO），25%为（Fe2O3）。
因此，渣中含
（FeO）为7%×75%×72/56=6.75%,含（Fe2O3）为7%×25%×160/112=2.50%，由表11知，除FeO和Fe2O3以外的渣量为2.897+0.829+0.281+0.333+0.192+0.086+0.059=4.677kg，故总渣量=4.677/（100-6.75-2.50）%=5.154kg。
于是可得（FeO）=0.348kg，（Fe2O3）=0.129kg。
其中，由Fe氧化生成的（FeO）和（Fe2O3）分别为0.234kg和0.054kg。
（2）确定金属量：
根据熔化期的金属量以及表11中元素烧损量和矿石还原出来的铁量，即可得氧化末期的金属量为
97.983-（0.058+0.039+0.025+0.220+0.023+0.353*）+0.628=97.893kg
（*为碳的烧损量近似值，即1.75（1-30%）-0.89%×97.983=0.353kg）
（3）确定炉气量：
计算方法如同熔化期。
先求净耗氧量（见表12），再确定氧气消耗量（见表13），最后将各种物料或化学反应带入的气态产物归类，从而得其结果（见表14）。
表12净耗氧量的计算
名称
元素
烧损量/kg
反应产物
耗氧量
供氧量（kg）
备注
金属中元素的氧化
C
0.353
[C]→{CO}
0.329
70%[C]生成CO
[C]→{CO2}
0.282
30%[C]生成CO2
Si
0.058
[Si]→（SiO2）
0.066
Mn
0.039
[Mn]→（MnO）
0.011
P
0.025
[P]→（P2O5）
0.032
Fe
0.220
[Fe]→（FeO）
0.052
见表11
[Fe]→（Fe2O3）
0.016
见表11
电极中碳的氧化
C
0.100×99%=0.099
[C]→{CO}
0.092
70%[C]生成CO
[C]→{CO2}
0.079
30%[C]生成CO2
合计
0.959
矿石供氧
Fe2O3
0.898
Fe2O3=Fe+3/2O2
0.269
还原出铁0.628kg
石灰中S还原CaO
S
0.002
CaO+S=CaS+O
0.001
金属中S还原CaO供氧
S
0.009
CaO+S=CaS+O
0.005
合计
0.275
净耗氧量
0.684
如表4中所述，应由氧气供给的氧为50%，即0.959×50%=0.480,空气应供氧0.480-0.275=0.205kg，由此可求出氧气与空气的实际消耗量如表13
表13氧气和空气实际消耗量
氧气（kg）
空气（kg）
带入O2
带入N2
带入O2
带入N2
0.480/90%=0.533
0.533/99%×1%=0.005
0.205
0.205×（77/23）=0.686
∑=0.533+0.005=0.538
∑=0.205+0.686=0.891
表14炉气量
项目
气态产物（kg）
备注
CO
CO2
N2
H2O
H2
合计
金属中C的氧化
电极带入
矿石带入
石灰带入
氧气带入
空气带入
游离O2参与反应
CO+1/2O2=CO2
H2O参与反应
H2O+CO=H2+CO2
0.577
0.162
-0.093
-0.037
0.388
0.109
0.126
0.146
0.059
0.005
0.686
0.012
0.003
0.009*
-0.024
0.003
0.965
0.271
0.012
0.129
0.005
0.695
0.053
0
C烧损量0.353kg
C烧损量0.099kg
*计算方法同表9
游离氧
H2O全部消耗
合计
0.609
0.828
0.691
0
0.003
2.131
质量分数/%
28.58
38.85
32.43
0
0.14
100.00
表15熔化期和氧化期综合物料平衡表
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
废钢
75.000
63.64
金属
97.893
83.53
生铁
25.000
21.21
炉渣
4.161+3.906=8.067
6.88
焦炭
0.924
0.78
炉气
7.540+2.131=9.671
8.25
电极
0.300+0.100=0.400
0.34
铁的挥发
1.564
1.33
矿石
1.000+1.000=2.000
1.70
石灰
2.000+2.707=4.707
3.99
火砖块
0.500
0.42
炉顶
0.075+0.053=0.128
0.11
炉衬
0.200+0.150=0.350
0.30
氧气
1.764+0.538=2.302
1.95
空气
5.657+0.891=6.548
5.56
合计
117.859
100.00
合计
117.195
100.00
注：
计算误差=（117.859-117.195）/117.859×100%=0.56%。
表16氧化末期各金属成分
元素
含量（%）
备注
C
0.891
（1.750-0.525-0.353）/97.893=0.891%
Si
0
Mn
0.161
（0.563-0.366-0.039）/97.893=0.161%
P
0.015
（0.073-0.033-0.025）/97.893=0.015%
S
0.023
（0.032-0.009）/97.893=0.023%
二、热平衡计算
1、计算热收入Qs
以100kg金属料（废钢+生铁）为基础。
（1）物料的物理热。
计算结果列于表17。
（2）元素氧化热及成渣热。
计算结果列于表18。
（3）消耗的电能。
根据消耗的热量确定，为154853.65kJ。
详见下面的计算。
表17物料带入的物理热
名称
热容（kJ/kg·K）
温度（℃）
消耗量（kg）
物理热（kJ）
废钢
0.699
298
75.000
1310.625
生铁
0.745
298
25.000
465.625
石灰
0.728
298
4.707
85.667
火砖块
0.858
298
0.500
10.725
矿石
1.047
298
2.000
52.350
焦炭
0.858
298
0.924
19.820
炉顶高铝砖
0.879
873
0.128
67.507
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