冶金专业课程设计模板.docx

1、冶金专业课程设计模板年产500万吨良坯的转炉炼钢车间顶底复吹转炉氧枪设计学校：学院：班级：姓名：学号：指导教师：1、 物料平衡计算1.1 基本数据（1） 铁水和废钢的成分及温度。见表1-1。表1-1 铁水和废钢的成分元素CSiMnPS温度铁水/%3.90.550.330.0680.0021350废钢/%0.180.250.550.0300.03025（2） 造渣剂及炉衬成分。见表1-2。表1-2 造渣剂及炉衬成分成分/%CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2O烧减石灰/%91.01.501.601.500.500.100.063.640.10矿石/%1.05.61

2、0.521.1061.80FeO=29.400.070.50铁矾土/%7.2028.602.0148.9911.390.060.06TiO2=1.69轻烧白云石/%50.150.4641.800.746.85炉衬/%1.00.9279.800.281.60C=16.4（3） 冶炼钢种及成分。见表1-3。表1-3 钢种成分元素CSiMnPS钢种Q235/%0.140.220.120.300.300.700.0450.045（4） 铁合金成分。见表1-4。表1-4 铁合金成分元素CSiMnPSFe硅铁/%700.700.050.0429.21锰铁7.502.50750.380.0314.59铁合金

3、种的元素收得率：Mn的收得为80%，Si的收得率为75%，C的收得率为90%，其中10%的C被氧化成CO2。P，S，Fe全部进入钢中。（5） 操作实测数据。见表1-5。表1-5 实测数据名称参数名称参数终渣碱度R=%CaO/%SiO2=2.8喷溅铁损为铁水量的（0.10.3）%，取0.2%计算铁矾土加入量为铁水量的0.5%渣中铁损（铁珠）为渣量的（12.5）%,取2.5%计算矿石加入量为铁水量的1.0%氧气纯度99.5%O2，0.5%N2炉衬侵蚀量为铁水量的（0.10.3）%，取0.1%计算炉气中自由氧含量为炉气体积的0.5%终渣T.Fe含量取12%计算，其中炉渣中的（%FeO）=1.35（%

4、Fe2O3）金属中C的氧化80%85%的C氧化成CO，取80%计算，则20%的C氧化成CO2烟尘量为铁水量的（1.31.5）%，取1.5%计算（其中FeO为75%，Fe2O3为20%）1.2 计算过程（以100kg铁水为基础）（1） 炉渣量及成分。炉渣来自金属料元素氧化和还原的产物，加入的造渣剂以及炉衬侵蚀等。1 铁水中各元素氧化量。终点钢水的成分是根据同类转炉冶炼Q235钢种的实际数据选取。其中C：应根据冶炼钢种含碳量和预估计的脱氧剂的增碳量来确定终点钢水含碳量，取0.10%；Si：在碱性氧气转炉炼钢法中，铁水中的硅几乎全部被氧化进入炉渣；Mn：终点钢水残锰量，一般为铁水中含锰量的50%60

5、%，取50%；P：采用低磷铁水操作，铁水中磷约85%95%氧化进入炉渣，在此取脱磷率为90%。铁水中各元素氧化量见表1-6。表1-6 100kg铁水各元素氧化量元素CSiMnPS合计铁水/kg3.90.550.330.0680.002终点钢水/kg0.1痕迹0.1650.00680.002氧化量/kg3.80.550.1650.05120.0024.5682其中，氧化成CO的C质量为3.880%=3.04kg，氧化成CO2的C质量为3.820%=0.76kg。2 铁水中各元素氧化耗氧量及氧化产物量。见表1-7。表1-7 铁水中各元素氧化耗氧量及氧化产物量元素反应产物耗氧量产物量备注CCCO3.

6、0416/12=4.0533.0428/12=7.093进入炉气CCO20.7632/12=0.8680.7660/28=1.628进入炉气SiSi(SiO2)0.5532/28=0.6280.5560/28=1.178进入炉渣MnMn(MnO)0.16516/55=0.0480.16571/55=0.213进入炉渣PP(P2O5)0.051280/62=0.0660.0512142/62=0.117进入炉渣FeFe(FeO)0.59316/72=0.1320.763Fe(Fe2O3)0.39648/112=0.1700.565合计5.6633 造渣剂加入量及其各组元质量a. 矿石、铁矾土、炉

7、衬带入的各组元质量。由矿石、铁矾土加入量和炉衬侵蚀量和其中各组元的成分可计算出各组元的质量，见表1-8和1-9。炉衬中C的氧化耗氧量为0.116.4%（1680%/12+3220%/12）=0.026kg。b. 轻烧白云石。为了提高转炉炉衬寿命，在加入石灰造渣的同时，添加轻烧白云石造渣，其目的是提高炉渣中MgO的含量，有利于提高炉衬寿命。渣中（MgO）含量在6%10%效果较好。经试算后轻烧白云石加入量为1.5kg/100kg铁水。其各组元质量见表1-8和表1-9.其中的烧减为（MgCO3CaCO3）分解产生的CO2质量。c. 炉渣碱度和石灰加入量。根据铁水的P、S含量，取终渣碱度R=2.8。未

8、计石灰带入的SiO2量时，渣中现有的SiO2量为（见表1-7和表1-8）：渣中现有的CaO量为：则石灰加入量为： 4 终渣T.%Fe的确定。终渣中T.%Fe与终点碳含量和终渣的碱度有关，根据生产数据，终渣T.%Fe取12%计算。渣中存在着（FeO）和（Fe2O3），按照（%FeO）=1.35（%Fe2O3）和T.%Fe=56(%FeO)/72+112(%Fe2O3)/160的关系，求得（FeO）=9.26%和（Fe2O3）=6.86%。5 终渣及成分。终渣量及成分列于表1-8中。表中的FeO和Fe2O3质量计算过程如下。不计（FeO）和（Fe2O3）在内的炉渣质量为 表1-8 终渣量及成分组元

9、产物量/kg石灰/kg矿石/kg轻白/kg炉衬/kg铁矾土/kg合计比例CaO3.230.010.7530.0010.0364.0348.92%MgO0.0570.0050.6270.080.010.7799.46%SiO21.1780.0530.0560.0080.0010.1431.43917.47%Al2O30.0530.0110.0110.2450.323.88%MnO0.2130.2132.59%P2O50.1170.0040.1211.47%TiO20.0080.0080.10%FeO0.7630.7639.26%Fe2O30.5650.5656.86%合计8.238100.00%

10、那么，总渣量为（FeO）质量=8.2389.26%=0.763kg，其中铁=0.76356/72=0.593kg；（Fe2O3）质量=8.2386.86%=0.565kg，其中铁=0.565112/160=0.396kg。（2） 矿石、烟尘中的铁及氧量。假定矿石中的FeO、Fe2O3全部还原成铁，则矿石带入铁量=1.00（29.40%56/72+61.80%112/160）=0.661kg烟尘带走铁量=1.50（75.00%56/72+20.00%112/160）=1.085kg矿石带入氧量=1.00（29.40%16/72+61.80%48/160）=0.251kg烟尘消耗氧量=1.50（7

11、5.00%16/72+20.00%48/160）=0.340kg其他造渣剂的Fe2O3带入的铁量和氧量忽略不计。（3） 炉气成分、质量及体积。1 当前炉气体积V1。由元素氧化和造渣剂带入的气体质量见表1-9。表1-9 气体来源及质量、体积来源铁水/kg炉衬/kg轻白/kg石灰/kg矿石/kg铁矾土/kg合计体积/m3*CO7.0930.0317.1245.699 CO21.6280.0120.1030.1291.8720.953 H2O0.0040.0050.0090.011 合计V1=6.663 *：气体体积=气体质量22.4/气体分子量2 当前氧气消耗质量及体积。当前氧气消耗质量见表1-1

12、0。表1-10 氧气消耗质量元素氧化烟尘铁氧化炉衬碳氧化矿石带入氧合计耗氧量/kg5.6630.3400.026-0.2515.778则当前氧气消耗的体积3 炉气总体积Vg=元素氧化生成的体积+水蒸气的体积+炉气中自由氧体积+炉气中氮气体积，即式中炉气中自由氧含量； 氧气中氮气成分； 氧气中氧气成分整理得：4 炉气中自由氧体积及质量，5 炉气中氮气体积及质量炉气中各组元成分的质量和体积见表1-11。表1-11 炉气组元的质量和体积炉气组元COCO2O2N2H2O合计质量/kg7.1241.8720.0490.0250.0099.079体积/m35.6990.9530.0340.020.0116

13、.717体积百分数/%84.84%14.19%0.51%0.30%0.16%100.00%（4） 总氧气消耗量及体积 （5） 钢水质量Wm。在吹炼中铁水的各项损失见表1-12。表1-12 吹炼中铁水的各项损失吹损元素氧化烟尘铁损渣中铁珠喷溅铁损矿石带入铁合计质量/kg5.5571.0850.2060.200-0.6616.387则钢水质量Wm为：钢水收得率为93.61%。（6） 未加废钢时的物料平衡。见表1-13表1-13 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10088.89%钢水93.61382.96%石灰3.5493.15%炉渣8.2387.30%铁矾土0.5

14、0.44%炉气9.0798.05%轻烧白云石1.51.33%喷溅0.20.18%矿石10.89%烟尘1.51.33%炉衬0.10.09%渣中铁珠0.2060.18%氧气5.8525.20%合计112.501100.00%合计112.836100.00%计算误差=（112.836-112.501）/112.836100%=0.30%2、 热平衡计算2.1 基本数据（1） 物料平均热容及其熔化潜热。见表2-1。表2-1 物料平均热容物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热容/（kJ/（kgK）0.7450.6991.0451.0470.996熔化潜热/（kJ/kg）218272209209209液

15、态或气态平均热容/（kJ/（kgK）0.8370.8371.2481.137（2） 入炉物料及产物的温度。见表2-2。表2-2 入炉物料及产物的温度名称入炉物料铁水 废钢 其他原料产物炉渣 炉气 烟尘温度/13502525比出钢温度高1015,取10计14501450（3） 溶入铁液中元素对铁熔点的降低值。见表2-3。表2-3 溶入铁液中元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPS溶入1%元素使铁熔点降低值/657075808590100853025使用含量范围/%11.02.02.53.03.54.03150.70.08另外,O,H,N共降低铁水熔点值6。（4） 炼钢反应热效应。见表2-4。表2-

16、4 炼钢温度下的反应热效应组元化学反应热效应/kJ/kmol热效应/kJ/kg物质氧化反应-139420-11639C-418072-34834C-817682-29202Si-361740-6594Mn-1176563-18980P-238229-4250Fe-722432-6460Fe成渣反应-97133-1620SiO2-693054-4880P2O5分解反应-1690503019CaO-1180202951MgO2.2 计算过程（以100kg铁水为基础）（1） 热收入Qin。1 铁水物理热Qhm。已知纯铁的熔点为1536，则根据表2-4和2-1的数据，得 2 元素氧化热及成渣热Qy。由

17、铁水中元素氧化量和反应热效应（见表2-4）可以算出，其结果列于表2-5。表2-5 元素氧化热和成渣热反应氧化热或成渣热/kJ反应氧化热或成渣热/kJ3.0411639=35382.560.3966460=2558.160.7634834=26473.840.051218980=971.7760.5529202=16061.10.1214880=590.480.1656594=1088.011.4391620=2331.180.5934250=2520.25合计Qy87977.363 烟尘氧化热Qc。由表1-5中给出的烟尘量参数和反应热效应（表2-4）计算可得：4 炉衬中碳的氧化热Q1。根据炉衬

18、蚀损量及其含碳量确定：故热收入总值为（2） 热支出Qout。1 钢水物理热Qma 钢水熔点。 式中，0.10，0.165，0.0068，0.002分别为终点钢水C，Mn，P和S的含量。b 出钢温度。 式中，为连铸中间包钢水过热度，碳素钢一般为1020，取15计算；为出钢过程温度降，一般为2060，取50计算；为钢水镇静和运输过程温度降，按3/min计，镇静和运输时间为7min，故其温度降为21；为钢水吹氩过程的温度降，取30计算；为钢水离开吹氩站到钢包开浇时的温度降，取20计算；为钢包钢水注入中间包的温降，一般在2030，取25。故则钢水物理热：2 炉渣物理热QS，炉渣温度TS=1683+10

19、=1693，炉渣熔化性温度一般为13001400，取1350计算，则3 炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热。根据其数量、相应的温度和热容确定。详见表2-6。表2-6 炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热项目参数备注炉气物理热1450为炉气和烟尘的温度烟尘物理热渣中铁珠物理热1522为钢水熔点喷溅金属物理热合计17742.45kJ4 轻烧白云石分解热Qb。由白云石的分解反应：和轻烧白云石的烧减量6.85%，可计算得到与分解出来和烧减量相对应的CaO和MgO含量，即：由轻烧白云石分解热Qb为：5 矿石分解吸热Qk6 热损失Qq。吹炼过程中转炉热辐射、对流、传导传热以及冷却水等带走的热量与炉容量大小、

20、操作等因素有关，一般约占总热收入的3%8%。本计算取7%，则得：结果得：7 废钢加入量Wf。用于加热废钢的热量系剩余热量，即：故废钢加入量废钢比为 （3） 热平衡表。见表2-7。表2-7 热平衡表收入支出项目热量/kJ%项目热量/kJ%铁水物理热122518.156.76%钢水物理热136034.6763.03%元素氧化热及成渣热87977.3640.76%炉渣物理热16654.677.72%其中C氧化61856.428.66%废钢吸热26195.8112.14%Si氧化16061.17.44%矿石吸热3766.431.75%Mn氧化1088.010.50%炉气物理热14710.026.82%

21、P氧化971.7760.45%渣中铁珠物理热299.350.14%Fe氧化5078.412.35%喷溅金属物理热290.630.13%SiO2成渣热2331.181.08%轻烧白云石分解热335.110.16%P2O5成渣热590.480.27%热损失15108.647.00%烟尘铁氧化热5075.362.35%烟尘物理热2442.451.13%炉衬碳的氧化热266.960.12%合计215837.78100.00%合计215837.78100.00% 3、 加入废钢和脱氧后的物料平衡（1） 加入废钢后的物料平衡1 废钢中各元素氧化量。见表3-1。表3-1 废钢中各元素氧化量元素CSiMnP废

22、钢成分/%0.180.250.550.030终点钢水/%0.10痕迹0.1650.0068氧化量/%0.080.250.3850.02322 废钢中各元素氧化耗氧量、氧化产物量。见表3-2。表3-2 18.03kg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/kgCCCO0.0120.0150.027CCO20.0030.0080.011SiSi(SiO2)0.0450.0520.097MnMn(MnO)0.0690.0200.090PP(P2O5)0.0040.0010.010合计0.1330.095成渣量0.233进入钢水中的质量=18.03-0.133=1

23、7.897kg，进入炉气中的气体质量=0.027+0.011=0.038kg。3 加入废钢后的物料平衡。将表3-2中有关数据与表1-13的相应数据合并，得加入废钢后的物料平衡见表3-3和表3-4。（2） 脱氧和合金化后的物料平衡1 铁、硅铁加入量。先根据钢种成分中限（见表1-3）和铁合金成分及其收得率（见表1-4）算出锰铁和硅铁的加入量。锰铁加入量WFe-Mn的计算为：表3-3 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钢水111.51废钢18.03炉渣8.471石灰3.549炉气9.117铁矾土0.5喷溅0.2轻烧白云石1.5烟尘1.5矿石1

24、渣中铁珠0.206炉衬0.1氧气5.947合计130.626合计131.004表3-4 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84.724 钢水94.476 废钢15.276 炉渣7.177 石灰3.007 炉气7.724 铁矾土0.424 喷溅0.169 轻烧白云石1.271 烟尘1.271 矿石0.847 渣中铁珠0.175 炉衬0.085 氧气5.039 合计110.672 合计110.992 计算误差=（110.992-110.672）/110.992100%=0.29%硅铁加入量WFe-Si: 铁合金中元素的烧损量和产物量列于表3-5。表3-5 铁合金中元素烧损量及产物量类别元素烧损量/kg脱氧量/kg成渣量/kg炉气量/kg进入刚中量/kg锰铁C0.005 0.012 0.017 0.041 Mn0.091 0.026 0.117 0.364 Si0.004 0.004 0.008 0.011 P0.002 S0.0002 Fe