转炉炼钢的物料平衡与热平衡.docx

1、转炉炼钢的物料平衡与热平衡./内容白字文件夹 (3)/.shu./4.6 转炉炼钢的物料平衡与热平衡5炼钢过程的物料平衡和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、能量的收入项和支出项，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某些定量依据。应当指出，由于炼钢是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，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。转炉炼钢的过程是一个很复杂的物理化学变化过程，对其作完全定量的分析是不可能的，但是一些基本的规律和原理在该过程中仍然适用。比如说转炉炼钢过程遵循物质不灭和能量

2、守恒定律，在这个基础上建立了转炉炼钢过程中的物料平衡和热平衡计算。用来研究转炉收入、支出的物质和能量在数量上的平衡关系，并用平衡方程式、平衡表或者物流与热流图表示出来。通过物料平衡和热平衡的计算可以全面的掌握转炉的物料和能量的利用情况，了解转炉的工作能力和热效率，从而为改进工艺、实现转炉最佳操作探索途径，并为降低原材料消耗与合理利用能源和节能提供方向。总的来说，物料平衡和热平衡的计算一方面可以指导车间或设备的设计，比如说转炉与其供氧设备，或者炼钢车间的设计；另一方面可以改善和校核已投产的转炉冶炼工艺参数、设备适应性能，比如说确定加入冷却剂的数量和时间，或者采用新技术等而由实测数据进行的计算，比

3、如说设计一些自动控制模型时的计算。4.6.1 物料平衡12物料平衡是计算炼钢过程中加入炉内和参与炼钢过程的全部物料（铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料和耐材等）与炼钢过程中产物（钢液、炉渣、炉气与烟尘等）之间的平衡关系。以下通过举例进行计算分析。1原材料成分表4.9铁水、废钢成分（%）原料CSiMnPS温度，铁水4.2800.8500.5800.1500.0371250废钢0.180.200.520.0220.02525表4.10渣料和炉衬材料成分（%）名称CaOSiO2MgOAl2O3SPCaF2FeOFe2O3烧碱H2OC石灰91.02.02.01.50.053.45矿石1.05.610.52

4、1.100.0729.461.80.50萤石6.00.581.780.090.5589.02.00生白云石55.03.033.03.01.05.0炉衬54.02.038.01.05.0表4.11各项目的热容项目固态平均热容kJ/kgK熔化潜热kJ/kg液（气）态平均热容kJ/kgK生铁0.745217.5680.8368钢0.699271.960.8368炉渣209.201.247炉气1.136烟尘1.000209.20矿石1.046209.20表4.12反应热效应（25）元素反应反应热，kJ/kg元素CC+1/2O2=CO10950CC+O2=CO234520SiSi+O2=SiO22831

5、4P2P+5/2O2=P2O518923MnMn+1/2O2=MnO7020FeFe+1/2O2=FeO5020FeFe+3/2O2=Fe2O36670SiO2SiO2+2CaO=2CaOSiO22070P2O5P2O5+4CaO=4CaOP2O550202其它假设条件（根据各类转炉生产实际过程假设）：（1）炉渣中铁珠量为渣量的8%；（2）喷溅损失为铁水量的1%；（3）熔池中碳的氧化生成90%CO，10%CO2；（4）烟尘量为铁水量的1.6%，其中烟尘中FeO=77%，Fe2O3=20%；（5）炉衬侵蚀量为铁水量的0.5%；（6）炉气温度取1450，炉气中自由氧含量为总炉气量的0.5%；（7）

6、氧气成分：98.5%O2，1.5%N2。3冶炼钢种与规格成分 要求冶炼低碳钢，以Q-235钢为例，其规格成分如下（%）：C 0.140.22，Si 0.120.30，Mn 0.400.65，P 0.045，S 0.050。4.6.2 物料平衡计算4-12以100kg铁水为单位进行计算，根据铁水、渣料质量以与冶炼钢种要求，采用单渣操作。1渣量与成分计算（1）铁水中元素氧化量（表4.13）。说明：取脱磷率90%，脱硫率35%；钢水中残余锰占铁水Mn的3040%，取30%；因合金加入后还要增碳，钢水中C取较低的0.18。（2）各元素耗氧量与氧化产物量（表4.14）。（3）渣料加入量。1）矿石加入量与

7、其成分（表4.15）：为了化渣，本节中加入矿石1%，而不另加氧化铁皮。（若不加矿石，改用氧化铁皮，则成分不同）。其中：S+（CaO）=（CaS）+O（CaS）生成量=0.00172/320.002kg消耗CaO量=0.00156/320.002kg表4.13铁水中元素氧化量 元素，%项目CSiMnPS铁水4.280.850.580.1500.037钢水0.1800.170.0150.025氧化量4.100.850.410.1350.012表4.14铁水中元素氧化耗氧量、氧化产物量元素反应元素氧化量，kg耗氧量，kg氧化产物量，kgCC+1/2O2=CO4.1090%=3.693.6916/12

8、=4.823.6928/12=8.61CC+O2=CO24.1010%=0.410.4132/12=1.5030.4144/12=1.503SiSi+O2=SiO20.850.8532/28=0.9720.8560/28=1.82MnMn+1/2O2=MnO0.410.4116/55=0.1190.4171/55=0.529P2P+5/2O2=(P2O5)0.1350.13580/62=0.1740.135142/62=0.309SS+O2=SO20.0121/3=0.0040.00432/320.0040.00464/32=0.008*SS+(CaO)=CaO+O0.0122/3=0.008

9、0.008(-16)/32=-0.0040.00872/32=0.018FeFe+1/2O2=(FeO)0.7820.78216/56=0.2231.006*Fe2Fe+3/2O2=(Fe2O3)0.0330.03348/112=0.0140.047*总计6.3227.417注*：假定炉内气化脱硫1/3；铁的氧化由表4.20得出。表4.15 矿石加入量与成分成分质量，kg成分质量，kgFe2O3161.80%=0.618FeO129.40%=0.294SiO15.61%=0.0561Al2O311.10%=0.011CaO11.0%=0.01MgO10.52%=0.005S10.07%0.00

10、1H2O10.50%=0.0052）萤石加入量与其成分（表4.16）：根据冶金部转炉操作规程，萤石加入量4kg/t，本例取3kg/t。表4.16 萤石加入量与成分成分质量，kg成分质量，kgCaF20.389.0%=0.267P0.30.55%=0.002SiO0.36%=0.018S0.30.09%=忽略Al2O30.31.78%=0.005H2O0.32%=0.006MgO0.30.58%=0.002其中：2P+2/5O2=（P2O5） （P2O5）生成量=0.002142/62=0.005kg3）白云石加入量与成分（表4.17）：为了提高炉衬寿命，采用白云石造渣，控制渣中（MgO）含量在

11、68%X围内。根据已投产转炉的经验，白云石加入量在3050kg/t，轻烧白云石加入量在2040kg/t，本节取轻烧白云石30kg/t。表4.17轻烧白云石加入量与成分成分质量，kg成分质量，kgCaO3.055%=1.65MgO3.033%=0.99SiO23.03%=0.09Fe2O33.01%=0.03Al2O33.03%=0.09烧碱3.05%=0.15其中：烧碱是指白云石中CaMgCO3分解产生的CO2气体。4）炉衬侵蚀量与其成分（表4.18）：转炉炉衬在炉渣作用下，将被侵蚀和冲刷进入渣中，本例取铁水量的0.5%。表4.18 炉衬侵蚀与成分成分质量，kg成分质量，kgCaO0.554%

12、=0.27SiO20.52%=0.01MgO0.538%=0.19C0.55%=0.025Al2O30.51%=0.09其中：炉衬中碳的氧化与金属中氧化生成的CO和CO2比例一样。CCO数量 0.02590%28/12=0.053 kgCCO2数量 0.02510%44/12=0.009 kg共消耗氧量 0.05316/28+0.00932/44=0.037 kg5）石灰加入量与成分（表4.19）：根据铁水成分，取终渣碱度B=3.5。石灰加入量=100kg =100=5.55kg/100kg铁水说明：若要详细计算石灰加入量，则可用下式：石灰加入量=铁水Si生成（SiO2）+炉衬、矿石、白云石、

13、萤石带入（SiO2）白云石、矿石、炉衬带入（CaO）铁水、矿石中S消耗CaO量表4.19 石灰石加入量与成分成分质量，kg成分质量，kgCaO5.5591%=5.05SiO5.552%=0.11MgO5.55%2%=0.11S5.550.05%=0.003Al2O35.551.5%=0.08烧碱5.553.45%=0.19其中：SCaS 0.00372/32=0.007 kg6）渣中铁的氧化物：对于冶炼Q-235钢，根据已投产转炉渣中含量，取（FeO）=10%，（Fe2O3）=5%。7）终渣总量与成分：根据表4.13表4.19中若不计（FeO）、（Fe2O3）在内的炉渣成分见表4.20，由4.

14、20中可得：CaO+MgO+SiO+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS=11.819kg已知（FeO）=10%、（Fe2O3）=5%，则其余渣应占渣量总数的85%。故总渣量为=13.90kg。由此可知：（FeO）=13.9010%=1.39kg、（Fe2O3）=13.905%=0.695kg由于矿石和白云石中带入部分（FeO）和（Fe2O3），实际铁氧化物为：（FeO）=1.39-0.294=1.096kg，（Fe2O3）=0.695-0.618-0.03=0.047kg。故 Fe氧化物=1.00656/72+0.047112/160=0.815kg表4.20 终渣质量与成分成分氧

15、化产物kg石灰kg矿石kg白云石kg炉衬kg萤石kg总计kg%CaO5.050.011.650.276.9850.54MgO0.110.0050.990.190.0021.309.41SiO21.820.110.0560.090.010.0182.10415.24P2O50.3090.0050.3142.27MnO0.5290.5293.83Al2O30.080.0110.090.0050.0050.2011.46CaF20.2670.2671.93CaS0.0180.0070.0020.0270.19FeO0.0960.2941.3910.06Fe2O30.0470.6180.030.695

16、5.03合计13.81100.002冶炼中的吹损计算 根据假设条件，渣中铁珠量为渣量的8%，喷溅损失为铁水量的1%，烟尘损失为铁水量的1.6%。故可得到：渣中铁珠量=13.818%=1.105kg喷溅铁损量=1001%=1.0kg烟尘铁损量=1001.6%（77%56/72+20%112/160）=1.182kg元素氧化损失=6.322kg（见表4.14）吹损总量=1.105+1.0+1.182+6.322=9.609kg钢水量=100-9.609=90.391kg3氧气消耗量计算 主要是元素氧化耗氧7.417kg（见表4.14），烟尘铁消耗氧1001.6%（77%16/72+20%48/16

17、0）=0.37kg，其次炉衬中碳氧化消耗0.037kg。故总耗氧量为7.824kg，换算给标准体积为7.82422.4/32=5.48m3/100kg=54.8m3/t。若考虑到氧气利用率为7590%，生产实际中供氧量为6070m3/t。由于氧气不纯，含有1.5%N2，故供氧时带入N2为7.8241.5%=0.117kg，其体积量为0.11722.4/28=0.094m3/100kg。4炉气量与成分 炉内产生的炉气由CO、CO2、SO2、H2O、N2和自由O2组成，把以上计算的炉气成分除自由O2以外占炉气体积总量的99.5%，由表4.21可得：CO+CO2+SO2+H2O+N2=7.986m3

18、 故炉气总量为7.986/99.5%=8.026m3。自由O2量为8.0260.5%=0.04m3，其质量为0.0432/22.4=0.057kg。5物料平衡表 把以上各种物质的总收入和总支出汇总起来，便可得到物料平衡表4.22。计算误差=100%=-0.266%表4.21炉气量与成分成分质量，kg体积，m3体积，%CO8.61+0.0538.66322.4/28=6.9386.34CO21.53+0.19+0.009+0.151.85222.4/44=0.94311.75SO20.0080.00822.4/64=0.0030.04H2O0.005+0.0080.01322.4/18=0.01

19、60.20N20.1170.0941.17O20.0570.040.50总计10.718.026100.0表4.22 物料平衡表收入支出项目质量，kg%项目质量，kg%铁水100.084.47钢水90.39176.15石灰5.554.69炉渣13.9011.71白云石3.02.53炉气10.719.02矿石1.00.84烟尘1.601.35萤石0.40.34喷溅1.00.84炉衬0.50.42铁珠1.1050.93氧气7.8246.61氮气0.1170.10总计118.391100.00总计118.706100.004.6.3 加废钢后的吨钢物料平衡废钢加入后，忽略废钢中含硅、锰元素的氧化损失

20、，使钢水量达到101.943kg（90.38411.55），即是使用100kg铁水、11.55kg废钢可以生产出101.934kg钢水。根据比例关系，可以得到吨钢物料平衡表4.23。表4.23 吨钢物料平衡收入支出项目质量，kg项目质量，kg铁水98176.96钢水100078.25废钢113.38.89炉渣136.3610.67石灰54.44.28炉气105.18.22白云石29.42.31烟尘15.701.23矿石9.80.77喷溅9.810.77萤石3.90.31铁珠10.910.86氧气76.766.02氮气1.150.09炉衬4.90.37总计1274.61100.00总计1277.

21、88100.004.6.4 热平衡12-13热平衡是计算炼钢过程的热量收入（铁水的物理与化学热）与热量支出（钢液、炉渣、炉气、冷却剂、热量损失）之间的平衡关系。为了简化计算，取加入炉内的炉料温度均为25。1热收入 热收入主要是铁水的物理热和元素氧化的化学热。（1）铁水物理热。根据传热原理。铁水熔点Tt=1539-（1004.28+80.85+50.58+300.15+250.037）-4=1092铁水物理热=1000.745（1092-25）+217.568+0.8368（1250-1092）=114553.40kJ（2）铁水中元素氧化放热和成渣热。根据表4.10、表4.12和表4.20数据可

22、以计算如下：CCO 3.6910950=40405.5 kJCCO2 0.4134520=14153.2 kJSSO2 0.8528314=24066.9 kJMnMnO 0.417020=2878.2 kJPP2O5 0.13518923=2554.6 kJFeFeO 0.7825020=3925.6 kJFeFe2O3 0.0336670=220.1 kJSiO2CaOSiO2 2.1042070=4355.3 kJP2O5CaOP2O5 0.3145020=1576.3 kJ总计 94135.7 kJ （3）烟尘氧化放热。1.6（77%56/725020+20%112/1606670）=

23、6304.4 kJ（4）炉衬中碳氧化放热。0.55%（90%10950+10%34520）=332.7 kJ因此，炉衬热收入总量为：114553.4+94135.7+6304.4+332.7=215326.2 kJ2热支出（1）钢水物理热。钢水熔点Tt=1539-（650.18+50.17+300.015+250.025）-4=1521出钢温度T=1521+70（钢水过热度）+21（生产运输降温）+50（浇注降温）=1662钢水物理热=90.3910.699（1521-25）+271.96+0.8368（1658-1521）=129770.1 kJ（2）炉渣物理热。计算取炉渣终点温度与钢水温度

24、一样。炉渣物理热=13.811.247（1662-25）+209.20=31079.9kJ（3）矿石分解吸热。1（29.4%56/725020+61.8%112/1606670+209.20）=4242.5 kJ（4）烟尘物理热。1.61.0（1450-25）+209.20=2614.7 kJ（5）炉气物理热。10.711.136（1450-25）=17337.3 kJ（6）渣中铁珠物理热。1.1050.745（1521-25）+217.568+0.8368（1662-1521）=1602.3 kJ（7）喷溅金属物理热。10.745（1521-25）+217.568+0.8368（1662-1

25、521）=1450.1 kJ（8）吹炼过程热损失。吹炼过程热损失包括炉体和炉口的热辐射、对流和传导传热、冷却水带走热等，它根据炉容大小而异，一般为热量总收入的38%，本例取热损失为5%。所以吹炼过程热损失为：215658.95%=10782.9 kJ（9）废钢耗热。总的热收入减去以上热支出，得到的富余热量用加入废钢来调节。富余热量=215658.9-（129507.3+31213.2+4242.5+2614.7+17337.3+1609.2+1447.1+10764.1）=16547.1 kJ1kg废钢熔化耗热=10.699（1517-25）+271.96+0.8368（1658-1517）=

26、1432.9 kJ废钢加入量=16547.1/1432.9=11.55 kg3热平衡表 把全部热收入和热支出汇总，得到热平衡表4.24表4.24热平衡表热收入热支出项目热量，kJ%项目热量，kJ%铁水物理热114553.453.12钢水物理热129770.160.17元素放热和成渣热94135.743.72炉渣物理热31079.914.41C54558.725.34矿石物理热4242.51.97Si24066.911.18烟尘物理热2614.71.21Mn2878.21.34炉气物理热17337.38.04P2554.61.19铁珠物理热1602.30.74Fe4145.71.93喷溅物理热1450.10.67SO24355.32.02吹炼物理热10782.95.00P2O51576.30.73废钢物理热16779.17.78烟尘氧化放热6304.42.93炉衬C放热332.70.15共计215326.2100.00共