1、煉鋼過程的物料平衡與熱平衡計算煉鋼過程的物料平衡與熱平衡計算是建立在物質(zhì)與能量守恒的基礎(chǔ)上。其主要目的是比較整個 冶煉過程中物料、能量的收入項和支岀項，為改進操作工藝制度，確定合理的設(shè)計參數(shù)和提髙煉鋼 技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)提供某些定量依據(jù)。應(yīng)當(dāng)指岀，由于煉鋼系復(fù)雜的髙溫物理化學(xué)過程，加上測試手段 有限，目前尚難以做到精確取值和計算。盡管如此，它對指導(dǎo)煉鋼生產(chǎn)和設(shè)計仍有重要的意義。本章主要結(jié)合實例闡述氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐和電弧爐氧化法煉鋼過程物料平衡和熱平衡計算的基本 步驟和方法，同時列出一些供計算用的原始參考數(shù)據(jù)。1.1物料平衡計算（1）計算所需原始數(shù)據(jù)。基本原始數(shù)據(jù)有：冶煉鋼種及其成分（表1）;金屬料一鐵水

2、和廢鋼的成 分（表1）；終點鋼水成分（表1）;造渣用溶劑及爐襯等原材料的成分（表2）；脫氧和合金化用鐵 合金的成分及其回收率（表3）；其它工藝參數(shù)（表4） 表1鋼種、帙水.廢鋼和終點鋼水的成分設(shè)定值含量甩類別CSiMnPS鋼種H15Mn設(shè)定值0. 180. 250. 55W0. 045WO. 050鐵水設(shè)定值4.200.400. 450. 120. 060廢鋼設(shè)定值0. 180. 250. 550. 0300. 030終點鋼水設(shè)定值0. 10芋二0. 180. 0200. 021 本計算設(shè)定的冶煉鋼種為HISMno C和Si按實際生產(chǎn)情況選取；Mn、P和S分別按鐵水中相應(yīng)成分含量的30%. 1

3、0%和60%留在鋼水中設(shè) 定。表2原材料成分類另CaOSiO,MgOAU*FeGCaF.PGSCO,HoOC灰分揮發(fā) 分石灰88. 002. 502. 601.500. 500. 100. 064. 640. 10螢石0. 305. 500. 601.601.5088. 000. 900. 101.50生白云石36. 400. 8025. 601.0036. 20爐襯1.203. 0078. 801.401.6014. 00焦炭0. 5881.5012. 405. 52硅鐵73. 00/750. 50/802. 50/00. 05/1000. 03/10023.92/100猛鐵6. 60/90

4、10.50/7567.80/800.23/1000. 13/10024.74/10010%C與氧生產(chǎn)co,表4其它工藝參數(shù)設(shè)定值名稱參數(shù)名稱參數(shù)終渣堿度%Ca0/%SiO2=3. 5渣中鐵損（鐵珠）為渣疑的6%螢石加入量為鐵水量的0.5%氧氣純度99敞余者為N2生白云石加入量為鐵水量的2. 5%爐氣中自由氧含量0. 5%（體積比）爐襯蝕損量為鐵水量的0. 3%氣化去硫量占總?cè)チ蛄康?/3終渣E （FeO）含量（按 （Fe0） = 1.35（FeA）折算）15%,而(Fe2O:l) /E (FeO) = 1/3 即 (FeA)=5%(FeO)=8. 25%金屬中（C）的氧化產(chǎn)物90%C氧化成C0

5、tIO%C氧化成C02煙塵量為鐵水量的1.5%（其中FeO 為 75% FeO 為 20%）廢鋼量由熱平衡計算確定。本 計算結(jié)果為鐵水量的10. 934%,即廢鋼比為9. 86%噴濺鐵損為鐵水量的1%（2）物料平衡基本項目。收入項有：鐵水、廢鋼、溶劑（石灰、螢石、輕燒白云石）、氧氣、爐襯蝕損、鐵合金。支出項有：鋼水、爐渣、煙塵.渣中鐵珠.爐氣.噴濺。（3）計算步驟。以100kg鐵水為基礎(chǔ)進行計算。第一步：計算脫氧和合金化前的總渣量及其成分。總渣量包括鐵水中元素氧化、爐襯蝕損和加入溶劑的成渣量。其各項成渣量分別列于表5、6和7。 總渣量及其成分如表8所示。第二步：計算氧氣消耗量。氧氣實際消耗量系

6、消耗項目與供入項目之差，詳見表9。表5鐵水中元素的氧化產(chǎn)物及其成渣量元素反應(yīng)產(chǎn)物元素氧化量/ kg耗氧量/kg產(chǎn)物t/kg備注C(C) f CO(C) - COJ4.22X90%=3. 7984. 22X10%=0. 4224.9201.0908.6101.500Si(Si) -*(Si02)0. 4000.4570. 857入渣Mn(Mn) (MnO)0. 2700. 0790. 349入渣PIP) f (PQ)0. 1000. 1290. 229入渣S(S) f(SOd(S) +(CaO) = (CaS) + (O)0. 039X1/3二0.0130. 039X2/3=0. 0260.01

7、30.0130. 0260. 059 (CaS)入渣Fe(Fe) (FeO) (Fe) - (FeO)0. 675X56/72=0. 5250. 379X112/160=0. 2650. 1500. 1140. 6750. 379入渣（見表8）入渣（見表8）合計5. 6990. 965成渣量2. 548入渣組分之和 由CaO還原出的氧量，消耗的50量=0.013X56/32=0. 023kg表6爐村蝕損的成渣量爐襯蝕損量成渣組分/ kg氣態(tài)產(chǎn)物/ kg耗氧量/ kg（kg）CaOSi02MgOAI2O3Fe20.)0. 631X6. 60%X90%=0. 038Si0.631 X 67.80%

8、 X20%二0. 0860. 0250. Ill0. 631X67. 80%X80%=0. 342Mn0.631 X 0.50% X25%二0. 0010. 0010. 0020. 631X0. 50%X75%=0. 002P0. 631X0. 23%二0. 001S0. 631X0. 13%=0, 001Fe0. 631X24. 74%=0 156合計0. 0910. 0360. 1130.0150. 540硅鐵A10.425 X 2.50% X100%=0.0110.0100. 006Mn0.425 X 0.50% X20%二0. 000040. 00010. 00050.042 X 0.

9、50% X80%二0. 002Si0.042 X 73.00% X25%二0. 0780. 0890. 1670. 0425X73. 00% X75%=0. 230P0. 0425X0. 05%二0. 00002S0. 0425X0. 03%二0. 000011Fe0. 0425X23. 92%=0. 102合計0. 0880. 0990. 1740. 334總計0. 1690. 1350. 2870.0150. 874可以忽略脫氧和合金化后的鋼水成分如下:w(c)=0-08%+xl00vl6%w(Si) =0.005 + 0.02393.129X100%二0 03%w (Mn) =0.210

10、%+0681 + 0.000293.129X100%二0 94%w(P)=0. 019%+ -()? X 100%=0. 022%93.129w(s)=0-016%+xl00%=0-018%可見，含碳量尚未達(dá)到設(shè)定值。為此需在鋼包加焦粉增碳。其加入量崗為(0.17-0.16)%x 鋼水量 1二焦炭含C量xC回收率0.01%x93.129=0. 015kg81.50% x 75%焦炭生成的產(chǎn)物如下:碳燒損量/kg耗氧量/kg氣體 t/kg：i成渣t/kg碳入鋼量/kg0. 060X81. 50%X25A0.0120. 0320. 044+0. 06 X(0. 58+5. 52) %=0. 047

11、0. 060 X12. 40%二0. 0070. 060X81. 50%X75%=0. 037C02. H*和揮發(fā)份之總和(未計揮發(fā)份燃燒的影響)由此可得冶煉過程(即脫氧和合金化后)的總物料平衡表16表16總物料平衡表收入支出項目質(zhì)量/kg%項目質(zhì)量/kg%鐵水90. 1478. 93鋼水93. 38 (92. 47+0. 874+0. 037)81.71廢鋼9. 868. 64石灰3. 112.72爐渣7. 79 (7. 50+0. 287+0. 007)6. 82螢石0. 450. 39輕燒白云石2. 251.97爐氣10. 39 (10.33+0. 015+0. 047)9. 09爐襯0

12、. 270. 24噴濺0.910. 80負(fù)氣7.02 (6. 85+0. 14+0.03)丄6. 14煙塵1.361. 19猛鐵0. 630. 55渣中鐵珠0. 440. 39硅鐵0.430. 37焦粉0. 060. 05合計114.21100. 00合計114.28100. 00注：計算誤差為（114.21114.28） /114. 21X100%二一0. 1%可以近視認(rèn)為（0. 082+0. 008）的氧量系出鋼水二次氧化所帶入。1.2熱平衡計算（1）計算所需原始數(shù)據(jù)。計算所需基本原始數(shù)據(jù)有：各種入爐料及產(chǎn)物的溫度（表17）；物料平均 熱容（表18）；反應(yīng)熱效應(yīng)（表19）；溶入鐵水中的元素

13、對鐵熔點的影響（表20）。其它數(shù)據(jù)參照物 料平衡選取。表17入爐物料及產(chǎn)物的溫度設(shè)定值名稱入爐物料產(chǎn)物鐵水廢鋼其它原料爐渣爐氣煙塵溫度（C）13002525與鋼水相同14501450純鐵熔點為1536X：表18物料平均熱容物料名稱生鐵鋼爐渣礦石煙塵爐氣固態(tài)平均熱容（kj/kgK）0. 7450. 6991.0470. 996溶化潛熱（kj/kg）218272209209209液態(tài)或氣態(tài)平均熱容（kj/kg-K）0. 8370. 8371.2481. 137表19煉鋼溫度下的反應(yīng)熱效應(yīng)組元化學(xué)反應(yīng)AA/kj kmol 1k j kg 1Cc+|o2=co氧化反c4-O2

14、=CO2氧化反應(yīng)41807234834SiSi + O2=SiO2負(fù)化反應(yīng)81768229202MnMn + lO2=(MnO)氧化反應(yīng)3617406594P2P + |O2=(PA)氧化反應(yīng) 117656318980FeFe + jO2=(FeO)氧化反應(yīng)2382294250Fer32Fe + -O2 =(Fe2O3)氧化反應(yīng)7224326460Si02(SiO2) + 2(CaO)= (2CaO*SiO2)成渣反應(yīng)971331620P2O5(匕O5)+4(CaO) = (4CaO 匕 O5)成渣反應(yīng)6930544880CaCOCaCO3 =(CaO)+ CO2分解反應(yīng)1690501690M

15、gC03MgCO3=(MgO) + CO2分解反應(yīng)1180201405表20溶入鐵中的元素對鐵熔點的降低值元素(SiMn1S(:N. H、0在鐵中的極限 溶解度/%5.4118.5無 限2.80. 1835.0無限溶入1%元素使 鐵熔點的降低 值/c65707580859010085302531.5氮、氫、氧溶入 使鐵熔點的降 低值/cL=6適用含量圍/%0. 400X29202=11680. 80P2O5-* 4CsO P2O50. 237X4880=1156. 56Mn*MnO0.270X6594=1780. 38SiO-2CaO Si021.000X1620=1620. 00FeFeO0

16、. 525X4250=2231.25合計Q80045. 18（3）煙塵氧化熱由表4中給出的煙塵量參數(shù)和反應(yīng)熱效應(yīng)計算可得。0=1. 5X （75%X56/72X4250+20%X112/160X6460）=5075. 35KJ（4）爐襯中碳的氧化熱血根據(jù)爐襯蝕損量及其含碳量確定。CI=0.3xl4%x 90% x 11639+0.3 xl4%xl0%x 34834=586.25KJ故熱收入總值為：二227582. 40KJ第二步：計算熱支出熱支出項包括：鋼水物理熱；爐渣物理熱；煙塵物理熱；爐氣物理熱；渣中鐵珠物理熱；噴濺 物（金屬）物理熱；輕燒白云石分解熱；熱損失；廢鋼吸熱。（1）鋼水物理熱a

17、：先按求鐵水熔點的方法確定鋼水熔點幾再根據(jù)出鋼和鎮(zhèn)靜時的實際溫降（通 常前者為406（TC,后者約35C/inin,具體時間與盛鋼桶大小和澆注條件有關(guān)）以及要求的過熱 度（一般為509（rc）確定出鋼溫度最后由鋼水量和熱容算岀物理熱。0=1536（0. 10X65+0. 18 X 5+0. 020 X 30+0. 021 X25） -6=1520C（式中：0.08、0.21、0.019和0.016分別為終點鋼水C、Mn、P和S的含量）T 尸 1520+50+50+70=1690C（式中，50、50和70分別為出鋼過程中的溫降、鎮(zhèn)靜及爐后處理過程中的溫降和過熱度）Q二91. 725X 0. 69

18、9X （1520-25）+272+0. 837X （1690-1520）1 = 133853. 834KJ（2）爐渣物理熱Q：令終渣溫度與鋼水溫度相同，則得：Q二8. 184X 1. 248X （1690-25）+2091=18716. 153KJ（3）爐氣、煙塵、鐵珠和噴濺金屬的物理熱根據(jù)其數(shù)量、相應(yīng)的溫度和熱容確定。詳見表22。表22某些物料的物理熱項目參數(shù)/KJ備注爐氣物理熱11.438X1. 137X (1450-25) 1 = 18532. 1331450C系爐氣和煙塵的溫度煙塵物理熱1.5X0. 996X (1450-25) +209二2442. 45渣中鐵珠物理熱0. 491 X

19、0. 699 X ( 152025) +272+0. 837 X (16901520) 1=716.5141520T：系鋼水熔點噴濺金屬物理熱1XO. 699 X (1520 25) +272+0. 837 X (16901520 ) =1467. 80合計=23158. 897（4）生白云石分解熱根據(jù)其用量、成分和表19所示的熱效應(yīng)計算之。a=2. 5X （36. 40%X 1690+25. 60%X 1405）=2437. 10KJ（5）熱損失心 其它熱損失帶走的熱量一般約占總熱收入的38%。本計算取5%,則得:4二204339 34X5%=10216. 967KJ（6）廢鋼吸熱：用于加熱廢鋼的熱量系剩余熱量，即：Q Q- Q QQq=15956. 389KJ故廢鋼加入量廉為：W產(chǎn)15956. 389一 1 X 0. 699 X （1523-25）+272+0. 837X（1690-1523）=10. 934kg即廢鋼比為:20.12100 + 20.12XI00%=