轉(zhuǎn)爐熱平衡計算介紹及物料平衡

1、頂?shù)讖痛缔D(zhuǎn)爐煉鋼的物料平衡和熱平衡算出5.1 物料平衡算出5.1.1 算出原始數(shù)據(jù)基本原始數(shù)據(jù)有：冶煉鋼種及成分、鐵和廢鐵的成分、終點鋼水成分；造渣用溶劑及爐襯等原材料成分；脫氧和合金化用鐵合金的成分及回收率；其他工藝參數(shù)。表5-1 鋼種、鐵、廢鋼和終點鋼水的成分設定值 成分含量/%類別CSiMnPS鋼種Q235設定值0.180.25.0.550.0450.050鐵設定值4.000.800.500.300.035廢鋼設定值0.180.250.550.0300.030終點鋼水設定值0.10痕跡0.150.0200.021表5-2 原材料成分成分含量/%類別CaSiO2MgOAl2O3Fe2O3C

2、aF2P2O5SCO2H2OC灰分揮發(fā)分石灰88.002.50.2.601.500.500.100.060.10螢石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.400.8025.601.0036.20爐襯1.203.0078.801.401.6014.0焦炭0.5881.512.45.52表5-3 鐵合金成分（分子）及其回收率（分母） 成分回收率/%類別CSiMnAlPSFe硅鐵73.00/750.50/802.50/00.03/1000.05/10023.92/100錳鐵6.60/900.50/7567.8/800.13/1000.23/10024

3、.74/100表5-4 其他工藝參數(shù)設定值名稱參數(shù)終渣堿度w(CaO)/w(SiO2)=3.5螢石加入量為鐵量的0.5生白云石加入量為鐵量的2.5爐襯蝕損量為鐵量的0.3終渣w(FeO)含量(按向鋼中傳氧量w(Fe2O3)1.35w(FeO)折算)15而(Fe2O3)/ (FeO)=1/3,即金屬中C的氧化產(chǎn)物w(Fe2O3)5，w(FeO)=8.25煙塵量為鐵量的1.5(其中w(FeO)為75w(Fe2O3)的20)噴濺鐵損為鐵量的1渣中鐵損(鐵珠)為渣量的6氧氣純度99，余者為N2 1%爐氣中自由氧含量0.5(體積比)氣化去硫量占總?cè)チ蛄康?/3金屬中C的氧化物90C氧化成CO，10C氧化

4、成CO2廢鋼量由熱平衡算出確定，本算出結(jié)果為鐵量的13.35，即廢鋼比為11.785.1.2物料平衡的基本項目收入項有：鐵、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。5.1.3 算出步驟以100鐵為基礎進行算出。第一步：算出脫氧和合金化前的總渣量及其成分?？傇堪ㄨF中元素氧化，爐襯腐蝕和加入溶劑的成渣量。其各項成渣量分別列于表5-5表5-7?？傇考俺煞秩绫?-8所示：表5-5 鐵中元素的氧化產(chǎn)物及其成渣量元素反應產(chǎn)物元素氧化量/耗氧量/氧化產(chǎn)物量/備注CC+1/2O2CO3.90×90%=3.513.51*16

5、/12=4.0118.190C+O2CO23.90×10%=0.390.39*32/12=0.8911.430SiSi+O2(SiO2)0.800.80*32/28=0.9141.714入渣MnMn+1/2O2(MnO)0.350.35*16/44=0.1020.452入渣P2P+5/2O2(P2O5)0.280.28*80/62=0.3610.641入渣SS+O2SO20.014×1/3=0.0050.005*32/32=0.0050.010S+CaO(CaS)+(O)0.014×2/3=0.0090.009*(-16)/32=-0.0050.021入渣FeFe

6、 +1/2O2(FeO)1.065×56/72=0.8310.832*16/46=0.2381.069入渣（表5-8）2Fe+3/2O2(Fe2O3)0.600×112/160=0.4210.421*48/112=0.1810.602入渣（表5-8）合計6.5966.698成渣量4.499入渣組分之和由CaO還原出的氧量；消耗CaO量=0.009×56/32=0.016。表5-6 爐襯腐蝕的成渣量爐襯蝕損渣量/成渣組分/氣態(tài)氧化物/耗氧量/ CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO，CO20.3(表5-4)0.0040.0090.23

7、60.0040.0050.0880.0150.062合計0.2580.1040.062表5-7 加入溶劑的成渣量類別加入量成渣組分/氣態(tài)氧化物 CaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2螢石0.50.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.440.008白云石2.50.910.640.020.0250.905石灰6.675.8540.1730.1670.10.0330.0070.0090.0070.3090.002合計6.7650.8160.2150.1330.0410.0120.010.440.0151.2140.0

8、02成渣量8.43211.2305.石灰加入量：渣中已含CaO=-0.016+0.004+0.002+0.910=0.900；渣中已含SiO2=1.710+0.009+0.028+0.020=1.767；因設定終渣堿度R=3.5，故石灰加入量為：5.285/(88.0%-3.5×2.50%)=6.67.石灰加入量=(石灰中CaO含量）-（石灰中SCaS自耗的CaO量）表5-8 總渣量及其成分爐渣成分/ CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5 CaS合計元素氧化成渣1.710.4521.0650.60.410.0214.264石灰石成渣

9、量5.8540.1670.1730.10.0330.0070.0096.343爐襯蝕損成渣0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣0.910.020.640.0251.595螢石成渣量0.0020.0280.0030.0080.0080.440.0050.0010.495總成渣量6.771.9341.0520.1370.4521.0650.6460.440.4220.03112.955質(zhì)量分數(shù)/%52.2614.938.121.063.498.255.003.403.260.24100.表中除(FeO)和(Fe2O3)以外的總渣量為6.779+1.934+1.0

10、52+0.137+0.452+0.440+0.422+0.031=11.238，而終渣(FeO)=15%(表5-4)，故總渣量為11.238/86.75%=12.955。.(FeO)=12.910×8.25%=1.069 (Fe2O3)=12.910×5%-0.033-0.005-0.008=0.602第二步：算出氧氣消耗量。氧氣的實際消耗量系消耗項目與供入項目之差。見表5-9表5-9 實際耗氧量耗氧項/供氧項/實際耗氧量/鐵中元素氧化耗氧量（表5-5） 6.698爐襯中碳氧化消耗氧量（表5-6） 0.062石灰中S與CaO反應還原出的氧化量（表5-7）0.002煙塵中鐵氧

11、化消耗氧量（表5-4） 0.3407.157-0.002+0.064=7.219爐氣自由氧含量（表7-10） 0.057合計 7.157合計 0.002第三步：算出爐氣量及其成分。爐氣中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O.其中CO、CO2、SO2和H2O可由表7-5表7-7查得，O2和N2則由爐氣總體積來確定?，F(xiàn)算出如下：爐氣總體積VV=+0.5%V+ (V) =8.089 m³式中VgCO、CO2、SO2和H2O各組分總體積，m³。本算出中其值為：=7.998m³ Gs不計自由氧的氧氣消耗量，。本算出中其值為：6.698+0.062+0.34=7.10（見表

12、5-9） Vx石灰中的S和CaO反應還原出的氧量（其質(zhì)量為：0.002，見表5-9），m³。0.5%爐氣中自由氧含量。 99自由氧純度為99%轉(zhuǎn)換得來。算出結(jié)果列于表5-10表5-10 爐氣量及其成分爐氣成分爐氣量/爐氣體積/ m³體積分數(shù)/%CO8.2788.278×22.4/28=6.62281.87CO22.6592.659×22.4/44=1.35316.73SO20.0100.010×22.4/64=0.0040.04H2O0.0150.015×22.4/18=0.0190.23O20.0570.040.50N20.0640

13、.0510.63合計11.0838.089100.00.爐氣中O2的體積為8.089*0.5%=0.040m³；質(zhì)量為0.040×32/22.4=0.057。.爐氣中N2的體積系爐氣總體積與其他成分體積之差；質(zhì)量為0.051*28/22.4=0.064第四步：算出脫氧和合金化前的鋼水量。鋼水量Qg鐵量-鐵中元素的氧化量-煙塵、噴濺和渣中的鐵損 100-6.596-1.50×(75%×56/72+20%×112/160)+1+12.955×6% 90.542由此可以編制出未加廢鋼、脫氧與合金化前的物料平衡表5-11表5-11 未加廢鋼時

14、的物料平衡表收入支出項目質(zhì)量/%項目質(zhì)量/%鐵10085.33鋼水90.5476.82石灰6.675.69爐渣12.9610.00螢石0.500.43爐氣11.089.40生白云石2.502.13噴濺1.000.85爐襯0.300.26煙塵1.501.27氧氣7.216.16渣中鐵珠0.770.66合計117.39100.00合計117.55100注：算出誤差為（117.39-117.55）/117.39×100%=-0.1%第五步：算出加入廢鋼的物料平衡。如同第一步算出鐵中元素氧化量一樣，利用表5-1中的數(shù)據(jù)先確定廢鋼種元素的氧化量及其消耗量和成渣量（表5-12），再將其與表5-1

15、1歸類合并，逐得到加入廢鋼后的物料平衡表5-13和表5-14。表5-12 廢鋼中元素的氧化產(chǎn)物及其成渣量元素反應產(chǎn)物元素氧化量/耗氧量產(chǎn)物量進入鋼中的量/CCCO13.35×0.08%×90%=0.0100.0130.023CCO213.35×0.08%×90%=0.0010.0030.004SiSi(SiO2)13.35×0.25%=0.330.0380.071MnMn(MnO)13.35×0.37%=0.0490.0150.065PP(P2O5)13.35×0.01%=0.0010.0010.002SSSO213.35&

16、#215;0.009%×1/3=0.00040.00040.0008S+CaO(CaS)+(O)13.35×0.009%×2/3=0.0008-0.00040.002合計0.0950.0713.35-0.095=13.255成渣量/0.14表5-13 加入廢鋼的物料平衡表（以100鐵為基礎）收入支出項目質(zhì)量/%項目質(zhì)量/%鐵10076.56鋼水90.54+13.25=103.7979.06廢鋼13.3510.22爐渣12.96+0.14=13.109.98石灰6.675.107爐氣11.08+0.028=11.108.46螢石0.50.383噴濺1.000.76輕

17、燒白云石2.51.914煙塵1.501.14爐襯0.30.230渣中鐵珠0.780.59氧氣7.295.5820合計130.61100.00合計130.77100.00注：算出誤差為（130.61-130.77）/130.61×100%=-0.1%表5-14 加入廢鋼的物料平衡表（以100鐵+廢鋼為基礎）收入支出項目質(zhì)量/%項目質(zhì)量/%鐵88.2076.56鋼水91.5579.06廢鋼11.7710.22爐渣11.569.98石灰5.895.11爐氣9.808.46螢石0.440.38噴濺0.880.76輕燒白云石2.211.92煙塵1.321.14爐襯0.260.23渣中鐵珠0.6

18、90.6氧氣6.435.58合計115.40100合計115.60100第六步：算出脫氧和合金化后的物料平衡?，F(xiàn)根據(jù)鋼種成分設定值（表5-1）和鐵合金成分及其回收率（表5-3）算出錳鐵和硅鐵的加入量，在算出其元素的燒損量。將所有的結(jié)果與表7-14合并，及得到煉一爐鋼的總物料平衡表。錳鐵加入量WMn為： 硅鐵加入量WSi為： 鐵合金中元素燒損量和產(chǎn)物量列于表5-15。脫氧和合金化后的鋼水成分如下：表5-15 鐵合金中元素燒損量和產(chǎn)物量類別元素燒損量脫氧量/成渣量/爐氣量/入鋼量錳鐵C0.59×6.60%×10%=0.0040.0110.0150.59×6.60%&#

19、215;90%=0.035Mn0.59×67.80%×20%=0.0800.0230.1030.59×67.80%×80%=0.320Si0.59×0.50%×25%=0.0010.0010.0020.59×0.50%×75%=0.002P0.59×0.23%=0.001S0.59×0.13%=0.001Fe0.59×24.74%=0.146合計0.0850.0350.1050.0150.505硅鐵Al0.42×2.50%×100%=0.0110.0100.021M

20、n0.42×0.50%×20%=0.00040.00010.0010.42×0.50%×80%=0.002Si0.42×73.00%×25%=0.0770.0880.1650.42×73.00%×75%=0.230P0.42×0.05%=0.0002S0.42×0.03%=0.0001Fe0.42×23.92%=0.100合計0.0880.0980.1870.332總計0.1730.1330.2920.0150.837可見，含碳量尚未達到設定值。為此需在鋼包內(nèi)加焦炭增碳。其加入量W1為

21、： 焦粉生成的產(chǎn)物如下：碳燒損量/耗氧量/氣體量/成渣量/碳入鋼量/0.06×81.50%×25%=0.0120.0320.044+0.06×（0.58+5.52）%=0.0470.06×12.40%=0.0070.06×81.50%×75%=0.037由此可得整個冶煉過程（即脫氧和合金化后）的總物料平衡表5-16。表5-16 總物料平衡表收入支出項目質(zhì)量/%項目質(zhì)量/%鐵88.274.47鋼水91.55+0.837+0.037=92.4277.24廢鋼11.779.94爐渣11.56+2.92+0.007=14.4912.11石灰5

22、.894.97爐氣9.80+0.015+0.047=9.868.24螢石0.440.37噴濺0.880.74輕燒白云石2.211.87煙塵1.321.10爐襯2.261.91渣中鐵珠0.690.57氧氣6.65.57錳鐵0.590.50硅鐵0.420.35焦粉0.060.05合計119.44100.00合計119.56100.算出誤差為(119.44-119.56)/119.44×100%=-0.1%.可以近似的認為(0.133+0.032)的氧量系出鋼水二次氧化帶入。5.2 熱平衡算出5.2.1算出所需的原始數(shù)據(jù)算出所需的基本原始數(shù)據(jù)有：各種入爐料及產(chǎn)物的溫度（表5-17）；物料平

23、均熱熔（表5-18）；反應熱效應（表5-19）；融入鐵的元素對鐵熔點的影響（表5-20）。其他工藝參數(shù)參照物料平衡選取。表5-17 入爐物料及產(chǎn)物的溫度設定值名稱入爐物料產(chǎn)物鐵廢鋼其他原料爐渣爐氣煙塵溫度/12852525與鋼水相同14501450表5-18 物料平均熱熔物料名稱生鐵鋼爐渣礦石煙塵爐氣固態(tài)平均熱熔kJ/（·K）0.7450.699-1.0470.996-融化潛熱kJ/218272209209209-液態(tài)或氣態(tài)平均熱熔kJ/（·K）0.8370.8371.248-1.137表5-19 煉鋼溫度下的反應熱效應組元化學反應/kJ·k mol-1/kJ&#

24、183;kg-1CC+1/2 O2=CO 氧化反C+ O2=CO2氧化反應41807234834SiSi + O2= (SiO2 氧化反應81768229202MnMn +1/2 O2= (MnO) 氧化反應3617406594P2P+5/2 O2= (P2O5) 氧化反應117656318980FeFe +1/2 O2= (FeO) 氧化反應2382294250Fe2Fe +3/2 O2= (Fe2O3) 氧化反應7224326460SiO2(SiO2)+2(CaO)=(2CaO·SiO2) 成渣反應971331620P2O5(P2O5)+4(CaO)=(

25、4 CaO·P2O5) 成渣反應6930544880CaCO3CaCO3=(CaO)+ CO2 分解反應1690501690MgCO3MgCO3=MgO+ CO2 分解反應1180201405表5-20 融入鐵的元素對鐵熔點的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、O在鐵中極限溶解度/%5.4118.5無限2.80.1835.0無限融入1%元素使鐵熔點降低值/65707580859010085302531.5N、H、O融入使鐵熔點降低值/=6適用含量范圍/%11.02.02.53.03.54.03150.70.081185.2.2 算出步驟以100鐵為基礎第一步：算出熱收入Qs。熱收

26、入項包括：鐵物理熱；元素氧化熱及成渣熱；煙塵氧化熱；爐襯中碳的氧化熱。(1) 鐵物理熱先根據(jù)純鐵熔點、鐵成分以及溶入元素對鐵熔點的降低值(見表5-17、表5-1和表5-20)算出鐵熔點Tt，然后由鐵溫度和生鐵熱容(見表5-17和表5-18)確定 。 =1536(4.0×100+0.8×8+0. 5×5+0.3×30+0.035×25)6=1111 () =100 ×0.745×(111125)+218+0.837×(12851111)=117270.8(KJ)(2) 元素氧化熱及成渣熱由鐵中元素氧化量和反應熱效應(

27、見表5-19)可以算出，其結(jié)果列于表5-21。 表5-21元素氧化熱和成渣熱反應產(chǎn)物氧化熱或成渣熱/kJ反應產(chǎn)物氧化熱或成渣熱/kJCCO3.51×11639=40852.89FeFe2O30.421×6460=2719.66CCO20.39×34834=135853.26PP2O50.28×18980=5314.4SiSiO20.80×29202=23361.6P2O54CaO·P2O50.422×4880=2059.36MnMnO0.420×6594=2769.48SiO22CaO·SiO21.934

28、×1620=3133.08FeFeO0.831×4250=3531.75合計Qy97327.48(3) 煙塵氧化熱由表5-4中給出的煙塵量參數(shù)和反應熱效應算出可得。1.5×(75×56/72×4250+20%×112/160×6460)=5075.35kJ(4) 爐襯中碳的氧化熱0.3×14×90×116390.3×14×10×34834586.25kJ故熱收入總量為=117270.8+97327.48+5075.35+586.25=220259.88kJ第二步：算

29、出熱支出。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Qg先按求鐵熔點的方法確定鋼水熔點Tg ；再根據(jù)出鋼和鎮(zhèn)靜時的實際溫降(通常前者為4060，后者約為35/min，具體時間與盛鋼桶大小和澆注條件有關)以及要求的過熱度(一般為5090)確定出鋼溫度TZ ；最后由鋼水熱容算出物理熱。Tg1536(0.10×650.15×50.020×300.021×25)61522式中，0.10、0.15、0.020和0.021分別為終點鋼水中C、Mn

30、、P、S的含量。TZ15225050701692式中，50、50、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。Qg90.54×0.699×(1522-25)2720.837×(1692-1522)132251.14kJ(2) 爐渣物理熱Qr令終渣溫度與鋼水溫度相同，則得：Qr12.955×1.248×(1649-25)20928964.17kJ(3) 爐氣、煙塵、鐵珠和噴濺金屬的物理熱Qx 。根據(jù)其數(shù)量、相應的溫度和熱容確定。詳見表5-22。表5-22某些物料的物理熱項 目參 數(shù)/kJ備 注爐氣物理熱11.083×1.137×(145025)=179571450系爐氣和煙塵的溫度煙塵物理熱 1.5×0.996×(145025)+209=2442.45渣中鐵珠物理熱12.955×6%&