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1、5 转炉炼钢的物料平衡和热平衡计算5.1物料平衡计算5.1.1计算原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及其成分、铁水和废钢的成分、终点钢水成分(表5.1)；造渣用熔剂及炉衬等原材料的成分(表5.2)；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率(表5.3)；其他工艺参数(表5.4)。表5.1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值 成分含量%类别CSiMnPSQ2350.180.250.550.020.050铁水预定值4.10.30.40.190.06废钢0.180.250.550.030.03终点钢水预定值0.10.120.0190.036本计算设定的钢种为20CrMnTi。C和Si按实际生产情况选取；
2、Mn、P和S分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在钢水中设定。表5.2 原材料成分(%)成分含量类类别CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰88.002.50.2.601.500.500.100.060.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.400.8025.601.0036.20炉衬1.203.0078.801.401.6014.0焦炭0.5881.512.45.52表5.3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母） 成分回收率/%类别CSiMnAlPSFe硅铁73.00/75
3、0.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.8/800.23/1000.13/10024.74/10010 %与氧生成CO2。表5.4 其他工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度w(CaO)/w(SiO)=3.5渣中铁损(铁珠)为渣量的6萤石加入量为铁水量的0.5%氧气纯度99，余者为N2生白云石加入量为铁水量的2.5炉气中自由氧含量0.5(体积比)炉衬蚀损量为铁水量的0.3气化去硫量占总去硫量的1/3终渣w(FeO)含量(按向钢中传氧量w(Fe2O3)1.35w(FeO)折算)15而(Fe2O3)/ (FeO)=1/3,即
4、金属中C的氧化产物w(Fe2O3)5，w(FeO)=8.25金属中C的氧化物90C氧化成CO，10C氧化成CO2烟尘量为铁量的1.5(其中w(FeO)为75w(Fe2O3)的20)废钢量由热平衡计算确定，本计算结果为铁水量的12.49%,即废钢比为11.1%。喷溅铁损为铁水量的15.1.2物料平衡基本项目收入项目：铁水、废钢、熔剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。支出项目：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。5.1.3计算步骤 以100kg铁水为基础进行计算第一步：计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。总渣量包括铁水中元素氧化，炉衬蚀损和加入熔剂的成渣量。其中各项成渣量分别
5、列于表5.5表5.7。总渣量及其成分如表5.8所示。表5.5 铁水中元素的氧化产物及其成渣量元素反应产物元素氧化量/耗氧量/kg产物量/备注CCCO4.0*90%=3.64.88.4CCO24.0*10%=0.41.0631.463SiSi(SiO2)0.30.3430.643入渣MnMn(MnO)0.280.080.36入渣PP(P2O5)0.1710.22060.391入渣表5.5(续)铁水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/kg备注SSSO20.024*1/3=0.0080.0080.016S+CaO(CaS)+(O)0.024*2/3=0.016-
6、0.0080.036（CaS）入渣FeFe(FeO)0.537*56/72=0.4180.1190.537入渣（表5.8）Fe(Fe2O3)0.302*112/160=0.2110.0910.302入渣（表5.8）合计5.39686.7166成渣量2.269由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量=0.01656/32=0.028kg。表5.6 炉衬蚀损的成渣量炉衬蚀损渣量/成渣组分/气态氧化物/耗氧量/CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO，CO20.3(表6.4)0.0040.0090.2360.0040.0050.0880.0150.062合计0.2580.1030.0
7、62表5.7 加入溶剂的成渣量类别加入量成渣组分/气态氧化物CaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2萤石0.50.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.440.0075白云石2.50.910.640.020.0250.905石灰1.971.7320.0510.0490.02960.00990.0020.0030.0020.0910.00006合计6.7750.8160.2150.1330.0410.0120.010.440.01451.2140.002成渣量8.442石灰的加入量计算如下：由表5.5表5.7可知，渣中已含有（
8、CaO）= -0.028+0.004+0.002+0.91=0.888kg；渣中已含(SiO2)=0.643+0.009+0.028+0.02=0.7kg。 因设定的终渣碱度R=3.5，故石灰加入量为：Rw(SiO2)-w(CaO)/ w(CaO石灰）-Rw(SiO2石灰)=1.97kg。(石灰中CaO含量) -(石灰中SCaS自耗的CaO量。石灰中的S与CaO反应还原出来的氧量，计算方法同表5.5的标注。第二步：计算氧气消耗量。氧气实际消耗量系消耗项目与供入项目之差。见表5.9 表5.8 总渣量及其成分炉渣成分/CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合计元
9、素氧化成渣0.6430.360.5370.3020.3910.0362.269石灰石成渣量1.7320.050.050.030.010.0020.0031.877表5.8(续)总渣量及其成分炉渣成分/CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合计炉衬蚀损成渣0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣0.910.020.640.0251.595萤石成渣量0.0020.0280.0030.0080.0080.440.0050.0010.495总成渣量2.6480.750.9290.0670.360.5370.3250.440.3980.
10、046.494质量分数/%40.7811.5514.311.035.548.2656.786.130.62100总渣量计算如下：因表中除了(FeO)和（Fe2O3）以外的渣量为：2.648+0.75+0.929+0.067+0.36+0.44+0.398+0.04=5.632kg。而终渣w(FeO)=15%，所以总渣量为：5.63286.75%=6.49kg。w(FeO)=6.4948.25%=0.537kg。w(Fe2O3)=0.302kg。表5.9 实际耗氧量耗氧项/供氧项/实际耗氧量/铁水中元素氧化耗氧量（表5.5） 6.717炉衬中碳氧化消耗氧量（表5.6） 0.062石灰中S与CaO
11、反应还原出的氧化量（表5.7）0.00006烟尘中铁氧化消耗氧量（表5.4） 0.3407.179-0.00006+0.069=7.248炉气自由氧含量（表5.10） 0.060合计 7.179合计 0.00006炉气N2(存在于氧气中，见表5.4)的质量，详见表5.10。第三步：计算炉气量及其成分。炉气中含有CO、CO2、N2、SO2、和H2O。其中CO、CO2、SO2和H2O可由表5.55.7表查得，O2和N2则由炉气总体积来确定。现计算如下：炉气总体积： 式中： CO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m3。本计算中，其值为： 8.48822.4/28+2.7422.4/44+0.01
12、622.4/64+0.009522.4/18=8.203 m3； 不计自由氧的氧气消耗量，kg。本计算中，其值为：6.717+0.062+0.34=7.119kg(见表5.9)； 石灰中的S与CaO反应还原出的氧量和铁水中S由CaO还原出的氧量之和,其值为0.00006kg； 0.5% 炉气中自由氧含量； 99 由氧气纯度为99%转换得来。 计算结果列于表5.10。表5.10 炉气量及其成分炉气成分炉气量/炉气体积/ m体积分数/%CO8.4888.488*22.4/28=6.7981.85654CO22.4744082.474*22.4/44=1.2615.18987SO20.0160.01
13、6*22.4/64=0.00560.067511H2O0.009470.0095*22.4/18=0.01180.216998O20.05928570.04150.500301N20.2326250.18612.24352合计11.2797898.295100炉气中O2的体积为8.2950.5%=0.0415 m3；质量为0.041532/22.4=0.059kg。炉气中N2的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.018628/22.4=0.233。 第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。 钢水量Qg = 铁水量铁水中元素的氧化量烟尘、喷溅和渣中的铁损=1005.39681.50(75
14、%56/72+20%112/160)+1+6.4946%=92.129kg据此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表5.11。表5.11 未加废钢时的物料平衡表收入支出项目质量/%项目质量/%铁水10088.874669钢水92.12981.6807石灰1.971.750831炉渣6.4945.757519萤石0.50.4443733炉气11.2799.999855生白云石2.52.2218667喷溅10.886591炉衬0.30.266624烟尘1.51.329886氧气7.2486.441636渣中铁珠0.389640.345451合计112.518100合计112.7916410
15、0 第五步：计算加入废钢的物料平衡。（先进行热平衡计算确定废钢加入量）如同“第一步”计算铁水中元素氧化量一样，利用表5.1的数据先确定废钢中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量(表5.12)，再将其与表5.11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表5.13和表5.14。表5.12 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/耗氧量产物量进入钢中的量/CCCO0.00899280.01199040.0209832（入气）CCO20.00099920.0026645330.003663733（入气）SiSi(SiO2)0.0312250.0356857140.066910714MnMn(MnO)
16、0.1024180.0297943270.132212327PP(P2O5)0.0012490.0016116130.002860613SSSO20.00037470.00037470.0007494（入气）S+CaO(CaS)+(O)0.0007494-0.00037470.00168615（CaS）合 计0.156060.081746588成渣量/0.203669804表5.13 加入废钢的物料平衡表（以100铁水为基础）收入支出项目质量/%项目质量/%铁水10079.942633钢水92.129+12.344=104.47383.3315121废钢12.499.9848349炉渣6.49
17、4+0.2037=6.69775.34233217石灰1.971.5748699炉气11.28+0.025=11.319.0212725萤石0.50.3997132喷溅10.79763683轻烧白云石2.51.9985658烟尘1.51.19645524炉衬0.30.2398279渣中铁珠0.389640.31079121氧气7.248+0.0817=7.32975.5685384合计125.0897100合计125.37034100第六步：计算脱氧和合金化后的物料平衡。先根据钢种成分设定值(表5.1)和铁合金成分及其回收率(表5.3)锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所有结果与表5
18、.14，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。 表5.14 加入废钢的物料平衡表（以100铁水+废钢为基础）收入支出项目质量/%项目质量/%铁水88.95216879.942633钢水92.74797383.33151废钢11.1101269.9848349炉渣5.94601575.342332石灰1.75235771.5748699炉气10.0406769.021272萤石0.44476080.3997132喷溅0.88776980.797637轻烧白云石2.22380421.9985658烟尘1.33165471.196455炉衬0.26685650.2398279渣中铁珠0.34591060.3
19、10791氧气6.19611265.5685384合计111.27100合计111.3100锰铁加入量WMn为： 硅铁加入量WSi为： 铁合金中元素的烧损量和产物量列于表5.15表5.15 铁合金中元素烧损量和产物量类别元素烧损量脱氧量/成渣量/炉气量/入钢量锰铁C0.0040.010.0150.037Mn0.0840.0240.1080.335Si0.0010.0010.0020.002P0.001S0.001Fe0.154合计0.0890.0350.110.0150.53表6.15(续) 铁合金中元素烧损量和产物量类别元素烧损量/kg脱氧量/kg成渣量/kg炉气量/kg入钢量/kg硅铁Al
20、0.0110.010.006Mn0.00040.00040.00050.002Si0.0070.0880.1650.23P0.0002S0.0001Fe0.1合计0.08840.09810.17150.3323总计0.1770.1330.2820.0150.862可以忽略不计。脱氧和合金化后的钢水成分如下：w(C)=0.10%+0.037/92.29100%=0.14%w(Si)= (0.002+0.23)/92.29100%=0.25%w(Mn)=0.18%+(0.334+0.002)/92.29100%=0.55%w(P)=0.02%+0.001/92.29100%=0.021%w(S)=
21、0.021%+0.001/92.29100%=0.022%由此可得冶炼过程(即脱氧和合金化后)的总物料平衡表5.16 。表5.16 总物料平衡表收入支出项目质量/%项目质量/%铁水88.9521679279.43138钢水93.6099729378.606905废钢11.110125779.920979炉渣6.206015710.20617894石灰1.7523577081.564798炉气10.090676298.742474249萤石0.444760840.397157喷溅0.8877697870.744328303轻烧白云石2.2238041981.985784烟尘1.331654681
22、.116492454炉衬0.2668565040.238294渣中铁珠0.345910620.583621056氧气6.1961126445.532926锰铁0.620.55364表6.16（续） 总物料平衡表硅铁0.420.375046合计111.9861856100合计112.4721005.2热平衡计算5.2.1计算所需原始数据计算所需基本原始数据有：各种入炉料及产物的温度(表5.17)；物料平均热容(表5.18) ；反应热效应(表5.19)；溶入铁水中的元素对铁熔点的影响(表5.20)。其他数据参照物料平衡选取。 表5.17 入炉物料及产物的温度设定值名称入炉物料产物铁水废钢其他原料炉
23、渣炉气烟尘温度/13002525与钢水相同14501450纯铁熔点为1536表5.18 物料平均热熔物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热熔kJ/（K）0.7450.699-1.0470.996-熔化潜热kJ/218272209209209-液态或气态平均热熔kJ/（K）0.8370.8371.248-1.1375.2.2计算步骤以100kg铁水为基础第一步：计算热收入Qs。热收入项包括：铁水物理热；元素氧化热及成渣热；烟尘氧化热；炉衬中碳的氧化热。铁水物理热Qw；先根据纯铁熔点、铁水成分以及溶入元素对铁熔点的降低值(表5.17、表5.1和表5.20)计算铁水熔点Tt，然后由铁水温度和生铁热
24、容(表5.17和表5.18)确定Qw。Tt =1536-(4.1100+0.38+0.45+0.1930+0.0625)-6=1108 Qw =1000.745(1108-25)+218+0.837(1300-1108)=118554kJ元素氧化热及成渣热Qy：由铁水中元素氧化量和反应热效应(表5.19)可以算出，其结果列于表5.21。表5.19 炼钢温度下的反应热效应组元化学反应/kJk mol-1/kJkg-1CC+1/2 O2=CO 氧化反应13942011639CC+ O2=CO2氧化反应41807234834SiSi + O2= (SiO2 氧化反应81768229202MnMn +
25、1/2 O2= (MnO) 氧化反应3617406594P2P+5/2 O2= (P2O5) 氧化反应117656318980FeFe +1/2 O2= (FeO) 氧化反应2382294250Fe2Fe +3/2 O2= (Fe2O3) 氧化反应7224326460SiO2(SiO2)+2(CaO)=(2CaOSiO2) 成渣反应971331620P2O5(P2O5)+4(CaO)=(4 CaOP2O5) 成渣反应6930544880CaCO3CaCO3=(CaO)+ CO2 分解反应1690501690MgCO3MgCO3=MgO+ CO2 分解反应1180201405表6.20 融入铁水
26、的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、O在铁中极限溶解度/%5.4118.5无限2.80.1835.0无限融入1%元素使铁熔点降低值/65707580859010085302531.5N、H、O融入使铁熔点降低值/=6适用含量范围/%11.02.02.53.03.54.03150.70.08118表6.21元素氧化热和成渣热反应产物氧化热或成渣热/kJ反应产物氧化热或成渣热/kJCCO41900.4FeFe2O31363.06CCO213933.6PP2O53245.58SiSiO28760.6P2O54CaOP2O51961.76MnMnO1846.32SiO22CaOSi
27、O21177.74FeFeO1776.5合计Qy75965.56烟尘氧化热Qc：由表5.4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。 Qc=1.5(75%56/724250+20%112/1606460)=5075.35kJ炉衬中碳的氧化热Q1：根据炉衬蚀损量及其含碳量确定。 Q1=0.314%90%11639+0.314%10%34834=586.25kJ故热收入总值为： Qs= Qw +Qy+Qc+ Q1=200181.06kJ第二步：计算热支出Qz。 热支出项包括：钢水物理热、炉渣物理热、烟尘物理热、炉气物理热、渣中铁珠物理热、喷溅物(金属)物理热、轻烧白云石分解热、热损失、废钢吸热。钢水
28、物理热Qg： 钢水熔点Tg=1536-（0.1*65+0.12*5+0.019*30+0.036*25）-6=1521.43 式中，0.10、0.12、0.019和0.036分别为终点钢水C、Mn、P、S的含量。 出钢温度Tz=1521.43+50+50+70=1691.43式中，50、50和70分别为出钢过程中温降、镇静及炉后处理过程中的温降和过热度。 Qg=92.129*0.699*(1520-25)+272+0.837*(1690-1520)=131888.45KJ炉渣物理热Qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得： Qr=6.494*1.248*(1690-25)+209=14851.26
29、KJ.炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热Qx。根据其数量、相应的温度和热容确定。详见表5.22。轻烧白云石分解热Qb：根据其用量、成分和表5.19所示的热效应计算。 Qb = 2.5*（0.364*1690+0.256*1405）=2437.1KJ热损失Qq：其他热损失带走的热量一般占总热收入的3%8%。本计算取5%，则得： Qq =200181.06*5%=10009.05kJ表5.22某些物料的物理热项 目参 数/kJ备 注炉气物理热11.28*1.137*(1450-25)=18276.141450系炉气和烟尘的温度烟尘物理热1.5*0.996*(1450-25)+209=2442.45
30、渣中铁珠物理热0.39*0.699*(1520-25)+272+0.837*(1690-1520)=572.441520系钢水熔点喷溅金属物理热1*0.699*(1520-25)+272+0.837*(1690-1520)=1467.8合计22758.83 废钢吸热Qf：用于加热废钢的热量系声誉热量，即： Qf = QsQgQrQxQbQq = 18233.367kJ故废钢加入量Wf为： Wf =18233.367/0.699*(1521-25)+272+0.837*(1691-1521)=12.49kg即废钢比为： 若不计算炉渣带走的热量时： 第三步：列出热平衡表(表5.23)。表5.23热
31、平衡表收 入支 出项 目热量/kJ项 目热量/kJ铁水物理热118553.959.22333钢水物理热131888.4565.72597205元素氧化和成渣热75965.5637.94842炉渣物理热14851.267.401053691其中C氧化5583427.89175废钢吸热18233.3679.086510379Si氧化8760.64.376338炉气物理热18762.219.350056734Mn氧化1846.320.922325烟尘物理热2442.451.217183161P氧化3245.581.621322渣中铁珠物理热572.440.285272709Fe氧化3139.561.
32、56836喷溅金属物理热1467.80.731471041P2O5成渣1177.740.588337轻烧白云石分解热2437.11.214517014SiO2成渣1961.760.979993热损失10009.0534.98796322烟尘氧化热5075.362.535385炉衬中碳的氧化热586.250.29286合 计200181.07100合 计200664.13100应当指出，加入铁合金进行脱氧和合金化，会对热平衡数据产生一定的影响。对转炉用一般生铁冶炼低碳钢来说，所用铁合金种类有限，数量也不多。经计算，其热收入部分约占总热收入的0.8%1.0%，热支出部分约占0.5%0.8%，二者基本持平。