煉鋼過程中的物料平衡與熱平衡計算

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與能量守恒的基礎上。其主要目的是比較整個 冶煉過程中物料、能量的收入項和支出項，為改進操作工藝制度，確定合理的設計參數和提高煉鋼 技術經濟指標提供某些定量依據。應當指出，由于煉鋼系復雜的高溫物理化學過程，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，它對指導煉鋼生產和設計仍有重要的意義。本章主要結合實例闡述氧氣頂吹轉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據。1.1物料平衡計算（1）計算所需原始數據。基本原始數據有：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（表4）.表1鋼種、鐵水、廢鋼和終點鋼水的成分設定值成分含量/%類別、CSiMnPS鋼種H15Mn設定值50.0450.050鐵水設定值4.200.400.450.120.060廢鋼設定值50.0300.030終點鋼水設定值0.10痕跡0.180.0200.021本計算設定的冶煉鋼種為H15Mn。C和Si按實際生產情況選取；Mn、P和S分別按鐵水中相應成分含量的30%、10%和60%留在鋼水中設 定。表2原

3、材料成分f-成分含量類別、* *、CaOSiO2MgOAI2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分揮發(fā) 分石灰88.002.502.601.500.500.100.064.640.10螢仁10.305.500.601.601.5088.000.900.101.50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表3鐵合金成分（分子）及其回收率（分母）、成分含量/回收率類別、CSiMnAlPSFe硅鐵73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92

4、/100錳鐵6.60/900.50/7567.80/800.23/1000.13/10024.74/10010%C與氧生產CO2表4其它工藝參數設定值名稱參數名稱參數終渣堿度%CaO/%SiO2=3.5渣中鐵損（鐵珠）為渣量的6%螢石加入量為鐵水量的0.5%氧氣純度99%,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%氣化去硫量占總去硫量的1/3終渣I (FeO)含量(按(FeO) = 1.35(Fe2O3)折算)15%，而(Fe2O3)/ I(FeO) = 1/3 即(Fe2O3) = 5%(FeO)=8.25%金屬中C的氧化產物90

5、%C氧化成CO,10%C氧化成CO2煙塵量為鐵水量的1.5%(其中FeO為 75%, Fe2O3 為 20%)廢鋼量由熱平衡計算確定。本 計算結果為鐵水量的 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鐵水為基礎進行計算。第一步：計算脫氧和合金化前的總渣量及其成分?？傇堪ㄨF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。

6、氧氣實際消耗量系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物及其成渣量元素反應產物元素氧化量/ kg耗氧量/kg產物量/kg備注CC-COC-CO24.22x90%=3.7984.22x10%=0.4224.9201.0908.6101.500SiSi-(SiO2)0.4000.4570.857入渣MnMn(MnO)0.2700.0790.349入渣PP-(P2O5)0.1000.1290.229入渣Sstso2)S+(CaO)=(CaS) + (O)0.039x1/3=0.0130.039x2/3=0.0260.013 0.0130.0260.059(CaS)入渣FeFe-(F

7、eO)FeTFe2O3)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CaO量=0.013x56/32=0.023kg表6爐襯蝕損的成渣量爐襯蝕損量（kg）成渣組分/ kg氣態(tài)產物/ kg耗氧量/ kgCaOSiO2MgOAI2O3匡2。3CTOcto2CTO、CO20.3(據表4)0.0040.0090.2360.0040.0050.3x14%x90%x28/12=0.0880.3x14%x10%x44/12=0.01

8、50.3x14%(90%x16/12 + 10%x32/12)=0.062合計0.2580.1030.062表7加入溶劑的成渣量類別加入量/ kg成渣組分/ kg氣態(tài)產物/ kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2螢石0.5據（表4）0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005生白云2.5據(表0.910.640.020.020.90石4）00055石灰3.4553.0350.0900.0860.0520.0170.0030.0050.0030.1600.001合計3.9470.7330.1340.0850

9、.0250.0080.0060.4400.0081.0650.001成渣量7.634石灰加入量計算如下：由表57可知，渣中已含(CaO)= -0.455+0.004+0.002+0.910=0.461kg渣中已含(SiO2)=0.857+0.009+0.028+0.022=0.914kg.因設定的終渣堿度R=3.5 ;故石灰加入量為: Rjw(SiO2) -Jw(CaO)/w(CaO石灰)-Rxw(SiO2石灰)= 2.738/ ( 88.00% - 3.5x2.50% ) =3.45kg 為(石灰中CaO含量)一(石灰中S-CaS自耗的CaO量)， 由CaO還原出的氧量，計算方法同表5之注。

10、表8總渣量及其成分爐渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOBQCaF2P2O5CaS合計元素氧化成渣量/ kg0.8570.3490.6750.3790.2290.0592.548石灰成渣量/ kg3.0350.0860.0900.0520.0170.0030.0053.288爐襯蝕損成渣量/ kg0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣量/ kg1.0190.0220.7170.0281.786螢石成渣量/ kg0.0020.0280.0030.0080.0080.4400.0050.0010.495總渣量/ kg3.9511.0000.9690.0

11、890.3490.6750.4090.4400.2370.0658.184 %48.2812.2211.841.094.268.255.005.382.900.79100.00 總渣量計算如下：因為表8中除(FeO)和(Fez。)以外的渣量為5.965 + 1.700+1.102+0.124+0.615+0.440+0.540+0.038=7.100kg而終渣Jw(FeO) = 15%(表 4-4)，故總 渣量為 7.1/86.75%=8.184kgw(FeO)=8.184x8.25%=0.675kg.w(Fe2O3)=8.184x5%0.0170.0050.008=0.379kg.表9實際耗

12、氧量耗氧項/ kg供氧項/ kg實際氧氣消耗量/kg鐵水中元素氧化耗氧量（表5）6.965爐襯中碳氧化耗氧量（表6）0.062石灰中的S與CaO反應還原出的氧量（表7） 0.002煙塵中鐵氧化耗氧量（表4）0.3407.427-0.002 +0.066=7.491爐氣中自由氧含量（表10）0.060合計7.427合計0.002為爐氣中N2之重量，詳見表10第三步：計算爐氣量及其成分。爐氣中含有 CO、CO2、O2、N2、SO2和 H2O。其中 CO、CO2、SO2和 H2O 可由表 4-54-7 查得，O2和N2則由爐氣總體積來確定。現計算如下。爐氣總體積V:V = V + 0.5%V + f

13、224G + 0.5%V -Vz gz 991 32 sZ x JV = 99 V + 0.7G k = 99 x 8.619 + 0.7 x 8.1860.002 x 22.4/32 =8 721 m3 98.5098.50式中VgCO、CO2、SO2和H2O諸組分之總體積，m3。本計算中，其值為8.950 x22.4/28+2.8373GS一不計自由氧的氧氣消耗量，kg。本計算中，其值為7.851+0.062+0.23=8.619 m3（見表9）；VX一鐵水與石灰中的S與CaO反應還原出的氧量，m3。本計算中，其值為0.002kg（見表9）0.5%一爐氣中自由氧含量，m3；99由氧氣純度為

14、99%轉換得來。計算結果列于表10爐氣成分爐氣量/kg體積/ m3體積分數/ %CO8.69882.99CO22.58015.66SO20.0260.11H2O0.0080.12O20.0620.0420.50N20.0660.0520.62合計11.4388.384100.00爐氣中 O2體積為 8.384x0.5%=0.042 m3 ；質量為 0.042x32/22.4=0.062 kg。爐氣中N2的體積系爐氣總體積與其他成分的體積之差；質量為0.052x28/22.4=0.065kg。第四步：計算脫氧和合金化前的鋼水量。鋼水量。9=鐵水量一鐵水中元素的氧化量一煙塵、噴濺和渣中的鐵損= 1

15、00-5.699- 1.00 x( 75%x56/72+20%x112/160 ) +1+8.184x6%)=91.725kg據此可以編制脫氧和合金化前的物料平衡表(表11)。表11未加廢鋼時的物料平衡表收入支出項目質量/kg%項目質量/kg%鐵水100.0087.53鋼水91.7380.23石灰3.4553.02爐渣8.187.16螢仁10.500.44爐氣11.4410.00生白云石2.502.19噴濺1.000.87爐襯0.300.26煙塵1.501.31氧氣7.4916.56渣中鐵珠0.490.43合計114.25100.00合計114.34100.00注:計算誤差為(114.2511

16、4.34 )/114.25x100%= - 0.010%第五步：計算加入廢鋼的物料平衡。如同第一步”計算鐵水中元素氧化量一樣，利用表1的數據先確定廢鋼中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量（表12）,再將其與表11歸類合并，遂得加入廢鋼后的物料平衡表13和表14表12廢鋼中元素的氧化產物及其成渣量元素反應產物元素氧化量/ kg耗氧量/kg產物量/ kg進入鋼中的量/kgCC-COC-CO210.934 x 0.06% x90%=0.00810.934 x 0.06% x10%=0.0010.0110.0030.019（入氣）0.004（入氣）SiSi-(SiO2)10.934x0.03%=0.027

17、0.0310.058MnMn(MnO)10.934x0.74%=0.0400.0120.052PP-(P2O5)10.934x0.006%=0.0010.0010.002Sstso2）S10.934 x 0.009% x1/3=0.00030.0003-0.00040.0006 (入氣)樞皇皿堅殳皿%I.。 H%00lx8rnCN.LnCN( 8LnELnCNl8rnCN.LnCNI)只噩眼眥+V 坦*。.。I需6E。耳。oCN.tI。8.。3.6寸9.9蜀18%。Ln.tI00.1I9寸.1彳寸。.0+8 等.!I寸rnodHBt|.0 + 寸8lod寸Ln.mH9Ln8m+LnM.I6皇諭

18、也9要srfe矍皿!5。.。I8rnmI6寸rno.9LnZH8Ln0.0+l617z其.。co.。CN。寸.09nuod寸 8.6Z%。LnCN。Ln.。LnLn*甫6.01。.。I皇需rw葺NJlwm寰SINJffi屐皿!510.9340.078 = 10.8560.002 (CaS .。O00 LTJ 。O10.934 x 0.009 x 2/3=0.000700。O通 增！*鐵水90.1479.85鋼水92.4781.84廢鋼9.868.73爐渣7.56.64石灰3.112.76爐氣10.339.14螢仁10.450.40噴濺0.900.80車工燒白云石2.252.00煙塵1.351.

19、19爐襯0.270.24渣中鐵珠0.440.39氧氣6.806.02合計112.88100.00合計112.99100.00第六步：計算脫氧和合金化后的物料平衡。先根據鋼種成分設定值（表1）和鐵合金成分及其燒損率（表3）算出錳鐵和硅鐵的加入量，再計算其元素的燒損量。將所得結果與表14歸類合并，既得冶煉一爐鋼的總物料平衡表。錳鐵加入量wMn為：W匚啊鋼種一 wx鋼水量錳鐵含Mn量x伽回收率=0.95%一0.21% x92.02 = 1.255kg67.80% x 80%硅鐵加入量W；為：W/（w叫種一 W也點）x加錳鐵后的鋼水量虬Sl Sl硅鐵含Si量x Si回收率73.00% x 75%=0.

20、03%x(92.02 +1.076)-0.005 = 42kg鐵合金中元素的燒損量和產物量列于表15。類別兒素燒損量/kg脫氧量/kg成渣量/kg爐氣量/kg入鋼量/kg錳鐵C0.631 x 6.60% x10%=0.0040.0100.015(CO2)0.631x6.60%x90%=0.038Si0.631 x 67.80% x20%=0.0860.0250.1110.631x67.80%x80%=0.342Mn0.631 x 0.50% x25%=0.0010.0010.0020.631x0.50%x75%=0.002P0.631x0.23%=0.001S0.631x0.13%=0.001

21、Fe0.631x24.74%=0.156合計0.0910.0360.1130.0150.540硅鐵Al0.425 x 2.50% x100%=0.0110.0100.006Mn0.425 x 0.50% x20%=0.000040.00010.00050.042 x 0.50% x80%=0.002Si0.042 x 73.00% x25%=0.0780.0890.1670.0425x73.00%x75%=0.230P0.0425x0.05%=0.00002S0.0425x0.03%=0.00001Fe0.0425x23.92%=0.102合計0.0880.0990.1740.334總計0.1

22、690.1350.2870.0150.874可以忽略脫氧和合金化后的鋼水成分如下：w(C)=0.08%+ 0.075 x100%=16%93.129w(Si)= 0.005 + 0.023 x100%=0.03%93.129w(Mn)=0.210%+ 0.681 + 0.0002 x100%=0.94%93.129w(P)=0.019%+ 0.003 x100%=0.022%93.129w(S)=0.016%+ 002 x 100%=0.018%93.129可見，含碳量尚未達到設定值。為此需在鋼包內加焦粉增碳。其加入量%為W 二(0.17 - 0.16)% x 鋼水量1焦炭含C量x C回收率=

23、0.01% x 9329 =0.015kg81.50% x 75%焦炭生成的產物如下：碳燒損量/kg耗氧量/kg氣體量/kg成渣量/kg碳入鋼量/kg0.060 x81.50%x25%=0.0120.0320.044+0.06x(0.58 + 5.52 )%=0.0470.060 x12.40%=0.0070.060 x81.50%x75%=0.037CO2、H2O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量/kg%項目質量/kg%鐵水90.1478.93鋼水93.38(92.47+0.874+0.037)81.

24、71廢鋼9.868.64石灰3.112.72爐渣7.79 ( 7.50+0.287+0.007)6.82螢仁10.450.39車工燒白云石2.251.97爐氣10.39(10.33+0.015+0.047)9.09爐襯0.270.24噴濺0.910.80氧氣7.02 (6.85+0.14+0.03)6.14煙塵1.361.19錳鐵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 ) 7114.21x100%= 0.1%可以近視認為（0.082+0.008 ）的氧量系出

25、鋼水二次氧化所帶入。1.2熱平衡計算（1）計算所需原始數據。計算所需基本原始數據有：各種入爐料及產物的溫度（表17）;物料平 均熱容（表18）;反應熱效應（表19）;溶入鐵水中的元素對鐵熔點的影響（表20）。其它數據參 照物料平衡選取。表17入爐物料及產物的溫度設定值名稱入爐物料產物鐵水廢鋼其它原料爐渣爐氣煙塵*360 60CN966.0 uo.xIrfe H 要 EoLnlzxI*821 zrnKO zrnKO60CNR 8XlCN669.0Lnw/。(好皇/立)(M - ii(皇/立)ubrnLnITR亞鯉摳場 i_nCNLnCNornu ftpfIo6 9 X1I化學反應(N| (N(N

26、oII(N(N(N(Ni | (N+i1Uoz(NIT) I (N(N(N一| CN+i1O占cno(NoII(Ncn |(N+11o占(N貨(N(N戈 j1 z- J y ACijc.j1jr)(N飼R.(N+cnIK 熙uuiZud陟CN o InLnoCM droMgCO3MgCO =（MgO）+Zo 分解反應321180201405表20溶入鐵中的元素對鐵熔點的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、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/C6570758085901085302531.5氮、氫、氧溶入使鐵熔點的降低值/C

27、1=6適用含量范圍/%1.01.02.02.53.03.54.03I0.70.08118(2 )計算步驟。以100kg鐵水為基礎。第一步：計算熱收入Qs。熱收入項包括：鐵水物理熱；元素氧化熱及成渣熱；煙塵氧化熱；爐襯中碳的氧化熱。(1)鐵水物理熱Qw :先根據純鐵熔點、鐵水成分以及溶入元素對鐵熔點的降低值(表17、1和 20)計算鐵水熔點Tt，然后由鐵水溫度和生鐵比熱(表17和18)確定QwoTt=1536 -(4.2x100+0.4x8+0.45x5+0.12x30+0.06x25 )- 6 = 1099.45CQw=100 x0.745x( 1082 - 25 ) +218+0.837x(

28、 1300 - 1082 )= 118632.56KJ(2 )元素氧化熱及成渣熱Q :由鐵水中元素氧化量和反應熱效應(表19)可以算出，其結果列 于表21。表21元素氧化熱和成道熱反應產物氧化熱或成渣熱/kj反應產物氧化熱或成渣熱/kjCTO3.690 x11639=442947.91FeFe2O30.379x6460=2448.34cto20.410 x34834=14281.94PP2O50.100 x18980=1898Si-SiO20.400 x29202 = 11680.80P2O54CaOP2O50.237x4880=1156.56MnMnO0.270 x6594=1780.38S

29、iO22CaOSiO21.000 x1620=1620.00FeFeO0.525x4250=2231.25合計。尸80045.18(3 )煙塵氧化熱Qc：由表4中給出的煙塵量參數和反應熱效應計算可得。Qc=1.5x(75%x56/72x4250+20%x112/160 x6460) = 5075.35KJ(4 )爐襯中碳的氧化熱Q:根據爐襯蝕損量及其含碳量確定。Q f0.3 x 14% x 90% x 11639+0.3 x 14% x 10% x 34834=586.25KJ故熱收入總值為:Qs=Qw+Qy+QC+Qi=227582.40KJ第二步：計算熱支出QZ。熱支出項包括：鋼水物理熱；

30、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 :先按求鐵水熔點的方法確定鋼水熔點Tg;再根據出鋼和鎮(zhèn)靜時的實際溫降(通 常前者為40601,后者約35C/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5090C )確定出鋼溫度Tz；最后由鋼水量和熱容算出物理熱。Tg=1536 - (0.10 x65+0.18x5+0.020 x30+0.021x25) - 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) Tz=1520+50+5

31、0+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)Qg=91.725x0.699x(1520 - 25)+272+0.837x(1690 - 1520) = 133853.834KJ(2 )爐渣物理熱Qr :令終渣溫度與鋼水溫度相同，則得：Qr=8.184x1.248x(1690 - 25)+209 = 18716.153KJ(3)爐氣、煙塵、鐵珠和噴濺金屬的物理熱 Q。根據其數量、相應的溫度和熱容確定。詳見表 22。表22某些物料的物理熱項目參數/KJ備注爐氣物理熱11.438x1.137x( 1450 - 25 ) = 18532.1331450C系爐氣和煙塵的溫度煙塵物理熱1.5x0.996x( 1450 - 25 ) +209=2442.45渣中鐵珠物理熱0.491x0.699x( 1520 - 25 ) +272+0.837x( 169