物料平衡与热平衡计算

0钢铁冶金专业设计资料（炼铁、炼钢）本钢工学院冶化教研室二00三年八月1第一章物料平衡与热平衡计算物料平衡和热平衡计算是氧气顶吹转炉冶炼工艺设计的一项基本的计算，它是建立在物质和能量不灭定律的基础上的。它以转炉作为考察对象，根据装入转炉内或参与炼钢过程的全部物料数据和炼钢过程的全部产物数据，如图1-1-1所示的收入项数据和支出项数据，来进行物料的重量和热平衡计算。通过计算，可以定量地掌握冶炼工重要参数，做到“胸中有数”。对指导生产和分析研究改进冶炼工艺，设计转炉炼钢车间等均有其重要意义。由于转炉炼钢过程是一个十分复杂的物理化学过程，很显然，要求进行精确的计算较为困难，特别是热平衡，只能是近似计算，但它仍然有十分重要的指导意义。物料平衡和热平衡计算，一般可分为两面种方案。第一种方案是为了设计转炉及其氧枪设备以及相应的转炉炼钢车间而进行的计算，通常侧重于理论计算，特别是新设计转炉而无实际炉型可以参考的情况下；另一种方案是为了校核和改善已投产的转炉冶炼工艺参数及其设备参数或者采用新工艺新技术等，而由实测数据进行的计算，后者侧重于实测。本计算是采用第一种方案。目前，我国顶吹转炉所采用的生铁基本上为低磷的（0.10～0.40%）和中磷的（0.40～1.00%）两种，对这两种不同含磷量生铁的冶炼工艺制度也不相同。因此，下面以50吨转炉为例，分别就低磷生铁和高磷生铁两种情况，进行物料平衡和热平衡计算。1.1原始数据1.1.1铁水成分及温度表1-1-1成分CSiMnPS温度℃%4.2500.8500.5800.1500.03712501.1.2原材料成分2表1-1-2原材料成分%种类CaOSiO2MgOAl2O3SPCaF2FeOFe2O3H2OC烧碱合计石灰91.381.261.541.420.064.34100.00矿石1.105.110.521.160.0728.861.80.50100.00萤石6.000.581.780.090.5589.002.00100.00轻烧白云石30.840.4620.160.740.040.1147.8100.00镁质炉54.51.0539.41.005.0100.03衬050表2-1-1铁水成分与温度成分CSiMnPS温度℃%4.3000.6500.5600.1500.0381300转炉冶炼钢种常为普通碳素钢和低合金钢，在此以要求冶炼BD3钢考虑，其成分见表2-1-3成分（中限）CSiMnPS%0.16～0.240.16～0.280.35～0.650.0450.04541.1.4平均比热表1-1-4项目固态平均比热千卡/公斤·度熔化潜热千卡/公斤液态或气态平均比热千卡/公斤·度生铁钢炉渣烟尘矿石炉气COCO2SO2O2N2H2O0.1780.1670.238526550500.200.200.2980.3490.5580.5550.3650.3460.4891.1.5冷却剂用废钢作冷却剂，其成份与冶炼钢种成份的中限相同。(见表1-1-3)1.1.6反应热效应虽然炉内化学反应，实际上是在炉料温度和炉内上部气相温度之间的任一温度发生的，但反应热效应通常仍采用25℃作为参考温度，值得指出的是，反应热还与组分在铁水中存在形态有关，至今对参与化学反应有关的实际组成物还有不同的看法。但是，比较常用的反应热数据见表1-1-5。5表1-1-5反应放出热（千卡）每公斤分子每公斤元素或化合物千卡元素或化合物C(Fe3C)+21O2=COC(Fe3C)+O2=CO2Si(Fe3Si)+O2=SiO22P(Fe3P)+25O2=P2O5Mn+21O2=MnO﹡0.95Fe+21O2=Fe0.95OFe+21O2=FeO2Fe+23O2=Fe2O33Fe+2O2=Fe3O42CaO+SiO2=2CaO·SiO231397.099063.5190015.2280133.592007.463727.364430.0196910.0267243.429780.22616.98250.76767.24522.61677.91200.11150.51758.11594.6495.0CCSiPMnFeFeFeFeSiO264CaO+P2O5=4CaO·P2O5FeO+SiO2=FeO·SiO2MnO+SiO2=MnO·SiO2165013.24500.45889.41162.180.6107.2P2O5FeOMnO﹡通常近似认为是Fe+21O2=FeO1.1.7其它数据的选取（根据国内同类转炉的实测数据选取）1．渣中铁珠量为渣量的5%～8%，本设计取8%。2．金属中碳的氧化假定为：80%～90%的碳氧化成CO，20%～10%的碳氧化成CO2。3．喷溅铁损为铁水量的0.7%～1.0%，本设计取1.0%。4．取炉气平均温度1450℃，炉气中自由氧含量为0.5%，烟尘量铁珠量的1.6%，其中FeO=77%，Fe2O3=20%。5．氧气成分为98.5%O2，1.5%N2。6．炉衬侵蚀量为铁水量的0.5%。1.2物料平衡计算根据铁水成份，渣料质量以及冶炼钢种，采用单渣不留渣操作，通常首先以100公斤铁水为计算基础，然后再折算成100公斤金属料。1.2.1炉渣量及其成份的计算炉渣来自金属中元素的氧化产物，渣料以及炉衬侵蚀等。1．铁水中各元素氧化量(见表2-2-1)表1-2-17成份重量项目（公斤）CSiMnPS铁水终点钢水氧化量4.2500.1504.1000.850痕迹0.8500.5800.1740.4060.1500.0150.1350.0370.0220.015终点钢水成份是根据同类转炉冶炼钢种的实际数据选取，其中：[C]：应根据冶炼钢种含碳量的中限和预估计的脱氧剂的增碳量（0.2~0.3）之差来确定终点钢水含碳量，取0.150%。[Si]：在碱性转炉炼钢法中，铁水中的硅几乎全部被氧化，随同加入的其它材料带入的SiO2一起进入炉渣中，故终点钢水硅的含量为痕迹。[Mn]：终点钢水残锰量，一般为铁水中锰含量的30%～40%，取30%。[P]：采用低磷铁水操作，铁水中磷约85～95%进入炉渣，在此取铁水中磷的90%进入炉渣，10%留在钢中。同时要考虑钢包中回磷的因素。[S]：氧气转炉内去硫率不高，一般在30～50%的范围，取40%。2．各元素氧化量、耗氧量及其氧化产物量见表1-2-2。8表1-2-2元素反应及其产物元素氧化量（公斤）耗氧量（公斤）氧化产物量（公斤）备注9CCSiMnPSSFeFe[C]+21{O2}={CO}[C]+{O2}={CO2}[Si]+{O2}=(SiO2)[Mn]+21{O2}=(MnO)2[P]+25{O2}=(P2O5)[S]+{O2}={SO2}[S]+(CaO)=(CaS)+[O][Fe]+{O2}=(FeO)2[Fe]+{O2}=(Fe2O3)4.100×90%=3.6904.100×10%=0.4100.8500.4060.1350.015×31=0.0050.015-0.005=0.011.0563.690×1216=4.9200.410×1232=1.0930.850×2832=0.9710.406×5516=0.1180.135×6280=0.1740.005×3232=0.0050.010×(-3216)=-0.0051.056×5616=0.3020.575×11248=0.2043.690×1228=8.6100.410×1244=1.5030.850×2860=1.8210.406×5571=0.5240.135×62142=0.3090.005×3264=0.0100.010×3272=0.023﹡1.3580.假定气化硫率占总去硫率的31。-0.005表示还原出的氧量，消耗CaO量为0.010×3256=0.018见表2-2-8见表2-2-810﹡指生成的CaS量113．造渣剂成分及数量50吨氧气转炉加入造渣剂数量，是根据国内同类转炉有关数据选取：1)矿石加入量及成分矿石加入量为1.00公斤／100公斤铁水，其成分及重量见表1-2-3表1-2-3成分重量(公斤)Fe2O3FeOSiO2Al2O3CaOMgO﹡SH2O1.00×61.80%＝0.6181.00×29.40%＝0.2941.00×5.61%＝0.0561.00×1.10%＝0.0111.00×1.00%＝0.0101.00×0.52%＝0.0051.00×0.07%＝0.0011.00×0.50%＝0.005共计1.00﹡S以［S］＋(CaO)＝(CaO)＋[O]的形式反应，其中生成CaS量为0.001×3272＝0.002公斤，消耗CaO量为0.001×3256＝0.002公斤，生成微量氧为0.001×3216＝0.001公斤。2)萤石加入量及成分萤石加入量为0.50公斤／100公斤铁水，其成分及重量见表2-2-4表1-2-4成分重量(公斤)CaF2SiO2Al2O3MgO﹡P﹡﹡SH2O0.50×89.00%＝0.4450.50×6.00%＝0.0300.50×1.78%＝0.0090.50×0.58%＝0.0030.50×0.55%＝0.0030.50×0.09%＝0.00040.50×2.00%＝0.010共计0.50012﹡P以2[P]+25{O2}=（P2O5）的形式进行反应，其中生成P2O5量为0.003×62142=0.007公斤，消耗氧量为0.003×6280=0.004公斤。﹡﹡S微量，忽略之。3）炉衬侵蚀量为0.50公斤/100公斤铁水，其成分及重量见表1-2-5表1-2-5成分重量(公斤)CaOMgOSiO2Al2O3C0.50×54.00%＝0.2700.50×37.95%＝0.1900.50×2.05%＝0.0100.50×1.00%＝0.0050.50×5.00%＝0.025共计0.500被浸蚀的炉衬中碳的氧化，同金属中碳的氧化成CO，CO2的比例相同，即：CCO0.025×90%×1228=0.053公斤CCO20.025×10%×1244=0.009公斤其消耗氧气量为：0.053×2816=0.030公斤0.009×4432=0.007公斤共消耗氧气量为0.03+0.007=0.037公斤4）生白云石加入量及成份为了提高转炉炉衬寿命，在加入石灰造渣的同时，添加一部分白云作造渣剂，其目的是提高炉渣中MgO的含量。初期渣中（MgO）含量增高，使炉渣的熔点和粘度明显降低，减缓或阻碍石灰颗粒表面的硅酸二钙层（2CaO·SiO2）的形成，从而加速石灰的熔解。同时，能减少初期渣中的（FeO）含量或者中和一部分氧化铁，因此降低了炉渣的有效氧化能力。这样就使得焦油白云石炉衬中碳的氧化作用减慢，有利于提高炉衬浸蚀能力。另外，提高炉渣中的（MgO）含量，降低了炉渣对炉衬的浸蚀能力，在吹炼后期随着炉渣碱度的提高，其粘度相应提高，使13得炉壁容易挂渣，从而保护避免受浸蚀，也有利于提高炉衬寿命。生产实践表明，渣中（MgO）含量为6～8%时，其效果较好。为此，必须保证渣中（MgO）含量在6～8%之间来计算白云石加入量。经试算后取生白云石加入量为2.0～3.0/100公斤铁水，本设计取3.0，其成份及重量见表1-2-6表1-2-6成分重量(公斤)CaOMgOSiO2Al2O3烧碱3.00×30.84%＝0.9253.00×20.16%＝0.6053.00×0.46%＝0.0143.00×0.74%＝0.0223.00×47.80%＝1.434共计3.000烧减是指生白云石（MgCO3·CaCO3）分解后而生产的CO2气体。5）炉渣碱度和石灰加入量取终渣碱度R=)(%)(%2SiOCaO=2.8～4.0取3.5首先计算由上述造渣剂以及铁水中各元素氧化产物而进入炉渣中的SiO2和CaO的重量，然后再计算石灰加入量。渣中已存在的∑(SiO2)量=铁水中Si氧化生成的SiO2量+炉衬带入的SiO2量+矿石带入的SiO2量+萤石带入的SiO2量+白云石带入的SiO2量=1.821+0.010+0.056+0.030+0