电炉炼钢设计(物料平衡热平衡)

1第2章物料平衡与热平衡第2章物料平衡与热平衡2.1物料平衡与热平衡计算的意义2.2物料平衡与热平衡计算过程2.3物料平衡计算（实例）2.4热平衡计算（实例）2第2章物料平衡与热平衡2.1物料平衡与热平衡计算的意义¾炼钢过程的物料平衡与热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上的。¾主要目的是比较整个冶炼过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度，确定合理的设计参数和提高冶炼技术经济指标提供定量依据。¾根据需要可以研究冶炼一炉钢全过程的物料平衡；也可以研究某种元素物料的平衡，如研究氧、铁的平衡，从而为解决该部分问题提供依据。¾炼钢是一个复杂的高温物理化学变化过程，加上测试手段有限，目前还难以做到精确取值和计算。3第2章物料平衡与热平衡2.2电炉炼钢物料平衡计算过程4第2章物料平衡与热平衡焦炭废钢生铁锰铁硅铁电极输入项（电炉炼钢）5第2章物料平衡与热平衡物料平衡计算所需基本数据物料平衡计算前，必须确定冶炼设备和方法以及炉衬性质。物料平衡计算的基本数据主要有：¾铁水和废钢等金属料的成分；¾其他原料成分，即石灰、铁矿石、白云石、耐火材料及铁合金等原材料的化学成分范围；¾所炼钢种及要求成分并根据浇铸工艺及车间实际情况确定出钢温度范围；¾同类冶炼设备的其他数据，例如渣中FeO含量、喷溅铁损量、金属中碳氧化成CO与CO2比例、渣中FeO和Fe2O3含量等。6第2章物料平衡与热平衡电炉冶炼过程（三段式）熔化期：¾在电弧炉炼钢工艺过程中，从通电开始到炉料全部熔清为止称为熔化期，熔化期约占整个冶炼时间的一半左右，耗电量要占电耗总数的2/3左右。¾熔化期的主要任务是在保证炉体寿命的前提下用最少的电耗快速的将炉料熔化及升温，并造好熔化期的炉渣，以便稳定电弧，防止吸气和提前去磷。¾熔化期操作原则：合理供电、合适吹氧、提前造渣。7第2章物料平衡与热平衡电炉冶炼过程（三段式）氧化期：¾氧化期是指炉料熔清取样分析后到扒完氧化渣这一工艺阶段。¾氧化期的任务：（1）继续脱P、脱C（2）去气(N、H)、去夹杂（3）钢液升温¾熔化期操作原则：熔化废钢与氧化期脱碳结合，提前造渣脱磷。¾电弧炉中广泛使用的氧化剂是铁矿石和氧气，单一使用或综合使用。8第2章物料平衡与热平衡电炉冶炼过程（三段式）还原期（精炼期）：¾还原期是指氧化末期扒渣完毕到出钢阶段，还原期是转炉炼钢所没有的。¾还原期的主要任务是：（1）去除钢液中的氧（2）去除钢液中的硫（3）调整钢液的温度，成份到规定成分；（4）合金化¾还原期操作：（1）扒除氧化渣后加石灰和莹石化渣（2）加碳粉造白渣或电石渣，脱氧、脱硫（3）成份温度合格、加合金测温度、看脱氧、出钢。9第2章物料平衡与热平衡物料平衡计算实例¾现代电弧炉冶炼工艺与传统三段式有较大的变化¾目前主要方式：在超高功率电弧炉内借助大功率供电、高强度供养和氧燃烧嘴等辅助供热手段快速熔化废钢并完成脱碳、脱磷任务。¾在精炼炉内完成脱氧、脱硫、微调合金化成分、去除夹杂物等任务。采用传统炉三段式工艺做物料平衡与热平衡计算10第2章物料平衡与热平衡原材料成分11第2章物料平衡与热平衡火砖块¾火砖块是浇铸系统的废弃品，它的作用是改善熔渣的流动性，特别是对含MgO高的熔渣，稀释作用优于萤石。¾火砖块中含有约30%的Al2O3，易使熔渣起泡并具有良好的透气性。但火砖块中还含有55%—70%的SiO2，能大大降低熔渣的碱度及氧化能力，对脱磷、脱硫极为不利。¾因此，在还原期要适量少用，只用在冶炼不锈钢或高硫钢时才稍用多一些。12第2章物料平衡与热平衡炉料中元素烧损率和合金中元素回收率13第2章物料平衡与热平衡其他数据14第2章物料平衡与热平衡物料平衡的基本项目收入项：废钢、生铁、焦炭、石灰、矿石、萤石、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝砖、火砖块、铁合金、氧气和空气。支出项：钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、焦炭中的挥发份。以100kg金属炉料（废钢+生铁）为基础，按工艺阶段—熔化期、氧化期和还原期分别进行计算，然后汇总成物料平衡表15第2章物料平衡与热平衡熔化期物料平衡计算（1）确定物料消耗量¾金属炉料配入量。废钢和生铁按75kg和25kg搭配，不足碳量用焦炭来配，其结果如表7-29所示。¾其他原材料消耗量：为了提前造渣脱磷，先加入一部分石灰（20kg/t（金属料））和矿石（10kg/t（金属料）），炉顶、炉衬和电极消耗量见表7-28.配碳比钢种规格中线高0.70%，焦炭的收得率按75%计（7-28）16第2章物料平衡与热平衡（2）确定氧气和空气消耗量耗氧项包括炉料中元素的氧化，焦炭和电极中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中CaO被自身S还原出部分氧（CaO+S=CaS+O）。前后二者之差即为所需净氧量2.815kg，详见表7-30.根据表7-28中的假定，应由氧气供给的氧气为50%，即3.085×50%=1.543kg，空气应该供氧为1.543-0.270=1.273kg。由此可以求出氧气与空气的实际消耗量。详见表7-31.熔化期物料平衡计算17第2章物料平衡与热平衡熔化期脱碳量30%，CO:CO2=7:3,下同Fe含量见表7-29，其余见注释焦炭中C含量81.5%烧损率为25%石灰中的S含量为0.06%18第2章物料平衡与热平衡（3）确定炉渣量：炉渣源于炉料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物，炉顶和炉衬的蚀损，焦炭和电极中的灰分，以及加入的各种溶剂。结果见表7-32.（4）确定金属量：金属量Qi=金属炉料重+矿石带入的铁量-炉料中C、Si、Mn、P和Fe的烧损量+焦炭配入得碳量=100+0.628-3.194+0.515=97.949kg。熔化期物料平衡计算19第2章物料平衡与热平衡（5）确定炉气量：炉气来源于炉料以及焦炭和电极中碳的氧化产物CO和CO2，氧气和空气带入的N2，物料中的H2O及其反应产物，游离O2及其反应产物，石灰的烧碱（CO2），焦炭的挥发份，计算结果列于表7-33。（6）确定铁的挥发量：由表7-30中的设定，铁的挥发量为：97.759×2%×80%=1.564kg。熔化期物料平衡计算20第2章物料平衡与热平衡烧损的Fe，其中20%进入渣中，其中75%为Fe2O3，25%为FeO炉顶、炉衬消耗量见表7-2821第2章物料平衡与热平衡熔化期炉气量计算22第2章物料平衡与热平衡熔化期物料平衡表23第2章物料平衡与热平衡氧化期物料平衡计算引起氧化期物料波动的因素有：扒除熔化渣，造新渣；金属中元素的进一步氧化；炉顶炉衬的蚀损和电极的烧损。（1）确定渣量：1）留渣量：为了有利除磷，要进行换渣，即通常除去70%左右的熔化渣，而进入氧化期只留下30%的渣。其组成见表7-35.2）金属中元素的氧化产物：根据表7-26给出的值可以计算产物量，详见表7-35.3）炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。根据表7-28的假定进行计算，其结果一并列入表7-35.4）造新渣时加入石灰，矿石和火砖块带入的渣量，见表7-35.24第2章物料平衡与热平衡氧化期物料平衡计算（2）确定金属量：根据熔化期的金属量以及表7-35中的元素烧损量和矿石还原出来的铁量，即可以得到氧化末期金属量。（3）确定炉气量：计算方法如同熔化期。先求静耗氧量（表7-36），再确定氧气与空气消耗量（表7-37），最后将各种物料或化学反应带入的气态产物归类，而得其结果（表7-38）。具体的算法可参照表7-33.25第2章物料平衡与热平衡26第2章物料平衡与热平衡27第2章物料平衡与热平衡28第2章物料平衡与热平衡氧化期炉气量计算29第2章物料平衡与热平衡熔化期和氧化期物料平衡表30第2章物料平衡与热平衡还原期物料平衡计算还原期采用白渣操作，引起该期物料变化的因素有：扒除氧化渣，再造稀薄渣；扩散脱氧和沉淀脱氧。（1）确定渣量：1）残渣量：工艺上要求尽量扒除氧化渣，但实际操作条件下难以完全去除。现定残渣量为5%，即5.144×5%=0.257kg，见表7-35，其组成列于表7-40.2）造稀薄渣加入的渣料：渣料组成比为m（石灰）：m（萤石）：m（火块砖）=3：1：0.5，其用量尽量保证顺利完成脱硫任务。根据理论和实践，欲使S含量在还原期降到0.015%以下，加入量为钢水量的2%~3%，本计算采用3%。31第2章物料平衡与热平衡3）加入脱氧剂：采用沉淀脱氧和扩散脱氧相结合的方式，即稀薄渣形成后，先按0.6kg/t插Al预脱氧；再分批加入碳粉（2.5kg/t）和硅铁粉（5kg/t）进行扩散脱氧；待渣变白后，按0.5kg/t插Al终脱氧。4）加入合金剂：还原期需要在炉内加入FeMn、FeCr和SiFe进行合金化。（2）确定炉气量（3）确定钢水量。32第2章物料平衡与热平衡33第2章物料平衡与热平衡34第2章物料平衡与热平衡35第2章物料平衡与热平衡36第2章物料平衡与热平衡还原期物料平衡37第2章物料平衡与热平衡总物料平衡表38第2章物料平衡与热平衡电弧炉炼钢过程的能量平衡39第2章物料平衡与热平衡2.4、热平衡计算（一）计算热收入Qs（以100kg金属料（废钢+生铁）为基础）（1）物料的物理热。计算结果列于表7-47（2）元素氧化热及成渣热。计算结果列于表7-48（3）消耗的电能。根据消耗热量确定，为183248.76kJ。（二）计算热支出Qz（1）钢水物理热Qg，该钢的熔点为1433℃（根据经验公式计算）；出钢温度控制在中下线，本计算中取1580℃。（2）炉渣物理热Qr。计算结果如表7-49所示。（3）吸热反应消耗的热量Qh。详见表7-50.（4）炉气物理热。（5）烟尘物理热Qy。（6）冷却水吸热Ql。（7）其他热损失Qq，包括炉体表面散热、开启炉门热损失、开启炉盖热损失等。实践表明，该项热损失约占总热收入的6%~9%。（8）变压器及断网的热损失Qb。一般该损失量为总热收入的5%~7%。40第2章物料平衡与热平衡41第2章物料平衡与热平衡42第2章物料平衡与热平衡43第2章物料平衡与热平衡44第2章物料平衡与热平衡总热平衡表45第2章物料平衡与热平衡谢谢大家