第2章炼钢过程的物料平衡和热平衡计算

第2章炼钢过程的物料平衡和热平衡计算炼钢过程的物料平衡和热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上的。其主要目的是比较整个过程中物料、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炼钢技术经济指标提供定量依据。由于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。尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。

2.1物料平衡计算

2.1.1 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（见表2.1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（见表2.2）：脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表2.3）；其他工艺参数（表2.4）。

表2-1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值

表2-2 原材料成分

表2.3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母）

2

表2.4 其他工艺参数设定值

2.1.2 物料平衡基本项目

收入项有：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。

支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。

2.1.3 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、炉衬蚀损和计入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表2.5、2.6和2.7。总渣量及其成分列于表2.8中。

第二步:计算氧气消耗量。

氧气实际耗量系消耗项目与供入项目之差。见表2.9。

表2.5 铁水中元素的氧化产物及其渣量

表2.6 炉衬蚀损的成渣量

表2.7 加入溶剂的成渣量

①石灰加入量计算如下：由表4.6～4.8可知，渣中已含=-0.026+0.004+0.002+0.910=0.890㎏；渣中已含(SiO2)=1.071+0.009+0.028+0.020=1.128㎏。因设定的终渣碱度R=3.5；故石灰的加入量为：

[RΣω(SiO2)- Σω(CaO)]/ [ω(CaO石灰)-R×ω(SiO2石灰)]=3.95/(88.66%-3.5×2.70%)=4.99kg

②(石灰中CaO含量)-(石灰中S→CaS消耗的CaO量)。

③由CaO还原出来的氧量，计算方法同表2-6的注。

表2.8 总渣量及其成分

23

5.996+1.704+1.029+0.112+0.497+0.440+0.416+0.041=9.249Kg，而终渣Σω(FeO)=15%(表2.4)，故总渣量为10.235÷8

6.75%=10.681Kg。

②ω(FeO)=10.681×8.25%=0.881Kg。

③ω(Fe 2O 3)=10.681×5%-0.040-0.005-0.008=0.481Kg 。

表2.9 实际耗氧量

2 第三步：计算炉气量及其成分。

炉气中含有CO 、CO 2、N 2、SO 2和H 2O 。其中CO 、CO 2、SO 2和H 2O 可由表2.5～2.7查得，O 2和N 2则由炉气总体积来确定。现计算如下。 炉气总体积V ∑：

3g 961.750

.98324.22002.0093.87.0864.79950.98Vx -Gs 7.0V 99V )Vx 0.5%V Gs 32

4

.22(9910.5%V Vg V m =÷⨯-⨯+⨯=+=-+++=∑∑∑∑）

（

式中 V g —CO 、CO 2、SO 2和H 2O 各组分总体积，m ³。本设计中，其值为6.598 ×22.4/28+2.310×22.4/44+0.020×22.4/64+0.011×22.4/18=7.864m ³；

G S —不计自由氧的氧气消耗量，Kg 。其值为：

7.691+0.062+0.34=8.093Kg ；

V X —石灰中的S 与CaO 反应还原出的氧气量（其质量为：0.001Kg ）； 99—由氧气纯度99%转换得来；

0.5%—炉气中自由氧含量。

表2.10 炉气量及其成分

① 炉气中O 2的体积为6.617×0.5%=0.033m ³；质量为0.033×32/22.4=0.047kg 。

② 炉气中N 2的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.046×28/22.4=0.058 kg 。

第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。

钢水量Q g =铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅、和渣中的铁损

(

)[]

944

.90%6798.111160112%207256%7550.133.6100=⨯++⨯+⨯⨯--=

据此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表2.11。

2.11 未加废钢时的物料平衡表

表2.12 废钢中元素的氧化量及其成渣量

如同“第一步”计算铁水中元素氧化量一样，利用表2.1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2.12），再将其与表2.11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表2.13和表2.14.

表2.13 加入废钢的物料平衡表(以100Kg铁水为基础)

表2.14 加入废钢的物料平衡表（以100Kg（铁水+废钢）为基础）

先根据钢种成分设定值（表2.1）和铁合金成分及其烧损率（表2.3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所得结果与表2.14归类合并，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。 锰铁加入量Mn W 为：

[][]钢水量回收率

锰铁含锰量终点

钢种⨯⨯-=

Mn Mn Mn W Mn ωω

=

g 51.043.91%

80%80.67%

255.0%55.0K =⨯⨯-

硅铁加入量Si W 为：

[][][]回收率

含量硅加锰铁后的钢水量钢种Si Si 铁中Si )Si Si (n

e 终点Si ⨯-⨯-=

M F ωωW ω

=

kg 38.0%

75%00.73002

.0)41.043.91(%25.0=⨯-+⨯）（

铁合金中元素的烧损量和产物量列于表2.15

表2.15 铁合金中元素烧损量及其产物量