1、第2章煉鋼過程的物料平衡和熱平衡計算煉鋼過程的物料平衡和熱平衡計算是建立在物質與能量守恒的基礎上的。其主要目的是比較整個過程中物料、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定量依據。由于煉鋼是一個復雜的高溫物理化學變化過程，加上測試手段有限，目前還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。物料平衡計算計算原始數據基本原始數據有：冶煉鋼種及其成分，鐵水和廢鋼的成分，終點鋼水成分（見 表）；造渣用溶劑及爐襯等原材料的成分（見表）：脫氧和合金化用鐵合金的成 分及其回收率（表）；其他工藝參數（表）。表2-1鋼種、鐵水、廢鋼

2、和終點鋼水的成分設定值類別成分含量%CSiMnPS鋼種Q235A設定值鐵水設定值廢鋼設定值終點鋼水設定值痕跡表2-2原材料成分類別成分%CaOSiO2MgOAl 2O3FezQCaF2P2QSCOHOC灰分揮發分石灰螢石生石灰石爐襯焦炭表 鐵合金成分（分子）及其回收率（分母）類別成分含量/回收率/%CSiMnAlPSFe硅鐵75800100100100鎰鐵907580100100100注：上表中的C中10府氧生成CQ。表其他工藝參數設定值名稱參數名稱參數終渣堿度3 (CaO) / 3 (SiO 2)=渣中鐵損（鐵珠）為渣量的6%螢石加入量為鐵水量的%氧氣純度99%余者為N2生白云石加入量為鐵水

3、量的%爐氣中自由氧含量% （體積比）爐襯蝕損量為鐵水量的%氣化去硫量占總去硫量的1/3終渣匯（FeO）含量15%,而 3 (Fe?O ) / 匯 3金屬中C的氧化產90%勺CM化成CO（按向鋼中傳氧量3(FeO)=1/3,即 3 (Fe?O) =5% 3物10%勺CM化成co(Fe?Q) =3 (FeO)折算)(FeO)=%由熱平衡計算確定，煙塵量廢鋼量本計算結果為鐵水為鐵水量的 % （其中3 （FeO）為量的%即廢鋼比為噴濺鐵損75% 3 (FezQ)為 20%)為鐵水量的1%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

4、、煙塵、渣中鐵珠、爐氣、噴濺。計算步驟以100K抽水為基礎進行計算。第一步：計算脫氧和合金化前的總渣量及其成分。總渣量包括鐵水中元素氧化、爐襯蝕損和計入溶劑的成渣量。其各項成渣量分別 列于表、和。總謂量及其成分列于表中。第二步：計算氧氣消耗量。氧氣實際耗量系消耗項目與供入項目之差。見表。表鐵水中元素的氧化產物及其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 一 COX 90%=C 一 CQX 10%=SiSi - SiO 2入渣MnMn MnO入渣PP 一P2Q入渣SS 一 SO2X 1/3=S+(CaO) (CaS)+(O)X 2/3=(CaS)入渣FeFe Fe

5、OX 56/72=入渣見表2-8Fe FezQX 112/160=入渣見表2-8合計成渣量入渣組分之和 由CaO還原出的氧量；消耗的 。20量=>< 56/32=表爐襯蝕損的成渣量爐襯蝕損成渣組分/kg氣態產物/kg耗氧量/ kg量/ kgCaOSiO2MgOAl 2O3FezQC COC- COCf CO,CO（據表2-5）X 14% 90%X28/12=X 14% 10%<44/12=X 14% （90%X28/12+10% X44/12）=合計表加入溶劑的成渣量類別加入量/ kg成渣組分/kg氣態產物/kgCaOMgOSiO2AlzQFeQCaSCaEH2OCOQ螢石（

6、據表2-4）白云石（據表2-4）,石灰合計成渣量 石灰加入量計算如下：由表可知，渣中已含（CaO）=+=kg；渣中已含（SiO2）=+=kg。因設定的終渣堿度R=-故石灰的加入量為：R N 3 （SiO 2）- 2 3 （CaO）/ 3 （CaO石灰）-R x 3 （SiO 2石灰）=% x %）=（石灰中CaO含量）-（石灰中S-CaN肖耗的CaO量）。由CaO還原出來的氧量，計算方法同表2-6的注。表總渣量及其成分爐渣成分CaOSiO2MgOAl 2O3MnOFeOFeOCaEP2O5CaS合計元素氧化成渣量/kg石灰成渣量/kg爐襯蝕損成渣量/kg生白云石成渣量/kg螢石成渣量/kg總成

7、渣量/kg質量分數/% 總渣量計算如下： 因為表2-9中除（FeO）和（FezQ）以外總渣量為：+=而終渣3 （FeO）=15%（表,故總渣量為+ %= 3 (FeO)=x %= 3 (FezQ)= X5%表實際耗氧量耗氧項/ Kg供氧項/Kg實際氧氣消耗量/Kg鐵水中元素氧化消耗量爐襯中碳氧化消耗量石灰中S與CaO反應還原出的氧化量（表）煙塵中鐵氧化消耗量爐氣自由氧含量合計合計爐氣2（存在于氧氣中，見表的質量，詳見表。第三步：計算爐氣量及其成分。爐氣中含有CO C N、SO和代。其中CO C® SO和HO可由表查得,Q和降則由爐氣總體積來確定。現計算如下爐氣總體積5:Vg 0.5%

8、V22.432Gs 0.5%VVx)_ _37.961m399Vg 0.7Gs-Vx 99 7.864 0.7 8.093 0.002 22.4 3298.5098.50式中VgCO CO、SO和HO各組分總體積，m3 。本設計中，其值為 X28+X44+X 64+X 18=3 ;Gs不計自由氧的氧氣消耗量，Kg。其值為：+=;Vx石灰中的S與CaO反應還原出的氧氣量（其質量為：）;99一由氧氣純度99%專換得來；%一爐氣中自由氧含量。表爐氣量及其成分爐氣成分爐氣量/Kg體積/m3體積分數/%COCOSOHOQ©N2合計 爐氣中Q的體積為X %=3 ;質量為X 32/= 爐氣中沖的體

9、積系爐氣總體積與其他成分的體積之差；質量為x 28/= kg。第四步：計算脫氧和合金化前的鋼水量。鋼水量Q=鐵水量-鐵水中元素的氧化量-煙塵、噴濺、和渣中的鐵損100 6.33 1.50 75% 56 72 20% 112160 1 11.798 6% 90,944據此可以編制出未加廢鋼、脫氧與合金化前的物料平衡表。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. 00鋼水石灰爐渣螢石爐氣生白云石噴濺爐襯煙塵氧氣渣中鐵珠合計合計注：計算誤差為（）/ %=%表廢鋼中元素的氧化量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 一CO

10、C CQX %X 90%=X%x 10%=（入氣）（入氣）SiSi SiOzx%=MnMn MnOx%=PP 一P2QX =SS SQX%X 1/3=入氣）S+(CaO)-(CaS)+OX %X 2/3=(CaS)合計成渣量/kg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），再將其與表歸類合并，遂得加入廢鋼后的物 料平衡表和表.表 加入廢鋼的物料平衡表（以100Kg鐵水為基礎）收入支出項目質量/Kg%項目質量/Kg%鐵水鋼水+=廢鋼爐渣+=石灰爐氣+=螢石噴濺輕燒生白云石煙塵爐襯渣中鐵珠氧氣+=合計合計注

11、：計算誤差為119,71100%=%表 加入廢鋼的物料平衡表（以 100Kg （鐵水+廢鋼）為基礎）收入支出項目質量/kg%項目質量/kg%鐵水鋼水廢鋼爐渣右 灰爐氣螢右噴濺輕燒生白云石煙塵爐襯渣中鐵珠氧氣合計合計第六步：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）和鐵合金成分及其燒損率（表）算出鉆鐵和硅 鐵的加入量，再計算其元素的燒損量。將所得結果與表歸類合并，即得冶煉一爐 鋼的總物料平衡表。鉆鐵加入量WMn為:WMnMn鋼種 Mn終點 鋼水量鎰鐵含鎰量 Mn回收率0.55% 0.255% 91.43 0.51Kg67.80% 80%硅鐵加入量WS為:Wsi鋼種 Si終點）加鎰鐵后

12、的鋼水量Si FeMn硅鐵中Si含量Si回收率0.38 kg73.00% 75%0.25% (91.43 0.41) 0.002鐵合金中元素的燒損量和產物量列于表表鐵合金中元素燒損量及其產物量類別元素燒損量/kg脫氧量/Kg成渣量/Kg爐氣量/ Kg入鋼量/ Kg鎰鐵CX%x 10%=(CQ)X %X 90%=MnX %X 20%=X %X 80%=SiX %X 25%=X %X 75%=Px%=Sx%=FeX %=合計硅鐵AlX。的 100%=,GMnX %X 20%=1X %X 80%=SiX %X 25%=X %X 75%=PX %=SX %=Fex%=合計總計脫氧和合金化后的鋼水成分如

13、下:/0.030(C) 0.10%100%0.13%92.14(Si)0.002 0.20892.14100%0.23%/、0.277 0.002(Mn)0.25%-100%0.55%92.14(P) 0.015% 0001 100% 0.016%92.140.001(S) 0.02%-100% 0.021 %92.14可見，含碳量尚未達到設定值。為此需要在鋼包內加焦炭粉增碳。具加入量W為:W (0.18 - 0.14)%鋼水量剛水量j 焦炭含C量() C回收率()0.04% 92 .140.06 Kg81 .50% 75%焦粉生成的產物如下:炭燒損量/Kg耗氧量/Kg氣體量/Kg成渣量/Kg

14、碳入鋼量/KgX %X 25%=+ X +%=X %=X X %=由上述計算可得冶煉過程（即脫氧和合金化后）的總物料平衡表表總物料平衡表收入支出項目質量/kg%項目質量/kg%鐵水鋼水廢鋼爐渣石灰爐氣螢石.噴濺輕燒生白云石煙塵爐襯渣中鐵珠氧氣鎰鐵硅鐵焦粉合計合計注：計算誤差為X 100%=%可近似認為+的氧量系出鋼水時二次氧化所帶入的氧量。熱平衡計算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）；物料平均熱容（表）；反應熱效應（表）；溶入鐵水中的元素對鐵熔點的影響（表）。其他數據 參照物料平衡選取。表入爐料及產物的溫度設定值表2.名稱入爐物料產物鐵水廢鋼其他原料爐渣爐氣煙

15、塵溫度/ c13202525與鋼水相同14501450純鐵熔點為1536 C表物料平均熱容物料名稱生鐵鋼爐渣礦石煙塵爐氣固態平均熱容/kJ （kg - K）-1熔化潛熱/ kJ kg-1218272209209209液態或氣態平均熱容/ kJ (kg - K)-1表煉鋼溫度下的反應熱效應組元化學反應 H/kJ - kmo H/kJ - kg"CC+1/2O 2=CO氧化反應-139420-11639CC+O 2-CO2氧化反應-418072-34834SiSi+O 2-SiOz氧化反應-817682-29202MnMn+1/2O 2=(MnOz)氧化反應-361740-6594P2P

16、+5/2O 2=(P 2C5)氧化反應-1176563-18980FeFe+1/2O 2=( FeC)氧化反應-238229-4250Fe2Fe+3/2O 2=( Fe 2C3)氧化反應-722432-6460SiO2(SiC2)+2(CaO)=(2CaO - SiC?)成渣反應-97133-1620P2Q(P2C5)+4(CaO)=(4CaO - P2C5)成渣反應-693054-4880CaCOCaCC=(CaC)+CQ分解反應1690501690MgCOMgCC=(MgC)+CC分解反應1180201405計算步驟以100Kg鐵水為基礎。第一步：計算熱收入Q。熱收入項包括：鐵水物理熱；元

17、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Q：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(見表、和計算鐵水熔點Tt,然后由鐵水溫度和生鐵熱容(見表和表確定Q。表 溶入鐵水中的元素對鐵熔點的降低值元素CSiMnPSAlCrC在鐵中的極限溶解度/%無限無限溶入1%7素使鐵熔點降低值/ c6570758085901008530253Qw 100 0.745 1096 25 218 0.837 1250 1096114500.00KJ(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(見表可以 計算出，其結果列于表中。表元素氧化熱和成渣熱反應產物氧化熱或成

18、渣熱/kJ反應產物氧化熱或成渣熱/kJC- CO=Fe-Fe?QX 6460=C- COX 34834=PfP2QX 18980=SifSiO2X 29202=14601P2c5f4CaO- P2QX 4880=MnMnOX6594=3297SiOzf2CaO SiO2X1620=FefFeOX 4250=合計Q(3)煙塵氧化熱Q:由表中給出的煙塵參數和反應熱效應計算可得。Qc 1.5 75% 5672 4250 20% 112160 64605075.35KJ(4)爐襯中碳的氧化熱Q:根據爐襯侵蝕量和含碳量確定。Qi 0.3 14% 90% 11639 0.3 14% 10% 34834 5

19、86.25KJ故熱收入總值為：Qs Qw Qy Qc Ql 208009.26KJ第二步：計算熱支出項 Q。熱支出項包括：鋼水物理熱；爐渣物理熱；爐塵物理熱；爐氣物理熱；渣中 鐵珠物理熱；噴濺物(金屬)物理熱；輕燒白云石物理熱；熱損失；廢鋼吸熱。(1)鋼水物理熱Q：先按求鐵水熔點的方法確定鋼水熔點 Tg；再根據出鋼和 鎮靜時的實際溫降(通常前者為4060C,后者約為36C/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。Ta 15360.10 65 0.25 5 0.015 30 0.002 25 6 1523

20、 cg(式中，、和分別為終點鋼水中C、Mn P和S的含量。)Tz 1523 50 50 70 1693 c(式中，50、50和70分別為出鋼過程中的溫降、鎮靜及爐后包括精煉處理等過 程中的溫降和過熱度。)Qg 92.614 0.699 1523 25272 0.837 1693 1520135586.90KJg(2)爐渣物理熱Q:令終謂溫度與鋼水溫度相同，則得：Qr 10.681 1.248 1693 2520924466.58KJ(3)爐襯、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。祥見表。表 某些物料的物理熱項目參數/kJ備注爐氣物理熱X X (1450-25)=1450 c系爐氣和煙塵的溫度煙塵物理熱X X (1450-25)+209=渣中鐵珠物理熱X X (1523-25)+272+ X (1693-1523)=1520 c系鋼水熔點噴濺金屬物理熱1 X X (1523-25)+272+ X (16