第2章炼钢过程的物料平衡和热平衡计算.docx
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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
类别
成分含量%
C
Si
Mn
P
S
钢种Q235A设定值
0.18
0.25
0.55
≤0.045
≤0.005
铁水设定值
4.2
0.50
0.75
0.20
0.025
废钢设定值
0.20
0.25
0.43
0.020
0.032
终点钢水设定值
0.10
痕迹
0.250
0.015
0.002
表2-2原材料成分
类别
成分%
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
CaF2
P2O5
S
CO2
H2O
C
灰分
挥发分
石灰
88.66
2.70
2.60
1.50
0.50
0.10
0.06
4.64
0.10
萤石
0.30
5.50
0.60
1.60
1.50
88.00
0.90
0.10
1.50
生石灰石
36.40
0.80
25.60
1.00
36.20
炉衬
1.20
3.00
78.80
1.40
1.60
14.00
焦炭
0.58
81.50
12.40
表2.3铁合金成分（分子）及其回收率（分母）
类别
成分含量/回收率/%
C
Si
Mn
Al
P
S
Fe
硅铁
—
73.00/75
0.50/80
2.50/0
0.05/100
0.03/100
23.92/100
锰铁
6.60/90
0.50/75
67.8/80
—
0.23/100
0.13/100
24.74/100
注：
上表中的C中10%于氧生成CO2。
表2.4其他工艺参数设定值
名称
参数
名称
参数
终渣碱度
萤石加入量
生白云石加入量
炉衬蚀损量
终渣∑（FeO）含量
（按向钢中传氧量ω（Fe2O3）=1.35ω（FeO）折算）
烟尘量
喷溅铁损
ω（CaO）∕ω（SiO2）=3.5
为铁水量的0.5%
为铁水量的2.5%
为铁水量的0.3%
15%，而ω（Fe2O3）/∑ω（FeO）=1/3,即ω（Fe2O3）=5%，ω（FeO）=8.25%
为铁水量的1.5%（其中ω（FeO）为75%，ω（Fe2O3）为20%）
为铁水量的1%
渣中铁损（铁珠）
氧气纯度
炉气中自由氧含量
气化去硫量
金属中[C]的氧化产物
废钢量
为渣量的6%
99%，余者为N2
0.5%（体积比）
占总去硫量的1/3
90%的C氧化成CO，
10%的C氧化成CO2
由热平衡计算确定，本计算结果为铁水量的13.7%，即废钢比为12.05%
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
元素
反应产物
元素氧化量（㎏）
耗氧量（㎏）
产物量（㎏）
备注
C
[C]→{CO}
4.10×90%=3.690
4.720
8.610
[C]→{CO2}
4.10×10%=0.410
0.640
0.88
Si
[Si]→{SiO2}
0.500
0.571
1.071
入渣
Mn
[Mn]→{MnO}
0.500
0.145
0.645
入渣
P
[P]→{P2O5}
0.185
0.239
0.424
入渣
S
[S]→{SO2}
0.03×1/3=0.008
0.008
0.016
[S]+（CaO）→（CaS）+（O）
0.03×2/3=0.015
-0.008
0.034（CaS）
入渣
Fe
[Fe]→{FeO}
0.897×56/72=0.685
0.195
0.897
入渣见表2-8
[Fe]→{Fe2O3}
0.48×112/160=0.377
0.144
0.490
入渣见表2-8
合计
6.330
7.034
成渣量
3.942
入渣组分之和
①由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量=0.020×56/32=0.035kg。
表2.6炉衬蚀损的成渣量
炉衬蚀损量/㎏
成渣组分/kg
气态产物/kg
耗氧量/㎏
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
C→CO
C→CO2
C→CO,CO2
0.3
（据表2-5）
0.004
0.009
0.236
0.004
0.005
0.3×14%×90%×28/12=0.088
0.3×14%×10%×44/12=0.015
0.3×14%×（90%×28/12+10%×44/12）=0.062
合计
0.258
0.103
0.062
表2.7加入溶剂的成渣量
类别
加入量/㎏
成渣组分/kg
气态产物/kg
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
P2O5
CaS
CaF2
H2O
CO2
O2
萤石
0.5（据表2-4）
0.002
0.003
0.028
0.008
0.008
0.005
0.001
0.440
0.005
白云石
2.5（据表2-4）
0.910
0.640
0.020
0.025
0.905
石灰
5.76
5.080
0.150
0.147
0.075
0.036
0.011
0.004
0.006
0.250
0.001
合计
5.992
0.793
0.195
0.108
0.044
0.016
0.005
0.440
0.011
1.155
0.001
成渣量
7.593
①石灰加入量计算如下：
由表4.6～4.8可知，渣中已含（CaO）=-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
炉渣成分
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
MnO
FeO
Fe2O3
CaF2
P2O5
CaS
合计
元素氧化成渣量/kg
1.071
0.497
0.897②
0.541③
0.424
0.034
3.979
石灰成渣量/kg
4.396
0.135
0.130
0.075
0.025
0.005
0.007
5.471
炉衬蚀损成渣量/kg
0.004
0.009
0.236
0.004
0.005
0.258
生白云石成渣量/kg
0.910
0.020
0.640
0.025
1.595
萤石成渣量/kg
0.002
0.028
0.003
0.008
0.008
0.440
0.005
0.001
0.495
总成渣量/kg
5.132
1.263
1.009
0.112
0.497
0.973
0.543
0.440
0.434
0.041
10.869
①
质量分数/%
50.82
14.44
8.72
0.95
4.21
8.25
5.00
3.73
3.53
0.35
100.00
①总渣量计算如下：
因为表2-9中除（FeO）和（Fe2O3）以外总渣量为：
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÷86.75%=10.681Kg。
②ω（FeO）=10.681×8.25%=0.881Kg。
③ω（Fe2O3）=10.681×5%-0.040-0.005-0.008=0.481Kg。
表2.9实际耗氧量
耗氧项/Kg
供氧项/Kg
实际氧气消耗量/Kg
铁水中元素氧化消耗量7.034
炉衬中碳氧化消耗量0.062
石灰中S与CaO反应还原出的氧化量（表2.7）0.002
烟尘中铁氧化消耗量0.340
炉气自由氧含量0.060
7.766-0.002+0.041=7.805
合计7.766
合计0.002
①炉气N2（存在于氧气中，见表2.4）的质量，详见表2.10。
第三步：
计算炉气量及其成分。
炉气中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O。
其中CO、CO2、SO2和H2O可由表2.5～2.7查得，O2和N2则由炉气总体积来确定。
现计算如下。
炉气总体积V∑：
式中Vg—CO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m³。
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=7.864m³；
GS—不计自由氧的氧气消耗量，Kg。
其值为：
7.691+0.062+0.34=8.093Kg；
VX—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
炉气成分
炉气量/Kg
体积/m³
体积分数/%
CO
8.698
6.958
79.76
CO2
2.652
0.891
17.77
SO2
0.008
0.003
1.06
H2O
0.01
0.012
0.21
O2
0.040①
0.057①
0.50
N2
0.057
0.071②
0.70
合计
11.465
6.617
100.00
①炉气中O2的体积为6.617×0.5%=0.033m³；质量为0.033×32/22.4=0.047kg。
2炉气中N2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=0.058kg。
第四步：
计算脱氧和合金化前的钢水量。
钢水量Qg=铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅、和渣中的铁损
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
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/Kg
%
铁水
100．00
86.48
钢水
92.614
79.23
石灰
4.99
4.98
炉渣
10.87
10.19
萤石
0.50
0.43
炉气
9.04
7.81
生白云石
2.50
2.16
喷溅
1.00
0.86
炉衬
0.30
0.26
烟尘
1.50
1.30
氧气
7.805
5.69
渣中铁珠
0.71
0.61
合计
113.072
100.00
合计
115.81
100.00
注：
计算误差为（115.63-115.81）/115.63
100%=-0.15%。
表2.12废钢中元素的氧化量及其成渣量
元素
反应产物
元素氧化量/kg
耗氧量/kg
产物量/kg
进入钢中的量/kg
C
[C]→{CO}
13.7×0.08%×90%=0.012
0.016
0.028（入气）
[C]→{CO2}
13.7×0.08%×10%=0.001
0.003
0.004（入气）
Si
[Si]→{SiO2}
13.7×0.25%=0.034
0.039
0.0510
Mn
[Mn]→{MnO}
13.7×0.435%=0.025
0.007
0.1047
P
[P]→{P2O5}
13.7×0.005=03.001
0.001
0.002
S
[S]→{SO2}
13.7×0.009%×1/3=0.0013
0.0013
0.0026入气）
[S]+（CaO）→（CaS）+[O]
13.7×0.009%×2/3=0.0026
-0.0013
0.0059（CaS）
合计
0.077
0.066
13.7-0.077=13.623
成渣量/kg
0.1660
第五步：
计算加入废钢的物料平衡。
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）
收入
支出
项目
质量/Kg
%
项目
质量/Kg
%
铁水
100.00
83.54
钢水
90.944+13.623=104.567
79.81
废钢
13.7
3.39
炉渣
10.681+0.113=10.794
9.97
石灰
4.99
4.81
炉气
11.465+0.0346=11.5
7.54
萤石
0.50
0.42
喷溅
1.00
0.83
轻烧生白云石
2.50
2.09
烟尘
1.50
1.25
炉衬
0.30
0.25
渣中铁珠
0.641
0.60
氧气
7.085+0.066=7.87
5.50
合计
129.86
100.00
合计
120.02
100.00
注：
计算误差为（119.71-120.02）/119,71
100%=-0.26%。
表2.14加入废钢的物料平衡表（以100Kg（铁水+废钢）为基础）
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
87.95
83.54
钢水
91.43
79.81
废钢
12.05
3.39
炉渣
9.52
9.97
石灰
4.40
4.81
炉气
10.15
7.54
萤石
0.44
0.42
喷溅
0.88
0.83
轻烧生白云石
2.20
2.09
烟尘
1.32
1.25
炉衬
0.26
0.25
渣中铁珠
0.56
0.60
氧气
6.94
5.50
合计
115.04
100.00
合计
115.33
100.00
第六步：
计算脱氧和合金化后的物料平衡。
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
为：
=
硅铁加入量
为：
=
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
类别
元素
烧损量/kg
脱氧量/Kg
成渣量/Kg
炉气量/Kg
入钢量/Kg
锰铁
C
0.51×6.60%×10%=0.003
0.010
0.015（CO2）
0.51×6.60%×90%=0.030
Mn
0.51×67.80%×20%=0.069
0.020
0.089
0.51×67.80%×80%=0.277
Si
0.51×0.50%×25%=0.001
0.001
0.002
0.51×0.50%×75%=0.002
P
0.51×0.23%=0.001
S
0.51×0.13%=0.001
Fe
0.51×24.74%=0.126
合计
0.073
0.031
0.091
0.015
0.410
硅铁
Al
0.38×2.50%×100%=0.011
0.006
0.006
Mn
0.38×0.50%×20%=0.0004
0.0005①
0.0005
0.38×0.50%×80%=0.002
Si
0.38×73.0%×25%=0.0694
0.0793
0.149
0.38×73.0%×75%=0.208
P
0.38×0.05%=0.0002①
S
0.38×0.03%=0.0001①
Fe
0.38×23.92%=0.0908
合计
0.0798
0.0894
0.172
0.301
总计
0.153
0.12
0.247
0.015
0.711
脱氧和合金化后的钢水成分如下：
可见，含碳量尚未达到设定值。
为此需要在钢包内加焦炭粉增碳。
其加入量W1为:
焦粉生成的产物如下：
炭烧损量/Kg
耗氧量/Kg
气体量/Kg
成渣量/Kg
碳入钢量/Kg
0.06×81.50%×25%=0.012
0.032
0.037+0.05×（0.58+5.52）%=0.047
0.05×12.40%=0.007
0.05×81.50×0.75%=0.037
由上述计算可得冶炼过程（即脱氧和合金化后）的总物料平衡表2.16。
表2.16总物料平衡表
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
87.95
82.62
钢水
92.71
79.74
废钢
12.05
3.35
炉渣
9.77
10.11
石灰
4.40
4.76
炉气
10.15
7.51
萤石
0.44
0.41
喷溅
0.88
0.82
轻烧生白云石
2.20
2.06
烟尘
1.32
1.23
炉衬
0.26
0.25
渣中铁珠
0.56
0.60
氧气
6.94①
5.58
锰铁
0.51
0.56
硅铁
0.38
0.36
焦粉
0.06
0.05
合计
116.32
100.00
合计
116.60
100.00
注：
计算误差为（114.06-115.25）/114.06×100%=-1.04%。
①可近似认为（0.102+0.016）的氧量系出钢水时二次氧化所带入的氧量。
2.2热平衡计算
2.2.1计算所需原始数据
计算所需基本原始数据有：
各种入炉料及产物的温度（表2.17）；物料平均热容（表2.18）；反应热效应（表2.19）；溶入铁水中的元素对铁熔点的影响（表2.20）。
其他数据参照物料平衡选取。
表2.17入炉料及产物的温度设定值【3】
表2.名称
入炉物料
产物
铁水①
废钢
其他原料
炉渣
炉气
烟尘
温度/℃
1320
25
25
与钢水相同
1450
1450
1纯铁熔点为1536℃
表2.18物料平均热容
物料名称
生铁
钢
炉渣
矿石
烟尘
炉气
固态平均热容/kJ·（kg·K）-1
0.745
0.699
1.047
0.996
熔化潜热/kJ·kg-1
218
272
209
209
209
液态或气态平均热容/kJ·（kg·K）-1
0.837
0.837
1.248
1.137
表2.19炼钢温度下的反应热效应
组元
化学反应
△H/kJ·kmol-1
△H/kJ·kg-1
C
[C]+1/2{O2}={CO}氧化反应
-139420
-11639
C
[C]+{O2}→{CO2}氧化反应
-418072
-34834
Si
[Si]+{O2}→{SiO2}氧化反应
-817682
-29202
Mn
[Mn]+1/2{O2}=（MnO2）氧化反应
-361740
-6594
P
2[P]+5/2{O2}=（P2O5）氧化反应
-1176563
-18980
Fe
[Fe]+1/2{O2}=（FeO）氧化反应
-238229
-4250
Fe
2[Fe]+3/2{O2}=（Fe2O3）氧化反应
-722432
-6460
SiO2
（SiO2）+2（CaO）=（2CaO·SiO2）成渣反应
-97133
-1620
P2O5
（P2O5）+4（CaO）=（4CaO·P2O5）成渣反应
-693054
-4880
CaCO3
CaCO3=（CaO）+{CO2}分解反应
169050
1690
MgCO3
MgCO3=（MgO）+{CO2}分解反应
118020
1405
2.2.2计算步骤
以100Kg铁水为基础。
第一步：
计算热收入Qs。
热收入项包括
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