物料平衡与热平衡计算Word文件下载.docx

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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1-2-1

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。

表1-2-2

﹡指生成的CaS量

3．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

﹡S以［S］＋（CaO）＝（CaO）＋[O]的形式反应，其中生成CaS量为

0.001×

＝0.002公斤，消耗CaO量为0.001×

＝0.002公斤，生成微量氧为0.001×

＝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

﹡P以2[P]+{O2}=（P2O5）的形式进行反应，其中生成P2O5量为0.003×

=0.007公斤，消耗氧量为0.003×

=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

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%×

=0.053公斤

CCO20.025×

10%×

=0.009公斤

其消耗氧气量为：

0.053×

=0.030公斤0.009×

=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

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==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+0.014=1.931公斤。

渣中已存在的∑（CaO）量=白云石带入的CaO量+炉衬带入的CaO量+矿石带入的CaO量-铁水中S成渣消耗的CaO量-矿石中S成渣消耗的CaO量=0.925+0.27+0.010-0.018-0.002=1.185公斤。

石灰加入量==

==6.537公斤

加入石灰所代入的各成份及重量见表1-2-7。

表1-2-7

﹡S以[S]+（CaO）=（CaS）+[O]的形式反应，其中生成（CaS）量为0.004×

=0.009，生成氧量为0.004×

=0.002公斤；

消耗（CaO）量为0.004×

=0.007公斤。

烧减是指未烧透的CaCO3经受热分解所产生的CO2气体量。

6）终点氧化铁的确定

终渣中氧化铁的含量与钢水的终点含碳量和终渣的碱度有关，根据生产实践数据，终点钢水含碳量为0.15%和终渣碱度为3.5时，终渣中（Fe2O3）=5%和（FeO）=10%。

7）终渣量及其成份

表1-2-8中不计（FeO）和（Fe2O3）在内的炉渣重量为：

（CaO+MgO+SiO2+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS）

=7.152+0.904+2.039+0.316+0.524+0.127+0.445+0.034

=11.541公斤

已知渣中氧化铁量为15%，则渣中其它成份之和为100%－15%=85%

故炉渣总重量为=13.578公斤由此可知：

（FeO）的重量=13.578×

10%=1.358公斤，其中铁重=1.358×

=1.056公斤（Fe2O3）的重量=13.578×

5%=0.679公斤，其中铁重量=0.679×

=0.474公斤

将（FeO）和（Fe2O3）的值分别填入表2-3-2中。

终渣量及其成份见表1-2-8。

表1-2-8

﹡5.947=石灰中CaO含量—石灰中S自耗CaO重量=5.954－0.007=5.947

﹡和﹡﹡是元素铁被氧化成氧化亚铁和三氧化二铁的重量。

1.2.2矿石、烟尘中的铁及重量

假定矿石中∑（FeO）全部被还原成铁，则：

矿石带入铁量=1.00×

（29.40%×

+61.80%×

）=0.661公斤

烟尘带走铁量=1.60×

（77%×

+20%×

）=1.182公斤

矿石代入的氧量=1.00×

（29.40%×

+61.8%×

）=0.251公斤

烟尘消耗氧量=1.60×

+20%×

）=0.370公斤

1.2.3炉气成份及重量

表1-2-9

表1-2-9中各项的计算如下；

CO的重量=铁水中的C被氧化成CO的重量+炉衬中的C被氧化成CO的重量

=8.610+0.053=8.663公斤

CO2的重量=铁水中的C被氧化成CO2的重量+炉衬中的C被氧化成CO2的重量+白云石烧减的重量+石灰烧减的

=1.503+0.009+1.434+0.290=3.236公斤

SO2的重量=铁水中的S气化而产生的氧化物重量=0.010公斤

H2O汽的重量=矿石代入的水分全部汽化的重量+萤石代入的水分全部汽化的重量=0.005+0.010=0.015公斤

﹡和﹡﹡分别是自由氧和氮气的重量和体积，它是由表1-2-9中炉气的其它成份反算出来的，即已知氧气成份为98.5%O2，1.5%N2和炉气中自由氧体积比为0.50%，求自由氧和氮气的体积和重量，其求法如下：

设炉气总体积为X米3，则

X=元素氧化生成的气体体积和水蒸汽的体积+自由氧体积+氮气体积，即：

X=6.930+1.647+0.004+0.019+0.50%X+×

（1-98.5%）

=8.600+0.50%X+（0.085+0.008%X）

整理得：

X==8.730米3

故炉气中自由氧体积=8.730×

0.50%=0.044米3

自由氧重量=0.044×

=0.063公斤

炉气中氮气体积=0.085+0.008%×

8.730=0.086米3

炉气中氮气重量=0.086×

=0.108公斤

﹡﹡﹡括号内的数据参看下面氧气消耗项目。

1.2.4氧气消耗量计算

消耗和代入氧气的项目为：

为元素氧化耗氧重量7.782公斤

烟尘中铁氧化耗氧重量0.370公斤

炉衬中碳氧化耗氧重量0.037公斤

萤石中磷氧化耗氧重量0.004公斤

炉气中自由氧重量0.063公斤

炉气中氮气重量0.108公斤

矿石分解代入及其中硫把氧化钙还原出的氧的重量为：

1.0×

（61.80%×

×

+2.04%×

）+0.001=0.252公斤

石灰中硫把氧化钙还原出的氧重量0.002公斤

故氧气实际消耗重量为：

7.782+0.370+0.037+0.004+0.063+0.108-0.252-0.002=8.110公斤

换算成体积=8.110×

=5.68标米3/100公斤铁水

或56.8标米3/吨铁水.

吨钢耗氧量，即供氧强度在55-65m3/t则计算合理。

1.2.5钢水量计算

吹损包括下列组成项目：

化学损失（元素氧化）量7.037公斤

烟尘中铁损失量1.182公斤

渣中铁珠损失量13.578×

8%=1.086公斤

喷溅铁损失量1.000公斤

但是，矿石代入铁量0.661公斤

故钢水重量为100-（7.037+1.182+1.086+1.000）+0.661=90.356公斤

即钢水收得率为90.36%

1.2.6物料平衡表（以100公斤铁水为基础）

表1-2-10

计算误差=×

100%

=×

=-0.06%≤±

0.5%则合格

1.3热平衡计算

1.3.1热收入项

1．铁水物理热（为了简化计算，取冷料入炉温度均为25℃.）

铁水熔点:

=1536-（4.25×

100+0.86×

8+0.58×

5+0.18×

30+0.037×

25）-7

=1089℃

式中100、8、5、30、25分别为C、Si、Mn、P、S元素增加1%含量降低铁水熔点值；

7为气体O2、H2、N共降低铁水熔点值；

1536℃为纯铁熔点，取铁水温度为1250℃，则：

铁水物理热=100×

[0.178×

（1089-25）+52+0.20×

1250-1089]

=27360千卡

2．铁水中各元素氧化放热及成渣热

CCO3.690×

2616.9=9656.4千卡

CCO20.410×

8250.7=3882.8千卡

SiSiO20.850×

6767.2=5752.1千卡

MnMnO0.406×

1677.9=681.2千卡

FeFeO1.056×

1150.5=1214.9千卡

FeFe2O30.475×

1758.1=885.1千卡

PP2O50.135×

4522.6=610.6千卡

P2O54CaO·

P2O50.316×

1162.1=367.2千卡

SiO22CaO·

SiO22.039×

495.0=1009.3千卡

共计23509.6千卡

3.烟尘氧化放热

1.6×

（77%×

1150.5+20%×

1758.1）=1496.2千卡

则热收入总量为：

27360+26509.6+1496.2=52365.8千卡

注：

对于炉衬中的C和萤石中的P，其氧化放热甚少，故忽略之。

1.3.2热支出项

1．钢水物理热

钢水熔点:

=1536-（0.150×

65+0.174×

5+0.015×

30+0.022×

25）-7=1517℃

式中65、5、30、25分别为钢中元素C、Mn、P、S增加1%时钢水熔点的降低值。

℃

确定出钢温度：

（1）钢水过热度，镇静钢一般在70～90℃，取70℃

（2）镇静温度降，按1～3℃/分钟计，镇静时间为7～9分，故其温度降为21℃

（3）出钢温度降，一般在40～50℃,取50℃.

故出钢温度=钢水熔点+过热度+镇静温度降+出钢温度降

=1517+70+21+50=1658℃

则钢水物理热=90.356×

[0.107×

（1517-25）+65+0.20×

（1658-1517）]

=30934.6千卡

2．炉渣物理热

取终点炉渣温度与钢水温度相同，即1658℃

故炉渣物理热=13.578×

[0.298×

（1658-25）+50]=7286.4千卡

3．矿石分解吸热:

1×

（29.40%×

1150.5+61.8%×

758.1）

=1023.6千卡

4．烟尘物理热:

1.6×

[0.233×

（1450-25）+50]=622.6千卡

5．炉气物理热:

（6.930×

0.349+1.647）×

1450=4921.3

6．渣中铁珠物理热:

1.086×

[0.167×

（1658-1517）]=371.8

7．喷溅金属物理热:

1×

（1658-1517）]=342.4千卡

8．白云石分解吸热:

取生白云石中的CaCO3在1183K分解，MgCO3在750K分解，经过计算，生白云石的分解热效应为生340千卡/公斤生白云石，故3公斤生白云石分解吸热为3×

340=1020千卡

上述各项热支出量为:

30934.6+7286.4+1023.6+622.6+4921.3+371.8+342.4+1020

=46522.7千卡

9．剩余热量:

吹炼过程转炉热辐射、对流、传导、传热以及冷却等带走的热量，与炉容量小，操作等因素有关，一般为总收入热量的3～8%，本计算取5%，故热损失为52365.8×

5%=2618.3千卡

则剩余热量为52365.8-46522.7-2618.3=3224.8千卡

10．废钢加入量:

1公斤废钢吸收热量为:

（1517-25）+65+0.2×

1658-1517]=342.4千卡

则可加入的废钢量为：

=9.42公斤即废钢比为:

×

100%=8.61%

11.热平衡表表1-3-1

热效率=×

100%=0.043<

0.50%则合格。

1.4加入废钢和脱氧剂后的物料平衡

1.4.1加入废钢后的物料平衡

1．废钢中各元素应被氧化量，见表2-4-1。

表1-4-1

2．9.42公斤废钢各元素氧化量，进入钢中的量，耗氧量及氧化产物量见表1-4-2。

把表1-4-3内的金属料（铁水+废钢）换算以100公斤金属料为基础，得到重新整理加入废钢后的物料平衡。

3．加入废钢后物料平衡，见表1-4-4。

100%=-0.05%

表1-4-2

废钢中C同铁水中C氧化成CO、CO2的比例相同

把表1-2-10和表1-4-2有关项目合并整理为表1-4-3

表1-4-3

表1-4-4

1.4.2脱氧后的物料平衡

1．冶炼BD3钢选用锰铁和硅铁脱氧，其成份如表4-2-5

表1-4-5

2.计算锰铁、硅铁加入量

根据国内同类转炉冶炼BD3钢种的有关数据选取：

锰铁：

Mn的收得率为75%，Si的收得率为70%,C的收得率为90%，其中10%的C被氧化成CO2.

硅铁：

Mn的收得率为80%，Si收得率为75%.

两种脱氧剂含有的P、S、Fe均全部进入钢中。

故锰铁加入量=×

91.134=0.561公斤

硅铁加入量=×

（91.134+0.448﹡）公斤=0.331公斤

0.01是锰铁中硅进入钢中所占的重量百分数。

0.448是锰铁中各元素进入钢中的总重量。

以上两者均见表4-2-6。

3．脱氧剂中各元素的计算

﹡和﹡﹡的数据见表4-2-8。

﹡0.113公斤为脱氧剂总脱氧量。

终点钢水含氧量，是根据终点钢水含[C]=0.15%，查C-O平衡曲线，得终点钢水含[O]=0.017%，其重量为0.017%×

91.134=0.015公斤。

此含氧量远不能满足脱氧剂的耗氧量，其差值是由于出钢时钢水二次氧化所获得的氧。

4．脱氧后的钢水成份

把表1-2-1和表1-4-6中有关元素进入钢中的项目合并起来，故得脱氧后的钢水成份（见表1-4-7）

表

1-4-6

表1-4-7

5．脱氧后的物料平衡见下表

表1-4-8

=-0.15%≤0.5%则合格。

连铸机的总体设计及有关参数的确定

连铸机的总体设计

设计原则

从系统工程的观点出发，建立“总体设计”的感念。

稳定性原则——保持连铸过程的稳定性，应该成为连铸设计的优先考虑原则。

前后匹配衔接的原则——连铸和炼钢炉必须匹配，与热轧机必须衔接。

凝固传热是连铸的工艺理论基础，而钢坯力学则是连铸机设计的理论基础，应建立和完善连铸机工程设计的技术理论基础和体系。

板坯连铸机设计的核心技术——铸流设计和辊列设计。

三性原则——可靠性，维修性和经济性是连铸机设计的基本思想，设备的通用性互换性及标准化始终是设备设计和图形要遵循的基本原则。

铸机机型方案的选择

铸机的类型：

立式铸机、立弯式铸机、弧形铸机、椭圆形铸机、水平式铸机。

铸机特点：

立式铸机

优点：

（1）占地面积小；

（2）夹杂物容易上浮；

（3）无弯曲，内部裂纹小；

（4）铸坯冷却均匀；

（5）结构简单；

缺点：

（1）钢水静压力大，铸坯易产生鼓肚；

（2）基建费用高；

（3）不适于高拉速，生产率低；

（4）铸坯定尺有限；

（5）切割很难，只能生产小方坯；

B.立弯式铸机

（1）夹杂物容易上浮；

（2）机身高度降低，节省投资；

（3）水平方向出坯，加长机身容易；

（4）可以实现高拉速；

（1）铸坯一次弯曲，一次矫直内部裂纹增多；

（2）不适和大断面铸坯；

C.弧形铸机

（1）高度低；

（2）钢水静压力小，鼓肚小；

（3）加长机身容易，提高拉速；

（1）夹杂物聚集，在内弧侧；

（2）铸坯冷却不均匀；

（3）设备复杂；

D.椭圆形铸机

（2）钢水静压力小，维修方便；

（3）投资可比弧形连铸机约低20%~30%；

（1）夹杂物不易上浮；

（2）设备安装、对中不方便；

E.水平式铸机

（1）设备高度最低，投资省，建设首速度快，适合中、小电炉钢厂技术改造；

（2）钢水无二次养活纯净度高，中间包与结晶器密不可分，铸坯内部质量得到改善；

（3）钢水在水平位置凝固成型，不受弯曲矫直作用，有利防止生产裂纹，适合于特殊钢和高合计钢的浇注；

（4）设备维护简单，处理事故方便；

（5）不加保护渣；

（1）中间包与结晶器的连接的分离环的材质寿命及成本很贵；

（2）结晶器的涂层与润滑困难；

（3）拉坯时结晶器不振动；

（三）铸机机型选择的依据

1.根据产品大纲中的铸坯断面规格范围，选择铸机机型的范围。

2.根据钢种性质特点，确定铸机为主的钢种（普通钢、特殊钢）。

3.根据生产规模大小，作业率高低，质量控制的水平等确定机型的装备水平和设备造型的合理性。

4.研究和解决采用本机型中碰到的技术关键问题，如采用弧形结晶器多点矫直，还是直结晶器多点弯曲多点矫直。

5.根据用户提出的特殊条件和要求选择采用的机型，如厂房高度的限制，要求低高度的铸机。

（四）铸机与后步轧机的衔接配合

1.连铸和后步轧机的衔接配合的最终目标就是实现直接轧制或者称为连铸连轧—CC—DR。

2.CC—DR工艺的实质是：

连铸要生产高温无缺陷铸坯，热坯无需清理，中间加热，就直接进行轧制，则要求把转炉（LD）—连铸（CC）—热连轧（HOT）组成一条稳定保持高生产效率，高产品质量，高金属收得率，低能耗，短流程，高度连续化，自动化的生产流程线。

二、连铸机升级的依据条件

（一）生产任务

本设计的任务是年产600万吨合格铸坯的连铸车间

（二）炼钢炉的参数

1.炼钢车间年产钢谁水量：

G=G/η（万吨）

η：

从钢水到合格铸坯的收得率（95%~98%）由物料平衡计算所得取96%；

G：

年产铸坯量；

设计任务（年产量万吨）

G==1041.7（万吨）

2.转炉冶炼周期：

（30~35min）取32min；

3.转炉年作业天数：

取365-（55~65）=300天

4.转炉公称容量=

==772（吨）

5.转炉座数：

“三吹三”方式；

6.每座转炉公称容量为：

772/3≈280（吨）

（三）铸坯的断面尺寸

铸坯断面尺寸规格是确定连铸机机型和功能的设计依据。

铸坯断面尺寸