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第三章加废钢和脱氧后的物料平衡11

3.1废钢后的物料平衡12

3.2脱氧和合金化后的物料平衡14

第四章氧气转炉设计16

4.1转炉座数及其公称容量16

4.2转炉炉型及主要参数设计计算17

4.3转炉炉衬及炉壳设计20

4.4转炉高宽比校核21

4.5制图21

第一章物料平衡计算

1.1基本数据

1.1.1铁水的成分及温度

铁水的成分及温度见表1.1。

表1.1铁水的成分及温度

元素

C

Si

Mn

P

S

温度

铁水/%

4.500

0.430

0.440

0.065

0.008

1300

1.1.2造渣剂及炉衬成分

造渣剂及炉衬成分见表1.2。

表1.2造渣剂及炉衬成分

成分/%

CaO

SiO2

MgO

Al2O3

Fe2O3

P2O5

CO2

H2O

烧减

石灰/%

91.00

1.50

1.60

0.50

0.10

0.06

3.64

矿石/%

1.00

5.61

0.52

1.10

61.80

FeO=29.40

0.07

铁矾土/%

7.20

28.60

2.01

48.99

11.39

TiO2=1.69

轻白石/%

50.15

0.46

41.80

0.74

6.85

炉衬/%

0.92

79.80

0.28

C=16.4

1.1.3操作实测数据

操作实测数据见表1.3。

表1.3实测数据

名称

参数

终渣碱度

R=2.8

喷溅铁损

为铁水量的0.2%

矿石加入量

为铁水量的1.0%

渣中铁损

为渣量的2.5%

炉衬侵蚀量

为铁水量的0.1%

氧气存度

99.5%O2，0.5%N2

终渣T.Fe含量

取10%计算,其中炉渣中的（%FeO）=1.35（%Fe2O3）

烟尘量

为铁水量的1.5%

炉气中自由氧量

约为炉气体积0.5%

金属中[C]的氧化

C氧化成CO取80%计算，则20%C氧化成CO2

1.2炉渣量及成分

炉渣来自金属料元素氧化和还原的产物，加入的造渣剂以及炉衬侵蚀等。

1.2.1铁水中各元素的氧化量

终点钢水中含碳量取0.1%；

进入渣中Si取100%；

锰残量取50%；

脱磷率取85%；

脱S率取10%。

铁水中各元素氧化量见表1.4。

表1.4100kg铁水各元素氧化量

元素/kg

合计

铁水/kg

4.500

0.430

0.065

0.008

终点钢水/kg

0.100

痕迹

0.220

0.010

0.007

氧化量/kg

4.400

0.055

0.001

5.106

其中,氧化成CO的C质量为4.400×

80%=3.52kg，氧化成CO2的C质量为4.5×

20%=0.88kg。

1.2.2铁水中各元素氧化耗氧量及氧化产物量

铁水中各元素氧化耗氧量及氧化产物量见表1.5。

表1.5铁水中元素的氧化耗氧量及氧化产物量

反应产物

耗氧量/kg

产物量/kg

备注

损铁量/kg

[C]-{CO}

4.693

8.213

进入炉气

[C]-{CO2}

2.347

3.227

[Si]-（SiO2）

0.491

0.921

进入炉渣

[Mn]-（MnO）

0.064

0.284

[P]-（P2O5）

0.071

0.127

Fe

[Fe]-（FeO）

0.156

0.702

见表1-8

0.546

[Fe-Fe2O3]

0.520

0.364

[S]→（SO2）

0.000267

0.000533

[S]→（CaS）

-0.000267

0.001200

7.979

1.2.3造渣剂加入量及其各组元质量

a.矿石，炉衬带入的各组元质量

由矿石，炉衬侵蚀量和其中各组元的成分可计算出各组元的质量，见表6。

炉衬中C的氧化耗氧量为0.1×

16.4%×

（16×

80%/12+32×

20%/12）=0.026kg。

炉衬带入的CaO的量为100×

0.1%×

1.0%=0.001kg，MgO的量为100×

79.80%=0.0798kg，Al2O3的量为100×

0.28%=0.00028kg。

其中矿石带入渣中SiO2的量为100×

1.0%×

5.61%=0.056kg，带入渣中Al2O3的量为100×

1.10%=0.011kg。

b.轻烧白云石

经试算后轻烧白云石的加入量为1.5kg/100kg铁水。

c.炉渣碱度和石灰加入量

根据铁水的[P]、[S]含量，取终渣碱度R=2.8。

未计石灰带入的SiO2量时，渣中现有的SiO2量为（见表1.5、表1.6）

∑（SiO2）=（SiO2）铁水+（SiO2）炉衬+（SiO2）矿石+（SiO2）轻白+（SiO2）铁矾土

=0.921+0.1×

0.0092+1.5×

0.0561+0.0046×

1.5+0.286×

0.4=1.10kg

渣中现有的CaO的量为：

∑（CaO）=（CaO）炉衬+（CaO）矿石+（SiO2）铁矾土+（CaO）轻白

=0.01+0.752+0.001+0.0288-0.001-0.00042=0.79kg

则石灰加入量为：

W石灰=[R×

∑（SiO2）-∑（CaO）]/[（%CsO）石灰-R×

（%SiO）石灰]

=[2.8×

1.10-0.79]/[91.0%-2.8×

1.5%]=2.637kg

石灰带入的各组元质量见表1.5、表1.6。

石灰中的S生成的CaS量=2.637×

0.06%×

72/32=0.00356kg，生成的氧量=2.637×

16/32=0.00079kg，消耗的CaO量=2.637×

56/32=0.00277kg。

1.2.4终渣T.%Fe的确定

终渣中T.%Fe与终点碳含量和终渣碱度有关，根据生产数据，终渣T.%Fe取13%，渣中存在着（FeO）和（Fe2O3），按照（%FeO）=1.35（%Fe2O3）和T.%Fe=56×

（%FeO）/72+112×

（%Fe2O3）/160的关系，求得（FeO）=10.03%和（Fe2O3）=7.43%。

1.2.5终渣量及成分

终渣量及成分列于表1.5、表1.6中。

表中的FeO和Fe2O3质量计算过程如下。

不计（FeO）和（Fe2O3）在内的炉渣质量为

WS=m（CaO）+m（MgO）+m（SiO2）+m（Al2O3）+m（MnO）+m（P2O5）+m（TiO2）+m（CaS）

=3.431+0.766+1.1433+0.262+0.284+0.130+0.007+0.006

=5.777kg

那么,总渣量为WS∑=5.777/（100%-10.03%-7.43%）=6.999kg。

（FeO）的质量=6.999×

10.03%=0.702kg，其中铁量为0.702×

56/72=0.546kg，（Fe2O3）重量=6.999×

7.43%=0.520kg，其中铁量为0.520×

112/160=0.364kg。

将FeO和Fe2O3质量记入表1.6中，铁记入表1.5中。

表1.6终渣量及成分

组元

产物量/kg

石灰/kg

矿石/kg

轻白/kg

炉衬/kg

铁矾土/kg

合计/kg

比例/%

2.40

0.01

0.752

0.0010

0.0288

3.192

45.60

0.042

0.0052

0.627

0.0798

0.00804

0.762

10.89

0.0396

0.0561

0.007

0.00092

0.1144

1.1393

16.28

0.040

0.0110

0.011

0.00028

0.19596

0.258

3.68

MnO

4.06

0.003

0.00024

0.129

1.85

TiO2

0.00676

0.10

CaS

0.004

0.0016

0.00054

0.006

0.08

FeO

0.294

10.03

0.013

0.618

0.0016

0.04556

0.52

7.43

6.999

100.0

a.

b.

1.3矿石、烟尘中的铁及氧量

假定造渣剂及炉衬中的FeO、Fe2O3全部被还原成铁，则

造渣剂及炉衬带入铁量：

0.294×

56/72+（0.015+0.618+0.0016+0.046）×

112/160=0.704kg

烟尘带走铁量：

1.50×

（75.00%×

56/72+20.00%×

112/160）=1.085kg

造渣剂及炉衬带入氧量：

16/72+（0.015+0.618+0.0016+0.046）×

48/160=0.269kg

烟尘消耗氧量：

16/72+20.00%×

48/160）=0.340kg

1.4炉气成分、质量及体积

1.4.1当前炉气体积V1

由元素氧化和造渣剂带入的气体质量见表1.7。

表1.7气体来源及质量、体积

来源

轻少白云石/kg

体积

CO

0.031

8.244

6.5952

0.012

0.103

0.096

3.437

1.7500

SO2

0.0005333

0.001

0.0002

0.005

0.0095

11.690

8.3548

NOTE：

气体体积=气体质量×

22.4/气体分子量

1.4.2当前氧气消耗质量及体积

当前氧气消耗质量见表1.8。

表1.8氧气消耗质量

元素氧化

烟尘铁氧化

炉衬碳氧化

矿石带入氧

石灰硫还原出氧

矿石硫还原出氧

0.340

0.026

-0.269

-0.000791

-0.00035

8.075

则当前氧气消耗的体积VO2=8.075×

22.4/32=5.652m3。

1.4.3炉气总体积

炉气总体积为:

Vg=元素氧化生成的体积+水蒸气的体积+炉气中自由氧的体积+炉气中氮气体积

即Vg=V1+{O2}炉气×

Vg+[VO2+{O2}炉气×

Vg]×

{N2}氧气/{O2}氧气

式中{O2}炉气-炉气中自由氧含量，0.5%；

{N2}氧气-氧气中氮气成分；

{O2}氧气-氧气中氧气成分。

整理得：

Vg=

=[8.3548+5.652×

0.5%/99.5%]/[1-0.5%-0.5%×

0.5%/99.5%]

=8.426m3

1.4.4炉气中自由氧体积及质量

Vf=0.5%×

8.426=0.042m3，Wf=32×

0.042/22.4=0.060kg

1.4.5炉气中氮气体积及质量

VN2=（5.652+0.042）×

0.5%/99.5%=0.029m3

WN2=28×

0.029/22.4=0.036kg

炉气中各组元成分的质量和体积见表1.9。

表1.9炉气组元的质量和体积

炉气组元

O2

N2

质量/kg

0.060

0.036

11.785

体积/m3

6.595

1.750

0.00019

0.029

8.426

体积百分数/%

78.28

20.77

0.500

0.113

1.5总氧气消耗及体积

WO2∑=8.075+0.060+0.036=8.171kg

VO2∑=5.652++0.042+0.029=5.723m3

1.6钢水质量Wm

在吹炼中铁水的各项损失见表1.10。

表1.10在吹炼中铁水的各项损失

吹损

烟尘铁损

渣中铁珠

矿石带入铁

6.016

1.08500

0.140

0.200

-0.704

6.737

则钢水水质量Wm为：

Wm=100.00-6.737=93.263kg

钢水收得率为93.263%。

1.7未加废钢时的物料平衡

综上，未加废钢时的物料平衡见表1.11。

表1.11未加废钢时的物料平衡表

收入

支出

项目

铁水

100.000

87.867

钢水

93.263

81.890

石灰

2.637

2.317

炉渣

6.146

轻烧白云石

1.500

1.318

炉气

10.348

炉衬

0.100

0.088

喷溅

0.176

氧气

8.171

7.180

烟尘

1.317

矿石

1.000

0.879

0.123

铁矾土

0.400

0.351

113.808

113.887

计算误差=（114.164-114.085）/114.164×

100%=0.070%

第二章热平衡计算

2.1基本数据

2.1.1物料平均热容及其熔化潜热

物料平均比热容及熔化潜热，见表2.1

表2.1物料平均比热容及熔化潜热

物料名称

生铁

钢

固态平均热容

0.7450

0.6690

1.0450

1.0470

0.9960

熔化潜热

218.0000

272.0000

209.0000

液态或气态平均热容

0.8370

1.2480

1.1370

2.1.2入炉物料及产物温度

表2.2入炉物料及产物温度

入炉物料

产物

废钢

其他物料

温度/°

1300.000

25

1651.928

1450

2.2计算过程

2.2.1热收入

2.2.1.1铁水物理热

已知纯铁的熔点为1536℃。

查相关数据，得：

铁水熔点Tt=1536-（4.5×

100+0.43×

8+0.44×

5+0.065×

30+25×

0.008）-6

=1072.210℃

铁水物理Qhm=100×

[0.745×

（1072.210-25）+218.00+0.837×

（1300-1072.210）]

=118883.168kJ

2.2.1.2元素氧化热及成渣热

由铁水中元素氧化量和反应热效应可以算出，其结果列于表2.3。

表2.3元素氧化热和成渣热（kJ）

反应

氧化热或成渣热

C→CO

40969.28

Fe→Fe2O3

2351.104341

C→CO2

30653.92

P→P2O5

1048.645

Si→SiO2

12556.86

P2O5→4CaO·

617.5167742

Mn→MnO

1450.68

SiO2→2CaO·

1492.714286

Fe→FeO

2320.168758

93460.88916

2.2.1.3烟尘氧化热

Qc=1.5×

（75%×

56/72×

4250+20%×

112/160×

6460）=5075.35kJ

2.2.1.4炉衬中碳的氧化热

Ql=0.1×

（16.4%×

0.8×

11639+0.164×

0.2×

34834）=266.9592kJ

故热收入总值为：

Qin=Qhm+Qy+Qc+Ql

=118883.168+93460.88916+5075.35+266.9592=217686.366kJ

2.2.2热支出

2.2.2.1钢水物理热

钢水熔点：

Tm=1536-（0.1×

65+0.22×

5+0.010×

30+0.007×

25）-6

=1521.928℃

出钢温度：

Tc=1521.928+15+50+21+30+20+25=1641.928℃

则钢水物理热：

Qm=93.263×

[0.699×

（1521.928-25）+272+0.837×

（1641.928-1521.928）]

=132320.366kJ

2.2.2.2炉渣物理热

炉渣温度Ts=1641.928+10=1651.928℃，炉渣熔化性温度一般为1300-1400℃，取1350℃计算，则

Qs=6.999×

[1.248×

（1651.928-1350）+209+1.045（1350-25）]

=13791.045kJ

2.2.2.3炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热

炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热，详见表2.4。

表2.4炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热

炉气物理热

19095.159

尘埃物理热

2442.450

渣中铁珠物理热

198.603

喷溅金属物理热

283.758

22019.970

2.2.2.4轻烧白云石分解热

由白云石分解反应：

CaCO3.MgCO3=MgO+CaO+2CO2

和轻烧白云石烧减量6.85%，可计算出与分解出来和烧碱量相对应的CaO和MgO含量。

WCaO=6.85%×

MCaO/MCaCO3=6.85%×

56/88=4.36%

WMgO=6.85%×

MMgO/MMgCO3=6.85%×

40/88=3.11%

由轻烧白云石分解热Qb为：

Qb=1.5×

（0.0436×

3019+0.0311×

2951）=335.11kJ

2.2.2.5矿石分解吸热

Qk=1×

[0.294×

4250+0.6180×

6460]=3766.43kJ

2.2.2.6热损失

吹炼过程中转炉热辐射，对流，传导传热以及冷水等带走的热量与炉容量大小，操作等因素有关，一般约占总热收入的3%-8%。

本计算取6%，则得：

Qq=6%×

Qin=6%×

217686.366=13061.18198kJ

结果得：

Qout=132320