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物料平衡与热平衡计算

钢铁冶金专业设计资料

（炼铁.炼钢）

本钢工学院冶化教研室

二00三年八月

第一章物料平衡与热平衡计算

物料平衡和热平衡计算是氧气顶吹转炉冶炼1:

艺设计的一项基本的计算，它是建立在物质和能量不灭定律的基础上的。

它以转炉作为考察对象，根据装入转炉内或参与炼钢过程的全部物料数据和炼钢过程的全部产物数据，如图1-1-1所示的收入项数据和支出项数据，來进行物料的重量和热平衡计算。

通过计算，可以定量地学:

握冶炼工產要参数，做到“胸中有数”。

对指导生产和分析研究改进冶炼工艺，设计转炉炼钢车间等均有其重要意义。

由于转炉炼钢过程是一个十分复杂的物理化学过程，很显然，要求进行精确的计算较为困难，特别是热平衡，只能是近似计算，但它仍然有十分重要的指导意义。

物料平衡和热平衡计算，一般可分为两而种方案。

第一种方案是为了设计转炉及其氧枪设备以及相应的转炉炼钢午间而进行的计算，通常侧重于理论计算，特别是新设计转炉而无实际炉型可以参考的情况下：

另一种方案是为了校核和改善已投产的转炉冶炼工艺参数及其设备参数或者采用新工艺新技术等，而由实测数据进行的计算，后者侧重于实测。

本计算是采用第一种方案。

目前，我国顶吹转炉所采用的生铁基本上为低磷的（0.10〜0.40%）和屮磷的（0.40〜1.00%）两种，对这两种不同禽磷量生铁的冶炼工艺制度也不相同。

因此，下面以50吨转炉为例，分别就低磷生铁和高磷生铁两种情况，进行物料半衡和热平衡计算。

1.1原始数据

1.1.1铁水成分及温度

表1-1-1

成分

C

Si

Mn

P

S

温度・c

%

4.250

0.850

0.580

0.150

0.037

1250

1.1.2原材料成分

A

CaO

SiO2

MgO

A12O3

S

P

CaF.

FcO

Fc。

H：

O

c

烧碱

合计

石灰

91.3

1.26

1.54

1.42

0.0

4.34

100.00

8

6

矿石

1.10

5.11

0.52

1.16

0.0

28.

61.8

0.50

100.00

—

8

萤石

6.00

0.58

1.78

0.0

0.5

89.0

2.00

100.00

9

5

0

轻烧

白云石

30.8

4

0.46

20.1

6

0.74

0.0

4

0.1

1

r.s

100.00

镁质炉

54.5

1.05

39.4

1.00

5.0

100.0

衬

0

5

0

表

2-1-1铁水成分与温度

成分

C

Si

Mn

P

S

温度°C

%

4.300

0.650

0.560

0.150

0.038

1300

转炉冶炼钢种常为普通碳素钢和低合金钢，在此以要求冶炼B5钢考虑，其成分见表2-1-3

成分（中

限）

C

Si

Mn

P

S

%

0.16〜0.24

0.16〜0.28

0.35〜0.65

0.045

0.045

1.1.4平均比热

1-1-4

项目

固态平均比热千卡/公斤•度

熔化潜热千卡/公斤

液态或气态平均比

执

八八

千卡/公斤•度

生铁

0.178

52

0.20

钢

0.167

65

0.20

炉渣

50

0.298

烟尘

0.238

50

矿石

炉气

co

0.349

co.

—

0.558

S6

■

0.555

o2

0.365

N,

■

0.346

h2o

0.489

1.1.5冷却剂

用废钢作冷却剂，其成份与冶炼钢种成份的中限相同。

（见表M-3）

1.1.6反应热效应

虽然炉内化学反应，实际上是在炉料温度和炉内上部气相温度之间的任一温度发生的，但反应热效应通常仍采用25°C作为参考温度，值得指岀的是，反应热还与组分在铁水中存在形态有关，至今对参与化学反应有关的实际组成物还有不同的看法。

但是，比较常用的反应热数据见表l-l-5o

1一1一・5

反应

放出热（千卡）

每公斤分子

每公斤元素或化合物

千卡

元素或化合

物

C（Fe3C）+LO2=CO

C（Fe3C）+O2=CO2

Si（Fe3Si）4-O3=SiO32P（Fe3P）+|O2=P2O5Mn+—O^=MnO2一

*0.95Fe+yO2=Fe095OFe+丄6=FeO

2-

2Fe+?

O戸FeO

2-

3Fe4-2O2=Fe3O4

2CaO+SiO2=2CaO•SiO：

31397.0

99063.5

190015.2

280133.5

92007.4

63727.3

64430.0

196910.0

267243.4

29780.2

2616.9

8250.7

6767.2

4522.6

1677.9

1200.1

1150.5

1758.1

1594.6

495.0

C

C

Si

P

Mil

Fe

Fe

FeFe

SiO,

■

4CaCH-P2O5=4CaO•P2O5

165013.2

1162.1

p。

FeO+SiO尸FeO•SiO2

4500.4

80.6

FeO

MnO+SiO.=MnO•SiO.

■■

5889.4

107.2

MnO

*通常近似认为是Fe+lo2=FeO

2

1.1.7其它数据的选取（根据国内同类转炉的实测数据选取）

1.渣屮铁珠量为渣量的5%〜8%,本设计取8%。

2.金属中碳的氧化假定为：

80%〜90%的碳氧化成CO,20%〜10%的碳

氧化成CO?

。

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°C,炉气中自由氧含量为0.5%,烟尘量铁珠

量的1.6%,其中FeO二77%,Fe2O3=20%o

5.氧气成分为98.5%O2,1.5%N2o

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

、\^密份重量

公

斤）

C

Si

Mn

P

S

铁水

4.250

0.850

0.580

0.150

0.037

终点钢水

0.150

痕迹

0.174

0.015

0.022

氧化量

1.100

0.850

0.406

0.135

0.015

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（0.27.3）之差来确定终点钢水含碳量，取0.150%o

[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-起进入炉渣中，故终点钢水硅的含量为痕

迹。

[Mn]:

终点钢水残卡孟量，一般为铁水中猛含量的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%留在钢屮。

同时要考虑钢包屮回磷的因素。

[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1-2~2o

我1-2-2

元

素

反应及其产物

元素氧化量

（公斤）

耗氧量

（公斤）

氧化产物量

（公斤）

备注

3.690920

3.690Xrl=8.61

12

12

4.100X90%二3

0.410X11=1.093

12

0

.690

0.850X^1=0.971

0.410X^=1.50

[C]+

28

12

4.100X10%=0

0.406X-=0.118

55

3

1{o2hco}

—

.410

0.135X?

°=0.174

62

0.850X^1=

28

[CJ+（O2MCO2}

0.

0.005X21=0.005

32

1.821

假定气化硫率占总

c

[Si]+{O沪（SO）

850

0.010X（-11）—0

0.406x11=

去硫率的；。

-0.005

c

32

55

3

Si

[Mn]+

0.

.005

0.524

表示还原出的氧疑，

Mil

^{02}=（Mii0）

406

1.056X11=

56

0.135X空=

62

消耗CaO量为

P

2[P]+

0.

0.302

0.309

0.010X^=0.018

S

"o沪（PO）

135

0.575X竺二

112

0.005X竺二

32

见表2-2-8

S

[S]4-{O,}={SO,}

0.015X1=

0.204

0.010

见表2-2-8

Fc

[Sj+（CaO）=（CaS）

0.005

0.010x2=

32

0.023♦

Fc

+[O]

0.015-0.005=

[Fe]+{O2}=（FeO）

0.01

9

1.

2[Fe]+{O2}=（Fe2

1

358

03）

丄•

z\

•指生成的CaSa

3・造渣剂成分及数帚

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

矿石加入最为1.00公斤/100公斤铁水，其成分及重最见表1-2-3

表1-2-3

成分

重量（公斤）

Fe2O3

1.00X61.80%=0.618

FeO

1.00X29.40%=0.294

SiO2

1.00X5.61%=0.056

AI2O3

1.00X1.10%=0.011

CaO

1.00X1.00%=0.010

MgO

1.00X0.52%=0.005

*S

1.00X0.07%=0.001

h2o

1.00X0.50%=0.005

共计

1.00

T以[S]+（CaO）=（CaO）+[O]的形式反应，其中生成CaS量为

o.001X—=0.002公斤，消耗CaO量为0.001X竺=0.002公斤，生成微量氧3232

为0.001X—=0.001公斤。

32

2）萤石加入量及成分

荣石加入量为0.50公斤/100公斤铁水，其成分及重量见表2-2-4

表1-2-4

成分

重量（公斤）

CaF：

0.50X89.00%=0.445

SiO2

0.50X6.00%=0.030

AI2O3

0.50X1.78%=0.009

MgO

0.50X0.58%=0.003

*P

0.50X0.55%=0.003

**S

0.50X0.09%=0.0004

h2o

0.50X2.00%=0.010

共计

0.500

♦P以2[P]+-{O?

}=（P2O5）的形式进行反应，其中生成P2O5量为

2

14280

0.003X—=0.007公斤，消耗氧最为0.003X—=0.004公斤。

6262

**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

成分

重量（公斤）

CaO

0.50X54.00%=0.270

MgO

0.50X37.95%=0.190

SiO2

0.50X2.05%=0.010

A12O3

0.50X1.00%=0.005

C

0.50X5.00%=0.025

共计

0.500

被浸蚀的炉衬中碳的氧化，同金属中碳的氧化成CO,CO?

的比例和同，B|J：

0.053公斤

28

0.025X90%X—=

12

0.025X10%X菩二0.009公斤

3?

0.009X矿0.007公斤

其消耗氧气最为：

0.053X—=0.030公斤

28

共消耗氧气量为0.03+0.007二0.037公斤

4）生白云石加入屋及成份

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的含氐初期渣中（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・SiO3）的形成，从而加速石灰的熔解。

同时，能减少初期渣中的（FeO）含最或考中和一部分氧化铁，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%之间來计算白云石加入量。

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

成分

重量（公斤）

CaO

3.00X30.84%=0.925

MgO

3.00X20.16%=0.605

SiO2

3.00X0.46%=0.014

ai3o3

3.00X0.74%=0.022

烧碱

3.00X47.80%=1.434

共计

3.000

烧减是指生白云石（MgCOs・CaCO3）分解后而生产的CO?

气体。

5）炉渣碱度和石灰加入量

（%CaO）

取终渣碱度R=e—、二2.8〜4.0取3.5

（%S1O2）

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的重最，然后再计算石灰加入量。

渣中已存在的L（SiO2）量二铁水中Si氣化生成的SiOo呈+炉衬带入的SiO2S：

+矿石带入的SiO2量+萤石带入的SiO2量+白云石带入的SiO2量

=1.821+0.01CH-0.056+0.030+0.014=1.931公斤.

渣中已存在的L（CaO）量二白云石带入的CaO量+炉衬带入的CaO星+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。

石灰加入旱戶工（SQ）-工（CaO）=RX工（Si6）一工©O）

（%CaO）有效％CaO石灰一RX%Si6石灰

3.5X1.931-1.185

91.08%-3.5XI.66%

=6.537公斤

加入石灰所代入的各成份及重量见表l-2-7o

表1-2-7

成分

重量（公斤）

CaO

6.537X91.08%=5.954

MgO

6.537X1.54%=0.101

SiO2

6.537X1.66%=0.108

AI26

6.537X1.22%=0.080

*S

6.537X0.06%=0.004

烧碱

6.537X4.44%=0.290

共计

6.537

♦S以[S]+（CaO）=（CaS）+[O]的形式反应，苴中生成（CaS）量为

7216

08X訂.009,生成氧量为0.004X-.0.002公斤；消耗（CaO）量为

0.004X—=0.007公斤。

32

烧减是指未饶透的CaCO3经受热分解所产生的CO：

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，终点钢水含碳帚为0.15%和终渣碱度为3.5时，终渣中（Fe2O3）=5%和（FeO）=10%o

7）终渣量及其成份

表1-2-8中不计（FeO）和（Fe?

O3）在内的炉渣重量为:

（CaO+MgO+SiOp+P^Ch+MnO+AhOs+CaFz+CaS）

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

=11.541公斤

己知渣中氧化铁量为15%,则渣中其它成份之和为100%-15%=85%故炉渣总重量为罟•也578公斤由此可剜

（FeO）的重量二13.578X10%二1.358公斤，其中铁重二1.358X竺二1.056公斤

72

（Fe,O3）的重量=13.578X5%=0.679公斤.其中铁重量二0.679X—=0.474公斤「160

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

成份

氣化产物址

（公斤）

石灰

（公斤）

矿石

（公斤）

轻烧白云石

（公斤）

炉村

（公斤）

萤石

（公斤）

合计

（公斤）

%

CaO

•5.947

0.010

0.925

0.270

7.152

52.67

MgO

0.101

0.005

0.605

0.190

0.003

0.901

6.66

SiO2

1.821

0.108

0.056

0.014

0.010

0.030

2.039

15.02

P2O5

0.309

0.007

0.316

2.33

MnO

0.524

0.524

3.86

A12O3

0.080

0.011

0.022

0.005

0.009

0.127

0.93

CaF3

0.445

0.445

3.28

CaS

0.023

0.009

0.002

0.034

0.25

FeO

1.358

•1.358

10.00

F®03

0.679

•*0.679

5.00

总计

4.714

6.245

0.081

1.566

0.475

0.494

13.578

100.00

•5.947=石灰中CaO含量■石灰中S自耗CaOlfi=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朿虽。

1.2.2矿石、烟尘中的铁及重量

假定矿石中E（FeO）全部被还原成铁，则：

矿石带入铁量=1.00X（29.40%X—+61.80%X—）=0.661公斤72160

烟尘带走铁量=1.60X（77%X—+20%X—）=1.182公斤

72160

矿石代入的氧量二1.00X（29.40%X—+61.8%X—）=0.251公斤72160

烟尘消耗氧量=1.60X（77%X—+20%X—）=0.370公斤

72160

1.2.3炉气成份及重量

表1-2-9

成份

重量（公斤）

体积，米'

%（体积）

co

8.663

8.663X

22,4-6.930

28

79.38

co2

3.236

3.236X

22.4=1.64,

18.87

so2

0.010

44

22.4

0.04

Or

亠

♦0.063

0.010X

-0.004

64

0.50

N->

■

**0.108

*0.044

0.99

h2o

0.015

0.015X

*♦0.086

22,4-0.019

18

0.22

丿汕

12.095

8.730

100.00

表1-2-9中各项的计算如下；

CO的重量二铁水中的C被氧化成CO的重量+炉衬中的C被氧化成co的重量

=8.6100.053=8.663公斤

C6的重最二铁水中的C被氧化成CO2的重最+炉衬中的C被氧化成CO：

的重最+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

SO?

的重量=铁水中的S气化而产生的氧化物重量=0.010公斤

H?

O汽的重量二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

审和**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來的，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最，其求法如下：

设炉气总体积为X米'，则

X二元素氧化生成的气体体积和水蒸汽的体积+口由氧体积+氮气体积，即:

X=6.930+1.647+0.004+0.019+0.50%X+

22.4/32（7.781+0.370+0.037+0.004-0.252-0.002）+0.50%XZ1甘“\

X（1_98・□%）

98.5%

=8.6000.50%X+（0.085+0.008%X）

整理得：

X二一=8.730米'

1—0.50%-0.008%故炉气中自由氧体积=8.730X0.50%=0.044米'

自由氧重最二0.044X-2L=0.063公斤

22.4

炉气中氮气体积二0.085+0.008%X8.730=0.086米'

炉气中氮气重最二0.086X—=o.108公斤

22.4

***括号内的数据参看下而氧气消耗项目。

1.