100吨转炉平衡及热平衡计算.docx
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100吨转炉平衡及热平衡计算
100T顶底复吹转炉炼钢的物料平衡和热平衡计算
5.1物料平衡计算
5.1.1计算原始数据
基本原始数据有:
冶炼钢种及成分、铁水和废铁的成分、终点钢水成分;造渣用溶剂及炉衬等原材料成分;脱氧和合金化用铁合金的成分及回收率;其他工艺参数。
表5-1钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值
成分含量/%
类别
C
Si
Mn
P
S
钢种Q235设定值
0.18
0.25.
0.55
≤0.045
≤0.045
铁水设定值
4.00
0.50
0.50
0.30
0.035
废钢设定值
0.18
0.25
0.55
0.030
0.030
终点钢水设定值
0.10
痕迹
0.15
0.020
0.021
表5-2原材料成分
成分含量/%
类别
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
FeO
P2O5
S
CO2
H2O
C
灰分
挥发分
石灰
88.00
2.50.
2.60
1.50
0.50
0.10
0.06
0.10
白云石
44.0
3.0
33.0
3.00
1.0
36.20
炉衬
1.20
3.00
78.80
1.40
1.60
14.0
矿石
1.0
4.61
0.42
1.10
61.8
29.4
0.07
0.40
石灰中S自耗的CaO量
表5-3矿石加入量及成分
矿石加入量
为铁水量的1%
成分
质量/Kg
成分
质量/Kg
Fe2O3
1*61.80%=0.618
FeO
1*29.40%=0.294
SiO2
1*4.61%=0.0461
Al2O3
1*1.10%=0.11
CaO
1*1.0%=0.01
MgO
1*0.42%≈0.004
s
1*0.07%≈0.001
H2O
1*0.40%=0.004
矿石中S消耗CaO量=0.001*2/3*56/32=0.001kg
表5-4其他工艺参数设定值
名称
参数
终渣碱度
w(CaO)/w(SiO2)=3.2
白云石加入量
为铁水量的1.5﹪
炉衬蚀损量
为铁水量的0.3﹪
终渣∑w(FeO)含量
(按向钢中传氧量w(Fe2O3)=1.35w(FeO)折算)
15﹪而ω(Fe2O3)/∑ω(FeO)=1/3,即金属中[Fe]的氧化产物w(Fe2O3)=5﹪,w(FeO)=8.25﹪
烟尘量
为铁量的1.5﹪(其中w(FeO)为75﹪w(Fe2O3)的20﹪)
喷溅铁损
为铁水量的1﹪
渣中铁损(铁珠)
为渣量的8﹪
氧气纯度
99﹪,余者为N21%
炉气中自由氧含量
0.5﹪(体积比)
气化去硫量
占总去硫量的1/3
金属中[C]的氧化物
90﹪C氧化成CO,
10﹪C氧化成CO2
废钢量
由热平衡计算确定,本计算结果为铁水量的
13.35﹪,即废钢比为11.78﹪
矿石加入量
为铁水量的1%
5.1.2物料平衡的基本项目
收入项有:
铁水、废钢、溶剂(石灰、矿石、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。
5.1.3计算步骤
以100㎏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,炉衬腐蚀和加入溶剂的成渣量。
其各项成渣量分别列于表5-5~表5-7。
总渣量及成分如表5-8所示:
铁水中元素氧化量
元素%
项目
C
Si
Mn
P
S
铁水
4.00
0.50
0.50
0.30
0.035
钢水
0.10
痕迹
0.15
0.020
0.021
氧化量
3.90
0
0.35
0.280
0.014
表5-5铁水中元素的氧化产物及其成渣量
元素
反应产物
元素氧化量/㎏
耗氧量/㎏
氧化产物量/㎏
备注
C
[C]+1/2O2→{CO}
3.90×90%=3.51
3.51*16/12=4.011
3.51*28/12=8.190
[C]+O2→{CO2}
3.90×10%=0.39
0.39*32/12=0.891
0.39*44/12=1.430
Si
[Si]+O2→(SiO2)
0.50
0.50*32/28=0.571
0.5*60/28=1.071
入渣
Mn
[Mn]+1/2O2→(MnO)
0.35
0.35*16/55=0.102
0.35*71/55=0.452
入渣
P
2[P]+5/2O2→(P2O5)
0.28
0.28*80/62=0.361
0.28*142/62=0.641
入渣
S
[S]+O2→{SO2}
0.014×1/3=0.005
0.005*32/32=0.005
0.005*64/32=0.010
[S]+[CaO]→(CaS)+(O)
0.014×2/3=0.009
0.009*(-16)/32=-0.005
0.009*72/32=0.020
入渣
Fe
[Fe]+1/2O2→(FeO)
1.069×56/72=0.831
0.831*16/56=0.238
1.069
入渣(表5-8)
2[Fe]+3/2O2→(Fe2O3)
0.602×112/160=0.421
0.421*48/112=0.181
0.602
入渣(表5-8)
合计
6.296
6.365
成渣量
3.855
入渣组分之和
①由CaO还原出的氧量;计算出铁水中S消耗CaO量=0.009×56/32=0.016㎏。
表5-6炉衬腐蚀的成渣量
炉衬蚀损渣量/㎏
成渣组分/㎏
气态氧化物/㎏
耗氧量/㎏
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
C→CO
C→CO2
C→CO,CO2
0.3(表5-4)
0.004
0.009
0.236
0.004
0.005
0.088
0.015
0.062
合计
0.258
0.104
0.062
表5-7加入溶剂的成渣量
类别
加入量
㎏
成渣组分/㎏
气态氧化物
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
P2O5
CaS
CaF2
H2O
CO2
O2
白云石
1.5
0.66
0.495
0.045
0.025
0.015
0.543
石灰
3.863
3.399
0.100
0.097
0.058
0.019
0.004
0.01
0.004
0.309
0.002
矿石
1
0.01
0.004
0.046
0.011
0.618
0.004
合计
4.069
0.599
0.188
0.094
0.652
0.004
0.01
0
0.008
0.852
0.002
成渣量
5.616
0.862
①.石灰加入量:
石灰加入量=
=(1.171*3.2-0.657)/(88.0%-3.2×2.50%)
=(3.747-0.657)/0.8
=3.09/0.8
=3.863kg
∑(SiO2)=铁水[Si]生成(SiO2)+炉衬、矿石、白云石带入(SiO2);
=1.071+0.009+0.046+0.045=1.171㎏;
∑(CaO)=白云石、矿石、炉衬带入(CaO)-铁水、矿石中S消耗CaO量;
=0.66+0.01+0.004-0.001-0.016=0.657㎏;
因设定终渣碱度R=3.2:
%CaO有效=石灰中(%CaO)-碱度R×石灰中(%SiO2)=88.0%-3.2×2.50%
表5-8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
1.071
0.452
1.065
0.6
0.641
0.021
3.85
石灰成渣量
3.399
0.097
0.1
0.058
0.019
0.004
0.01
3.687
炉衬蚀损成渣
0.004
0.009
0.236
0.004
0.005
0.258
白云石成渣
0.66
0.045
0.495
0.025
0.015
1.24
矿石成渣量
0.01
0.046
0.004
0.011
0.618
0.689
总成渣量
4.073
1.268
0.835
0.098
0.45
1.06
1.257
0
0.645
0.031
9.717
质量分数/%
41.92
13.05
8.59
1.01
4.63
10.91
12.94
0
6.64
0.32
100
①.表中除(FeO)和(Fe2O3)以外的总渣量为4.073+1.268+0.835+0.098+0.45+0.645+0.031=7.4㎏,而终渣Σω(FeO)=15%(表5-4),
故总渣量为7.4/86.75%=7.4/86.75%=8.53㎏。
②.ω(FeO)=8.53×8.25%=0.704㎏ω(Fe2O3)=8.53×5%=0.427㎏。
由于矿石和白云石
第二步:
计算氧气消耗量。
氧气的实际消耗量系消耗项目与供入项目之差。
见表5-9
表5-9实际耗氧量
耗氧项/㎏
供氧项/㎏
实际耗氧量/㎏
铁水中元素氧化耗氧量(表5-5)6.365
炉衬中碳氧化消耗氧量(表5-6)0.062
石灰中S与CaO反应还原出的氧化量(表5-7)0.001
烟尘中铁氧化消耗氧量(表5-4)0.340
7.157-0.001+0.064=7.219
炉气自由氧含量取炉气量(体积)的5%0.057
合计7.157
合计0.001
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7-5~表7-7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VΣ
V∑=
+0.5%V∑+
(
V∑-
)
=
=8.089m³
式中Vg——CO、CO2、SO2和H2O各组分总体积,m³。
本计算中其值为:
=7.998m³
Gs——不计自由氧的氧气消耗量,㎏。
本计算中其值为:
6.698+0.062+0.34=7.10㎏(见表5-9)
Vx——石灰中的S和CaO反应还原出的氧量(其质量为:
0.002㎏,见表5-9),
m³。
0.5%——炉气中自由氧含量。
99——自由氧纯度为99%转换得来。
计算结果列于表5-10
表5-10炉气量及其成分
炉气成分
炉气量/㎏
炉气体积/m³
体积分数/%
CO
8.19+0.088=8.278
8.278×22.4/28=6.622
83.96
CO2
1.43+0.015
0.543+0.309=2.297
2.297×22.4/44=1.169
14.82
SO2
0.010
0.010×22.4/64=0.004
0.05
H2O
0.008
0.008×22.4/18=0.001
0.01
O2
0.057
0.04
0.51
N2
0.064
0.051
0.65
合计
11.083
7.887
100.00
①.炉气中O2的体积为8.089*0.5%=0.040m³;质量为0.040×32/22.4=0.057㎏。
②.炉气中N2的体积系炉气总体积与其他成分体积之差;质量为0.051*28/22.4=0.064㎏
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
=100-6.296-[1.50×(75%×56/72+20%×112/160)+1+12.955×8%]
=90.583㎏
由此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表5-11
表5-11未加废钢时的物料平衡表
收入
支出
项目
质量/㎏
%
项目
质量/㎏
%
铁水
100
87.82
钢水
90.583
79.65
石灰
3.863
3.4
炉渣
8.53
7.50
矿石
1
0.9
炉气
11.08
9.74
白云石
1.50
1.3
喷溅
1.00
0.88
炉衬
0.30
0.3
烟尘
1.50
1.32
氧气
7.21
6.3
渣中铁珠
1.03
0.91
合计
113.87
100.00
合计
113.72
100
注:
计算误差为(113.87-113.72)/113.87×100%=0.13%
5.2热平衡计算
5.2.1计算所需的原始数据
计算所需的基本原始数据有:
各种入炉料及产物的温度(表5-17);物料平均热熔(表5-18);反应热效应(表5-19);融入铁水的元素对铁水熔点的影响(表5-20)。
其他工艺参数参照物料平衡选取。
表5-17入炉物料及产物的温度设定值
名称
入炉物料
产物
铁水
废钢
其他原料
炉渣
炉气
烟尘
温度/℃
1300
0
25
与钢水相同
1450
1450
表5-18物料平均热熔
物料名称
生铁
钢
炉渣
矿石
烟尘
炉气
固态平均热熔kJ/(㎏·K)
0.745
0.699
--
1.047
0.996
--
熔化潜热kJ/㎏
218
272
209
209
209
--
液态或气态平均热熔kJ/(㎏·K)
0.837
0.837
1.248
--
--
1.137
表5-19炼钢温度下的反应热效应
组元
化学反应
/kJ·kmol-1
/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}=(MnO) 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
元素对铁熔点的降低值
元素
C
Si
Mn
P
S
Al
Cr
N、H
、O
在铁中极限溶解度/%
5.41
18.5
无限
2.8
0.18
35.0
无限
融入1%元素使铁熔点降低值/℃
65
70
75
80
85
90
100
8
5
30
25
3
1.5
N、H、O融入使铁熔点降低值/℃
∑=6
适用含量范围/%
<1
1.0
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
≤3
≤15
≤0.7
≤0.08
≤1
≤18
5.2.2计算步骤
以100㎏铁水为基础
第一步:
计算热收入Qs。
热收入项包括:
铁水物理热;元素氧化热及成渣热;烟尘氧化热;炉衬中碳的氧化热。
(1)铁水物理热
先根据纯铁熔点(1536℃)、铁水成分以及溶入元素对铁熔点的降低值(见表5-17、表5-1和表5-20)计算铁水熔点Tt,然后由铁水温度(1300℃)和生铁热容(见表5-17和表5-18)确定
。
=1536-(4.0×100+0.5×8+0.5×5+0.3×30+0.035×25)-6
=1536-(400+4+2.5+9+0.875)-6
=1114(℃)
=铁水量*[C固*(T熔-T0)+λ熔+C液*(T出-T熔)]
=100×[0.745×(1114-25)+218+0.837×(1300-1114)]
=100*(811.3+218+155.68)
=118498.2(KJ)
(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(见表5-19)可以算出,其结果列于表5-21。
表5-21 元素氧化热和成渣热
反应产物
氧化热或成渣热/kJ
C→CO
3.51×11639=40852.89
C→CO2
0.39×34834=135853.26
Si→SiO2
0.5×29202=14601
Mn→MnO
0.420×6594=2769.48
Fe→FeO
0.831×4250=3531.75
Fe→Fe2O3
0.421×6460=2719.66
P→P2O5
0.28×18980=5314.4
P2O5→4CaO·P2O5
0.422×4880=2059.36
SiO2→2CaO·SiO2
1.934×1620=3133.08
合计Qy
82726.48
(3)烟尘氧化热
由表5-4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。
(为铁量的1.5﹪(其中w(FeO)为75﹪,w(Fe2O3)的20﹪)
=1.5×(75%×56/72×4250+20%×112/160×6460)=5075.35kJ
(4)炉衬中碳的氧化热(为铁水量的0.3﹪,90﹪C氧化成CO,10﹪C氧化成CO2)
=0.3×14%×90%×11639+0.3×14%×10%×34834=586.25kJ
故热收入总量为
=
+
+
+
=118498.2+82726.48+5075.35+586.25=206886.28kJ
第二步:
计算热支出
。
热支出项包括:
钢水物理热;炉渣物理热;烟尘物理热;炉气物理热;渣中铁珠物理热;喷溅物(金属)物理热;轻烧白云石分解热;热损失;矿石分解吸热
(1)钢水物理热Qg
先按求铁水熔点的方法确定钢水熔点Tg ;再根据出钢和镇静时的实际温降(通常前者为40~80℃,后者约为3~5℃/min,具体时间与盛钢桶大小和浇注条件有关)以及要求的过热度(一般为50~90℃)确定出钢温度TZ;最后由钢水热容算出物理热。
Tg=1536-(0.10×65+0.15×5+0.020×30+0.021×25)-6=1522℃
式中,0.10、0.15、0.020和0.021分别为终点钢水中C、Mn、P、S的含量。
TZ=1522+60+28+70=1680℃
式中,60、28、70分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后处理过程中的温降和过热度。
Qg=钢水量*[C固*(T熔-T0)+λ熔+C液*(T出-T熔)]
=90.583×[0.699×(1522-25)+272+0.837×(1680-1522)]
=90.583×(1046.4+272+132.25)
=131403.87kJ
(2)炉渣物理热Qr
令终渣温度与钢水温度相同,则得:
Qr=8.53×[1.248×(1680-25)+209]=19400.97kJ
(3)炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热Qx。
根据其数量、相应的温度和热容确定。
详见表5-22。
表5-22 某些物料的物理热
项目
参数/kJ
备注
炉气物理热
11.083×[1.137×(1450-25)]=17957
1450℃系炉气和烟尘的温度
烟尘物理热
1.5×[0.996×(1450-25)+209]=2442.45
渣中铁珠物理热
8.53×8%×[0.699×(1522-25)+272+0.837×(1680-1522)]=989.9
1522℃系钢水熔点
喷溅金属物理热
1×[0.699×(1522-25)+272+0.837×(1680-1522)]=1450.7
合计
Qx=22856.93
(4)矿石分解吸热Qb
根据其用量、成分和表5-19所示的热效应计算的。
Qb=1.0×(29.4%×
×4250+61.8%×
×6460+209)
=1*(971.833+2794.596+209)
=3975.43kJ
(5)热损失Qq
其他热损失带走的热量一般约占总热收入的3%~8%。
本计算开新炉第一炉取14%,则得
Qq=206886.28×14%=29265.92kJ
热平衡计算结果列于表5-23。
表5-23 热平衡表
收入
支出
项目
热量/kJ
%
项目
热量/kJ
%
铁水物理热
118498.2
57.28
钢水物理热
131403.87
63.52
元素氧化和成渣热
82726.48
40.0
炉渣物理热
19400.97
9.38
其中C氧化
54438.15
26.31
矿石吸热
3975.43
1.92
Si氧化
14601
7.06
炉气物理热
17957
8.68
Mn氧化
2769.48
1.34
烟尘物理热
2442.45
1.2
P氧化
6251.41
3.02
渣中铁珠物理热
989.9
0.48
Fe氧化
3133.08
1.51
喷溅金属物理热
1450.7
0.70
SiO2成渣
2059.36
0.99
热损失
29265.92
14.15
P2O5成渣
1859.28
0.90
烟尘氧化热
5075.35
2.45
炉衬中碳的氧化热
586.25
0.28
合计
206886.28
100
合计
206
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