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转炉课程设计
1转炉物料平衡与热平衡计算
物料平衡是计算转炉炼钢过程中加入炉内与参与炼钢的全部物料(如铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料、合金添加剂、被侵蚀的炉衬等)和炼钢过程的产物(如钢水、炉渣、炉气、烟尘等)之间的平衡关系。
热平衡是计算转炉炼钢过程的热量收入(如铁水物理热、化学热)和热量支出(如钢水、炉渣、炉气的物理热、冷却剂溶化和分解热)之间的平衡关系。
1.1原始数据的选取
1.1.1原材料成分(表1-1~表1-5)
表1-1铁水、废钢成分(%)
原料
C
Si
Mn
P
S
温度/℃
铁水
4.2
0.5
0.5
0.15
0.025
1250
废钢
0.16
0.15
0.48
0.022
0.015
25
表1-2渣料和炉衬材料成分(%)
种类
CaO
SO2
MgO
Al2O3
S
P
CaF2
FeO
Fe2O3
烧减
H2O
C
石灰
91.0
2.0
2.0
1.5
0.05
3.45
矿石
1.0
5.61
0.52
1.10
0.07
29.4
61.8
0.50
萤石
6.0
0.58
1.78
0.09
0.55
89.0
2.00
白云石
55.0
3.0
33.0
3.0
1.0
5.0
炉衬
54.0
2.0
38.0
1.0
5.0
表1-3各材料的热容(kJ/kg.K)
项目
固态平均热容
熔化潜热
液(气)态平均热容
生铁
0.745
217.568
0.8368
钢
0.699
271.96
0.8368
炉渣
209.20
1.247
炉气
1.136
烟尘
1.000
209.20
矿石
1.046
209.20
表1-4反应热效应(25℃)
元素
反应
反应热/kJ·kg-1元素
C
[C]+1/2O2=CO
10950
C
[C]+O2=CO2
34520
Si
[Si]+O2=SiO2
28314
P
2[P]+5/2O2=P2O5
18923
Mn
[Mn]+1/2O2=MnO
7020
Fe
[Fe]+1/2O2=FeO
5020
Fe
[Fe]+3/2O2=Fe2O3
6670
SiO2
SiO2+2CaO=2CaOSiO2
2070
P205
P2O5+4CaO=4CaOP2O5
5020
表1-5铁合金成分(分子)及其回收率(分母)
项目
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
1.1.2假设条件
根据各类转炉生产实际过程假设:
(1)渣中铁珠量为渣量的8%;
(2)喷溅损失为铁水量的1%;
(3)熔池中碳的氧化生成90%CO,10%CO2
(4)烟尘量为铁水量的1.6%,其中FeO为77%,Fe2O3=7%
(5)炉衬侵蚀量为铁水量的0.5%;
(6)炉气温度取1450℃,炉气中自由氧含量为总炉气量的0.5%;
(7)氧气成分:
98.5%氧气,1.5%氮气。
1.1.3冶炼钢种及规格成分
要求冶炼低碳钢,以Q235钢为例,其规格成分为(%):
C0.14~0.22,Si0.12~0.30,Mn0.40~0.65,P≤0.045,S≤0.050
1.2未加废钢和合金的物料平衡计算
根据铁水、渣料质量及其冶炼钢种的要求,采用单渣法操作。
为了简化运算,以100kg铁水为计算基础。
1.2.1渣量及其成分计算
(1)铁水中元素氧化量(表1-6)
氧化量=元素在铁水中的含量–元素在钢水中的含量
表1-6铁水中的元素氧化量
元素/%
项目
C
Si
Mn
P
S
铁水
4.20
0.50
0.50
0.15
0.025
钢水
0.15
0
0.17
0.015
0.016
氧化量
4.05
0.50
0.33
0.135
0.009
由表1-6知:
脱磷率=0.135/0.15×100%=90%;
脱硫率=0.009/0.025×100%=36%;
钢中残锰量=0.17/0.5×100%=34%.
(2)各元素耗氧量及氧化产物量(表1-7)
表1-7铁水中元素氧化量、氧化产物量
元素
反应
元素氧化量/kg
耗氧量/kg
氧化产物量/kg
C
[C]+1/2O2=CO
4.05×90%=3.645
3.645×16/12=4.860
3.645×28/12=8.505
C
[C]+O2=CO2
4.05×10%=0.405
0.405×32/12=1.080
0.405×44/12=1.485
Si
[Si]+O2=SiO2
0.5
0.5×32/28=0.571
0.5×60/28=1.071
Mn
[Mn]+1/2O2=MnO
0.33
0.33×16/55=0.096
0.33×71/55=0.426
P
2[P]+5/2O2=P2O5
0.135
0.135×80/62=0.174
0.135×142/62=0.309
S
[S]+O2=SO2
0.009×1/3=0.003
0.003×32/32=0.003
0.003×64/32=0.006
S
[S]+(CaO)=(CaS)+[O]
0.009×2/3=0.006
0.006×(-16)/32=-0.003
0.006×72/32=0.0135*
Fe
[Fe]+1/2O2=FeO
1.016×56/72=0.790
1.016×16/72=0.226
1.016
Fe
[Fe]+3/2O2=Fe2O3
0063×112/16=0.044
0.063×48/160=0.019
0.063
总计
5.858
7.026
*:
假定炉内气化脱硫1/3;铁的氧化由表1-13得出。
(3)渣料的加入量
1)矿石加入量:
为了化渣,加入矿石1%,即100×1%=1kg,其成分质量计算见表1-8。
(质量计算中各成分质量百分数见表1-2)
表1-8矿石加入量及成分
成分
质量/kg
成分
质量/kg
Fe2O3
1×61.80%=0.618
FeO
1×29.40%=0.294
SO2
1×5.61%=0.0561
Al2O3
1×1.10%=0.011
CaO
1×1.0%=0.01
MgO
1×0.52%=0.005
S
1×0.07%≈0.001
H2O
1×0.50%=0.005
其中:
[S]+(CaO)=(CaS)+[O]
(CaS)生成量=0.001×72/32≈0.002kg
消耗CaO量=0.001×56/32≈0.002kg
2)萤石加入量:
根据冶金局(部)转炉操作规程,并参考《炼钢工艺学》,取萤石加入量4kg/t,在本设计中,即为:
0.1×4=0.4kg,其成分质量计算见表1-9.(质量计算中各成分质量百分数见表1-2)
表1-9萤石加入量及成分
成分
质量/kg
成分
质量/kg
CaF2
0.4×89.0%=0.356
MgO
0.4×0.58%=0.002
SiO2
0.4×6%=0.024
P
0.4×0.55%=0.002
Al2O3
0.4×1.78%=0.007
S
0.4×0.09%≈0.000(忽略)
H2O
0.4×2%=0.008
其中:
2[P]+5/2O2=P2O5
(P2O5)生成量=0.002×142/62=0.005kg
3)白云石加入量:
为了提高转炉寿命,采用白云石造渣,控制渣中(MgO)含量在6%~8%范围内。
根据已投产转炉的经验,取生白云石30kg/t,在本设计中即为:
30×0.1=3kg,其成分质量计算见表1-10。
(质量计算中各成分质量百分数见表1-2)
表1-10生白云石加入量及成分
成分
质量/kg
成分
质量/kg
CaO
3×55%=1.65
MgO
3×33%=0.99
SiO2
3×3%=0.09
Fe2O3
3×1%=0.03
Al2O3
3×3%=0.09
烧减
3×5%=0.15
其中:
烧减是白云石中
分解产生的
气体。
4)炉衬侵蚀量:
转炉炉衬在炉渣作用下,将被侵蚀和冲刷进入渣中,本设计中取铁水量的0.5%,即100×0.5%=0.5kg,其成分质量计算见表1-11.(质量计算中各成分质量百分数见表1-2)
表1-11炉衬侵蚀量及成分
成分
质量/kg
成分
质量/kg
CaO
0.5×54%=0.27
SiO2
0.5×2%=0.01
MgO
0.5×38%=0.19
C
0.5×5%=0.025
Al2O3
0.5×1%=0.005
其中:
炉衬中碳的氧化与金属中氧化生成的CO和CO2比例相同。
即:
[C]+1/2O2=CO:
氧化产物CO量为:
0.025×90%×28/12=0.053kg
耗氧量为:
0.025×90%×16/12=0.03kg
[C]+O2=CO2:
氧化产物CO2量为:
0.025×10%×44/12=0.009kg
耗氧量为:
0.009×32/44=0.007kg
共消耗氧量=0.03+0.007=0.037kg
5)石灰加入量:
根据铁水成分,取终渣碱度R=3.5,石灰加入量计算如下:
∑(SiO2)=铁水[Si]生成(SiO2)+炉衬、矿石、白云石、萤石带入的(SiO2)
=1.071+0.01+0.0561+0.09+0.024=1.251kg
∑(CaO)=白云石、矿石、炉衬带入(CaO)—铁水、矿石中S消耗CaO量
=1.65+0.01+0.27—0.006×56/32–0.001×56/32=1.918kg
石灰加入量={∑(SiO2)×R-∑(CaO)}/%CaO有效×100%
=(1.251×3.5–1.918)/(91–3.5×2)×100%=2.93kg
其成分质量计算见表1-12.(质量计算中各成分质量百分数见表1-2)
表1-12石灰加入量及成分
成分
质量/kg
成分
质量/kg
CaO
2.93×91%=2.67
SiO2
2.93×2%=0.06
MgO
2.93×2%=0.06
S
2.93×0.05%=0.0015
Al2O3
2.93×1.5%=0.04
烧减
2.93×3.45%=0.10
其中:
[S]+(CaO)=(CaS)+[O]
生成的(CaS)=0.0015×72/32=0.003kg
6)渣中的铁氧化物:
对于冶炼Q235钢,根据已投产转炉渣中含∑(FeO)量,取(FeO)=10%,(Fe2O3)=7%。
7)终渣总量及成分:
根据表1-7~表1-12中的数据,确定终渣总量及成分,见表1-13,:
表1-13终渣总量及成分
成分
氧化产物/kg
石灰/kg
矿石/kg
白云石/kg
炉衬/kg
萤石/kg
总计/kg
%
CaO
2.67
0.01
1.65
0.27
4.60
45.26
MgO
0.06
0.005
0.99
0.19
0.002
1.247
12.27
SiO2
1.071
0.06
0.056
0.09
0.01
0.024
1.311
12.90
P2O5
0.309
0.005
0.314
3.09
MnO
0.426
0.426
4.19
Al2O3
0.04
0.011
0.09
0.01
0.007
0.162
1.60
CaF2
0.356
0.356
3.50
CaS
0.0135
0.003
0.002
0.019
0.19
FeO
0.722
0.294
1.016
10
Fe2O3
0.063
0.618
0.03
0.711
7
总计
10.163
100
注:
部分数据来源如下:
若不计(FeO)、(Fe2O3),由表1-13中可得,
CaO+MgO+SiO2+P2O5+MgO+Al2O3+CaF2+CaS
=4.60+1.247+1.311+0.314+0.426+0.162+0.356+0.019
=8.435kg
已知(FeO)=10%,(Fe2O3)=7%,则其余渣应占渣量总数的83%。
故总渣量为8.435/83%=10.163kg
由此可知:
(FeO)=10.163×10%=1.016kg,
(Fe2O3)=10.163×7%=0.711kg。
由于矿石和白云石中带入部分(FeO)和(Fe2O3),其含量参见表1-8和1-10,实际铁氧化物为:
(FeO)=1.016—0.294=0.722kg;其值列入表1-7.
(Fe2O3)=0.711—0.618—0.03=0.063kg.其值列入表1-7
1.2.2冶炼中的吹损计算
根据假设条件,渣中铁珠量为渣量的8%,喷溅损失为铁水量的1%,烟尘损失为铁水量的1.6%。
故可得到:
渣中铁珠量=10.163×8%=0.813kg
喷溅损失量=100×1%=1.0kg
烟尘铁损失量=100×1.6%×(77%×56/72+20%×112/160)=1.182kg
元素氧化损失=5.858kg(见表1-7)
吹损总量=0.813+1.0+1.182+5.858=8.853kg
钢水量=100—8.853=91.147kg.
1.2.3氧气消耗量计算
1)元素氧化耗氧=7.026kg(见表1-7);
2)烟尘铁氧化耗氧=100×1.6%(77%×16/72+20%×48/160)=0.37kg;
3)炉衬中碳氧化耗氧=0.037kg(见表1-10下)。
故总耗氧量=7.026+0.37+0.037=7.433kg.换算为标准体积为:
7.433×22.4/32=5.20m3
即冶炼100kg铁水需要5.20
氧气。
取氧气利用率为80%,则冶炼1t铁水的实际供氧量为:
5.2/80%×10=65m3/t
由于氧气不纯,含有1.5%的氮气,故供氧时带入的氮气为:
7.433×1.5%=0.111kg
其体积量为:
0.111×22.4/28=0.089m3,则冶炼1t铁水将会带入0.89m3的氮气。
1.2.4炉气量及成分计算
炉内产生的炉气由CO、CO2、SO2、H2O、N2和自由O2组成。
自由O2约占炉气总量的0.5%,即以上气体占炉气总量的99.5%,则炉气总量为:
(6.846+0.893+0.002+0.016+0.089)/99.5%=7.885m3
自由O2量为7.885×0.5%=0.039m3,其质量为0.039×32/22.4=0.056kg
表1-14炉气量及成分
成分
质量/kg
体积/m3
体积/%
CO
8.505+0.053=8.558
8.558×22.4/28=6.846
86.82
CO2
1.485+0.009+0.11+0.15=1.754
1.754×22.4/44=0.893
11.33
SO2
0.006
0.006×22.4/64=0.002
0.03
H2O
0.005+0.008=0.013
0.013×22.4/18=0.016
0.20
N2
0.111
0.089
1.13
O2
0.056
0.039
0.49
总计
10.498
7.885
100
1.2.5未加废钢和合金时的物料平衡表
把以上各物质的总收入和总支出汇总,得到未加合金时的物料平衡表1-15.
表1-15未加废钢和合金时的物料平衡表
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
100
86.67
钢水
91.147
79.11
石灰
2.93
2.54
炉渣
10.163
8.82
白云石
3.0
2.60
炉气
10.498
9.11
矿石
1.0
0.87
烟尘
1.60
1.39
萤石
0.4
0.35
喷溅
1.0
0.87
炉衬
0.5
0.43
铁珠
0.813
0.70
氧气
7.433
6.44
氮气
0.111
0.10
总计
115.374
100
总计
115.221
100
计算误差=(收入项—支出项)/收入项×100%
=(115.374—115.221)/115.374×100%=0.133%.
1.3热平衡计算
为了简化运算,取加入炉内的炉料温度均为25℃。
1.3.1热收入
热收入主要是铁水的物理热和元素氧化的化学热。
(1)铁水物理热
铁水凝固温度Tf可用表达式Tf=(1539—∑[%i]△Ti—4)计算,,即
Tf=1539—(100×4.2+8×0.5+5×0.5+30×0.15+25×0.025)—4
=1099℃
铁水物理热Q物=CsTf+Qf+Cl(T—Tf)
=100×[0.754×(1099—25)+217.568+0.8368×(1250—1099)]
=114405.5kJ
注:
式中[%i]---铁水中元素含量;
△Ti-----1%的元素使纯铁凝固温度的降低值,参考高泽平《炼钢工艺学》表5-9
Cs、Cl----分别为液态、固态的热容量,kJ/kgK,参考表1-3;
Tf、T---分别为冷却剂(生铁)的熔点和熔池温度,K,Tf见表1-3.
(2)铁水中元素氧化放热和成渣热
根据表1-4、表1-7、表1-12数据计算如下:
[C]+1/2O2=CO3.645×10950=39967.5kJ
[C]+O2=CO20.405×34520=13980.6kJ
[Si]+O2=SiO20.5×28314=14157.0kJ
[Mn]+1/2O2=MnO0.33×7020=2316.6kJ
2[P]+5/2O2=P2O50.135×18923=2554.6kJ
[Fe]+1/2O2=FeO0.790×5020=3965.8kJ
[Fe]+3/2O2=Fe2O30.044×6670=293.5kJ
SiO2+2CaO=2CaOSiO21.311×2070=2713.8kJ
P2O5+4CaO=4CaOP2O50.314×5020=1576.3kJ
总计81525.7kJ
(3)烟尘氧化放热
1.6×(77%×56/72×5020+20%×112/160×6670)=6304.4kJ
(4)炉衬中碳氧化放热
0.5×5%(90%×10950+10%×34520)=332.7kJ
因此,炉内热收入总量为:
114405.5+8152.7+6304.4+332.7=202568.3kJ
1.3.2热支出
(1)钢水物理热
钢水熔点Tf=1539—(65×0.15+5×0.17+30×0.015+25×0.016)—4
=1524℃
取钢水过热度为70℃,浇注过程温降为20℃,出钢、吹氩、运输、镇静过程温
降为50℃。
(取值参考见高泽平《炼钢工艺学》P136),则出钢温度为:
T=1524+70+20+50=1664℃
钢水物理热
=91.147×[0.699×(1524—25)+271.96+0.8368×(1664—1524)]
=123343.1kJ
(2)炉渣物理热
计算时取炉渣终点温度与钢水温度相同。
炉渣物理热=10.163×[1.247×(1664-25)+209.20]=22897.6kJ
(3)矿石分解热
=1×(29.4%×56/72×5020+61.8%×112/160×6670+209.2)=4242.5kJ
(4)烟尘物理热
=1.6×[1.0×(1450–25)+209.2]=2614.7kJ
(5)炉气物理热
=10.498×1.136×(1450-25)=16994.2kJ
(6)渣中铁珠物理热
=0.813×[0.745×(1524-25)+217.568+0.8368×(1664-1524)]
=1180.0kJ
(7)喷溅金属物理热
=1×[0.745×(1524–25)+217.568+0.8368×(1664-1524)]
=1451.5kJ
(8)吹炼热损失
吹炼过程热损失包括炉体和炉口的热辐射、对流、和传导传热、冷却水带走热等。
取吹炼热损失为热量总收入的7.5%,所以吹炼过程热损失为:
202568.3×7.5%=15228.6kJ
(9)废钢耗热
总的热收入减去热支出,得到的富余热量用加入废钢来调节。
富余热量
=202568.3-(123343.1+22897.6+4242.5+2614.7+16994.2+
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