180t转炉物料平衡与热平衡计算终极版.docx
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180t转炉物料平衡与热平衡计算终极版
180t氧气顶吹转炉物料平衡与热平衡计算
1.1原始数据
1)铁水成分及温度
表1-1铁水成分及温度
成分
W(C)
W(Si)
W(Mn)
W(P)
W(S)
温度℃
含量%
4.250
0.850
0.580
0.150
0.037
1250
2)原材料成分
表1-2原材料成分
石灰
矿石
萤石
白云石
炉衬
W(CaO)/%
91.08
1.00
30.84
54.00
w(SiO2)/%
1.66
5.61
6.00
0.46
2.05
w(MgO)/%
1.54
0.52
0.58
20.16
37.75
w(Al2O3)/%
1.22
1.10
0.78
0.74
1.00
w(S)/%
0.06
0.07
0.09
w(P)/%
0.55
w(CaF2)/%
90.00
w(FeO)/%
29.40
w(Fe2O3)/%
61.80
烧减/%
4.44
47.80
w(H2O)/%
0.50
2.00
w(C)/%
5.00
∑
100.00
100.00
100.00
100.00
100.00
3)冶炼钢种及成分
表1-3冶炼钢种(Q235)成分
成分
W(C)
W(Si)
W(Mn)
W(P)
W(S)
含量/%
≤0.17
≤0.30
0.35~0.80
≦0.035
≦0.035
4)平均比热容
表1-4原料平均比热容
项目
固态平均比热
KJ/(kg·℃)
熔化潜热
KJ/kg
液态或气态平均比热容
KJ/(kg•℃)
生铁
0.745
218
0.837
钢
0.699
272
0.837
炉渣
209
1.248
炉气
1.137
烟尘
0.996
209
矿石
1.046
209
5)冷却剂
用废钢做冷却剂,其它成分与冶炼钢种成分的中限皆同。
6)反应热效应(25℃)
表1-5铁水中元素氧化放热
反应
元素氧化放热
KJ/Kmol
KJ/kg元素
元素
C+
O2=CO
131365.0
10949.1
C
C+O2=CO2
414481.7
34521.0
C
Si+O2=SiO2
795023.6
28314.0
Si
2P+
O2=P2O5
1172078.6
18922.6
P
Mn+
O2=MnO
384959.0
7020.3
Mn
Fe+
O2=FeO
266635.0
5021.2
Fe
2Fe+
O2=Fe2O3
822156.0
7340.7
Fe
2CaO+SiO2=2CaO•SiO2
124600.4
2071.1
SiO2
4CaO+P2O5=4CaO•P2O5
690414.9
5020.8
P2O5
注:
数据来源:
《氧气转炉炼钢原理》(美),密执安大学,冶金工业出版社,1974年,75页。
7)根据国内同类转炉的实测数据选取
(1)渣中铁珠量为渣量的8%;
(2)金属中碳的氧化,其中90%的碳氧化成CO,10%的碳氧化成CO2;
(3)喷溅铁损为铁水量的1%;
(4)炉气和烟尘量,取炉气平均温度1450℃。
炉气中自由氧含量为0.5%。
烟尘量为铁水量的1.6%,其中FeO=77%,Fe2O3=20%;
(5)炉衬侵蚀量为铁水量的0.5%;
(6)氧气成分,98.5%O2、1.5%N2。
1.2物料平衡计算
根据铁水成分、原材料质量以及冶炼钢种,采用单渣不留渣操作。
为了简化计算,以100kg钢铁料为基础进行计算,取废钢比9.45%。
1)炉渣量及成分计算
炉渣来自金属中元素的氧化产物、造渣剂及炉衬侵蚀等。
(1)铁水中各元素氧化量
表1-6铁水中各元素氧化量
M(C)
M(Si)
M(Mn)
M(P)
M(S)
铁水
4.250
0.850
0.580
0.150
0.037
废钢
0.180
0.20
0.520
0.022
0.025
终点钢水
0.150
痕迹
0.170
0.015
0.025
氧化量
3.715
0.789
0.404
0.123
0.011
注:
终点钢水据国内同类转炉冶炼Q235钢种的实际数据选取,其中:
[Si]:
在碱性氧气转炉炼钢法中,铁水中的硅几乎全部被氧化,随同加入的其它材料而带入的SiO2起进入炉渣中,所以终点钢水硅的含量为痕迹。
[P]:
采用低磷铁水操作,炉料中磷约85~95%进入炉渣,本计算采用低磷铁水操作,取铁水中磷的90%进入炉渣,10%留在钢中,则终点钢水含P质量为0.150×10%=0.015kg。
[Mn]:
终点钢水余锰含量,一般为铁水中锰的含量30~40%,取30%,则终点钢水含Mn质量为0.580×30%=0.170kg。
[S]:
去硫率,一般为30~50%的范围,取40%,则终点钢水含S质量为0.037×60%=0.25kg。
[C]:
终点钢水含碳量,根据冶炼钢种的含碳量和预估计脱氧剂等增碳量之差,则为终点含碳量。
本计算取0.15%。
铁水中各元素氧化量计算过程如下:
(a):
成分%C
铁水4.25×90.55%=3.848
废钢0.180×9.45%=0.017
终点钢水0.150
氧化量3.848+0.017-0.150=3.715
(b):
成分%Si
铁水0.850×90.55%=0.770
废钢0.20×9.45%=0.019
终点钢水痕迹
氧化量0.770+0.019-0=0.789
(c):
成分%Mn
铁水0.580×90.55%=0.525
废钢0.520×9.45%=0.049
终点钢水0.170
氧化量0.525+0.049-0.170=0.404
(d):
成分%P
铁水0.150×90.55%=0.136
废钢0.022×9.45%=0.002
终点钢水0.015
氧化量0.136+0.002-0.015=0.123
(e):
成分%S
铁水0.037×90.55%=0.034
废钢0.025×9.45%=0.002
终点钢水0.025
氧化量0.034+0.002-0.025=0.011
(2)各元素氧化量、耗氧量及其氧化产物量,见表1-7。
铁水中各元素氧化产物量1-7
元素
反应极其产物
元素氧化量kg
耗氧量kg
氧化产物量kg
备注
C
[C]+1/2{O2}={CO}
3.715*90%=3.344
3.344*16/12=4.459
3.344*28/12=7.803
C
[C]+{O2}={CO2}
3.715*10%=0.372
0.372*32/12=0.992
0.372*44/12=1.364
Si
[Si]+{O2}=(SiO2)
0.789
0.789*32/22=0.902
0.789*60/28=1.691
Mn
[Mn]+1/2{O2}=(MnO)
0.404
0.404*16/55=0.118
0.404*71/55=0.522
P
2[P]+5/2{O2}=(P2O5)
0.123
0.123*80/62=0.159
0.123*142/62=0.282
S
[S]+{O2}={SO2}
0.011*1/3=0.004
0.004*32/32=0.004
0.004*64/32=0.008
S
[S]+(CaO)=(CaS)+[O]
0.011-0.004=0.007
0.078*(-16/32)=-0.004
0.007*72/32=0.016
-0.004表示还原出氧量消耗CaO量0.007×56/32=0.012
Fe
[Fe]+1/2{O2}=(FeO)
1.055
1.055*16/55=0.307
1.356
见表1-13
Fe
2[Fe]+3/2{O2}=(Fe2O3)
0.475
0.475*48/112=0.203
0.678
见表1-13
共计
6.580
7.140
(3)造渣剂成分及数量
150t氧气顶吹转炉加入造渣剂数量,是根据国内同类转炉有关数据选取:
a)矿石加入量及成分
矿石加入量为1.00/100Kg(钢),其成分及重量见表1-8。
表1-8矿石加入量及其成分
成分(m)
质量kg
Fe2O3
1.00×61.80%=0.618
FeO
1.00×29.40%=0.294
SiO2
1.00×5.61%=0.056
Al2O3
1.00×1.10%=0.011
CaO
1.00×1.00%=0.010
MgO
1.00×0.50%=0.005
S*
1.00×0.07%=0.0007
H2O
1.00×0.50%=0.005
共计
1.000
S*以[S]+[CaO]=[CaS]+[O]的形式反应,其中生成CaS量为0.001*72/32=0.002kg。
消耗CaO量为0.001*56/32=0.002kg。
消耗微量氧,忽略之。
b)萤石加入量及成分
萤石加入量为0.5/100kg(钢),其成分及重量见表1-9。
表1-9萤石加入量及成分
成分(m)
质量,kg
成分
质量,kg
CaF2
0.50*90.00%=0.45
P*
0.50*0.55%=0.0028
SiO2
0.56*6.00%=0.030
S**
0.50*0.09%=0.0004
Al2O3
0.50*1.78%=0.0089
H2O
0.50*2.00%=0.010
MgO
0.50*0.58%=0.0029
共计
0.500
*P以2[P]+5/2{O2}=(P2O5)的形式进行反应,其中生成P2O5量为0.0028*142/62=0.007kg。
消耗氧气量为0.0028*80/62=0.004kg
**S微量,忽略之。
c)炉衬被侵蚀重量及成分
炉衬被侵蚀量为0.50kg/100kg(钢),其成分及重量见表1-10。
表1-10炉衬被侵蚀重量及成分
成分(m)
质量kg
成分(m)
质量kg
CaO
0.50*54.00%=0.270
Al2O3
0.50*1.00%=0.005
MgO
0.50*37.95%=0.190
C*
0.50*5.00%=0.025
SiO2
0.50*2.05%=0.010
共计
0.500
*被侵蚀的炉衬中碳的氧化,同金属中碳氧化成CO、CO2的比例数相同,即:
C→CO0.025*90%*28/12=0.053kg
C→CO20.025*10%*42/12=0.009kg。
其氧气消耗量:
0.053*16/28=0.030kg
0.009*32/44=0.007kg
共消耗氧气量为0.030+0.007=0.037kg
d)生白云石加入量及成分
为了提高转炉炉衬寿命,采用白云石造渣剂,其主要目的是提高炉渣中的MgO含量,降低炉渣对炉衬的侵蚀能力。
若使渣中MgO含量在6.00~8.00%的范围之内,其效果显著。
经试算后取生白云石加入量为3.00Kg/100Kg(钢),其成分及重量见表1-11。
表1-11生白云石加入量及成分
成分
重量kg
成分
重量kg
CaO
3.00×30.84%=0.925
SiO2
3.00*0.46%=0.014
MgO
3.00×20.16%=0.605
烧减*
3.00*47.80%=1.434
Al2O3
3.00×0.74%=0.022
共计
3.000
*烧减是指生白云石(MgCO3•CaCO3)分解后而产生的气体。
e)炉渣碱度和石灰加入量
取终渣碱度R=
=3.5
首先计算由上述造渣剂以及元素氧化产物而进入炉渣中的SiO2和CaO的重量。
渣中已存在的∑(SiO2)质量=铁水中Si氧化成SiO2质量+炉衬带入的SiO2质量+矿石带入的SiO2质量+萤石带入的SiO2质量+白云石带入的SiO2质量=1.821+0.010+0.056+0.030+0.014=1.931kg。
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成渣耗CaO量-矿石中S成渣耗CaO量=0.925+0.270+0.010-0.014-0.002=1.189kg。
再计算石灰加入量:
石灰加入量=
=
=
=6.52kg。
表1-12石灰成分及质量
成分(m)
质量kg
成分(m)
质量kg
CaO
6.52×91.08%=5.940
S*
6.52*0.06%=0.004
SiO2
6.52×1.66%=0.108
烧减**
6.52*4.44%=0.289
MgO
6.52×1.54%=0.100
共计
6.520
Al2O3
6.52×1.22%=0.0795
*S以[S]+(CaO)=(CaS)+[O]的形式反应,其中
生成(CaS)质量为0.004*72/32=0.009kg
生成氧量为0.004*16/32=0.002kg
消耗(CaO)质量为0.004*56/32=0.007kg
**烧减指未烧透的CaCO3经受热分解后产生的CO2气体质量。
f)终点氧化铁的确定
对于低磷铁水,参照国内同类转炉有关数据,取冶炼BD3钢的终渣∑(FeO)=15%其中:
百分含量比w(Fe2O3)/w(FeO)=1/3,故w(Fe2O3)=5%,
w(FeO)=10%
g)终渣量及成分
表1-13中不计(Fe2O3)、(FeO)在内的炉渣重量为:
m(CaO+MgO+SiO2+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS)
=7.136+0.903+2.038+0.316+0.529+0.125+0.445+0.031=11.523kg。
又知∑(FeO)=15%,则渣中其它成分之和为100%-15%=85%,故炉渣重量为11.523/85%=13.557kg。
由此可知:
m(FeO)的重量=13.557*10%=1.356kg。
其中m(Fe)重量=1.356*56/72。
m(Fe2O3)的重量=13.557*5%=0.678kg。
其中m(Fe)重量=0.678*112/160=0.475Kg。
表1-13炉渣终渣量及成分
成分
(m)
氧化产物量Kg
石灰
Kg
矿石
Kg
生白云
石Kg
炉衬Kg
萤石Kg
共计Kg
组成/%
CaO
5.931*
0.010
0.925
0.270
7.136
52.65
MgO
0.100
0.005
0.605
0.190
0.003
0.903
6.65
SiO2
1.821
0.108
0.056
0.014
0.010
0.030
2.04
15.03
P2O5
0.309
0.007
0.316
2.33
MnO
0.529
0.529
3.92
Al2O3
0.078
0.011
0.022
0.005
0.009
0.125
0.92
CaF2
0.445
0.445
3.28
CaS
0.018
0.009
0.002
0.031
0.22
FeO
1.356
1.356**
10.00
Fe2O3
0.678
0.678***
5.00
共计
4.711
6.226
0.084
1.566
0.475
0.494
13.557
100.00
*5.931=石灰中m(CaO)-石灰中S自耗m(CaO)=5.940-0.009=5.931Kg
*****是元素被氧化成氧化铁的重量,其重量是这样计算出来的。
将其值分别代入表1-7、1-13内。
2)矿石、烟尘中铁及氧量。
假定矿石中∑(FeO)质量全部被还原成铁,则
矿石带入铁量m(Fe)=1.00×(29.40%×56/72+61.80%×112/160)=0.661Kg。
矿石带入氧量m(O2)=1.00×(29.40%×16/72+61.80%×48/160)=0.251Kg。
烟尘带走铁量m(Fe)=1.60×(77%×56/72+20%×112/160)=1.182Kg。
烟尘消耗氧量m(O2)=1.60×(77%×16/72+20%×48/160)=0.370Kg。
3)炉气成分及重量
表1-14中各项的计算:
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=7.803+0.053=7.856Kg
CO2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+白云石烧碱的重量+石灰烧碱的重量=1.364+0.009+1.434+0.289=3.096Kg
。
表1-14炉气成分及重量
成分
重量,kg
体积,m3
%
CO
7.856
7.586×22.4/28=6.285
78.49
CO2
3.096
3.096×22.4/54=1.647
19.68
SO2
0.008
0.008×22.4/64=0.003
0.04
O2
0.057
0.040*
0.50
N2
0.106
0.0846**
1.05
H2O
0.015
0.015×22.4/18=0.019
0.24
共计
11.138
8.007
100.00
SO2的重量=铁水中的S的气化氧化物重量=0.008kg
H2O汽的重量=矿石带入的重量+萤石带入的重量=0.005+0.010=0.015kg。
*、**是自由氧和氮气的重量。
它是由表9中炉气的其它成分反复计算出来,即已知氧气成分为98.50%O2、1.50%N2,和炉气中自由氧体积比为0.50%,求自由氧和氮气的体积及重量。
解:
设炉气的总体积为X,则
X=元素燃烧生成的气体体积和水蒸气的体积+自由氧体积+氮气体积。
即:
X=(6.285+1.576+0.004+0.019)+0.50%•X
+
=8.594+0.50%•X+(5.134+0.50%•X)
=8.594+0.50%•X+(0.085+0.008%•X)
整理:
X=
8.723m3,故
炉气中自由氧体积=8.723×0.50%=0.044m3
炉气中自由氧重量=0.044×32/22.4=0.063㎏
炉气中氮气体积=0.008%×8.723+0.084=0.0846m3
炉气中氮气重量=0.0846×28/22.4=0.106㎏
*炉气的总体积公式中分子括号内数据参考下面氧气消耗项目。
4)氧气消耗计算
消耗和带入氧气的项目:
元素氧化耗氧重量7.787kg
烟尘中铁氧化耗氧重量0.370kg
炉衬中碳氧化耗氧重量0.037kg
萤石中磷氧化耗氧重量0.004kg
自由氧重量0.063kg
炉气中氮气重量0.106kg
矿石分解带入氧的重量0.251kg
石灰中硫把氧化钙还原出的氧重量为0.002kg
故,氧气实际消耗重量为
7.787+0.370+0.037+0.004+0.063+0.106-0.251-0.002=7.461kg
换算成体积量=7.461×22.4/32=5.22m3/100kg(钢)或52.2m3/t(钢)。
5)钢水量计算
吹损组成项目:
化学损失(元素氧化)量6.580kg
烟尘中铁损失量1.182kg
渣中铁珠损失量13.557×8%=1.080kg
喷溅铁损失量1.000kg
矿石带入铁量0.661kg
故,钢水重量(收得率)为:
100-(6.580+1.182+1.080+1.000)+0.661=90.82kg
6)物料平衡表
表1-15物料平衡表
收入
支出
项目
量kg
含量 %
项目
重量kg
含量 %
铁水
90.55
76.11
钢水
90.82
76.35
废钢
9.45
7.94
炉渣
13.56
11.40
石灰
6.52
5.48
炉气
11.14
9.36
矿石
1.00
0.84
烟尘
90.55%×
1.6%=1.45
1.22
萤石
0.50
0.42
铁珠
13.56
×8%=1.08
0.91
白云石
3.00
2.52
喷溅
90.55
×1%=0.91
0.76
炉衬
0.50
0.42
氧气
7.46
6.27
总计
118.98
100.00
总计
118.96
100.00
计算误差=
=[(118.98-118.96)/118.98]×100%
=0.02%
1.3热平衡计算
为了简化计算,取冷料入炉温度均为25℃。
1)热收入项
(1)铁水物理热
铁水熔点=1536-
(4.25×90.55%×100+0.85×90.55%×8+0.58×90.55%×5+
0.15×90.55%×30+0.037×90.55%×25)-7=1123℃
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O、H、N共降低铁水熔点值℃;1536℃为纯铁熔点。
铁水物理热=90.55×[0.745×(1123-25)+218+0.837×(1250-1123)]
=114544KJ
(2)铁水中各元素氧化放热及成渣热
C→CO3.344×10949.1=42706KJ
C→CO20.372×34521=12842KJ
Si→SiO20.789×28314=22340KJ
Mn→MnO0.404×7020.3=2836KJ
Fe→FeO1.055×5021.2=5297KJ
Fe→Fe2O30.475×7340.7=3486.8KJ
P→P2O50.123×18922.6=2327.5KJ
P2O5→4CaO•P2O50.316×5020.8=1586.6K
SiO2→2CaO•SiO22.04×2071.1=4225.0KJ
共计:
97646.9KJ
(3)烟尘氧化放热
1.45×(77%×56/72×5021.2+20%×112/160×
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