转炉物料平衡与热平衡计算.docx
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转炉物料平衡与热平衡计算
氧气转炉炼钢物料平衡计算与热平衡计算
1物料平衡计算
1.1计算原始数据
基本原始数据铁水和废钢成分、终点钢水成分(表1);造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分(表2);脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率(表3);其他工艺参数(表4)
表1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
铁水设定值
4.30
0.70
0.70
0.150
0.030
废钢设定值
0.15
0.37
0.55
0.010
0.020
终点钢水设定值①
0.10
痕迹
0.21
0.015
0.018
①[C]w1.1%,[Si]按实际生产情况选取,[Mn]、[P]和[S]按照铁水中相应成分含量的30%,10%,60%留在钢水中设
表2原材料成分
\成分/%类别'、、、、
CaO
SiO2
MnO
Al2O3
Fe2O3
CaF2
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
4.64
0.10
萤石
0.30
5.50
0.60
1.60
1.50
88.00
0.90
0.10
1.50
生白云石
36.40
0.80
25.60
1.00
36.2
炉衬
1.20
3.00
78.80
1.40
1.60
14.0
焦炭
0.58
81.5
12.4
5.52
表3合金成分及其回收率
•成分含量/回收/%类别
C
Si
Mn
Al
P
S
Fe
硅铁
---
73.00/
75
0.05/80
2.50/0
0.05/100
0.03/100
23.92/100
锰铁
6.60/90①
0.50/75
67.8/80
——
0.23/100
0.13/100
24.74/100
①10%的C与氧生产CO2。
表4其他工艺参数设定值
名称
参数
名称
参数
终渣碱度
w(CaO):
w(SiO2)
=3.5
渣中铁损(铁珠)
为渣量的6%
萤石加入量
铁水量的0.5%
氧气纯度
99%,其余为2
生白云石加入量
铁水量的2.5%
炉气中自由氧量
0.5%(体积比)
炉衬蚀损量
为铁水量的0.3%
气化去硫量
占总去硫量的1/3
终渣刀w(FeO)含量
[按向钢中传氧量折算
w(Fe2O3)=1.35w
(FeO)]
15%,而(Fe2O3)/Ew
(FeO)=1/3
即w(Fe2O3)=5%
w(FeO)=8%
金属中[C]的氧化产物
[C]TCO,90%
[C]tCO2,10%
烟尘量
为铁水量的1.5%(其
中w(FeO)为75%,
w(Fe2O3)为20%)
废钢量
由热平衡计算确定,本计算结果为铁水量的
21.86%,即废钢比为
17.94%
喷溅铁损
为铁水量的1%
1.2物料平衡基本项目:
收入项目:
收入量=铁水+废钢+溶剂+氧气+炉衬蚀损+合金
支出项目:
支出量=钢水+炉渣+烟尘+渣中铁珠+炉气+喷溅。
1.3计算步骤
以100kg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,炉衬蚀损和加入溶剂的成渣量。
其各项成渣量分别列于表5表7。
总渣量及其成分如表8所示。
第二步:
计算氧气消耗量。
氧气实际消耗量系消耗项目与供入项目之差。
见表9.
表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/kg
耗氧量/kg
产物量/kg
备注
C
[C]TCO
4.20X90%=3.78
5.04
8.82
[C]TCO2
4.20X10%=0.42
1.12
1.54
Si
[Si]t[SiO2]
0.700
0.800
1.500
入渣
Mn
[Mn]t[MnO]
0.490
0.280
0.770
入渣
P
[P]T[P2O5]
0.135
0.174
0.309
入渣
S
[S]tSO2,
0.012X1/3=0.004
0.004
0.008
[S]+CaO-CaS+[O]
0.012X2/3=0.008
①
-0.004
0.018(CaS)
入渣
Fe
[Fe]t(FeO)
1.099X56/72=0.855
0.244
1.099
入渣(见表8)
[Fe]t(Fe2O3)
0.620X112/160=0.434
0.186
0.620
入渣(见表8)
合计
6.961
8.018
成渣量
4.633
入渣组分和
①-0.004为[S]与CaO反应放出的[O];消耗CaO的量=0.012X56/32=0.018kg
表6炉衬蚀损的成渣量
炉衬蚀损量
/kg
成渣组分/kg
气态产物/kg
耗氧量/kg
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
CtCO
CtCO2
CtCO,CO2
0.3
(据表4)
0.004
0.009
0.236
0.004
0.005
0.3X14%X90%
X28/12=0.088
0.3X14%X10%
X44/12=0.015
0.3X14%(90%X16/12+10%
X32/12)=0.062
合计
0.258
0.103
0.062
表7加入溶剂的成渣量
类另U
加入量/kg
成渣组分/kg
气态产物/kg
CaO
MgO
SiO2
AI2O3
Fe2O3
P2O5
CaS
CaF2
H2O
CO2
O2
萤石
0.5(表7-4)
0.002
0.003
0.028
0.008
0.008
0.005
0.001
0.440
0.005
生白云石
2.5(表7-4)
0.910
0.640
0.020
0.025
0.905
石灰
5.73①
②
5.036
0.149
0.143
0.086
0.029
0.006
0.006
0.006
0.266
0.003
合计
5.948
0.792
0.191
0.119
0.037
0.011
0.007
0.440
0.011
1.171
0.003
成渣量
8.73
石灰加入量计算如下:
由表7-5—表7-7可知,渣中已含(CaO)=-0.014+0.004+0.002+0.910=0.902kg;渣中已含(SiO2)=1.50+0.009+0.028+0.020=1.557kg。
因设定的终渣碱度R=3.5,故石灰加入量为:
[REq(SiO2)-Eq(CaO)]/[3(CaO石灰)-RX3(SiO2石灰)]=(3.5X1.557-0.902)/(88%-3.5X2.5%)=5.73kg。
由CaO还原岀来的氧量,计算方法同表5的注
表8总渣量及成分
炉渣成分
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
MnO
FeO
Fe2O3
CaF2
P2O5
CaS
合计
元素
成渣
1.5
0.77
②
1.099
③
0.62
0.618
0.018
4.625
石灰成渣
5.036
0.143
0.149
0.086
0.028
0.006
0.006
5.469
炉衬蚀损
成渣
0.0036
0.009
0.236
0.004
0.005
0.258
生白云石
成渣
0.910
0.020
0.640
0.025
1.595
萤石成渣
0.002
0.028
0.003
0.008
0.008
0.440
0.005
0.001
0.495
总渣量
6.799
1.724
1.052
0.137
0.77
1.099
0.661
0.440
0.63
0.028
13.326①
质量分数
47.23%
13.89%
8.79%
3.04%
5.07%
8.24%
5.00%
3.54%
5.12%
0.08%
100%
1由表1-8知,除FeO和Fe2O3外的渣量6.799+1.724+1.052+0.137+0.63+0.44+0.63+0.028=11.56kg而终渣刀w(FeO)=15%(表1-4),故渣的总量11.56-86.75%=13.326kg。
2所以,w(FeO)=13.326X8.25%=1.099kg
3w(Fe2O3)=13.066X5%-0.033-0.005-0.008=0.620kg
表9实际耗氧量
耗氧项kg
供氧项
实际氧气消耗量kg
铁水中碳化耗氧量
8.108
炉衬中碳氧化耗氧量
0.062
石灰中S与CaO反应还原出的氧化气量0.003
烟尘中铁氧化耗氧量
0.34
①
炉气自由氧含量
0.061
8.481-0.003+0.075=8.553
合计
8.481
①炉气N2(存在于氧气中,表4)的质量,详见表10
第三步:
计算炉气量及其成分。
炉气中含有CO、CO2、N2、SC2和H20。
其中CO、CO2、SO2和H2O可由表5~表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V刀
1224
3=Vg0-5%V+99-3TGs0-5%VVx
、,99Vg0.7GsVx998.5310.78.420.002门“2
Ve===8.634m2
98.5098.5
式中Vg—CO、CO2、SO2和H2O各组分总体积,m3。
本计算中,其值为:
8.9082242.72622.40.00822・40.01122・4=8.531m3。
/28/44/64/18
Gs—不计自由氧的氧气消耗量,kg。
本计算中,其值为:
8.1080.0620.34
=8.42kg(见表9);
Vx—石灰中的S与CaO反应还原出的氧量(其质量为:
0.002kg,见表9),m3;
0.5%—炉气中自由氧含量;
99—由氧气纯度为99%转换的得来。
表10炉气量及其成分
炉气成分
炉气量kg
体积m3
体积分数%
CO
8.908
8.908X22.4-28=7.126
82.53%
CO2
2.726
2.726X22.4-44=1.388
16.08%
SO2
0.008
0.008X22.4-64=0.003
0.03%
H2O
0.011
0.011X22.4-18=0.014
0.16%
O2
①
0.061
①
0.043
0.5%
N2
②
0.075
②
0.06
0.69%
合计
11.781
8.634
100%
1氧气体积为8.634X0.5%=0.043m3质量为0.043X32-22.4=0.061kg
2气体积为总体积减去其余成分为0.06m3质量为0.06X28-22.4=0.075kg
第4步:
计算脱氧和合金化前的钢水量。
钢水量0§=铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅和渣中的铁损
=100-6.961-{1.5X(75%X56\72+20%X112\160)+1+13.326X6%}=90.365kg据此可以编制出未加废钢。
脱氧与合金化前得物料平衡表11.
表11未加废钢时的物料平衡表
收入
支岀
项目
质量kg
%
项目
质量kg
%
铁水
100
85.05
钢水
90.37
76.08
石灰
5.73
4.87
炉渣
13.33
11.22
萤石
0.5
0.43
炉气
11.78
9.92
生白云石
2.5
2.13
喷溅
1.00
0.84
炉衬
0.3
0.26
烟尘
1.50
1.26
氧气
8.553
7.27
渣中铁珠
0.80
0.67
合计
117.58
100
合计
118.78
100
注:
计算误差为(117.58-118.78)/117.58X100%=-0.9%
第五步:
计算加入废钢的物料平衡。
如同“第一步”计算铁水中元素氧化量一样,利用表1的数据先确定废钢中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量(表12),再将其与表11归类合并,遂得加入废钢后的物料平衡表13和表14。
表12加入废钢的物料平衡
元素
反应产物
元素氧化量/kg
耗氧量/kg
产物量
/kg
进入钢中的量/kg
C
【C】》
CO}
21.86X0.05%X90%=0.010
0.013
0.023
【C】》
CO2}
21.86X0.05%X10%=0.001
0.003
0.004
Si
【Si】T
{SiO2}
21.86X0.37%=0.081
0.093
0.174
Mn
【Mn】T
{MnO}
21.86X0.34%=0.074
0.022
0.096
P
【P】T{
P2O5}
21.86X0.01%=0.002
0.003
0.005
S
【S】T{
SO2}
21.86X0.002%X1/3=0.0001
0.0001
0.0002
【S】+(CaO)T(CaS)
+【0】
21.86X0.002%X2/3=0.0003
-0.0002
0.0007
合计
0.168
0.134
21.86-0.168=21.692
成渣量(kg)
0.276
表13加入废钢的物料平衡表(以100kg铁水为基础)
收入
支岀
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
100
71.64
钢水
90.365+21.692=112.06
79.60
废钢
21.86
15.66
炉渣
13.33+0.276=13.606
9.67
石灰
5.73
4.11
炉气
11.78+0.027=11.81
8.39
萤石
0.5
0.36
喷溅
1.00
0.71
生白云石
2.5
1.79
烟尘
1.50
1.07
炉衬
0.3
0.21
渣中铁珠
0.80
0.57
氧气
8.553+0.134=8.687
6.22
合计
139.58
100.00
合计
140.776
100.00
注:
计算误差为(139.58—140.776)/139.58X100%=—0.86%
表14加入废钢的物料平衡表(以100kg(铁水+废钢)为基础)
收入
支岀
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
82.06
71.65
钢水
91.89
79.60
废钢
17.94
15.66
炉渣
11.16
19.67
石灰
4.70
4.10
炉气
9.68
8.39
萤石
0.41
0.36
喷溅
0.82
0.71
生白云石
2.05
1.79
烟尘
1.23
1.07
炉衬
0.25
0.22
渣中铁珠
0.66
0.57
氧气
7.12
6.22
合计
114.53
100.00
合计
115.44
100.00
第六步:
计算脱氧和合金化后的物料平衡
先根据钢种成分设定值(表1)和铁合金成分及回收率(表3)算出锰铁和硅铁的加入量,再计算元素的烧损量。
将所有结果与表14归类合并,即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。
锰铁加入量WMn为:
3[Mn]钢种一3[Mn]终点一
WMn=锰铁含Mn量XMn回收率X钢水量
0.55%0.21%门
=91.89=0.57kg
67.8%80%
硅铁加入量Wsi为:
(①[Si]钢种―①[Si]终点)x加锰铁后的钢水量―①[Si]FeMn
硅铁含Si量xSi回收率
=0.42kg
0.25%(91.890.45)0.002
73%75%
表15铁合金中元素烧损量有产物量
类别
元素
烧损量/kg
脱氧量/
kg
成渣量
/kg
炉气
量/
kg
入钢量/kg
C
0.57X6.60%10%=0.004
0.01
0.015
0.57X6.6%X90%=0.034
Mn
0.57X67.80%X20%=0.077
0.022
0.099
0.57X67.8%X80%=0.309
锰
Si
0.57X0.5%X25%=0.001
0.001
0.002
0.57X0.5%X75%=0.002
P
0.57X0.23%=0.001
铁
S
0.57X0.13%=0.001
Fe
0.57X24.74%=0.141
合计
0.082
0.033
0.101
0.015
0.488
Al
0.42X2.5%X100%=0.011
0.010
0.066
Mn
0.42X0.5%X20%=0.0004
0.0001
0.0005
0.42X0.50%X80%=0.002
硅
Si
0.42X73%X25%=0.077
0.088
0.165
0.42X73.00%X75%=0.23
P
①
0.42X0.05%0.0002
铁
①
S
0.42X0.03%=0.0001
Fe
0.42X23.92%=0.100
合计
0.088
0.098
0.172
0.332
总计
0.17
0.131
0.273
0.015
0.82
①可以忽略。
脱氧和合金化后的钢水成分如下:
W(C)=0.1%+0034100%=0.14%
92.71
0.0020.230
92.71
W(Mn)=0.21%+0.3090.002100%x100%=0.55%
W(Si)=100%=0.25%
92.71
W(P)=0.03%+0001100%=0.031%
92.71
W(S)=0.018%+0001100%=0.019%
92.71
可见,含碳量已经在设定值范围以内。
满足要求。
表16总物料平衡表
收入
支岀
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁
水
82.06
70.93
钢
水
92.71(91.89+0.82)
78.33
废
钢
17.94
15.51
炉
渣
11.43(11.16+0.273)
10.34
石
灰
4.70
4.06
炉
气
9.70(9.68+0.015)
8.86
萤
石
0.41
0.35
喷
溅
0.82
0.75
生白云石
2.05
1.77
烟
尘
1.23
1.12
炉
衬
0.25
0.22
渣中铁珠
0.66
0.60
氧
气
①
7.29(7.12+0.133+0.032)
6.30
锰
铁
0.57
0.49
硅
铁
0.42
0.36
合计
115.69
100.00
合计
116.55
100.00
计算误差为(115.69—116.55)/115.69X100%=—0.74%
2热平衡计算
2.1计算所需原始数据
计算所需基本原始数据有:
各种入炉料及产物的温度(表17);物料平均热容(表
18);反应热效应(表19);溶入铁水中的元素对铁熔点的影响(表20)。
其他数据参照物料平衡选取。
表17入炉物料及产物的温度设定值
名称
入炉物料
产物
铁水①
废钢
其他原料
炉渣
炉气
烟尘
温度/C
1400
25
25
与钢水相同
1450
1450
①纯铁熔点为1536°C
表18物料平均热容
物料名称
生铁
钢
炉渣
矿石
烟尘
炉气
固态平均热容/kJ(kgK)-1
0.745
0.699
—
1.047
0.996
—
熔化潜热/kJkg-1
218
272
209
209
209
—
液态或气态平均热容/kJ(kgK)-1
0.837
0.837
1.284
—
—
1.137
表19炼钢温度下的反应热效应
组元
化学反应
△H/kJkmol-1
△H/kJkg-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
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