炼钢部分各种计算公式汇总.docx
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炼钢部分各种计算公式汇总
炼钢部分各种计算公式汇总
1、转炉装入量
装入量=
2、氧气流量
Q=
Q-氧气流量(标态),
或
V-1炉钢的氧气耗量(标态),m3;
t-1炉钢吹炼时间,min或h
3、供氧强度
I=
I-供氧强度(标态),
;
Q-氧气流量(标态),
;
T-出钢量,t
注:
氧气理论计算值仅为总耗氧量的75%~85%。
氧枪音速计算
α=(κgRT)1/2m/s
α—当地条件下的音速,m/s;κ—气体的热容比,对于空气和氧气,κ=1.4;g—重力加速度,9.81m/s2;R—气体常数,26.49m/κ。
马赫数计算
M=ν/α
M—马赫数;ν—气体流速,m/s;α—音速,m/s。
冲击深度计算
h冲=K
h冲—冲击深度,m;P0—氧气的滞止压力(绝对),㎏/㎝2;d0—喷管出口直径,m;H枪—枪位,m;ρ金—金属的密度,㎏/m3;dc—候口直径,m;B—常数,对低粘度液体取作40;K—考虑到转炉实际吹炼特点的系数,等于40。
在淹没吹炼的情况下,H=0,冲击深度达到最大值,即
hmax=
有效冲击面积计算
R=2.41×104(
)2
R—有效冲击半径,m;νmax—液面氧射流中心流速,m/s;
νmax=ν出
·
ν出—氧射流在出口处的流速,m/s。
金属-氧接触面积计算
在淹没吹炼时,射流中的金属液滴重是氧气重量的3倍,吹入1m3氧气的液滴总表面积(金属-氧气的接触面积):
SΣ=
G金—1标米3氧气中的金属液滴重量=3×1.43㎏;r平均—液滴的平均半径,m;ρ金—金属液的密度,7×103㎏/m3。
金属-熔渣接触面积计算
S渣=
V渣—乳化渣的总体积,m3;r渣—渣滴半径,m。
氧气高度计算
H=bPDe
H—氧枪喷头端面距熔池液面的高度,㎜;b—系数,随喷孔数而变化,四孔喷头b=45~60;P—供氧压力,MPa;De—喷头出口直径,㎜。
4、石灰的加入量(㎏/t)
当铁水P<0.30%时,
石灰加入量(㎏/t)=
每千克矿石补加石灰量(㎏)=
当铁水P>0.30%时,
石灰加入量(㎏)=
石灰加入量(㎏/t)=
η-脱磷率,单渣法取90%,双渣法为90%~95%;
石灰加入量(㎏/t)=
当生成3CaO·P2O5时,
石灰加入量(㎏)=
当生成4CaO·P2O5时,
石灰加入量(㎏)=
4CaO·P2O5和3CaO·P2O5在炼钢高温下都是稳定的化合物,生产时放出大量的热,3CaO·P2O5比4CaO·P2O5生成时放出的热量多。
只有当渣中P2O5的质量分数ω(P2O5)>3%时才有可能形成3CaO·P2O5。
实际生产中P2O5的质量分数一般不会超过1%。
吨钢石灰的加入量(㎏)
=
铁水带渣带入的SiO2应考虑铁水渣中CaO相当的SiO2量
ω(SiO2有效,铁水渣)=ω(SiO2,铁水渣)-
则辅原料及铁水带渣所需石灰用量(㎏)
=
5、渣量计算
渣量可以用元素平衡法计算。
Mn和P两元素,从渣料和炉衬中的来源很少,其数量可以忽略不计。
因而可以用Mn或P的平衡来计算渣量。
用Mn平衡计算渣量
设渣量为X,
终渣中氧化锰的含量已知为A%;,则渣中锰含量=A%×
=B%;
锰来源量=铁水带锰量+废钢带锰量
=铁水装入量×铁水中锰含量%+废钢装入量×废钢中锰含量%
锰支出量=钢水带锰量+炉渣带锰量
=出钢钢水量×终点残锰量%+炉渣渣量×炉渣中锰含量%
根据质量守恒定律,锰来源量=锰支出量
铁水装入量×铁水中锰含量%+废钢装入量×废钢中锰含量%=出钢钢水量×终点残锰量%+炉渣渣量×炉渣中锰含量%
用P平衡计算渣量
设渣量为Y
终渣中氧化锰的含量已知为A%;,则渣中锰含量=A%×
=B%;
P来源量=铁水带P量+废钢带P量
=铁水装入量×铁水中P含量%+废钢装入量×废钢中P含量%
P支出量=钢水带P量+炉渣带P量
=出钢钢水量×终点钢水中P量%+炉渣渣量×炉渣中P含量%
根据质量守恒定律,P来源量=P支出量
铁水装入量×铁水中P含量%+废钢装入量×废钢中P含量%=出钢钢水量×终点钢水中P量%+炉渣渣量×炉渣中P含量%
6、白云石加入量计算
白云石加入量
石灰带入的MgO的量=石灰加入量×石灰中MgO含量%=A(㎏)
1t装入量炉衬熔损带出的MgO的量=1000×熔损的含量%×炉衬中MgO的含量%=B(㎏)
1t装入量终渣MgO的量=1000×渣量占金属装入量的量%×终渣成分中MgO含量%=C(㎏)
白云石的加入量=(终渣要求MgO的量C-石灰带入的MgO的量A-炉衬熔损带出的MgO的量B)/白云石中MgO的含量%=D(㎏)
白云石需补加石灰用量
补加石灰量=
=F(㎏)
白云石相当的石灰量
白云石相当的石灰量=
=E(㎏)
∴石灰的加入总量=石灰加入量-补加石灰量-白云石相当的石灰量=G(㎏)
1炉钢渣量总量简单计算
炉渣总量/炉=石灰加入量+白云石×(1-白云石中烧碱含量%)+矿石加入量×(1-矿石中全铁含量%)+装入量×入炉金属料硅含量%×1000×60÷28
入炉金属料硅含量=装入量×铁水所占比例×铁水硅含量%+装入量×生铁块所占比例×生铁块硅含量%+装入量×废钢所占比例×废钢硅含量%
炼钢温度下分配系数常以渣中氧化物含量和元素的比值表示
LM=
=α
渣中氧化物含量换算的系数
α
0.7746
0.467
0.684
0.793
0.437
0.222
0.1693
根据脱磷效果确定硅、渣量计算
转炉炼钢脱磷能力较强,去磷量可达90%以上,在FeO%=14%时,脱磷指数为Lp=
炉渣碱度下脱磷指数Lp=
的最大值
炉渣碱度
2.4
2.8
3.5
4.0
Lp
120
210
440
480
实际脱磷指数只能达到最大值的50%~80%之间。
ω渣=([P]铁水-[P]钢水)×1000/[P]钢水L实
ω渣=
=A
L实=0.436Lp+0.3717
以100㎏炉料为例,磷的平衡关系为:
炉料中磷量=钢中磷量+渣中磷量
100ω[P]%料=Q钢ω[P]%料+Q渣ω(P)%
∵ω(P)%=0.437ω(P2O5)%,ω(P2O5)%=Lpω[P]%
100ω[P]%料=Q钢ω[P]%料+0.437Q渣Lpω[P]%
ω[P]%=100ω[P]%料/(Q钢+0.437Q渣Lp)
ω[P]%料—炉料中磷的质量百分数;
Q钢—钢水重量,㎏;
Q渣—炉渣重量,㎏。
炼钢铁水的最佳硅质量分数
渣量既要保证脱磷效果,又要考虑成本。
炼钢碱度一般取3.5,炉渣中CaO和SiO2占总渣量的50%~60%左右。
假定CaO+SiO2为渣量的55%,渣中CaO含量为B%,渣中SiO2含量为C%则
石灰的加入量(㎏/t)=渣量×渣中CaO含量%/石灰有效氧化钙
=
铁水硅含量计算
渣中SiO2的量(㎏/t)=渣量×渣中SiO2含量%=A×C%=D㎏
每吨铁水的Si含量ω(Si)=渣中SiO2的量/1000×28/60×100%=E%
=
=
∴铁水中的ω(Si)与ω(P)的关系为:
Si%=(P%铁水-P%出钢)×1000×100%×渣中SiO2含量%×28×100%)/(L实×P%出钢×60×1000)
Si%=
L实=0.436Lp+0.3717
还原性脱磷方案:
硅钙合金脱磷,要求用一定压力的氩气作为载流气体,将Ca—Si合金粉喷入钢液之中;电石脱磷,要求钢液温度为1575~1680℃、钢中碳的活度在0.02~0.30之间,脱磷率ηp可达50%以上;CaC2—CaF2合成渣脱磷,钢水温度在1575~1680℃,CaC2—CaF2渣系中CaF2的配比控制在10%~25%为好。
温度为1570~1680℃,ω(CaO)>24%时脱磷计算
lg
=
-16+2.5lgΣω(FeO)%+0.08ω(CaO)%
当硫在渣、钢间的分配系数Ls一定时,钢液硫含量取决于炉料硫含量和渣量的计算
Σω(S)%=ω[S]%+ω(S)%·Q
Ls=ω(S)%/ω[S]%
则ω[S]%=Σω(S)%/(1+Ls·Q)
Σω(S)%—炉料带入熔池的总硫量,%;ω[S]%—钢液中硫的质量百分数;ω(S)%—炉渣中硫的质量百分数;Q—渣量,%.
7、转炉热效率计算
总热效率=
8、出钢温度的计算
出钢温度=凝固温度(T凝)+过热度(α)+出钢过程温降(Δt1)+出钢完毕至精炼开始之前的温降(Δt2)+钢水精炼过程的温降(Δt3)+钢水精炼完毕至开浇之前的温降(Δt4)+钢水从钢包至中间包的温降(Δt5)
常用的凝固温度计算公式
Tn=1536-(78ω[C]+7.6ω[Si]+4.9ω[Mn]+34ω[P]+30ω[S]+5.0ω[Cu]+3.1ω[Ni]+2.0ω[Mo]+2.0ω[V]+1.3ω[Cr]+18ω[Ti]+3.6ω[Al]+80ω[B]+80ω[O]+90ω[N]+1300ω[H])
过热度-与钢种、坯型有关,方坯一般取20-30℃,板坯一般取15-25℃
9、冷却剂的冷却效应计算
Q冷=Q物+Q化
1㎏矿石的冷却效应
Q矿(kj/㎏)=1×(矿石热熔×(前期熔池温度-常温)+矿石熔化潜热+矿石中Fe2O3含量×112/160×还原铁吸收热量+矿石中FeO含量×56/72×还原铁吸收热量)
Q矿(kj/㎏=1×C矿×Δt+λ矿+1×(ω(e2O3)矿×112/160×6456+ω(FeO)矿×56/72×4247)
Q矿=1×(1.016×(1350-25)+209+矿石中Fe2O3含量×112/160×6459+矿石中FeO含量×112/160×4249)
1㎏废钢的冷却效应
Q废(kj/㎏)=1×((废钢固态热熔×(废钢熔化温度-常温)+废钢熔化潜热+液态热熔×(出钢温度-废钢熔化温度))
Q废(kj/㎏)=1×[(C固×(t熔-25))+λ废+C液(t出-t熔)]
Q废=1×(0.699×(1500-25)+272+0.837×(出钢温度-1500))
冷却剂用量确定
如果选择矿石为装入量的A%,则需要设废钢用量,设废钢用量χ㎏
Q余=A%(100+χ)×Q矿+χ×Q废
温度降低计算
T降℃=
T降℃=
假定设定废钢的冷却效应为1,则常用冷却剂的冷却效应换算值换算
冷却剂
重废钢
轻薄废钢
压块
铸铁件
生铁块
金属球团
烧结矿
铁块石
氧化铁皮
冷却效应值
1.0
1.1
1.6
0.6
0.7
1.5
3.0
3.0-3.6
3.0
冷却剂
石灰石
生白云石
石灰
无烟煤
焦炭
硅铁
菱镁矿
萤石
OG泥烧结矿
冷却效应值
2.2
2.2
1.0
-2.9
-3.2
-5.0
2.2
1.0
2.8
加入1%冷却剂时降温的经验数据
加入1%冷却剂
废钢
矿石
铁皮
石灰
白云石
石灰石
降温效果/℃
8~12
30~40
34~44
14~20
20~24
28~38
氧化1㎏元素的放热量及氧化1%元素使熔池升温度数
元素氧化反应
氧气吹炼
1200℃
1400℃
1600℃
[C]+{O2}={CO2}
244/33022
240/32480
236/31935
[C]+1/2{O2}={CO}
84/11286
83/11161
82/11035
[Fe]+1/2{O2}=(FeO)
31/4067
30/4013
29/3963
[Mn]+1/2{O2}=(MnO)
47/6333
47/6320
47/6312
[Si]+{O2}+2(CaO)=(2CaO·SiO2)
152/20649
142/19270
132/17807
2[P]+5/2{O2}+2(CaO)=4CaO·P2O5
190/25707
187/24495
144/19762
注:
表中分母上的数据为氧化1㎏某元素的放热量(KJ),分子上的数据为氧化1%该元素使熔池升温的度数(℃)。
熔池升温度数计算
Q=Σ(m·c)·Δt
Δt=Q/Σ(m·c)
Δt—熔池升温度数,℃;Q—1㎏元素氧化后放出的热量,kJ;m—受热物体(金属、炉渣、炉衬)的量,㎏;c—受热物体(金属、炉渣、炉衬)的比热容,kJ/(㎏·℃)
c金属=1.05kJ/(㎏·℃)、c炉渣=1.235kJ/(㎏·℃)、c炉衬=1.235kJ/(㎏·℃)。
10、合金元素吸收的计算
吸收率=
合金加入量计算
合金加入量(㎏/t)=
钢种规格中限%=
合金中元素增加量%=
增碳剂加入量(㎏)=
合金元素吸收率核算公式η%
η%=
铁合金中的氢含量围
名称
硅铁(45%)
高碳锰铁
低碳锰铁
低碳铬铁
硅锰合金
电解镍
氢含量
(9.7~17.4)×10-6
(7.5~17.0)×10-6
8.1×10-6
(4.3~6.0)×10-6
14.2×10-6
0.2×10-6
铁合金中的氮含量围
名称
硅铁(75%)
高碳锰铁
钛铁
高碳铬铁
硅锰合金
氮锰合金
氮鉻合金
ω[N]
0.003
0.002
0.022
0.039
0.025
2.88
7.67
1600℃时锰、碳、硅、铝的脱氧能力
脱氧元素(含量为1%)
Mn
C
Si
Al
钢液中平衡时ω[O]
0.10
0.02
0.017
0.0017
1600℃时钢中氧和铝的平衡含量
ω[Al]
0.1
0.05
0.01
0.005
0.002
0.001
ω[O]
0.0003
0.0004
0.0013
0.002
0.0037
0.0059
用热力学函数作为判断冶金反应方向及计算
ΔG=ΔGΘ+-19.149T·lgQ
ΔGΘ=-19.149T·lgK
ΔG—某一状态Q时的吉布斯自由能变化,J/mol;
ΔGΘ—由标准态到平衡状态时的吉布斯自由能变化J/mol;
Q—反应在非标准状态下活度的比值;
K—反应的平衡常数,用活度表示。
铝脱氧平衡关系
一般情况下,在1600℃时,当原始状态Q=1,则反应2[Al]+3[O]=Al2O3达到平衡时:
K=
=1013.24;当原始状态Q≠1,则
ΔG=19.149T·lg(Q/K)
2[Al]1%+3[O]1%=Al2O3纯ΔGΘ=-1206220+390.39T
在1600℃时,ΔGΘ=-475020J/mol,K=
=10(475020/19.149×1873)=1013.24
例如:
一钢液ω[O]=0.02%,现向钢中加Al后,ω[Al]=0.08%。
在1600℃反应达到平衡时,钢中的ω[O]平、ω[Al]平各为多少,认为浓度很小时,可用浓度代替活度)?
解:
ΔG=19.149T·lg(Q/K)
=19.149×1873×lg﴾
﴿
=35866×lg(106.71/1013.24)
=234205J/mol
∵反应生成Al2O3,其消耗的ω[O]%和ω[Al]%的比值为:
=
=
=0.88889
又∵α2[Al]平·α3[O]平=(α[Al]-ω[Al]%)2·(α[O]-ω[O]%)3=1013.24
(0.08-ω[Al]%)2·(0.02-0.88889ω[Al]%)3=1013.24
∴ω[Al]%=0.02222,α[Al]平=0.08-0.02222=0.05778,ω[Al]平=0.05788%
ω[O]%=0.019754,α[O]平=0.02-0.019754=0.000246,ω[O]平=0.000246%
钛脱氧平衡关系
[Ti]1%+2[O]1%=TiO2纯ΔGΘ=-661920+227.98T
K=
=10ΔGΘ/19.149T
当元素含量很低时,可用浓度代替活度计算,在1600℃时:
ω[Ti]%·ω[O]2%=10-6.5497=2.82×10-7
钢液用钛脱氧时,氧量必须满足下列等式关系:
ω[O]%原=ω[O]%平+MTiO2·(32/80)=ω[O]%平+0.4MTiO2
钛量满足下列等式关系:
MTi=ω[Ti]%平+MTiO2·(48/80)=ω[Ti]%平+0.6MTiO2
将上式合并得
(MTi-0.6MTiO2)·(ω[O]%原-0.4MTiO2)2=10-6.549T=2.82×10-7
MTi—100㎏钢液中Ti的加入量,㎏;
MTiO2—100㎏钢液中TiO2的生成数量,㎏;
ω[O]%原—钢液原始的氧含量;
ω[O]%平—钢液平衡时的氧含量;
ω[Ti]%平—钢液平衡时的氧含量。
转炉终点的氧含量计算
ω[O]ω[C]=
碱性电弧的氧含量计算
[O]终=
熔池铁液中氧的饱和含量关系
ω[O]=0.23αFeO
钢中氧化量计算:
αo=94.07+36.8862/[%C]ppm
100t转炉钢水含氧量计算
[O]=10.99/[%C]+1.63T(℃)-880[%Mn]-2236ppm
150t转炉钢水含氧量计算
αo=36.63/[%C]+0.77T(℃)-1350.57[%Mn]-1387.78ppm
钢中氧含量计算
(%O)=-0.154[%C]+0.006(ΣFeO)-0.018[%Mn]+12×10-7T(℃)+0.0392
氧的脱碳效率
ηO2=
0.933=22.4/(2×12)
氧化单位碳量所需的氧量将随[%C]的不同而不同,大致如下
ω[C]/%
0.9~1.0
0.3~0.6
0.1~0.25
0.05~0.10
<0.05
单位耗氧量(m3)
0.03~0.06
0.04~0.06
0.05~0.07
~0.50
1.25~1.90
钢中碳的溶解
碳溶于铁液是吸热过程,随温度上升溶解度增加,吸收每克碳吸热1887J。
在炼钢的温度围,对于Fe—C二元系和Fe—C—Σ多元系,在不同温度下碳的饱和溶解度计算式:
Fe—C二元系:
ω[C]%饱=1.3+0.00257t
Fe—C—Σ多元系:
ω[C]%饱=1.3+0.00257t+0.17ω[Ti]%+0.135ω[V]%+0.12ω[Nb]%+0.065ω[Cr]%+0.027ω[Mn]%+0.015ω[Mo]%-0.4ω[S]%-0.32ω[P]%-0.31ω[Si]%-0.22ω[Al]%-0.074ω[Cu]%-0.053ω[Ni]%
上式中的标准含量以1%作单位。
合适含量见下表,合适温度围是1150~2000℃。
铁中元素
Ti
V
Nb
Cr
Mn
Mo
S
P
Si
Al
Cu
Ni
含量/%
1
3.4
1
9
25
2
0.4
3
5.5
2
3.8
8
上式从各元素前的系数大小可看出变化程度,以此来估计多种元素的吸碳能力的大小。
碳氧浓度积
Kc=
=
=m=/ω[C]%·ω[O]%
不同碳含量和温度时的m值
ω[C]%
温度/℃
1500
1550
1600
1650
1700
m×10-3
0.01
1.76
1.91
2.06
2.19
2.33
0.05
2.11
2.22
2.34
2.44
2.55
0.10
2.20
2.30
2.41
2.51
2.60
0.50
2.51
2.61
2.72
2.83
2.94
1.00
2.91
3.02
3.16
3.27
3.40
氧气转炉熔池中的实际氧含量ω[O]%实际高于在该情况下与碳平衡的氧含量ω[O]%平衡(m)值
即
ω[C]%·ω[O]%实际>ω[C]%·ω[O]%平衡(m)值
Δω[O]%=ω[O]%实际-ω[O]%平衡=ω[O]%实际-(m/ω[C]%)
11、出钢量计算
出钢量=
12、钢铁料计算
钢铁料消耗(kg/t钢)=
其中:
生铁包括冷生铁、高炉铁水、还原铁;废钢铁包括各种废钢、废铁等;
a.轻薄料废钢,包括锈蚀的薄钢板以及相当于锈蚀薄板的其他轻薄废钢,按实物量×60%计算,其加工压块按实物量×60%计算;
b.渣钢是指从炉渣中回收的带渣子的钢,按实物×70%计算;经过砸碎加工(基本上去掉杂质)的渣钢,按实物量×90%计算;
c.优质钢丝(即过去所称“钢丝”)、钢丝绳、普通钢钢丝(即过去所称“铁丝”)、铁屑以及钢锭扒皮车屑和机械加工的废钢屑(加工压块在),按实物量×60%计算;
d.钢坯切头切尾、汤道、中注管钢、桶底钢、冻包钢、重废钢等均按实物计算;
简单算法
钢铁料消耗(kg/t钢)=金属装入量(铁水+废钢+生铁块)×1000/合格钢坯
合格钢坯=[装入量×(1-吹损率)+合金加入量×合金回收率]×铸坯收得率
铸坯收得率应考虑钢包残钢量、连浇炉数、中包残钢量、铸坯定尺长度、铸坯割缝、头坯量和尾坯量、废品量(现场+退废)、切割时氧化损失、引流损失等影响。
钢铁料消耗(kg/t钢)=金属装入量(铁水+废钢+生铁块)×1000/(装入量-各种损失)
损失:
化学损失、炉渣损失、烟尘损失、喷溅损失等
钢铁料消耗(kg/t钢)=金属装入量(铁水+废钢+生铁块)×1000/(装入量-各工序损失)
各工序损失:
原料工序损失:
铁水带渣扣减量、铁水预处理的比例及其工序铁水损失、铁水翻罐和兑入时泼洒、废钢的折算;
炼钢工序损失:
化学烧损、钢渣中金属损失、金属铁氧化、渣中钢珠损失、喷溅损失、烟尘金属料损失、回炉钢水及新循环废钢损失(回炉钢水+自循环废钢)×吹损率)、按钢种分类统计;
连铸工序损失:
氧化铁皮损失、切缝损失、切头、切尾损失、连铸中间包余钢、工序钢包余钢、漏钢损失、连铸坯合格率、轧后退废。
13、炉渣氧化性的表示方法
全氧法
Σω(FeO)=ω(FeO)+1.35ω(Fe2O3)
全铁法(常用)
Σω(FeO)=ω(FeO)+0.9ω(Fe2O3)
当ω[C]>0.1%时,转炉吹炼末期的氧化铁总量计算式
Σω(FeO)%=4ω(CaO)%/ω(SiO2)%+0.3/ω[C]%+1×10-6t2+1.25
对于任何炉种的炉渣,特别是低碳钢(ω[C]≤0.05%)的钢液,氧化铁含量计算式
Σω(FeO)%=12+0.9/ω[C]%
在纯氧化铁渣下(α(FeO)=1),金属中的平衡含氧量即为饱和含氧量,因为氧在钢中的溶解度很低,可用ω[O]代替α[O]
L0=α(FeO)/α[O]=1/ω[O]饱和;lgL0=lg(1/ω[O]饱和)=6320/T-2.734,按此式计算可得不同温度时纯铁渣下饱和含氧量
t/℃
1550
1600
1650
1700
ω[O]/%
0.190
0.231
0.278
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