物料平衡与热平衡计算.doc

钢铁冶金专业设计资料
(炼铁、炼钢)
本钢工学院冶化教研室
二00三年八月
第一章 物料平衡与热平衡计算
物料平衡和热平衡计算是氧气顶吹转炉冶炼工艺设计的一项基本的计算,它是建立在物质和能量不灭定律的基础上的。它以转炉作为考察对象,根据装入转炉内或参与炼钢过程的全部物料数据和炼钢过程的全部产物数据,如图1-1-1所示的收入项数据和支出项数据,来进行物料的重量和热平衡计算。通过计算,可以定量地掌握冶炼工重要参数,做到“胸中有数”。对指导生产和分析研究改进冶炼工艺,设计转炉炼钢车间等均有其重要意义。由于转炉炼钢过程是一个十分复杂的物理化学过程,很显然,要求进行精确的计算较为困难,特别是热平衡,只能是近似计算,但它仍然有十分重要的指导意义。
物料平衡和热平衡计算,一般可分为两面种方案。第一种方案是为了设计转炉及其氧枪设备以及相应的转炉炼钢车间而进行的计算,通常侧重于理论计算,特别是新设计转炉而无实际炉型可以参考的情况下;另一种方案是为了校核和改善已投产的转炉冶炼工艺参数及其设备参数或者采用新工艺新技术等,而由实测数据进行的计算,后者侧重于实测。本计算是采用第一种方案。
目前,我国顶吹转炉所采用的生铁基本上为低磷的(0.10~0.40%)和中磷的(0.40~1.00%)两种,对这两种不同含磷量生铁的冶炼工艺制度也不相同。因此,下面以50吨转炉为例,分别就低磷生铁和高磷生铁两种情况,进行物料平衡和热平衡计算。
1.1原始数据
1.1.1铁水成分及温度
表1-1-1
成分
C
Si
Mn
P
S
温度℃
%
4.250
0.850
0.580
0.150
0.037
1250
1.1.2原材料成分
表1-1-2 原材料成分
%
种类
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
S
P
CaF2
FeO
Fe2O3
H2O
C
烧碱
合计
石灰
91.38
1.26
1.54
1.42
0.06
4.34
100.00
矿石
1.10
5.11
0.52
1.16
0.07
28.8
61.8
0.50
100.00
萤石
6.00
0.58
1.78
0.09
0.55
89.00
2.00
100.00
轻烧
白云石
30.84
0.46
20.16
0.74
0.04
0.11
47.8
100.00
镁质炉衬
54.50
1.05
39.45
1.00
5.0
100.00
表2-1-1铁水成分与温度
成分
C
Si
Mn
P
S
温度℃
%
4.300
0.650
0.560
0.150
0.038
1300
转炉冶炼钢种常为普通碳素钢和低合金钢,在此以要求冶炼BD3钢考虑,其成分见表2-1-3
成分(中限)
C
Si
Mn
P
S
%
0.16~0.24
0.16~0.28
0.35~0.65
0.045
0.045
1.1.4平均比热
表1-1-4
项 目
固态平均比热
千卡/公斤·度
熔化潜热
千卡/公斤
液态或气态平均比热
千卡/公斤·度
生 铁
钢
炉 渣
烟 尘
矿 石
炉 气
CO
CO2
SO2
O2
N2
H2O
0.178
0.167
0.238
52
65
50
50
0.20
0.20
0.298
0.349
0.558
0.555
0.365
0.346
0.489
1.1.5冷却剂
用废钢作冷却剂,其成份与冶炼钢种成份的中限相同。(见表1-1-3)
1.1.6反应热效应
虽然炉内化学反应,实际上是在炉料温度和炉内上部气相温度之间的任一温度发生的,但反应热效应通常仍采用25℃作为参考温度,值得指出的是,反应热还与组分在铁水中存在形态有关,至今对参与化学反应有关的实际组成物还有不同的看法。但是,比较常用的反应热数据见表1-1-5。
表1-1-5
反 应
放 出 热(千卡)
每公斤
分 子
每公斤元素或化合物
千 卡
元素或化合物
C (Fe3C)+ O2=CO
C (Fe3C)+O2=CO2
Si (Fe3Si)+O2=SiO2
2P (Fe3P)+ O2=P2O5
Mn+O2=MnO
﹡0.95Fe+O2=Fe0.95O
Fe+O2=FeO
2Fe+O2=Fe2O3
3Fe+2O2=Fe3O4
2CaO+SiO2=2CaO·SiO2
4CaO+P2O5=4CaO·P2O5
FeO+SiO2=FeO·SiO2
MnO+SiO2=MnO·SiO2
31397.0
99063.5
190015.2
280133.5
92007.4
63727.3
64430.0
196910.0
267243.4
29780.2
165013.2
4500.4
5889.4
2616.9
8250.7
6767.2
4522.6
1677.9
1200.1
1150.5
1758.1
1594.6
495.0
1162.1
80.6
107.2
C
C
Si
P
Mn
Fe
Fe
Fe
Fe
SiO2
P2O5
FeO
MnO
﹡ 通常近似认为是Fe+O2=FeO
1.1.7 其它数据的选取 (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5%~8%,本设计取8%。
2.金属中碳的氧化假定为:80%~90%的碳氧化成CO,20%~10%的碳氧化成CO2。
3.喷溅铁损为铁水量的0.7%~1.0%,本设计取1.0%。
4.取炉气平均温度1450℃,炉气中自由氧含量为0.5%,烟尘量铁珠量的1.6%,其中FeO=77%,Fe2O3=20%。
5.氧气成分为98.5%O2,1.5%N2。
6.炉衬侵蚀量为铁水量的0.5%。
1.2物料平衡计算
根据铁水成份,渣料质量以及冶炼钢种,采用单渣不留渣操作,通常首先以100公斤