转炉炼钢的物料平衡与热平衡

4.6 转炉炼钢的物料平衡及热平衡[5]

炼钢过程的物料平衡和热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上的。其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度，确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供某些定量依据。应当指出，由于炼钢是复杂的高温物理化学过程，加上测试手段有限，目前尚难以做到精确取值和计算。尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。

转炉炼钢的过程是一个很复杂的物理化学变化过程，对其作完全定量的分析是不可能的，但是一些基本的规律和原理在该过程中仍然适用。比如说转炉炼钢过程遵循物质不灭和能量守恒定律，在这个基础上建立了转炉炼钢过程中的物料平衡和热平衡计算。用来研究转炉收入、支出的物质和能量在数量上的平衡关系，并用平衡方程式、平衡表或者物流及热流图表示出来。

通过物料平衡和热平衡的计算可以全面的掌握转炉的物料和能量的利用情况，了解转炉的工作能力和热效率，从而为改进工艺、实现转炉最佳操作探索途径，并为降低原材料消耗及合理利用能源和节能提供方向。

总的来说，物料平衡和热平衡的计算一方面可以指导车间或设备的设计，比如说转炉及其供氧设备，或者炼钢车间的设计；另一方面可以改善和校核已投产的转炉冶炼工艺参数、设备适应性能，比如说确定加入冷却剂的数量和时间，或者采用新技术等而由实测数据进行的计算，比如说设计一些自动控制模型时的计算。

4.6.1 物料平衡[12]

物料平衡是计算炼钢过程中加入炉内和参与炼钢过程的全部物料（铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料和耐材等）及炼钢过程中产物（钢液、炉渣、炉气及烟尘等）之间的平衡关系。

以下通过举例进行计算分析。

1．原材料成分

表4.9铁水、废钢成分（%）

原料	C	Si	Mn	P	S	温度，℃
铁水	4.280	0.850	0.580	0.150	0.037	1250
废钢	0.18	0.20	0.52	0.022	0.025	25

表4.10渣料和炉衬材料成分（%）

名称	CaO	SiO2	MgO	Al2O3	S	P	CaF2	FeO	Fe2O3	烧碱	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
生白云石	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4.11各项目的热容

项目	固态平均热容kJ/kg·K	熔化潜热 kJ/kg	液（气）态平均热容kJ/kg·K
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4.12反应热效应（25℃）

元素	反应	反应热，kJ/kg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=2CaO·SiO2	2070
P2O5	P2O5+4CaO=4CaO·P2O5	5020

2．其它假设条件（根据各类转炉生产实际过程假设）：

（1）炉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%，其中烟尘中FeO=77%，Fe2O3=20%；

（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%O2，1.5%N2。

3．冶炼钢种及规格成分要求冶炼低碳钢，以Q-235钢为例，其规格成分如下（%）：C 0.14～0.22，Si 0.12～0.30，Mn 0.40～0.65，P ≤0.045，S ≤0.050。

4.6.2 物料平衡计算[4-12]

以100kg铁水为单位进行计算，根据铁水、渣料质量以及冶炼钢种要求，采用单渣操作。

1．渣量及成分计算

（1）铁水中元素氧化量（表4.13）。

说明：取脱磷率90%，脱硫率35%；钢水中残余锰占铁水[Mn]的30～40%，取30%；因合金加入后还要增碳，钢水中[C]取较低的0.18。

（2）各元素耗氧量及氧化产物量（表4.14）。

（3）渣料加入量。

1）矿石加入量及其成分（表4.15）：为了化渣，本节中加入矿石1%，而不另加氧化铁皮。（若不加矿石，改用氧化铁皮，则成分不同）。

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

表4.13铁水中元素氧化量

医学成像系统

元素，% 项目	C	Si	Mn	P	S
铁水	4.28	0.85	0.58	0.150	0.037
钢水	0.18	0	0.17	0.015	0.025
氧化量	4.10	0.85	0.41	0.135	0.012

表4.14铁水中元素氧化耗氧量、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	4.10×90%=3.69	3.69×16/12=4.82	3.69×28/12=8.61
C	[C]+O2=CO2	4.10×10%=0.41	0.41×32/12=1.503	0.41×44/12=1.503
Si	[Si]+O2=SiO2	0.85	0.85×32/28=0.972	0.85×60/28=1.82
Mn	[Mn]+1/2O2=MnO	0.41	0.41×16/55=0.119	0.41×71/55=0.529
P	2[P]+5/2O2=(P2O5)	0.135	0.135×80/62=0.174	0.135×142/62=0.309
S	[S]+O2=SO2	0.012×1/3=0.004	0.004×32/320.004	0.004×64/32=0.008*
S	[S]+(CaO)=CaO+[O]	0.012×2/3=0.008	0.008×(-16)/32=-0.004	0.008×72/32=0.018
Fe	[Fe]+1/2O2=(FeO)	0.782	0.782×16/56=0.223	1.006*
Fe	2[Fe]+3/2O2=(Fe2O3)	0.033	0.033×48/112=0.014	0.047*
总计		6.322	7.417

注*：假定炉内气化脱硫1/3；铁的氧化由表4.20得出。

表4.15 矿石加入量及成分

水泥增强剂配方

成分	质量，kg	成分	质量，kg
Fe2O3	1×61.80%=0.618	FeO	1×29.40%=0.294
SiO	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

2）萤石加入量及其成分（表4.16）：根据冶金部转炉操作规程，萤石加入量≤4kg/t，本例取3kg/t。

表4.16 萤石加入量及成分

成分	质量，kg	成分	质量，kg
CaF2	0.3×89.0%=0.267	P	0.3×0.55%=0.002
SiO	0.3×6%=0.018	S	0.3×0.09%=忽略
Al2O3	0.3×1.78%=0.005	H2O	0.3×2%=0.006
MgO	0.3×0.58%=0.002

其中：2[P]+2/5{O2}=（Pefactor2O5）

（P2O5）生成量=0.002×142/62=0.005kg

3）白云石加入量及成分（表4.17）：为了提高炉衬寿命，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，白云石加入量在30～50kg/t，轻烧白云石加入量在20～40kg/t，本节取轻烧白云石30kg/t。

表4.17轻烧白云石加入量及成分

灯管支架

成分	质量，kg 导电夹	成分	质量，kg
CaO	3.0×55%=1.65	MgO	3.0×33%=0.99
SiO2	3.0×3%=0.09	Fe2O3	3.0×1%=0.03
Al2O3	3.0×3%=0.09	烧碱	3.0×5%=0.15

其中：烧碱是指白云石中Ca·MgCO3分解产生的CO2气体。

4）炉衬侵蚀量及其成分（表4.18）：转炉炉衬在炉渣作用下，将被侵蚀和冲刷进入渣中，

本例取铁水量的0.5%。

表4.18 炉衬侵蚀及成分

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
氧气调节阀 Al2O3	0.5×1%=0.09

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。

C→CO数量 0.025×90%×28/12=0.053 kg

C→CO2数量 0.025×10%×44/12=0.009 kg

共消耗氧量 0.053×16/28+0.009×32/44=0.037 kg

5）石灰加入量及成分（表4.19）：根据铁水成分，取终渣碱度B=3.5。

石灰加入量=×100kg

=×100=5.55kg/100kg铁水

说明：若要详细计算石灰加入量，则可用下式：

石灰加入量=

铁水[Si]生成（SiO2）+炉衬、矿石、白云石、萤石带入（SiO2）

白云石、矿石、炉衬带入（CaO）—铁水、矿石中S消耗CaO量

表4.19 石灰石加入量及成分

成分	质量，kg	成分	质量，kg
CaO	5.55×91%=5.05	SiO	5.55×2%=0.11
MgO	5.55%×2%=0.11	S	5.55×0.05%=0.003
Al2O3	5.55×1.5%=0.08	烧碱	5.55×3.45%=0.19

其中：

S→CaS 0.003×72/32=0.007 kg

6）渣中铁的氧化物：对于冶炼Q-235钢，根据已投产转炉渣中含量，取（FeO）=10%，（Fe2O3）=5%。

7）终渣总量及成分：根据表4.13～表4.19中若不计（FeO）、（Fe2O3）在内的炉渣成分见表4.20，由4.20中可得：

CaO+MgO+SiO+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS=11.819kg

已知（FeO）=10%、（Fe2O3）=5%，则其余渣应占渣量总数的85%。故总渣量为=13.90kg。

由此可知：（FeO）=13.90×10%=1.39kg、（Fe2O3）=13.90×5%=0.695kg

由于矿石和白云石中带入部分（FeO）和（Fe2O3），实际铁氧化物为：（FeO）=1.39-0.294=1.096kg，（Fe2O3）=0.695-0.618-0.03=0.047kg。

故 [Fe]氧化物=1.006×56/72+0.047×112/160=0.815kg

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