某電弧爐煉鋼工藝的物料平衡及熱平衡計算案例

目錄

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某電弧爐煉鋼工藝的物料平衡及熱平衡計算案例

1

15930

1.1物料平衡計算

1

15595

1.2電弧爐冶煉熱平衡

11

31537

1.2.1冶煉過程中的熱收入計算

11

21695

1.2.2冶煉過程熱量的支出

13

物料平衡計算

工藝要求(GCr15)

配碳：爐料中配碳高于規(guī)格下限0.5%～0.6%，在氧化期加礦石或脫氧時脫掉，目的是去掉鋼液中氫和氮以及非金屬夾雜，加速脫磷并使鋼液升溫。

在熔化期為了便于去磷，加入2.5%石灰和1%鐵礦石在熔化末期應短時間吹氧，取第一個試樣中磷不高于0.02%。

取完第一試樣后，扒除70%熔化渣，加入1%料重的石灰。鋼的規(guī)格成分：

C：1.00～1.10Mn：0.25～0.45S≤0.02

Si：0.15～0.35Cr：0.90～1.20

表3.1爐料化學成分（%）

表3.2造渣料成分

表3.3焦碳量按爐料中含碳的1.5%計算，被爐料帶入的，Kg

1）爐料熔化期

在熔化期向爐中加入2.5%（料重的）石灰，0.5%火磚塊和1%鐵礦石，在熔化時，以下元素被氧化：

碳：爐料中碳燒損20%或1.453×0.2=0.291Kg

鋼中殘余碳為：1.453－0.291=1.162Kg

硅：硅燒損70%進入到渣中的硅0.295×0.7=0.206Kg

殘留于鋼中硅0.295－0.206=0.089Kg

錳：錳燒損50%，轉入渣中的錳0.835×0.5=0.418Kg

鋼中剩余的錳0.835－0.418=0.417Kg

磷：磷燒損60%，轉入渣中的磷0.049×0.6=0.029Kg

鋼中剩余的磷0.049－0.029=0.02Kg

硫：可以認為熔化期鋼中的硫不燒損，焦碳中硫揮發(fā)掉.

鐵：鐵燒損2%，轉入渣中的和在電弧區(qū)揮發(fā)的，97.138×0.2=1.943Kg

熔池中剩余為97.138－1.943=95.195Kg

表3.4在熔化期中雜質氧化物用氧的計算

按被氧化的1.943Kg鐵中有12%生成Fe，還有3%生成Fe2O3并轉入渣中，而其余85%Fe被氧化成Fe2O3，并在電弧區(qū)揮發(fā)掉。

按FETTERSA和CHIQMAN近似式得出鋼中熔解的FeO：

[%C]×[%FeO]=0.129+0.05[%C]

所以[%FeO]=0.060

需氧量為0.06×16/72=0.013Kg

Fe=0.06×56/72=0.047Kg

所以共需要氧量為：1.551+0.013=1.564Kg

加入鐵礦石含0.90Kg三氧化二鐵或0.27Kg氧和0.63Kg鐵

需加入氧量：1.564－0.27=1.294Kg

熔化期鐵的數(shù)量為：97.138－1.943－0.025+1.63=95.8Kg

表3.5全熔后區(qū)第一個鋼樣%

熔化期爐渣：

由鋼液進入爐渣中：

SiO2：0.206×60/28=0.441Kg

MnO：0.418×71/55=0.540Kg

P2O5：0.029×142/62=0.066Kg

FeO：10943×0.12×72/56=0.300Kg

Fe2O3：1.943×0.03×160/112=0.083Kg

由石灰?guī)朐校?.5Kg石灰）

CaO：2.5×92/100=2.3Kg

MgO：2.5×3.3/100=0.083Kg

SiO2：2.5×2.5/100=0.063Kg

Al2O3：2.5×1/100=0.025Kg

P2O5：2.5×0.1/100=0.003Kg

Fe2O3：2.5×0.6/100=0.015Kg

由礦石帶入渣中（鐵礦石1Kg）

CaO：1.0×0.1/100＝0.001Kg

MgO：1.0×0.3/100=0.003Kg

SiO2：1.0×6.25/100=0.063Kg

Al2O3：1.0×2.5/100=0.025Kg

P2O5：1.0×0.15/100=0.002Kg

Fe2O3：1.0×90.0/100=09Kg

由耐火磚帶入爐渣中

CaO：0.5×0.007=0.003Kg

MgO：0.5×0.003=0.002Kg

SiO2：0.5×0.62=0.310Kg

Al2O3：0.5×0.35==0.175Kg

Fe2O3：0.5×0.02=0.010Kg

由于采用水冷壁，大量降低了耐火材料的消耗量，爐蓋采用水冷爐蓋，所以爐頂消耗耐火材料而進入渣中的量可以忽略不記。

電極消耗量每噸裝入量消耗7Kg，在熔化過程中電極消耗量大約與電極消耗成正比，相當于每百公斤料在熔化期70%或0.49Kg，在熔化期30%或0.21Kg。由電極帶入的灰分忽略。

表3.6熔化期爐渣的組成和數(shù)量

為提高爐渣流動性，建議使用鎂磚爐頂要加水耐火磚塊。

2）氧化期熔煉

氧化期熔煉過程鋼液成分按以下形式變化：

碳：為是鋼液能較好的去除氣體，應脫除3%碳，因為在還原期鉻將以高碳合金加入，碳可脫至0.9%碳。

氧化末期鋼液重量暫定為97Kg，到氧化末期終了鋼液中應含碳接近為97.00×0.9/100=0.893Kg。

脫碳：1.162－0.873=0.289Kg

錳：在期終鋼液殘錳接近0.12%錳或97.0×0.12/100=0.116Kg。

氧化掉：0.417－0.116=0.301Kg

磷：在氧化末期鋼液中殘余量是0.01%磷或97.0×0.01/100=0.01Kg。

氧化掉：0.02－0.01=0.01Kg

硅：在吹氧過程中實際上是全部燒掉，即氧化0.089Kg。

硫：在渣堿度高于2.5和在不斷調整爐渣的情況下可以將鋼液中的硫去除0.01Kg，鋼液剩余硫為0.02Kg。

氣體氧的需要量：由于還沒有關于哪些元素是由FeO中氧所氧化的和哪些元素是由連續(xù)吹入的氧所氧化的數(shù)據(jù)，所以做以下假定，所有的氧化反應是由FeO參加進行的。

雜質氧化需要的量如下表：

表3.7氧化雜質需要的FeO量

生成2.637KgFeO需要：

氧：2.637×16/72=0.586Kg

鐵：2.637×56/72=2.057Kg

眾所周知：向鋼液中吹氧時，渣中含的氧化鐵量就比用鐵礦石氧化時少。對于鋼液中含0.9%碳渣中金屬鐵為7%。

對鐵在FeO和Fe2O3之間的分配，議定選用X/Y=3

因X=Y=7

則X（Fe→FeO）=5.25%，Y=1.75%

所以，在氧化渣中含5.25×72/56=6.75%FeO及1.75×16/112=2.50%Fe2O3

氧化期爐渣重量：

在鋼液要除去0.01%P。為了去磷，當鋼液溫度升高時，要求爐渣堿度為2.5～3.0，并要換渣（渣自爐門流出）。根據(jù)這種情況，在新造的渣中采用平均的P2O5=0.5%。由此得出新造的爐渣中：

0.01/0.5×142/62×100=4.6Kg

選定熔化期除渣70%在爐中剩余5.343×0.3=1.603Kg

氧化期爐渣總量：

4.6+1.603=6.203Kg

需要石灰，為了確定加入石灰和耐火磚塊的量，采用堿度CaO/SiO2=3.0

總和CaO+MgO+MnO=65%

(1)被帶入的MnO：

由氧化期殘留為：0.54×0.3=0.162Kg

鋼液中錳被氧化得出的：0.301×75/55=0.410Kg

總共帶入的：0.410+0.162=0.572Kg

(2)被帶入的氧化鎂：

熔化期爐渣殘留的：0.631×0.3=0.189Kg

爐底和爐墻帶入的：0.45×0.9025=0.406Kg

若石灰用x表示，則石灰?guī)氲难趸V為：x×0.033KgMgO

總帶入MgO：0.189+0.406+x×0.033=0.595+x×0.033

(3)被帶入的CaO：

熔化期爐渣殘留為：2.344×0.33=0.7032Kg

爐底和爐墻帶入的：0.45×0.035=0.015Kg

石灰?guī)氲模?.92xKg

帶入總的Cao：0.718+0.92x

總計：MnO+CaO+MgO=6.203-0.65=4.032Kg

即：0.572+0.595+0.033x+0.718+0.92x=4.032Kg

x=2.253Kg

耐火磚的需要量：（依據(jù)SiO2含量確定）

被帶入SiO2：

熔化期殘留的SiO2：1.012×0.3=0.304Kg

鋼中硅被氧化生成的SiO2：0.089×60/28=0.191Kg

爐底和爐墻帶入的SiO2：0.45×1.0345=0.015Kg

石灰?guī)氲腟iO2：2.253×0.025=0.056Kg

總帶入SiO2量：0.304+0.191+0.015+0.056=0.556Kg

為滿足堿度的需要的SiO2：

(0.718+0.92×2.253)/3=0.930Kg

需要的耐火磚塊：

(0.930－0.566)/0.62=0.587Kg

進入渣中的鐵：

由熔化期爐渣帶入的鐵：

0.3×0.3=0.09KgFeO

0.178×0.3=0.053KgFe2O3

由爐底和爐墻帶入的鐵：0.45×0.02=0.009KgFe2O3

由石灰?guī)氲蔫F：2.253×0.006=0.014KgFe2O3

由耐火磚帶入的鐵：0.745×0.02=0.015KgFe2O3：

總計帶入0.09KgFeO和0.091KgFe2O3

據(jù)以上計算整理渣中必須含：

6.75%或6.203×0.0675=0.419KgFeO

2.5%或6.203×0.025=0.155KgFe2O3

為增加爐渣氧化性需要：

鐵：（0.419－0.09）×56/72=0.319Kg

氧：（0.41－0.319）=0.091Kg

鐵：（0.155－0.091）×112/160=0.045Kg

氧：0.064－0.045=0.019Kg

表3.8氧化末期金屬收得率和組成分

Fe：氧化期爐中95.8；各元素被還原鐵2.051；生成FeO和Fe2O3消耗2.024

總的鐵95.427，98.849

總的鋼96.49，100.00

表3.9氧化期爐渣重量和組成

第一期氣體量：

在鋼液中碳氧化時生成CO量：（0.289+0.291）×28/12=1.353Kg

在第一期每百公斤爐料相應消耗石墨電極：0.42+0.14=0.56Kg

或是0.56×0.99=0.554Kg

裝料焦碳中碳的燃燒量：1.8×0.8－0.6－（0.873－0.373）=0.36Kg

其中0.373由廢鋼帶入碳量：

依據(jù)實驗熔煉分析，認為電極和焦碳中炭被氧化按下列形式氧化：70%成為CO和30%成為CO2。

生成CO燃燒的碳：（0.554+0.36）×0.7＝0.64Kg

并生成0.64×28/12=1.493Kg

由此需要1.005－0.274=0.731Kg

以上我們計算出熔化期和氧化期所需氧：

1.473+0.53+0.002+0.072+0.017=2.104Kg

氧的總需求量：2.104+0.853+0.731=3.688Kg

需要氣體氧為：3.688×0.5=1.844Kg

氧的利用率按85%計算，得出在熔化期和氧化期必須供給氣體的氧：1.844/0.85=2.169Kg

或是工業(yè)氧：2.169/0.98=2.213Kg；或2.213×22.4/32=1.549Kg

由氧氣帶入的氮氣將近2%，即：2.213×0.02=0.044Kg

為進行氧化反應采用空氣中氧量為：

3.688×0.5=1.844Kg或1.844×22.4/32=1.291Kg

伴隨氧氣還有氮氣1.844×77/23=6.173Kg或1.291×79/21=4.857Kg

空氣的體積為：1.291+4.857=6.148m3

空氣的重量：1.844+6.173=8.017Kg

加熱石灰分解出：

CO2：(2.5+2.253)×0.002=0.01Kg

H2O：(2.5+2.253)×0.002=0.01Kg

在加熱礦石時分解出H2O：1.00×0.007=0.007Kg

由空氣中帶入的水分：

V=66.148×(273+20)/273×760/(760－12.25)=6.701m3

在P＝12.25mm，露點t靠近14℃，在空氣中小蒸汽的重量：

Ｗ=0.29×12.25/(273+14)=0.012Kg

由空氣中帶入的水分：0.012×6.68=0.08Kg

總的小蒸汽：0.01+0.007+0.08=0.097Kg

水蒸氣被CO按下式還原H2O+O＝H2+CO2

由此生成H2：0.097×2/18=0.011Kg

需CO：0.097×28/18=0.155Kg

生成CO2：0.151×44/18=0.237Kg

在熔化期和氧化期消耗氣態(tài)氧2.169Kg，由這個數(shù)量當中逸入到爐氣中15%或2.169×0.15=0.325Kg

游離氧按下式氧化CO生成CO2CO+1/2O2=CO2

生成CO2：0.325×44/16=0.891Kg

為此需CO：0.891－0.325=0.566Kg

表3.10第一期氣體綜合表

表3.11第一期物料平衡(Kg)

支出

收入

廢鋼

98.2

金屬

96.49

焦碳

1.8

爐渣

9.422

鐵礦石

1.00

爐氣

10.5

石灰

（2.53+2.253）=4.753

揮發(fā)鐵

2.36

電極

1.05

焦碳硫揮發(fā)

0.126

鎂砂

1.05

誤差

（0.638）0.5%

耐火磚

0.587

空氣

8.097

氣態(tài)氧

2.213

總計

118.26

118.26

電弧爐冶煉熱平衡

冶煉一噸鋼的熔煉周期由兩部分組成，即電的熔化升溫時間和斷電的輔助操作時間，熔化時間與爐子的單位變壓器容量有關。

冶煉過程中的熱收入計算

(1)計算由原料帶入的熱量為確定原料的消耗，物料平衡數(shù)值增大500倍。

按下式確定空氣的熱容：C0t=(6.58+0.00053t)/28.95=0.23Kcal/Kg

其它材料熱容取自熱容表，原料的熱量按公式：Q=cmtKcal計算得出

表3.12由原料帶入的熱量

(2)由放熱反應得到的熱量：

氧化電極與焦碳中的碳：

被氧化生成CO2的C量為：0.24×500=120Kg

放出的熱量：8137×120=976440Kcal

被氧化生成CO的C的量為：(0.431+0.1078+0.334)×500=436.4Kg

由此放出的熱量：436.4×245.2=107005.3Kcal

硅的氧化：

按反映Si+2FeO=SiO2+2Fe△H=－5790cal/mol.

或1KgSi—2707Kcal

氧化硅的量為：(0.244+0.105)×500=174.5Kg

放出的熱量：520×174.5=472371.5Kcal

錳的氧化：

反應為Mn+FeO=Mn+Fe△H=－28600cal/mol

或1KgMn—520Kcal

氧化的錳量為：（0.25+0.0453）×500=147.65Kg

放出的熱量：500×147.65=76778.0Kcal

磷的氧化：

反應2P+5FeO=P2O5+5Fe△H=－35835cal/mol

或1KgP—578Kcal

被氧化的磷量：（0.018+0.002）×500=10.0Kg

放出的熱量：578×10.0=5780Kcal

鐵的氧化：

按反應4/3Fe+O2=2/3Fe2O3△H=－130133cal

或1KgFe—1742Kcal

氧化的鐵量為：1.969×88%×500=866.36

放出的熱量為：1472×866.36=1509199.1Kcal

按反應2Fe+O2=2FeO△H=－129000cal

或1KgFe—1151Kcal

氧化的鐵量：(1.96×12%+2.439)×500=1337.64Kg

放出的熱量：1151×1337.64=1538623.6Kcal

成渣反應放出的熱量：

按反應2CaO+SiO2=2CaO·SiO2△H=－33200Kcal

或1KgSiO2—553Kcal

爐渣中含有SiO2(1.095×0.75+0.6467×0.5)×500=706.6Kg

放出的熱量：553×706.6=390749.8Kcal

按反應4CaO+P2O5=4CaO·P2O5△H=－160700cal

或1KgP2O5—1131Kcal

爐渣中含有P2O5(0.045×75%+0.034)×500=33.88Kg

放出的熱量：1131×33.88=38318.3Kcal

由以上計算可知：

所有反應放出熱量之和為：∑1=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5+Q6=5115265.60Kcal

總的熱收入為：（出去電能）

∑=5115265.60+4464480.7=95797446.3Kcal

冶煉過程熱量的支出

鋼液的含熱量：

出鋼量：96.542×500=48271Kg

本鋼種鋼熔點為：1450℃，出鋼時鋼液溫度1600℃

需熱量：48271[0.167×1450+68+0.21（1600－1450）]=16323804.07Kcal

式中：0.167——為鋼的熱容Kcal/Kg℃

68——鋼的熔化潛熱Kcal/Kg℃

0.2——鋼液熱容Kcal/Kg℃

鋼渣的含熱量：

熔化期爐渣含熱量：

熔化后扒渣5.576×0.7×500=1951.6Kg

爐渣溫度為1500℃

熱容為Cf=0.175+0.00007t=0.28Kcal/Kg℃

爐渣潛熱為：50Kcal/Kg

扒渣時，渣帶走熱量：1951.6（0.28×1500+50）=917252.0Kcal

氧化期渣的含熱量：

渣量：6.254×500=31270Kg

渣溫：1650℃

熱量：CA=0.2905Kcal/Kg℃

帶走熱量Q=3127.0（1650×0.2905+50）=1655199.3Kcal

廢氣帶走熱量：（廢氣平均溫度1200℃）

表3.13廢氣帶走熱量

吸熱反應消耗的熱量：

鋼液脫碳反應：（FeO）+[C]=[Fe]+CO1Kg—1492Kcal

脫碳量：0.334×520=167.0Kg

耗熱量：167×1492=249164K