炼钢过程中的物料平衡与热平衡计算炼钢过程的物料平衡与热平衡计算炼钢过程的物料平衡与热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上。

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，由于炼钢系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。

本章主要结合实例阐述氧气顶吹转炉和电弧炉氧化法炼钢过程物料平衡和热平衡计算的基本步骤和方法，同时列出一些供计算用的原始参考数据。

1.1 物料平衡计算（1）计算所需原始数据。

基本原始数据有：冶炼钢种及其成分（表1）；金属料—铁水和废钢的成分（表1）；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）；其它工艺参数（表4）.表1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值①本计算设定的冶炼钢种为H15Mn。

②[C]和[Si]按实际生产情况选取；[Mn]、[P]和[S]分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在钢水中设定。

表2 原材料成分表3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母）①10%C与氧生产CO2表4 其它工艺参数设定值（2）物料平衡基本项目。

收入项有：铁水、废钢、溶剂(石灰、萤石、轻烧白云石)、氧气、炉衬蚀损、铁合金。

支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。

（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、6和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，详见表9。

表5 铁水中元素的氧化产物及其成渣量①由CaO还原出的氧量，消耗的CaO量=0.013×56/32=0.023kg表6 炉衬蚀损的成渣量表7 加入溶剂的成渣量石灰加入量计算如下：由表5~7可知，渣中已含(CaO)= -0.455+0.004+0.002+0.910=0.461kg;渣中已含(SiO2)=0.857+0.009+0.028+0.022=0.914kg.因设定的终渣碱度R=3.5；故石灰加入量为: [R∑w(SiO2)－∑w(CaO)]/[w(CaOR×w(SiO2石灰)]= 2.738/（88.00%－3.5×2.50%）=3.45kg石灰)－②为(石灰中CaO含量)—（石灰中S→CaS自耗的CaO量）。

②由CaO还原出的氧量，计算方法同表5之注。

表8 总渣量及其成分总渣量计算如下：因为表8中除(FeO)和(Fe 2O 3)以外的渣量为：5.965+1.700+1.102+0.124+0.615+0.440+0.540+0.038=7.100kg,而终渣∑w(FeO)=15%(表4-4)，故总渣量为7.1/86.75%=8.184kg ③ w(FeO)=8.184×8.25%=0.675kg.④ w(Fe 2O 3)=8.184×5%—0.017—0.005—0.008=0.379kg.表9 实际耗氧量①为炉气中N 2之重量，详见表10 第三步：计算炉气量及其成分。

炉气中含有CO 、CO 2、O 2、N 2、SO 2和H 2O 。

其中CO 、CO 2、SO 2和H 2O 可由表4-5~4-7查得，O 2和N 2则由炉气总体积来确定。

现计算如下。

炉气总体积V ∑：g s x 122.40.5%G 0.5%9932V V V V V ∑∑∑⎛⎫=+++-⎪⎝⎭V ∑ =990.7 98.50g s xV G V +-=998.6190.78.1860.00222.4/3298.50⨯+⨯-⨯ =8.721 m 3式中V g —CO 、CO 2、SO 2和H 2O 诸组分之总体积，m 3。

本计算中，其值为8.950×22.4/28+2.837×22.4/44+0.002×22.4/64+0.011×22.4/18=8.619 m 3G—不计自由氧的氧气消耗量，kg。

本计算中，其值为7.851+0.062+0.23=8.619 m3（见表S9）；V—铁水与石灰中的S与CaO反应还原出的氧量，m3。

本计算中，其值为0.002kg(见表9) X0.5%—炉气中自由氧含量，m3；99—由氧气纯度为99%转换得来。

计算结果列于表10表10 炉气量及其成分①炉气中O2体积为8.384×0.5%=0.042 m3 ；质量为0.042×32/22.4=0.062 kg。

②炉气中N2的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.052×28/22.4=0.065kg。

第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。

=铁水量—铁水中元素的氧化量—烟尘、喷溅和渣中的铁损钢水量Qg=100-5.699-﹝1.00×（75%×56/72+20%×112/160）+1+8.184×6%﹞=91.725kg据此可以编制脱氧和合金化前的物料平衡表（表11）。

表11 未加废钢时的物料平衡表注:计算误差为（114.25—114.34）/114.25×100%= －0.010%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 废钢中元素的氧化产物及其成渣量表13 加入废钢的物料平衡表（以100kg铁水为基础）注:计算误差为（125.238—125.358）/125.238×100%= —0.1%表14 加入废钢的物料平衡表（以100kg(铁水+废钢)为基础）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）和铁合金成分及其烧损率（表3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。

将所得结果与表14归类合并，既得冶炼一炉钢的总物料平衡表。

锰铁加入量W Mn为：W Mn =[][]w Mn w Mnn nM M-⨯钢种终点锰铁含量回收率×钢水量=0.95%0.21%67.80%80%-⨯×92.02=1.255kg硅铁加入量W Si为：W Si=[][][]FeMn (w Si w Si)SiSi Si-⨯⨯钢种终点加锰铁后的钢水量-硅铁含量回收率=()0.03%92.021.0760.00573.00%75%⨯+-⨯=0.042kg铁合金中元素的烧损量和产物量列于表15。

表15 铁合金中元素烧损量及产物量①可以忽略脱氧和合金化后的钢水成分如下：w(C)=0.08%+0.07593.129×100%=16%w(Si)=0.0050.02393.129+×100%=0.03%w(Mn)=0.210%+0.6810.000293.129+×100%=0.94%w(P)=0.019%+0.00393.129×100%=0.022%w(S)=0.016%+0.00293.129×100%=0.018%可见，含碳量尚未达到设定值。

为此需在钢包内加焦粉增碳。

其加入量W1为W 1 =()0.170.16%C C-⨯⨯钢水量焦炭含量回收率=0.01%93.12981.50%75%⨯⨯=0.015kg焦炭生成的产物如下：①CO2、H2O和挥发份之总和（未计挥发份燃烧的影响）由此可得冶炼过程（即脱氧和合金化后）的总物料平衡表16表16 总物料平衡表注：计算误差为（114.21—114.28）/114.21×100%= —0.1%①可以近视认为（0.082+0.008）的氧量系出钢水二次氧化所带入。

1.2 热平衡计算（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）。

其它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①纯铁熔点为1536℃表18 物料平均热容表19 炼钢温度下的反应热效应}表20 溶入铁中的元素对铁熔点的降低值（2）计算步骤。

以100kg 铁水为基础。

第一步：计算热收入Q s 。

热收入项包括：铁水物理热；元素氧化热及成渣热；烟尘氧化热；炉衬中碳的氧化热。

（1）铁水物理热Q w ：先根据纯铁熔点、铁水成分以及溶入元素对铁熔点的降低值（表17、1和20）计算铁水熔点T t ，然后由铁水温度和生铁比热（表17和18）确定Q w 。

T t =1536－（4.2×100+0.4×8+0.45×5+0.12×30+0.06×25）－6＝1099.45℃ Q w ＝100×〔0.745×（1082－25）+218+0.837×（1300－1082）〕＝118632.56KJ（2）元素氧化热及成渣热Q y ：由铁水中元素氧化量和反应热效应（表19）可以算出，其结果列于表21。

表21 元素氧化热和成渣热（3）烟尘氧化热Q c ：由表4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。

Q C =1.5×(75%×56/72×4250+20%×112/160×6460)=5075.35KJ （4）炉衬中碳的氧化热Q I :根据炉衬蚀损量及其含碳量确定。

I =0.314%90%11639+0.314%10%34834=586.25KJQ⨯⨯⨯⨯⨯⨯故热收入总值为 :QS=Q W+Q Y+Q C+Q I=227582.40KJ第二步：计算热支出Q Z。

热支出项包括：钢水物理热；炉渣物理热；烟尘物理热；炉气物理热；渣中铁珠物理热；喷溅物（金属）物理热；轻烧白云石分解热；热损失；废钢吸热。

（1）钢水物理热Q g：先按求铁水熔点的方法确定钢水熔点T g;再根据出钢和镇静时的实际温降（通常前者为40~60℃，后者约3~5℃/min，具体时间与盛钢桶大小和浇注条件有关）以及要求的过热度（一般为50~90℃）确定出钢温度T z;最后由钢水量和热容算出物理热。

Tg=1536－(0.10×65+0.18×5+0.020×30+0.021×25) －6=1520℃(式中：0.08、0.21、0.019和0.016分别为终点钢水C、Mn、P和S的含量)Tz=1520+50+50+70=1690℃（式中，50、50和70分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后处理过程中的温降和过热度）Qg=91.725×[0.699×(1520－25)+272+0.837×(1690－1520)]=133853.834KJ（2）炉渣物理热Q r：令终渣温度与钢水温度相同，则得：Qr=8.184×[1.248×(1690－25)+209]=18716.153KJ（3）炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热Q x。