第2章炼钢过程的物料平衡和热平衡计算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定量依据。

由于炼钢是一个复杂的高温物理化学变化过程，加上测试手段有限，目前还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。

2.1物料平衡计算2.1.1 计算原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及其成分，铁水和废钢的成分，终点钢水成分（见表2.1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（见表2.2）：脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表2.3）；其他工艺参数（表2.4）。

表2-1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值表2-2 原材料成分表2.3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母）2表2.4 其他工艺参数设定值2.1.2 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。

2.1.3 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、炉衬蚀损和计入溶剂的成渣量。

其各项成渣量分别列于表2.5、2.6和2.7。

总渣量及其成分列于表2.8中。

第二步:计算氧气消耗量。

氧气实际耗量系消耗项目与供入项目之差。

见表2.9。

表2.5 铁水中元素的氧化产物及其渣量表2.6 炉衬蚀损的成渣量表2.7 加入溶剂的成渣量①石灰加入量计算如下：由表4.6～4.8可知，渣中已含=-0.026+0.004+0.002+0.910=0.890㎏；渣中已含(SiO2)=1.071+0.009+0.028+0.020=1.128㎏。

因设定的终渣碱度R=3.5；故石灰的加入量为：[RΣω(SiO2)- Σω(CaO)]/ [ω(CaO石灰)-R×ω(SiO2石灰)]=3.95/(88.66%-3.5×2.70%)=4.99kg②(石灰中CaO含量)-(石灰中S→CaS消耗的CaO量)。

③由CaO还原出来的氧量，计算方法同表2-6的注。

表2.8 总渣量及其成分235.996+1.704+1.029+0.112+0.497+0.440+0.416+0.041=9.249Kg，而终渣Σω(FeO)=15%(表2.4)，故总渣量为10.235÷86.75%=10.681Kg。

②ω(FeO)=10.681×8.25%=0.881Kg。

③ω(Fe 2O 3)=10.681×5%-0.040-0.005-0.008=0.481Kg 。

表2.9 实际耗氧量2 第三步：计算炉气量及其成分。

炉气中含有CO 、CO 2、N 2、SO 2和H 2O 。

其中CO 、CO 2、SO 2和H 2O 可由表2.5～2.7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 ∑：3g 961.750.98324.22002.0093.87.0864.79950.98Vx -Gs 7.0V 99V )Vx 0.5%V Gs 324.22(9910.5%V Vg V m =÷⨯-⨯+⨯=+=-+++=∑∑∑∑）（式中 V g —CO 、CO 2、SO 2和H 2O 各组分总体积，m ³。

本设计中，其值为6.598 ×22.4/28+2.310×22.4/44+0.020×22.4/64+0.011×22.4/18=7.864m ³；G S —不计自由氧的氧气消耗量，Kg 。

其值为：7.691+0.062+0.34=8.093Kg ；V X —石灰中的S 与CaO 反应还原出的氧气量（其质量为：0.001Kg ）； 99—由氧气纯度99%转换得来；0.5%—炉气中自由氧含量。

表2.10 炉气量及其成分① 炉气中O 2的体积为6.617×0.5%=0.033m ³；质量为0.033×32/22.4=0.047kg 。

② 炉气中N 2的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.046×28/22.4=0.058 kg 。

第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。

钢水量Q g =铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅、和渣中的铁损()[]944.90%6798.111160112%207256%7550.133.6100=⨯++⨯+⨯⨯--=据此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表2.11。

2.11 未加废钢时的物料平衡表表2.12 废钢中元素的氧化量及其成渣量如同“第一步”计算铁水中元素氧化量一样，利用表2.1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2.12），再将其与表2.11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表2.13和表2.14.表2.13 加入废钢的物料平衡表(以100Kg铁水为基础)表2.14 加入废钢的物料平衡表（以100Kg（铁水+废钢）为基础）先根据钢种成分设定值（表2.1）和铁合金成分及其烧损率（表2.3）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2.14归类合并，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。

锰铁加入量Mn W 为：[][]钢水量回收率锰铁含锰量终点钢种⨯⨯-=Mn Mn Mn W Mn ωω=g 51.043.91%80%80.67%255.0%55.0K =⨯⨯-硅铁加入量Si W 为：[][][]回收率含量硅加锰铁后的钢水量钢种Si Si 铁中Si )Si Si (ne 终点Si ⨯-⨯-=M F ωωW ω=kg 38.0%75%00.73002.0)41.043.91(%25.0=⨯-+⨯）（铁合金中元素的烧损量和产物量列于表2.15表2.15 铁合金中元素烧损量及其产物量脱氧和合金化后的钢水成分如下：%13.0%10014.92030.0%10.0)C (=⨯+=（ω %23.0%10014.92208.0002.0Si)(=⨯+=）（ω%55.0%10014.92002.0277.0%25.0Mn)(=⨯++=）（ω%016.0%10014.92001.0%015.0P)(=⨯+=）（ω %021.0%10014.92001.0%02.0S)(=⨯+=）（ω 可见，含碳量尚未达到设定值。

为此需要在钢包内加焦炭粉增碳。

其加入量W 1为:Kg Wj 06.0%75%50.8114.92%04.0(%)C (%)C 0.14)%-(0.18=⨯⨯=⨯⨯=回收率量焦炭含钢水量刚水量焦粉生成的产物如下：表2.16 总物料平衡表①可近似认为(0.102+0.016)的氧量系出钢水时二次氧化所带入的氧量。

2.2热平衡计算2.2.1 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2.17）；物料平均热容（表2.18）；反应热效应（表2.19）；溶入铁水中的元素对铁熔点的影响（表2.20）。

其他数据参照物料平衡选取。

表2.17 入炉料及产物的温度设定值【3】纯铁熔点为1536℃表2.18 物料平均热容2.2.2 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(见表2.17、2.2和2.19)计算铁水熔点T t ，然后由铁水温度和生铁热容(见表2.17和表2.18)确定Q w 。

表2.20 溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值℃10966)25025.0302.0575.085.01002.4(1536=-⨯+⨯+⨯+⨯+⨯-=t T ()()[]KJ Q w 00.11450010961250837.0218251096745.0100=-⨯++-⨯⨯=(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(见表2.29)可以计算出，其结果列于表2.21中。

表2.21 元素氧化热和成渣热c ()KJ Q c 35.50756460160112%2042507256%755.1=⨯⨯+⨯⨯⨯=(4) 炉衬中碳的氧化热Q 1：根据炉衬侵蚀量和含碳量确定。

KJ Q l 25.58634834%10%143.011639%90%143.0=⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=故热收入总值为：KJ Q Q Q Q Q l c y w s 26.208009=+++=第二步：计算热支出项Q z 。

热支出项包括：钢水物理热；炉渣物理热；炉尘物理热；炉气物理热；渣中铁珠物理热；喷溅物(金属)物理热；轻烧白云石物理热；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℃，后者约为3～6℃/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。

()℃1523625002.030015.0525.06510.01536=-⨯+⨯+⨯+⨯-=g T（式中，0.60、0.50、0.020和0.021分别为终点钢水中C 、Mn 、P 和S 的含量。

）℃16937050501523=+++=z T（式中，50、50和70分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后包括精炼处理等过程中的温降和过热度。

）()()[]KJ Q g 90.13558615201693837.0272251523699.0614.92=-⨯++-⨯⨯=(2) 炉渣物理热Q r ：令终渣温度与钢水温度相同，则得：()[]KJ Q r 58.24466209251693248.1681.10=+-⨯⨯=(3) 炉衬、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热Q x 。

根据其数量、相应的温度和热容确定。

祥见表2.22。

表2.22 某些物料的物理热b()KJ Q b 10.24371405%60.251690%40.365.2=⨯+⨯⨯=(5) 热损失Q q ：其他热损失带走的热量一般占总热收入的3%～8%。

本计算取5%，则得KJ Q q 46.10400%526.208009=⨯=(6) 废钢吸热Q f ：用于加热废钢的热量系剩余热量，即KJ Q Q Q Q Q Q Q q b x r g s f 75.20016=-----=故废钢加入量W f 为：()()[]{}KgW f 70.1315231693837.0272251523699.0175.20016=-⨯++-⨯⨯÷=即废钢比为：%05.12%10070.1310070.13=⨯+热效率%57.86%100=⨯++=热收入总量废钢吸热炉渣物理热铁水物理热η若不计算炉渣带走的热量时： 热效率%81.74%100=⨯+=热收入总量废钢吸热铁水物理热η表2.23 热平衡表对转炉用一般生铁冶炼低碳钢来说，所用铁合金种类有限，加入数量也不多。