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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1-1-11.1.2原材料成分表1-1-2 原材料成分2表铁水成分与温度2-1-1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2-1-331.1.4平均比热表1-1-41.1.5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。
第二章、转炉物料平衡和热平衡计算1、低磷生铁吹炼（单渣法）一、原始数据（一）铁水成分及温度（二）原材料成分（三）冶炼钢种及成分（四）平均比热(五)冷却剂用废钢做冷却剂，其成分与冶炼钢种中限相同。
（六）反应热效应反应热效应通常采用25℃为参考温度，比较常用的反应数据见表2-1-5（七）根据国内转炉实测数据选取1、渣中铁珠量为渣量的2.5%；2、金属中[C]假定85%氧化成CO，15%氧化成CO2；3、喷溅铁损为铁水量的0.3%；4、取炉气平均温度1450℃,自由氧含量0.5%，烟尘量为铁水量的1.8%，其中FeO=75%，Fe203=22%；5、炉衬侵蚀量为铁水量的0.15%；6、氧气成分为98.9% O2，1.5% N2。
根据铁水成分，渣料质量，采用单渣不留渣操作。
先以100公斤铁水为计算基础。
（一）炉渣及其成分的计算1、铁水中各元素氧化量表2-1-6成分，kgC Si Mn P S 合计项目铁水 4.36 0.57 0.62 0.07 0.05终点钢水0.13 痕迹0.13 0.008 0.019氧化量 4.23 0.57 0.49 0.062 0.031 5.308 [C]：取终点钢水含碳量0.15%；[Si]：在碱性氧气转炉炼钢中，铁水中的Si几乎全部被氧化；[Mn]：顶底复吹转炉残锰量取60%；[P]：采用低磷铁水吹炼，铁水中磷90%进入炉渣，10%留在钢中；[S]：氧气转炉去硫率不高，取40%。
2、各元素氧化量，耗氧量及其氧化产物量见表2-1-73、造渣剂成分及数量根据国内同类转炉有关数据选取1）矿石加入量及成分矿石加入量为1.00公斤/100公斤铁水，成分及重量见表2-1-82）萤石加入量及成分萤石加入量为0.30kg/kg铁水，其成分及重量见表2-1-93）炉衬侵蚀量为0.200公斤/100公斤铁水，其成分及重量见2-1-104）生白云石加入量及成分加入的白云石后，须保证渣中（MgO）含量在6—8%之间，经试算后取轻烧白云石加入量为1.2公斤/100公斤铁水。
转炉炼钢物料平衡和热平衡计算模板- 第二章、转炉物料平衡和热平衡计算1、低磷生铁吹炼(单渣法)一、原始数据(一)铁水成分及温度表2-1-1成分 C Si Mn P S 温度 ?% 4.36 o.57 0. 62 0.07 0.05 1300 (二)原材料成分表2-1-2烧合计成分% CaO SiO MgO AlO S P CaF FeO FeO HO C 2232232减 % 种类100 91(08 1(66 1(54 1(22 0(06 4(44 石灰100 1(00 5(61 0(52 1(10 0(07 29(4 61(8 0(50 矿石100 6(00 0(58 1(78 0(09 0(55 89(00 2(00 萤石10 8 53(04 0(48 34(94 0(74 白云石100 1(40 2(60 85(00 11(00 炉衬(三)冶炼钢种及成分表2-1-3成分 C Si Mn P S % 0.12—0.20 0.20—0.55 1.20—1.60 ?0.045 ?0.045 (四)平均比热表2-1-4项目固态平均比热kcal/kg.? 熔化潜热kcal/kg 液态或气态平均比热kcal/kg.?生铁 0.178 52 0.20 钢 0.167 65 0.20 炉渣 50 0.298 烟尘 0.238 50 矿石炉气:CO 0.349 CO 0.558 2SO 0.555 2O 0.356 2N 0.346 2HO 0.439 2(五)冷却剂用废钢做冷却剂，其成分与冶炼钢种中限相同。
(六)反应热效应1反应热效应通常采用25?为参考温度，比较常用的反应数据见表2-1-5 (七)根据国内转炉实测数据选取1、渣中铁珠量为渣量的2.5%;2、金属中[C]假定85%氧化成CO，15%氧化成CO; 23、喷溅铁损为铁水量的0.3%;4、取炉气平均温度1450?,自由氧含量0.5%，烟尘量为铁水量的1.8%，其中FeO=75%，Fe0=22%; 235、炉衬侵蚀量为铁水量的0.15%;6、氧气成分为98.9% O，1.5% N。
第1章转炉物料平衡与热平衡计算物料平衡是计算转炉炼钢过程中加入炉内与参与炼钢的全部物料（如铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料、合金添加剂、被侵蚀的炉衬等）和炼钢过程的产物（如钢水、炉渣、炉气、烟尘等）之间的平衡关系。
热平衡是计算转炉炼钢过程的热量收入（如铁水物理热、化学热）和热量支出（如钢水、炉渣、炉气的物理热、冷却剂溶化和分解热）之间的平衡关系。
1.1 原始数据的选取1.1.1 原材料成分原材料成分见表1.1~表1.4。
表1.1 铁水、废钢成分（%）原料 C Si Mn P S 温度/℃铁水 4.2 0.5 0.55 0.12 0.04 1300 废钢0.20 0.25 0.55 0.030 0.030 25表1.2 渣料和炉衬材料成分（%）种类CaO SiO2MgO Al2O3S P CaF2FeO Fe2O3烧减H2O C 石灰88 2.5 2.6 1.5 0.06 5.34矿石 1.0 5.61 0.52 1.10 0.07 46.2 45.0 0.50萤石 6.0 0.58 1.88 0.09 0.55 88.0 2.00白云石55.0 3.0 33.0 3.0 1.0 5.0炉衬52.0 2.0 40.0 1.0 5.0表1.3 各材料的热容项目固态平均热容/kJ·kg-1·K-1熔化潜热/kJ·kg-1液（气）态平均热/kJ·kg-1·K-1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1.4 反应热效应（25℃）元素反应反应热/kJ·kg-1元素[C]+1/2O2=CO10950C[C]+O2=CO234520Si [Si]+O2=SiO228314P 2[P]+5/2O2=P2O518923Mn [Mn]+1/2O2=MnO 7020[Fe]+1/2O2=FeO 5020Fe[Fe]+3/2O2=Fe2O36670SiO2SiO2+2CaO=2CaOSiO22070P2O5P2O5+4CaO=4CaO P2O550201.1.2 假设条件根据各类转炉生产实际过程假设：（1）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wFeO为77%，wFe2O3=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%氧气，1.5%氮气。
第一部分转炉物料平衡和热平衡计算（一）原始数据（收集或给定）一、铁水成分和温度表1-1刚中[Ｐ、Ｓ]影响渣质,喷溅和炉容比,[Si]影响炼铁焦比和转炉废钢加入量(目前要求[Si]<0.80%)二、原材料成分（参[2] 、[4]、规程及[6]166）表1-2三、冶炼钢种和废钢成分表1-3四、平均比热表1-4五、反应热效率（认为25℃与炼铁温度下两者数值近似）表1-5*参氧气转换炉炼钢原理（美）,冶金工业出版社74年版75页六、有关参数的选用1、渣中铁珠占渣重的8%；2、金属中90%[C] →CO 10%[C]→CO2;3、喷溅铁损占铁水量的1%；4、炉气平均温度1450℃；含自愿氧0.5%；烟尘量占铁水量的1.6% 其中有77%FeO和20%Fe2O3;(作课程设计时刻改为；烟尘量占铁水量的1.16%。
参[4]31)5、炉衬侵蚀占铁水量的0.5%；6、氧气成分为98.5%O2和1.5%N；（作课程设计时可改为：99.5%O2和0.5%N2，参[4]31）。
（二）物料平衡计算由铁水成分冶炼钢种可选用单渣发不留渣的操作。
为简化计算，物料平衡以100kg铁水为计算基础。
一、炉渣量及炉渣成分的计算炉渣来自元素的氧化，造渣材料和炉衬侵蚀等。
1.铁水中各元素的氧化量%表1-6说明：[Si]——碱性渣操作时终点[Si]量为痕迹；[P]——单渣发去磷约90%（±5%）；[Mn]——终点余锰量约30~40%，这里实测为30%；[S]——转炉去硫约30~50%，这里取40%；[C]——终点碳与钢种及磷量有关，要求出钢后加铁合金增碳的量能满足钢的规格中限，即：[C]终点=[C]中限—[C]增碳这里取[C]终=0.15%,可满足去磷保碳与增碳两个条件。
2、铁水中各元素的氧化量，耗氧量和氧化产物量的计算。
表1-73.造渣剂成分及数量：（选自国内有关生产炉）1）矿石成分及重量的计算（1.0kg矿石/100kg铁水）表1-8S*:反应式为[S]+( CaO)= (CaS)+[O]其中：(CaS)重为0.001×7232=0.002[㎏][S]消耗（CaO) 重为0.001×5632=0.002[㎏][O]微量，可不计。
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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原始数据表 1-1-1表1-1-2原材料成分表2-1-1铁水成分与温度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2-1-31-1-4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）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 C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。
转炉物料平衡与热平衡计算简介转炉是冶金行业中常见的设备之一，主要用于高炉炼铁的后续工序。
转炉的工作原理是利用高温将铁水中的杂质进行氧化还原反应，从而得到高纯度的钢水。
为了确保炉内反应的正常进行，需进行物料平衡和热平衡的计算。
本文将介绍转炉物料平衡和热平衡的计算方法，并给出一个示例，以帮助读者更好地理解。
转炉物料平衡计算方法转炉物料平衡是指通过对转炉输入和输出物料的数量进行统计，计算转炉内的物料平衡情况。
物料平衡计算的基本原理是质量守恒定律，即输入物料的总质量必须等于输出物料的总质量。
物料平衡计算的步骤如下：1.确定转炉的输入物料，包括铁水、矿石、废钢等。
2.统计输入物料的质量。
3.确定转炉的输出物料，包括钢水、废气、炉渣等。
4.统计输出物料的质量。
5.比较输入物料的总质量和输出物料的总质量，若两者相等，则物料平衡成立；若不相等，则存在物料的损失或增加。
下面以一个具体的例子来说明转炉物料平衡的计算过程。
假设一个转炉的输入物料包括1000kg的铁水、200kg的矿石和100kg的废钢。
经过转炉反应后，得到800kg的钢水、400kg的废气和100kg的炉渣。
通过统计计算，我们可以得到输入物料的总质量为1000kg + 200kg + 100kg = 1300kg，输出物料的总质量为800kg + 400kg + 100kg = 1300kg。
两者相等，说明物料平衡成立。
转炉热平衡计算方法转炉热平衡是指通过对转炉内的能量输入和输出进行统计，计算转炉的热平衡情况。
热平衡计算的基本原理是能量守恒定律，即输入能量的总量必须等于输出能量的总量。
热平衡计算的步骤如下：1.确定转炉的输入能量，包括燃料的热值、还原剂的热值等。
2.统计输入能量的总量。
3.确定转炉的输出能量，包括钢水的热值、废气的热值等。
4.统计输出能量的总量。
5.比较输入能量的总量和输出能量的总量，若两者相等，则热平衡成立；若不相等，则存在能量的损失或增加。
顶底复吹转炉炼钢的物料平衡和热平衡计算1 物料平衡计算1.1 计算原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及成分、铁水和废铁的成分、终点钢水成分；造渣用溶剂及炉衬等原材料成分；脱氧和合金化用铁合金的成分及回收率；其他工艺参数。
1.1.2物料平衡的基本项目收入项有：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。
1.1.3 计算步骤以100㎏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，炉衬腐蚀和加入溶剂的成渣量。
其各项成渣量分别列于表5-5~表5-7。
总渣量及成分如表5-8所示：①由CaO还原出的氧量；消耗CaO量=0.02×56/32=0.035㎏。
SiO 2=1.710+0.009+0.028+0.020=1.767㎏；因设定终渣碱度R=3.5，故石灰加入量为：5.285/(88.0%-3.5×2.50%)=6.67㎏②.石灰加入量=(石灰中CaO 含量）-（石灰中S →CaS 自耗的CaO 量）①.表中除(FeO)和(Fe2O3)以外的总渣量为6.779+1.934+1.052+0.137+0.452+0.440+0.422+0.031=11.238㎏，而终渣Σω(FeO)=15%(表5-4)，故总渣量为11.238/86.75%=12.955㎏。
②.ω(FeO)=12.910×8.25%=1.069㎏ ω(Fe2O3)=12.910×5%-0.033-0.005-0.008=0.602㎏第二步：计算氧气消耗量。
氧气的实际消耗量系消耗项目与供入项目之差。
见表5-9第三步：计算炉气量及其成分。
炉气中含有CO 、CO2、N2、SO2和H2O.其中CO 、CO2、SO2和H2O 可由表7-5~表7-7查得，O2和N2则由炉气总体积来确定。
现计算如下：炉气总体积V ΣV ∑=g V +0.5%V ∑+991 (%5.0324.22+s G V ∑－x V )=5.9832/4.22007.010.77.0998.79950.987.099⨯-⨯+⨯=-+Vx Gs Vg =8.089 m ³式中Vg ——CO 、CO2、SO2和H2O 各组分总体积，m ³。
资料来源：热动09-2班作业联盟转炉炼钢物料平衡与热平衡1.物料平衡：加入转炉的生铁成分含量:（选取100kg生铁）C:4.00% Si:1.30% Mn:1.00% P:0.06% S:0.05% 加入转炉铁水的温度1270°C，转炉炼钢必须练成含0.10%C的钢温度为1625°C。
（1）加入物料的损失计算：由转炉中金属含炭量与炉渣中FeO含量的关系曲线可知当金属中含0.10%C时炉渣中FeO含量为18.5%有炉渣中FeO与Mn总计50%，所以的含量为：50%-18.5%=31.5% 在金属池中温度为1625°C进行吹炼Si和Mn参加氧化还原反应。
Mn+FeO= MnO+Fe 反应的平衡常数K s Mn=[Mn][FeO]/[MnO] t=1625°C。
查表得K s Mn=0.097∴[ Mn]= [ MnO] K s Mn/[ FeO]=0.097*31.5/18.5=0.165%Si+2FeO=SiO2+2Fe 反应的平衡常数K s Si= [Si][FeO]2t=1625°C。
查表得K s Si=11.5∴[Si] =K s Si/[FeO]2=11.5/18.52=0.034%吹炼结果所得金属中下列成分含量：C:0.10% Mn:0.165% Si:0.034%由于炼钢液体钢的收得率为93%，（浸出物收得率E(%) ＝浸出物(kg)/ 投料总量（kg）×100%）各成分的损失：C：4.00-0.93×0.1=3.97kgMn：1.00-0.93×0.165=0.85kgSi：1.3-0.93×0.034=1.27kg由锰与氧化铁的还原反应铁的损失：Fe：Mn损×[ FeO]/[ MnO]=0.85×18.5/31.5=0.5 kg∴总的损失量为：M损=3.97+0.85+1.27+0.5=6.59（2）氧化还原反应消耗氧气量和产物的量：在不加入废钢和矿石时，约有1/9的C燃烧生成CO2氧的利用率为99%。
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1-1-11.1.2原材料成分. . ...v .. ..表1-1-2 原材料成分表2-1-1铁水成分与温度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BD 3钢考虑，其成分见表2-1-31.1.4平均比热表1-1-41.1.5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。
西安建筑科技大学冶金工程课程设计说明书240t氧气转炉设计学生姓名钱复友班级冶金0801 学号080840119 指导老师马杰冶金工程学院年月日西安建筑科技大学目录1转炉物料平衡与热平衡计算---------------------------------------------------------11.1原始数据选取---------------------------------------------------------------------11.2未加废钢和合金的物料平衡计算---------------------------------------------31.3热平衡计算-----------------------------------------------------------------------91.4加废钢和合金的物料平计算--------------------------------------------------12 2转炉炉型设计----------------------------------------------------------------------------152.1转炉炉型选择--------------------------------------------------------------------152.2转炉炉容比与高宽比-----------------------------------------------------------152.3转炉主要尺寸确定--------------------------------------------------------------152.4转炉炉体结构图-----------------------------------------------------------------18 参考文献-------------------------------------------------------------------------------------211 转炉物料平衡与热平衡计算物料平衡是计算转炉炼钢过程中加入炉内与参与炼钢的全部物料（如铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料、合金添加剂、被侵蚀的炉衬等）和炼钢过程的产物（如钢水、炉渣、炉气、烟尘等）之间的平衡关系。
摘要现代炼钢工艺较为普遍的流程有两种，长流程即以氧气转炉炼钢工艺为中心的钢铁联合企业生产流程和以电炉炼钢工艺为中心的小钢厂生产流程的短流程。
本设计为具有代表性的转炉炼钢工艺，预计年生产能力为420万吨。
本设计以转炉物料平衡和热平衡计算为基础，综合考虑成本最低化，对炼钢车间主要设备的参数进行了设计、选型，完成了主体设备选择、炼钢生产工艺设计、主厂房工艺布置和设备布置。
根据国内外转炉炼钢技术的发展趋势，结合设计任务书的需要，选择了LF 炉外精炼设备，进行全连铸生产。
最终确定如下的的工艺流程：铁水预处理→转炉炼钢→LF精炼→连铸。
关键词：转炉；炼钢；成本最低化；生产工艺；工艺流程ABSTRACTThere are two main steel-making processes in Modern steelmaking process.long process that is short of oxygen steelmaking processes to process-centric production of iron and steel enterprises in electric steelmaking processes and technology-centric small steel production process. This design is representative of the steelmaking process, the estimated annual production capacity of 4.2 million tons. The design of the converter material balance and heat balance calculations, based on a comprehensive consideration of the lowest cost, the main parameters of the steelmaking plant equipment has been designed, the selection, the completion of the main equipment selection, steel production process design, process layout and main plant equipment layout.Depending on the development trend of steel-making process .LF refining is selected to fulfill continuous casting. Finally,the following process flow is choosed: Pretreatment→Converter→LF→CCKeywords:converter；steel making；the lowest cost；production；process第1章文献综述1.1 我国钢铁工业现状及发展钢铁工业是国民经济的重要支柱性产业，它是一个国家的重工业基础，也是国民经济生产中重要组成部分。
转炉热量及物料平衡计算和年度物料计划一、转炉热量及物料平衡计算1 计算的原始数1) 金属料成分和温度。
表1为金属料成分和温度。
表1金属料成分和温度项目化学成分%温度℃C Si Mn P S铁水 4.10 0.65 0.40 0.105 0.025 1300 废钢0.15 0.25 0.6 0.020 0.020 25 2) 原料成分。
表2为原料成分。
表2 原料成分项目化学成分%烧减% CaO SiO2MgO FeO烧碱Fe2O3石灰90 0.55 3.5 5 2.5 矿石8 5.5 10 70 轻烧白云石51.5 3.0 30.5 46.5炉衬 2.0 2.0 85生白云石32 1.5 203) 终点渣成分。
表3为终点渣成分。
表3 终点渣成分化学成分%碱度FeO Fe2O3 MgO3.5 10 7 84) 冶炼终点。
钢种化学成分%温度℃C Si Mn P S终点0.08 0 0.15 0.020 0.020 1650 5) 其它计算的条件各物质的质量热容见表5，炼钢温度下的反应热效应见表6。
表5 铁、钢、炉渣、炉气和矿石的平均质量热容项目 固态平均质量热容kJ/(kg·℃) 熔化潜热 kJ/kg液态或气态平均质量热容 kJ/(kg·℃)铁水 0.745 218 0.837 钢水 0.669 272 0.837 炉渣 209 1.247 炉气1.141烟尘 209 0.996 矿石1.017209表6 炼钢温度下的反应热效应反应式△H kJ/kg)()(2CO21][气气=+O C11639 )(2)(2CO][气气=+O C34834)()(2MnO21]M [液气=+O n6594 )(2)(2SiO]S [液气=+O i29202 2P P2O5 18980P2O54CaOP2O54880 )(32)(2)(O Fe 232液气液=+O Fe 6460 )()(2)(FeO21液气液=+O Fe4250)(2)()(2SiOO C 2O C 2SiO固固固∙=+a a16206) 转炉冶炼的加料情况见表7。
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．原材料成分表表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%C0,10%C02；(4)烟尘量为铁水量的1.6%，其中烟尘中FeO=77%,FeO=20%；23(5)炉衬侵蚀量为铁水量的0.5%；(6)炉气温度取1450°C，炉气中自由氧含量为总炉气量的0.5%；(7)氧气成分：98.5%0,1.5%N。
180t氧气顶吹转炉物料平衡与热平衡计算1.1原始数据1）铁水成分及温度2）原材料成分3）冶炼钢种及成分4）平均比热容5）冷却剂用废钢做冷却剂，其它成分与冶炼钢种成分的中限皆同。
6）反应热效应（25℃）1974年，75页。
7）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8％；(2)金属中碳的氧化，其中90％的碳氧化成CO，10％的碳氧化成CO2；(3)喷溅铁损为铁水量的1％；(4)炉气和烟尘量，取炉气平均温度1450℃。
炉气中自由氧含量为0.5％。
烟尘量为铁水量的1.6％，其中FeO=77%, Fe2O3=20%;(5)炉衬侵蚀量为铁水量的0.5％；(6)氧气成分，98.5％O2、1.5％N2。
1.2 物料平衡计算根据铁水成分、原材料质量以及冶炼钢种，采用单渣不留渣操作。
为了简化计算，以100kg钢铁料为基础进行计算，取废钢比9.45%。
1）炉渣量及成分计算炉渣来自金属中元素的氧化产物、造渣剂及炉衬侵蚀等。
(1)铁水中各元素氧化量终点钢水据国内同类转炉冶炼Q235钢种的实际数据选取，其中：[Si]：在碱性氧气转炉炼钢法中，铁水中的硅几乎全部被氧化，随同加入的其它起进入炉渣中，所以终点钢水硅的含量为痕迹。
材料而带入的SiO2[P]：采用低磷铁水操作，炉料中磷约85～95%进入炉渣，本计算采用低磷铁水操作，取铁水中磷的90%进入炉渣，10%留在钢中，则终点钢水含P质量为0.150×10%=0.015kg。
[Mn]：终点钢水余锰含量，一般为铁水中锰的含量30～40％，取30％,则终点钢水含Mn质量为0.580×30%=0.170kg。
[S]：去硫率，一般为30～50％的范围，取40％，则终点钢水含S质量为0.037×60%=0.25kg。
[C]：终点钢水含碳量，根据冶炼钢种的含碳量和预估计脱氧剂等增碳量之差，则为终点含碳量。
本计算取0.15%。
铁水中各元素氧化量计算过程如下：(a):成分％ C铁水 4.25×90.55％＝3.848废钢 0.180×9.45％＝0.017终点钢水 0.150氧化量 3.848＋0.017－0.150=3.715(b):成分％ Si铁水 0.850×90.55％＝0.770废钢 0.20×9.45％＝0.019终点钢水痕迹氧化量 0.770＋0.019－0=0.789(c):成分％ Mn铁水 0.580×90.55％＝0.525废钢 0.520×9.45％＝0.049终点钢水 0.170氧化量 0.525＋0.049－0.170=0.404(d):成分％ P铁水 0.150×90.55％＝0.136废钢 0.022×9.45％＝0.002终点钢水 0.015氧化量 0.136＋0.002－0.015=0.123(e):成分％ S铁水 0.037×90.55％＝0.034废钢 0.025×9.45％＝0.002终点钢水 0.025氧化量 0.034＋0.002－0.025=0.011(2）各元素氧化量、耗氧量及其氧化产物量，见表1-7。
氧气转炉炼钢物料平衡计算与热平衡计算1物料平衡计算1.1计算原始数据基本原始数据铁水和废钢成分、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）；其他工艺参数（表4）表合金成分及其回收率2表其他工艺参数设定值1.2物料平衡基本项目：收入项目：收入量=铁水+废钢+溶剂+氧气+炉衬蚀损+合金支出项目：支出量=钢水+炉渣+烟尘+渣中铁珠+炉气+喷溅。
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，炉衬蚀损和加入溶剂的成渣量。
其各项成渣量分别列于表5 表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。
见表9.表铁水中元素的氧化产物及其成渣量表炉衬蚀损的成渣量石灰加入量计算如下：由表7-5—表7-7可知，渣中已含（CaO） =-0.014+0.004+0.002+0.910=0.902kg ;渣中已含（SiO2）=1.50+0.009+0.028+0.020=1.557kg。
因设定的终渣碱度 R=3.5 ,故石灰加入量为：［R E Q（SiO2）- E Q（CaO）］/［3 （CaO 石灰）-R ）］=（3.5X 1.557-0.902）/ （88%-3.5 X 2.5%）=5.73kg。
X3 （SiO2石灰由CaO还原岀来的氧量，计算方法同表 5的注表总渣量及成分① 由表 1-8 知，除 FeO 和 Fe 2O 3 外的渣量 6.799+1.724+1.052+0.137+0.63+0.44+0.63+0.028=11.56kg 而终渣刀 w (FeO) =15% (表 1-4),故渣的总量 11.56-86.75%=13.326kg 。
② 所以，w (FeO) =13.326 X 8.25%=1.099kg③ w(Fe 2O 3)= 13.066 X 5%-0.033-0.005-0.008=0.620kg表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、CO2、N2、SC2和H20。
其中CO、CO2、SO2和H2O可由表5~表7查得，O2和N2则由炉气总体积来确定。
现计算如下。
炉气总体积V刀1 22 43=V g 0-5%V +99 -3T Gs 0-5%V Vx、，99Vg 0.7Gs Vx 99 8.531 0.7 8.42 0.002 门“ 2V E = = =8.634 m298.50 98.5式中V g—CO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m3。
本计算中，其值为:8.908 224 2.726 22.4 0.008 22・4 0.01122・4 =8.531m3。
/28 /44 /64 /18G s—不计自由氧的氧气消耗量，kg。
本计算中，其值为：8.108 0.062 0.34=8.42kg （见表9）;V x —石灰中的S与CaO反应还原出的氧量（其质量为：0.002kg，见表9），m3；0.5% —炉气中自由氧含量；99—由氧气纯度为99%转换的得来。
表10炉气量及其成分②气体积为总体积减去其余成分为0.06m3质量为0.06X 28-22.4=0.075kg第4步：计算脱氧和合金化前的钢水量。
钢水量0§=铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅和渣中的铁损=100-6.961-{1.5 X（75%X 56\72+20%X 112\160）+1+13.326X 6%}=90.365kg 据此可以编制出未加废钢。
脱氧与合金化前得物料平衡表11.表未加废钢时的物料平衡表第五步：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。
表加入废钢的物料平衡表（以铁水为基础）注：计算误差为(139.58 —140.776) /139.58 X 100%= —0.86%表14加入废钢的物料平衡表（以100 kg （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）和铁合金成分及回收率（表3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计算元素的烧损量。
将所有结果与表14归类合并，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。
锰铁加入量W Mn为:3 [Mn]钢种一3 [Mn]终点一WMn=锰铁含Mn量X Mn回收率X钢水量0.55% 0.21% 门= 91.89 =0.57kg67.8% 80%硅铁加入量Ws i为:（①［Si ］钢种―①［Si ］终点）x 加锰铁后的钢水量―①［Si ］FeMn硅铁含Si 量x Si 回收率0.25% (91.89 0.45) 0.00273% 75%表15铁合金中元素烧损量有产物量脱氧和合金化后的钢水成分如下：W(C)=0.1%+0034100%=0.14% 92.71 0.002 0.230W(Si)=100%=0.25% 92.71W(P)=0.03%+ 0001 100% =0.031%92.71 W(S)=0.018%+0001100%=0.019% 92.71可见，含碳量已经在设定值范围以内。
满足要求。
=0.42kg92.71W(Mn)=0.21%+ 0.309 0.002 100% x 100%=0.55%表总物料平衡表计算误差为(115.69— 116.55) /115.69X 100%=—0.74%2热平衡计算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）。
其他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表物料平均热容表19炼钢温度下的反应热效应组元 化学反应△ H/kJ kmol -1 △ H/kJ kg -1 C [C]+1/2{O 2}={CO} 氧化反应 -139420 -11639 C [C]+{O 2}={CO 2} 氧化反应 -418072 -34834 Si [Si]+{O 2}=(SiO 2) 氧化反应 -817682 -29202 Mn [Mn]+1/2{O 2}=(MnO) 氧化反应 -361740 -6594 P 2[P]+5/2{O 2}=(P 2O 5) 氧化反应 -1176563 -18980 Fe [Fe]+1/2{O 2}=(FeO) 氧化反应 -238229 -4250 Fe 2[Fe]+3/2{O 2}=(Fe 2O 3) 氧化反应 -722432 -6460 SiO 2 (SiO 2)+2(CaO)=(2CaO SiO 2) 成渣反应 -97133 -1620 P 2O 5 (P 2O 5)+4(CaO)=(4CaO P 2O 5) 成渣反应 -693054 -4880 CaCO 3CaCO 3=(CaO)+{CO 2} 分解反应 169050 1690 MgCO 3MgCO 3=(MgO)+{CO 2}分解反应1180201405表溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值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(表 17、 1、和表20)计算铁水熔点T t ，然后由铁水温度和生铁热熔(表17、18)确定Q w oT t =1536— (4.3 X 100+0.7X 8+0.7X 5+0.3X 30+0.03X 25) — 6=1081 T Q w =100 X [0.745 X (1081 — 25)+218+0.0837X (1400— 1081)]=127172.3kg(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 1-19)可以算出， 其结果列于表21o表21元素氧化热和成渣热⑶烟尘氧化热Q c：由表7-4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。
Q c=1.5X( 75%X 56/72X 4250+20%X 112/160X 6460) =5075.35kg(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。
Q i=0.3X 14%X 90X 11639+0.3X 14%X 10%X 34834=586.25kj故热收入总值为：Q s=Q w+Q y+Q c+Q1=232561.33kj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(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40〜60C,后者约为3〜5C/min,具体时间与钢包大小和浇注条件有关)以及要求的过热度(一般为50〜90C)确定出钢温度T z；最后由钢水量和热容算出物理热。
T g=1536—( 0.1 X 65+0.21 X 5+0.03X 30+ 0.018X 25)- 6=1521 T 式中，0.10、0.18、0.020和0.021分别为终点钢水C、Mn、P、和S的含量。
T z=1521+50+50+20=1691C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。
Q g=90.365X [0.699 X (1521 —25)+272+0.837X (1691 —1521)]=131932.36(2)炉渣物理热Qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得：Qr=13.326X [1.248 X (1691 —25)+209]=30492.13kj⑶炉气、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。
详见表22.表某些物料的物理热(4)生白云石分解热Q b ：根据其用量、成分和表19所示的热效应计算。
Q b =2.5X (36.4%1690+25.60%X 1405)=2437.10kj⑸热损失Q q ：其他热损失带走的热量一般约占总热收入的 3%〜8%。
本计算取5%,则得:Q q =232561.33X 5%=11628.07kj(6)废钢吸热Q f ：用于加热废钢的热量系剩余热量，即：Q f =Q s — Q g — Q r — Q x — Q b — Q q=31914.98kj故废钢加入量W f 为：W f =31914.98- {1 X [0.699 X (1521 - 25)+272+0.837X (1691 — 1521)]}=21.86kg即废钢比为：100% =17.94%100 21.86钢水物理热+炉渣物理热+废钢物理热= 热收入总量第三步：列出热平衡表(表23)表23热平衡表应当指出，加入铁合金进行脱氧和合金化，会对热平衡数据产生一定的影响。
