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the material balance ofsteelmaking processes
简介
研究炼钢过程物料收入和支出的平衡关系，并把这种关系制成图、表和方程式的一项研究炼钢技术的工作。炼钢是一个非常复杂的物理化学变化过程。它以铁水和废钢等金属料为主要原料。为了去除铁水中多余的碳、硅等元素，需要供给氧气、铁矿石等氧化剂;为了去除有害杂质，为了减轻元素Si等氧化生成的SiO2等酸性氧化物对碱性炉衬的侵蚀及尽快形成需要性能的炉渣，需要加入石灰、萤石等造渣剂;为了充分利用金属料中元素氧化放出的热量及减轻高温对炉衬的烧损，需要加入废钢、铁矿石等冷却剂;为了增加金属熔池的含碳量，需要加入焦炭、电极块等增碳剂;为了去除钢水中多余的氧及提高合金元素的含量，还需要加入锰铁、硅铁和铝等脱氧合金化剂。这些金属、非金属材料及炉衬耐火材料等，在熔池内均参与高温物理化学反应，在冶炼完毕后转化成钢水、炉渣和炉气等物质。这些反应物和生成物之间，在数量关系上遵守物质守恒定律。研究炼钢过程物料平衡的目的有3：(1)控制好炼钢过程中的熔池温度，炼出合格的钢水;(2)全面掌握炼钢设备的物料利用情况，了解炼钢设备的工作能力，从而探索改进炼钢工艺，实现炼钢的优化操作;(3)为降低原材料消耗及合理利用资源提供方向。
作用 (1)可以为设计或校核炼钢设备和附属系统及炼钢车间提供依据。(2)可以为研究炼钢过程、制定或完善操作工艺提供参考数据。(3)可以为配料计算提供依据，以保证充分发挥设备的生产能力和提高终点命中率。也是制订炼钢过程自动控制数学模型的基础。(4)分析和比较物料平衡图表中的各项收支状况，并与技术经济指标好的典型炉次加以对比，从中找出薄弱环节，明确提高设备的产钢能力和降低原材料消耗的方向。
对象选取 根据需要可以研究冶炼一炉钢全过程的物料平衡;为了解决某一方面的问题，也可以研究某种物料的平衡。例如，研究氧、铁或其他元素的平衡，从而为解决该部分问题提供依据。作平衡计算前，必须确定冶炼设备和方法以及炉衬性质。物料平衡计算的基本数据主要的有：(1)铁水和废钢等金属料的成分。(2)其他原材料成分，即石灰、铁矿石、白云石、耐火材料及铁合金等原材料的化学成分范围。(3)所炼钢种及要求成分并根据浇注工艺及车间实际情况确定出钢温度范围。(4)同类冶炼设备的其他数据。例如，渣中铁滴含量、喷溅铁损量、金属中碳氧化成CO与CO2的比例、渣中FeO和Fe2O3含量等。
表1 180t顶底复吹转炉脱氧后实测物料平衡表
(100kg钢水)
| 收入项 | 支出项 | ||||||
| 序号 | 项目 |
质量 /kg |
% | 序号 | 项 目 |
质量 /kg |
% |
|
1 2 3 4 5 |
铁水 废钢 其他材料 氧气 铁合金 |
96.13 12.30 11.05 7.06 0.65 |
75.58 9.67 8.69 5.55 0.51 |
1 2 3 4 |
钢水 炉渣 烟气 其他损失 |
100.00 10.22 15.19 1.78 |
78.62 8.04 11.94 1.40 |
| 总计 | 127.19 | 100.00 | 总计 | 127.19 | 100.00 | ||
表2 5t普通功率电弧炉冶炼20MnSi钢脱氧后实测物料平衡表
(100kg钢水)
| 收入项 | 支出项 | ||||||
| 序号 | 项目 |
质量 /kg |
% | 序号 | 项 目 |
质量 /kg |
% |
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
废钢 生铁 铁矿石 焦炭 脱氧剂 电极 氧气 吹氧管 其他材料 |
81.14 21.93 1.43 1.10 3.46 0.67 3.98 0.46 9.93 |
65.38 17.67 1.15 0.89 2.79 0.54 3.21 0.37 8.00 |
1 2 3 4 |
钢水 炉渣 烟气 差值 |
100.00 17.99 8.94 -2.83 |
80.58 14.50 7.20 -2.28 |
| 总计 | 124.10 | 100.00 | 总计 | 124.10 | 100.00 | ||
表3 300t碱性顶吹氧重油平炉熔炼室脱氧前实测物料平衡表
(100kg钢水)
图1 180t顶底复吹转炉物料平衡图
计算步骤 (1)根据原材料和所炼钢种成分，作炉渣成分和渣量的计算，即根据铁水和所炼钢种元素含量的差别，计算出一定量铁水中元素的氧化量;再算出耗氧量及氧化产物的数量;继而根据炉渣的性质和要求计算出各种造渣剂的需要量;最后计算出炉渣成分及渣量。(2)如使用铁矿石，还要作铁矿石带入铁和氧量的计算以及产生的烟尘带走的铁和消耗掉的氧量的计算。(3)炉气成分及质量的计算。各种冶炼方法的炉气内，都不同程度地含有CO、CO2及各种挥发物等。冶炼方法不同，这些物质的含量比例也不相同。例如，转炉冶炼周期短，吹氧只十几分钟，故炉气中CO含量可高达80%以上;而平炉冶炼周期长达几小时，吸入空气又多，CO大部分燃烧成CO2，故炉气中CO相对含量就比转炉低得多。(4)氧气实际消耗量的计算。炼钢消耗的氧与某些原材料参加反应带入的氧量之差值即为氧气的实际消耗量。(5)钢水量的计算。铁水和废钢总量去掉元素的氧化量、烟尘中的铁损量、渣中铁滴量、氧化铁中的铁量及喷溅物中的铁损量之和，再加上铁矿石等含铁物质带入的铁量和某些伴随元素量即为钢水量。(6)制作图表。根据脱氧方法、铁合金的用量等，计算出脱氧后的钢水量，作出脱氧后的物料平衡表或绘制成图(有时亦可作到脱氧前)如表1～表3，图1～图3。(7)对图表作讨论。从图表中能够看出，炼钢方法不同，其所用原材料的品种、数量及副产品数量也不相同;能看出降低原材料消耗及合理利用资源的方向;可以发现在配料及冶炼操作上存在的问题;能据图表对主体冶炼设备和炼钢车间进行设计或校核等。
图2 5t电弧炉实测物料平衡图
图3 300t平炉实测物料平衡图