毕业设计---电弧炉炼钢车间设计

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1、摘要本文涉及内容为年产70万吨良锭电弧炉炼钢车间设计。根据高等院校冶金工程专业钢铁厂设计原理,通过广泛参考有关文献资料,简要介绍了我国炼钢技术的发展历程、电弧炉炼钢的特点、未来的发展趋势。本文的重点是,通过物料平衡和热平衡的计算、炉型设计与计算,确定了合理的生产工艺，完成了主要设备的选择与计算、烟气净化系统的选择与设计，绘制了电弧炉和炼钢车间等剖面图纸，最后成功完成年产70万吨良锭电弧炉炼钢车间设计。关键词：物料平衡，热平衡，炉型，车间设计，电弧炉，连铸第一章 绪论1.1电弧炉发展史电炉是在电发明之后的1899年，由法国的海劳尔特在玻利维亚发明的。它被建在阿尔卑斯山的峡谷中，原因是在距它不远处

2、有一个火力发电厂。电能具有清洁、高效、方便等优点，是工业发展的优选能源。19世纪中叶以后，大规模实现电热转换的冶炼装置陆续出现：1879年，William Siemens首次进行了使用电能融化钢铁炉料的实验，1889年出现了普通感应炼钢炉，1900年法国人P.L.T.Heroult设计的第一台炼钢电弧炉突入生产。从此电弧炉炼钢在一百年中得到了充分的发展，目前已经成为最重要的炼钢方法之一。电弧炉的出现，开发了煤的替代能源使废钢开始能回收再利用，为可持续发展做出了巨大贡献。1在国际上，电弧炉装备技术的发展大体经历了以下几个阶段，20世纪70年代，常规交流超高功率电炉及其配套技术的开发应用，使电炉的

3、生产效率大大提高，技术经济指标大大改善。20世纪80年代，直流电弧炉得到大规模的工业应用。20世纪80年代后期至90年代中期，利用高温废气对废钢和CO进行预热后再燃烧的技术，以及用化学能代替部分电能的各种节能电炉技术被成功开发并应用。 我国电炉炼钢在20世纪80年代以前一直处于落后的状态，当时全国有3000多座容量为3吨-30吨的小电炉，功率水平普遍不大于350kVAt。这些小电炉多采用落后的“老三段”冶炼工艺(即在电炉内完成熔化、氧化、还原三步冶炼任务)，电炉生产效率低、产品质量差、能源消耗高、生产过程污染严重。我国电炉钢生产能力在90年代得到发展，从90年代中期的2000万吨/年提高到20

4、11年的6800万吨/年，与此同时电炉炼钢产品的技术经济指标也得到明显改善。电炉炼钢的发展经历了普通功率电弧炉高功率电弧炉超高功率电弧炉的过程，其冶金性能也随之发生了革命性的变化，由传统的制作发展为能提供初炼钢水的二期操作。2 现在国外，最大容量的交流电弧炉，美国为350t、日本为250t、英国和俄罗斯都为200t、西德为175t。直流电弧炉方面，以日本的130t单电极和法国82.5t的三电极为最大。国内迄今为止还没有一台自制的交流超高功率电弧炉，合作生产的百吨级的电弧炉正在进行。直流电弧炉方面，自从太原重型机器厂双电极的投产后，西安电磁机械厂在设备上作了改进，增设了磁镜线圈，已制成W TD系

5、列、容量为90t以下的双电极直流电弧炉产品。株洲电炉厂也有类似产品。由此可以说在国外，交流超高功率电弧炉已趋成熟，并向直流电弧炉方向发展。而在国内交流超高功率电弧炉还刚起步不久，直流电弧炉也处在初创阶段，相比之下差距可见。电弧炉炼钢自问世以来，呈不断增长的发展趋势，迄今为止占世界总钢产量达31%以上，且保持着继续上升的态势。我国电弧炉钢产量近几年也在不断攀升。2007年我国电弧炉炼钢产量达到5843万吨，己超过电弧炉钢生产大国美国，比德国、韩国全年钡产量还要多，但我国相对焦煤资源较多、人力成本较低、废钢资源积累有限、电力资源价格仍较高，所以电弧炉钢产量增幅远低于转炉钢产量的增长速度，比例呈下降

6、趋势。全球电弧炉钢产量呈不断上升的趋势，很大一部分也是得益于电弧炉炼钢技术和装备技术的不断创新和进步。 近年来，电弧炉短流程钢厂的生产技术有了众多新发展，主要表现在以下几个方面。31)形成了电弧炉冶炼连铸“三位一体”或电路冶炼连铸连轧“四位一体”的现代化电弧炉流程。2)电弧炉功能逐渐变为初炼炉技术的不断进步，改变和结束了原电弧炉的熔时长(3个多小时)、老三期操作(熔化期、氧化期、还原期)以及产量低、渣量大、炉容小、成本高的状况。 3)生产品种的增加，从起初的长材、扁平材到如今的高附加值产品进入21世纪以来的电弧炉短流程钢厂开始生产高附加值产品。如：美国新建Severcorr钢厂以生产汽车板为主

7、，俄罗斯联合冶金公司Vyksa厂主要生产用于北极及其他高寒地区的管线钢。我国天津无缝钢管公司、衡阳钢管公司、舞阳钢铁公司在无缝钢管和高质量特厚钢板生产方面也表现突出。4)短流程钢厂规模不断扩大化，俄罗斯马格尼托哥尔斯克钢铁公司和土耳其Atlas合资建设的Atlas公司，配置了一台300t超高功率交流电弧炉，年钢产量240万t。土耳其Colakoglu钢厂已建成一台装有特大功率变压器(240MVA+200)、出钢量约320t的电弧炉，年产钢能力200万t/a(现已达到月产21万t钢)。5)原料多样化，采用CORER/DR装置供给CORER铁水及直接还原铁作为电弧炉原料，例如，南非萨尔达尼亚厂设置

8、C-2000COREX及Midrex炉和印度埃萨公司Hazira厂，在原有的Midrex装置基础上新建两台CORER-2000装置，用以生产热轧带钢。近年来SMS公司和Midrex技术公司，联合推出了从铁矿石到热轧带的电弧炉短流程钢厂。据介绍，该工艺流程较传统高炉转炉流程具有更高的能源利用效率，且二氧化碳排放量能减少一半。阿曼Shadeed钢铁公司近日向Midrex技术公司订购直接还原炼铁装置，可提供700热直接还原铁。在缺乏天然气资源的地区，最近已开发出用煤制气，作为直接还原炼铁装置的还原气体，建设联合小钢厂。 印度Jindal公司建设一座年产DRI200万t的Danarex装置，用煤制气为

9、还原剂，反应器直径7m,用60%-100%球团矿和0-40%块矿为原料，产品金属化率达93%以上。1.2电弧炉炼钢工艺的进步传统的电弧炉炼钢操作集炉料融化、钢液精炼和合金化于同一池内，它经过了熔化期、氧化期和还原期，这使得电弧炉内既要完成融化，又要完成脱碳化、脱磷工序，还要进行脱氧、脱硫、升温的、去气、去夹杂、合金化以及温度和成分的调整，因而冶炼的周期长，既难保证对钢材越来越严格的质量要求，又限制了电弧炉炼钢生产率的提高。现在，电弧炉炼钢工艺只保留了融化、升温和必要的精炼操作，如：脱磷、脱碳，而把其余的精炼过程均转移到二次精炼工序中进行。电弧炉炼钢工艺上的改进提高了电弧炉设备的能力，使其能够以

10、尽可能大的功率进行融化、升温操作，将需要较低功率的操作转移到钢包精炼炉内进行。越来越完善的二次精炼技术，完全能满足钢液清洁度和严格的成分与温度控制要求。1.3电弧炉炼钢的特点： 1）电能为热源，避免了燃料燃烧对钢液的污染，热效率可达65%以上。2）冶炼熔池温度高且容易控制，满足冶炼不同钢种的要求。3）电热转换时，输入熔池功率容易调节，因而容易实现熔池加热制度的自动化，操作方便。4）电弧炉炼钢可以消化废钢，是一种资源回收再利用的过程，也是处理污染的环保钢技术，它相当于钢铁工业和社会废钢的回收工具。由于钢铁良好的可再生性及环境、资源和能源等方面日益苛刻的要求，使得尽可能多的提高废钢的利用率成为国际

11、趋势。废钢如果得不到有效的回收和利用，将会成为巨大的潜在环境污染源。有些甚至可以对水质、土壤构成严重威胁。大量腐蚀的钢铁废料，不但造成资源的浪费，也将会造成严重的粉尘污染。废钢的堆积本身也会给环境带来不利影响： 5)炼钢过程的烟气污染和噪音污染容易得到控制。 6)设备简单，炼钢流程短，占地少，投资省，建厂快，生产灵活。当今钢铁生产可分为“从矿石到钢材”和“从废钢到钢材”两大流程。相对于炼钢联合企业中以高炉转炉炼钢为代表的常规流程而言，以废钢为主要原料的电弧炉炼钢生产线具有工序少、投资低和建设周期短的特点，因而被称为短流程。近年来，短流程特别指那些电弧炉炼钢与连铸连轧相结合的紧凑生产流程。在投资

12、、效率和环保等方面，以电弧炉为代表的短流程炼钢具有明显的优越性。1.4出钢设备 出钢口一般开在炉身上，并装有内衬耐火材料的出钢槽。这样的出钢口出钢时，炉子的倾角必然较大，水冷电缆较长，电损失较大。为此，现在已经研制出一种新型的炉底出钢炉。其出钢口类似于盛钢桶。 炉底出钢电弧炉具有许多优点:因大大减少了炉子的倾角，倾动机构、炉子基础等均大为简化；可缩短水冷电缆，提高电效率；扩大水冷炉壁面积，节省耐火材料，刚流集中，流程短，出钢时间短，可降低出钢温度减少钢水吸氮量、缩短冶炼周期等。因此迅速得到推广应用。41.5电弧炉炼钢的发展趋势电弧炉炼钢工艺技术的发展可以从电弧炉炼钢技术和电弧炉装备技术两大方面

13、进行推进，电弧炉炼钢技术的创新发展主要体现在以下四个方面: 41,继续加强电弧炉的高效化生产操作，为缩短冶炼周期形成系统综合控制，采用先进技术保证钢质量最优。在综合消耗最低的前提下，最大限度的缩短冶炼周期。包括:电弧炉以氮代氢全程底吹技术、低氮电弧炉钢生产技术、终点控制技术、优化供电技术、炉料结构优化和不延长冶炼周期的DRI, HBI加入工艺技术等。2,优化生产工艺、降低生产成本。在钢铁生产中，成本是决定性因素，必须降低成本以促进电弧炉钢的发展。优化生产工艺、加强精细管理与操作，从优化炉料结构、降低钢铁料消耗、添加合金精矿和还原剂实现直接合金化、废钢渣的回收利用等方面入手以追求工序成本和保障系

14、统成本最低。 3,优化电弧炉炼钢流程 ，要实现电弧炉的高效化生产，缩短冶炼周期是核心，而前提则是流程优化。例如，我国安钢采用了高炉铁水铁水罐扒渣100t电弧炉脱磷无渣出钢转炉少渣吹炼LF炉精炼连铸接高线、型棒和2800mm中厚板轧机的流程，把车间现有超高功率电弧炉变成了铁水预处理炉。 4,优化品种结构，优化生产高附加值产品对于电弧炉冶炼钢种的品种结构。目前主要的优化方向应着眼于转炉流程不适合生产的高合金钢、高温合金和大锻件等。转炉流程能够生产目前在国内产量还不高的一些合金钢种。过去仅能用转炉流程生产的现代电弧炉亦能生产的一些品种，如高附加值的板材(薄板、中板、厚板)、优质高碳钢(如预应力钢绞线

15、、钢帘线)和低合金钢(如合金冷徽钢)等。电弧炉装备技术在未来创新发展中的手段有以下几点：1)，开发大容量的电弧炉变压器，进一步提升电弧炉超高功率水平和高阻抗技术。2)，继续加强清洁环保型电弧炉烟气余热回收装备技术的研发。3)，开发简单实用的电弧炉装备。4)我国还需进一步完善和提高电弧炉操作控制系统。电弧炉炼钢工艺技术的发展应着眼于降低吨钢冶炼的综合能耗。电弧炉使用废钢为原料与使用高炉铁水的转炉相比，总能耗是高炉转炉工艺的1/2-1/3。从两种工艺排放出的二氧化碳气体污染源的数量可知。从整个钢铁工业系统看，对一定规模的年产钢量，提高电弧炉钢比例显然有利于经济循环。 电弧炼钢炉主要炼制高级优质钢及

16、合金钢，也用于炼制普通钢。随着超高功率电炉装备和配套技术的不断发展和完善，使电炉生产更加具有原料适应广、生产效率高、产品质量好、消耗少、成本低、能灵活适应市场变化的明显优势。所以我国要大力发展电弧炉炼钢法，争取缩进我国与发达国家炼钢技术的差距。参考文献1 王新华.钢铁冶金学.高等教育出版社，2005,12.2:345 罗振才.炼钢机械.冶金工业出版社，2011.第二章 物料平衡和热平衡计算现代电弧炉冶炼工艺与传统三段式工艺有较大的变化，目前主要方式有：在超高功率电弧炉内借助大功率供电、高强度供养和氧燃烧嘴等辅助供热手段快速熔化废钢并完成脱碳脱磷任务，然后在精炼炉内完成脱氧、脱硫、微调合金成分、

17、去夹杂等任务。但仍有部分小型电弧炉采用传统工艺或者在其后配备钢包炉生产一些高合金钢,本文扔按照传统电弧炉三段式工艺做物料平衡与热平衡计算,以供参考。2.1 物料平衡计算2.1.1 计算所需原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及其成分；原材料成分；炉料中元素烧损率；合金元素回收率；其他数据表2-1 冶炼钢种及其成分钢种成分/%备注GCr15CSiMnPSCrFe氧化法冶炼0.951.05/1.00 0.150.35/0.250.250.45/0.350.0250.0251.401.65/1.53余量注：分母系计算时的设定值，取其成分中限。表2-2 原材料成分 （%）名称CSiMnPSCrAlFeH2

18、O灰分挥发分碳素废钢0.180.260.520.030.030余量炼钢生铁4.200.800.600.200.035余量碳粉82.211.2510.735.81电极99.001.00名称CaOSiO2MgOAl2O3CaF2Fe2O3CO2H2OP2O5S石灰88.202.652.601.400.564.350.100.100.04萤石0.305.500.601.6088.001.501.500.900.10铁矿石1.305.750.301.4589.771.200.150.08火砖块0.5560.00.6036.801.25高铝砖1.256.400.1291.350.88镁砂4.103.65

19、89.00.851.90碳粉灰分4.4049.00.9526.2518.550.15电极灰分8.9057.80.1033.10表2-3 炉料中元素烧损率成分CSiMnPS烧损率（%）熔化期2540,取307095，去856070，取654050，取45可以忽略氧化期0.06全部烧损200.0152530，取27按末期含量比规格下限低0.03%0.10%（取0.06%）确定（一般不低于0.03%的脱碳量）；按末期含量0.015%来确定表2-4 其他数据名称参数配碳量比钢种规格中限高0.70%，即达1.70%熔化期脱碳量30%，即1.7030%0.51kg电极消耗量4kg/t（金属料）：其中熔化期

20、占75%；氧化期占25%炉顶高铝砖消耗量1.275kg/t（金属料）：其中熔化期占59%，氧化期占41%炉衬镁砖消耗量3.5kg/t（金属料）：其中熔化期占57%；氧化期占43%熔化期和氧化期所需要氧量50%来自氧气，其余50%来自矿石和空气氧气纯度和利用率99%，余者为N2，氧利用率90%碳粉中碳的回收率75%（系指配料用碳粉）碳氧化产物均按70%生成CO，30%生成CO2考虑2.1.2 物料平衡基本项目收入项有：废钢、生铁、碳粉、石灰、萤石、电极、炉衬镁砖、炉顶高铝砖、火砖块、铁合金、氧气和空气。支出项有：钢水、炉渣、炉气、挥发的铁、碳粉中挥发分。2.1.3 计算步骤以100kg金属炉料（

21、废钢+生铁）为基础，按工艺阶段分为熔化期和氧化期分别进行计算，然后汇总成物料平衡表。第一步：熔化期计算。（1） 确定物料消耗量：1）金属炉料配入量。废钢和生铁按75kg和25kg搭配，不足碳量用碳粉来配。其结果列于表2-5。表2-5 炉料配入量名称用量（kg）配料成分（kg）CSiMnPSFe废钢75.0000.1350.1950.3900.0250.02574.230生铁25.0001.0500.2000.1500.0500.00923.541碳粉0.835*0.515合计100.8351.7000.3950.5400.0750.03497.7712)其他原材料消耗量。为了提前造渣脱磷，先加

22、入一部分石灰（20kg/t（金属料）和矿石（10kg/t（金属料）。炉顶、炉衬和电极消耗量见表2-4。（2）确定氧气和空气消耗量：耗氧项包括炉料中元素的氧化，碳粉和电极中碳的氧化；而矿石则带来部分氧，石灰中CaO被自身S还原出部分氧。前后二者间差为净氧量2.818kg详见表2-6.根据表2-4中的假定，应由氧气供给的氧气为50%，即3.087*50%=1.544，空气供氧量为1.277。由此可以求出氧气与空气的实际消耗量。详见表2-7表2-6净耗氧量的计算项目名称元素反应产物元素氧化量（kg）耗氧量（kg）供氧量（kg）耗氧项炉料中元素的氧化CSiMnPFeCCOCCO2Si(SiO2）Mn(

23、MnO）P(P2O5）Fe(FeO）Fe（Fe2O3）0.4760.4080.4450.1060.0450.0840.712合计3.1852.276碳粉中碳的氧化电极中碳的氧化CC（C）CO（C）CO2（C）CO（C）CO20.1600.1390.2770.237合计3.087供氧项矿石石灰Fe2O3SFe2O3 =2Fe+3/2O2CaO+S=CaS+O0.2690.0004合计0.267净耗氧量2.818令铁烧损率为2%，其中80%生成Fe2O3挥发掉成为烟尘的一部分；20%成渣。在这20%中。按3：1的比例分别生成（FeO）和（Fe2O3）。表2-7 氧气与空气实际消耗量氧气（kg）空气

24、（kg）带入O2带入N2带入O2带入N2（3）确定炉渣量：炉渣源于炉料中Si、Mn、P、Fe等元素的氧化产物，炉顶和炉衬的蚀损，碳粉和电极中的灰分，以及加入的各种熔剂。结果见表2-8表2-8 熔化期炉渣量的确定名称消耗量(kg)成渣组分(kg)CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计炉料SiMnPFe0.3350.3510.0340.3910.7170.4530.3770.1400.0780.7170.4530.0780.517炉顶炉衬碳粉电极石灰矿石0.0750.2000.8350.3002.0001.0000.0010.0080.004略1.7580.0130

25、.0040.0070.0450.0020.0500.058略0.1790.001略0.0520.0030.0690.0020.0240.0010.0300.0150.0010.0040.0170.010（0.898）略0.0020.0020.0020.0020.0750.2000.0910.0031.9040.093合计1.7840.8730.2350.1410.4530.3770.1720.0820.0044.129百分比43.1121.105.683.4111.419.114.161.930.10100.00注：Fe的消耗量，按表6中注释。石灰中氧化钙的计算,石灰中自身S还原消耗。矿石中的

26、Fe2O3假设全部还原，还原得到的铁。（4）确定金属量：金属量Qi=金属炉料重+矿石带入的铁量-炉料中C、Si、Mn、P和Fe的烧损量+碳粉配入的碳量。（5）确定炉气量：炉气来源于炉料以及碳粉和电极中碳的氧化物CO和CO2，氧气带入的N2，物料中的H2O及其反应产物，游离O2及其反应产物，石灰的烧减（CO2），碳粉的挥发分。计算结果列于表2-9表2-9 炉气量计算项目气态产物(kg)COCO2N2H2OH2挥发物合计炉料中C的氧化碳粉带入电极带入石灰带入矿石带入氧气带入空气带入游离O2参与反应CO+1/2O2=CO2H2O参与反应H2O+CO=H2+CO20.8330.2800.485-0.3

27、00-0.1240.5610.1910.3260.0930.4710.1960.0174.2620.0100.0020.0120.056-0.0800.0090.0471.3940.5280.8110.0950.0120.0174.3180.1710合计1.1741.8384.27900.0090.0477.347质量分数/%15.9825.0258.2400.120.64100.00计算条件：常温（20）、常压（0.1MPa）下空气相对湿度为70%，20的饱和蒸汽压为0.0023MPa先求空气体积再求湿空气体积空气中水蒸气空气含水量（6）确定铁的挥发量：有表2-6中设定，铁的挥发量。上述（3

28、）+（4）+（5）+（6）便是熔化期的物料支出量。由此可列出熔化期物料平衡表2-10。表2-10 熔化期物料平衡表收入支出项目质量(kg)%项目质量(kg)%废钢75.00067.16金属97.94988.01生铁25.00022.39炉渣4.1293.72碳粉0.8350.75炉气7.3476.60电极0.3000.27铁的挥发1.5641.41矿石1.0000.90其余烟尘取0.3000.27石灰2.0001.79炉顶0.0750.06炉衬0.2000.18氧气1.8851.55空气5.5424.96合计111.676100.00合计111.298100.00注：计算误差7。第二步：氧化期

29、计算。引起氧化期物料波动的因素有：扒除熔化渣，造新渣；金属中元素的进一步氧化炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损。（1）确定渣量：1）留渣量。为了有利去磷，要进行换渣，即通常除去70%左右熔化渣，而进入氧化期只留下30%的渣。其组成见表2-11。2）金属中元素的氧化产物。根据表2.-3给出的值可以计算产物量，详见表2-11。3）炉顶、炉衬的蚀损和电极的烧损量。根据表2-4的假定进行计算，其结果一并列入表2-11。4）造新渣时加入石灰、矿石和火砖块带入的渣量。见表2-11。表2-11 氧化期渣量的确定名称消耗量/kg成渣成分(kg)CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3P2O5CaS合计留

30、渣量1.2390.5330.2630.0700.0420.1450.1210.0560.0220.0011.253金属中元素氧化或烧损SiMnPFeS0.0580.1130.0260.2240.009-0.0160.1240.1460.2380.0560.0570.0200.1240.1460.0570.2940.004炉顶蚀损量炉衬蚀损量电极烧损量石灰带入矿石火砖块带入0.0530.1500.1002.6601.0000.5000.0010.006略2.3380.0130.0030.0030.0050.0010.0670.0580.304略0.134略0.0700.0030.0030.048

31、0.001略0.0400.0150.184略0.0030.013（0.898）0.0060.0030.0020.0040.0020.0520.1490.0012.5350.0930.500合计2.8880.8240.2800.3310.2910.3590.1340.0840.0275.326%55.4215.865.416.355.546.752.501.650.52100.00石灰中CaO被自身S还原，消耗0.003kgCaO。渣量计算的几点说明：关于石灰消耗量：由表2-11可知，除石灰带入的以外，渣中已含SiO2=0.263+0.124+0.003+0.005+0.001+0.058+0.

32、304=0.755kgCaO=0.532-0.04+0.001+0.006+0.013+0.003+0.013=0.516kg。取碱度3.5，故石灰加入量为：R(SiO2)-(CaO)/%CaO石灰-R%SiO2石灰=2.108/(88.00%-3.52.50%)=2.700kg关于磷的氧化量：根据表6，可近似求得(0.075-0.034)/97.949-0.015%97.949=0.026kg。关于铁的烧损量：一般可以设定，当氧化末期金属中含C约0.90%时，渣中Fe约达7%；且其中75%为（FeO），25%为（Fe2O3）。因此，渣中含（FeO）为7%75%72/56=6.75%,含（Fe

33、2O3）为7%25%160/112=2.50%，由表2-11知，除FeO和Fe2O3以外的渣量为2.880+0.824+0.281+0.331+0.288+0.086+0.027=4.833kg，故总渣量=4.833/（100-6.75-2.50）%=5.326kg。于是可得（FeO）=0.351kg，（Fe2O3）=0.130kg。其中，有Fe氧化生成的（FeO）和（Fe2O3）分别为0.238kg和0.056kg。（2）确定金属量：根据熔化期的金属量以及表2-11中元素烧损量和矿石还原出来的铁量，即可得氧化末期的金属量为97.949-（0.058+0.113+0.026+0.22+0.02

34、3+0.318*）+0.628=97.895kg（*为碳的烧损量近似值，即1.70（1-30%）-0.89%97.949=0.318kg）（3）确定炉气量：计算方法如同熔化期。先求净耗氧量（见表2-12），再确定氧气消耗量（见表2-13），最后将各种物料或化学反应带入的气态产物归类，从而得其结果（见表2-14）。表2-12 净耗氧量的计算名称元素烧损量/kg反应产物耗氧量供氧量(kg)备注金属中元素的氧化C0.318CCO0.29770%C生成COCCO20.25430%C生成CO2Si0.058Si(SiO2)0.066Mn0.113Mn(MnO)0.033P0.026P(P2O5)0.03

35、5Fe0.224Fe(FeO)0.053见表2-11Fe(Fe2O3)0.017见表2-11电极中碳的氧化C0.10099%=0.099CCO0.09270%C生成COCCO20.07930%C生成CO2合计0.928矿石供氧Fe2O30.898Fe2O3=Fe+3/2O20.269还原出铁0.628kg石灰中S还原CaOS0.002CaO+S=CaS+O0.001金属中S还原CaO供氧S0.009CaO+S=CaS+O0.005合计0.275净耗氧量0.648如表2-4中所述，应由氧气供给的氧为50%，即0.92850%=0.464,空气应供氧0.464-0.275=0.189kg，由此可求

36、出氧气与空气的实际消耗量如表2-13表2-13 氧气和空气实际消耗量氧气（kg）空气（kg）带入O2带入N2带入O2带入N20.464/90%=0.5140.514/99%1%=0.0050.1890.189(77/23)=0.633=0.514+0.005=0.519=0.189+0.633=0.852表2-14 炉气量项目气态产物(kg)备注COCO2N2H2OH2合计金属中C的氧化电极带入矿石带入石灰带入氧气带入空气带入游离O2参与反应CO+1/2O2=CO2H2O参与反应H2O+CO=H2+CO20.5200.1612-0.090-0.0360.3490.1090.1250.1410.

37、0560.0050.6260.0120.0030.008*-0.0230.0030.8690.2700.0120.1280.0050.6340.0510C烧损量0.318kgC烧损量0.099kg*计算方法同表9游离氧0.51310%=0.051H2O全部消耗合计0.5550.7800.63100.0031.969质量分数/%28.1939.6132.050.15100.00表2-15 熔化期和氧化期综合物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%废钢75.00063.85金属97.89583.33生铁25.00021.28炉渣4.138+5.197-1.241=8.0946.89碳粉0

38、.8350.71炉气7.347+1.969=9.3167.93电极0.300+0.100=0.4000.34铁的挥发1.5641.33矿石1.000+1.000=2.0001.70其他烟尘0.6000.51石灰2.000+2.660=4.6603.97火砖块0.5000.43炉顶0.075+0.053=0.1280.11炉衬0.200+0.150=0.3500.30氧气1.735+0.519=2.2541.92空气5.536+0.852=6.3885.45合计117.470100.00合计117.404100.00注：计算误差=（117.470-117.404）/117.470=0.06%。表

39、2-16氧化末期各金属成分元素含量（%）备注C0.891（1.700-0.510-0.318）/97.830=0.891Si0Mn0.086(0.563-0.366-0.113)/97.830=0.086P0.0150.015S0.024（0.032-0.009）/97.830=0.0242.2热平衡计算以100kg金属料（废钢+生铁）为基础。 计算热收入Qs（1）物料的物理热。计算结果列于表2-18。（2）元素氧化热及成渣热。计算结果列于表2-18。（3）消耗的电能。根据消耗的热量确定，为92294.71kJ。详见下面的计算。表2-17 总物料平衡表收入支出项目质量%项目质量%废钢生铁石灰萤

40、石火砖块矿石焦炭炉顶炉衬氧气空气电极AlFeMnFeCrFeSi75256.6600.6530.8272.0001.0880.1510.5002.2369.3200.5000.1080.285203200.58558.9419.655.240.510.651.570.860.120.391.767.330.390.0090.221.820.46钢液炉渣炉气铁的挥发其他烟尘100.88711.59212.5531.5640.79079.199.109.861.230.62合计127.233100合计127.386100表2-18 物料带入的物理热名称热容kJ/(kgK)温度()消耗量(kg)物理

41、热(kJ)废钢生铁石灰萤石火砖块矿石焦炭炉顶高Al砖炉衬Mg砖氧气空气电极AlFeMnFeCrFeSi合计0.6990.7450.7280.8980.8581.0470.8580.8790.9961.3180.9631.5070.8960.6780.5650.74529829829829829829829887387329829872329829857329875.00025.0006.6600.6530.8272.0001.0880.1510.5002.2309.2960.5000.1080.2852.3020.5851310.625465.625121.21214.62717.73952.

42、35023.33879.639298.80073.479223.801339.0752.4194.831393.24010.8963431.694注:其他入炉原料都假设是25表2-19 元素氧化热及成渣热名称氧化量/kg化学反应H（kJ/kg）放热量（kJ）电极中的C0.2770.119C+1/2O2=COC+O2=CO2-11639-3483432244145碳粉中的C0.1200.052C+1/2O2=COC+O2=CO2-11639-3483413971811金属中Si金属中Mn金属中的P0.3880.4790.058Si+2(FeO)=(SiO2)+2FeMn+(FeO)=(MnO)+

43、Fe2P+5(FeO)=(P2O5)+5Fe-11329-2176-241943961042140Fe*4.5261.662Fe+1/2O2=(FeO)2Fe+3/2O2=(Fe2O3)-4250-64601923610737SiO2成渣P2O5成渣1.4350.1422(CaO)+(SiO2)=(2CaOSiO2)4(CaO)+(P2O5)=(4CaOP2O5)-1620-48802325693合计49059*因熔化期和氧化期所需要的O2量50%由氧气提供，由表2-3和2-13可知，该气态O2总用量为1.543+0.462=2.005kg。其中,氧化成Fe2O3的量为1.662(见表2-6)

44、 所需氧量为1.66248/112=0.712kg。其余O2均设定为将铁氧化成FeO，即该部分Fe的氧化量为（2.005-0.712）56/16=4.526kg.这些铁为金属中C、Si、Mn、P提供部分氧源。2.2.2 计算热支出Qz（1）钢水物理热Qg。该钢熔点为1536-（0.89170+08+0.0865+0.01530+0.02425）-6=1466；出钢温度控制在中下限，本计算中取1600。则：Qz=97.8300.699(1466-25)+272+0.837(1600-1466)=136122.33kJ (2)炉渣物理热Qr。计算结果见表2-20。（3）吸热反应消耗的物理热Qh。详

45、见表2-21。表2-20 炉渣物理热名称熔化期炉渣氧化期炉渣合计温度/15201670热容kJ/(kgK)1.1721.216物理热/kJ4.13870%1.172(1520-25)+209=5680.645.1971.216(1670-25)+209=11481.8417162.48表2-21吸热量名称氧化量（kg）化学反应H（kJ/kg）吸热量(kJ)金属脱碳金属脱硫石灰烧碱0.510+0.318=0.8280.0094.6604.64%=0.216C+(FeO)=CO+FeFeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)CaCO3=CaO+CO26244/C2143/CaS4177/CO251

46、70.0343.40902.23水分挥发（由25升至1200）石灰带入矿石带入碳粉带入空气带入小计4.6600.10%=0.0052.0001.20%=0.0240.8351.25%=0.0100.056+0.008=0.0640.103H2OH2O12001227/H2O126.38金属增C0.515CC1779/C916.19合计7158.23（4）炉气物理热Qx。令炉气温度为1200，热容为1.137 kJ/(kgK)，由炉气量可得：Qx=9.3161.137(1200-25)=12445.94kJ（5）烟尘物理热Qy。将铁的挥发物计入烟尘中，烟尘热容为0.996kJ/(kgK)；则得：

47、Qy=（1.564+0.600）0.996(1200-25)=2532.53kJ（6）冷却水吸热Ql。如炉子公称容量为30t，冷却水消耗量为20m3/h，冷却水进出口温差为20，冶炼时间平均为1h，则得：Ql=（20100014.18520）/300=5580.00kJ/100kg(金属料)（7）其他热损失Qq。包括炉体表面散热热损失、开启炉门热损失、电极热损失等。其损失量与设备的大小、冶炼时间、开启炉门和炉盖的总时间以及炉内的工作温度有关。时间表明，该项热损失占总热收入的6%-9%，本设计中取8%。（8）变压器及断网系统的热损失。一般，该热损失为总热收入的57%。本计算取5%。令炉子总收入等

48、于Qs，则：Qs=136122.33+17162.48+7158.23+12445.94+2532.53+5580.00+Qs(8%+5%)即 0.87Qs=181001.51Qs=208047.71kJ故应供应电能为：208047.71-521.33-49059.00=158467.38kJ；Qq=208047.718%=16643.82kJ；Qb=208047.715%=10402.39kJ。总热平衡计算结果列于表2-21。表2-22 热平衡表收入支出项目热量（kJ）%项目热量（kJ）%物料物理热521.330.25钢水物理热13.6122.3365.43氧化热和成渣热其中 C氧化 Si氧

49、化 Mn氧化P氧化 Fe氧化 SiO2成渣 P2O5成渣49059.0010577.004396.001042.00140.0029973.002258.00673.0023.585.082.110.500.0714.411.090.32炉渣物理热吸热反应消耗热炉气物理热烟尘物理热冷却水吸热其他热损失变压器系统热损失17162.487158.2312445.942532.535580.0016643.8210402.398.253.445.981.222.688.005.00电能158467.3876.17合计208047.71100.00合计208047.71100.00单位电耗计算：因1kJ=2.77310-4kWh，故单位电耗为（158467.382.77310-4）1000/97.830=449.2kWh/t(钢水)。