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铁水装入量吨的提钒转炉车间工艺设计

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2020年4月19日
文档仅供参考

攀枝花学院本科毕业设计(论文)

铁水装入量150吨的提钒转炉
车间工艺设计

学生姓名: 钟 志 乾
学生学号: 11303123
院(系): 资源与环境工程学院
年级专业: 级冶金工程
指导教师: 丁满堂 副教授
助理指导教师:

二〇一六年五月

摘 要

本设计的主要任务是设计一个铁水装入量150吨的转炉提钒车间工艺设计,重点介绍了顶底复吹工艺部分。该设计介绍了一系列的提钒工艺。从物料平衡与热平衡计算开始进行初期参数的确定,设计内容主要包括:转炉炉型选择、供氧压力、供氧时间、底气选择、转炉底吹元件选择与布置、复吹工艺设计,其中复吹工艺设计是本设计的核心。
该设计由一座顶底复吹转炉采用”一吹一”模式提钒,转炉公称容量均为150t,底吹元件采用细钢管多孔型供气元件,选取6支0.61D的供气元件,底枪布置采用沿耳轴连接线30°,90°150°,210°270°,330°分布。复吹模式采用顶吹氧气底吹氮气,顶吹氧气强度为3.11m3/t·min,吹氧时间7min,每炉含钒水供氧量为540.553m3/min。底吹供气强度为0.03·0.08Nm3/t•min。平均吹炼时间为25min,转炉提钒冶炼一炉钒渣主要原料用量:含钒铁水装入量135t、含钒生铁块15t、石英砂1.8t、半钢温度为1390℃。`

关键词:顶底复吹转炉,提钒方法,含钒铁水,转炉提钒

ABSTRACT

The main task of this design is to design a furnace with 150 tons of molten iron. This design introduces a series of vanadium extraction process. From material balance and heat balance calculation to determine the early parameters, design content mainly include: selection of converter furnace type choosing, oxygen pressure, oxygen supply time, emboldened, converter bottom blowing component selection and layout, combined blowing process design, which combined blown process design is the core of this design.
The design by a top bottom combined blown converter vanadium using "blows" mode, the converter nominal capacity were 150t, bottom blowing elements by thin steel tube type porous gas components, select 6 0.61D gas components,bottom lance arrangement by along the ear axis connecting line to 30°, 90° and 150°, 210°and 270°, 330°distribution. Combined blowing pattern the top blown oxygen bottom blowing nitrogen, strength of top blown oxygen 3.11m3/t - min, oxygen blowing time of 7min, each furnace containing vanadium oxygen supply water quantity for 540.553m3/min. The bottom blowing gas supply intensity is 0.03~0.08Nm3/t / min. Average blowing time is 28min, converter provided the amount of vanadium smelting furnace vanadium slag as the main raw material: hot metal charging amount 135t, containing vanadium iron 15t, quartz sand 1.8T, semi steel temperature 1390 ℃.

Key words: top bottom combined blowing converter, vanadium extraction method, vanadium containing molten iron, converter vanadium extraction

目 录

摘 要 I
ABSTRACT II

1绪 论 1
1.1钒资源概况 1
1.2钒的性质 1
1.3钒的应用 2
1.4钒工业的进展 2
1.5钒的生产方法 3
1.5.1含钒磁铁矿直接提钒 3
1.5.2钒渣提钒 3
1.5.3石煤提钒 4
1.5.4其它提钒 4
2含钒铁水转炉吹炼提钒工艺 5
2.1转炉提钒过程 5
2.2转炉提钒的原理 5
2.3氧气顶吹转炉提钒 6
2.4空气底吹转炉提钒 7
3含钒铁水非转炉提钒工艺 9
3.1雾化提钒 9
3.2 铁水包吹氧提钒 10
3.3 摇包提钒 10
4物料平衡和热平衡计算 11
4.1原始数据 11
4.2物料平衡计算 12
4.2.1 烟尘中铁及氧耗量 15
4.2.2 炉气成分和数量 15
4.2.3 实际氧气消耗量的计算 16
4.2.4 炉渣带金属铁珠量的计算 16
4.2.5 半钢量计算 16
4.3 热平衡计算 17
4.3.1反应热效应 17
4.3.2金属中各元素氧化热 18
4.3.3烟尘氧化热 19
4.3.4 热量支出项 19
5转炉炉型及主要参数设计 22
5.1炉型的选择 22
5.2转炉的主要参数设计 22
5.2.1转炉的炉容比及有效体积 22
5.2.2氧气 26
5.2.3供氧压力 26
5.2.4吨铁氧量 26
5.2.5供氧吹炼时间 27
5.3复吹转炉底部供气元件及其布置 27
5.3.1底气种类的选择 27
5.3.2供气构建选择 27
5.3.3底部供气元件在炉底的布置 28
5.4底吹供气强度的确定及复吹模式 29
5.4.1底吹供气强度 29
5.4.2复吹模式 30
结论 32
参考文献 33
致谢 34

1 概 论

1.1钒资源概况
钒资源分布于5大洲,欧洲,亚洲,非洲和三大洲都有丰富的生产领域。非洲、南非、纳米比亚和赞比亚;欧洲主要集中在北欧地区,有芬兰、瑞典、挪威;亚洲主要集中在中国(攀西、承德地区)、印度、哈萨克斯坦;北美国主要集中在美国、加拿大、秘鲁、委内瑞拉、美国、澳大利亚、新西兰、大洋洲等国家。国外钒资源主要以钒钛磁铁矿为主。全球钒总储量约为16000万吨,其中南非占46%,独联体占24%,美国占13%,中国占12%,钒储量约为1600万吨。全国有10多个地区都有钒资源,但大部分都集中在四川,占中国钒总量的62%,湖南占总储量14%.4,甘肃占总储量5%,剩下的钒资源分布比较分散且储量小[1]。全世界98%钒出自于钒钛磁铁矿,其余的钒与煤和其它矿物共生。中国的钒钛磁铁矿大部分分布在攀枝花、米易、西昌、德昌和承德等地区。中国有一种特殊的钒矿资源是含钒石煤,其V2O5含量约为1130万t,约占钒资源总量的37.0%,分布在浙江、湖北、贵州、湖南等地区。

1.2钒的性质
钒的物理性质:钒是一种拥有超高熔点的金属,颜色为银灰色,常温下为固态,其熔点为℃,沸点3380℃,原子具有体心立方结构,原子序数为23。纯钒具备较好的可锻型和延展性,在常温下能锻制成片、丝、和箔[2]。钒是弱顺磁性的,电的不良导体。钒的纯度决定它的力学性质取。
钒的化学性质:钒在常温下的化学性质非常稳定,在高温条件下能能够和碳、硅、氮、硫、氯、溴等非金属元素生成化合物。钒拥有良好的耐蚀性,不但能耐淡水和海水的腐蚀,也能耐除氢氟酸以外的非氧化性酸(如盐酸、稀硫酸)和碱的腐蚀。
钒拥有+2、+3、+4、+5等价态,+5价钒具有氧化性,低价钒具有还原性,价态越低的钒还原性越强。钒有很多不同氧化物,钒从+2到+5都可生成氧化物,是强还原剂到强氧化剂,水溶液由强碱性逐步变成弱酸性。低价钒氧化物容易在空气中被氧化成高价钒氧化物,反而言之,+5价钒也能被还原性气体还原为+3、+4的钒。
1.3钒的应用
大约有90%的钒被用于钢铁行业中。在钢中添加钒的主要作用是提高合金的强度和韧性。结构钢中添加0.1%的钒,就能够使其强度提高10%-20%,从而使结构重量减轻15%—25%,可节约成本8%—10%。因为钒钢合金具有强度大,韧性、耐磨性及耐腐蚀性好等特征,从而普遍用于输油管道、建筑、桥梁、钢轨和压力容器等工程设施中。由钒和钛构成的重要金属合金Ti-6Al-4V,广泛用于飞机发动机、太空舱骨架、导弹、战舰的水翼和推进器、汽轮机叶片、火箭发动机外壳等[3]。另外,钒合金材料还在磁性材料、超硬合金、超导材料及核能反应堆等领域有重要应用。中国有宝鸡有色金属加工厂和锦州铁合金厂在生产钒铝的中间合金,但国内的钒铝合金产能并不能满足国内需要,每一年仍需要从国外购买一些。在化工行业中主要钒制深加工产品V205,NH4VO3、NaVO3及KVO3等。它们分别应用于催化剂原料,陶瓷的着色剂、显影剂、干燥剂和生产高纯氧化钒和钒铁的材料。另外,超细粉体和二氧化钒薄膜因其本身独特的相变特质,能普遍应用于电光学开关装置、太阳能控制材料、光盘介质材料、图层、热敏电阻等领域;北京烁光特晶科技有限公司开发的长距离光钎通讯钒酸钇晶体材料,具有双折射率高、透过率好、透光性高,是性能非常好的双折射晶体。

1.4钒工业的进展
从新世纪初以来,除中国之外的国家和地区,特别是欧美日等发达国家的钢铁产量基本上都维持持在平稳态势,而且其钒的消耗量也是显现饱和。钒工业的新进展不但表现在材料的新颖性上,还表现在原料来源的多样性,一级提取技术的创新。第二次世界大战后,秘鲁的硫钒矿已耗尽,赞比亚的钒矿也已停产,新兴的钒原料资源之一是在原子能工业原料铀的强化提取过程中,钒作为副产物是起一个较大的来源,特别是在美国。这个时期,苏联、南非、芬兰、挪威、中国等国家,都先后开发并改进了钒钛磁铁矿的相关冶炼工艺,从中提取钒的技术日渐成熟,并由此打开了钒工业原料的广阔来源。这一时期,美国的钒土矿、磷酸盐矿,智利的磁铁矿,赞比亚的钒酸盐矿,印度、匈牙利、加拿大等国的沥青页岩,法国的铝矾土矿中的钒等也都得到开发。而此时还有一个新原料,即石油中的钒也得到了开发回收,例如委内瑞拉的原油含钒高达0.14%,燃烧后的烧渣、飞灰中的V2O5含量最高可达40%,进来已成为一个重要的钒资源。另外废催化剂回收后,钒可循环再用。由于原料的来源的扩展,新的提取工艺也不断出现,其中包括从原子能等新兴工业中引进的一些分离提取技术,如溶剂萃取、离子交换、铵盐沉钒等,这些技术使钒的产量和纯度都有很大提高。当前在钒工业的技术领域中,美国表现出原料的多样化和产品的多样化,受核工业和航空、航天技术的拉动,美国金属钒的研究与生产处于世界领先地位。可是钒铁产品的生产属于高能耗过程,因此近年来初级钒制品在美国已基本停产,主要靠进口来保证本国需要。加拿大只有少数沥青页岩可用来提钒,主要产品为V2O5和钒铁,最近由于重视风能的开发和利用,目的在于开发大容量的钒蓄电池。欧洲如德、英、比利时等国大多使用进口原料,以生产钒铁为主,西班牙、瑞典等国有少量钒矿资源,也主要以生产钒铁、钒酸铵等产品为主;俄罗斯有丰富的钒矿资源,主要是钒钛磁铁矿,产品主要为钒铁、V2O5;世界上钒资源最丰富的国家是南非共和国,矿产资源是钒钛磁铁矿,产品主要是钒铁和V2O5;非洲的赞比亚的钒矿是钒酸盐,但生产不稳定,南美洲的钒铁最早是秘鲁的高品位的硫钒矿,现已枯竭;当前,委内瑞拉的是有已成为重要的钒原料。世界耗油大国如美、日等国都以开发出从燃油飞灰中回收钒的技术。
中国是世界上最大的钒生产国,近年来不但含钒钢产量不断增加,品种也不断增加,特别是在建筑生产用钢、管线钢、汽车及火车和飞机结构用钢等方面,处于飞速发展状态。它们主要由攀钢、首钢、鞍钢、包钢、重钢、承钢等生产。在此期间,攀枝花钢铁因其钒资源优势和技术应用优势,总共开发了十余个含钒钢种类,低钒合金钢和微钒合金钢的产量占到了同类钢量的50%。钒产品中含钒非调质钢和含钒铸铁与碳化钒的应用可延长钢铁材料的使用寿命的特点,对环境友好型的含钒合金钢材料的研究和开发,增加含钒钢的使用范围。

1.5钒的生产方法
1.5.1含钒磁铁矿直接提钒
钒钛磁铁矿中五氧化二钒含量约为1~2%,经过破碎精选将钒钛磁铁矿变为精矿粉,然后和芒硝混合后再制成球,用1200℃的高温焙烧,将钒转化为可溶性钒酸钠。再加入硫酸,使钒酸钠反应转化成不溶于水的V2O5 。最后,经过沉淀和过滤,所得到的产品即为提钒产品。该法也被称为湿法提钒。
1.5.2钒渣提钒
钒钛磁铁矿经过高炉或者电炉冶炼后获得含钒铁水,将含钒铁水装入转炉、摇包或铁水包内,通入氧气,最大程度的把含钒铁水中的钒氧化进钒渣中。提取钒渣后的铁水称为半钢,半钢经过转炉炼钢后可获得钢产品,此方法也称为钒钛磁铁矿的火法提钒[8]。
1.5.3石煤提钒
最近几十年中还发现能够从石煤中提钒,中国石煤资源丰富,可开采量大,但石煤中钒的品味相差较大,一般为0.13~1.00%,品味低于0.5%的占60%。先将石煤造球,放在立窑中经过1000℃温度焙烧,然后采取硫酸浸出,选用P204和TBP的煤油溶液作为萃取剂进行萃取,再用硫酸进行反萃,将硫酸萃取液用氯酸钠氧化,用算氨水调节PH值,酸性铵盐沉钒,沉淀在氧化气氛中500~600℃热解,最终可得到99%品味以上的V2O。
1.5.4其它提钒
从钾钒铀矿中提钒,钾钒铀矿主要用于生产金属铀,其生产副产品才是V2O5。石油加工的产物以及碳质页岩中都含有部分钒,重油、石油燃烧灰渣能使钒富集到一起,还能够直接从石油或石油加工产物中提钒[9],其中V2O5的质量分数为5~35%。含钒的磷酸盐矿、含钒的粘土矿中也能够提钒。

2 含钒铁水转炉吹炼提钒工艺

2.1转炉提钒过程
转炉提钒是氧与金属表面相互作用,以及与铁、钒、碳、硅、锰、钛、磷、硫等元素的氧化反应。元素氧化反应的效率由铁水自身成分,以及吹钒时的动力学条件和热力学条件共同决定。

2.2转炉提钒的原理
转炉提钒过程是利用选择性氧化的原理,利用转炉氧枪喷出高速氧射流对炉中的含钒铁水进行搅拌,将铁水中的钒氧化成的钒氧化物,以制取钒渣的一种物理化学反应过程。在整个反应过程中,经过加冷却剂来控制熔池温度在碳钒转化温度以下,以达到”去钒保碳”。向转炉中供氧,铁水中的Fe被大量氧化,Si、Mn、V和少量的C也同时被氧化[9]。钒能够氧化成V2O、VO、V2O3、V2O4、V2O5等化合物,其中V2O3和V2O5最稳定。反应式为:
2[V]+3/2{O2} = (V2O3) 式(1.1)
2[V]+3(FeO) = (V2O3)+3[Fe] 式(1.2)
2[V]+5{O2} (V2O5) 式(1.3)
2[V]+5(FeO) = (V2O5)+5[Fe] 式(1.4)
其它杂质的氧化副反应为:
[Si]+{O2}=(SiO2) 式(1.5)
[2Ca]+{O2}=(CaO) 式(1.6)
[2Mn]+{O2}=(2MnO) 式1.7)
[2Fe]+{O2}=(FeO) 式(1.8)
(C)+{O2}={CO2} 式(1.9)
反应能力的大小取决于铁水组成与氧的化学亲和力,即标准生成自由能。值越负,表明氧化反应越容易进行。铁水中元素氧化的-T如图2-1所示

图2-1 铁水中元素氧化的-T
为了获得较高品位的钒渣,必须将铁水中的钒最大程度的氧化进入炉渣,使铁水中的钒含量尽可能低。铁水中其它元素的氧化会放出热量使炉温变高,而炉内温度变高对钒的氧化不利。转化温度越低半钢中残钒量就越低,才能让钒渣品味变高。反应完成后,液态的Fe留在炉内里,称为半钢;固态(熔融态)的渣撇出后放入渣罐,称为钒渣。钒渣是由氧化铁、二氧化硅、二氧化钛、三氧化二钒、三氧化二铝、氧化钙、氧化镁、三氧化二铬等组分构成的,钒渣中的氧化钙、磷、二氧化硅的含量越低则钒渣品级越高。

2.3氧气顶吹转炉提钒
世界上使用此方法生产钒的有俄罗斯下塔吉尔钢铁公司和中国攀钢公司、承钢公司和马钢公司等。
乌拉尔黑色冶金科学研究院为下塔吉钢铁公司研制的氧气转炉提钒工艺。自从1963年进行工业实验以来,工艺流程从未改变,在1978—1979年间转炉容积从86m扩大为135m。
含钒铁水化学成分为:4.2%-4.5%C,0.45%-0.48%V,0.20%-0.25%Si;0.27%-0.33%Mn;0.15%-0.25%Ti;0.03%-0.10%Cr。铁水温度为1300℃。用160t铁水罐注入混铁炉中,定期扒放混铁炉渣并将之返回高炉车间。氧气喷枪带有水冷,喷枪直径219mm,喷嘴为临界直径是32-35mm并与喷枪轴线成20°倾斜角的4孔或5孔喷头。以270-310的供氧强度吹氧气。吹炼初期枪位一般为2m左右,以后降到0.8-1.2m。当铁水硅高时,整个冶炼期间枪位始终保持下限。吹钒时间为4-9min,整个吹炼过程熔池内温度从1220-1250℃提高1330-1400℃,半钢余钒0.03%-0.04%,碳降低到2.8%-3.6%。提起氧枪终止吹氧,将半钢倒入半钢罐车,送到另外一座转炉进行下一步炼钢。钒渣倒入渣罐。半钢收的率94%-97%。每炉半钢转炉钒渣的产率为38-42kg。成品钒渣回收率为83%-85%。转炉钒渣中有8%-10%的金属夹杂物。其它成分(%)为:15-22V2O5;26-32;9-10MnO;2-4Cr2O3;8-9TiO2;17-18SiO2;1.2-1.5CaO;0.03-0.04P[10]。
该方法的优点是:(1)半钢温度高;(2)可保证生产各种品种的钢;(3)钒渣含钒高,氧化钙、磷杂质少,利于进一步提取V2O5;(4)钒渣杂质少;(5)转炉寿命长;(6)钒氧化率高。

2.4空气底吹转炉提钒
装料量为18-22,炉膛溶剂为20m,炉壁用镁砖砌筑,炉底用硅砖砌筑。炉底有6个黏土砖风嘴,每个风嘴都有7个直径各为22mm的喷管。在50t铁水罐把含钒铁水注入混铁炉之前,现将含钒高炉渣放出,返回到高炉做配料。混铁炉容量为450t,用重油加热,铁水储存量为200t。铁水成分为:0.48%-0.55%V;0.30%-0.40%Si;0.25%-0.40%Mn;0.30%-0.40%Cr;0.20%-0.30%Ti。铁水温度为1280-1320℃。先在转炉内装入冷却剂10-100kg然后再注入铁水,冷却剂用的是含钒烧结矿。供气强度300-500/min,用0.20-0.22MPa压力吹炼含钒铁水。吹炼终点控制:吹炼5min金属脱钒率就能够达到最大程度,半钢含钒0.02%-0.03%。以后伴随着半钢温度升高,碳氧化加速,半钢余钒重新升高。因此吹炼总时间不要过长,总体控制在6-7min,使半钢温度提高到1320-1380℃。倒出半钢是用木耙把钒渣挡在转炉内,然后当转炉倒炉是将钒渣倒在渣盘内。半钢含碳2.2%-4.2%,含钒0.06%-0.09%,送到平炉车间炼钢。钒渣化学成分如下:15.6%V2O5;6.8%Cr2O3;8.7%TiO2;18.4%SiO2;1.1%CaO。
底吹转炉提钒方法的优点:
（1） 建设成本少,厂房较矮,减少炉顶上的喷枪、料仓和支撑等设施。
（2） 生产效率高、成本低。吹钒时吹炼平稳、喷溅少、搅拌强度大、反应迅速、热利用率高、烟尘少等。
该方法的缺点是:用时间控制和倒炉测温取样判断吹炼终点,挡渣条件差劳动强度大钒渣亏损多,钒渣中金属铁含量高,炉底风口管道系统布置复杂,更换零件以及修理任务繁重、炉龄不长、体积容量小,生产环境粉尘多,劳动条件差。

3 含钒铁水非转炉提钒工艺

3.1雾化提钒
中国早期自主研发的含钒铁水提钒工艺-雾化提钒,其工艺流程:用从炼铁厂送来的含钒铁水,到达提钒车间后经升降机到达提钒平台的倾翻机上,按照事先设置好的参数把铁水倒入中间罐含钒铁水由中间罐嘴口流入雾化炉内,让雾化器喷出的高压高速气流吹散为粒度小于2mm的小铁水珠,液小铁水珠在雾化室和半钢灌下降时,同气流中的氧接触发生氧化,钒元素被氧化成雾化V2O5,部分碳元素则燃烧放热,铁水变成半钢,然后流入半钢罐内,氧化物浮在半钢罐表层成为钒渣,半钢送往转炉炼钢,得到粗钒渣经过破碎、磁选、筛分就得到精钒渣,精钒渣为提钒主要原料[12]。图3-1为雾化提钒工艺示意图。

1一铁水罐;2一中间罐;3一水口;4-雾化器;5-雾化室;6一半钢罐
图3-1雾化提钒工艺示意图
雾化提钒的特点:(1)反应的动力学条件好,有利于钒氧化反应进行生成钒渣。(2)撇渣效果好,不额外加冷却剂,使钒渣质量得到明显提高。(3)压缩空气使铁水雾化,吸热多,因此雾化提钒能够不加冷却剂,甚至还要加硅铁氧化升温并提高流动性。(4)半钢温度较低低,渣铁分离差,钒渣中铁金属夹杂多。(5)工艺设备简单,投资少、炉龄长、提钒效率高,可持续生产。

3.2 铁水包吹氧提钒
新西兰公司用铁水包提钒法。该方法铁水温度为1460-1480℃,铁水包容量65t。铁水包提钒一共有两支枪,一支枪为内径30mm的氧枪,氧枪置于铁水包中心位置,喷嘴到熔池表面高度500mm。另一支枪吹氮气搅拌,氮枪位于铁水包中心和边缘之间,氮枪枪位距离铁水包底部500mm。铁水包包盖上一共有3个孔,分别是氧枪孔、氮枪孔和冷却剂添加孔。冷却剂为细小颗粒状。控制吹钒温度为1300-1400℃之间,一般在1350℃.吨铁供氧量为9m,供氧时间为28-35min。设置氧气压力为0.36MPa,氮气压力为0.3-0.4Mpa。整个吹炼过程:先将电炉内的含钒铁水到进铁水包,再将铁水包安放在吹钒装置上面,盖上包盖。因为铁水含碳量低要进行渗碳,然后后扒出熔渣。调整氧枪和氮枪枪位,进行铁水吹炼,吹炼完成后取样,扒出钒渣,最后将半钢送氧气顶吹转炉炼钢,整个吹炼周期为60min。其具体时间为:安铁水包3min,渗碳5min;扒渣4min;吹氧39min;取样2min;扒渣5min;移动铁水包时间2min。钒渣品位为V2O5的质量分数18%-22%[13]。

3.3 摇包提钒
摇包与钢包结构相似,只是摇包上有螺纹孔,用于安装在振动台架上,水平方向震动,自摇包上口插入氧枪,供氧吹炼提钒。南非Highveld公司曾经使用过摇包法提钒,主要生产流程为:经过回转窑直接还原金属化球团再直接装入电炉冶炼,再将得到的含钒铁水装入摇包内进行提钒,提钒后的半钢倒入转炉内炼钢[14]。

4 物料平衡和热平衡计算

4.1原始数据
原料成分及温度见表4-1
表4-1 原料成分及温度
种类
C/%
V/%
Si/%
P/%
S/%
Mn/%
Ti/%
温度/℃
铁水
4.4
0.31
013
0.070
0.013
0.08
0.23
1315
含钒生铁块
4.31
0.324
0.10
0.059
0.05
0.12
0.28
25
渣料和炉渣成份见表4-2
表4-2 渣料和炉渣
种类
C/%
SiO2/%
Al2O3/%
CaO/%
MgO/%
Fe2O3/%
P/%
S/%
石英砂
0
95.96
1.42
0.3
1.54
1.5
0.02
0.02
镁质炉衬
18.4
0.5
1.0
1.5
78.6
0
0
0

假设条件
(1)转炉含钒铁水150吨,含钒生铁块为金属料装入量的5%,含钒铁水为金属料装入量的95%。
(2)金属中碳总量的75%氧化成CO,25%的碳氧化成CO2。
(3)渣中铁珠量为渣量的8%。
(4)喷溅量极少,因此能够忽略。
(5)炉气平均温度为1450℃自由氧含量为0.5%。
(6)烟尘量1.5%,其中FeO 70%,Fe2O3 30%
(7)氧气纯度为99.6%,0.4%的氮气。
(8)耐火材料进入炉渣的量为金属量0.05%,炉衬侵蚀量为0.03%,补炉料为0.02。
(9)每100kg金属料加入石英砂1.20kg,铁水带入渣量为0.52kg,
(10)氧气利用率为75%,吹炼时间为7min。

4.2物料平衡计算
炉料中各原料氧化量见表4-3原料氧化量。
表4-3 原料氧化量
原料名称
C/%
V/%
Si/%
P/%
S/%
Mn/%
Ti/%
含钒铁水
4.4
0.31
0.13
0.070
0.013
0.08
0.23
半钢
3.76
0.04
0.02
0.068
0.014
很低
很低
含钒生铁块
4.31
0.324
0.10
0.059
0.05
0.12
0.28
氧化量
0.641
0.261
0.13
0.001
0.001
0.08
0.223

表4-4 各元素的氧化耗氧量及氧化产物量
元素
产物
氧化量/kg
氧耗量/kg
氧化产物量/kg
备注
Fe
FeO
0.525
0.525×=0.15
0.675
进入炉渣

Fe2O3
0.158
0.158×=0.068
0.225
进入炉渣
C
CO
0.641×75%= 0.481
0.481×=0.641
0.481×=1.122
进入炉气

CO2
0.641×25%= 0.160
0.160×=0.427
0.160×=0.587
进入炉气
V
V2O5
0.261
0.261×=0.205
0.261×=0.466
进入炉渣
Si
SiO2
0.137
0.137×=0.157
0.137×=0.294
进入炉渣
P
P2O5
0.001
0.001×=1.290×10-3
0.001×=2.290×10-3
进入炉气
S
SO2
0.001×=
3.33×10-4
3.33×10-4×=
3.33×10-4
3.33×10-4×=
6.66×10-4
进入炉气

CaS
0.001-3.33×10-4=
6.67×10-4
0
6.67×10-4×=
1.501×10-3
进入炉渣
Mn
MnO
0.08
0.08×=0.024
0.082×=0.106
进入炉渣
Ti
TiO2
0.223
0.223×=0.149
0.223×=0.372
进入炉渣
合计

2.093
2.273

注:气化脱硫占总脱硫量的,FeO和Fe2O3由渣量反算

表4-5 炉渣的重量及成分
项目
氧化产物量/kg
石英砂/kg
镁质炉衬/kg
合计/kg
C

0
0.05×18.4%=0.009
0.009
SiO2
0.294
1.20×95.96%=1.152
微量
1.446
Al2O3

1.20×1.42%=0.017
0
0.017
CaF2

0
0
0
CaS
0.002
0
0
0.002
CaO
0
1.20×0.3%=0.004
0.05×1.5%=0.001
0.005
MgO
0
1.20×1.54%=0.018
0.05×78.6%=0.039
0.057
Fe2O3
0.080
1.20×1.5%=0.018
0
0.098
FeO
0.173
0
0
0.173
P2O5
2.290×10-3
0
0
0.002
P

微量
0
0
S

微量
0
0
V2O5
0.446
0
0
0.446
TiO2
0.372
0
0
0.372
MnO
0.106
0
0
0.106
由表4-4和表4-5可知除了FeO和Fe2O3以外的熔渣量为:
+++++++++=
1.446+0.005+0+0.106+0.057+0.002+0.017+0.002+0.446+0.372=2.453
又知终点渣成分中+=18%+6%=24%
则其它成分占百分比为(100%-24%)=76%
熔渣量为=3.228kg
总渣量=熔渣量+铁水带入的渣量=3.228+0.52(铁水带入渣量0.52)=3.748kg
其中:FeO量为3.748×18%=0.675kg
Fe量为0.675×=0.525kg
Fe2O3量为3.748×6%=0.225kg
Fe量为0.225×=0.158kg
4.2.1 烟尘中铁及氧耗量
烟尘氧耗量=烟尘中FeO和Fe2O3氧耗量 =1.5×70%×+1.5×20%×
=0.323kg
烟尘带走铁量=1.5×70%×+1.5×20%×
=1.027kg
4.2.2 炉气成分和数量
炉气成分和数量如表4-6所示:
表4-6 炉气成分和数量
成分
质量/kg
体积(标态)/m3
CO
1.138
1.138×=0.910
CO2
0.600
0.600×=0.305
SO2
6.66×10-4
6.66×10-4×=2.331×10-4
O2
9.104×10-3
6.135×10-3
N2
6.336×10-3
5.481×10-3
合计
1.746

炉气中CO量=金属中C氧化产物+镁质炉衬中C氧化产物
=1.122+0.009×75%×=1.138kg
炉气中CO2量=金属中C氧化产物+镁质炉衬中C氧化产物
=0.587+0.009×25%×=0.600kg
炉气中SO2量是由脱硫气化而来,石英砂中的S气化脱硫量忽略不计。
自由O2和N2由上述炉气成分用以下步骤反算:
氧气纯度为99.6%,炉气中自由氧的体积比为0.5%,求自由氧和纯氧气体积。
设在炉气总体积中,自由氧体积(标态)占x m3,氮气体积(标态)占y m3。
x=炉气总量×0.5%=(C氧化产物量+S氧化产物量+x+y)×0.5%
=(0.910+0.305+2.331×10-4+x+y)×0.5%
y=供氧气总量×(1-99.6%)=[(1.673+0.250)+x+y]×0.4%
解以上方程可得:
自由氧体积(标态)x=6.373×10-3 m3,相当于
6.373×10-3×=9.104×10-3kg
氮气体积(标态)y=5.431×10-3 m3,相当于
5.481×10-3×=6.336×10-3kg
CaO生成CaS放出氧量6.66×10-4×=3.33×10-4kg
则氧气消耗量为9.104×10-3kg-3.33×10-4=8.771×10-3kg
4.23 实际氧气消耗量的计算
实际氧耗量=元素氧化氧耗量+烟尘氧耗量+炉气自由氧+氧气中氮含量
= (2.273+0.250+8.771×10-3+6.336×10-3)/75%=3.3kg
每100kg金属料实际消耗氧气体积(标态)=[(2.273+0.250+8.771×10-3)×+6.336×10-3×]/75%=2.369m3/100kg=26.39m3/t
4.2.4 炉渣带金属铁珠量的计算
钒渣带金属铁珠量的计算=3.748×8%=0.331kg
4.2.5 半钢量计算
半钢=100-(元素氧化量及脱硫量+烟尘铁损量+钒渣中金属铁珠量)
100-(1.576+1.027+0.257)
=96.594kg
物料平衡初算表如表4-7所示:

表4-7 物料平衡初算表
收入

支出
项目
质量/kg

项目
质量/kg
铁水
95.000

半钢
96.594
含钒生铁块
5.000

钒渣
3.748
镁质炉衬
0.050

炉气
1.746
石英砂
1.200

烟尘
1.500
氧气
2.608

金属铁珠
0.331
合计
103.858

合计
103.991

×100%=×100%=0.058%

4.3 热平衡平衡计算
4.3.1反应热效应
转炉反应热效应如表4-8所示:

4-8转炉反应热效应
反应式
ΔH/kJ·kg-1
物质
[C]+O2(g)=CO(g)
11637
C
[C]+O2(g)=CO2(g)
34824
C
[Mn]+O2(g)=(MnO)
6593
Mn
[Si]+O2(g)=(SiO2)
29177
Si
2[P]+O2(g)+4(CaO)=4(CaO·P2O5)
35874
P
2[Fe]+O2(g)=