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可以根据需要作冶炼一炉钢全过程的热平衡;为了解决某一方面的问题,也可以作某局部环节的热平衡。例如,作氧枪喷头端部、炉衬某内表面或除尘系统等部分的热平衡,从而为解决该部分问题提供依据。
(1)作出炼钢过程物料平衡计算,即需知各种反应物和生成物的数量;(2)需知各种原材料和生成物的物态(固、液和气态)的比热及各种状态的初始温度;(3)需知各种有关元素氧化反应及某些氧化物成渣反应的热效应和某些物质分解吸热量和炼钢过程中各环节的热量损失等;(4)需知各种冷却剂的成分及其冷却效果。
现代炼钢方法都是在高温(一般1773~1973K)条件下的火法冶金过程。即是要完成炼钢反应,就必须提供一定的热量。但炼钢方法不同,热量的来源和数量也不相同。如转炉炼钢的热源主要是铁水的物理热和铁水中发热元素氧化放出的化学热;电弧炉炼钢主要热源是电能转化成的热量。炼钢过程中提供的热量与炼钢过程消耗的和炼完钢以后保留下的热量之间,在数量关系上是守恒的。金属熔池的温度控制与热量的收支密切相关,而热量的收支又与物料的收支密不可分。因而研究炼钢热平衡离不开炼钢过程物料平衡。
吸收和放出的热量相等,这就叫作热平衡。在与外界影响隔绝的条件下,如果物体A、B分别与处于确定状态下的物体C达到热平衡,则物体A和B也是相互热平衡的。引入了热力学第零定律之后,“温度相同”的标准就不再局...
单个系统内的热平衡。倘若组成单个系统的各部分之间没有热量的传递,且与外界也没有热量的传递,则系统处于热平衡。这时系统内各部分温度相等且等于外界温度。在热平衡时,物体各部分以及物体同外界之间都没有热量交...
1、高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉,并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步...
研究炼钢过程热平衡是为了很好地控制炼钢过程中的熔池温度,全面掌握炼钢设备的物料和能量利用情况、工作能力和热效率,为改进炼钢工艺、实现炼钢设备的优化操作探索途径,并为降低原材料消耗及合理利用和节约能源提供方向。二是可以判断收支各项在冶炼过程中起作用的大小,以便对能源合理利用;三是可以发现热工上和吹炼中存在的问题加以改进。四是可为设计或校核炼钢设备及其附属系统和炼钢车间提供依据。五是为研究炼钢过程,制定炼钢操作工艺提供参数。也是提高炼钢终点命中率,制定炼钢过程自动控制数学模型的基础。
(1)计算收入项。它主要包括铁水物理热、元素氧化放热及成渣热、燃料或电能转化的热及烟尘氧化放热等。
(2)计算热量支出项。它主要包括钢水物理热、炉渣物理热、物料分解吸热、其他产物带走物理热及各种散热损失等。
(3)根据收入和支出热量之差,计算出冷却剂的加入量。
(4)列出热平衡表或绘制出热平衡图。(见表1~表3)
(5)分析图表。从图表中能够看出:(1)炼钢方法不同,炼钢过程热量的收入和支出情况也不相同。如转炉热量主要来自铁水物理热和元素氧化放出的化学热,而电弧炉的热量主要来自电能。又如热量支出中,钢水带走的热量,转炉约占60%~70%;电弧炉约占50%,平炉只占约30%等等。(2)炼钢方法不同,热工特点也不同。转炉冶炼速度快,冶炼周期短,生产率就高;而平炉冶炼速度慢,冶炼周期长,生产率就低。(3)可以看出节能和降低成本的方向。如转炉提高铁水入炉温度和利用炉气中CO的化学热等。
炼钢过程中的物料平衡与热平衡计算
4. l 炼钢过程的物料平衡与热平衡计算 炼钢过程的物料平衡与热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上。 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, 由于炼钢系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。 本章主要结合实例阐述氧气顶吹转炉和电弧炉氧化法炼钢过程物料平衡和热平衡计算 的基本步骤和方法,同时列出一些供计算用的原始参考数据。 4.1 氧气顶吹转炉炼钢物料平衡和热平衡 4.1.1 物料平衡计算 (1)计算所需原始数据。基本原始数据有:冶炼钢种及其成分(表 4-1);金属料—铁水 和废钢的成分(表 4-1);终点钢水成分(表 4-1);造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分(表 4-2);脱氧和合
热平衡计算在转炉炼钢中的应用
热平衡计算在转炉炼钢中的应用
加料:向电炉或转炉内加入铁水或废钢等原材料的操作,是炼钢操作的第一步。
造渣:调整钢、铁生产中熔渣成分、碱度和粘度及其反应能力的操作。目的是通过 渣--金属反应炼出具有所要求成分和温度的金属。例如氧气顶吹转炉造渣和吹氧操作是为了生成有足够流动性和碱度的熔渣,能够向金属液面中传递足够的氧,以便把硫、磷降到计划钢种的上限以下,并使吹氧时喷溅和溢渣的量减至最小。
出渣:电弧炉炼钢时根据不同冶炼条件和目的在冶炼过程中所采取的放渣或扒渣操作。如用单渣法冶炼时,氧化末期须扒氧化渣;用双渣法造还原渣时,原来的氧化渣必须彻底放出,以防回磷等。
熔池搅拌:向金属熔池供应能量,使金属液和熔渣产生运动,以改善冶金反应的动力学条件。熔池搅拌可藉助于气体、机械、电磁感应等方法来实现。
减少钢液中含磷量的化学反应。磷是钢中有害杂质之一。含磷较多的钢,在室温或更低的温度下使用时,容易脆裂,称为"冷脆"。钢中含碳越高,磷引起的脆性越严重。一般普通钢中规定含磷量不超过 0.045%,优质钢要求含磷更少。生铁中的磷,主要来自铁矿石中的磷酸盐。氧化磷和氧化铁的热力学稳定性相近。在高炉的还原条件下,炉料中的磷几乎全部被还原并溶入铁水。如选矿不能除去磷的化合物,脱磷就只能在(高)炉外或碱性炼钢炉中进行。
铁中脱磷问题的认识和解决,在钢铁生产发展史上具有特殊的重要意义。钢的大规模工业生产开始于1856年贝塞麦(H.Bessemer)发明的酸性转炉炼钢法。但酸性转炉炼钢不能脱磷;而含磷低的铁矿石又很少,严重地阻碍了钢生产的发展。1879年托马斯(S.Thomas)发明了能处理高磷铁水的碱性转炉炼钢法,碱性炉渣的脱磷原理接着被推广到平炉炼钢中去,使大量含磷铁矿石得以用于生产钢铁,对现代钢铁工业的发展作出了重大的贡献。
碱性渣的脱磷作用 脱磷反应是在炉渣与含磷铁水的界面上进行的。钢液中的磷 【P】和氧 【O】结合成气态P2O5的反应
电炉底吹:通过置于炉底的喷嘴将N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2等气体根据工艺要求吹入炉内熔池以达到加速熔化,促进冶金反应过程的目的。采用底吹工艺可缩短冶炼时间,降低电耗,改善脱磷、脱硫操作,提高钢中残锰量,提高金属和合金收得率。并能使钢水成分、温度更均匀,从而改善钢质量,降低成本,提高生产率。
熔化期:炼钢的熔化期主要是对平炉和电炉炼钢而言。电弧炉炼钢从通电开始到炉 料全部熔清为止、平炉炼钢从兑完铁水到炉料全部化完为止都称熔化期。熔化期的任务是尽快将炉料熔化及升温,并造好熔化期的炉渣。
氧化期和脱碳期:普通功率电弧炉炼钢的氧化期,通常指炉料溶清、取样分析到扒完氧化渣这一工艺阶段。也有认为是从吹氧或加矿脱碳开始的。氧化期的主要任务是氧化钢液中的碳、磷;去除气体及夹杂物;使钢液均匀加热升温。脱碳是氧化期的一项重要操作工艺。为了保证钢的纯净度,要求脱碳量大于0.2%左右。随着炉外精炼技术的发展,电弧炉的氧化精炼大多移到钢包或精炼炉中进行。
精炼期:炼钢过程通过造渣和其他方法把对钢的质量有害的一些元素和化合物,经化学反应选入气相或排、浮入渣中,使之从钢液中排除的工艺操作期。
还原期:普通功率电弧炉炼钢操作中,通常把氧化末期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。其主要任务是造还原渣进行扩散、脱氧、脱硫、控制化学成分和调整温度。高功率和超功率电弧炉炼钢操作已取消还原期。
炉外精炼:将炼钢炉(转炉、电炉等)中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程,也叫二次冶金。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。初炼:炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼:将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫,去除夹杂物和进行成分微调等。将炼钢分两步进行的好处是:可提高钢的质量, 缩短冶炼时间,简化工艺过程并降低生产成本。炉外精炼的种类很多,大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同,又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等。
钢液搅拌:炉外精炼过程中对钢液进行的搅拌。它使钢液成分和温度均匀化,并能促进冶金反应。多数冶金反应过程是相界面反应,反应物和生成物的扩散速度是这些反应的限制性环节。钢液在静止状态下,其冶金反应速度很慢,如电炉中静止的钢液脱硫需30~60分钟;而在炉精炼中采取搅拌钢液的办法脱硫只需3~5分钟。钢液在静止状态下,夹杂物上浮除去,排除速度较慢;搅拌钢液时,夹杂物的除去速度按指数规律递增,并与搅拌强度、类型和夹杂物的特性、浓度有关。
钢包喂丝:通过喂丝机向钢包内喂入用铁皮包裹的脱氧、脱硫及微调成分的粉剂,如Ca-Si粉、或直接喂入铝线、碳线等对钢水进行深脱硫、钙处理以及微调钢中碳和铝等成分的方法。它还具有清洁钢水、改善非金属夹杂物形态的功能。
热平衡状态是一个理想化的概念,是在一定条件下对实际情况的抽象和近似。对热平衡状态的研究具有重要的理论和实践意义,已经成为热力学的基本内容。
两物体热平衡,或两个热力学系统热平衡,简单来说意义为:
1、热平衡 ≡ 温度相等。
2、热平衡只是宏观的平衡概念,△Q = 0;但是,微观上仍然有热交流。
3、热平衡是状态量,不涉及过程的建立,也不排除微观过程的正在进行。2100433B
如果两个热力学系统中的每一个都与第三个热力学系统处于热平衡(温度相同),则它们彼此也必定处于热平衡。
热平衡定律是热力学中的一个基本实验定律,其重要意义在于它是科学定义温度概念的基础,是用温度计测量温度的依据。在热力学中,温度、内能、熵是三个基本的状态函数,内能是由热力学第一定律确定的;熵是由热力学第二定律确定的;而温度是由热平衡定律确定的。所以热平衡定律如第一、第二定律一样也是热力学中的基本实验定律,其重要性不亚于热力学第一、第二定律,但由于人们是在充分认识了热力学第一、第二定律之后才看出此定律的重要性,故英国著名物理学家R.H.否勒称它为热力学第零定律。