可以根據需要作冶煉一爐鋼全過程的熱平衡;為了解決某一方面的問題,也可以作某局部環節的熱平衡。例如,作氧槍噴頭端部、爐襯某內表面或除塵系統等部分的熱平衡,從而為解決該部分問題提供依據。
研究煉鋼過程熱平衡是為了很好地控制煉鋼過程中的熔池溫度,全面掌握煉鋼設備的物料和能量利用情況、工作能力和熱效率,為改進煉鋼工藝、實現煉鋼設備的優化操作探索途徑,并為降低原材料消耗及合理利用和節約能源提供方向。二是可以判斷收支各項在冶煉過程中起作用的大小,以便對能源合理利用;三是可以發現熱工上和吹煉中存在的問題加以改進。四是可為設計或校核煉鋼設備及其附屬系統和煉鋼車間提供依據。五是為研究煉鋼過程,制定煉鋼操作工藝提供參數。也是提高煉鋼終點命中率,制定煉鋼過程自動控制數學模型的基礎。
現代煉鋼方法都是在高溫(一般1773~1973K)條件下的火法冶金過程。即是要完成煉鋼反應,就必須提供一定的熱量。但煉鋼方法不同,熱量的來源和數量也不相同。如轉爐煉鋼的熱源主要是鐵水的物理熱和鐵水中發熱元素氧化放出的化學熱;電弧爐煉鋼主要熱源是電能轉化成的熱量。煉鋼過程中提供的熱量與煉鋼過程消耗的和煉完鋼以后保留下的熱量之間,在數量關系上是守恒的。金屬熔池的溫度控制與熱量的收支密切相關,而熱量的收支又與物料的收支密不可分。因而研究煉鋼熱平衡離不開煉鋼過程物料平衡。
吸收和放出的熱量相等,這就叫作熱平衡。在與外界影響隔絕的條件下,如果物體A、B分別與處于確定狀態下的物體C達到熱平衡,則物體A和B也是相互熱平衡的。引入了熱力學第零定律之后,“溫度相同”的標準就不再局...
單個系統內的熱平衡。倘若組成單個系統的各部分之間沒有熱量的傳遞,且與外界也沒有熱量的傳遞,則系統處于熱平衡。這時系統內各部分溫度相等且等于外界溫度。在熱平衡時,物體各部分以及物體同外界之間都沒有熱量交...
1、高爐冶煉是把鐵礦石還原成生鐵的連續生產過程。鐵礦石、焦炭和熔劑等固體原料按規定配料比由爐頂裝料裝置分批送入高爐,并使爐喉料面保持一定的高度。焦炭和礦石在爐內形成交替分層結構。礦石料在下降過程中逐步...
(1)作出煉鋼過程物料平衡計算,即需知各種反應物和生成物的數量;(2)需知各種原材料和生成物的物態(固、液和氣態)的比熱及各種狀態的初始溫度;(3)需知各種有關元素氧化反應及某些氧化物成渣反應的熱效應和某些物質分解吸熱量和煉鋼過程中各環節的熱量損失等;(4)需知各種冷卻劑的成分及其冷卻效果。
(1)計算收入項。它主要包括鐵水物理熱、元素氧化放熱及成渣熱、燃料或電能轉化的熱及煙塵氧化放熱等。
(2)計算熱量支出項。它主要包括鋼水物理熱、爐渣物理熱、物料分解吸熱、其他產物帶走物理熱及各種散熱損失等。
(3)根據收入和支出熱量之差,計算出冷卻劑的加入量。
(4)列出熱平衡表或繪制出熱平衡圖。(見表1~表3)
(5)分析圖表。從圖表中能夠看出:(1)煉鋼方法不同,煉鋼過程熱量的收入和支出情況也不相同。如轉爐熱量主要來自鐵水物理熱和元素氧化放出的化學熱,而電弧爐的熱量主要來自電能。又如熱量支出中,鋼水帶走的熱量,轉爐約占60%~70%;電弧爐約占50%,平爐只占約30%等等。(2)煉鋼方法不同,熱工特點也不同。轉爐冶煉速度快,冶煉周期短,生產率就高;而平爐冶煉速度慢,冶煉周期長,生產率就低。(3)可以看出節能和降低成本的方向。如轉爐提高鐵水入爐溫度和利用爐氣中CO的化學熱等。
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4. l 煉鋼過程的物料平衡與熱平衡計算 煉鋼過程的物料平衡與熱平衡計算是建立在物質與能量守恒的基礎上。 其主要目的是比 較整個冶煉過程中物料、 能量的收入項和支出項, 為改進操作工藝制度, 確定合理的設計參 數和提高煉鋼技術經濟指標提供某些定量依據。 應當指出, 由于煉鋼系復雜的高溫物理化學 過程,加上測試手段有限,目前尚難以做到精確取值和計算。 盡管如此,它對指導煉鋼生產 和設計仍有重要的意義。 本章主要結合實例闡述氧氣頂吹轉爐和電弧爐氧化法煉鋼過程物料平衡和熱平衡計算 的基本步驟和方法,同時列出一些供計算用的原始參考數據。 4.1 氧氣頂吹轉爐煉鋼物料平衡和熱平衡 4.1.1 物料平衡計算 (1)計算所需原始數據。基本原始數據有:冶煉鋼種及其成分(表 4-1);金屬料—鐵水 和廢鋼的成分(表 4-1);終點鋼水成分(表 4-1);造渣用溶劑及爐襯等原材料的成分(表 4-2);脫氧和合
煉鋼過程
加料:向電爐或轉爐內加入鐵水或廢鋼等原材料的操作,是煉鋼操作的第一步。
造渣:調整鋼、鐵生產中熔渣成分、堿度和粘度及其反應能力的操作。目的是通過 渣--金屬反應煉出具有所要求成分和溫度的金屬。例如氧氣頂吹轉爐造渣和吹氧操作是為了生成有足夠流動性和堿度的熔渣,能夠向金屬液面中傳遞足夠的氧,以便把硫、磷降到計劃鋼種的上限以下,并使吹氧時噴濺和溢渣的量減至最小。
出渣:電弧爐煉鋼時根據不同冶煉條件和目的在冶煉過程中所采取的放渣或扒渣操作。如用單渣法冶煉時,氧化末期須扒氧化渣;用雙渣法造還原渣時,原來的氧化渣必須徹底放出,以防回磷等。
熔池攪拌:向金屬熔池供應能量,使金屬液和熔渣產生運動,以改善冶金反應的動力學條件。熔池攪拌可藉助于氣體、機械、電磁感應等方法來實現。
減少鋼液中含磷量的化學反應。磷是鋼中有害雜質之一。含磷較多的鋼,在室溫或更低的溫度下使用時,容易脆裂,稱為"冷脆"。鋼中含碳越高,磷引起的脆性越嚴重。一般普通鋼中規定含磷量不超過 0.045%,優質鋼要求含磷更少。生鐵中的磷,主要來自鐵礦石中的磷酸鹽。氧化磷和氧化鐵的熱力學穩定性相近。在高爐的還原條件下,爐料中的磷幾乎全部被還原并溶入鐵水。如選礦不能除去磷的化合物,脫磷就只能在(高)爐外或堿性煉鋼爐中進行。
鐵中脫磷問題的認識和解決,在鋼鐵生產發展史上具有特殊的重要意義。鋼的大規模工業生產開始于1856年貝塞麥(H.Bessemer)發明的酸性轉爐煉鋼法。但酸性轉爐煉鋼不能脫磷;而含磷低的鐵礦石又很少,嚴重地阻礙了鋼生產的發展。1879年托馬斯(S.Thomas)發明了能處理高磷鐵水的堿性轉爐煉鋼法,堿性爐渣的脫磷原理接著被推廣到平爐煉鋼中去,使大量含磷鐵礦石得以用于生產鋼鐵,對現代鋼鐵工業的發展作出了重大的貢獻。
堿性渣的脫磷作用 脫磷反應是在爐渣與含磷鐵水的界面上進行的。鋼液中的磷 【P】和氧 【O】結合成氣態P2O5的反應
電爐底吹:通過置于爐底的噴嘴將N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2等氣體根據工藝要求吹入爐內熔池以達到加速熔化,促進冶金反應過程的目的。采用底吹工藝可縮短冶煉時間,降低電耗,改善脫磷、脫硫操作,提高鋼中殘錳量,提高金屬和合金收得率。并能使鋼水成分、溫度更均勻,從而改善鋼質量,降低成本,提高生產率。
熔化期:煉鋼的熔化期主要是對平爐和電爐煉鋼而言。電弧爐煉鋼從通電開始到爐 料全部熔清為止、平爐煉鋼從兌完鐵水到爐料全部化完為止都稱熔化期。熔化期的任務是盡快將爐料熔化及升溫,并造好熔化期的爐渣。
氧化期和脫碳期:普通功率電弧爐煉鋼的氧化期,通常指爐料溶清、取樣分析到扒完氧化渣這一工藝階段。也有認為是從吹氧或加礦脫碳開始的。氧化期的主要任務是氧化鋼液中的碳、磷;去除氣體及夾雜物;使鋼液均勻加熱升溫。脫碳是氧化期的一項重要操作工藝。為了保證鋼的純凈度,要求脫碳量大于0.2%左右。隨著爐外精煉技術的發展,電弧爐的氧化精煉大多移到鋼包或精煉爐中進行。
精煉期:煉鋼過程通過造渣和其他方法把對鋼的質量有害的一些元素和化合物,經化學反應選入氣相或排、浮入渣中,使之從鋼液中排除的工藝操作期。
還原期:普通功率電弧爐煉鋼操作中,通常把氧化末期扒渣完畢到出鋼這段時間稱為還原期。其主要任務是造還原渣進行擴散、脫氧、脫硫、控制化學成分和調整溫度。高功率和超功率電弧爐煉鋼操作已取消還原期。
爐外精煉:將煉鋼爐(轉爐、電爐等)中初煉過的鋼液移到另一個容器中進行精煉的煉鋼過程,也叫二次冶金。煉鋼過程因此分為初煉和精煉兩步進行。初煉:爐料在氧化性氣氛的爐內進行熔化、脫磷、脫碳和主合金化。精煉:將初煉的鋼液在真空、惰性氣體或還原性氣氛的容器中進行脫氣、脫氧、脫硫,去除夾雜物和進行成分微調等。將煉鋼分兩步進行的好處是:可提高鋼的質量, 縮短冶煉時間,簡化工藝過程并降低生產成本。爐外精煉的種類很多,大致可分為常壓下爐外精煉和真空下爐外精煉兩類。按處理方式的不同,又可分為鋼包處理型爐外精煉及鋼包精煉型爐外精煉等。
鋼液攪拌:爐外精煉過程中對鋼液進行的攪拌。它使鋼液成分和溫度均勻化,并能促進冶金反應。多數冶金反應過程是相界面反應,反應物和生成物的擴散速度是這些反應的限制性環節。鋼液在靜止狀態下,其冶金反應速度很慢,如電爐中靜止的鋼液脫硫需30~60分鐘;而在爐精煉中采取攪拌鋼液的辦法脫硫只需3~5分鐘。鋼液在靜止狀態下,夾雜物上浮除去,排除速度較慢;攪拌鋼液時,夾雜物的除去速度按指數規律遞增,并與攪拌強度、類型和夾雜物的特性、濃度有關。
鋼包喂絲:通過喂絲機向鋼包內喂入用鐵皮包裹的脫氧、脫硫及微調成分的粉劑,如Ca-Si粉、或直接喂入鋁線、碳線等對鋼水進行深脫硫、鈣處理以及微調鋼中碳和鋁等成分的方法。它還具有清潔鋼水、改善非金屬夾雜物形態的功能。
熱平衡狀態是一個理想化的概念,是在一定條件下對實際情況的抽象和近似。對熱平衡狀態的研究具有重要的理論和實踐意義,已經成為熱力學的基本內容。
兩物體熱平衡,或兩個熱力學系統熱平衡,簡單來說意義為:
1、熱平衡 ≡ 溫度相等。
2、熱平衡只是宏觀的平衡概念,△Q = 0;但是,微觀上仍然有熱交流。
3、熱平衡是狀態量,不涉及過程的建立,也不排除微觀過程的正在進行。2100433B
如果兩個熱力學系統中的每一個都與第三個熱力學系統處于熱平衡(溫度相同),則它們彼此也必定處于熱平衡。
熱平衡定律是熱力學中的一個基本實驗定律,其重要意義在于它是科學定義溫度概念的基礎,是用溫度計測量溫度的依據。在熱力學中,溫度、內能、熵是三個基本的狀態函數,內能是由熱力學第一定律確定的;熵是由熱力學第二定律確定的;而溫度是由熱平衡定律確定的。所以熱平衡定律如第一、第二定律一樣也是熱力學中的基本實驗定律,其重要性不亞于熱力學第一、第二定律,但由于人們是在充分認識了熱力學第一、第二定律之后才看出此定律的重要性,故英國著名物理學家R.H.否勒稱它為熱力學第零定律。