高炉自动测控系统设计精品Word下载.docx

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Takeonthereasonsofthelargesize,complexproductionprocess,largeamountofrawmaterials,highoperatingrateandtherequestoflongevity，theoperationofblastfurnaceiscomplicated.Andtheblastfurnaceisclosed，itisnecessarytousemanydetectioninstrumentationstomonitortheinternalsituation.Thisarticleintroducesthebasicideasforblastfurnaceprocesscontrol、contents、andmethodsbasedoncheckingthelargeamountofreferences,Inthispaper,thedesignoftheblastfurnacetemperature,flow,pressuredetectionsystemsandautomaticcontrolsystemforfurnacetoppressureontheblastfurnace,aswellasmonitoringandcontrolsystemdesignMCGSinthemonitoringsystem.ThissystemmainfunctioniscarriesonthedynamicsurveillancetothesceneProcessdata，savesthehistoricaldataandreportsunusualsignal，instructsthesceneoperation.Thereal-timecontroloftheblastfurnacemainbodycanbefinishedinthehoistcontrolroombythecomputermonitorcontrolsystem.

Keywords:

BlastFurnace;

Detection;

ProcessControl;

Controlsystem;

MCGS

第一章引言

一.1炼铁的研究背景

钢铁是现代化社会最重要的原材料之一，钢铁工业是现代国家的支柱产业之一，钢铁的产量和质量是一个国家的发达程度和经济实力的重要标志。

全世界对钢铁的需求量和钢铁的产量随着经济的发展在不断的增加。

据统计，1994年我国的生铁产量已达9640万吨，位居世界第一位，而钢产量己达9150万吨，位居世界第二位。

到2006年上半年，我国粗钢平均日产超过110万吨，相当于全年产4.02亿吨的水平。

一.1.1高炉炼铁

炼钢所用的含铁原料，除去废钢和少量的直接还原铁以外，绝大部分是高炉生产的铁水。

例如，1987年世界钢产量的69.52%是用高炉铁水冶炼出来的。

从能源角度看，高炉所消耗的能量约占炼钢流程总能耗的60%~70%。

显而易见，高炉炼铁对于我国的经济发展起着十分重要的作用。

因此，研究高炉过程控制技术，降低燃料的消耗和生铁成本，必将产生巨大的经济效益和社会效益。

高炉作为一种成熟的炼铁工艺己有一百多年的历史了，高炉的冶炼过程十分复杂，它涉及到气、固、液三相的交互作用，是一个多变量、大滞后、非线性的系统，它是在炉料下降和煤气上升的逆流条件下进行的。

高炉开炉后，生产连续不断进行着，炉料不断下降，焦炭在风口处燃烧，炉料在高炉内不断地进行化学反应，生成铁水和炉渣。

高炉生产过程的控制过去一直主要依赖于人们在长期生产实践中所积累起来的种种经验，难以实现炉况的长期稳定。

研究高炉控制技术，利用现代控制技术对高炉生产过程进行监视和控制，提高高炉生产自动化水平，最大限度地降低工序之间的衔接时间，合理安排布料顺序，优化燃料配比，减少高炉生产的波动，可以及时跟踪并预测高炉的状态，预报扰动的发生，保证高炉长期稳定运行，从而能极大提高生产效率及产品质量。

随着生产的发展，高炉操作人员所面临的压力越来越大，人员越来越少，而对高炉操作稳定性的要求则越来越高，这就迫切需要将高炉操作人员从一般性的事物中解放出来，一些常规的、重要的管理工作，如水温差的测定、热负荷的计算等让计算机控制系统去完成，而高炉操作人员则专注于根据各种信息对高炉过程进行分析与判断，从而发现问题的症结所在。

一.1.2非高炉炼铁

由于高炉炼铁技术经济指标好、可靠、产量大、效率高、能耗低，这种方法生产的铁占世界生铁总产量的90%以上，但一些缺乏焦炭资源的国家和地区，也使用非高炉炼铁法。

非高炉炼铁法，即高炉以外的，不用焦炭，而以煤、燃油、天然气、电为能源的炼铁方法。

主要有直接还原法和熔融还原法，此外还有电炉炼铁法。

直接还原法有气体直接还原法（竖炉法）和固体还原剂直接还原法（回转窑法）。

熔融还原法是指一切不用高炉冶炼液态生铁的方法，它是用高品质铁精矿，经预还原在高温熔融状态下直接还原成液态金属。

电炉冶炼法只用于水电资源丰富而又缺乏焦炭资源的地区和国家。

我国天然气紧张、碳源丰富，故主要采用固体还原剂（煤基）直接还原法，熔融还原则在试验或引进中，主要为COREX法。

一.2高炉自动测控系统的重要性

高炉是钢铁生产线中最重要的基础设备。

高炉在钢铁厂处于喉舌位置，它需及时持续地为钢厂提供稳定、高质的铁水。

然而自动化水平直接关系到高炉的运作，长期以来，炼铁厂工长操作高炉基本上依赖于自身的经验。

正是这些特点使得高炉自动控制系统显得尤为重要。

由于高炉是密闭组织，所以其可靠运行的前提必须是有可供处理的信息或数据，而这些信息或数据多是由传感器提供的，只有靠先进的自动检测仪表才能正确掌握炉况。

高炉要及时、正确地按规定的顺序和一定配比装入大量的原料，并且要求炉料均匀下降，使之与煤气流良好接触，以保持一定的炉热状态，这些在很大程度上依赖于自动化技术来实现，故现代高炉都把自动化作为关键环节重点发展。

一.3本文主要研究工作

（1）熟悉高炉结构、原理及测控要求；

（2）完成高炉自动检测系统设计；

（3）设计高炉炉顶压力自动控制系统和保护系统；

（4）利用MCGS设计监控画面，对实时数据进行显示，并实现历史数据回放及报警等功能。

第二章高炉炼铁生产工艺

二.1高炉炼铁的复杂性

炼铁生产过程是在高炉内进行的一系列复杂的还原反应过程，炉料矿石、燃料和熔剂从炉顶装入，从鼓风机送来的冷风经热风炉加热后，形成高温热风从高炉风口鼓入，随着焦炭燃烧产生的热气流自下而上运动，而炉料则由上而下运动，互相接触进行热交换，逐步还原，最后在炉子的下部还原成生铁，同时形成炉渣。

积聚在炉缸的铁水和炉渣，分别由出铁口和出渣口放出。

在高炉炼铁过程中，炼铁工艺的连续化生产流程是由诸多子工序组成的复杂生产系统，从自动化控制角度考虑高炉冶炼过程，高炉流程是以值班工长为指挥中心的多工序、多岗位、分工配合、协调进行的生产流程。

在这样错综复杂的生产环节链中，某一个子工序的某一环节出现波动或故障，都要影响到整个高炉的冶炼进程，其结果将使高炉过程控制从正常进程转入故障进程，炉况状态也因此会发生变化，于是高炉冶炼过程的控制模型也就进入完全不同的模式。

本文主要研究高炉本体的检测以及高炉炉顶压力的控制。

二.2高炉设备

高炉生产是借助高炉本体和辅助设备来完成的。

高炉本体是冶炼生铁的主体设备，它是由耐火材料砌筑的竖立式圆筒形炉体，最外层是由钢板制成的炉壳，在炉壳和耐火材料之间有冷却设备。

二.2.1高炉本体设备

炼铁过程是在高的、圆形截面的、钢壳内衬有耐火材料的高炉中进行的。

高炉内型为一个符合炼铁需要的竖式圆筒型炉子，且中间粗两头细。

按部位分为五段：

炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸。

炉缸设有风口、铁口和渣口。

其内部结构如图2.1所示。

图2.1高炉内部结构示意图

高炉炉壳是现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉才用钢箍加固的砖壳。

炉壳的作用是固定冷却设备、保证高炉砌体牢固、密封炉体，有的还承受炉顶载荷。

炉壳除承受巨大的重力外，还要承受热应力和内部的煤气压力，有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击，因此要有足够的强度。

炉壳外形尺寸应与高炉内型、炉体各部厚度、冷却设备结构形式相适应。

炉喉是高炉本体的最上部分，呈圆筒形。

炉喉既是炉料的加入口，也是煤气的导出口，它对炉料和煤气的分布情况起控制和调节作用。

炉喉直径应和炉缸直径、炉腰直径及大钟直径比例适当。

炉喉高度要允许装一批以上的料，以能起到控制炉料和煤气流分布为限。

炉身是高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻力。

炉身角的大小对炉料下降和煤气流分布有很大影响。

炉腰是高炉直径最大的部位。

它使炉身和炉腹得以合理过渡。

由于在炉腰部位有炉渣形成，并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化，为减小煤气流的阻力，在渣量大时可适当扩大炉腰直径，但仍要使它和其他部位尺寸保持合适的比例关系，比值以取上限为宜。

炉腰高度对高炉冶炼过程影响不很显著，一般只在很小范围内变动。

炉腹是高炉熔化和造渣的主要区段，呈倒锥台形。

为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径自上而下逐渐缩小，形成一定的炉腹角。

炉腹的存在，使燃烧带处于合适位置，有利于气流均匀分布。

炉腹高度随高炉容积大小而定，但不能过高或过低，一般为3.0～3.6m。

炉腹角一般为79～82；

过大不利于煤气流分布；

过小则不利于炉料顺行。

炉缸是高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形。

出铁口、渣口和风口都设在炉缸部位，因此它也是承受高温煤气及渣铁物理和化学侵蚀最剧烈的部位，对高炉煤气的初始分布、热制度、生铁质量和品种都有极重要的影响。

炉底是高炉炉底砌体，不仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到1400～4600℃的高温、机械和化学侵蚀，其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命。

只有砌体表面温度降低到它所接触的渣铁凝固温度，并且表面生成渣皮（或铁壳），才能阻止其进一步受到侵蚀，所以必需对炉底进行冷却，通常采用风冷或水冷。

目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散热能力。

炉基的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层，因而其形状都是向下扩大的。

高炉炉基的总重量常为高炉容积的10~18倍。

炉基不许有不均匀的下沉，一般炉基的倾斜值不大于0.1％~0．5％。

高炉炉基应有足够的强度和耐热能力，使其在各种应力作用下不致产生裂缝。

炉基常做成圆形或多边形，以减少热应力的不均匀分布。

炉衬是组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保护炉壳和其免受热应力和化学侵蚀的作用。

炉衬是用能够抵抗高温作用的耐火材料砌筑而成的。

炉衬的损坏受多种因素的影响，各部位工作条件不同，受损坏的机理也不同，因此必须根据部位、冷却和高炉操作等因素，选用不同的耐火材料。

炉喉护板是炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件十分恶劣，维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件。

为此，在炉喉设置保护板（钢砖）。

小高炉的炉喉保护板可以用铸铁做成开口的匣子形状；

大高炉的炉喉护板则用100～150mm厚的铸钢做成。

炉喉护板主要有块状、条状和变径几种形式。

变径炉喉护板还起着调节炉料和煤气流分布的作用。

二.2.2高炉辅助设备

（1）供料系统。

包括贮矿槽、称量与筛分等一系列设备，其任务是将高炉冶炼所需原燃料通过上料系统装入高炉。

（2）送风系统。

包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门等，其任务是连续可靠的供给高炉冶炼所需的热风。

（3）煤气除尘系统。

包括煤气管道、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等，其任务是将高炉冶炼所产生的煤气，经过一系列的净化使其含尘量降至10㎎/m3以下，以满足用户对煤气质量的要求。

（4）渣铁处理系统。

包括出铁厂、开铁口机、堵渣口机、炉前吊车、铁水罐车及水冲渣设备等，其任务是及时的处理高炉排放出的渣、铁，保证高炉正常进行。

（5）喷吹燃料系统。

包括原煤的储存、运输、煤粉的制备、收集及煤粉喷粉等，其任务是均匀稳定的向高炉喷吹大量煤粉，以煤代焦，降低焦炭消耗。

二.3高炉生产工艺流程

高炉炼铁生产是冶金（钢铁）工业最主要的环节。

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被还原、熔化成铁和渣聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。

其主要过程如图2.2所示。

图2.2高炉炼铁生产工艺流程

第三章高炉自动检测系统设计

自动检测系统是高炉自动化的重要组成部分，控制系统的可靠性及功能配置直接影响高炉重要参数、数据的准确性、可靠性，直接影响高炉生产能力、安全运行、高炉长寿等重要经济指标的实现。

因此，高炉检测系统具有重要意义。

三.1温度检测系统

高炉冶炼过程的炉体温度隐含着冶炼过程的设备安全和炉况顺行的重要信息，温度数据的剧烈变动往往与各类故障的发生存在着密切的关系。

因此我们必须实时的判断高炉内部的温度变化，利用检测仪表及时的检测出各点的温度，以便于操作工进行操作控制。

三.1.1主要检测项目

本文主要是针对高炉本体部分进行的温度检测并实时进行数据显示。

其主要的检测点包括炉顶温度、炉喉温度、炉身温度、炉基温度、炉底温度和热风温度。

炉顶温度系煤气与料柱作用的最终温度：

炉喉温度能准确的指出煤气流沿炉子周围工作的均匀性；

炉身温度可以监视炉衬腐蚀和变化的情况，炉衬结瘤或过薄时，通过炉身温度反映出来；

炉基温度主要用于监视炉底侵蚀情况。

热风温度是热风炉的一个重要参数，它将影响到高炉顺行、生产率、产品质量和高炉使用寿命。

三.1.2温度检测系统介绍

为了判断高炉内部状况，很好的使整个设备运做起来，温度检测系统是非常重要的，它及时、准确地提供高炉信息，使高炉有序、高质量地生产。

本温度检测系统主要以热电偶为检测元件，通过热电偶感受温度变化，热电偶将温度变化转换为热电势信号，然后送至温度变送器，将热电势转换为标准的4-20mA输出，温度变送器出来的信号直接由多点式记录仪指示和记录。

其检测系统框图如图3.1所示。

图3.1温度检测系统框图

三.1.3检测仪表选型

为了判断炉况，检测高炉各部分温度必须采用温度传感器，温度感器一般分为接触式和非接触式两大类。

所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式。

而非接触方式是遥测，主要是红外测温，这是接触方式做不到的。

高炉的温度测量传统上都采用热电偶、热电阻。

热电偶和热电阻都是一种热电型的温度传感器，它将温度信号转换成电势（mV）信号，配以测量mV信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号的转换。

而红外测温是通过测量物体热辐射发出的红外线，从而测量物体的温度，红外辐射的物理本质是热辐射。

热辐射是由于内外原因使物体内部带电粒子不断运动，使物体具有一定温度（高于绝对零度）而产生一种热辐射现象。

虽然红外测温传感器有诸多的优点，但由于其市场价格昂贵,很多测温使用热电偶和热电阻。

热电偶温度计由于测温范围宽，在工程实际中的应用非常广泛。

从0~1800℃的温区，都可选择不同型号的热电偶温度计实现温度测量。

除此以外，热电偶温度计还具有明显的优点：

①结构简单，制造方便，价格便宜；

②测温精度较高，高温区的复现性和稳定性好；

③由于输出电信号，便于信号的远传和记录，也有利于集中检测和控制；

④热电偶体积小，热容量及热惯性均小。

热电偶的结构有两种，普通型和铠装型。

普通性热电偶一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成，而铠装型热电偶则是将热电偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。

铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的传感器，通常与显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。

热电阻在工业领域应用也极为广泛，其优点也很多，可以远传电信号、灵敏度高、稳定性强、互换性以及准确性都比较好，但是需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。

但是其价格要比贵金属热电偶便宜很多。

热电阻与热电偶的选择最大的区别就是温度范围的选择，热电阻是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200~600℃，而热电偶是测量中高温的温度传感器，一般测量温度在400~1600℃，在选择时如果测量温度在200℃左右就应该选择热电阻，如果测量温度在600℃就应该选择K型热电偶，如果测量温度在1200~1600℃就应该选择S型或者B型热电偶。

根据国际电工委员会（IEC）推荐的八种类型标准化热电偶，以及本设计要求，测量对象（高炉的炉喉、炉身、炉底、炉基、热风炉）的温度变化范围为0~1000℃，选用S型铠装热电偶（铂铑10-铂热电偶）作为检测元件，其测温范围一般在0~1300℃，具有高温下抗氧化、抗腐蚀、耐酸性、稳定性好、性能优良、精度高等特点。

根据国际电工委员会（IEC）推荐的四种类型标准化热电阻，以及本设计要求，测量对象（冷却水）的温度范围为0~500℃，选用分度号为Pt100（铂热电阻）作为检测元件，其测温范围一般为-200~650℃。

三.1.4热电偶、热电阻的安装

热电偶、热电阻属接触式温度计，它们要与被测介质相接触，因此热电偶、热电阻安装正确与否，严重影响测温精度。

由于被测对象不同，环境条件不同，它们的安装方法和措施也不同，需要考虑多方面因素。

为确保测量的准确性，首先，根据管道或设备工作压力大小、工作温度、介质腐蚀性要求等方面，合理确定热电偶和热电阻的结构型式和安装方式；

其次，正确选择测温点，测温点要具有代表性，不应把热电偶、热电阻插在被测介质的死角区域；

热电偶、热电阻工作端应处于管道流速较大处；

最后，要合理确定热电偶的插入深度。

在选择对热电偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点：

（1）为了使热电偶和热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换，应合理选择测点位置，尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻。

（2）带有保护套管的热电偶和热电阻有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电偶和热电阻应该有足够的插入深度：

①对于测量管道中心流体温度的热电偶，一般都应将其测量端插入到管道中心处（垂直安装或倾斜安装），如被测流体的管道直径是200毫米，那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米；

②对于高温高压和高速流体的温度测量（如主蒸汽温度），为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂，可采取保护管浅插方式或采用热套式热电偶，浅插式的热电偶保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm;

热套式热电偶的标准插入深度为100mm；

③假如需要测量是烟道内烟气的温度，尽管烟道直径为4m，热电偶或热电阻插入深度1m即可。

④当测量原件插入深度超过1m时，应尽可能垂直安装，或加装支撑架和保护套管。

根据本设计要求，测控对象为高炉，由于插入深度的选取应当使热电偶能充分感受介质的实际温度，一般为热电偶和热电阻总长度的4/5以上。

对于管道安装通常使工作端处于管道中心线，管道直径区域内。

安装中常采用直插、斜插等插入方式，如果管道较细，宜采用斜插。

在斜插和管道肘管（弯头处）安装时，其端部应迎着被测介质的流向（逆流），不要与被测介质形成顺流，在高温设备上测温时，为防止保护套管弯曲变形，应尽量垂直安装。

若必须水平安装，则插入深度不宜过长，且应用耐火粘土或耐热合金制成的支架将热电偶或热电阻支撑住。

本检测系统中，热风温度选用S热电偶，总长度为600㎜，插入深度为500㎜，外径为16㎜的刚玉保护管；

炉喉煤气温度选用S热电偶，插入深度L=1000㎜，高炉铝保护管外径为6㎜；

炉身温度选用S铠装热电偶，插入深度为800㎜，热电偶外径为6㎜；

炉底四点温度选用S铠装热电偶，插入深度分别为3130、2900、2000、1100㎜，热电偶外径为6㎜；

炉基温度选用S铠装热电偶，插入深度为3800㎜，热电偶外径为6㎜。

冷却水温度选用Pt100热电阻，总长度为350㎜，插入深度为200㎜。

三.2流量检测系统

三.2.1主要检测的项目

鼓风温度、湿度是鼓风质量的一个重要参数之一，他直接影响到高炉顺行、生产率、产品质量和高炉寿命，因此通过调节冷风阀来控制冷风流量，从而实现热风温度、湿度控制。

高炉主要流量检测项目有冷风流量和冷却水流量。

三.2.2流量检测系统介绍

由于流量检测条件的多样性和复杂性，流量检测的方法非常多，是工业生产过程常见参数中检测方法最多的。

据估计目前在全世界流量检测方法至少已有上百种，其中有多种是工业生产和科学研究中常用的。

本设计主要使用节流式检测方法，节流式流量计由节流装置（节流件、取压装置和符合要求的前后直管道）、引压导管、差压计和显示仪表组成。

节流装置把流体流量转换成差压信号，通过引压管送到差压计，差压计进一步将差压信号转换为电流信号，显示仪表将接收到的电流信号进行显示。

由于节流装置是一个非线性的环节，它与流量成平方关系，所以显示仪表直接显示的值为非线性的，为了解决这个问题，通常在差压计的后面加开方器，或者将开方器依附在差压计内。

节流式流量检测系统框图如图3.2所示。

图3.2节流式流量检测系统框图

三.2.3检测仪表选型

节流式流量计是一种典型的差压式流量计。

是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸气流量的最常用的一种流量仪表。

据调查统计，在炼铁厂、炼油厂等工业生产