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过程控制系统课程设计崔同响

过程控制系统课程设计论文

题目：

转炉氧压检测与控制系统设计

专业：

电气工程及其自动化

班级：

2011电气3三班

姓名：

崔同响

学号：

201101030143

教师：

牛林

2013年6月28日

目录

摘要1

第一章转炉氧枪的供氧制度2

1.1转炉炼钢工艺简介3

1.2供氧制度的主要内容4

1.3供氧制度中的工艺参数5

本章小结6

第二章转炉氧枪供氧系统参数7

2.1转炉氧枪氧气流量8

2.2转炉氧枪冷却水9

2.3转炉氧枪枪位10

本章小结11

第三章转炉氧枪氧压检测与控制12

3.1转炉氧枪氧压控制意义13

3.2转炉氧枪氧压检测与控制设计14

3.2.1氧枪氧压检测与控制参数15

3.2.2设计的具体方案16

3.2.3仪表选型17

3.2.4氧枪氧压控制设计图18

总结19

参考文献20

摘要

氧枪是转炉炼钢的关键设备。

在转炉顶吹炼中,氧枪的主要作用是向熔池供氧和传氧,吹炼氧压及氧枪枪位的高低对熔池的脱碳速度和炉渣中FeO含量以及熔池温度有重大影响。

因此,氧压和氧枪枪位的控制是关系到炼钢生产质量好坏的至关重要的环节。

在本课程设计中首先是对转炉氧枪中通氧管道进行取压，具体实施办法是将节流装置安装在氧气管道中通过安装在氧气管道上的取压管获得差压，然后将差压引入弹簧管，此时弹簧管会有形变，将霍尔片固定在弹簧管的自由端，在霍尔片的上、下方垂直安放两对磁极，当被测压力引入后，弹簧管的自由端会产生位移，即改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置。

这样就将压力信号转为电信号可取得4～20mADC的氧气压力信号，将它送至调节器与给定值相比较，根据偏差情况，调节器给出调节信号，驱动执行机构改变氧气管道阀门开度，从而控制氧气压力为规定值。

关键词：

转炉氧枪、氧枪氧压、氧枪枪位

第一章转炉氧枪的供氧制度

1.1转炉炼钢工艺简介：

炼钢的基本任务是脱碳、脱磷、脱硫、脱氧，去除有害气体和非金属夹杂物，调整成分。

归纳为：

“四脱”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（成分和温度）。

采用的主要技术手段为：

供氧，造渣，升温，加脱氧剂和合金化操作。

转炉炼钢是在转炉里进行。

开始时，转炉处于水平，向内注入1300摄氏度的液态生铁，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空气并转动渣转炉使它直立起来。

这时液态生铁表面剧烈的反应，使铁、硅、锰氧化（FeO,SiO2,MnO,）生成炉渣，利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用，使反应遍及整个炉内。

几分钟后，当钢液中只剩下少量的硅与锰时，碳开始氧化，生成一氧化碳（放热）使钢液剧烈沸腾。

炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现巨大的火焰。

最后，磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。

磷酸亚铁再跟生石灰反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙，一起成为炉渣。

当磷与硫逐渐减少，火焰退落，炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时，表明钢已炼成。

这时应立即停止鼓风，并把转炉转到水平位置，把钢水倾至钢水包里，再加脱氧剂进行脱氧。

个过程只需15分钟左右。

钢和生铁含碳量的界限通常是：

生铁：

[C]=1.7～4.5％，钢：

[C]≤1.7％

［C］→[CO]耗氧量　100×（4.30%-0.20%）×90%×16/12=4.92吨

［C］→[CO2]耗氧量   100×（4.30%-0.20%）×10%〕32/12=1.09吨

［Si］→[SiO2]耗氧量　100×0.8%×32/28=0.914吨

［Mn］→[MnO]耗氧量100×0.2%×16/55=0.058吨

［P］→[P2O5]耗氧量100×0.13%×（16×5）/（31×2）=0.168吨

[S]1/3被气化为SO2,2/3与CaO反应生成CaS进入渣中,则［S］不耗氧。

图1.1转炉炼钢生产过程流程图

1.2供氧制度的主要内容：

确定合理的喷头结构、供氧强度、氧压和枪位制。

供氧是保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣制度、控制喷溅去除钢中气体与夹杂物的关键操作，关系到终点的控制和炉衬的寿命，对一炉钢冶炼的技术经济指标产生重要影响。

1.3供氧制度中的工艺参数

①供氧量

定义：

单位时间内供入熔池的氧气量，单位是m3/min，或m3/h，故又称氧气流量，常用Q表示。

计算公式：

⑴每吨金属需氧量

它取决于铁水成分、所炼钢种的终点成分及氧气利用率等因素，通常情况下为52～60m3/t。

⑵供氧时间

国内不同容量转炉的供氧时间统计如下表：

转炉容量/t　12　30　50　120

供氧时间/min　～15　～16　～18　～23

供氧强度/m3/t·min～4.0　～3.6　～3.3　～3.0

②.供氧强度

定义：

单位时间内每吨金属的耗氧量，常用I表示，单位是m3/t·min。

计算公式：

供氧强度I=

=

另外，供氧强度的大小还与原料质量、操作水平等因素有关。

⑴工作氧压P

用指测定点氧压，即氧气进入氧枪前管道中的氧压，也是供氧制度中规定的工作氧压。

由测定点到喷嘴前有一定的氧压损失，根据具体情况可以测定。

所以P用＞P0。

⑵喷嘴前氧压P0：

其选用应考虑以下因素：

A.氧气流股出口速度要达到超音速（450～530cm∕s），即M＝1.8～2.1。

B.出口的氧压应稍高于炉膛内气压。

通常P0＝0.784～1.176MPa。

⑶出口氧压P：

应稍高于或等于周围炉气的压力。

通常P＝0.118～0.125MPa。

本章小结：

在转炉顶吹炼钢过程其实就是对铁水的定量氧化过程，所以供氧系统是关键，供氧系统的主要作用是向熔池供氧和传氧，向熔池供氧是保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣制度、控制喷溅去除钢中气体与夹杂物的关键操作，关系到终点的控制和炉衬的寿命，对一炉钢冶炼的技术经济指标产生重要影响。

吹炼氧压及氧枪枪位的高低是供氧制度中的两个重要参数它对熔池的脱碳速度和炉渣中FeO含量以及熔池温度有重大影响。

因此,供氧制度是关系到炼钢生产质量好坏的至关重要的环节。

第二章转炉氧枪供氧系统参数

2.1转炉氧枪氧气流量

控制氧气流量是控制吹炼的重要方：

法之一，因此需要精确地测量和控制氧气流量。

氧气流量是通过安装在氧气管道上的节流装置和流量变送器将流量转换成4～20mADC电流信号。

由于压力、温度对流量有影响，故采用了压力、温度补偿装置，经演算器运算后得到实际氧气流量信号，一方面送至显示仪表指示和记录，同时将流量信号送至调节器与流量给定值相比较，根据比较结果，调节器给出调节信号，驱动执行机构，改变阀门开度，从而保证氧气流量为给定值。

由于氧气顶吹转炉在吹炼过程中需要经常降枪和提枪以便于采样、测量和倒渣，这就要求降枪时送氧，提枪时快速切断氧气，所以在调节阀后面装有切断阀。

切断阀的位置只有两个，提枪时切断阀全关，降枪时切断阀全开。

切断阀和氧气喷枪提升机构自动连锁，当氧枪进入炉内一定深度时便自动打开切断阀，提枪时便自动关闭切断阀。

切断阀动作要迅速，关闭要严密，工作要可靠。

图2.1转炉氧枪氧气流量控制方框图

2.2转炉氧枪冷却水

氧枪冷却水的供应是保证氧枪在炉内高温下正常工作的必要条件，一般采用压力为1200～1500kPa的高压水。

除了对冷却水的压力进行检测外，还要对冷却水进出水温度及温度差、冷却水流量进行测量。

当出水温度超过规定时氧枪就有烧坏的危险，应立即发出警报。

冷却水流量的测量是通过安装在管道上的节流装置，流量变送器取得4～20mADC电流信号,送至显示仪表指示和记录。

冷却水压力的测量是通过安装在管道上的取压管和压力变送器取得4～20mADC电流信号，送至显示仪表指示和记录。

冷却水温度是通过安装在管道上的热电阻和热电阻压力变送器，把进出水温度转换成4～20mADC电流信号，送至显示仪表指示和记录。

当冷却水压力低于规定值，出水温度高于规定值，进出水温度差高于规定值，都会发出警报。

图2.2冷却水温度控制系统方框图

2.3转炉氧枪枪位

氧枪高度直接影响炉内造渣、脱碳速度和提温速度，是炼钢操作的一个十分重要的参数。

直接用标尺指示氧枪高度，用电气设备人工控制是一种最简单的办法，但准确度不高。

在氧枪卷扬机上安装一套脉冲发生器，用一套接受装置在操纵室内计量氧枪高度，同时对氧枪提升和下降位置，氧气切断阀开闭实行连锁和自动控制。

这种方法精确度较高，显示明确，操作方便，特别是可以与计算机配合直接由计算机控制。

图2.3氧枪枪位控制系统方框图

1．枪位与熔池搅拌的关系

⑴硬吹（低枪位或高氧压的吹炼模式）

氧气射流对熔池的冲击力大，形成的冲击深度较深，冲击面积较小，产生的小液滴和气泡的数量多，气体—熔渣—金属乳化充分，炉内化学反应速度快，特别是脱碳速度加快，大量的CO气体排出，使熔池得到充分的搅动，同时降低了熔渣中∑（FeO）含量。

即枪位越低，熔池内部搅动越充分。

⑵软吹（枪位高或氧压低的吹炼模式）

氧气射流对熔池的冲击力减小，冲击深度变浅，反射流股的数量多，冲击面积增大，对熔池表面搅动有所增强，内部搅动相应减弱，脱碳速度降低，熔渣中的∑（FeO）含量增加。

综上所述，枪位在适当的范围内变动，可以调节熔池表面和内部化学反应速度，尤其是脱碳反应速度，从而起到调节熔池的搅拌作用。

如果短时间内采用高低枪位交替操作，还有利于消除炉内液面上可能出现的“死角”。

所以在炉役后期，成渣速度慢时，可采用高低枪位交替操作，能够消除渣料结坨，加快化渣。

本章小结

在本章中主要介绍了转炉顶吹炼中供氧系统的各个参数。

它包含氧枪的氧气流量，氧枪的氧气压力，氧枪冷却水温度控制和氧枪枪位。

这些参数在适当的范围内变动，可以调节熔池表面和内部化学反应速度，尤其是脱碳反应速度，从而起到调节熔池的搅拌作用。

但是这些参数中氧枪的氧压控制最为关键。

在接下的一章中主要介绍氧枪氧压的检测和控制。

第三章转炉氧枪氧压检测与控制

3.1转炉氧枪氧压控制意义

一定的生产条件下每吨金属的耗氧量是定值，较高的供氧强度意味着供氧时间较短，即生产率高。

但实际生产中喷头的直径一定，只有通过提高氧气的压力来实现，这样吹炼中喷溅严重且氧气的利用率较低。

一般情况下，随着转炉容量的增大，H/D减小，生产中易喷，供氧强度减小，另外，供氧强度的大小还与原料质量、操作水平等因素有关，例如国外一些300吨转炉的供氧强度也高达4.0左右。

在我国转炉炼钢中吹入压力正常情况应维持在1.0MPa左右,而来自氧气站的氧气压力一般在1.6～3.0MPa之间。

为满足吹炼工艺的要求,采用两级调压系统,第一级采用压力调节系统将压力调节至1.5MPa,第二级采用流量调节系统将压力调节至1.0MPa,由于压力调节阀和流量调节阀是串联在同一根管道上,为避免相互影响,可采取。

如下措施予以解决:

①压力调节阀预设规定开度。

同流量调节系统一样,预设规定开度是为了解决间歇过程自动调节的问题。

经过现场调试来确定规定开度时间,使压力调节和流量调节相匹配。

②压力调节系统超调（当PV-SV>GAP时,GAP为偏差上限设定值）。

压力调节阀强制在某规定开度,其目的是为了减少压力波动对流量调节的扰动。

3.2转炉氧枪氧压检测与控制设计

3.2.1转炉氧枪氧压检测与控制参数

①工作氧压P：

指测定点氧压，即氧气进入氧枪前管道中的氧压，也是供氧制度中规定的工作氧压。

由测定点到喷嘴前有一定的氧压损失，根据具体情况可以测定。

所以P＞P0。

②喷嘴前氧压P0：

其选用应考虑以下因素：

A.氧气流股出口速度要达到超音速（450～530cm∕s），即M＝1.8～2.1。

B.出口的氧压应稍高于炉膛内气压。

通常P0＝0.784～1.176MPa。

C出口氧压P：

应稍高于或等于周围炉气的压力。

通常P＝0.118～0.125MPa。

3.2.2设计的具体方案

根据工艺的要求，吹氧压力为0.8MPa。

流量为6000～9000

／h

由制氧分厂送来的氧气首先在转炉分厂的氧气球罐内储存，氧球的出口压力及炼钢车间氧气总管压力为2～2．5MPa，氧枪内氧气压力根据工艺要求必须大于0.6MPa，如果小于0.6Mpa，则发出报警信号同时通过联锁装置氧枪作自动控制。

图3.2.1氧枪氧压检测与控制系统图

初步设计方案如下：

首先是对转炉氧枪中通氧管道进行取压，具体实施办法是将节流装置安装在氧气管道中通过安装在氧气管道上的取压管获得差压，然后将差压引入弹簧管，此时弹簧管会有形变，将霍尔片固定在弹簧管的自由端，在霍尔片的上、下方垂直安放两对磁极，当被测压力引入后，弹簧管的自由端会产生位移，即改变了霍尔片在非均匀磁场中的位置。

这样就将压力信号转为电信号可取得4～20mADC的氧气压力信号，将它送至调节器与给定值相比较，根据偏差情况，调节器给出调节信号，驱动执行机构改变氧气管道阀门开度，从而控制氧气压力为规定值。

图3.2.2氧枪氧气压力检测流程图

3.2.3仪表选型

传感器的选择:

由于被测对象为压力而且氧枪压力为表压而且为高压，由于波纹管、膜片、膜盒多用于微压、低压或负压的测量；而弹簧管可以作高、中、低压及负压的测量。

所以可选择弹簧管，但是弹簧管不能进行远传因此可以和霍尔片式传感器配合使用将取得的压力信号转换为4-20mADC电流信号以进行远传。

这样可以实现远程控制。

执行器的选择：

由于控制对象为氧气，当有火花或者根电接触时会发生爆炸，因此为了生产的安全在选择执行器时应选气动执行器，将4-20mADC的电流信号通过电-气转换器后成为气压信号，从而去改变控制压力的大小，使生产过程按预定的要求进行，实现生产的自动控制。

气动执行机构有薄膜式和活塞式执行机构在工程上采用薄膜式执行机构。

调节阀的选择：

因为控制对象是氧气而且是高压所以阀门选择高压阀，因为它是专为高压系统使用的一种特殊阀门，使用的最大公称压力在32MP以上；

气开、气闭的选择：

控制对象为氧气当出现事故时应当使氧气关闭，此时没有信号，那么应该选择气开。

调节器的选择：

因为在转炉炼钢的过程中要求氧气的能迅速而且足够的进入炉内与铁水发生氧化反应，就必需是氧气的压力能迅速达到生产要求的给定值而且要保证不许有误差否则影响钢铁种类的冶炼有影响。

因此调节器因选PID型调节器

3.2.4氧枪氧压控制设计图

总结

随着我国经济的高速发展，国民生活水平的提高，钢铁的需求量大大增加，而在增加的同时又要求钢铁质量。

炼钢工序在钢铁企业中起着承上启下的作用，氧气则是其中的关键因素。

通过对转炉炼钢顶吹控制方案分析说明,我们发现顶吹氧气流量和压力控制的好坏,不仅关系到冶炼钢种质量,还关系到能否正常安全生产。

因此,一定要充分考虑各种因素,确保控制可靠合理,以满足工艺要求和安全生产为准则。

当然,转炉炼钢顶吹控制仅仅是控制系统中的一部分,如底吹控制系统、副原料及铁合金投入控制系统、烟气冷却净化回收控制系统和冷却水控制系统等,都是转炉控制系统的重要组成部分。

对于一个炼钢厂来说,每一个环节都要做到设计合理可靠,每一个控制系统都做到方案确实可行,才能保证产品质量和生产安全。

参考文献

[1]《冶金过程检测与控制》郭爱民，冶金工业出版社

[2]《过程控制系统及仪表》第三版李亚芬，大连理工大学出版社

[3]《炼钢转炉氧压及氧枪枪位控制》梁渊，四川冶金,2002年05期  

[4]《转炉炼钢的顶吹控制》蓝厚和;李甲辰;自动化仪表,2003年04期  

[5]《过程控制系统与仪表》王冉英;机械工业出版社,2007版

[6]《过程控制系统及工程》翁维勤.孙洪程;化学工业出版社