高炉喷煤喷吹自动化控制系统的硬件设计说明.docx

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高炉喷煤喷吹自动化控制系统的硬件设计说明

河北理工大学轻工学院

本科毕业论文开题报告

题目：

高炉喷煤喷吹自动化控制

系统硬件设计

学部：

工程教育部

专业：

机械设计制造及其自动化

班级：

05级机械1班

姓名：

赵杰

学号：

200515160402

指导教师：

玄兆燕

2009年3月23日

一、选题背景

1高炉喷煤技术背景

高炉喷煤技术始于1840年S．M．Banks关于喷吹焦炭和无烟煤的设想；世界最早的工业应用即是根据这一设想于1840～1845年间在法国博洛涅附近的马恩省炼铁厂实现的。

但此后的一百多年，发展却相对缓慢，基本无进展；直至20世纪60年代初，欧洲、中国、美国的一些工厂才陆续开始在高炉上试验喷煤。

7O年代末，第二次石油危机的出现，加快了高炉喷煤技术的研究和发展，特别是欧洲和日本更是在实际应用上取得了重大突破。

到90年代初，欧洲和日本已有小部分高炉月均吨铁喷煤超过了200kg大关，如：

1991年l0月英国钢铁公司斯肯索普工厂维多利亚女王号高炉201kg（粒煤），1992年11月德国蒂森公司施韦尔根1号高炉200．6kg，1992年11月荷兰霍戈文公司艾莫依登厂6号高炉205kg，1993年11月日本新日铁君津厂3号高炉200kg、1994年l0月NKK公司福山厂4号高炉218kg等指标均已是当时的世界一流水平。

2高炉喷煤的意义

高炉喷煤对现在高炉炼铁技术来说是一项重要的技术革命。

所谓高炉喷煤，就是指从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的煤粉（无烟煤、烟煤或两者的混合煤粉以及褐煤），以代替焦炭向高炉提供热量和还原剂。

它的意义在于：

A.以低价的煤代替了日趋贫乏且价格昂贵的冶金焦，降低了焦化，使高炉炼铁的成本大幅下降。

B.高炉喷煤可以作为一种调剂炉况的手段。

C.高炉喷煤可以改善炉缸工作状态，是高炉稳定顺行。

D.为高炉提高风温和富氧鼓风创造条件。

因为喷吹煤粉会使风口前理论燃烧温度降低，导致理论燃烧温度降低的主要原因有：

1）高炉喷吹煤粉后煤气量增加，加热煤气需要消耗热量；

2）喷吹煤粉带入的热量少，而焦炭进入风口区时已被充分加热，温度高达1450~1500℃，而喷吹的煤粉温度不超过100℃；

3）煤粉中的碳氢化合物分解需要热量。

E.喷吹煤粉中的氢含量比焦炭带入的多，氢气提高了煤气的还原能力和穿透扩散能力，有利于矿石的还原和高炉操作指标的改善。

F.喷吹煤粉代替了部分焦炭，不仅缓解了焦煤的供需紧张状况，也减少了对炼焦设施的投资和建设，更降低了炼焦生产对环境的污染。

3高炉喷煤基本流程

根据制粉装置到高炉距离的远近、煤粉仓，喷吹罐安放位置的差异、喷吹管路的粗细、喷吹压力的高低、输送浓度的大小以及喷枪形式的不同，可以有直接喷吹、间接喷吹；串罐喷吹、并罐喷吹；总管喷吹、多支管喷吹；高压喷吹、常压喷吹；浓相喷吹、稀相喷吹和氧煤枪喷吹、常规枪喷吹等各种形式的喷吹。

不同的设备结构和组合可以产生以下几种较成熟的工业性生产流程。

3．1德国KvTTNER流程

煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接→流化小罐→喷吹支管→喷枪；支管上装有流量计和二次风入口，安装位置前者靠近喷吹罐出口，后者靠近高炉。

近十多年来，KvTTNER公司又推出了一种新流程：

煤粉仓→并列喷吹罐→流化小罐→总管一分配器一支管一氧煤喷枪，并得到了更多的推广。

新流程为双罐、双总管和双分配器形式，仍然使用氮气加压、流化，采用浓相输送。

上钢一厂2500m3高炉喷煤选用的即是KvTTNER新流程，但是未用氧煤喷枪。

此外，重钢高炉喷煤也选用了KvTTNER新流程（常规喷枪），所不同的是该厂3、4、5号三座高炉共用一套喷吹装置，这套装置已于2001年11月投产，运行正常。

3．2美国阿姆科（ARMCO）流程

煤粉仓→并列喷吹罐→总管→分配器→支管→常规喷枪。

与新KuTrNER流程不同的是ARMCO流程使用3个喷吹罐，一根总管、一个分配器；总管既变径，局部还要变形，为确保足够的分配精度，分配器必须置于高炉炉顶，所有支管也必须等径、等长、等形状。

加压、流化使用氮气，因为是稀相输送，所以还需添加压缩空气。

宝钢1高炉喷煤即属阿姆科流程。

3．3日本住友流程

煤粉仓→并列喷吹罐→旋转给料器→喷吹小罐→总管→第一分配器→第二分配器→支管→喷枪。

住友流程总管上装有压差式流量计与旋转给料器共同调节喷煤总量，控制和设备组成均较复杂，和歌山4、5高炉喷煤即为这种流程。

3．4日本川崎流程

煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接→多支管→喷枪；喷吹罐上出料，底部设有搅拌器并在支管出口处接人二次风（压缩空气）稀释。

宝钢2高炉喷煤即属川崎流程。

3．5卢森堡PaulWurth流程

历史上PW公司与KvTTNER公司曾有过一段较长时间的合作，因此无论新流程还是老流程，两家的差异都不大，基本上大同小异，仅在个别设备的选用上有出入。

如老流程中PW用旋转给料器代替了KvTTNER的流化小罐；新流程中用声纳管代替了阻损管、用流化喷嘴代替了流化罐、增设泄压气回收装置等。

武钢4、5号高炉喷煤选用的即是PW流程，已于2002年投产。

3．6混合型流程

煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接→总管→分配器→支管→喷枪；这是在上述多支管流程基础之上的一种改良流程。

也可以称作混合流程。

宝钢3号高炉喷煤用的即是该种流程。

3．7英钢联粒煤喷吹流程

煤粉仓、中间罐、喷煤泵三罐串接→总管→分配器→支管→喷枪；主要特点是用喷煤泵代替了传统的喷吹罐，中间罐与喷煤泵之间使用圆顶阀联接，同样条件下，喷煤泵工作压力通常小于传统喷吹罐工作压力，喷煤泵出口设有由变频电机驱动的旋转给料阀。

斯肯索普安娜女王号高炉及克里夫兰4号高炉采用的即是典型的粒煤喷吹流程；其中，克里夫兰4号高炉的设计喷煤比竞高达匪夷所思的400kg／t，是迄今为止煤比最高的设计。

以上各流程均有吨铁喷吹200kg的能力和生产实绩，但无论是浓相或稀相，无论使用氧煤喷枪与否，抑或喷吹粉煤粒煤，近十年来新建喷煤装置采用较多的流程当属并罐、总管加分配器流程。

4国内外喷煤现状

4．1国内喷煤现状

中国的工业性喷煤是上世纪60年代首先在首钢高炉上实现的，且生产试验中最高喷煤比曾超过300kg／t，但持续时间只有几天；而当时国家的总体喷煤水平也仅为40～50kg／t。

1995年8～11月，鞍钢也是在3号高炉（831m3）的攻关试验中

才再次突破200kg大关，达到203kg，这次持续时间较长，但焦比仍高达382kg。

1999年6月，天津涉县铁厂5号高炉（300m3）亦是在试验时以207．8kg的成绩打破了鞍钢的记录，不过焦比仍然偏高，为332．7kg。

宝钢1高炉在1999年9月创造了吨铁月均喷煤260．6kg（焦比249．7kg）T业性喷煤记录，该记录直至今13仍是世界第二好成绩。

目前，全国重点企业高炉已全部配备了煤粉喷吹装置，2001年年均吨铁喷煤124kg（十五规划目标是150kg），喷煤总量超过1360万吨；除宝钢外，包钢指标最好，三座高炉平均151．9kg／t，单炉（1号高炉）年均180．4kg／t。

到2002年底止，全国有相当部分高炉改造或新建了喷煤设施，鞍钢、包钢、重钢、马钢、邯钢、梅山等厂的高炉均采用了9o年代以后的技术，喷煤设计能力标均为200kg／t，武钢4、5号高炉喷煤设计能力更高达250kg／t。

此外，一批中、小高炉和民营高炉选用的喷煤装置也都有很高的起点；像建龙钢厂、沙钢高炉等，其中沙钢更是直接从国外购买了二手成套设备。

4．2国外喷煤现状

世界范围的高喷煤比指标大多产生在20世纪90年代中后期。

尽管英国钢铁公司克里夫兰厂4号高炉（600m3）的一套试验装置，曾在1991年6月短期喷吹出318kg／t（粒煤）的世界最好成绩，但公认的世界级记录却是由13本钢管公司福山厂3号高炉（3223m3）在1998年6月创造的，当月的月均吨铁喷煤量为266kg，焦比289kg，喷煤率47．9％。

在此前后，还有过加古川厂1号高炉（4550m3）1997年l2月230kg、1998年3月254kg、霍戈文厂7号高炉（4363m3）1998年5月220kg的报导，虽然这些高炉获得了较高的喷煤比，但焦比仍居高不下，喷煤率基本徘徊在38％～42％之间。

自1998年7月起，宝钢喷煤也已跻身世界先进行列。

1号高炉吨铁喷煤比连续四年超过200kg，近二三年更稳定在230～235kg，喷煤率大于45％，真正代表了世界一流水平。

5展望

（1）未来3—5年，月均240～260kg／t的喷煤比和50％左右的喷煤率将会成为新一轮的世界一流指标，个别高炉可能会出现280～300kg／t的喷煤新记录；新建或改造喷煤装置的设计吨铁喷煤比将达250kg以上。

（2）目前的若干种喷煤工艺流程已经趋于成熟，短期内不会再有新的喷煤工艺出现，月均24O～260kg／t的喷煤比仍将通过现有的喷煤工艺来

实现。

（3）喷煤技术的研究重点将会转移到诸如风口前煤粉燃烧状况监测、喷煤量精确计量控制以及专用设备和煤粉预热技术开发等领域上来。

二、设计方案

1主要研究内容

本次毕业设计主要是应用PLC控制系统控制高炉喷煤的喷吹过程，实现喷吹的自动手动控制，安全连锁控制中间罐、喷吹罐压力自动控制，喷吹风压力自动控制，喷吹风流量自动控制，喷吹量的自动控制。

2采用的研究方法

熟悉和掌握整个工艺流程，分析控制流程，确定系统的控制方案，完成控制原理图设计，在此基础上，选择合适的PLC控制器，根据网上搜索的相关产品资料和用户手册完成系统的硬件设计。

3喷煤喷吹的控制过程

1）中间罐加料，既将煤粉从煤粉仓到中间罐倒罐程序。

2）喷吹罐加料，既将煤粉从中间罐到喷吹罐倒罐程序。

3）喷吹控制，既煤粉从喷吹罐喷到高炉风口中的程序。

4）停喷控制，既停止向高炉喷吹煤粉的程序。

5）安全连锁控制程序。

三、进度安排

第一周：

检索和阅读资料

第二周：

检索和阅读资料，进行总体工艺流程设计

第三周：

进行总体工艺流程设计

第四周：

确定基本工艺流程

第五周：

写开题报告写

第六周：

PLC选型，查阅相关产品资料和用户手册

第七周：

进行PLC控制过程安排

第八周：

绘制PLC硬件图

第九周：

绘制PLC硬件图

第十周：

绘制PLC硬件图

第十一周：

写毕业论文

第十二周：

写毕业论文

第十三周：

翻译英文科技文献、打印图纸

第十四周：

对论文进行整体检查并做必要的修改

第十五周：

对论文进行整体检查并做必要的修改

第十六周：

答辩

四、主要参考文献

[1]马爱琴，王爱国高炉喷煤工艺及自动控制系统2004年3月

[2]金艳娟高炉喷煤技术冶金工业出版社2005年3月

[3]温大威高炉喷煤技术现状及发展2003年第3期

[4]章兆舟我国高炉喷煤技术的发展和应用

[5]姚桐，常俊杰PLC在高炉喷吹煤粉控制系统中的应用2004年7月

[6]李文霞，路海风PLC控制系统在喷煤工程中的设计与应用2005年10月

[7]尹建威，祁海龙工业以太网和PLC在高炉喷煤系统中的应用2004年6月

[8]侯虹江，李彬基于现场总线的高炉喷煤控制系统设计2008年第2期

[9]朱亚平西门子S7-300可编程序控制器使用经验点滴2002年1月

[10]刘建文PLC自动控制系统在高炉喷煤中的应用

[11]刘雪梅，毕长泉TSXQUANTUMPLC在高炉喷煤系统中的应用2007年6月

[12]S7-300ProgrammableControllersModuleSpecifications

[13]RSLinxTrainingGuide.RockwellSoftware

指导教师意见：

该课题为现场实际课题，学生在电控方案设计的基础上，完成相关的控制系统设计，选题符合专业方向培养目标要求，设计包含传动控制、PLC原理等方面的内容；具有现实参考价值和实际应用价值；研究计划可行；该生阅读了相关的设计资料，课题立意明确，工作量比较适中。

同意开题。

指导教师签字：

年月日

毕业设计（论文）领导小组意见：

负责人签章：

年月日