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1第三章炼钢及连铸过程自动化第一节转炉炼钢工艺过程第二节转炉炼钢计算机控制的目的和今后的工作第三节转炉炼钢计算机控制第四节连续铸钢自动化2一般来讲，炼钢属于氧化精练过程。无论平炉、转炉或电弧炉炼钢，都是以生铁或废钢为原料，在熔炼过程中吹氧和加入铁矿石，向溶池供氧，用氧将其中的杂质元素（硫元素会引起‘热脆’、磷元素会引起‘冷脆’）氧化掉，以得到符合各种用途的成品钢。炼钢过程主要的化学反应是氧化反应。3第一节转炉炼钢工艺过程转炉炼钢是近30多年发展起来的新的炼钢方法。根据氧气吹入转炉的方式，可分为顶吹、底吹、“顶、底”复合吹、斜吹和侧吹等几种方法。转炉炼钢的主要优点是：反应快、冶炼时间短，生产效率高；设备简单，投资少，建造快；操作简单，固定资产折旧少，因而成本较低。其缺点是：原料限制严，用空气吹炼的转炉只能用铁水；由于反应快，不易控制冶炼终点；冶炼中金属的吹损和溅损较大；杂质带入较多。总起来看，转炉炼钢的优点是主要的，随着科学技术的发展和转炉的不断改进，例如炉外精练，SKF炉技术是可以逐步克服的。随着吹氧炼钢法的出现，转炉炼钢成为现代炼钢中最具有生命力的一种。下面只介绍氧气顶吹转炉炼钢法。45（1）氧气顶吹转炉的主要设备氧气顶吹的主要设备有，炉体、顶吹氧枪、炉子的倾动设备、造渣加料系统、净化回收系统以及冷却系统图3-1。图3-16①炉体转炉的炉内砌耐火砖，炉壳用钢板焊接。②顶吹氧枪氧枪由枪身和喷嘴两部分构成。喷嘴用铜质材料制成，整个氧枪用三个直径不同的无缝钢管套配而成，最里层是氧气通道，次里层通入高压冷却水，最外层是排出热水的通管，氧枪另配有提升装置，可以自动升降、行走和旋转，见图3-2所示。图3-278③炉体倾动装置炉体两侧由耳轴支撑在轴承上，由齿轮带动是炉体可以前后倾动。④造渣材料加料系统造渣材料石灰、萤石、矿石、铁皮等从地下料仓通过皮带运送到炉顶料仓。冶炼时，根据要求，将炉顶料仓开启，由电子秤称量后送入中间密封仓，然后造渣材料通过密封仓的出口，经烟罩中的加料口进入炉内。⑤净化回收系统氧气顶吹转炉在冶炼过程中，要产生大量CO气体，同时由于氧枪中心区炉温可达2000~2600℃，部分铁、锰等元素被蒸发和氧化，造成大量棕色烟雾（主要是FeO、Fe2O3等微粒），必须经过净化回收系统加以处理，以防止大气污染和尽可能回收有用物质而提高经济效益。9在吹炼过程中，当需要回收煤气时，就将炉顶的活动烟罩下降，罩住炉口，炉气从烟道上升，经文氏管洗涤，重力脱水器脱水处理后，净化的煤气收集煤气柜内备用。沉淀物经处理烧结后，可供高炉冶炼用。（2）氧气顶吹转炉炼钢的操作过程操作过程大体可分为装料、吹炼、脱氧出钢三个阶段。①装料上一炉出钢后，首先清除炉渣，如果炉衬有损坏，还需用耐火粉补炉，然后把转炉至装料位置，按炉料配比计算，先装入废钢和铁矿石，后兑入温度约1200~1300℃的铁水。10②吹炼装料完毕，将炉子转至吹炼位置，氧枪从炉口插入炉内，到氧枪喷嘴距溶池表面20~150cm处，送入（8~12）×105Pa，速度为1.0m3/min的氧气进行吹炼。吹氧的同时可加入造渣材料。造渣方法，根据铁水中杂质元素的含量常用单渣法和双渣法两种方式。当吹炼含硅、磷高的生铁水时，采用双渣法冶炼。所谓双渣法，就是在兑铁水后先加第一批造渣材料，造低碱度炉渣，待硅、锰基本氧化和炉渣熔化好时，即提起氧枪，放掉初期渣，然后再加入第二批造渣材料，造高碱度炉渣，直至吹炼结束。当吹炼含硅、磷低的生铁水时用单渣法，即在吹炼过程中只造一次渣。11吹炼初期，由于铁水温度不高，硅、锰的氧化速度比碳快，开吹2~3min时，硅、锰已基本上被氧化，同时铁也被氧化形成FeO进入炉渣和溶于铁水，石灰也逐渐熔化，磷也被氧化进入炉渣。吹炼初期炉口出现黄褐色的烟尘，继后为红色，这是由于炉口带出许多微小铁水珠，在空气中燃烧而形成的。大约吹炼6min以后，进入烧碳期，这时炉温升高到1450℃以上，碳的氧化速度加快，CO气体大量产生，在炉口出现CO燃烧而形成的白色火焰。这时由于CaO的加入，炉渣碱度逐渐增高，脱碱反应开始进行，硫以CaS的形式进入炉渣。12吹炼后期，由于含碳量降低，碳的氧化速度变慢，炉口火焰转暗并萎缩，这标志吹炼结束，同时铁的氧化加剧，炉口会由铁、锰氧化物组成的赤热气体而形成褐色浓烟。这时吹炼应立即停止，提升氧枪，抽样分析和用热电偶测定钢液温度，若温度过高，则可加入冷却剂（一般用矿石作冷却剂），若硫、磷含量还高于钢种规定值，则应补加适量造渣材料进行补吹。当钢水成分和温度都符合规定值时，即可出钢。13③出钢氧气顶吹转炉炼钢中的脱氧、合金化，一般是在出钢时将钢水倒入钢水包（盛钢桶）过程中进行的。出钢，是将炉子转到出钢位置，掏开出钢口，将钢水倒入钢水包并加入氧化剂和合金化的合金元素。顶吹转炉整个冶炼周期，从装料到出钢，100t以上的大型转炉约需40min左右，小型转炉还会更短。14第二节转炉炼钢计算机控制的目的和今后的工作（1）氧气吹炼转炉计算机控制的主要目的氧气吹炼转炉计算机控制的主要目的是：使每炉吹炼终点的钢水温度和成分（主要是含碳量）命中率在允许的范围内，以获得质量合格的钢；减少吹炼次数，缩短吹炼时间，提高生产率；降低原材料的消耗；促进生产管理水平的提高，实现冶炼操作的合理化、规范化。15按上述目的和要求，转炉计算机控制的最主要目标是在吹炼终点达到较高的终点温度和成分的命中率。国内转炉计算机控制大量的研究和试验工作也是主要围绕这一目标而开展的。转炉计算机控制主要有两种方法：静态控制和动态控制。16①静态控制(不考虑时间，目标：终点碳和终点温度）由于静态控制是转炉计算机最基本的控制方法，所以各厂在安装了计算机之后，就集中精力用计算机收集炼钢数据，在此基础上建立了静态模型。终点温度靠加入矿石来调整，终点碳靠吹入的氧耗量来控制。因此，模型主要由矿石方程和耗氧方程组成。模型是经验和多重回归两种方法建立起来的。模型中变量因子是在能检测参数中由经验统计挑选，一些难以表述的因子不选入模型。模型采用全量和增量两种，由于增量模型具有较好的适应性能，控制偏差比全量模型小，故在实际中得到了广泛应用。在全量模型进行静态控制时，常常存在较大的系统偏差，因此，又建立了采用随机逼近法或递推最小二乘法的自适应模型，对全量模型的控制偏差进行自适应补正。17②动态控制要实现动态控制，首先必须解决动态检测手段，即能够在吹炼过程中测量钢水温度和含碳量。为此，各厂在进行静态控制试验的同时，大力进行动态检测手段的研究。70年代以后，国内许多企业先后安装了炉气定碳装置，开始了炉气定碳的研究。与此同时，各厂积极着手安装副枪，又经过几年的试制和改进，给动态控制的实现提供了有利条件。18用副枪进行动态控制是在吹炼后期（此时钢水含碳0.5%-1%）。副枪下降到溶池测出钢水温度和含碳量，根据终点温度和碳的目标值，用动态模型算出吹炼到终点所需的氧耗量和调温所需的冷却剂量，并按此计算值进行控制，直到吹炼终点。由于副枪下降到吹炼点的时间比较短（一般只有几分钟时间），这种动态控制方法要求计算机能对转炉的氧、副枪、氧耗和副原料加料各系统实行全部自动操作，要在机械、自动控制、探头、检测仪表等方面解决大量技术关键问题，并与计算机联调，才能使副枪基本上具备了动态控制的条件。19（2）实现转炉炼钢计算机控制今后要做的工作实现转炉炼钢计算机控制今后要做的工作有：①要实现转炉计算机控制，不仅要有计算机控制系统，还应有配套的计量设备和检测仪表。并且要求他们在长期工作中具有足够的稳定性和可靠性。这些，仍然是目前急待解决的问题。②生产条件的稳定和操作的统一以及改进生产管理，是实现转炉计算机控制必备的条件之一。在试验中发现：铁水成分不稳定与副原料质量不稳定、废钢不分类、操作不统一、钢种变化大，不仅给研制数学模型造成困难，同时严重影响了控制精度和命中率，这是计算机控制炼钢的主要难点。20③经过多年来对各种数学模型的研究和试验看出：只要检测到的冶炼数据准确，生产条件稳定，操作统一，研制出较高质量的静、动态数学模型是完全可以实现的。为此，要积极地解决上述问题，为模型研究创造条件。④根据国内外的情况，要提高转炉计算机控制效果，必须实现静态和动态相结合的控制方式。因此，在静态控制的基础上要加强动态控制的研究，特别是要加强动态检测手段的研究。使用副枪作为动态检测手段，以实现动态控制。21第三节转炉炼钢计算机控制转炉炼钢过程复杂（如图3-3所示），终点成分和温度的控制范围窄，使用的原料和生产的品种多、数量大，冶炼过程温度高，时间短，可变因素多，变化范围大。因此，凭经验和直接观察很难适应现代转炉炼钢生产的需要。22图3-32360年代以来，随着电子计算机和检测技术的迅速发展，开始采用计算机控制炼钢过程。美国于1959年首次利用计算机计算转炉供氧量和冷却剂用量，对转炉终点实行静态控制。随后，很多国家投入研究并相继采用。在此基础上，又出现了转炉终点的动态控制法。在发展转炉过程控制技术的同时，转炉生产管理系统的自动控制也得到了很大发展，出现了联机实时管理系统、计算机网络系统和数据库系统，形成了包括生产计划、作业管理、工艺控制、库存管理、质量及其它业务管理的自动化系统。24计算机用于钢铁企业管理和转炉冶炼过程控制，显著提高了转炉生产率，降低了原材料、能源和人工消耗及生产成本，提高了产品质量，减轻了劳动强度。目前，转炉终点静态控制的命中率可达60%-70%，比人工控制命中率提高10%-20%，动态控制的终点成分和温度的命中率可达90%。目前转炉的自动控制还处于发展和逐步完善阶段。由于某些系统的控制模型主要是依靠经验建立的，目标命中率尚不高。转炉全部工艺过程的自动控制，例如脱磷和脱硫的控制，还有待研究开发。目前，自动控制系统的功能也还有限，例如还不能满意地消除喷溅等异常事故，因此，转炉的自动控制仍然是需要深入开展工作和迫切需要研究的重要课题。25一、转炉自动控制系统转炉炼钢厂的自动控制系统由原料、冶炼、钢水处理、浇注及生产管理等，全部工艺环节在内的若干子系统构成。其中，转炉冶炼的自动控制系统是主要子系统。转炉自动控制系统包括计算机系统、电子称量系统、检测调节系统、逻辑控制系统、显示装置及副枪设备等。通常，人们把描述转炉实际过程的数学模型用“程序设计语言”写成源程序，靠计算机内的“编译程序”翻译成机器指令（目的程序），然后计算机执行机器指令工作，辅助操作者实现炼钢过程控制。比较典型的转炉计算机控制系统及其数据输入--输出时间如图3-4所示，该系统还包括下一工序在内的信息管理。26图3-427图3-5是典型的转炉冶炼作业工作顺序和计算机静态、动态控制的工作顺序。该转炉具有氧枪（OG）装置，控制系统包括对OG的控制。根据前炉情况，计算机就会对预定炉次进行炉料计算。在预定炉次冶炼开始前，通过手动或自动向计算机输入设定的吹炼数据，以及测定和分析铁水温度和成分数据，辅助原料数据等。然后根据操作者的要求，按静态或动态控制吹炼。吹炼停止后对数学模型进行修正并向下步工序输出信息。ⅰ28图3-529转炉的计算机控制系统通常应具备的功能有：1）工艺过程参数的自动收集、处理和记录；2）根据模型计算出各种原材料，包括铁水、废钢、辅助材料、铁合金和有氧气的用量；3）吹炼过程的自动控制，包括静态控制、动态控制和全自动控制；4）人机联系，包括用各种显示器报告冶炼进程和向计算机输入；5）信息控制系统本身的故障处理；6）生产管理，包括向后步工序输出信息以及打印每炉冶炼记录和报表等。30二、静态控制静态控制是根据吹炼前的韧始条件(如铁水、废钢、造渣材料成分和铁水温度)以及吹炼终点所要求的钢水量、钢水成分和温度而进行的对操作条件如吹炼所需的装入量、氧气量和造渣材料的用量等的计算，在吹炼过程中不取样测温，不对操作条件做必要的修正。模型是用物理化学或数学方法对实际过程进行描述的一种工具，是实现计算机控制转炉炼钢的核心。因此，建立好的控制模型至关重要。模型分为理论模型和经验模型两类。31建立模型的基本思路：1、静态理论模型主要是