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过程控制课程设计1前言本项目是根据生产过程自动化原理汇编而成的以气体管道中的压力作为被控制量的反馈控制系统。在许多生产过程中，保持恒定的压力或一定的真空度常是正常生产的必要条件。很多化学反应需要在恒压下进行，为保持流量不变也常需要控制主压力源的压力恒定。根据不同应用场合，压力控制采用不同的方式。氧气转炉炼钢车间的供氧系统一般是由制氧机、加压机、中间储气罐、输氧管、控制闸阀、测量仪表及氧枪等主要设备组成。本项目有以下特点：（1）、集工业背景、仪表选用、控制原理与流程为一体，内容清晰明了易懂。（2）、将知识点与技能点紧密结合，锻炼了实际动手与动脑能力。（3）、项目仪表选型严谨过程控制课程设计2目录1、摘要2、第一章转炉氧枪的供氧制度1.1转炉炼钢工艺简介1.2供氧制度的主要内容1.3供氧制度中的工艺参数本章小结3、第二章转炉氧枪供氧系统参数2.1转炉氧枪氧气流量2.2转炉氧枪冷却水2.3转炉氧枪枪位本章小结4、第三章转炉氧枪氧压控制3.1转炉氧枪氧压控制意义3.2转炉供氧装置及其设计3.3转炉氧枪氧压检测与控制设计3.3.1氧枪氧压检测与控制参数3.3.2设计的具体方案3.3.3仪表选型3.3.4氧枪氧压控制设计图5、总结6、参考文献过程控制课程设计3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二氧化铁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、氧枪枪位过程控制课程设计4第一章转炉氧枪的供氧制度1.1转炉炼钢工艺简介：转炉炼钢的基本手段是通过氧枪向转炉内吹氧气使转炉内的铁水发生化学反应，吹氧流量变化直接影响钢水的成分和产量，进而影响整个冶炼过程，因此炼钢过程中必须保证控制好吹氧流量。转炉炼钢法，这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99％的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。从而炼出各种高质量的钢，目前这种炼钢法使用最为普遍。氧气转炉炼钢车间的供氧系统一般是由制氧机、加压机、中间储气罐、输氧管、控制阀、测量仪表及氧枪等主要设备组成。1、低压储气罐：是储存从制氧机分馏塔出来的压力为0.0392MPa左右的低压氧气。2、压氧机：又制氧机分馏塔出来的氧气只有0.0392MPa，而炼钢用氧要求的工作氧压力为0.785～1.177MPa，需要压氧机把低压储气柜中的氧气加压到2.45～2.94MPa，氧压提高后，中压储氧罐的储氧压力也相应提高。3、中氧储气罐：把由压氧机加压到2.45～2.94MPa的氧气储存起来，直接供转炉使用，转炉生产有周期性，而制氧机要求满负荷连续运转，因此通过设置中压储氧罐来平衡供求，以解决车间高峰供氧问题。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、过程控制课程设计5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。装炉造渣供氧温度控制脱氧合金化装入制度造渣制度供氧制度温度制度脱氧合金化制度图1.1转炉炼钢生产过程流程图过程控制课程设计61.2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：）供氧时间（）装入量（）每吨金属需氧量（供氧量min/3ttmQ⑴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/t123050120供氧时间/min～15～16～18～23供氧强度/m3/t·min～4.0～3.6～3.3～3.0②.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=）装入量（）供氧量（tmmin/3=）供氧时间（每吨金属耗氧量（min)/3tm另外，供氧强度的大小还与原料质量、操作水平等因素有关。过程控制课程设计7⑴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。过程控制课程设计8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。过程控制课程设计9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。调节器执行器被控对象检测装置（氧气流量）被控量（氧气流量）Xo扰动图2.1转炉氧枪氧气流量控制方框图过程控制课程设计102.2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。调节器执行器被控对象检测装置（测温装置）被控量（冷却水温度）Xo扰动图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。这种方法精确度较过程控制课程设计11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。调节器执行器被控对象检测装置（脉冲发生装置）被控量（氧枪高度）Xo扰动图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。过程控制课程设计12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。过程控制课程设计13第三章转炉氧枪氧压控制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