1、過程控制課程設計前言本項目是根據生產過程自動化原理匯編而成的以氣體管道中的壓力作為被控制量的反饋控制系統。在許多生產過程中，保持恒定的壓力或一定的真空度常是正常生產的必要條件。很多化學反應需要在恒壓下進行，為保持流量不變也常需要控制主壓力源的壓力恒定。根據不同應用場合，壓力控制采用不同的方式。氧氣轉爐煉鋼車間的供氧系統一般是由制氧機、加壓機、中間儲氣罐、輸氧管、控制閘閥、測量儀表及氧槍等主要設備組成。本項目有以下特點：（1）、集工業背景、儀表選用、控制原理與流程為一體，內容清晰明了易懂。（2）、將知識點與技能點緊密結合，鍛煉了實際動手與動腦能力。（3）、項目儀表選型嚴謹目 錄1、摘 要2、第一

2、章 轉爐氧槍的供氧制度1.1轉爐煉鋼工藝簡介1.2 供氧制度的主要內容1.3 供氧制度中的工藝參數本章小結3、第二章 轉爐氧槍供氧系統參數2.1 轉爐氧槍氧氣流量2.2 轉爐氧槍冷卻水2.3 轉爐氧槍槍位本章小結4、第三章 轉爐氧槍氧壓控制3.1轉爐氧槍氧壓控制意義 3.2轉爐供氧裝置及其設計3.3轉爐氧槍氧壓檢測與控制設計3.3.1氧槍氧壓檢測與控制參數3.3.2設計的具體方案3.3.3儀表選型3.3.4氧槍氧壓控制設計圖5、總結6、參考文獻摘 要氧槍是轉爐煉鋼的關鍵設備。在轉爐頂吹煉中,氧槍的主要作用是向熔池供氧和傳氧,吹煉氧壓及氧槍槍位的高低對熔池的脫碳速度和爐渣中二氧化鐵含量以及熔池溫

3、度有重大影響。因此,氧壓和氧槍槍位的控制是關系到煉鋼生產質量好壞的至關重要的環節。在本課程設計中首先是對轉爐氧槍中通氧管道進行取壓，具體實施辦法是將節流裝置安裝在氧氣管道中通過安裝在氧氣管道上的取壓管獲得差壓，然后將差壓引入彈簧管，此時彈簧管會有形變，將霍爾片固定在彈簧管的自由端，在霍爾片的上、下方垂直安放兩對磁極，當被測壓力引入后，彈簧管的自由端會產生位移，即改變了霍爾片在非均勻磁場中的位置。這樣就將壓力信號轉為電信號可取得420mA DC的氧氣壓力信號，將它送至調節器與給定值相比較，根據偏差情況，調節器給出調節信號，驅動執行機構改變氧氣管道閥門開度，從而控制氧氣壓力為規定值。關鍵詞：轉爐氧

4、槍、氧槍氧壓、氧槍槍位24 第一章 轉爐氧槍的供氧制度1.1轉爐煉鋼工藝簡介： 轉爐煉鋼的基本手段是通過氧槍向轉爐內吹氧氣使轉爐內的鐵水發生化學反應，吹氧流量變化直接影響鋼水的成分和產量，進而影響整個冶煉過程，因此煉鋼過程中必須保證控制好吹氧流量。轉爐煉鋼法，這種煉鋼法使用的氧化劑是氧氣。先把廢鋼等裝入爐內，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧氣噴槍從爐頂插入爐內，吹入氧氣（純度大于99的高壓氧氣流），使它直接跟高溫的鐵水發生氧化反應，除去雜質。從而煉出各種高質量的鋼，目前這種煉鋼法使用最為普遍。 氧氣轉爐煉鋼車間的供氧系統一般是由制氧機、加壓機、中間儲氣罐、輸氧管、

5、控制閥、測量儀表及氧槍等主要設備組成。 1、低壓儲氣罐：是儲存從制氧機分餾塔出來的壓力為0.0392MPa左右的低壓氧氣。 2、壓氧機：又制氧機分餾塔出來的氧氣只有0.0392MPa，而煉鋼用氧要求的工作氧壓力為0.7851.177MPa，需要壓氧機把低壓儲氣柜中的氧氣加壓到2.452.94MPa，氧壓提高后，中壓儲氧罐的儲氧壓力也相應提高。 3、中氧儲氣罐：把由壓氧機加壓到2.452.94MPa的氧氣儲存起來，直接供轉爐使用，轉爐生產有周期性，而制氧機要求滿負荷連續運轉，因此通過設置中壓儲氧罐來平衡供求，以解決車間高峰供氧問題。煉鋼的基本任務是脫碳、脫磷、脫硫、脫氧，去除有害氣體和非金屬夾雜

6、物，調整成分。歸納為：“四脫”（碳、氧、磷和硫），“二去”（去氣和去夾雜），“二調整”（成分和溫度）。采用的主要技術手段為：供氧，造渣，升溫，加脫氧劑和合金化操作。轉爐煉鋼是在轉爐里進行。開始時，轉爐處于水平，向內注入1300攝氏度的液態生鐵，并加入一定量的生石灰，然后鼓入空氣并轉動渣轉爐使它直立起來。這時液態生鐵表面劇烈的反應，使鐵、硅、錳氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成爐渣，利用熔化的鋼鐵和爐渣的對流作用，使反應遍及整個爐內。幾分鐘后，當鋼液中只剩下少量的硅與錳時，碳開始氧化，生成一氧化碳（放熱）使鋼液劇烈沸騰。爐口由于溢出的一氧化炭的燃燒而出現巨大的火焰。最后，磷也發生氧化

7、并進一步生成磷酸亞鐵。磷酸亞鐵再跟生石灰反應生成穩定的磷酸鈣和硫化鈣，一起成為爐渣。當磷與硫逐漸減少，火焰退落，爐口出現四氧化三鐵的褐色蒸汽時，表明鋼已煉成。這時應立即停止鼓風，并把轉爐轉到水平位置，把鋼水傾至鋼水包里，再加脫氧劑進行脫氧。個過程只需15分鐘左右。鋼和生鐵含碳量的界限通常是：生鐵：C=1.74.5 ，鋼：C 1.7CCO 耗氧量100×(4.30%-0.20%)×90%×16/12=4.92噸CCO2 耗氧量   100×(4.30%-0.20%)×10%32/12=1.09噸SiSiO2耗氧量10

8、0×0.8%×32/28=0.914噸MnMnO耗氧量 100×0.2%×16/55=0.058噸PP2O5 耗氧量 100×0.13%×(16×5)/(31×2)=0.168噸 S 1/3被氣化為SO2, 2/3與CaO反應生成CaS進入渣中, 則S不耗氧。圖1.1 轉爐煉鋼生產過程流程圖1.2 供氧制度的主要內容：確定合理的噴頭結構、供氧強度、氧壓和槍位制。供氧是保證雜質去除速度、熔池升溫速度、造渣制度、控制噴濺去除鋼中氣體與夾雜物的關鍵操作，關系到終點的控制和爐襯的壽命，對一爐鋼冶煉的技術經濟指標產生重要影響

9、。1.3供氧制度中的工藝參數供氧量定義：單位時間內供入熔池的氧氣量，單位是m3/min，或m3/h，故又稱氧氣流量，常用Q表示。計算公式：每噸金屬需氧量它取決于鐵水成分、所煉鋼種的終點成分及氧氣利用率等因素，通常情況下為5260m3/t。供氧時間國內不同容量轉爐的供氧時間統計如下表：轉爐容量/t 12 30 50 120供氧時間/min 15 16 18 23供氧強度/m3/t·min 4.0 3.6 3.3 3.0.供氧強度定義：單位時間內每噸金屬的耗氧量，常用I表示，單位是m3/t·min。計算公式：供氧強度I=另外，供氧強度的大小還與原料質量、操作水平等因素有關。工作

10、氧壓P用指測定點氧壓，即氧氣進入氧槍前管道中的氧壓，也是供氧制度中規定的工作氧壓。由測定點到噴嘴前有一定的氧壓損失，根據具體情況可以測定。所以P用P0。噴嘴前氧壓P0：其選用應考慮以下因素：A.氧氣流股出口速度要達到超音速（450530cms），即M1.82.1。B. 出口的氧壓應稍高于爐膛內氣壓。通常P00.7841.176MPa。出口氧壓P：應稍高于或等于周圍爐氣的壓力。通常P0.1180.125MPa。本章小結：在轉爐頂吹煉鋼過程其實就是對鐵水的定量氧化過程，所以供氧系統是關鍵，供氧系統的主要作用是向熔池供氧和傳氧，向熔池供氧是保證雜質去除速度、熔池升溫速度、造渣制度、控制噴濺去除鋼中氣

11、體與夾雜物的關鍵操作，關系到終點的控制和爐襯的壽命，對一爐鋼冶煉的技術經濟指標產生重要影響。吹煉氧壓及氧槍槍位的高低是供氧制度中的兩個重要參數它對熔池的脫碳速度和爐渣中FeO含量以及熔池溫度有重大影響。因此,供氧制度是關系到煉鋼生產質量好壞的至關重要的環節。第二章 轉爐氧槍供氧系統參數2.1 轉爐氧槍氧氣流量控制氧氣流量是控制吹煉的重要方：法之一，因此需要精確地測量和控制氧氣流量。氧氣流量是通過安裝在氧氣管道上的節流裝置和流量變送器將流量轉換成420 mA DC電流信號。由于壓力、溫度對流量有影響，故采用了壓力、溫度補償裝置，經演算器運算后得到實際氧氣流量信號，一方面送至顯示儀表指示和記錄，同

12、時將流量信號送至調節器與流量給定值相比較，根據比較結果，調節器給出調節信號，驅動執行機構，改變閥門開度，從而保證氧氣流量為給定值。由于氧氣頂吹轉爐在吹煉過程中需要經常降槍和提槍以便于采樣、測量和倒渣，這就要求降槍時送氧，提槍時快速切斷氧氣，所以在調節閥后面裝有切斷閥。切斷閥的位置只有兩個，提槍時切斷閥全關，降槍時切斷閥全開。切斷閥和氧氣噴槍提升機構自動連鎖，當氧槍進入爐內一定深度時便自動打開切斷閥，提槍時便自動關閉切斷閥。切斷閥動作要迅速，關閉要嚴密，工作要可靠。 圖2.1 轉爐氧槍氧氣流量控制方框圖2.2 轉爐氧槍冷卻水 氧槍冷卻水的供應是保證氧槍在爐內高溫下正常工作的必要條件，一般采用壓力

13、為12001500kPa的高壓水。除了對冷卻水的壓力進行檢測外，還要對冷卻水進出水溫度及溫度差、冷卻水流量進行測量。當出水溫度超過規定時氧槍就有燒壞的危險，應立即發出警報。冷卻水流量的測量是通過安裝在管道上的節流裝置，流量變送器取得420mA DC電流信號,送至顯示儀表指示和記錄。冷卻水壓力的測量是通過安裝在管道上的取壓管和壓力變送器取得420mA DC電流信號，送至顯示儀表指示和記錄。冷卻水溫度是通過安裝在管道上的熱電阻和熱電阻壓力變送器，把進出水溫度轉換成420mA DC電流信號，送至顯示儀表指示和記錄。當冷卻水壓力低于規定值，出水溫度高于規定值，進出水溫度差高于規定值， 都會發出警報。

14、圖2.2 冷卻水溫度控制系統方框圖2.3 轉爐氧槍槍位氧槍高度直接影響爐內造渣、脫碳速度和提溫速度，是煉鋼操作的一個十分重要的參數。直接用標尺指示氧槍高度，用電氣設備人工控制是一種最簡單的辦法，但準確度不高。在氧槍卷揚機上安裝一套脈沖發生器，用一套接受裝置在操縱室內計量氧槍高度，同時對氧槍提升和下降位置，氧氣切斷閥開閉實行連鎖和自動控制。這種方法精確度較高，顯示明確，操作方便，特別是可以與計算機配合直接由計算機控制。圖2.3氧槍槍位控制系統方框圖1槍位與熔池攪拌的關系 硬吹（低槍位或高氧壓的吹煉模式）氧氣射流對熔池的沖擊力大，形成的沖擊深度較深，沖擊面積較小，產生的小液滴和氣泡的數量多，氣體熔

15、渣金屬乳化充分，爐內化學反應速度快，特別是脫碳速度加快，大量的CO氣體排出，使熔池得到充分的攪動，同時降低了熔渣中（FeO）含量。即槍位越低，熔池內部攪動越充分。 軟吹（槍位高或氧壓低的吹煉模式）氧氣射流對熔池的沖擊力減小，沖擊深度變淺，反射流股的數量多，沖擊面積增大，對熔池表面攪動有所增強，內部攪動相應減弱，脫碳速度降低，熔渣中的（FeO）含量增加。綜上所述，槍位在適當的范圍內變動，可以調節熔池表面和內部化學反應速度，尤其是脫碳反應速度，從而起到調節熔池的攪拌作用。如果短時間內采用高低槍位交替操作，還有利于消除爐內液面上可能出現的“死角”。所以在爐役后期，成渣速度慢時，可采用高低槍位交替操作

16、，能夠消除渣料結坨，加快化渣。本章小結在本章中主要介紹了轉爐頂吹煉中供氧系統的各個參數。它包含氧槍的氧氣流量，氧槍的氧氣壓力，氧槍冷卻水溫度控制和氧槍槍位。這些參數在適當的范圍內變動，可以調節熔池表面和內部化學反應速度，尤其是脫碳反應速度，從而起到調節熔池的攪拌作用。但是這些參數中氧槍的氧壓控制最為關鍵。在接下的一章中主要介紹氧槍氧壓的檢測和控制。第三章 轉爐氧槍氧壓控制3.1 轉爐氧槍氧壓控制意義一定的生產條件下每噸金屬的耗氧量是定值，較高的供氧強度意味著供氧時間較短，即生產率高。但實際生產中噴頭的直徑一定，只有通過提高氧氣的壓力來實現，這樣吹煉中噴濺嚴重且氧氣的利用率較低。一般情況下，隨著

17、轉爐容量的增大，H/D減小，生產中易噴，供氧強度減小， 另外，供氧強度的大小還與原料質量、操作水平等因素有關，例如國外一些300噸轉爐的供氧強度也高達4.0左右。在我國轉爐煉鋼中吹入壓力正常情況應維持在1.0MPa左右,而來自氧氣站的氧氣壓力一般在1.63.0MPa之間。為滿足吹煉工藝的要求,采用兩級調壓系統,第一級采用壓力調節系統將壓力調節至1.5MPa,第二級采用流量調節系統將壓力調節至1.0MPa,由于壓力調節閥和流量調節閥是串聯在同一根管道上,為避免相互影響,可采取。如下措施予以解決:壓力調節閥預設規定開度。同流量調節系統一樣,預設規定開度是為了解決間歇過程自動調節的問題。經過現場調試

18、來確定規定開度時間,使壓力調節和流量調節相匹配。壓力調節系統超調(當PV-SV>GAP時,GAP為偏差上限設定值)。壓力調節閥強制在某規定開度,其目的是為了減少壓力波動對流量調節的擾動。3.2轉爐吹氧裝置 轉爐吹氧控制裝置，轉爐煉鋼供氧系統包括設置在氧氣輸送管道上的氧氣壓力調節閥，與所述氧氣壓力調節閥相連的氧氣流量調節閥，包括：數據獲取單元，用于獲取吹氧時間信息、副槍測量開始信號、副槍測量結束信號和吹氧結束信號，以及所述氧氣輸送管道中的供氧壓力和流量信息；與所述數據采集單元相連的中央處理器，利用所述數據獲取單元獲取得到的吹氧信息，確定當前轉爐吹氧階段所對應的吹氧控制方式；與所述中央處理器

19、相連的控制器，按照所述吹氧控制方式調節所述氧氣壓力調節閥和氧氣流量調節閥，以將當前供氧壓力和流量調節至預設范圍。 由以上本申請實施例提供的技術方案可見，利用獲取得到的吹氧時間信息、副槍測量開始結束信號，確定當前轉爐吹氧階段的控制方式，然后根據獲取得到的氧氣輸送管道中的當前供氧壓力和流量信息，按照所確定的吹氧控制方式，調節氧氣壓力調節閥和氧氣流量調節閥，以將當前供氧壓力流量調節至所述預設范圍。本申請根據轉爐煉鋼過程對氧氣流量或壓力要求不同，確定不同的控制方式來調節輸氧管道中的氧氣量，以達到轉爐煉鋼過程對氧氣量的需求，從而實現了對轉爐煉鋼吹氧的自動控制，大大降低了轉爐煉鋼吹氧控制過程的難度，提高了

20、轉爐煉鋼的生產效率，減少了操作人員的勞動強度，同時，提高了轉爐煉鋼過程的可靠性和運行穩定性。說明圖如下： 供氧裝置系統總體設計方案方框圖如下：圖A 供氧系統工作點壓力控制系統的方框圖說明：.操縱變量q:工作點的壓力； .被控變量y：調節閥的開度；擾動量：環境溫度變化異常。轉爐煉鋼按照配料要求，先把廢鋼等裝入爐內，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧氣噴槍從爐頂插入爐內，吹入壓力為0.785MPa（±0.05MPa）純度大于99的高壓氧氣流，使它直接跟高溫的鐵水發生氧化反應，除去雜質。所以為保證鋼的質量，就要通過對氧槍壓力控制來保證吹入氧氣的壓力，這樣就要設計

21、壓力控制系統。1、被控變量y的確定工藝要求控制氧槍的工作壓力為0.785MPa（±0.05MPa），氧槍的出口在轉爐內，而轉爐內的環境不適合壓力檢測，為保證所測壓力最接近氧槍的工作壓力，所以選擇氧槍的工作測壓點的壓力作為被控變量。2、操縱變量q的確定按工藝流程得知，供氧系統上游的供氧壓力為2.452.94MPa，這個壓力遠遠大于氧槍的工作壓力，為保證氧槍的工作壓力在0.785MPa（±0.05MPa）之間，于是在供氧管道與氧槍間設置一個減壓閥，于是減壓閥的閥門開度就成為了較為理想的操縱變量。3.控制過程描述氧槍工作點的壓力由差壓變送器(P)測出送入控制器(PID)，當氧槍的

22、工作壓力因各種擾動壓力偏低時，控制器接收到差壓變送器測出的信號與設定值進行比較得出偏差，然后進行PID運算，并發出控制信號對減壓調節閥進行控制，增大減壓閥的閥門開度，從而使氧槍的工作壓力上升到設定值，當氧槍的工作壓力偏高時反之。3.3 轉爐氧槍氧壓檢測與控制設計3.3.1轉爐氧槍氧壓檢測與控制參數工作氧壓P：指測定點氧壓，即氧氣進入氧槍前管道中的氧壓，也是供氧制度中規定的工作氧壓。由測定點到噴嘴前有一定的氧壓損失，根據具體情況可以測定。所以PP0。噴嘴前氧壓P0：其選用應考慮以下因素：A.氧氣流股出口速度要達到超音速（450530cms），即M1.82.1。B.出口的氧壓應稍高于爐膛內氣壓。通

23、常P00.7841.176MPa。C出口氧壓 P：應稍高于或等于周圍爐氣的壓力。通常P0.1180.125MPa。3.3.2 設計的具體方案根據工藝的要求，吹氧壓力為0.8MPa。流量為60009000h 由制氧分廠送來的氧氣首先在轉爐分廠的氧氣球罐內儲存，氧球的出口壓力及煉鋼車間氧氣總管壓力為225MPa，氧槍內氧氣壓力根據工藝要求必須大于0.6MPa， 如果小于0.6Mpa，則發出報警信號同時通過聯鎖裝置氧槍作自動控制。圖3.2.1氧槍氧壓檢測與控制系統圖初步設計方案如下：首先是對轉爐氧槍中通氧管道進行取壓，具體實施辦法是將節流裝置安裝在氧氣管道中通過安裝在氧氣管道上的取壓管獲得差壓，然后

24、將差壓引入彈簧管，此時彈簧管會有形變，將霍爾片固定在彈簧管的自由端，在霍爾片的上、下方垂直安放兩對磁極，當被測壓力引入后，彈簧管的自由端會產生位移，即改變了霍爾片在非均勻磁場中的位置。這樣就將壓力信號轉為電信號可取得420mA DC的氧氣壓力信號，將它送至調節器與給定值相比較，根據偏差情況，調節器給出調節信號，驅動執行機構改變氧氣管道閥門開度，從而控制氧氣壓力為規定值。圖3.2.2氧槍氧氣壓力檢測流程圖3.3.3儀表選型 傳感器的選擇:由于被測對象為壓力而且氧槍壓力為表壓而且為高壓，由于波紋管、膜片、膜盒多用于微壓、低壓或負壓的測量；而彈簧管可以作高、中、低壓及負壓的測量。所以可選擇彈簧管，但是彈簧管不能進行遠傳因此可以和霍爾片式傳感器配合使用將取得的壓力信號轉換為4-20mA DC電流信號以進行遠傳。這樣可以實現遠程控制。 執行器的選擇：由于控制對象為氧氣，當有火花或者根電接觸時會發生爆炸，因此為了生產的安全在選擇執行器時應選氣動執行器，將4-20mA DC的電流信號通過電-氣轉換器后成為氣壓信號，從而去改變控制壓力的大小，使生產過程按預定的要求進行，實現生產的自動控制。氣