连铸及炉外精炼自动化技术 教案文档格式.docx
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（4）真空室的加热装置。
（5）真空室支撑设备
1.1.3RH真空精炼钢水循环机理
下部设有两根环流管的脱气室，在脱气处理时，将环流管插入钢水…一一定深度，然后启动真空泵，真空室被抽成真空。
由于真空室内外压力差，钢水从两根插入管上升到与压差相等的高度，即循环高度B与此同时，上升管输入驱动气体（氩气及其他惰性气体、反应气体），驱动气体由于受热膨胀以及压力由t1降到t2，而引起等温膨胀，即上升管内钢水与气体混合物密度降低，而驱动钢水上升像喷泵一样涌人真空室内，使真空室内的平衡状态受到破坏。
为了保持平衡一部分钢水从下降管回到钢包中，这样钢水受压差和驱动气体的作用，不断从上升管涌人真空室内，经过脱气后的钢水W经下降管回到钢包内，周而复始，实现了钢水循环。
并在脱气室内脱除气体。
1.2LF炉钢包精炼
LF是70年代初由日本开发成功，并大量推广，成为当代最主要的炉外精炼设备。
LF具有以下工艺优点：
精炼功能强，适宜生产超低硫、超低氧钢；
具有电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度控制精度高；
具备搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性；
采用渣钢精炼工艺，精炼成本低；
设备简单，投资较少。
LF精良过程顺序
1.3CAS/CAS-OB钢包精炼
钢包吹氩精炼法
钢包内喷吹惰性气体（Ar气）搅拌工艺（底吹或顶吹法），又称“钢包吹氩”技术是最普通也是最简单的炉外处理工艺。
其主要冶金功能是均匀钢水成分、温度、促进夹杂物上浮。
通常钢包吹氩的气体搅拌强度为0.003～0.01Nm3/t·
min
CAS-OB
为了解决钢水升温的问题，日本又在CAS上增设顶吹吹氧枪和加铝丸设备，通过溶入钢水内的铝氧化发热，实现钢水升温，通常称为CAS-OB工艺。
CAS-OB工艺的工作原理是在一个密闭、惰性、无渣的环境下，通过铝的氧化反应放热使钢水升温，并在此惰性气氛下加入合金。
1.4其他几种炉外精炼法（包括辅助的精炼措施）
1）VOD
•VOD是Vacuum（真空）、Oxygen（氧）和Decarburization（脱碳）三个词第一个字母的组合，表示真空条件下吹氧脱碳。
•该方法是1965年西德首先开发应用的，它是将钢包放入真空罐内从顶部的氧枪向钢包内吹氧脱碳，同时从钢包底部向上吹氩搅拌。
•此方法适合生产超低碳不锈钢，达到保铬去碳的目的，可与转炉配合使用。
它的优点是实现了低碳不锈钢冶炼的必要的热力学和动力学的条件——高温、真空、搅拌。
•VOD具有吹氧脱碳、升温、吹氩搅拌、真空脱气、造渣合金化等冶金手段，适用于不锈钢、工业纯铁、精密合金、高温合金和合金结构钢的冶炼。
•其基本功能概括为：
☐吹氧升温、脱碳保铬；
☐脱气；
☐造渣、脱氧、脱硫、去夹杂；
☐合金化。
（2）AOD（ArgonOxygenDecarbrization）
•不锈钢的工业性生产开始于上世纪20年代，到目前为止，它的冶炼工艺技术也一直在发展和改进，主要表现在以下几个方面：
☐允许选用更廉价的原料，降低生产成本。
如采用高碳或中碳铬铁代替价格昂贵的微碳铬铁或金属铬，应用不锈钢返回料以回收合金元素。
☐能生产出高纯度、高均匀性的不锈钢，特别是生产超纯不锈钢。
在冶炼过程中能大幅度地去除原材料中带入的碳、硫、磷、气体、夹杂以及其他有害元素。
☐冶炼工艺能更好地与连铸配合。
如冶炼的生产率能适应连铸的要求。
AOD法就是为了解决上述问题而发展起来的一种冶炼高铬不锈钢的专用方法。
•AOD冶炼不锈钢的主要优点是：
☐因为是吹入气体进行精炼，所以设备投资比VOD少2倍以上；
☐工艺易掌握，易冶炼超低碳不锈钢；
☐钢的质量高，与电炉相比，氢氧含量可分别降低25～65%和25～30%，因是吹氩的强搅拌，硫含量很低，可生产≤0.001%的超低硫不锈钢。
☐在大气压力下向钢水吹氧的同时，吹入惰性气体（Ar），通过降低PCO以实现脱碳保铬。
•AOD精炼效果：
☐气体。
AOD法精炼的不锈钢，其气体含量明显地低于电弧炉返回吹氧法冶炼的产品。
由于氢的降低，不锈钢针孔缺陷明显减少。
☐氮含量比电炉冶炼低30%～60%，降低氮含量对改进铬不锈钢冲击性能有重要作用。
☐夹杂。
由于在整个冶炼过程中，特别是在预还原和精炼时仍喷吹气体，所以AOD法所炼的钢中，基本上消除了大颗粒夹杂，细小夹杂也比电炉所炼的同钢种要低。
夹杂物主要是出钙硅酸盐组成，其颗粒细小，分布均匀。
•脱硫。
AOD法吹炼的还原阶段，具有极为优越的脱硫条件。
对于超低硫的钢种，采用双渣法，可将钢中的硫脱到10×
10-6以下。
这种深度脱硫的效果是不锈钢的真空精炼法所难以达到的。
•有害微量元素的去除。
在AOD法精炼中，能够有效地去除诸如铅、铋、锑、锡等有害的微量元素。
如我国的一座18tAOD炉所炼的不锈钢，这些有害元素一般都在10×
（3）喷吹法
喷吹法是用载气（Ar）将精炼粉剂流态化，形成气固两相流，经过喷枪，直接将精炼剂送入钢液内部。
由于在喷吹法中精炼粉剂粒度小，进入钢液后，与钢液的接触面积大大增加。
因此，可以显著提高精炼效果。
•炉外精炼中钢液的精炼剂一类为以钙的化合物（CaO或CaC2）为基的粉剂或合成渣，另一类为合金元素如Ca、Mg、Al、Si及稀土元素等。
•将精炼剂加入钢液中，可起到脱硫、脱氧，去除夹杂物，夹杂物变性处理以及合金成分调整的作用。
（4）喂丝法
喂丝法是将易氧化，密度小的合金元素置于低碳钢包裹线中，通过喂丝机将其送入钢液内部。
•喂丝法的优点是：
•可防止易氧化的元素被空气和钢液面上的顶渣氧化，准确控制合金元素添加数量，提高和稳定合金元素的利用率；
•添加过程无喷溅，避免了钢液再氧化；
•精炼过程温降小；
•设备投资少；
•处理成本低。
第2章炉外精炼检测仪表和专用传感器
炉外精炼检测用的仪表和专用传感器因工艺流程和设备的不同而不同,但大体上可以分成以下几类:
钢水温度和成分的检测,真空槽和气体的检测,喷吹系统（包括载气和粉剂）的计量仪表,渣厚、液位等其他仪表。
一般通用的仪表如重量、压力、流量、温度、钢水中渣的检测等
2.1钢水成分分析用检测仪和专用传感器
钢水成分分析用的方法有热电势法、电化学法、发光分光法、微粒子生成法、气体平衡分压测定法、排放废气烟尘分析和粘附移送法等。
炉外精炼炉主要分析钢水中的碳、氧、续、氢、硅、磷等的含量
2.1.1钢水定碳检测仪表与传感器
其原理是凝固定碳法,即在需要检测钢水中的碳含量时由机械手的测碳插枪把钢水定碳测量头插入到钢水中,在钢水溶化了钢水入口处的薄钢片以后,钢水进入到取样杯中,这时钢水定碳测量头中的热电偶测得的电势E，从A点上升到最高点B,当钢水开始凝固时,由于放出结晶热,热电偶电势E即从C点开始的一段时间内保持不变,即出现"
平台"
过"
以后,温度即迅速下降。
这"
的位置（即温度）与钢水中含碳量成函数关系,根据碳温对照表,在准确找出这段"
后即可求得钢水中的含碳量。
2.1.2钢水定氧检测仪表与传感器
采用高温固定电能解质制成氧浓差电池测量头,进行钢水定氧,与现有各定氧法相比有下列优点:
（1）设备简单,不需要取样、取样设备;
（2）把氧测量头插入钢水中,约5~10s,就可产生稳定的氧电势供检测仪表指示和记录,分析过程简单;
（3）能直接测出钢水中的活氧度;
（4）能测出钢水中的溶解氧量,由于后者与脱氧平衡有直接关系,更有利于确定脱氧剂的加入量而改进脱氧操作。
图2-2定氧测量头的原理和结构
2.1.3钢水中氢含量的在线检测
钢水中氢含量在线检测的原理是测量该气体的分压而得出氢含量根据Sievert定律
2.1.4钢水中锰含量的在线检测
2.2钢水中全元素的在线检测
（1）Ar气吹人生成微粒方法。
（2）激光照射生成微粒子法。
这是阿拉莫斯研究所开发的。
（3）闪光放电生成微粒子法。
（4）使钢水液面直接发光的激光激发法。
2.3脱气槽气体成分分析装置
炉外精炼脱气槽气体成分分析系统主要由取样头、过滤器箱和分析仪表三部分组成
炉气流从No.1和N0.2取样头进入No.1和N0.2过滤器,再经管道和分析仪表箱外卡凝器等气体处理装置及电磁阀、调节阀、分析仪表。
分析仪表一般为红外线分析仪或气相色谱仪（如国内引进美国瓦利安公司技术制造的SP-3400型气相色谱仪,微机控制,采用热导检测器、氢火焰检测器、填充柱、毛细管柱分离；
通过多阀切换,信号自动切换,能实现一次进样,多维色谱分析,快速分析气体中CO,C乌等含量）,近年来更有使用质谱仪以提高精度和减少滞后时间。
第3章炉外精炼的基础自动化
基础自动化按其性质来说可分为三部分:
（1）过程量的检测与控制,简称回路控制即温、压力、料位等过程量的测控;
（2）电气传动控制,主要是各个电气设备的顺序控制和起、停及联锁等;
（3）中央监视与操作。
在炉外精炼中,基础自动化的功能大致包括以下几个部分:
（1）数据采集,包括炉外精炼工艺过程的主要参数的检测;
（2）自动控制,即炉外精炼工艺过程中,主要工艺参数的自动控制以达到炉外精炼的最终目标;
（3）电气传动顺序控制,即对炉外精炼所有的电气设备按工艺所要求的顺序进行控制、锁、起停;
（4）故障报警,包括工艺过程参数的超限报警,以及电气、仪表、设备本身的故障报警,这些报警又分成轻、中、重三度报警;
（5）数据处理,对精炼过程中所采集的数据进行处理和存储,以供控制、显示和打印用,要处理包括差压、流量的开方,温度压力补正等运算,消耗按班、日、月的累计计算以及历数据的存储趋势记录等一系列的运算显示;
（6）在精炼过程中接受上位机的设定值进行SPC（设定值控制）,包括数学模型设定以人工智能如模糊控制、神经元网络等指令并进行控制;
（7）画面显示,包括CRT上显示工艺流程画面、操作画面、工艺参数趋势曲线、历史数、图形画面等;
（8）数据记录,包括班报、日报、月报、报警记录以及专门的报表如合金投入量、喂丝重
等;
（9）数据通讯,包括PLC之间,PLC和DCS之间,上下位机之间的通讯。
虽然炉外精炼许多不同的工艺流程,但上述功能都是一样的,只是由于工艺流程不同而导致各项的具体内容不同。
3.1RH真空精炼装置基础自动化
真空精炼工艺流程主要分成7个系统,钢包运输系统、钢包处理站、真空系统、真空加热系统、合金上下料系统、真空室部件修理和更换系统以及真空部件修理、砌造系统
3.1.1RH基础自动化数据采集功能
RH真空精炼装置基础自动化数据采集功能包括:
钢包小车钢包顶升系统的钢包钢水重量称量;
真空室系统的耐火材料内衬温度;
真空泵系统的冷凝器冷却水流量、压力和温度、作水温度、密封缸液,蒸汽总管流量、压力和温度,蒸汽喷射泵的蒸汽压力,主真空间后真空度,废气流量、压力和温度,气体冷却器前后废气温度,气体冷却器温度及冷却隔板排气流量,真空阀前真空度;
铁合金系统的各料仓料位,真空料罐真空度;
真空室煤气加热系统的主烧嘴煤气、氧气、空气流量和压力,点火烧嘴煤气及压缩空气压力,真空室加热温度,排气烟罩内压力;
钢水测温定氧系统的钢水温度和氧含量;
真空室插入管吹氧吹氮系统的氢/氮支管流量和压力,氢/氮插入管流量;
设备冷却水系统各冷却点的各冷却水流量、压力和温度;
真空室底和插入管煤气烘烤系统的煤气和空气流量压力;
真空处理水系统的净循环水水位、甚度、压力和流量;
能源介质系统的压缩空气、氧气、氧气、氮气、焦炉煤气、水等总管流量、压力等数据采集。
3.1.2Rh基础自动化自动控制功能
驱动气体和冷却浸渍管流量自动控制体统
RH真空室压力自动控制体统
RH-KTB氧枪氧流量自动控制系统
RH蒸汽总管压力自动控制系统
3.2LF-VD钢包炉真空精炼基础自动化
（1）数据采集
（2）自动控制
（3）电气传动顺序控制
（4）故障报警
3.3CAS/CASOB钢包精炼基础自动化
CAS/CASOB其基础自动化的功能如下:
（1）数据采集CAS/CASOB钢包精炼的数据采集包括吹氧流量（含温度和压力补正）压力,搅拌时各料仓及投人料斗料位,铁合金及升温铝用称量值,钢水升温时用氧气压力流量,氧枪位置,吹氧时间,钢水温度和氧含量（用消耗式测温和定氧测量头测量）除尘系;
的差压等。
（2）自动控制。
CAS/CASOB钢包精炼的自动控制包括:
搅拌用氧气流量和搅拌时间:
定等控制,铁合金及升温用铝称量及投入控制,钢水升温时用氧流量和压力以及吹氧时间
CASOB具体操作如下:
钢水包吊运至处理站,对位后,开始底部强吹氧气,约1min,吹开钢水表面渣,立即下罩,同时测温取样,按计算好的合金称量,不断吹氧,稍后,即可加入铁合金搅拌,如需补偿降温,可用氧枪吹氧升温或投入升温用铝。
3.4IR-UT钢包精炼基础自动化
由下列设备组成:
（l）供氧气搅拌用的升降机械和氢枪;
（2）供氧气用的升降机械和氧枪;
（3）升降带隔离罩的包盖装置;
（4）喷吹石灰粉、CaSi粉罐及枪管;
（5）包盖和隔离罩;
（6）合金料仓、卸料器和称量斗小车;
（7）除尘系统等
IR-UT钢包精炼基础自动化的主要功能如下:
（2）自动控制系统
（4）故障报警
3.5喂丝机自动化
喂丝机进行喂丝时,首先开启油泵,然后压下铝线（或包含不同料的包芯线）,打开支撑松抱闸,放开铝线压紧装置,最后开动电动机,转动铝线卷筒,把铝线加到钢水包中进行脱氧
3.6VOD炉外精炼基础自动化
炉外精炼基础自动化的主要功能如下
（3）电气传动顺序控制。
（4）故障报警。
第4章炉外精炼过程控制自动化
4.1炉外精炼过程控制自动化采用的硬件和软件
过程控制自动化级（L2）大都使用常规的过程计算机,如美国DEC公司的VAX系列计算机,近来更多应用小型机,如ALPHLA系列小型机,也有使用SUN工作站
4.2炉外精炼过程控制自动化级（L2）的功能
炉外精炼过程控制自动化级的功能主要有以下几个方面:
（1）试验分析数据处理。
由全厂分析中心计算机把各种原料（合金等投入物）分析结果以及全厂分析计算机或精炼炉前快速分析或转炉、电炉计算机的钢水成分送炉外精炼过程控制计算机,后者作合理性的检查后,存入原料分析值文件,并由CRT自动显示。
（2）数据采集。
大都由基础臼动化级进行数据采集并经网络j二传给过程机,其中还包含某些手动输入数据。
大致有以下四类数据:
1）原始数据,如炉外精炼的转炉炉次、钢水温度、重量、成分等。
2）处理过程中及处理后的数据,如炉外精炼Ef真空处理装置的环流氧气、炉气成分、排气量和温度,处理后的钢水温度和成分等。
3）数学模型以及技术计算所需数据,包括手动输入数据。
4）打印报表所需数据。
（3）跟踪。
跟踪的内容包括:
炉外精炼的转炉炉次、钢水参数、出钢时间、对炉外精炼的要求
（4）生产指令的接受与发布。
（5）生产操作管理。
如各个料仓料位和库存量管理、合金称量和加入管理、处理时间管理等
（6）模型运算、优化与人工智能的应用
（7）技术计算。
输入有关炉外精炼的相关数据,按计算式集进行计算
（8）数据显示。
数据显示包括公共画面（CRT画面目录、菜单、计算机再启动、数据设定等画面）、工艺流程画面、CRT数据处理画面（各过程数据测定值、通道、扫描状态、采集许可标志、状态、未加工原始数据等画面）、数学模型及技术计算结果以及设定控制或操作指导专门显示画面、管理画面（如各个料仓料位和库存量管理、合金称量和加入管理、处理时间管理等画面）、工艺参数画面（如时序列曲线、趋势曲线、历史数据曲线等画面）、信息及处理实绩画面、各类报表画面等
（9）数据记录。
数据记录包括打印日报、月报、报警记录、喷吹或投入量报表以及显示画面的硬拷贝等
（10）数据通讯。
4.3炉外精炼过程控制数学模型和人工智能
A合金模型
第5章典型的炉外精炼自动化系统
5.1华凌涟钢热轧板厂LF炉自动化系统
LF炉过程自动化系统由1台数据库服务器和3台PC机组成。
数据库服务器的主要功能是存储工艺数据及生产实绩数据,为模型及报表提供数据支持;
同时,数据库服务器也完成部分数据通讯任务。
PC机的主要功能是:
提供报警监视,实现人机交互,进行模型数值计算,完成数据通讯等
5.2鞍钢第三炼钢厂ANS-OB钢水处理装置自动化系统
ANS-OB工艺控制要求
（1）渣量控制
（2）吹氢排渣控制
（3）浸渍管浸入深度控制。
（4）底吹氧气强度控制
（5）顶吹氧气控制
（6）氧枪枪位控制。
（7）氧铝比控制。
（8）合金加人量控制
5.2.3ANS-OB的自动化仪表系统
系统的特点为:
（1）控制能力强。
（2）优良的可扩展性
（3）实现真正的CRT画面操作。
（4）灵活的系统构成
（5）高度可靠
系统功能为:
（1）9个合金料槽料位越限报警
（2）称量斗称量
（3）钢水温度和自由氧含量测量
（4）氧枪冷却氧气流量控制
（5）钢包吹氧控制
5.2.5.2控制管理功能
控制管理功能有:
（1）生产计划。
（2）跟踪
（3）DJSOB处理
（4）其他。
计算机存储有ANSOB处理中主用参数维护画面,工艺负责人可通过计算机人员进行修改。
计算机具有检查功能,包括检查DJSOB处理所涉及的过程是否停止工作（若发现,可自动启动）、过程机与YEWPACK司PLC之间通讯是否正确
第6章连续铸钢技术
6.1连续铸钢过程简述
在钢铁的历史上，采用连续铸钢技术之前，一般是将钢水注到钢锭模内铸成钢锭，然后再将其加工成要求的加工尺寸，但这种工艺的成材率较低，生产成本较高，为此，冶金工作者开发了连续铸钢技术，简称连铸技术。
连铸是使钢水连续的通过连铸机（结晶器、二冷区、空冷区）变成固态钢坯（连铸坯），发生连续凝固。
连铸运动过程是将钢水转变为固态钢的过程，这一转变过程伴随着固态钢成型、固态相变、液固态相变、铜板与铸坯表面的换热、冷却水与铸坯表面间的复杂换热，钢水是由钢水包-中间包-结晶器-二次冷却-空冷区-切割-铸坯（根据用户要求切割成一定长度）。
在整个连铸过程钢水发生相变、铸坯经受弯曲、矫直等一些变化。
6.2连续铸钢的发展
连续铸钢技术是钢铁工业继氧气顶吹转炉之后又一次重要的技术革命，常规的连铸概念是美国的连铸工作者亚瑟（B.Atha，1886年）和德国土木工程师达勒恩（R.M.Daelen，1887年）提出来的，他们的建议中包括水冷上下敞口结晶器、二次冷却段、引锭杆、夹辊和铸坯切割装置等设备，许多特征与今天的连铸机相似。
几十年以后，在1920～1935年，连铸过程主要是用于有色金属，在铜、铝领域已成功得到工业化应用，这时的典型铸机是固定结晶器和低的浇铸速度，液芯长度很少有超过结晶器长度的，这类铸机的长度比较低，这对有色金属工业中的小炉子冶炼来说基本能满足要求，但对炼钢生产的大炉子，且钢水的浇铸温度又比较高、导热系数小、热容大、凝固速度慢等，采用这种连铸机浇铸显然是不可能的。
于是在世界范围内，大量的涌现出关于连铸的专利，显示出人们对连铸的兴趣。
6.3连铸工艺及设备
钢包又称盛钢桶、钢水包和大包等，是用于盛钢水的，并在钢包中对钢水进行精练处理等工艺操作。
钢水包是由外壳、内衬、和注流控制机构三部分组成，如图所示。
钢包回转台能够在转臂上承接两个钢包，一个用于浇铸，另一个处于待浇状态。
回转台可以减少换包时间，有利于实现多炉连浇，同时回转台本身可以完成异跨运输。
钢包回转台有直臂式和双臂式两种，图9.20为直臂钢包回转台。
直壁式回转台是两个钢包分别座落在回转台一直壁的两端，同时做回转和升降动作，双壁式回转台的每个臂可单独旋转90?
，各臂可单独升降，钢包回转台有
各自独立的称量系统。
为了适应连铸工艺的需要，目前钢包回转台趋于多功能化，增加了吹氩、调温、倾翻倒渣、加盖保温等功能。
连铸结晶器
结晶器是连铸机的重要部分，连铸坯的许多缺陷与结晶器的操作和设计因素有关。
钢水在结晶器内冷却，形成初生坯壳，而这一过程是在坯壳与结晶器壁连续相对运动下完成的，因此要求结晶器具有良好的导热性和刚性，且要有耐磨性，高的使用寿命。
二次冷却装置
出结晶器的连铸坯凝固坯壳厚度仅有8～15mm，铸坯的中心仍为液态钢水，为使铸坯快速凝固及实现顺利拉坯，在结晶器之后还设置了二次冷却装置。
铸坯切割设备
铸坯的切割设备是在浇铸过程中将铸坯切割成所需要的定尺长度。
铸坯的切割设备可分为两大类，一是火燃切割设备，二是机械切割设备。
机械切割设备
机械剪切也是在连铸拉坯过程中将铸坯剪断。
机械剪切机按
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