转炉炼钢工艺过程与计算机控制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,1,一般来讲，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。,2,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。,3,4,（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3-1,5,炉体,转炉的炉内砌耐火砖，炉壳用钢板焊接。,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3-2,6,7,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。,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。,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20002600,，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、Fe,2,O,3,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。,8,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。,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12001300,的铁水。,9,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20150,cm,处，送入（812）,10,5,Pa，,速度为1.0,m,3,/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。,10,吹炼初期，,由于铁水温度不高，硅、锰的氧化速度比碳快，开吹23,min,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6,min,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。,11,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。,12,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，100,t,以上的大型转炉约需,40,min,左右，,小型转炉还会更短,。,13,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。,14,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。,15,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。,16,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。,17,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,。,18,（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：,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。,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。,19,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,。,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。,20,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。,21,图3-3,22,60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。,23,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,。,24,一、,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。,25,图3-4,26,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,。,27,图3-5,28,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。,29,二、,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,。,30,建立模型的基本思路：,1、,静态理论模型主要是建立在热平衡和物料平衡的基础之上的。,2、,经验模型是使用数理统计的方法，对大量数据进行统计分析建立的,31,3、经验模型的修正方法，是把转炉整个炉役期中工艺因素变化的影响看作是连续的函数，相邻两炉炉型对操作结果的影响由于相差极微而看成是一样的。这样，以上一炉的操作情况为基础，对下一炉操作因素的变化加以修正，作为下一炉的数学模型。其数学通式为：,32,实践表明，纯理论模型的命中率很低，而经验模型的命中率高于理论模型，比人工控制好一些。尽管如此，静态控制模型命中率仍不高，其原因是操作和其它各种随机因素的干扰很难完全包括在数学模型中。此外，在整个吹炼过程中，静态控制得不到炉内反应实际进展的反馈信息，不能及时修正吹炼轨迹。,33,如前所述，静态控制只考虑始态与终态之间量的差别，而不考虑量随时间的变化，因而静态控制的命中率是有限的。为了提高命中率，应根据吹炼过程中检测的金属成分、温度及炉渣状况等有关随时间变化的动态信息对吹炼参数进行修正，以达到预定的吹炼目标，这种方法称为动态控制法,。,动态控制的关键在于迅速、准确的连续获得反馈信息。否则，即使建立的模型再好也是枉然。,三、,动态控制,34,目前，动态控制仍主要是保证出钢含碳量和出钢温度，使用的动态自动控制方法主要有轨迹跟踪法、动态停吹法、吹炼条件控制法、称量控制法等。,1、轨迹跟踪法,转炉吹炼后期脱碳和升温速度是有规律的，轨迹跟踪法认为吹炼后期脱碳规律呈指数衰减方式，其指数方程为：,35,根据冶炼过程中获得的气体分析和流量数据，可以计算脱碳速度，从而由式（3-3）可以求出指数方程中的系数,K，,式中的,R,P,以吹炼中期测得,R,平均值代替。然后由（3-4）用逐次迭代法算出溶池含碳量。,36,将方程式（3-3）整理并积分，从而可求出达到目标含碳量,C,i,所需得氧量：,37,用一独立的系统来测定溶池温度，并把测温数据代入下面的经验线性方程，以确定终点温度,。,38,过程控制计算机对算出的达到目标含碳量和目标温度所需的氧气,O,C,和,O,T,进行比较，若,O,C,= O,T,，,即达到目标含碳量与达到目标温度所需的氧气量相等，则无需调整操作，若,O,C,O,T,，,应加冷却剂；,O,C,O,T,，,则应提高枪位，使终点含碳量和温度同时命中目标值。,目前的动态控制，轨迹跟踪法用计算机每5,s,从检测系统采得一套新的瞬时溶池数据，对计算结果做一次校正。这样反复进行，直到吹炼终点，越接近吹炼终点，预计的吹炼曲线越接近实际曲线,。,39,2、动态停吹法,在开吹前用静态模型进行装料计算，吹炼前期用静态模型进行控制，只是在接近终点时，由检测器测得信息，根据对接近炉次或类似炉次回归分析，获得的脱碳速度和含碳量的关系，以及升温速度与温度的关系，判断最佳停吹点。,停吹时按需要作相应的修正动作。最佳停吹点需要满足下面两个条件之一，即含碳量和温度同时命中或两者中有一项命中，另一项不需后吹，只经某些修正动作即可达到目标要求。,40,图3-8是动态停吹法示意图，轨迹1是停吹时含碳量和温度同时命中。轨迹2和3是停吹时含碳量和温度两者不能同时命中，但不必后吹，只需作6或7轨迹修正即可达到目标值（降温或增炭,),，而不必在冶炼过程中作4或5轨迹的修正。,41,3、吹炼条件控制法,吹炼条件控制是根据吹炼过程中检测出来的溶池反应信息，修正吹炼条件，使,吹炼全过程,按预定的吹炼轨迹进行的一种控制方法。具有代表性的吹炼条件控制方法有,CRM,模型和克虏伯模型。,4、称量控制法,称量控制法的基本依据是，转炉中的主要反应都拌有失重或增重，由此根据获得的炉内重量、重量变化率及动能曲线信息来控制冶炼进程，使其按预定轨迹进行。,42,上述几种方法中，使用较普遍的是动态停吹法和吹炼条件控制法。,注意：,以终点含碳量和温度为主的控制方法，不能满足终点含磷量的控制要求和吹炼的平衡性。为此，需要开展了炉渣及废气状态等检测技术的研究，并将其引入终点控制系统中，从而增加了动态控制的功能。,目前开发的炉渣及废气的检测，主要有间接的通过测音响、炉体振动、氧枪振动、氧枪膨胀、渣中滴液、炉渣电导、氧枪与炉壳之间的电位差、废气成分、废气温度和火焰光度，将其信息用于冶炼控制。,43,四,、,动态控制的信息检测,冶炼过程中溶池反应信息的检测是实现动态控制的基础，由于转炉吹炼时处于半封闭状态，炉内温度高而且运动激烈，因此由炉内直接测温和取样是困难的，而倒炉进行测温取样，对高速操作的转炉也是不合算的。因此，必须具有迅速可靠的检测手段，一个好的检测器应该快速准确地得到溶池内的各种信息，而且结构简单和费用低。,44,1、溶池温度测定,溶池温度测定有连续式和间歇式两类，它们各有接触式和非接触式的区别。目前，已投入冶炼过程测温的方法分类如下：,45,上述各类方法中，使用比较简单和精度较高的是投掷式测温和副枪测温探头，但由于测温元件是消耗性的，测温成本较高。,2、溶池含碳量测定,吹炼过程中溶池含碳量测定也有连续式和间歇式两种方式，二者又各有接触式和非接触式两类方法。现在的溶池含碳量测定方法可分类如下：,46,47,48,49,50,51,上述各种方法中，开发较早和使用较多的是炉气、烟气的分析和测定方法，包括用测定炉口废气温度来确定溶池脱碳速度；测定废气中的,CO,和,CO,2,量计算脱碳速度；测定煤气回收转炉炉气量测定脱碳速度；测定废气量并分析,CO,和,CO,2,量，然后计算脱碳速度及溶池含碳量等。废气分析确定溶池含碳量，由于受操作因素、取样和分析精度的影响，加上测定时间滞后性，有较大的累计误差，检测和精度偏低。,其它一些类型的方法，也都各有特点并存在一定的问题，有待进一步研究。,52,3、炉渣检测,如前所述，溶渣检测包括音响测定、氧枪膨胀测定、渣中铁滴测定、炉渣电导测定等。这些收集信息的方法，还各自存在不同程度的问题，使用尚不普遍，还有待开发,。,4、测温定碳副枪,副枪是设置在吹炼主枪旁的间歇式水冷检测装置。检测副枪由于比其它检测手段具有功能多、寿命长、精度高的优点，已经成为转炉动态控制的主要检测手段。,53,副枪主要由传动机构，枪体和探头三部分构成。此外，还有探头自动装卸和回收机构及其它附属装置。从类型上分，副枪有固定式，横移式、旋转式和倾斜式。图3-9为水岛的副枪系统示意图。,图3-9,54,目前，副枪已具有测温、定碳、定氧、取样、测液面高度、测渣层厚度等多种功能。这些功能分别由测温、定氧、测液面高度的探头和能够同时测温、定碳、取样的复合探头来完成。图3-10为探头结构示意图。,图3-10,55,采用副枪动态控制，温度和碳的命中率可以达到90%以上，当含碳量为0.09%0.12%时，误差为,0.02%，温度误差为,12,K。,副枪测定时，多数转炉采用适当降低供氧量和测定前加镇静剂的措施，以便使溶池尽量趋于平静。,56,五,.,全自动冶炼控制,尽管动态控制模型校正了静态控制模型的计算误差，目前世界上各大型转炉也主要采用静态控制模型结合动态控制模型的控制形式,同时还采用了参考炉次更新和模型系数学习等方法以增强控制模型的适应能力，提高终点碳温的控制精度和命中率。,57,模型实际应用问题,动态控制,不能对造渣过程进行有效监测和控制，不能降低转炉的喷溅率；不能对终点的硫和磷含量进行准确控制，不能实现计算机对整个冶炼过程的闭环在线控制。,静态实现转炉自动化控制目标需要用计算机网络环路控制转炉炼钢工艺过程，其关键是要消除炼钢生产过程中产生的各种误差对炼钢终点和过程控制的影响。,58,转炉炼钢生产过程中的误差,系统误差，由各种检测仪表带来的误差和引起的波动；,随机误差，由生产中各种不跪定影响因素,(,如炉龄、枪龄和空炉时间等,),的波动和变化对操作结果引起的误差；,操作误差由操作者引起的误差。,为了消除以上三种误差，确保控制精度和系统的稳定性，需要采用全自动冶炼控制技术,可以很好地校正上述误差。,59,全自动冶炼控制技术,1),静态模型。确定吹炼方案，以保证能基本命中终点。,2),吹炼控制模型。在吹炼过程中利用炉气成分信息，校正吹炼误差，全程预报熔池和炉渣成分的变化。,3),造渣控制模型。吹炼时利用炉渣检测信息，动态调整顶枪枪位和造渣工艺，避免吹炼过 程中发生“喷溅”和“返干”。,4),终点控制模型。通过终点副枪校正或炉气分析校正；精确控制终点，保证命中率。,5),采用人工智能技术，提高模型的自学习和自适应能力。,60,冶炼程序框图,61,第四节 连续铸钢自动化,连续铸钢技术是一项新工艺，它对钢水要求高，连续作业设备操作难度大，因此为了免除事故，保持正常生产、达到较高的质量和产量要求，自动检测和自动控制是必不可少的。根据统计，在连铸装置上采用某些自动控制系统后，可使浇注速度提高20%，并可提高铸坯成品率和改善铸坯质量。目前连续铸钢已向生产宽板坯、合金钢坯和薄板坯方向发展，在满足严格的指标要求的同时实现工艺过程的全面自动化。,62,一,、,工艺及主要装置简介,连续铸钢能提高钢坯的收得率，节省能耗，减轻劳动强度，实现较高程序的自动化，因此，近年来在国内外得到了迅速发展，正逐步取代模铸和初轧机。国外已有全连铸车间乃至连铸连轧车间投产。,连铸机的型式有多种，有立式连铸、立弯式连铸、椭圆型连铸、旋转式连铸和弧形连铸。目前常用的是弧形连铸机，现就这种型式的连续铸钢（以下简称连铸）介绍如下：,63,64,65,弧形,连铸的工艺流程见图3-16，钢水先经吹氩站吹氩或吹氮搅拌，并加入废钢调温，使钢水温度调整到该钢种液相线30-50，然后送到钢水包回转台，将钢包对准中间罐，使钢水注入中间罐。中间罐的作用是保持一定的钢水量，从而使注入结晶器的钢水压力一定，使钢水中的夹杂物及渣子有机会上浮，还可以通过中间罐进行多流连铸及多炉连铸。在必要时改变中间罐钢水液面高度，也可以调节钢水温度（如钢水温度高，可以保持中间罐低液面；钢水温度低，则可以将中间罐的液面保持稍高）。中间罐的钢水通过侵入式水口注入结晶器（侵入式水口的作用是防止钢水氧化）。,66,图3-16,67,结晶器是铜制的，用高压软水冷却，近年来结晶器内表面镀铬，并用再结晶温度较高的铜合金制成，以减少结晶器的磨损。结晶器是连铸的关键设备，它使钢水外层在此凝成外壳，从而使铸坯与结晶器脱离，并使润滑剂能加入到钢坯与结晶器铜壁之间，浇注前，引锭装置将引锭送入结晶器，浇注开始后，由引锭装置将初步凝成外壳的铸坯引出结晶器，已形成薄壳的铸坯（内心是液体）进入二次冷却区，经喷水继续冷却，直至全部凝固。当连铸坯头部进入拉矫辊后，引锭装置便被脱开，安放在固定位置（例如：由吊车到连铸机旁边的某一空地），由拉矫辊直接拉铸坯，使铸坯继续前进。铸坯经拉矫辊矫直后，再经切割装置剪成一定长度的铸坯，送加热炉加热后轧制。,68,69,铸坯的浇注速度，是由铸坯的尺寸、钢种和产量来决定的，大板坯浇注速度一般为0.51.5,m/min；,小方坯的浇注速度一般为45,m/min。,二次冷却水的强度一般根据经验来决定，可根据铸坯热传导编制数学模型，然后用经验修正。,铸坯按生产要求，用火焰切割法（或其它机械方法，例如剪切）切制成一定长度，然后打上编号，冷却、堆放。某些铸坯表面可能有缺陷，一般采用火焰清理的办法来消除，故连铸车间配有火焰清理设备。,70,1结晶器,结晶器是连铸设备中最关键的部件，它的性能对连铸机的生产能力和铸坯质量都起着十分重要作用，因此，人们称它为连铸机的心脏。,连铸工艺要求的结晶器必须具有以下性能：,（1）,有良好的导热性能，能迅速形成足够厚度的初生坯壳。,（2）,有良好的结构刚性和结构工艺性，易于制造，安装和调整。,（3）,有较好的耐磨性和较高的使用寿命。,（4）,重量要轻，造价要低。,71,结晶器在使用中的重要问题是结构的刚性。结晶器的刚性决定了它在工作时的变形，而变形状态和大小，会影响坯壳在结晶器中的凝固过程和铸坯质量，同时加速铜壁的磨损，缩短结晶器的使用寿命。,按外部形状结晶器可分为直结晶器和弧形结晶器，直结晶器用于立式、立弯式连铸机上，弧形结晶器用于弧形和椭圆形连铸机；按铸坯断面形状结晶器可分为方坯、板坯、矩形坯、圆坯以及异形断面结晶器；按结构形成结晶器可分为整体式、管式、组合式和可调宽结晶器。,72,2结晶器振动装置,结晶器振动装置包括两部分内容：一是结晶器振动方式；二是结晶器振动装置结构。结晶器振动的目的是防止初生坯壳与结晶器之间粘结而被拉裂。对结晶器振动的要求是：,1）,振动的方式能有效地防止因坯壳和粘结而造成的拉漏事故；,2）,振动参数有利于改善铸坯表面的质量，形成表面光滑的铸坯；,3）,振动机构能准确实现圆弧轨迹，不产生过大的加速度引起的冲击和摆动；,4）,设备的制造、安装和维护方便，便于处理事故，传动系统有足够的安全余量。,73,74,同步振动（云岗振动）。,结晶器的下降速度与铸坯的拉坯速度相同，即称同步，然后结晶器以,3,倍的速度上升。冲击力较大，不平稳。,负滑动振动。,结晶器的下降速度稍高于铸坯的拉坯速度，即称负滑动，这样有利于强制脱模及断裂坯壳的压合，然后结晶器以较高的速度上升。结晶器在振动时有一段稳定的运动时间，这样有利于振动的平稳和坯壳的增厚。,正弦振动。,结晶器的上下振动时间相等，最大振动速度也相同。铸坯与结晶器之间都有相对运动，有利于脱模和断裂坯壳的压合。,75,连铸机上的振动方式，无论是立式的或弧形的均采用云岗式振动、负滑动振动和正弦振动三种振动方式。,3二次冷却装置,二次冷却装置的作用是：,1）,从结晶器中拉出的带液心的铸坯，在二次冷却区借助水或汽水的直接冷却，加速凝固，并进入拉矫区；,2）,通过夹辊和侧导辊，对带液心的坯壳起支撑和导向作用，使其按二冷区通道进行限制它发生鼓肚变形；,3）,对引锭杆起导向和支撑作用；,4）,对直结晶器的直弧形连铸机,，,二冷区还要完成对铸坯的顶弯作用。,76,连铸工艺对二冷区的要求主要有：,1）,二冷装置在高温铸坯作用下有足够的强度；,2）,结构简单、调整方便，能适应改变铸坯断面的要求，能快速处理事故；,3）,能按要求调整二次冷却区水量，以适应改变铸坯断面，钢种，浇注温度和拉坯速度的变化。,77,4拉矫直装置,1）,在浇注过程中能克服结晶器和二冷区阻力，顺利地把铸坯拉出。,2）,能调节拉速、适应不同工艺，如改变钢种、断面的要求，对自动控制液面的拉坯系统能实现闭环控制；,3）,能实现弧形全凝固或带液相铸坯的矫直，并保证矫直过程中不影响铸坯质量；,（4）,在满足工艺要求条件下，结构应简单，便于安装调整。,78,拉坯矫直机的分类，按结构形式可分成牌坊式、钳式和组合式；按辊子的数目可分成4辊拉矫机、5辊拉矫机，但最少要3辊才能把铸坯矫直。按铸坯形状可将拉矫机分为方坯拉矫机和板坯拉矫机。根据矫直技术的发展，则可分为单点矫直、多点矫直，压缩矫直和连续矫直四类。近年来，连铸矫直技术得到较快的发展。,79,二,、,连铸生产过程中的自动控制,在连铸自动化技术中，不仅自动控制与计算机管理是十分重要，检测技术显得特别关键。由于工作性质和环境的复杂性，致使很多关键过程参数仍然得到不到，这样为闭环控制带来困难，这里所介绍的控制技术部分已投入生产，部分仍在继续研究开发之中。,80,1钢包钢水脱氧自动控制,为了控制钢水质量，要测量钢包中钢水的温度及氧含量等，并根据钢水中含碳量投入铝丝，近来已用计算机计算投入量，并把铝丝卷在盘上，通过铝丝线供给器送入钢水包中，日本川崎制铁千叶厂3号连铸机已实现这样的控制。,2保护渣自动加入控制,在结晶器渣液面上是防止钢液表面氧化，吸收上浮金属夹杂物以及保持铸坯和结晶器间良好润滑所必不可少的。保护渣一般由工人用小铲加入结晶器，当浇注大断面板坯时，人工加入往往不均匀，故大型连铸机都设有保护渣自动加入系统。日本川崎制铁公司的系统是将保护渣存贮槽中，并利用高、中、低料位开关进行控制输送。以保持贮槽料位在正常即中间的位置，然后保护渣进入压力槽，用氮气压送到结晶器上去。位于结晶器上方的保护渣投入装置，可保证保护渣在结晶器的短边方向均匀分布。并设有振动给料器和横向移动电机，以保证向结晶器宽度方向均匀加入。由于大型连铸机都使用结晶器调宽技术，故系统还设有同步系统并由计算机控制，使之随结晶器宽度变化而自动限制保护渣加入的宽度。,81,德国曼内斯特曼公司研制了一种如图3-17所示的结晶器保护渣自动加入装置，此装置是根据流态床原理设计的，由加料系统和控制系统组成。加料系统是由斜槽加料器、料仓和料仓下面的透气网筛组成。控制系统由辐射接受器和气动控制回路组成，辐射接受器为一个热敏元件（铜片），接受结晶器液面的热辐射。,图3-17,82,由于渣层厚度不同，辐射热量也不同，热敏元件的温度也随之变化，并由测温元件11所测出。另一测温元件12测量环境温度。当11与12比较，其偏差大于某规定值时，此时就改变渣粉加入量直到偏差正常为止。这种控制系统与铸造速度无关，同时也与结晶器和中间罐间的浇注状态无关，因而使用方便灵活。,3结晶器锥度及宽度自动控制,结晶器最主要的参数之一是锥度。板坯对锥度要求较严，一般窄面锥度取0.8%，宽面锥度取0.5%，锥度也与拉速和钢种有关。,83,过去要变更浇注钢坯尺寸，都是更换不同尺寸的结晶器。近年来，为了提高生产率和节能，特别是把连铸和轧制工序连在一起时。须要使连铸与轧钢能力平衡，且要按轧制程序要求，相应地变更铸坯尺寸，故发展了结晶器的调宽技术。,日本川崎制铁公司水岛钢铁厂5号连铸机的结晶器锥度及宽度自动控制系统如图3-18所示，是采用分级计算机控制系统。,84,图3-18,85,过程计算机确定：,（,1,）,钢种、结晶器尺寸及锥度的移动量以及宽度的变化速度；（,2,）,宽度变更的时刻；（,3,）,宽度改变时铸钢速度的控制。,基础自动化控制器：,1）,决定和控制宽度及锥度的移动量；,2）,计算及控制锥度量；,3）,校核模拟式锥度计（倾斜计）显示值与计算锥度之间的差别，并监视调宽时的锥度值；,（,4）,利用倾斜计监视调宽之外的结晶器锥度变化。,86,4全自动浇注系统,全自动浇注事实上包括中间罐液位控制、结晶器液位控制和拉速控制三个系统的全自动化。在正常操作时，这三个控制系统都是具有独立闭环性质且稳定和易于操作的。但在非正常状态，即开始浇注时，要防止滑动水口闭塞，密封泄漏，铸坯拉漏和结晶器钢水过满溢出等。此外在浇注终了时，由于中间罐液位变低易于使渣夹杂到铸坯中，故在铸造末期要控制浇注速度，图3-20显示典型的连铸机起停过程曲线，可见全自动浇注实质上是要解决自动起停以及非正常时的各个问题。,87,图3-20,88,89,全自动浇注核心的一点是控制结晶器内钢液上升的速度，即控制中间罐注入结晶器钢水量与铸坯拉出量之差，结晶器钢水液位上升速度由下式计算：,90,按式（3-9）进行中间罐滑动水口自动控制以保证开浇钢水不至溢出和拉漏，为解决全自动浇注除依靠过去的系统外又开发许多新项目（见表3-2）。,91,5火焰切割后剩余毛刺的自动清理,连铸坯大都用火焰切割方式切成一定长度的钢坯，这时会在铸坯表面残留一些溶渣即毛刺，如果不加清理直送热轧，就会使钢板发生表面缺陷。这些毛刺过去一般用人工清除，不仅劳动强度大，而且还无法适应为提高生产率和节约能源而采用的热装技术，故现代连铸都使用自动清理的方法。,火焰切割毛刺自动清理系统包括检测部分，即找出钢坯的顶边、底边和侧边，然后决定火焰清理装置的位置，进行清理，氧枪预热810,s,以后，即可以815,m/min,的速度除去12,mm,的毛刺，烧剥完之后，氧枪自动回复原位。,92,6钢坯在热状态下自动打印标记,火焰清理后的钢坯还须打印表征钢坯特性的标记，日本川崎制铁公司开发了自动打印装置，能在600,1000,热状态下进行自动打印，字迹在10,m,内清楚看见，长久放置和高压水喷射都不会消失。打印纸从轮轴送出，经打印冲孔器冲出文字，然后切成规定长度，由打印处理装置吸附，由喷嘴把涂料吹到钢坯表面进行打印标记。这种装置已在川崎制铁公司水岛厂2号、5号、6号连铸机上及千叶厂1号、2号、3号连铸机上使用，同时在世界上还有几个公司也采用这样的设备。,93,7钢坯搬运吊车的自动化,为了使吊车运转省力，改善作业环境，以及钢坯库内物料流动和在库管理自动化，日本川崎制铁公司开发了吊车搬运钢坯的计算机控制系统。该系统供2台80吨吊车使用，停车精度走行为33,mm，,横行13,mm，,使用无线控制方式，系统主要用作把钢坯搬入库内指定地点和从指定地点取出钢坯和实况反馈等。在整个系统中为了防止因计算机故障而停歇，系统还设有地面上遥控设定盘、操作台等可进行半自动和手动控制。,94,三、二次冷却水控制模型,在连铸生产中，二次冷却闭环控制从理论上和实际应用中均比较成熟。,1铸坯凝固传热方程描述,铸坯从结晶器内钢水的弯月面经一定拉速向切割站移动，热量从铸坯中心向坯壳表面传递，所传递热量的多少决定于金属的热物理性能和铸坯表面边界条件。如果忽略拉坯方向（垂直方向）传热及铸坯宽度方向的传热，可简化为一维传热，而推得传热微分方程，加上边界条件就构成了连铸坯传热数学模型。,95,由于问题得复杂性，需做许多假设，很难得到偏微分方程得精确解，因而计算结果与实际情况有较大得出入。同时由于连铸复杂的边界条件，解析方法是无能为力的，此时最好用数值法来处理，这对连铸凝固传热特别有用。,2二次冷却的控制方法,，就目前国内情况来说，有下面几种：,（1）人工配水,开浇前根据钢种设定二冷总水量和各冷却段的水量。浇注过程之中水量不变，或由眼观察铸坯表面温度后作适当调整。,96,（2）比例控制,采用比水量的方法，人工按水表配水，即由,Q = kv（v,为拉速，,k,为系数）确定各冷却段的冷却水量，调节阀门使冷却水量与拉速相适应。,（3）参数控制,根据钢种，按,Q = Av,2,+Bv+C,一元二次方程进行配水。当拉速,v,改变时，适时选用预先存储在智能仪表或计算机中的相应控制参数,A、B、C，,控制各冷却段的水量。,（4）目标表面温度动态控制,考虑钢种、拉速及浇注状态，由二冷配水控制数学模型每隔一段时间计算一次铸坯的表面温度，并与考虑了二冷配水原则所预先设定的目标表面温度进行比较，根据比较的差值结果给出各段冷却水量，以使得铸坯的表面温度与目标表面温度相吻合。这种计算和比较工作是由计算机完成的。,97,目前，国内的二次冷却方法大部分属于人工配水和比例控制配水。这些控制方法受操作水平、人为等外界干扰因素的影响较大，使得铸坯的质量难以保证。参数法和目标表面温度法属于动态控制，都考虑了通过二冷各段配水使得铸坯的实际表面温度与目标表面温度相符合，只是后者考虑的影响因素更全一些，除了在线生产的钢种、断面尺寸、拉速以外，还考虑了中间包中钢水温度。,当我们通过模型计算出铸坯由结晶器拉出后，其温度在铸坯各点分布，并且初始温度可由结晶器刚拉出温度为准，则可根据目标表面温度与实际推算的铸坯表面温度进行二冷配水比的设定，然后根据二冷区出口实测温度再反馈到控制系统中去修正设定模型。,98,当我们通过模型计算出铸坯由结晶器拉出后，其温度在铸坯各点分布，并且初始温度可由结晶器刚拉出温度为准，则可根据目标表面温度与实际推算的铸坯表面温度进行二冷配水比的设定，然后根据二冷区出口实测温度再反馈到控制系统中去修正设定模型。 如若采用冷却水量公式进行控制，则应在实际应用中作大量温度、拉速、水流量各段的采样，回归出一元二次方程去描述水流量与拉速的关系。,Q=Av,2,+Bv+C （3-10）,从而确定各冷却段的二冷控制参数,A、B、C。,99,由于各冷却段之间交互作用的原因，回归得到的,A，B，C,不能使表面温度波动最小，而需要对,A、B、C,及个别控制点的目标表面温度再进行修正，其原则是使：,100,四、连铸自动化近期主要成就,连铸自动化近期主要成就除了检测仪表外，主要集中在以下几个方面：,1结晶器钢水液位自动控制,结晶器钢水液位自动控制系统的调节器接受液位信号，与设定值比较后输出偏差信号，按偏差大小控制液压伺服机构，由它拖动中间罐的塞棒，控制送入结晶器的钢水量以保证结晶器钢水液位的稳定。,101,2中间罐钢水液位自动控制,中间罐钢水液位自动控制系统检测出中间罐的重量，送入调节器，与给定值比较，有偏差时信号送到钢水包塞棒操作的液压伺服机构，对塞棒的上下进行控制，从而实现控制中间罐液位的目的，这种系统可使中间罐液面波动在50,mm,以内。,3二次冷却水流量自动控制,目前我国连铸机多数采用简单的单回路闭环二次冷却水流量控制系统，即用电磁流量计检测水流量，使用常规调节器和薄膜调节阀组成的闭环系统。,102,4铸坯定长切割自动控制,铸坯定长切割自动控制包括长度检测器、板坯边缘检测器和控制器三部分，当测得的长度与给定切割长度相等时，经过控制器使切割装置动作，当火焰切割枪上的钢坯边缘检测器测得火焰枪已到板坯边缘时，就自动送氧点火进行切割，直至切完另一边时才自动停止。,5电子计算机的应用,计算机控制系统主要功能为：收集生产过程工艺参数，如板坯厚度、宽度、炉号、浇注号、水温、水压、钢种、钢水温度等；显示生产过程工艺参数；控制二冷却段的供水量，根据数学模型进行二次冷却水的设定值计算，作为调节系统的给定；监视生产过程状态；数据处理和打印报表。,103,