钢铁工艺简介
钢铁工艺简介
上海海得控制系统股份有限公司
网络部 周佳华 2005.07 版本:1.0
目录
炼铁部分.........................................................................................................................................4
原料场与自动化.......................................................................................................................4 炼焦与自动化...........................................................................................................................5
焦化工艺简介....................................................................................................................5 烧结、球团与自动化................................................................................................................8
烧结..................................................................................................................................8 球团..................................................................................................................................9 高炉与自动化......................................................................................................................... 11
炼钢部分.......................................................................................................................................13
转炉.......................................................................................................................................14 连铸工艺................................................................................................................................15
轧钢部分.......................................................................................................................................16
热连轧....................................................................................................................................17 冷轧.......................................................................................................................................19 棒材.......................................................................................................................................20 线材.......................................................................................................................................21
参考资料.......................................................................................................................................22
钢铁生产过程从矿石原料的冶炼到生产出满足各种需求的钢材的各个工序,大体可分为
炼铁工序 炼钢工序 轧钢工序。
炼铁部分
原料场与自动化
对于钢铁联合企业,为了给高炉、烧结(或球团)、焦炉和转炉等冶炼设备提供优质充足的原料,原料场的设置是必要的。原料场主要承担全场铁矿石、焦煤、动力煤等主副原料的输入、储备、破碎、混匀及供料。
原料有2个来源:水运和陆运。卸料机把原料从船上卸到岸上,或从车辆卸到料槽中。随后,堆料机把原料堆积到矿场、煤场、辅助原料场。大块的矿石经破碎、筛分后至精矿场。不同牌号的精矿粉被均匀堆料机均匀并分层堆放。取料时均匀取矿机从侧面垂直取料,以保证得到均匀的原料。最后,皮带运输机将料场的原料输送到相应的生产厂。同时,原料场还接受返原料和外运料。 现代化的大型原料场是个规模庞大的设备分散系统,主要设备在工艺流程中与多个设备相连,同时,皮带输送机将其连成一个复杂的网络。设备间不是简单的连锁关系,比如,一个皮带机可以进行多目的地运输。除了完成顺序控制外,系统还要实现作业管理。现代大型原料场常常使用数十台自动化平台和成百套仪表组成EIC 一体化系统。
控制功能:
受料设备的控制 混匀设备的控制 取样设备的控制 辅助设备的控制
料场设备的控制 破碎筛分设备的控制 供料设备的控制
炼焦与自动化
高炉对燃料有较高的要求,天然的焦煤不适合作为高炉的基本原料。高炉焦要求灰低、硫低、强度高、块度适当、气孔均匀、致密、反应性适度、反应后强度高。因此,焦煤经过配比、预处理工艺和炼焦工艺等方面的生产,才能成为合乎要求的高炉焦。高炉焦为矿石融化提供热源,还是氧化铁还原成金属铁的还原剂。同时,焦炭也作为高炉料拄骨架,具有保证料拄透气性。使煤气上升和融化液体下滴和畅通的作用。
焦炭生产工艺过程中,需要将气煤、肥煤、焦煤、瘦煤4种煤按一定的比例配成混合煤,送入焦炉进行高温炼焦。配比的准确性以及配料系统的可靠性将直接影响焦炭产品的质量。
焦化工艺简介
焦化装置主要由备煤、炼焦、化产回收、动力机修4个车间组成。 工艺流程
备煤——采用先配煤后粉碎,受配合一的工艺,电子自动配煤称配煤、笼型粉碎机粉碎;
炼焦——采用双联火道,废气循环,下喷单热式,捣固侧装煤型机械化焦炉,水封式桥管阀体,
消烟除尘车消除装煤烟尘,常规湿法熄焦工艺和先进的干法工艺; 筛焦——采用双层振动筛和单层振动筛将焦炭分为四级外销;
冷鼓电捕——采用三段横管式初冷器冷却煤气,配有变频调速装置、离心鼓风机煤气加压,恒
流源电捕焦油器捕集煤气中焦油雾滴,机械化氨水澄清槽分离焦油氨水。 焦炉
检测点:
温度-总烟道废气温度、机侧烟道废气温度、焦侧烟道、废气温度、集气管荒煤气温度、预热
器前回炉煤气温度、预热器后回炉煤气温度;
压力-煤气主管压力、总烟道吸力、压缩空气压力;
流量-低压氨水流量、回炉煤气主管流量、蒸汽总管流量、压缩空气流量;
控制调节点-气动长行程执行机构、阀门调节煤气主管尾部压力、集气管煤气压力、机侧烟道
吸力、焦侧烟道吸力等。
鼓风机
检测点:
温度-入鼓风机煤气管温度、出鼓风机煤气管温度、鼓风机轴承温度、鼓风机增速机轴承温度; 压力-鼓风机润滑油压、风机入口总管压力、风机出口总管压力。
干熄焦
干熄焦是目前国外广泛应用的一项节能技术,器英文名称为Coke Dry Quenching,简称CDQ 。 干熄焦工艺主要有3个优点:避免湿法熄焦对环境的污染,减少粉尘和CO 2向大气的排放;提高焦炭的强度,降低高炉的焦比;回收红焦的显热,其基本原理是利用冷的惰性气体(燃烧后的废气)在干熄焦炉中与赤热红焦换热从而冷却红焦。吸收了红焦热量的惰性气体将热量传给废热锅炉产生蒸汽,被冷却的惰性气体再由循环风机鼓入干熄焦炉冷却红焦。废热锅炉产生中压(或高压)蒸汽用于发电。
干熄焦装置的主要设备包括:电机车、焦罐及其运载车、提升机、装入装置、排出装置、干熄炉、鼓风装置、循环风机、废热锅炉、一次除尘器、二次除尘器等。其中电车,焦罐及其运载车、提升机、装入装置、排出装置负责焦炉产出红焦的运输、装炉及冷却的红焦排出任务;干熄炉、鼓风装置、循环风机、废热锅炉作为系统的关键设备负责红焦的冷却及余热的回收工作,从焦炉炭化室推出的950℃~1050℃的红焦,在干熄炉中与惰性气体直接进行热交换,冷却至250℃以下,从而完成干熄焦系统的核心生产任务;一次除尘器、二次除尘器将运焦及干熄产生的粉尘进行回收,达到环保的目的。
烧结、球团与自动化
现代高炉对利用系数、降低能耗和改善环境等提出了更高的要求,而精料是实现这一目标的物质基础。研究表明,入炉矿品位每提高1%,可提高产量2.5%~3.0%,降低焦比1.5%~2.0%。但是经过长期大量的开采,天然富矿越来越少,高炉不得不较多地使用贫矿,未经处理的贫矿直接入炉,既不经济,也不利于高炉操作。贫矿必须经富选,得到精矿粉,并重新造块,常用的方法有烧结和球团。
烧结
烧结是将精矿粉或富矿粉、燃料、溶剂和其它辅助剂等加水按一定比例混合,然后在烧结机上焙烧,利用燃料燃烧产生的高温作用产生一定的液相,冷却后与矿粉相粘连,形成坚实多孔的烧结矿,送入高炉使用。
工艺过程:由原料厂提供的炼铁原料经破碎和筛分、配料,一次混合,二次混合,加水等一系列工序后,送往烧结机台车点火燃烧为烧结矿,再经过造球工序成为烧结球团,送往高炉。
系统控制范围包括以下几部分:
制位、烧结冷烧系统 配混,外配煤系统 成品整粒系统 主电除尘系统
机尾、整粒电除尘系统 主抽风机系统 返矿系统 铺底料系统
球团
球团生产是将精矿粉、溶剂、燃料和粘结剂按一定比例配料并加水在造球机混合和滚成直径10~15mm的生球,然后送竖炉或回转窖或带式焙烧机,然后经冷却、筛分等,得到成品球团矿,送高炉使用。
竖炉属于逆流热交换的竖式焙烧设备
如下图所示,炉料自上而下、气流自下而上运动。竖炉两侧设有燃烧室,燃烧废气经火道喷入炉内,并向上运行与下降的炉料进行热交换加热炉料。竖炉下侧设有冷却风进口,冷风在炉内自下而上运动,将焙烧好的球团矿冷却,与此同时冷风被加热,通过导风墙上升到干燥床下部,穿过干燥床及床上的生球料层干燥生球,完成一个生产循环。
竖炉两侧分设2个燃烧室,煤气和助燃风(空气)分别经管道进入燃烧室内混合燃烧,产生大量的高温热废气,经过喷火到喷入炉膛内焙烧生球。废气量和温度是影响竖炉运行质量的重要参数,为了达到控制废气量与温度的目的,必须在管道上加装电动调节阀来控制空、煤气的流量与比率。 上料系统
上料系统负责向配料系统的矿槽提供铁料 配料系统
配料系统的主要任务是向造球系统提供混合料。 主要的控制内容为:
- 系统物料总量实行大闭环跟踪控制; - 配料设备启停控制;
- 自动换槽的切换启停控制; - 下料闭环调节控制;
- 原料矿槽上/下料位控制。 造球系统
造球系统实现了PLC 自动判断造球机启动的台数,按工艺顺序依次单台启动,避免了由于同时启动造球机对电网造成的冲击。同时,在造球机油泵的管路上增加了8台压力变送器,实现了造球机油泵的自动润滑控制。对摆动皮带的摆动位置进行了检测,并控制摆动皮带在不同位置的摆动速度,以实现均匀布料。 焙烧机系统
焙烧机系统是整个工艺系统的核心,焙烧机分为鼓风干燥段,抽风干燥段、预热段、焙烧段、均热段和冷却段。
高炉与自动化
虽然近年来新的钢铁工艺不断取得发展,但在相当长的一段时间内,高炉仍然是生铁制造的主要手段。现代高炉车间主要包括5部分:高炉本体、贮矿槽,出铁场、除尘器和热风炉。另外还有煤气清洗、炉顶煤气余压发电,水冲渣等辅助车间。
高炉生产对钢铁企业具有重大的意义,高炉生产为后续工序提供原料,常常是钢铁厂生产的瓶颈所在,其稳定工作十分重要。高炉生产能耗巨大,约占整个钢铁厂的60%,因此它的稳定工作至关重要,近代高炉大型化,稍一不正常,损失就很大。整个高炉车间设备繁多、控制和连锁复杂,一些基本的控制要求,如配料、上料和装料、炉顶压力、热风温度等自动控制是必不可少的,特别是高炉是密闭的,只能靠检测仪表推断,2000m 3的高炉每昼夜要装入上万吨原料,而且要正确配料、及时装入,牵涉近百个阀门等顺序和连锁动作,故自动化是必不可少和至关重要的。
整个控制系统由高炉上料及炉顶装料系统、炉顶压力系统、高炉热风炉系统,高炉本体控制系统、高炉水冲渣系统、高炉矿槽控制系统、出铁场及除尘系统、喷煤分配器系统、高炉煤气清洗系统、制粉系统、煤粉喷吹系统、高炉水处理系统组成。
过程控制级主要包括模型计算、过程数据处理、设备诊断、一代炉龄数据库、生产报表和工艺参数管理等。
工艺介绍
高炉是钢铁企业的主要工艺设备之一,主要用于钢铁企业生产的最主要的初级产品铁水的生产。其基本原理就是将铁矿石和焦炭混合后在高炉内加热,发生还原反应,生成铁水,炉渣和高炉煤气。高炉生产能力的大小主要由高炉的容积决定,目前新建的高炉大都在1800m 3以上。高炉项目是一个十分复杂的工艺系统,主要可以分为以下主要的部分:
原料准备系统通常称作槽上和槽下,槽上是指原料槽的上游,负责将原料运输到原料槽内,
主要的控制内容为皮带运输机和受料小车的控制;槽下是指原料槽的下游到高炉炉顶,负
责将原料槽内的原料按照高炉的要求将正确的配料输送高炉炉顶,主要的控制内容为上料
皮带和料槽下料阀门的控制,保证高炉能够得到所需求的正确配比了的原料和给料数量。
高炉炉顶,主要负责将由槽下输送来的原料正确的布置在高炉内,主要的控制内容为通过
布料溜槽的旋转和角度的控制实现要求的布料形态。保证高炉的正常炉况和冶炼强度。
高炉本体,是保证高炉冶炼的基础。主要的控制功能为对高炉炉体的工作进行监视,大量
的模拟量输入是高炉的特点,特别是大量的RTD 输入。
鼓风机站是提供高炉冶炼所需大量热风的地方,目前以电机驱动鼓风机为主,主要的控制
内容为电机和风机的监控和送往高炉的风量的调节,鼓风机控制系统一般由风机厂家配套
提供。
热风炉,主要用于将鼓风机站送来的压缩空气加热到1000℃左右,送往高炉,从高炉的底
部将热风送入高炉,热风在上升的过程中,与由炉顶向下运送的原料相遇,加热后使原料
发生还原反应,产生铁水、炉渣和煤气。铁水和炉渣由炉底排出,而煤气则由高炉炉顶经
除尘后进入煤气管网。大型高炉一般有3~4座热风炉,交叉循环工作,保证平稳向高炉送
风。热风炉的主要控制任务使为保证正确的换炉顺序和稳定的送风温度。
煤气清洗主要是将由高炉产生的煤气除尘,方便使用,主要的控制内容为控制洗涤水的流
量以保证最佳的洗涤效果。
TRT(Top pressure Recovery Turbine)炉顶煤气压力回收透平。高炉炉内的煤气压力大
约为0.2MPa 左右,虽然压力不高,但流量很大,通过透平发电机回收,能够达到
10000~30000KW,主要的控制功能要求为保持高炉炉顶煤气的稳定,保证透平发电机工
作稳定。
渣处理系统,将由高炉排出的高温液态炉灶用工业循环水冲洗后变成固体颗粒。除去水分
后作为水泥生产的原料。主要的肯嫩谷子要求为保持冲洗水的合理流量,达到最好的造渣
效果。
炼钢部分
炼钢工序的主要目的是将来自高炉的铁水或废钢在炼钢炉中通过氧化、脱碳及造渣等过程,降低有害元素,如S 、P 等,以满足钢材轧制的要求。炼钢的方法主要有三种,平炉炼钢法、转炉炼钢法和电炉炼钢法。平炉炼钢由于炉体庞大、设备复杂、热效率低和生产率低等因素,已经逐渐被取代。当今的主要炼钢方法为转炉炼钢法和电炉炼钢法。作为主要的炼钢方法,氧气转炉炼钢法有很多优点,诸如生产率高、原料适应性好、冶炼钢的品种多、原料消耗少、热效率高等。
随着工业生产的发展,对钢的质量要求更高,对品种的要求也越来越多,尤其是对特殊性能合金钢的需求不断增长。在电力技术基础上发展的电炉炼钢法更好地适应了这一趋势。电炉炼钢是利用电能转化成热能进行冶炼的方法。电炉炼钢由于不外加燃料,可以避免从燃料中带入杂质。同时电炉炼钢能够精确控制炉温和冶炼气体成分,因此电炉炼钢的质量最好。随着电力工业的发展,电炉炼钢是增长最快的炼钢方法。
近50 年来,钢水炉外精炼和铁水预处理是钢铁工业迅速发展起来的两项重要工艺技术。这两项技术解决一些优质品种的生产和质量问题,并逐渐发展成为对完善和优化整个钢铁生产工艺流程不可缺少的独立工艺环节,有利于实现节能降耗,优质高效的钢铁生产总体目标。
传统的钢锭生产是由钢锭模间断浇注来实现的,工艺过程复杂,效率较低。连续铸钢是直接将钢液铸成所需要的各种断面钢坯,从而简化从钢液到钢材的生产流程。连续铸钢的主要优点包括简化铸钢工艺、生产率高、金属收得率高、能耗少、钢坯质量好,以及有利于实现生产的连续化,为自动化创造了良好的条件。
转炉
转炉自动化控制系统范围包括:转炉本体(包括转炉顶吹、转炉底吹,转炉倾动)、散状料及铁合金、气化冷却和预热锅炉及功用设施、连铸系统、除尘系统、水系统、混铁炉、煤气加压站等系统的检测及控制。
工业及设备情况简介:
转炉本体:在整个转炉吹炼过程中,,由于冶炼操作需要,转炉需要倾动到不同的角度,以便进行各项作业内容。
氧抢:转炉氧气炼钢法与其他炼钢法相比,一个重要的特点就是氧气以高速射流形式穿入熔池金属液中,从而实现对金属液的冶炼过程。
连铸工艺
连铸分成两种工艺:
1. 板坯连铸机:板坯连铸机是炼钢车间比较重要的工序,完成从钢水到板坯材的制成工作。
2. 方坯连铸机:方坯连铸机是炼钢车间比较重要的工序,完成从钢水到方坯材的制成工作。 连铸自动控制系统
连铸自动控制系统根据需要可分为基础级和过程控制级两级。
轧钢部分
轧钢生产是将钢锭或钢坯轧制成材的生产环节,具有连续作业、生产率高、品种多和易于实现自动化等优点,是目前使用最广泛的钢铁成材方法。轧钢生产的分类方法较多,根据钢材断面形状,主要分成三大类,板材、管材和型材等。轧钢生产根据轧制钢坯或铸锭而有所区别。采用连续铸坯生产系统的工艺过程,不需要大的开坯机,一般是一次加热轧出成品,工艺先进,得到广泛应用。总的来说,轧钢生产的基本工序一般可分为:原料准备、加热、轧制、冷却、精整、清理等。在此基础上,合金钢的轧制要更为复杂,还需要退火和酸洗等工序。轧钢生产对钢材的质量和成材率有至关重要的影响,在温度和成型方面都需要精确的控制,对自动化技术的应用提出较高的要求。
热连轧
热连轧带钢一般为1~3mm厚,600~2000mm宽的成卷钢带,也可做成热轧钢板直接使用,也可供冷轧机轧制冷轧钢带。热轧带钢用途广,常量大,占钢材总产量的50%以上。
热连轧带钢生产工艺流程:
连铸坯来料-加热炉加热到轧制温度-除鳞(喷高压水除去加热后钢坯表面的氧化铁皮)-板坯在粗轧机开坯轧制和减厚-切头(把粗粗轧机轧制和减厚的钢坯不规则的头部切去)-精轧(连续经5~7架精轧机轧制和减厚成1~3mm厚热轧带钢)喷水冷却-卷取机卷成钢卷-卸卷-冷却-取样检测-入库。
工艺要求(控制范围)
热轧带钢厂按其工艺流程分为五大区域,即:板坯库、加热炉、轧制线、精整线和钢卷库,此外还有与轧制直接相关的水处理系统、液压润滑系统等辅助体统。因而一个完整的自动化系统的控制范围应该包括上述各区域。主轧线以外各区域的过程控制可以不限与一种形式,也可以直接设在三级计算机中。
在最新的热轧技术中采用较多的是热装,热送货连铸连铸、如ISP 、CPR 等技术,中间取消了板坯库而加上了连铸的控制,因而其自动化控制范围应该从连铸开始。
热连轧带钢生产特点:
速度快(最高达30m/s)、产量大和要求高。要到到这些要求,自动化是最关键的,热连轧带钢生产的自动化也是钢铁工业自动化技术最集中的表现。
冷轧带钢送以热轧板卷为原料,在室温下轧制,冷轧机可以是单架的,也可以是多架的。
冷轧带钢是厚度较薄的产品,带材:0.2~4.0mm厚,600~2500mm宽;箔材:0.001~0.2mm厚,20~600mm宽。冷轧带钢表面质量好、光洁度高、尺寸精度高、深冲性能好等。冷轧带钢用途很广,汽车、电气产品、机车车辆、航空、仪表、食品罐头等行业都需要冷轧钢带板。
冷连轧带钢生产工艺流程:
热轧板卷来料-酸洗除鳞(用硫酸货盐酸取出热轧板卷表面的氧化铁皮)-冷轧机轧制-脱脂(去除冷轧时留在带钢表面的油污,否则会在退火时在带钢表面形成污斑,影响表面质量及后面的镀层)-退火(冷轧过程中产生加工硬化,要进行软化退火。退火可以在罩式退火炉或塔式连续退火机组中进行)-平整(包括剪切、涂油防锈和包装)。
冷连轧带钢生产特点:
速度快,产量大和要求高质量。冷连轧带钢生产从来料开始知道入库,全线联动自动化进行。在高速自动化下,钢带高速、高质生产(同板厚度偏差小于±5µ)。生产自动化包括基础自动化、过程自动化和管理自动化。基础自动化包括开卷洗除鳞穿带自动化、钢带厚度控制、各轧机速度控制、张力控制、板型控制、剪取控制,脱脂过程控制,退火机组控制,平整机控制等。过程自动化包括跟踪、各类设定、计划编制、监控、数据记录等。
棒材生产常见的小型钢材主要有:方钢、圆钢、扁钢、六角钢、螺纹钢筋等,它们一般是成根供货,故又称棒材。小型钢材产量很大,约占钢材总产量的20%以上,用途广泛。
现代小型轧机都是连续式的,其工艺流程是:
来料钢坯-表面清理-加热炉加热-在轧机中轧制(经多架粗轧机轧制,剪切头尾,再经多架中轧机、精轧机轧制)-剪切-再冷床冷却-矫直-剪定尺-检查-打捆-入库。
棒材生产的特点:
棒材生产从来料开始直到入库,全线联动自动化进行。生产自动化包括基础自动化、过程自动化和管理自动化的3机控制系统。基础自动化包括加热炉控制、微张力控制、活套控制、各轧机速度控制及级联控制和动态速降补偿、飞剪控制、成品尺寸控制,辅助系统控制等。过程自动化包括轧件跟踪、各类参数设定、轧制规程存储、过程数据管理、监控、模拟轧钢等。管理自动化包括:合同管理、生产计划编制和管理。调度、库存管理、与上下位机管理等。
线材
直径为5~9mm的热轧圆钢称为线材。线材断面小,长度大,一般将其盘成卷,故又称盘条。线材的断面有圆形、方形、半圆形等等。但是最常见和大量生产的是圆形。线材的用途广泛。一类是直接使用,主要用作钢筋混凝土的配筋,用于包装等。另一类是作为拔丝的原料,制成各种钢丝,用于制网、钢丝绳、弹簧等。
现代线材轧机都是连续式的,其工艺流程是:
来料钢坯-表面清理-加热炉加热-在轧机中轧制(经多架粗轧机轧制,剪切头尾,再经多架中轧机、预精轧机、精轧机轧制)-散卷冷却-卷取-打捆-冷却-检查-入库。
线材生产的特点是高速(精轧机出口的线速度已达100m/s以上),所以要求控制系统响应快,系统稳定可靠。
参考资料
施耐德电气与钢铁工业(炼铁篇)
施耐德电气与钢铁工业(炼钢轧钢篇)
SIMATIC 自动化产品在钢铁行业的应用(SIEMENS )
《钢铁冶金概论》 [冶金工业出版社出版 北京科技大学 李慧 主编]
致谢:
感谢系统部、广州办提供了施耐德的工艺资料、徐路琴提供了西门子的工艺资料; 感谢董平提供《钢铁冶金概论》;
感谢总经办谢芳协助扫描图片。