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1、马钢三钢厂50t电弧炉自动控制系统毕业设计目录1. 概述11.1 引言31.2 电弧炉系统31.2.1电弧炉炼钢发展概况31.2.2 电弧炉炼钢的特点41.3 电弧炉工艺发展概况51.3.1 电弧炉的历史发展61.3.2 电弧炉在国内的发展71.4 电弧炉自动化技术的发展趋势71.4.1 电弧炉控制方法理论研究71.4.2 电弧炉自动化发展趋势91.5 电弧炉炼钢设备概括101.5.1 电弧炉炼钢的机械设备101.5.2 电弧炉炼钢的电气设备121.6 电弧炉炼钢过程及工艺简介141.6.1 电弧炉炼钢过程141.6.2 电弧炉工艺简述151.6.3 电弧炉工艺对控制系统的要求151.6.4
2、电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求162. 电弧炉炼钢控制系统172.1 电极升降自动控制系统172.1.1 电极调节器的特点182.1.2 电极调节控制原理192.2 液压、水冷、气动控制系统212.2.1 液压控制系统212.2.2 水冷控制系统222.2.3 气动控制系统222.3 计算机在电弧炉炼钢过程中的应用232.4 PLC控制系统242.4.1 电弧炉PLC控制系统的构成252.4.2 电弧炉PLC控制系统的功能253. 电弧炉控制系统的软硬件设计273.1 电弧炉控制系统硬件设计273.1.1 系统硬件选型273.2 电弧炉控制系统软件设计283.2.1 变压器保护系统283.2
3、.2 液压站控制303.2.3 炉体操作343.2.4 水冷系统383.2.5 事故警报403.6 电弧炉控制系统程序的检查和编译41结束语46参考文献47致谢48附录491. 概述1.1 引言据统计，近40年来，世界电弧炉炼钢得到迅速发展，电炉钢产量占钢总产量的比例逐年增长，目前全世界粗钢产量的56%由电炉生产，我国电炉钢也约占总钢产量的45%左右。电弧炉电气运行是电炉冶炼生产最基本的保障，它关系到冶炼工艺、原料、电气、设备等诸多方面的问题，直接影响电炉炼钢生产的各项技术和经济指标，因此对其进行最佳化的研究意义重大，不但可保障冶炼工艺的顺行和充分发挥设备资源的作用，还能提高生产率，节能降耗。
4、可编程控制器是在继电器控制和计算机控制发展的基础上开发出来的，并逐渐发展为以微处理器为核心，把自动化技术，计算机技术，通讯技术融为一体的新型工业自动控制装置。随着位处理器、计算机、网络和数字通信技术的飞速发展，工业生产自动化控制技术已扩展到了几乎所有的工业领域。应用计算机网络技术来解决工业自动化任务已逐渐成为普通的技术。可编程序控制器是应用面最广、功能强大、使用方便的通用工业控制装置，它已经成为当代工业自动化的主要实现工具，无论是国外引进的自动化生产线，还是自行设计的自动控制系统，普遍把可编程序控制器作为控制系统的核心器件。可编程序控制器在取代传统电气控制方面有着不可比拟的优点，在自动化领域已
5、经形成了一种工业控制趋势。电气设备能否方便可靠的实现自动化，很大程度上取决于我们对可编程序控制器的应用水平。可编程序控制器是一种专为在工业环境下应用而设计的计算机控制系统。它采用可编程序的存储器，能够执行逻辑控制，顺序控制，定时，计数和算术运算等操作功能，并通过开关量，模拟量的输入和输出完成各种机械或生产过程的控制。它具有丰富的输入、输出接口，并且具有较强的驱动能力，其硬件需根据实际需要来选配，其软件则需根据控制要求进行设计。1.2 电弧炉系统1.2.1电弧炉炼钢发展概况近年来世界电弧炉的生产发展很快，随着二步炼钢法的兴起和20世纪70-80年代电炉自身采用了诸如超高功率技术、水冷炉壁、水冷炉
6、顶、偏心炉底出钢、氧燃烧嘴、吹氧、喷碳、泡沫渣工艺等新技术，使得电炉钢生产不仅在传统的合金钢领域中继续保持优势，而且在普通钢范围内也表现了强大的竞争力。自20世纪80年代初世界上第一座直流电弧炉问世以来，电炉钢的生产突飞猛进。2000年，电炉钢约将占世界钢产量的34.4%，2004年世界粗钢产量达10.548亿t，其中转炉钢66452万t，占33.8%，我国钢产量27470万t，其中转炉钢23271万t，占85.72%，电炉钢4167.1万t，仅占15.17%。目前，我国仍以交流电弧炉生产电炉钢为主，这种趋势目前仍不会改变。交流电弧炉在受到新兴直流电弧炉冲击的同时，在提高生产率和改善各种单耗方
7、面也不断取得进展；而直流电弧炉的诸多优点使其在未来的电弧炉炼钢中具有广阔的发展前景。1.2.2 电弧炉炼钢的特点电弧炉炼钢是以电能为热源，利用电极与炉料间产生的电弧的高温来加热和熔化炉料。电弧炉炼钢是以废钢铁料为主要原料，以各种微量合金和造渣料为辅料，以电能为热源，利用电极与炉料间产生的电弧的高温来加热和熔化炉料，经过一系列的物理化学反应，最后形成成分和温度合格的钢产品。电弧炉炼钢有一系列的优点1（1） 能灵活掌握温度。电弧炉中电弧区温度高达 4000以上，远远高于炼钢所需的温度，因而可以熔化各种高熔点的合金，通过电弧加热，钢液的温度可达1600以上。在冶炼过程中通过对电流和电压的控制，可以灵
8、活掌握冶炼温度，以满足不同钢种冶炼的需要。（2） 热效率高。电弧炉炼钢没有大量高温炉气带走的热损失，因而热效率高，一般可达 60%以上，比转炉炼钢和平炉炼钢的热效率高。表1-1 高炉-转炉炼钢和电弧炉炼钢两大流程的比较 类别 高炉-转炉流程电弧炉流程投资，美元/吨钢10001500500800从原料到钢水的能耗，标煤/吨钢 703.17213.73从原料到成品材的运输力需求，吨/吨钢 15.8 9.48二氧化碳排放，公斤/吨钢20003000800（3） 炉内气氛可以控制。氧气转炉吹入大量氧气是熔炼得以进行的必要条件，平炉熔炼过程中为了保证燃料（煤气或重油）完全燃烧，必须在熔炼室中保持一定的过
9、剩空气系数，因而在这些炉子中，熔炼自始至终是在不同程度的氧化性气氛下进行的。在电弧炉中没有可燃气体，根据工艺要求，既可造成炉内的氧化性气氛，也可造成还原性气氛，这是转炉和平炉无法达到的。因而在电弧炉炼钢过程中能够大量地去除钢中的磷、硫、氧和其他杂质，提高钢的质量，合金的回收率高且稳定，钢的化学成份比较容易控制，冶炼的钢种也较多。（4） 设备简单，工艺流程短。电弧炉的主要设备为变压器和炉体两大部分，因而基建费用低，投产快。电弧炉以废钢为原料，不象转炉那样以铁水为原料，所以不需要一套庞大的炼铁和炼焦系统，因而流程短。由于电弧炉炼钢法具有上述一系列优点，所以世界各国都在稳步地发展电炉炼钢。多年以来，
10、世界电炉钢产量的增长速度一直高于世界钢总产量的增长速度。随着科技的发展，炼钢技术研究水平的不断进步，炼钢方法由以前的一炉直接出钢发展为炉内初炼和炉外精炼两步炼钢。目前这种以超高功率电炉炼钢、炉外精炼和连铸组成的工艺路线被称为最佳工艺流程。电炉炼钢主要指电弧炉炼钢，其他电炉如感应电炉、电渣炉等所炼钢数量很小，因此电弧炉炼钢在冶炼工艺中的地位是十分重要的。电弧炉是实现炉内初炼、生产粗钢的重要冶炼设备。冶炼过程在电弧炉内进行，靠电极和炉料间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助辐射和电弧的直接作用加热并熔化废钢料和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼钢方法。电炉炼钢一般是以从各处搜集的废
11、钢铁作为固体炉料，所以电弧炉利用电极把电能转化为热能使炉料熔化并使之升温，然后在本炉或精炼炉中进行精炼，去除钢水中的气体有害元素及杂质，测定并检验化学成分,调整到成品规格范围，同时使钢液在出钢时达到适合浇铸的温度。炼钢电弧炉根据炉衬的性质不同，可以分为碱式电弧炉和酸式电弧炉。由于炉衬性质不同，炼钢过程中所采用的造渣材料也不一样，碱式电弧炉用碱性材料造碱性渣，以石灰为主，而酸式电弧炉则是以石英砂为主材料造酸性渣。碱式电弧炉和酸式电弧炉各有其优缺点。碱式电弧炉能利用碱性炉渣有效去除钢中的有害元素磷、硫，适用于以钢锭和连铸坯为产品的电炉钢厂。而酸式电弧炉渣阻止气体透过的能力要大于碱性渣，因此使钢液升
12、温快，比较适合异型铸造车间。电弧炉炼钢用电能加热能精确地控制温度。因为炉内没有可燃烧气体，所以可以根据工艺要求在各种不同的气氛中进行加热，也可以在任何压力或者真空中进行加热。综上,由于电弧炉的上述特点，能保证冶炼含磷、硫、氧低的优质钢，能使用各种元素（包括铝、钛等易氧化的元素）来使钢合金化，冶炼出各种类型的优质钢和合金钢。电弧炉炼钢由于要将电能转化为热能，在炼钢过程中需要消耗大量的电能，是工矿企业中大的电能用户。在生产到销售的整个环节中，节省电能成为降低生产成本的重要环节，因此如何节约电能、提供最佳的供电曲线、给定一个最佳的电弧电流设定值成为许多国内外专家学者的研究方向。1.3 电弧炉工艺发展
13、概况电弧炉炼钢技术发展至今已有近 100 年的历史，其钢产量在世界钢总产量的比例逐年上升。经过世界相关专家多年的研究使得电弧炉炼钢本体技术的不断完善，相关技术的不断涌现并不断充实到电弧炉炼钢工艺流程中，并且他吸取了其他炼钢方法的重要功能使电弧炉对原料适应性不断增强,能源的损耗不断减少,控制性能不断的完善。表1-2 世界历年来电炉钢占钢总产量的比例年代1920193019401950196019701980199020002010电炉钢量比（%）1.22.02.36.99.713.822.027.433.538.5表1-3 我国历年来电炉钢占钢总产量的比例年代195019601970198019
14、8519881993200020052010电炉钢量比（%）12.3817.1522.1719.121.1520.0521.822.528.433.51.3.1 电弧炉的历史发展电弧炉炼钢技术的发展大约可以追溯到 100 年前。1899 年，赫劳特研制成三相交流电弧炉，成为现代炼钢电弧炉的雏形。1906年，德国人林登堡（R. Lindenberg）进行了第一炉钢水的铸锭，开创了电弧炉炼钢的先河。1926 年，德国德马格公司制造了炉盖开出式电弧炉，首次实现炉顶加料。以后电弧炉的发展就向着高效、节能、低消耗的方向发展，如水冷炉底、炉盖、底吹搅拌、长弧泡沫渣熔炼、无钢出渣、废钢预热和氧燃烧嘴等技术的
15、应用。1964 年,为提高电弧炉炼钢生产率，降低成本。在美国冶炼石油工程师协会的电炉会议上，美国碳化物公司施瓦伯（WESchwabe）和西北钢线材公司罗宾逊（C.G.Robinson）根据有关的实验结果，共同提出电弧炉超高功率概念（Ultra HighPower，简称 UHP），并在两台 135t 的电弧炉上采用不同的功率水平进行进一步深入的运行试验。随后，瑞典、德国和日本等国也相继采用了这项技术，并取得了良好的效果。不久就在世界各国推广开来。至此，超高功率电弧炉结合先进的控制技术，已经大大提高了设备的生产效率，使其能够以尽可能大的功率进行熔化、升温操作，进一步满足了熔液清洁度和严格的成分、温度要求。为了克服交流超高功率电弧炉电弧不稳定、三相供电和熔化不平衡等问题，各国专家们开始了炼钢直流电弧炉的研究，并于 80 年代中期投入使用。80 年代后期，从传统电弧炉系统及其流程本身和环境保护等方面综合考虑入
