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1、学 号：课程设计题目热风炉送风温度控制系统设计学院自动化学院专业自动化卓越工程师班级自动化zy1201班姓名指导教师傅佥J2015年 12月 8 日课程设计任务书学生： 专业班级： 自动化zy1201指导教师：傅剑工作单位：理工大学题目：热风炉送风温度控制系统的设计初始条件：炼钢高炉采用燃式热风炉，燃烧所采用的燃料为高炉煤气和转炉煤 气。两种燃料混合后进入热风炉燃烧室，再与助燃空气一起燃烧，要求向高炉送 风温度达到1350 C,则炉顶温度必须达到1400 C 10C。要求完成的主要任务1、了解燃式热风炉工艺设备2、绘制燃式热风炉温度控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术
2、参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书时间安排11月3日 选题、理解课题任务、要求11月4日方案设计11月5日-11月8日 参数计算撰写说明书11月9日答辩指导教师签名:系主任（或责任教师）签名:刖言 11. 热风炉工艺 21.1 主要结构21.2工作方式 21.2.1 直接式高净化热风炉 31.2.2 间接式热风炉 31.3工作原理 31.4高炉炼铁、转炉炼钢工艺流程 42. 热风炉温度控制方案设计 72.1熟悉工艺过程，确定控制目标 72.2选择被控变量 72.3选择操纵变量 72.4确定控制方案 72.5温度传感器的选择 82.6执行器的选择 错误!未定义书签。2.7调节器的选择 10
3、3.小结124. 参考文献13热风炉是现代大型高炉主体的一个重要组成部分，其作用是把从鼓风机来的 冷风加热到工艺要求的温度形成热风， 然后从高炉风口鼓入，帮助焦炭燃烧。所 以热风炉的热风温度大小或稳定与否都对于整个高炉炼铁有着很大的影响。所以我们要做一套设计，控制热风炉的温度，保证生产的正常进行。本次课程设计正 是针对于转炉炼钢生产中热风炉的单炉送风系统，利用单闭环系统进行负反馈控 制，使得热风炉的热风温度能够达到转炉炼钢生产的工艺要求。国大部分高炉均采用每座高炉带 3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任 何瞬时都有一座热风炉给高炉送风， 而每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止- 燃烧的顺序
4、循环生产。当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休 止状态。送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风， 原送风 热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下 一次送风。1. 热风炉工艺1.1主要结构热风炉是将鼓风机送出的冷风加热成热风的设备。通过提高高炉鼓风温度， 可以增加喷煤量，降低燃料比。热风炉的原理是借助煤气燃烧将热风炉格子砖烧 热，然后再将冷风通入格子砖。冷风被加热并通过热风管道送往高炉。 目前蓄热 式热风炉有三种基本结构形式，即燃式热风炉、外燃式热风炉、顶燃式热风炉。 如下使用的是双球形燃式热风炉。传统燃式热风炉及主要组织部分（如图1
5、-1所示）包括燃烧室和蓄热室两 大部分，并由炉基、炉底、炉衬、炉算子、支柱等构成。热风炉主要尺寸决定于主体结构燃烧室构造图图11.2工作方式直接式高净化热风炉就是采用燃料直接燃烧，经高净化处理形成热风，而和物料直接接触加热干 燥或烘烤。该种方法燃料的消耗量约比用蒸汽式或其他间接加热器减少一半左右。 因此，在不影响烘干产品品质的情况下，完全可以使用直接式高净化热风。间接式热风炉主要适用于被干燥物料不允许被污染，或应用于温度较低的热敏性物料干燥。 如：奶粉、制药、合成树脂、精细化工等。此种加热装置，即是将蒸气、导热油、 烟道气等做载体，通过多种形式的热交换器来加热空气。1.3工作原理高炉热风炉按工
6、作原理可分为蓄热式和换热式两种。蓄热式热风炉，按热风 炉部的蓄热体分球式热风炉（简称球炉）和采用格子砖的热风炉，按燃烧方式可 以分为顶燃式，燃式，外燃式等几种，提高热风炉热风温度是高炉强化冶炼的关 键技术。如何提高风温，是业人士长期研究的方向。常用的办法是混烧高热值煤 气，或增加热风炉格子砖的换热面积，或改变格子砖的材质、密度，或改变蓄热 体的形状（如蓄热球），以及通过种种方法将煤气和助燃空气预热。热风炉主要有三种工作状态：即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。（1）热风炉燃烧状态热风炉处于燃烧状态时，通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入 高炉煤气和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产生热
7、烟气使热风炉蓄热；热风炉处于燃烧状态时，其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高 炉煤气切断阀等阀均处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。（2）热风炉送风状态热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热风炉加热后再送入高炉。热风炉处于送风状态时，其冷风阀、热风阀、冷风 充压阀等处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。（3）热风炉闷炉状态热风炉处于闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态。热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。换炉时，应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送
8、 风，并应尽量使进入高炉的风量、风压波动很小，还要注意煤气安全。1.4高炉炼铁、转炉炼钢工艺流程在现代工业生产过程中，高炉炼铁的实质在于用焦炭做燃料和还原剂，在高 温下，将铁矿石或含铁原料中的铁，从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。因此， 高炉炼铁的本质是铁的还原过程。高炉生产的产品是生铁，副产品是炉渣、高炉煤气和炉尘灰。高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。炉料 （矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉。从下 部风口鼓入高温热风使焦炭燃烧。 燃烧生成的高温还原性煤气，在上升过程中与 下降的炉料相遇，使其加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化， 最后
9、生成液态渣、铁，聚集于炉缸，周期的从高炉排出。上升的煤气流由于将能 量传给炉料，温度不断降低，成分逐渐变化，最后变成高炉煤气从炉顶排出。高 炉实质是一个炉料下降、煤气上升两个逆向流运动的反应器。高炉一经开炉就必 须连续地进行生产。但高炉炼铁环节中，热风炉的温度稳定控制成了高炉炼铁成 功与否的关键因素。如图1-1，图1-2。川m *高炉图1-1高炉工艺流程球团矿 铁矿石 硅石石灰石一U隹小 炭文氏管 洗涤塔 除尘器脱水器图1-2 高炉工艺流程热风炉是现代大型高炉炼铁主体的一个重要组成部分，其作用是把从鼓风机来的冷风加热到工艺要求的温度形成热风，然后从高炉风口鼓入，帮助焦碳燃烧。 热风炉是按“蓄热
10、”原理工作的热交换器， 在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过 格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可以改为送风，此时有关燃 烧各阀关闭，送风各阀打开，冷风经格子砖而被加热并送出。高炉一般装有3-4座热风炉，在单炉送风时，两座或三座在加热，一座在送风，轮流更换，在并联 送风时，两座在加热，两座在送风。这里以一座热风炉设计组态为例，其它热风氧气顶吹转炉炼钢设备工艺，按照配料要求，先把废钢等装入炉，然后倒入 铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入 炉，吹入氧气（纯度大于99%的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化 反应，除去杂质。用纯氧代替空气可以克服由于
11、空气里的氮气的影响而使钢质变 脆，以及氮气排出时带走热量的缺点。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和 温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢 水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水合格后， 可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气，它的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气 体等。因此，必须加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。从回收设备得到 的氧化铁尘粒可以用来炼钢；一氧化碳可以作化工原料或燃料；烟气带出的热量 可以副产水蒸气。此外，炼钢时，生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，含磷量较
12、 高的炉渣，可加工成磷肥，等等。氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的 钢种较多、质量较好，以及建厂速度快、投资少等许多优点。但在冶炼过程中都 是氧化性气氛，去硫效率差，昂贵的合金元素也易被氧化而损耗， 因而所炼钢种 和质量就受到一定的限制。2. 热风炉温度控制方案设计2.1熟悉工艺过程，确定控制目标高炉炼铁对于热风炉送进高炉的热风温度有着严格的要求， 从鼓风机来的风 温约150-200 C,经过热风炉的风温可高于1300C,而本次课设高炉所需的热风 温度为1350C,炉顶温度必须达到1400 C 10C,且须温度稳定。所以在确保 系统安全运行情况下，炉顶温度保持在 1400C，不能出现大的
13、波动。2.2选择被控变量被控变量又称为被控参数或被控量。 在过称控制系统中，被控变量的选择应 体现控制目标。且必须根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产品的质量和 产量、安全运行、经济运行、环境环保等具有决定性作用并且可直接测量的工艺 参数作为被控参数，构成过程控制系统。在热风机控制系统中温度的测量比较方 便，信号的转换也比较简单，并且对于温度有着较为严格精确的要求。所以，选 择炉顶温度为被控参数。2.3选择操纵变量操纵变量又称控制量。一般情况下，对于被控过程的某个被控变量，通常有 多个可供选择的操纵变量，要从工艺要求入手，具体选择操纵变量。影响送入高 炉的热风温度的主要因素有冷风温度、热风
14、炉热风温度和煤气的流量。选择其中 任何一变量作为控制参数，都可以实现对送入高炉热风温度的控制。 但是对工艺 分析可知，从鼓风机冷风温度约150-200 C,并没有采取相应的方法来改变其温 度。而在热风炉对高炉进行单炉送风时， 热风炉处于送风状态，并不能对热风炉 进行加热来改变热风炉的热风温度，并且通过改变冷风温度或者高炉的热风温度 来控制送入高炉热风温度时，控制通道长，滞后时间长，对被控参数的校正作用 不灵敏。而煤气流量对最终热风温度影响较大， 并且较为容易控制，所以选择煤 气流量作为控制参数，被控参数的信号送往控制器控制煤气切断阀的开度。2.4确定控制方案控制方案主要取决于控制目标。由前面介
15、绍，热风炉控制系统比较简单，被 控过程纯延时和惯性小，负荷和扰动变化比较平缓，对于控制方案的要求不高，所以可以采用单闭环负反馈控制系统进行控制，易于设计和实施。如图2-1.2.5温度传感器的选择由工艺可知，热风温度一般在 0-1400 C之间。热电偶是在工业上最常用的 温度检测元件之一。其优点是： 测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触， 不受中间介质的影响。测量围广。常用的热电偶从-50+1600C均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269 C （如金铁镍铬），最高可达+2800C（如钨-铼）。构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。满足热风炉工艺要求的热电偶型号有 B型和S型, B型测温围是OC-1700 C, S型测温围是OC -1450 C,所以从经济适用方面选择 S型铂铑10-铂热电偶。 具体参数见表2-1 0表2-1标准化热电偶技术数据分度热电极标示E (100,0 )测温围（C）对分度表允许
