冶金过程检测与自动控制

1、冶金过程检测与自动控制作业学 院： 高等工程师学院 指导教师： 朱荣 专业班级： 冶金E111 姓  名： 杨泽荣 学  号： 41102010 2014年5月26日喷粉罐设计任务书目录一、设计任务1二、设计条件1三、设计要求1四、设计内容11 喷粉罐类型的选择22喷粉罐容积的计算223喷粉罐几何尺寸的确定334喷粉罐的流态化装置45 输送气流速度的确定56 粉气比的计算67 输送管道的设计668 对是否发生堵塞的验证779 罐压的计算8810 阀门、流量计等设备的选取及其功能1211 喷粉罐自动控制及操作流程15五、设计总结17六、设计参考资料18II

2、一、设计任务设计一个喷粉料为石灰粉的喷粉罐，采用压缩空气作为载气，要求喷吹石灰粉的速率为75kg/min，一次加料能够连续喷吹30分钟。给出具体的设计步骤，选择合适的管道和阀门，简要说明阀门的功能，并说明如何实现喷粉罐的自动控制。二、设计条件本设计基于某钢厂LD-AC法（顶吹氧气喷石灰粉炼钢法）吹炼高磷铁水的顶吹氧气转炉，转炉的公称容量为120t。根据设计要求，将顶吹氧气换为顶吹空气。三、设计要求在现场具有很好的适应性，保证其在高温、多尘等环境稳定可靠的运行。能够均匀稳定的将石灰粉喷吹到熔池内，达到节能降耗的目的。（1） 粉状石灰极易吸水潮解，必须严格加以管理，保证新焙烧的石灰磨粉和输送时不接

3、触潮湿的空气，负责造成管路堵塞无法正常操作；（2） 喷粉的全过程是完全自动控制：无论是喷粉罐排气、加料、充压，还是喷粉及喷粉流量的调节，能够用计算机自动控制；（3） 喷粉流量可以适时调节：完全可以根据用户需要进行流量调节，调节准确稳定，工作可靠，寿命长；（4） 喷粉罐采用流态化装置，保证喷吹稳定、脉动小，克服喷石灰时出时不出的现象，保证全过程均匀稳定喷吹石灰粉；（5） 对于阀门的选取，保证其有带压多尘的环境中稳定长期工作；四、设计内容喷粉罐的工作特性与喷粉罐的结构有关。空气动力学的因素，对气动罐来说是非常重要的，此外设计喷粉罐时要考虑供气条件、管路长度、物料性能等。喷射冶金工艺对喷粉罐性能的要

4、求：喷吹过程中，在一定范围内，可调节送粉速度。喷粉罐结构应简单，工作性能可靠，对各种粉料(输送性能)适应性强。喷粉罐是属于高压容器，要求耐压强度比较大。根据题目要求，所吹粉料为石灰粉，载气为空气，现将这两种物质的重要物理性质列于下表1和表2。表1 空气的物理性质性质分子量密度（kg/m3）粘度，×10-6，kg/m·s空气28.951.2918.192表2 石灰粉的物理性质性质粒度（m）松装密度（kg/m3）石灰粉0.00080.9×1031 喷粉罐类型的选择喷粉罐的类型主要分为两种，即上出粉和下出粉两大类。出粉方式为利用通入罐内气体使粉剂沸腾、流态化并加压后利用

5、与输送管道间的差压从粉罐的上部流出。下出粉方式是在粉罐锥体段的下端配设粉管，通过流态化段使粉剂流体化并加压到一定压力后利用差压和粉剂自重使粉剂自粉罐下部流出。他们的区别在于：在输出粉量相等的情况下，上出粉比下出粉所需能量，要略微大一些。当输粉管与载气管汇合部位的压力为零时下出粉罐粉料可以借自重通过机械给粉器流出1。对于本喷粉罐的设计，要求喷吹严格，故采用下料均匀稳定度高，粉气控制较精确地锥体型下出料罐。2喷粉罐容积的计算2 喷粉罐的容积主要决定于金属处理量、粉料的容积比重和耗量，可按下式计算： V=1+(0.10.2)*Gs/式中：0.10.2为喷粉罐松动空间所占的容积率；Gs：为粉料量，为所

6、喷物料密度。喷吹速率为75kg/min，连续喷吹30分钟，则所需石灰粉的质量为：m=75×30=2250kg即Gs=2250kg。石灰粉的密度为：c=0.9×103kg/m3，喷粉罐松动空间所占的容积率取0.15。则喷粉罐的体积为：V=(1+0.2)×2250/900=2.875m33喷粉罐几何尺寸的确定3喷粉罐的罐体通常是圆柱形的，在下部有倒锥体，如图1所示。喷粉罐的主要参数是罐的直径D，高度H，倒锥角。图1 喷粉罐结构尺寸的示意图喷粉冶金用喷粉罐的H/D值约为2.12.2。通常要求出料速度较大时，H/D取较小值，反之，取较大值。喷粉罐下部的锥度对粉料在罐中的自

7、然下降有很大的影响。为了保证粉料能够从喷粉罐中顺利下降，喷粉罐的锥角与粉料的静止角之间的关系为依据张信昭编著的冶金喷粉基本原理354页表6-2某些粉料的松密度和静止角，取石灰粉的静止角=37度。则<112度。选取较小的值有利于粉料的自然下降，但是值过小，会使罐的高度和料柱高度增加，不利于粉料的流态化。因此在设计喷粉罐时要综合考虑各种因素。根据以往喷粉罐的设计，这里取=45度。下面近似计算喷粉罐的直径D。 （式1）设H1/D=KD，式中KD为系数，约为1.01.5，这里取1.2。由图1可知：将H1和H2值代入式1中可以得到因而得出： 把V=2.875， KD=1.2，=45o代入上式得到：

8、D=1.317028，实际取直径D为1.32m。则H1=1.58m，H2=1.59m。经验算，喷粉罐的实际体积为：V实际=2.895m3。4喷粉罐的流态化装置流化装置是喷粉罐中使粉料松动和悬浮的机构，是喷粉罐的核心，它在很大程度上决定着喷粉罐的工作性能。为了保证均匀而稳定地输送粉料，通常在喷粉罐上或其内部设置流态化装置或松动装置。在喷粉罐的工作过程中，从流态化装置进入罐内的气体大部分将与粉料一起进入出料管而向外输送，但是必须控制小部分气体留在罐内以填补粉料输出后而空出的容积，这样能使罐压保持不变，实现均衡供料。此外，留在罐内的气体具有上升的趋势，并能松动料层，使粉料连续地流向出料口。在锥底型喷

9、粉罐中，粉料流态化所需要的气体量比平底型喷粉罐的要少些。可以通过冷态实验确定合适的流态化气体的流量。这时能使粉料沿罐壁发生流态化，随着粉料的下降，锥体直径逐渐减少，当达到出料口处时，实现完全的流态化。流化装置的类型较多，用于冶金喷粉罐的主要有流化孔板、直形多孔管和螺旋形多孔管等。目前多采用多孔流化板，因为这种装置能使气流均匀分布在整个流化板表面上，使粉料流态化较均匀稳定，比多孔管式流化装置效果好，且耗气量较少4。通过以上的分析，本喷粉罐采用由多孔钢板和尼龙布钢丝网等迭合组成的复合多孔流化板。5 输送气流速度的确定确定合适的输送气流速度是非常重要的，在设计时可以采用简便的方法加以确定。首先根据理

10、论计算或者实际测量来确定粉粒的沉降速度，然后再根据粉料的物理性质，混合比的大小和管路配置情况等选取经验系数，同时参考已有的实例，最后确定合适的输送气流速度，这里我们逆向运算，首先确定输送气流速度，然后再确定混合比等气体参数，下面将有说明。水平管比垂直管要求有更大的输送气流速度；细粉状物料亦要求较大的输送气流速度。对于粘性较大，混合比大和管道布置复杂的情况，均应选取较大的输送气流速度。根据张信昭编著的冶金喷粉基本原理366页表6-4各种物料的沉降速度和常用的输送气流速度，表中标明石灰粉的输送气流速度一般为2535m/s。在本喷粉罐的设计中，取中间值30m/s。即输送气体的速度Ug=30 m/s。

11、6 粉气比的计算 粉气比也称质量浓度，是指在单位时间内通过输料管有效截面积的固体物料量Gs与气体质量Gg之比，用m表示，即 （ 式 2）式中 m质量浓度或称为粉气比，kg·kg-1 Gs物料的质量流量，kg·s-1 Gg气体的质量流量，kg·s-1 气体的密度，kg·m-3 气体的体积流量，m3·s-1 在喷粉冶金中，采用稀相输送时的粉气比通常为1040；采用浓相输送时的粉气比通常为80150。应根据实际情况选定合适的粉气比值，并在以后的实验中加以修正5。根据题目要求，每分钟喷吹75kg石灰粉，即物料的质量流量为Gs=75kg/min。依据以往

12、喷吹的经验，取输送气体流量Vg=100Nm3/h，即为Vg=1.667Nm3/min。喷吹气体为干空气，干空气的密度为=1.29kg/m3，把Gs，Vg，代入式2得：m=34.87675（kg·kg-1）7 输送管道的设计6为了保证均匀而稳定地输送粉料，必须根据喷粉冶金的工艺要求和现场的实际条件合理地设计输送管路。也就是要求确定合适的输送管直径。输料管的内径D可按下式计算：式中 Vg输送气体的流量，m3·min-1Ug输送气体的速度，m·s-1把Ug=30 m/s，Vg=1.667Nm3/min代入得：D=0.034m在管道的实际选取中，要查询钢管规格表，选取直径

13、比理论计算稍大的管径，即选择直径为40mm的管道，即DN40管，先将DN40管的规格及有关数据列于下表。表3 DN40管的规格及有关数据外径（mm）近似内径（mm）公称直径（mm）壁厚（加厚，mm）重量（加厚，kg/m）法兰外径（mm）配用螺栓（数量/规格）管表面积（m2/m）4840404.254.581454-16*600.153以上是对输送管直径的计算，DN40也就是主吹管路的的直径，在喷粉罐工艺流程图中，有一个总管和三个支管，主吹管就是其中的一个支管，另外两个分别是罐压气管和流化气管。一般情况下，罐压气管和流化气管的直径选取和主吹管一样，即都选DN40管。在有三个支路的情况下，总管的选

14、取一般为支管的23倍，查询钢管规格表，总管的内径选为100mm，即DN100管，现将DN100管的规格及有关数据列于表4。表4 DN100管的规格及有关数据外径（mm）近似内径（mm）公称直径（mm）壁厚（加厚，mm）重量（加厚，kg/m）法兰外径（mm）配用螺栓（数量/规格）管表面积（m2/m）1141061005.013.442158-16*700.3598 对是否发生堵塞的验证7根据以上的计算，得出粉气比m=34.88（kg·kg-1），输送气体的速度Ug=30 m/s，管道直径D=0.04m，利用西格勒和巴斯德实验结果来验证是否发生堵塞。根据他们的实验结果，得到不发生堵塞的输

15、送条件为：其中Fr是弗老德数，把Ug=30 m/s，D=0.04m，g=9.8m/s2代入得：Fr=47.9则：=163.19由于实际的粉气比m=34.88（kg·kg-1）远远小于163.19，所以不会发生堵塞。9 罐压的计算8喷粉罐的工作压力是很重的控制参数，工作压力过小会造成喷枪堵塞，但过大又会引起金属喷溅和增加气体的消耗。为了防止堵塞喷枪和使密度小，粒度小和熔点高的物料能够进入金属液中，就要求气粉射流具有较大的喷出速度。喷粉罐的工作压力至少应大于整个系统的各项阻力之和，加上熔池静压力和大气压力。应包括下列各项，即：式中 加速压损 摩擦压损 悬移压损 弯头压损 这样，喷粉罐的工

16、作压力为：式中 喷粉罐内压力与出料管出口压力之差，一般为0.5×105Pa； 熔池的静压力，喷吹石灰粉时采用软吹，即氧枪在熔池液面之上，则熔池静压力=0Pa； 大气压，一般等于1.0×105Pa。下面对系统中的各项阻力进行具体的计算。（1） 加速压损的计算在气力输送装置的加速段，加速气体和颗粒物的能量是由气体的压力能转化来的，加速压损包括加速气体的压损和加速固体的压损两部分。加速气体的压损可用下式表示：颗粒物料的加速压损可用下式表示：根据公式，因此，加速压损为：式中 m粉气比，其值为34.88 （kg·kg-1）； 气体与固体的速度之比，其值为0.8； 空气的密度

17、，其值为1.29kg/m3；输送气体的速度，其值为30m/s。把各个参数的值代入得：=16778.772Pa（2） 摩擦压损的计算在输料管的等速段中，由于气体和颗粒与管壁摩擦而引起的压强损失称为摩擦压损。等速段中纯气体的摩擦压损可用下式表示：式中 L输料管长度，取为20m； D输料管内径，其值为40mm； 纯气体流动时的摩擦阻力系数，一般在0.020.065之间，这里取0.05。 颗粒群引起的附加摩擦压损可按下式计算： 式中 颗粒与管壁之间的摩擦阻力系数，这里取0.02。 因为和，代入上式可得到： 这样就得到：把各个参数值代入得到： =53870.4Pa（3） 悬移压损计算在输料管内，颗粒物料

18、的悬浮和提升都要消耗能量，这两种能量的消耗统称为悬移压损。若气力输送管道的长度为L，上升高度为H，则总的悬移压损可用下式近似表示： 因为，代入上式得：式中 悬浮运动速度，其值根据重力加速度g，高度H计算，为0.59m/s。把各个数值代入得到： =1964.078Pa（4） 弯头的局部压损计算弯头的局部压损取决于物料的性质，气流速度，弯头在空间的布置形式以及弯头的弯角和曲率半径，通常用下式来计算弯头的压力损失： 式中 系数，它与被输送物料的性质，弯头的参数和弯头在空间的布置形式有关，其值参照喷粉冶金基本原理72页表2-5，取值为1.5； 纯气体流动时弯头的阻力系数，其值参照喷粉冶金基本原理73页

19、表2-6，取为0.083。计算得到：=941.76Pa喷粉罐的工作压力为： =0.16779×105+0. 53870×105+0.01964×105+0.00942×105+0.5×105+0+1×105=2.24×105（Pa）由于现场管道布置比较复杂，实际压损要远远大于理论计算的压损，以保证固体颗粒能够顺利喷出，所以实际压损取值为4×105（Pa），即0.4MPa。当罐压确定为0.4MPa，气源压力要大于罐压，这样才能保证喷粉罐的正常工作，虽然气源压力不是固定值，会有一定的波动，允许有一个波动范围，这里假设气

20、源压力为1MPa。 根据上面的计算，得到喷粉罐的尺寸以及工作的主要参数，统计如下表。表5 喷粉罐主要参数统计表参数数值喷粉罐容积（m3）2.895喷粉罐高度H（m）3.17喷粉罐直径D（m）1.32喷粉罐下锥角（O）45输送气体速度（m/s）30输送气体流量（Nm3/h）100粉气比（kg·kg-1）34.88输送管道直径（mm）40罐压（MPa）0.4气源压力（MPa）110 阀门、流量计等设备的选取及其功能当喷粉罐的主要参数确定以后，就可以制定出工艺流程图，此喷粉罐的工艺流程图如图2所示。图2 喷粉罐的工艺流程图由图2可以看出，用数字标记的设备总共有27个，包括阀门，流量计，电机

21、等，下面分别对它们的选取和功能进行介绍。1气源手动调节阀。型号：T4OH、口径：DN100、压力：1.6MPa、材质：铸钢。即直径为100mm，允许的最大工作压力为1.6MPa。它的直径的选取是根据总管的公称直径选取的，在上面输送管道的设计中，已经确定了总管的公称直径为100mm。最大工作压力是根据气源压力定的，气源压力为1MPa，要比气源压力大，查询阀门手册，选取1.6MPa比较合适。气源手动调节阀的功能就是实现气源的开和关。2压力变送器。它的参数为压力量程范围为01.6MPa、精度0.5%、智能型、测量介质为气体。一般而言，需要选择一个具有比最大值还要大1.5倍左右的压力量程的变送器，所以

22、选取量程为01.6MPa。它的功能是将测压元件传感器感受到的气体压力参数转变成标准的电信号， 以供给指示记录仪、调节器等二次仪表进行测量、指示和过程调节。这里主要是测量总管压力。3机械压力表。参照压力表手册，选取YQ-2（测量气体无腐蚀性），它的参数为压力表量程为01.6MPa、精度1%。其值需要用肉眼读取，主要起备用作用，当压力变送器损坏或者不准，可以临时读取气源压力。4温度测量计。它的参数为量程1000C，精度为1%。主要功能是测量总管温度。5、8、11手动调节阀。型号：T4OH、口径：DN40、压力：1.6MPa、材质：铸钢。即直径为100mm，允许的最大工作压力为1.6MPa。由于各支

23、管的公称直径为40mm，所以选取DN40。他们的功能是手动控制罐压气、流化气、主吹气3个支路的开和关。6、9、14气动球阀。一种旋转角为90度的旋转阀门，由气体控制，它们的参数为DN40,PN16。用PLC控制，实现对各支路开和关的自动化控制。7、10、15单向阀。直径为DN40, 功能是防止气体逆向流动，即防止气体反冲，起到安全保护功能。12差压变送器。它的参数为压力量程范围为01.6MPa、精度0.5%、智能型、测量介质气体。功能是测量主吹管路的压力。13气动调节阀。公称直径DN40，公称压力1.6MPa，材料为不锈钢，工作时气源压力0.4MPa1.6MPa，适用温度为-400C2000C

24、。功能是实现对主吹气流量的调节。16振动器。工作功率为0.75KW。它安装在料仓上，当需要加料时，起动振动器，加快加料速度，防止堵塞。17气动蝶阀。用随阀柑转动的圆形蝶板做启闭性，以实现启用动作的气动阀门主要做截断阀使用，规格为DN250，控制上加料阀。18气动蝶阀。规格为DN250，控制下加料阀。19压力变送器。它的参数为压力量程范围为01.6MPa、精度0.5%、智能型、测量介质为气体。由于喷粉罐是密闭容器，有压力极限，实际压力不能超过压力极限。喷粉罐的正常压力为0.4MPa，在实际的设置过程中，可以设为当罐压高于0.6MPa时，给出报警，防止罐压过大，发生爆炸，主要作用是测量罐压。20气

25、动蝶阀。规格为DN40，控制上排气阀。21手动调节阀。规格为DN40，手动控制下排气阀。22、23、24称重传感器。规格为3T，即最大测重量为3吨。工作原理就是测量喷粉罐中3个不同位置的重量，然后求其平均值，作为喷粉罐中石灰粉的重量。25电机风扇。工作功率为0.75KW。其功能是为配料盘电机降温。26配料盘电机。工作功率为2KW。其功能是带动配料盘转动，实现对流化态石灰粉的输送。27气动蝶阀。规格为DN40，控制出料。11 喷粉罐自动控制及操作流程为了实现对喷粉罐喷吹作业整个流程的自动控制， 计算机通过和可编程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）通讯对工

26、艺流程实时监控。PLC读取数值主要有两种类型，分别为开关量和模拟量。当PLC读取开关量时，只控制设备的开和关。当PLC读取模拟量时，根据实际情况的需要，可以自由设置设备参数的大小。在上面给出标记的27个设备当中，除掉手动调节阀（1、5、8、11、21），机械压力表（3），温度计（4）不需要用信号电缆与PLC柜连接外，其余均需要用信号电缆连接，以便用PLC编程，实现自动控制。在用信号电缆连接的设备当中，2、12、19、22、23、24是属于读取感应量，不需要控制，他们反映实际的流量、压力和重量等。在用PLC控制的这些设备当中，有一部分只需要控制开和关，即PLC读取开关量，另外一部分则需要控制具体

27、参数的大小，即PLC读取模拟量。现将这两种类型统计如下表。表6 PLC读取参数类型统计表PLC读取参数类型设备编号功能开关量6、7、9、10、14、15、16、17、18、20、25、27实现设备的开和关模拟量13、26调节设备参数大小感应量2、12、19、22、23、24读取实际值在把所有需要的硬件设备完成以后，进行电缆和电线的连接。根据喷粉罐操作流程，编写PLC程序，然后进行调试。喷粉罐操作流程图如下图所示：图3 喷粉罐操作流程图（1）喷粉罐加料：起动振动器，打开上加料阀和下加料阀，给喷粉罐加料，给喷粉罐设定个加料上限，以免造成粉料加入过多。当加入合适重量的石灰粉后，加料结束，此时，关闭上

28、加料阀和下加料阀。（2）喷粉罐加压：加料结束后，打开罐压气那一路的阀门，给喷粉罐冲压。设定喷粉罐的正常工作压力为0.4MPa，当罐压达到设定值时，停止加压。（3）启动主吹气：为了防止粉料堵塞管道，应先启动主吹气，启动时间应该比加料有个提前量，一般为10s，这样能够有效地控制管道堵塞。（4）加料过程：打开流化气，启动旋转给料器电机和风扇，同时打开出料阀，喷粉开始。（5）在喷吹过程中，根据实际情况的需要，可以调节旋转给料器电机功率，以调节给料速度。（6）当喷粉结束时，应先关闭加料过程，然后再关闭主吹气，即先执行（4）的反过程，再执行（3）的反过程。目的是防止粉料停留在管道中。根据以上的操作流程，编写程序，用PLC控制，同时要在计