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文档简介

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。34

(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3-15①炉体转炉的炉内砌耐火砖,炉壳用钢板焊接。

②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3-267

③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。

④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。

⑤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2000~2600℃,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、Fe2O3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。

①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1200~1300℃的铁水。9

②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20~150cm处,送入(8~12)×105Pa,速度为1.0m3/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,由于铁水温度度不高,硅、、锰的氧化速速度比碳快,,开吹2~3min时,硅、锰已已基本上被氧氧化,同时铁铁也被氧化形形成FeO进入炉渣和溶溶于铁水,石石灰也逐渐熔熔化,磷也被被氧化进入炉炉渣。吹炼初初期炉口出现现黄褐色的烟烟尘,继后为为红色,这是是由于炉口带带出许多微小小铁水珠,在在空气中燃烧烧而形成的。。大约吹炼6min以后,进入烧碳期,这时炉温升升高到1450℃以上,碳的的氧化速度加加快,CO气体大量产生生,在炉口出出现CO燃烧而形成的的白色火焰。。这时由于CaO的加入,炉渣渣碱度逐渐增增高,脱碱反反应开始进行行,硫以CaS的形式进入炉炉渣。11吹炼后期,由于含碳量量降低,碳的的氧化速度变变慢,炉口火火焰转暗并萎萎缩,这标志志吹炼结束,,同时铁的氧氧化加剧,炉炉口会由铁、、锰氧化物组组成的赤热气气体而形成褐褐色浓烟。这这时吹炼应立立即停止,提提升氧枪,抽抽样分析和用用热电偶测定定钢液温度,,若温度过高高,则可加入入冷却剂(一一般用矿石作作冷却剂),,若硫、磷含含量还高于钢钢种规定值,,则应补加适适量造渣材料料进行补吹。。当钢水成分分和温度都符符合规定值时时,即可出钢钢。12③出钢氧气顶吹转炉炉炼钢中的脱脱氧、合金化化,一般是在在出钢时将钢钢水倒入钢水水包(盛钢桶桶)过程中进进行的。出钢钢,是将炉子子转到出钢位位置,掏开出出钢口,将钢钢水倒入钢水水包并加入氧氧化剂和合金金化的合金元元素。顶吹转炉整个个冶炼周期,,从装料到出出钢,100t以上的大型转转炉约需40min左右,小型转炉还会会更短。13第二节转转炉炼钢计算算机控制的目目的和今后的的工作(1)氧气吹炼转炉炉计算机控制制的主要目的的氧气吹炼转炉炉计算机控制制的主要目的的是:使每炉吹炼终终点的钢水温温度和成分((主要是含碳碳量)命中率率在允许的范范围内,以获获得质量合格格的钢;减少吹炼次数数,缩短吹炼炼时间,提高高生产率;降低原材料的的消耗;促进生产管理理水平的提高高,实现冶炼炼操作的合理理化、规范化化。14按上述目的和和要求,转炉炉计算机控制制的最主要目目标是在吹炼炼终点达到较较高的终点温温度和成分的的命中率。国国内转炉计算算机控制大量量的研究和试试验工作也是是主要围绕这这一目标而开开展的。转炉计算机控控制主要有两两种方法:静态控制和动动态控制。15①静态态控制制(不考虑虑时间间,目目标::终点点碳和和终点点温度度)由于静静态控控制是是转炉炉计算算机最最基本本的控控制方方法,,所以以各厂厂在安安装了了计算算机之之后,,就集集中精精力用用计算算机收收集炼炼钢数数据,,在此此基础础上建建立了了静态态模型型。终终点温温度靠靠加入入矿石石来调调整,,终点点碳靠靠吹入入的氧氧耗量量来控控制。。因此此,模模型主主要由由矿石石方程程和耗耗氧方方程组组成。。模型型是经经验和和多重重回归归两种种方法法建立立起来来的。。模型型中变变量因因子是是在能能检测测参数数中由由经验验统计计挑选选,一一些难难以表表述的的因子子不选选入模模型。。模型型采用用全量量和增增量两两种,,由于于增量量模型型具有有较好好的适适应性性能,,控制制偏差差比全全量模模型小小,故故在实实际中中得到到了广广泛应应用。在全量量模型型进行行静态态控制制时,,常常常存在在较大大的系系统偏偏差,,因此此,又又建立立了采采用随随机逼逼近法法或递递推最最小二二乘法法的自自适应应模型型,对对全量量模型型的控控制偏偏差进进行自自适应应补正正。16②动态态控制制要实现现动态态控制制,首首先必必须解解决动动态检检测手手段,,即能能够在在吹炼炼过程程中测测量钢钢水温温度和和含碳碳量。。为此此,各各厂在在进行行静态态控制制试验验的同同时,,大力力进行行动态态检测测手段段的研研究。。70年代代以后后,国国内许许多企企业先先后安安装了了炉气气定碳碳装置置,开开始了了炉气气定碳碳的研研究。。与此此同时时,各各厂积积极着着手安安装副副枪,,又经经过几几年的的试制制和改改进,,给动动态控控制的的实现现提供供了有有利条条件。。17用副枪枪进行行动态态控制制是在在吹炼炼后期期(此此时钢钢水含含碳0.5%-1%)。。副枪枪下降降到溶溶池测测出钢钢水温温度和和含碳碳量,,根据据终点点温度度和碳碳的目目标值值,用用动态态模型型算出出吹炼炼到终终点所所需的的氧耗耗量和和调温温所需需的冷冷却剂剂量,,并按按此计计算值值进行行控制制,直直到吹吹炼终终点。。由于于副枪枪下降降到吹吹炼点点的时时间比比较短短(一一般只只有几几分钟钟时间间),,这种种动态态控制制方法法要求求计算算机能能对转转炉的的氧、、副枪枪、氧氧耗和和副原原料加加料各各系统统实行行全部部自动动操作作,要要在机机械、、自动动控制制、探探头、、检测测仪表表等方方面解解决大大量技技术关关键问问题,,并与与计算算机联联调,,才能能使副副枪基基本上上具备备了动动态控控制的的条件件。18(2))实现现转炉炉炼钢钢计算算机控控制今今后要要做的的工作作实现转转炉炼炼钢计计算机机控制制今后后要做做的工工作有有:①要实现现转炉炉计算算机控控制,,不仅仅要有有计算算机控控制系系统,,还应应有配配套的的计量量设备备和检检测仪仪表。。并且且要求求他们们在长长期工工作中中具有有足够够的稳稳定性性和可可靠性性。这这些,,仍然然是目目前急急待解解决的的问题题。②生产条条件的的稳定定和操操作的的统一一以及及改进进生产产管理理,是是实现现转炉炉计算算机控控制必必备的的条件件之一一。在在试验验中发发现::铁水水成分分不稳稳定与与副原原料质质量不不稳定定、废废钢不不分类类、操操作不不统一一、钢钢种变变化大大,不不仅给给研制制数学学模型型造成成困难难,同同时严严重影影响了了控制制精度度和命命中率率,这这是计计算机机控制制炼钢钢的主主要难难点。。19③经过过多多年年来来对对各各种种数数学学模模型型的的研研究究和和试试验验看看出出::只只要要检检测测到到的的冶冶炼炼数数据据准准确确,,生生产产条条件件稳稳定定,,操操作作统统一一,,研研制制出出较较高高质质量量的的静静、、动动态态数数学学模模型型是是完完全全可可以以实实现现的的。。为为此此,,要要积积极极地地解解决决上上述述问问题题,,为为模模型型研研究究创创造造条条件件。④根据据国国内内外外的的情情况况,,要要提提高高转转炉炉计计算算机机控控制制效效果果,,必必须须实实现现静静态态和和动动态态相相结结合合的的控控制制方方式式。。因因此此,,在在静静态态控控制制的的基基础础上上要要加加强强动动态态控控制制的的研研究究,,特特别别是是要要加加强强动动态态检检测测手手段段的的研研究究。。使使用用副副枪枪作作为为动动态态检检测测手手段段,,以以实实现现动动态态控控制制。。20第三三节节转转炉炉炼炼钢钢计计算算机机控控制制转炉炉炼炼钢钢过过程程复复杂杂((如如图图3-3所所示示)),,终终点点成成分分和和温温度度的的控控制制范范围围窄窄,,使使用用的的原原料料和和生生产产的的品品种种多多、、数数量量大大,,冶冶炼炼过过程程温温度度高高,,时时间间短短,,可可变变因因素素多多,,变变化化范范围围大大。。因因此此,,凭凭经经验验和和直直接接观观察察很很难难适适应应现现代代转转炉炉炼炼钢钢生生产产的的需需要要。。21图3-32260年代代以来,,随着电电子计算算机和检检测技术术的迅速速发展,,开始采采用计算算机控制制炼钢过过程。美美国于1959年首次次利用计计算机计计算转炉炉供氧量量和冷却却剂用量量,对转转炉终点点实行静静态控制制。随后后,很多多国家投投入研究究并相继继采用。。在此基基础上,,又出现现了转炉炉终点的的动态控控制法。。在发展展转炉过过程控制制技术的的同时,,转炉生生产管理理系统的的自动控控制也得得到了很很大发展展,出现现了联机机实时管管理系统统、计算算机网络络系统和和数据库库系统,,形成了了包括生生产计划划、作业业管理、、工艺控控制、库库存管理理、质量量及其它它业务管管理的自自动化系系统。23计算机用用于钢铁铁企业管管理和转转炉冶炼炼过程控控制,显显著提高高了转炉炉生产率率,降低低了原材材料、能能源和人人工消耗耗及生产产成本,,提高了了产品质质量,减减轻了劳劳动强度度。目前前,转炉炉终点静静态控制制的命中中率可达达60%-70%,比比人工控控制命中中率提高高10%-20%,动动态控制制的终点点成分和和温度的的命中率率可达90%。。目前转炉炉的自动动控制还还处于发发展和逐逐步完善善阶段。。由于某某些系统统的控制制模型主主要是依依靠经验验建立的的,目标标命中率率尚不高高。转炉炉全部工工艺过程程的自动动控制,,例如脱脱磷和脱脱硫的控控制,还还有待研研究开发发。目前前,自动动控制系系统的功功能也还还有限,,例如还还不能满满意地消消除喷溅溅等异常常事故,,因此,,转炉的的自动控控制仍然然是需要要深入开开展工作作和迫切切需要研研究的重重要课题题。24一、转炉自动动控制系系统转炉炼钢钢厂的自自动控制制系统由由原料、、冶炼、、钢水处处理、浇浇注及生生产管理理等,全全部工艺艺环节在在内的若若干子系系统构成成。其中中,转炉炉冶炼的的自动控控制系统统是主要要子系统统。转炉自动动控制系系统包括括计算机机系统、、电子称称量系统统、检测测调节系系统、逻逻辑控制制系统、、显示装装置及副副枪设备备等。通常,人人们把描描述转炉炉实际过过程的数数学模型型用“程程序设计计语言””写成源源程序,,靠计算算机内的的“编译译程序””翻译成成机器指指令(目目的程序序),然然后计算算机执行行机器指指令工作作,辅助助操作者者实现炼炼钢过程程控制。。比较典型型的转炉炉计算机机控制系系统及其其数据输输入--输出时时间如图图3-4所示,,该系统统还包括括下一工工序在内内的信息息管理。。25图3-426图3-5是典型型的转炉炉冶炼作作业工作作顺序和和计算机机静态、、动态控控制的工工作顺序序。该转转炉具有有氧枪((OG)装置,控控制系统统包括对对OG的控制。。根据前前炉情况况,计算算机就会会对预定定炉次进进行炉料料计算。。在预定定炉次冶冶炼开始始前,通通过手动动或自动动向计算算机输入入设定的的吹炼数数据,以以及测定定和分析析铁水温温度和成成分数据据,辅助助原料数数据等。。然后根根据操作作者的要要求,按按静态或或动态控控制吹炼炼。吹炼炼停止后后对数学学模型进进行修正正并向下下步工序序输出信信息。ⅰ27图3-528转炉的的计算算机控控制系系统通通常应应具备备的功功能有有:1)工艺过过程参参数的的自动动收集集、处处理和和记录录;2)根据模模型计计算出出各种种原材材料,,包括括铁水水、废废钢、、辅助助材料料、铁铁合金金和有有氧气气的用用量;;3)吹炼过过程的的自动动控制制,包包括静静态控控制、、动态态控制制和全全自动动控制制;4)人机联联系,,包括括用各各种显显示器器报告告冶炼炼进程程和向向计算算机输输入;;5)信息控控制系系统本本身的的故障障处理理;6)生产管管理,,包括括向后后步工工序输输出信信息以以及打打印每每炉冶冶炼记记录和和报表表等。。29二、静态控控制静态控控制是是根据据吹炼炼前的的韧始始条件件(如铁水水、废废钢、、造渣渣材料料成分分和铁铁水温温度)以及吹吹炼终终点所所要求求的钢钢水量量、钢钢水成成分和和温度度而进进行的的对操操作条条件如如吹炼炼所需需的装装入量量、氧氧气量量和造造渣材材料的的用量量等的的计算算,在在吹炼炼过程程中不不取样样测温温,不不对操操作条条件做做必要要的修修正。。模型是是用物物理化化学或或数学学方法法对实实际过过程进进行描描述的的一种种工具具,是是实现现计算算机控控制转转炉炼炼钢的的核心心。因因此,,建立立好的的控制制模型型至关关重要要。模模型分分为理理论模模型和和经验验模型型两类类。30建立模模型的的基本本思路路:1、静态理理论模模型主主要是是建立立在热热平衡衡和物物料平平衡的的基础础之上上的。。2、经验模模型是是使用用数理理统计计的方方法,,对大大量数数据进进行统统计分分析建建立的的313、经经验模模型的的修正正方法法,是是把转转炉整整个炉炉役期期中工工艺因因素变变化的的影响响看作作是连连续的的函数数,相相邻两两炉炉炉型对对操作作结果果的影影响由由于相相差极极微而而看成成是一一样的的。这这样,,以上上一炉炉的操操作情情况为为基础础,对对下一一炉操操作因因素的的变化化加以以修正正,作作为下下一炉炉的数数学模模型。。其数数学通通式为为:32实践表表明,,纯理理论模模型的的命中中率很很低,,而经经验模模型的的命中中率高高于理理论模模型,,比人人工控控制好好一些些。尽尽管如如此,,静态态控制制模型型命中中率仍仍不高高,其其原因因是操操作和和其它它各种种随机机因素素的干干扰很很难完完全包包括在在数学学模型型中。。此外外,在在整个个吹炼炼过程程中,,静态态控制制得不不到炉炉内反反应实实际进进展的的反馈馈信息息,不不能及及时修修正吹吹炼轨轨迹。。33如前所所述,,静态态控制制只考考虑始始态与与终态态之间间量的的差别别,而而不考考虑量量随时时间的的变化化,因因而静静态控控制的的命中中率是是有限限的。。为了了提高高命中中率,,应根根据吹吹炼过过程中中检测测的金金属成成分、、温度度及炉炉渣状状况等等有关关随时时间变变化的的动态态信息息对吹吹炼参参数进进行修修正,,以达达到预预定的的吹炼炼目标标,这这种方方法称称为动动态控控制法法。动态控控制的的关键键在于于迅速速、准准确的的连续续获得得反馈馈信息息。否否则,,即使使建立立的模模型再再好也也是枉枉然。。三、动态控控制34目前,,动态态控制制仍主主要是是保证证出钢钢含碳碳量和和出钢钢温度度,使使用的的动态态自动动控制制方法法主要要有轨轨迹跟跟踪法法、动动态停停吹法法、吹吹炼条条件控控制法法、称称量控控制法法等。。1、轨轨迹跟跟踪法法转炉吹吹炼后后期脱脱碳和和升温温速度度是有有规律律的,,轨迹迹跟踪踪法认认为吹吹炼后后期脱脱碳规规律呈呈指数数衰减减方式式,其其指数数方程程为::35根据冶冶炼过过程中中获得得的气气体分分析和和流量量数据据,可可以计计算脱脱碳速速度,,从而而由式式(3-3)可可以求求出指指数方方程中中的系系数K,式中的的RP以吹炼炼中期期测得得R平均值值代替替。然然后由由(3-4)用用逐次次迭代代法算算出溶溶池含含碳量量。36将方程程式((3-3))整理理并积积分,,从而而可求求出达达到目目标含含碳量量Ci所需得得氧量量:37用一独独立的的系统统来测测定溶溶池温温度,,并把把测温温数据据代入入下面面的经经验线线性方方程,,以确确定终终点温温度。38过程控制计计算机对算算出的达到到目标含碳碳量和目标标温度所需需的氧气OC和OT进行比较,,若OC=OT,即达到目标标含碳量与与达到目标标温度所需需的氧气量量相等,则则无需调整整操作,若若OC>OT,应加冷却剂剂;OC<OT,则应提高枪枪位,使终终点含碳量量和温度同同时命中目目标值。目前的动态态控制,轨轨迹跟踪法法用计算机机每5s从检测系统统采得一套套新的瞬时时溶池数据据,对计算算结果做一一次校正。。这样反复复进行,直直到吹炼终终点,越接接近吹炼终终点,预计计的吹炼曲曲线越接近近实际曲线线。392、动态停停吹法在开吹前用用静态模型型进行装料料计算,吹吹炼前期用用静态模型型进行控制制,只是在在接近终点点时,由检检测器测得得信息,根根据对接近近炉次或类类似炉次回回归分析,,获得的脱脱碳速度和和含碳量的的关系,以以及升温速速度与温度度的关系,,判断最佳佳停吹点。。停吹时按需需要作相应应的修正动动作。最佳佳停吹点需需要满足下下面两个条条件之一,,即含碳量量和温度同同时命中或或两者中有有一项命中中,另一项项不需后吹吹,只经某某些修正动动作即可达达到目标要要求。40图3-8是是动态停吹吹法示意图图,轨迹1是停吹时时含碳量和和温度同时时命中。轨轨迹2和3是停吹时时含碳量和和温度两者者不能同时时命中,但但不必后吹吹,只需作作6或7轨轨迹修正即即可达到目目标值(降降温或增炭炭),而不必在在冶炼过程程中作4或或5轨迹的的修正。413、吹炼条条件控制法法吹炼条件控控制是根据据吹炼过程程中检测出出来的溶池池反应信息息,修正吹吹炼条件,,使吹炼全过程程按预定的吹吹炼轨迹进进行的一种种控制方法法。具有代代表性的吹吹炼条件控控制方法有有CRM模型和克虏虏伯模型。。4、称量控控制法称量控制法法的基本依依据是,转转炉中的主主要反应都都拌有失重重或增重,,由此根据据获得的炉炉内重量、、重量变化化率及动能能曲线信息息来控制冶冶炼进程,,使其按预预定轨迹进进行。42上述几种方方法中,使使用较普遍遍的是动态态停吹法和和吹炼条件件控制法。。注意:以终点含碳碳量和温度度为主的控控制方法,,不能满足足终点含磷磷量的控制制要求和吹吹炼的平衡衡性。为此此,需要开开展了炉渣渣及废气状状态等检测测技术的研研究,并将将其引入终终点控制系系统中,从从而增加了了动态控制制的功能。。目前开发的的炉渣及废废气的检测测,主要有有间接的通通过测音响响、炉体振振动、氧枪枪振动、氧氧枪膨胀、、渣中滴液液、炉渣电电导、氧枪枪与炉壳之之间的电位位差、废气气成分、废废气温度和和火焰光度度,将其信信息用于冶冶炼控制。。43四、动态控制的的信息检测测冶炼过程中中溶池反应应信息的检检测是实现现动态控制制的基础,,由于转炉炉吹炼时处处于半封闭闭状态,炉炉内温度高高而且运动动激烈,因因此由炉内内直接测温温和取样是是困难的,,而倒炉进进行测温取取样,对高高速操作的的转炉也是是不合算的的。因此,,必须具有有迅速可靠靠的检测手手段,一个个好的检测测器应该快快速准确地地得到溶池池内的各种种信息,而而且结构简简单和费用用低。441、、溶溶池池温温度度测测定定溶池池温温度度测测定定有有连连续续式式和和间间歇歇式式两两类类,,它它们们各各有有接接触触式式和和非非接接触触式式的的区区别别。。目目前前,,已已投投入入冶冶炼炼过过程程测测温温的的方方法法分分类类如如下下::45上述述各各类类方方法法中中,,使使用用比比较较简简单单和和精精度度较较高高的的是是投投掷掷式式测测温温和和副副枪枪测测温温探探头头,,但但由由于于测测温温元元件件是是消消耗耗性性的的,,测测温温成成本本较较高高。。2、、溶溶池池含含碳碳量量测测定定吹炼炼过过程程中中溶溶池池含含碳碳量量测测定定也也有有连连续续式式和和间间歇歇式式两两种种方方式式,,二二者者又又各各有有接接触触式式和和非非接接触触式式两两类类方方法法。。现现在在的的溶溶池池含含碳碳量量测测定定方方法法可可分分类类如如下下::464748495051上述述各各种种方方法法中中,,开开发发较较早早和和使使用用较较多多的的是是炉炉气气、、烟烟气气的的分分析析和和测测定定方方法法,,包包括括用用测测定定炉炉口口废废气气温温度度来来确确定定溶溶池池脱脱碳碳速速度度;;测测定定废废气气中中的的CO和CO2量计计算算脱脱碳碳速速度度;;测测定定煤煤气气回回收收转转炉炉炉炉气气量量测测定定脱脱碳碳速速度度;;测测定定废废气气量量并并分分析析CO和CO2量,,然然后后计计算算脱脱碳碳速速度度及及溶溶池池含含碳碳量量等等。。废废气气分分析析确确定定溶溶池池含含碳碳量量,,由由于于受受操操作作因因素素、、取取样样和和分分析析精精度度的的影影响响,,加加上上测测定定时时间间滞滞后后性性,,有有较较大大的的累累计计误误差差,,检检测测和和精精度度偏偏低低。。其它它一一些些类类型型的的方方法法,,也也都都各各有有特特点点并并存存在在一一定定的的问问题题,,有有待待进进一一步步研研究究。。523、、炉炉渣渣检检测测如前前所所述述,,溶溶渣渣检检测测包包括括音音响响测测定定、、氧氧枪枪膨膨胀胀测测定定、、渣渣中中铁铁滴滴测测定定、、炉炉渣渣电电导导测测定定等等。。这这些些收收集集信信息息的的方方法法,,还还各各自自存存在在不不同同程程度度的的问问题题,,使使用用尚尚不不普普遍遍,,还还有有待待开开发发。4、、测测温温定定碳碳副副枪枪副枪枪是是设设置置在在吹吹炼炼主主枪枪旁旁的的间间歇歇式式水水冷冷检检测测装装置置。。检检测测副副枪枪由由于于比比其其它它检检测测手手段段具具有有功功能能多多、、寿寿命命长长、、精精度度高高的的优优点点,,已已经经成成为为转转炉炉动动态态控控制制的的主主要要检检测测手手段段。。53副枪枪主主要要由由传传动动机机构构,,枪枪体体和和探探头头三三部部分分构构成成。。此此外外,,还还有有探探头头自自动动装装卸卸和和回回收收机机构构及及其其它它附附属属装装置置。。从从类类型型上上分分,,副副枪枪有有固固定定式式,,横横移移式式、、旋旋转转式式和和倾倾斜斜式式。。图图3-9为为水水岛岛的的副副枪枪系系统统示示意意图图。。图3-954目前前,,副副枪枪已已具具有有测测温温、、定定碳碳、、定定氧氧、、取取样样、、测测液液面面高高度度、、测测渣渣层层厚厚度度等等多多种种功功能能。。这这些些功功能能分分别别由由测测温温、、定定氧氧、、测测液液面面高高度度的的探探头头和和能能够够同同时时测测温温、、定定碳碳、、取取样样的的复复合合探探头头来来完完成成。。图图3-10为为探探头头结结构构示示意意图图。。图3-1055采用副枪动态态控制,温度度和碳的命中中率可以达到到90%以上上,当含碳量量为0.09%~0.12%时,误误差为±0.02%,,温度误差为为±12K。副枪测定时,,多数转炉采采用适当降低低供氧量和测测定前加镇静静剂的措施,,以便使溶池池尽量趋于平平静。56五.全自动冶炼控控制尽管动态控制制模型校正了了静态控制模模型的计算误误差,目前世世界上各大型型转炉也主要要采用静态控控制模型结合合动态控制模模型的控制形形式,同时还还采用了参考考炉次更新和和模型系数学学习等方法以以增强控制模模型的适应能能力,提高终终点碳温的控控制精度和命命中率。57模型实际应用用问题动态控制不能对造渣过过程进行有效效监测和控制制,不能降低低转炉的喷溅溅率;不能对对终点的硫和和磷含量进行行准确控制,,不能实现计计算机对整个个冶炼过程的的闭环在线控控制。静态实现转炉炉自动化控制制目标需要用用计算机网络络环路控制转转炉炼钢工艺艺过程,其关关键是要消除除炼钢生产过过程中产生的的各种误差对对炼钢终点和和过程控制的的影响。58转炉炼钢生产产过程中的误误差系统误差,由由各种检测仪仪表带来的误误差和引起的的波动;随机误差,由由生产中各种种不跪定影响响因素(如炉龄、枪龄龄和空炉时间间等)的波动和变化化对操作结果果引起的误差差;操作误差.由由操作者引起起的误差。为了消除以上上三种误差,,确保控制精精度和系统的的稳定性,需需要采用全自自动冶炼控制制技术可以很好地校校正上述误差差。59全自动冶炼控控制技术1)静态模型。确确定吹炼方案案,以保证能能基本命中终终点。2)吹炼控制模型型。在吹炼过过程中利用炉炉气成分信息息,校正吹炼炼误差,全程程预报熔池和和炉渣成分的的变化。3)造渣控制模型型。吹炼时利利用炉渣检测测信息,动态态调整顶枪枪枪位和造渣工工艺,避免吹吹炼过程中中发生“喷溅溅”和“返干干”。4)终点控制模型型。通过终点点副枪校正或或炉气分析校校正;精确控控制终点,保保证命中率。。5)采用人工智能能技术,提高高模型的自学学习和自适应应能力。60冶炼程序框图图61第四节连续续铸钢自动化化连续铸钢技术术是一项新工工艺,它对钢钢水要求高,,连续作业设设备操作难度度大,因此为为了免除事故故,保持正常常生产、达到到较高的质量量和产量要求求,自动检测测和自动控制制是必不可少少的。根据统统计,在连铸铸装置上采用用某些自动控控制系统后,,可使浇注速速度提高20%,并可提提高铸坯成品品率和改善铸铸坯质量。目目前连续铸钢钢已向生产宽宽板坯、合金金钢坯和薄板板坯方向发展展,在满足严严格的指标要要求的同时实实现工艺过程程的全面自动动化。62一、工艺及主要装装置简介连续铸钢能提提高钢坯的收收得率,节省省能耗,减轻轻劳动强度,,实现较高程程序的自动化化,因此,近近年来在国内内外得到了迅迅速发展,正正逐步取代模模铸和初轧机机。国外已有有全连铸车间间乃至连铸连连轧车间投产产。连铸机的型式式有多种,有有立式连铸、、立弯式连铸铸、椭圆型连连铸、旋转式式连铸和弧形形连铸。目前前常用的是弧弧形连铸机,,现就这种型型式的连续铸铸钢(以下简简称连铸)介介绍如下:636465弧形连铸的工艺流流程见图3-16,钢水水先经吹氩站站吹氩或吹氮氮搅拌,并加加入废钢调温温,使钢水温温度调整到该该钢种液相线线30-50℃,然后送送到钢水包回回转台,将钢钢包对准中间间罐,使钢水水注入中间罐罐。中间罐的的作用是保持持一定的钢水水量,从而使使注入结晶器器的钢水压力力一定,使钢钢水中的夹杂杂物及渣子有有机会上浮,,还可以通过过中间罐进行行多流连铸及及多炉连铸。。在必要时改改变中间罐钢钢水液面高度度,也可以调调节钢水温度度(如钢水温温度高,可以以保持中间罐罐低液面;钢钢水温度低,,则可以将中中间罐的液面面保持稍高))。中间罐的的钢水通过侵侵入式水口注注入结晶器((侵入式水口口的作用是防防止钢水氧化化)。66图3-1667结晶器是铜制制的,用高压压软水冷却,,近年来结晶晶器内表面镀镀铬,并用再再结晶温度较较高的铜合金金制成,以减减少结晶器的的磨损。结晶晶器是连铸的的关键设备,,它使钢水外外层在此凝成成外壳,从而而使铸坯与结结晶器脱离,,并使润滑剂剂能加入到钢钢坯与结晶器器铜壁之间,,浇注前,引引锭装置将引引锭送入结晶晶器,浇注开开始后,由引引锭装置将初初步凝成外壳壳的铸坯引出出结晶器,已已形成薄壳的的铸坯(内心心是液体)进进入二次冷却却区,经喷水水继续冷却,,直至全部凝凝固。当连铸铸坯头部进入入拉矫辊后,,引锭装置便便被脱开,安安放在固定位位置(例如::由吊车到连连铸机旁边的的某一空地)),由拉矫辊辊直接拉铸坯坯,使铸坯继继续前进。铸铸坯经拉矫辊辊矫直后,再再经切割装置置剪成一定长长度的铸坯,,送加热炉加加热后轧制。。6869铸坯的的浇注注速度度,是是由铸铸坯的的尺寸寸、钢钢种和和产量量来决决定的的,大大板坯坯浇注注速度度一般般为0.5~1.5m/min;小方坯坯的浇浇注速速度一一般为为4~5m/min。二次冷冷却水水的强强度一一般根根据经经验来来决定定,可可根据据铸坯坯热传传导编编制数数学模模型,,然后后用经经验修修正。。铸坯按按生产产要求求,用用火焰焰切割割法((或其其它机机械方方法,,例如如剪切切)切切制成成一定定长度度,然然后打打上编编号,,冷却却、堆堆放。。某些些铸坯坯表面面可能能有缺缺陷,,一般般采用用火焰焰清理理的办办法来来消除除,故故连铸铸车间间配有有火焰焰清理理设备备。701.结结晶器器结晶器器是连连铸设设备中中最关关键的的部件件,它它的性性能对对连铸铸机的的生产产能力力和铸铸坯质质量都都起着着十分分重要要作用用,因因此,,人们们称它它为连连铸机机的心心脏。。连铸工工艺要要求的的结晶晶器必必须具具有以以下性性能::(1))有良好好的导导热性性能,,能迅迅速形形成足足够厚厚度的的初生生坯壳壳。(2))有良好好的结结构刚刚性和和结构构工艺艺性,,易于于制造造,安安装和和调整整。(3))有较好好的耐耐磨性性和较较高的的使用用寿命命。(4))重量要要轻,,造价价要低低。71结晶器器在使使用中中的重重要问问题是是结构构的刚刚性。。结晶晶器的的刚性性决定定了它它在工工作时时的变变形,,而变变形状状态和和大小小,会会影响响坯壳壳在结结晶器器中的的凝固固过程程和铸铸坯质质量,,同时时加速速铜壁壁的磨磨损,,缩短短结晶晶器的的使用用寿命命。按外部部形状状结晶晶器可可分为为直结结晶器器和弧弧形结结晶器器,直直结晶晶器用用于立立式、、立弯弯式连连铸机机上,,弧形形结晶晶器用用于弧弧形和和椭圆圆形连连铸机机;按按铸坯坯断面面形状状结晶晶器可可分为为方坯坯、板板坯、、矩形形坯、、圆坯坯以及及异形形断面面结晶晶器;;按结结构形形成结结晶器器可分分为整整体式式、管管式、、组合合式和和可调调宽结结晶器器。722.结结晶器器振动动装置置结晶器器振动动装置置包括括两部部分内内容::一是是结晶晶器振振动方方式;;二是是结晶晶器振振动装装置结结构。。结晶晶器振振动的的目的的是防防止初初生坯坯壳与与结晶晶器之之间粘粘结而而被拉拉裂。。对结结晶器器振动动的要要求是是:1)振动的的方式式能有有效地地防止止因坯坯壳和和粘结结而造造成的的拉漏漏事故故;2)振动参参数有有利于于改善善铸坯坯表面面的质质量,,形成成表面面光滑滑的铸铸坯;;3)振动机机构能能准确确实现现圆弧弧轨迹迹,不不产生生过大大的加加速度度引起起的冲冲击和和摆动动;4)设备的的制造造、安安装和和维护护方便便,便便于处处理事事故,,传动动系统统有足足够的的安全全余量量。7374同步振振动((云岗岗振动动)。。结晶器器的下下降速速度与与铸坯坯的拉拉坯速速度相相同,,即称称同步步,然然后结结晶器器以3倍的速速度上上升。。冲击击力较较大,,不平平稳。。负滑动动振动动。结晶器器的下下降速速度稍稍高于于铸坯坯的拉拉坯速速度,,即称称负滑滑动,,这样样有利利于强强制脱脱模及及断裂裂坯壳壳的压压合,,然后后结晶晶器以以较高高的速速度上上升。。结晶晶器在在振动动时有有一段段稳定定的运运动时时间,,这样样有利利于振振动的的平稳稳和坯坯壳的的增厚厚。正弦振振动。。结晶器器的上上下振振动时时间相相等,,最大大振动动速度度也相相同。。铸坯坯与结结晶器器之间间都有有相对对运动动,有有利于于脱模模和断断裂坯坯壳的的压合合。75连铸机机上的的振动动方式式,无无论是是立式式的或或弧形形的均均采用用云岗岗式振振动、、负滑滑动振振动和和正弦弦振动动三种种振动动方式式。3.二二次冷冷却装装置二次冷冷却装装置的的作用用是::1)从结晶晶器中中拉出出的带带液心心的铸铸坯,,在二二次冷冷却区区借助助水或或汽水水的直直接冷冷却,,加速速凝固固,并并进入入拉矫矫区;;2)通过夹夹辊和和侧导导辊,,对带带液心心的坯坯壳起起支撑撑和导导向作作用,,使其其按二二冷区区通道道进行行限制制它发发生鼓鼓肚变变形;;3)对引锭锭杆起起导向向和支支撑作作用;;4)对直结结晶器器的直直弧形形连铸铸机,二冷区区还要要完成成对铸铸坯的的顶弯弯作用用。76连铸工工艺对对二冷冷区的的要求求主要要有::1)二冷装装置在在高温温铸坯坯作用用下有有足够够的强强度;;2)结构简简单、、调整整方便便,能能适应应改变变铸坯坯断面面的要要求,,能快快速处处理事事故;;3)能按要要求调调整二二次冷冷却区区水量量,以以适应应改变变铸坯坯断面面,钢钢种,,浇注注温度度和拉拉坯速速度的的变化化。774.拉拉矫直直装置置1)在浇注注过程程中能能克服服结晶晶器和和二冷冷区阻阻力,,顺利利地把把铸坯坯拉出出。2)能调节节拉速速、适适应不不同工工艺,,如改改变钢钢种、、断面面的要要求,,对自自动控控制液液面的的拉坯坯系统统能实实现闭闭环控控制;;3)能实现现弧形形全凝凝固或或带液液相铸铸坯的的矫直直,并并保证证矫直直过程程中不不影响响铸坯坯质量量;(4))在满足足工艺艺要求求条件件下,,结构构应简简单,,便于于安装装调整整。78拉坯矫矫直机机的分分类,,按结结构形形式可可分成成牌坊坊式、、钳式式和组组合式式;按按辊子子的数数目可可分成成4辊辊拉矫矫机、、5辊辊拉矫矫机,,但最最少要要3辊辊才能能把铸铸坯矫矫直。。按铸铸坯形形状可可将拉拉矫机机分为为方坯坯拉矫矫机和和板坯坯拉矫矫机。。根据据矫直直技术术的发发展,,则可可分为为单点点矫直直、多多点矫矫直,,压缩缩矫直直和连连续矫矫直四四类。。近年年来,,连铸铸矫直直技术术得到到较快快的发发展。。79二、连铸生生产过过程中中的自自动控控制在连铸铸自动动化技技术中中,不不仅自自动控控制与与计算算机管管理是是十分分重要要,检检测技技术显显得特特别关关键。。由于于工作作性质质和环环境的的复杂杂性,,致使使很多多关键键过程程参数数仍然然得到到不到到,这这样为为闭环环控制制带来来困难难,这这里所所介绍绍的控控制技技术部部分已已投入入生产产,部部分仍仍在继继续研研究开开发之之中。。801.钢包钢钢水脱氧自自动控制为了控制钢钢水质量,,要测量钢钢包中钢水水的温度及及氧含量等等,并根据据钢水中含含碳量投入入铝丝,近近来已用计计算机计算算投入量,,并把铝丝丝卷在盘上上,通过铝铝丝线供给给器送入钢钢水包中,,日本川崎崎制铁千叶叶厂3号连连铸机已实实现这样的的控制。2.保护渣渣自动加入入控制在结晶器渣渣液面上是是防止钢液液表面氧化化,吸收上上浮金属夹夹杂物以及及保持铸坯坯和结晶器器间良好润润滑所必不不可少的。。保护渣一一般由工人人用小铲加加入结晶器器,当浇注注大断面板板坯时,人人工加入往往往不均匀匀,故大型型连铸机都都设有保护护渣自动加加入系统。。日本川崎崎制铁公司司的系统是是将保护渣渣存贮槽中中,并利用用高、中、、低料位开开关进行控控制输送。。以保持贮贮槽料位在在正常即中中间的位置置,然后保保护渣进入入压力槽,,用氮气压压送到结晶晶器上去。。位于结晶晶器上方的的保护渣投投入装置,,可保证保保护渣在结结晶器的短短边方向均均匀分布。。并设有振振动给料器器和横向移移动电机,,以保证向向结晶器宽宽度方向均均匀加入。。由于大型型连铸机都都使用结晶晶器调宽技技术,故系系统还设有有同步系统统并由计算算机控制,,使之随结结晶器宽度度变化而自自动限制保保护渣加入入的宽度。。81德国曼内斯斯特曼公司司研制了一一种如图3-17所所示的结晶晶器保护渣渣自动加入入装置,此此装置是根根据流态床床原理设计计的,由加加料系统和和控制系统统组成。加加料系统是是由斜槽加加料器、料料仓和料仓仓下面的透透气网筛组组成。控制制系统由辐辐射接受器器和气动控控制回路组组成,辐射射接受器为为一个热敏敏元件(铜铜片),接接受结晶器器液面的热热辐射。图3-1782由于渣层厚厚度不同,,辐射热量量也不同,,热敏元件件的温度也也随之变化化,并由测测温元件11所测出出。另一测测温元件12测量环环境温度。。当11与与12比较较,其偏差差大于某规规定值时,,此时就改改变渣粉加加入量直到到偏差正常常为止。这这种控制系系统与铸造造速度无关关,同时也也与结晶器器和中间罐罐间的浇注注状态无关关,因而使使用方便灵灵活。3.结晶器器锥度及宽宽度自动控控制结晶器最主主要的参数数之一是锥锥度。板坯坯对锥度要要求较严,,一般窄面面锥度取0.8%,,宽面锥度度取0.5%,锥度度也与拉速速和钢种有有关。83过去要变更更浇注钢坯坯尺寸,都都是更换不不同尺寸的的结晶器。。近年来,,为了提高高生产率和和节能,特特别是把连连铸和轧制制工序连在在一起时。。须要使连连铸与轧钢钢能力平衡衡,且要按按轧制程序序要求,相相应地变更更铸坯尺寸寸,故发展展了结晶器器的调宽技技术。日本川崎制制铁公司水水岛钢铁厂厂5号连铸铸机的结晶晶器锥度及及宽度自动动控制系统统如图3-18所示示,是采用用分级计算算机控制系系统。84图3-1885过程计算机机确定:(1)钢种、结晶晶器尺寸及及锥度的移移动量以及及宽度的变变化速度;;

(2)宽度变更的的时刻;((3)宽度改变时时铸钢速度度的控制。。基础自动化化控制器::1)决定和控制制宽度及锥锥度的移动动量;2)计算及控制制锥度量;;3)校核模拟式式锥度计((倾斜计))显示值与与计算锥度度之间的差差别,并监监视调宽时时的锥度值值;(4)利用倾斜计计监视调宽宽之外的结结晶器锥度度变化。864.全自动动浇注系统统全自动浇注注事实上包包括中间罐罐液位控制制、结晶器器液位控制制和拉速控控制三个系系统的全自自动化。在在正常操作作时,这三三个控制系系统都是具具有独立闭闭环性质且且稳定和易易于操作的的。但在非非正常状态态,即开始始浇注时,,要防止滑滑动水口闭闭塞,密封封泄漏,铸铸坯拉漏和和结晶器钢钢水过满溢溢出等。此此外在浇注注终了时,,由于中间间罐液位变变低易于使使渣夹杂到到铸坯中,,故在铸造造末期要控控制浇注速速度,图3-20显显示典型的的连铸机起起停过程曲曲线,可见见全自动浇浇注实质上上是要解决决自动起停停以及非正正常时的各各个问题。。87图3-208889全自动浇注注核心的一一点是控制制结晶器内内钢液上升升的速度,,即控制中中间罐注入入结晶器钢钢水量与铸铸坯拉出量量之差,结结晶器钢水水液位上升升速度由下下式计算::90按式(3-9)进行行中间罐滑滑动水口自自动控制以以保证开浇浇钢水不至至溢出和拉拉漏,为解解决全自动动浇注除依依靠过去的的系统外又又开发许多多新项目((见表3-2)。915.火焰切切割后剩余余毛刺的自自动清理连铸坯大都都用火焰切切割方式切切成一定长长度的钢坯坯,这时会会在铸坯表表面残留一一些溶渣即即毛刺,如如果不加清清理直送热热轧,就会会使钢板发发生表面缺缺陷。这些些毛刺过去去一般用人人工清除,,不仅劳动动强度大,,而且还无无法适应为为提高生产产率和节约约能源而采采用的热装装技术,故故现代连铸铸都使用自自动清理的的方法。火焰切割毛毛刺自动清清理系统包包括检测部部分,即找找出钢坯的的顶边、底底边和侧边边,然后决决定火焰清清理装置的的位置,进进行清理,,氧枪预热热8~10s以后,即可可以8~15m/min的速度除去去1~2mm的毛刺,烧烧剥完之后后,氧枪自自动回复原原位。926.钢坯在在热状态下下自动打印印标记火焰清理后后的钢坯还还须打印表表征钢坯特特性的标记记,日本川川崎制铁公公司开发了了自动打印印装置,能能在600℃~1000℃热状态下下进行自动动打印,字字迹在10m内清楚看见见,长久放放置和高压压水喷射都都不会消失失。打印纸纸从轮轴送送出,经打打印冲孔器器冲出文字字,然后切切成规定长长度,由打打印处理装装置吸附,,由喷嘴把把涂料吹到到钢坯表面面进行打印印标记。这这种装置已已在川崎制制铁公司水水岛厂2号号、5号、、6号连铸铸机上及千千叶厂1号号、2号、、3号连铸铸机上使用用,同时在在世界上还还有几个公公司也采用用这样的设设备。937.钢坯搬搬运吊车的的自动化为了使吊车车运转省力力,改善作作业环境,,以及钢坯坯库内物料料流动和在在库管理自自动化,日日本川崎制制铁公司开开发了吊车车搬运钢坯坯的计算机机控制系统统。该系统统供2台80吨吊车车使用,停停车精度走走行为±33mm,横行±13mm,使用无线控控制方式,,系统主要要用作把钢钢坯搬入库库内指定地地点和从指指定地点取取出钢坯和和实况反馈馈等。在整整个系统中中为了防止止因计算机机故障而停停歇,系统统还设有地地面上遥控控设定盘、、操作台等等可进行半半自动和手手动控制。。94三、二次冷冷却水控制制模型在连铸生产产中,二次次冷却闭环环控制从理理论上和实实际应用中中均比较成成熟。1.铸坯凝凝固传热方方程描述铸坯从结晶晶器内钢水水的弯月面面经一定拉拉速向切割割站移动,,热量从铸铸坯中心向向坯壳表面面传递,所所传递热量量的多少决决定于金属属的热物理理性能和铸铸坯表面边边界条件。。如果忽略略拉坯方向向(垂直方方向)传热热及铸坯宽宽度方向的的

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