河北理工大学轻工学院
本科毕业论文开题报告
题目： 高炉喷煤喷吹自动化控制
学 部：工程教育部
专 班 级：05级 机械 1班
姓 学 号：[1**********]1
2009年 3 月 23 日
一、题目来源背景（现状、前景）
1 高炉喷煤技术背景
高炉喷煤技术始于1840年S ．M ．Banks 关于喷吹焦炭和无烟煤的设想；世界最早的工业应用即是根据这一设想于1840～1845年间在法国博洛涅附近的马恩省炼铁厂实现的。但此后的一百多年，发展却相对缓慢，基本无进展；直至20世纪60年代初，欧洲、中国、美国的一些工厂才陆续开始在高炉上试验喷煤。
7O 年代末，第二次石油危机的出现，加快了高炉喷煤技术的研究和发展，特别是欧洲和日本更是在实际应用上取得了重大突破。到90年代初，欧洲和日本已有小部分高炉月均吨铁喷煤超过了200kg 大关，如：1991年l0月英国钢铁公司斯肯索普工厂维多利亚女王号高炉201kg(粒煤) ，1992年11月德国蒂森公司施韦尔根1号高炉200．6kg ，1992年11月荷兰霍戈文公司艾莫依登厂6号高炉205kg ，1993年11月日本新日铁君津厂3号高炉200kg 、1994年l0月NKK 公司福山厂4号高炉218kg 等指标均已是当时的世界一流水平。
2 高炉喷煤的意义
高炉喷煤对现在高炉炼铁技术来说是一项重要的技术革命。所谓高炉喷煤，就是指从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的煤粉（无烟煤、烟煤或两者的混合煤粉以及褐煤），以代替焦炭向高炉提供热量和还原剂。它的意义在于：
A. 以低价的煤代替了日趋贫乏且价格昂贵的冶金焦，降低了焦化，使高炉炼铁的成本大幅下降。
B. 高炉喷煤可以作为一种调剂炉况的手段。
C. 高炉喷煤可以改善炉缸工作状态，是高炉稳定顺行。
D. 为高炉提高风温和富氧鼓风创造条件。
因为喷吹煤粉会使风口前理论燃烧温度降低，导致理论燃烧温度降低的主要原因有：
1）高炉喷吹煤粉后煤气量增加，加热煤气需要消耗热量；
2）喷吹煤粉带入的热量少，而焦炭进入风口区时已被充分加热，温度高达
1450~1500℃，而喷吹的煤粉温度不超过100℃；
3）煤粉中的碳氢化合物分解需要热量。
E. 喷吹煤粉中的氢含量比焦炭带入的多，氢气提高了煤气的还原能力和穿透扩散能力，有利于矿石的还原和高炉操作指标的改善。
F. 喷吹煤粉代替了部分焦炭，不仅缓解了焦煤的供需紧张状况，也减少了对炼焦设施的投资和建设，更降低了炼焦生产对环境的污染。
2 高炉喷煤基本流程
根据制粉装置到高炉距离的远近、煤粉仓，喷吹罐安放位置的差异、喷吹管
路的粗细、喷吹压力的高低、输送浓度的大小以及喷枪形式的不同，可以有直接喷吹、间接喷吹；串罐喷吹、并罐喷吹；总管喷吹、多支管喷吹；高压喷吹、常压喷吹；浓相喷吹、稀相喷吹和氧煤枪喷吹、常规枪喷吹等各种形式的喷吹。不同的设备结构和组合可以产生以下几种较成熟的工业性生产流程。
2．1 德国KvTTNER 流程
煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接→流化小罐→喷吹支管→喷枪；支管上装有流量计和二次风入口，安装位置前者靠近喷吹罐出口，后者靠近高炉。近十多年来，KvTTNER 公司又推出了一种新流程：煤粉仓→并列喷吹罐→流化小罐→总管一分配器一支管一氧煤喷枪，并得到了更多的推广。新流程为双罐、双总管和双分配器形式，仍然使用氮气加压、流化，采用浓相输送。
上钢一厂2500m3高炉喷煤选用的即是KvTTNER 新流程，但是未用氧煤喷枪。此外，重钢高炉喷煤也选用了KvTTNER 新流程(常规喷枪) ，所不同的是该厂3、4、5号三座高炉共用一套喷吹装置，这套装置已于2001年11月投产，运行正常。
2．2 美国阿姆科(ARMCO)流程
煤粉仓→并列喷吹罐→总管→分配器→支管→常规喷枪。与新KuTrNER 流程不同的是ARMCO 流程使用3个喷吹罐，一根总管、一个分配器；总管既变径，局部还要变形，为确保足够的分配精度，分配器必须置于高炉炉顶，所有支管也必须等径、等长、等形状。加压、流化使用氮气，因为是稀相输送，所以还需添加压缩空气。宝钢1高炉喷煤即属阿姆科流程。
2．3 日本住友流程
煤粉仓→并列喷吹罐→旋转给料器→喷吹小罐→总管→第一分配器→第二分配器→支管→喷枪。住友流程总管上装有压差式流量计与旋转给料器共同调节喷煤总量，控制和设备组成均较复杂，和歌山4、5高炉喷煤即为这种流程。
2．4 日本川崎流程
煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接→多支管→喷枪；喷吹罐上出料，底部设有搅拌器并在支管出口处接人二次风(压缩空气) 稀释。宝钢2高炉喷煤即属川崎流程。
2．5 卢森堡Paul Wurth流程
历史上PW 公司与KvTTNER 公司曾有过一段较长时间的合作，因此无论新流程还是老流程，两家的差异都不大，基本上大同小异，仅在个别设备的选用上有出入。如老流程中PW 用旋转给料器代替了KvTTNER 的流化小罐；新流程中用声纳管代替了阻损管、用流化喷嘴代替了流化罐、增设泄压气回收装置等。武钢4、5号高炉喷煤选用的即是PW 流程，已于2002年投产。
2．6 混合型流程
煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接→总管→分配器→支管→喷枪；这是在上述多支管流程基础之上的一种改良流程。也可以称作混合流程。宝钢3号高炉喷煤用的即是该种流程。
2．7 英钢联粒煤喷吹流程
煤粉仓、中间罐、喷煤泵三罐串接→总管→分配器→支管→喷枪；主要特点是用喷煤泵代替了传统的喷吹罐，中间罐与喷煤泵之间使用圆顶阀联接，同样条件下，喷煤泵工作压力通常小于传统喷吹罐工作压力，喷煤泵出口设有由变频电机驱动的旋转给料阀。
斯肯索普安娜女王号高炉及克里夫兰4号高炉采用的即是典型的粒煤喷吹流程；其中，克里夫兰4号高炉的设计喷煤比竞高达匪夷所思的400kg ／t ，是迄今为止煤比最高的设计。
以上各流程均有吨铁喷吹200kg 的能力和生产实绩，但无论是浓相或稀相，无论使用氧煤喷枪与否，抑或喷吹粉煤粒煤，近十年来新建喷煤装置采用较多的流程当属并罐、总管加分配器流程。
3 国内外喷煤现状
3．1 国内喷煤现状
中国的工业性喷煤是上世纪6o 年代首先在首钢高炉上实现的，且生产试验中最高喷煤比曾超过300kg ／t ，但持续时间只有几天；而当时国家的总体喷煤水平也仅为40～50kg ／t 。1995年8～11月，鞍钢也是在3号高炉(831m3) 的攻关试验中 才再次突破200kg 大关，达到203kg ，这次持续时间较长，但焦比仍高达382kg 。1999年6月，天津涉县铁厂5号高炉(300m3) 亦是在试验时以207．8kg 的成绩打破了鞍钢的记录，不过焦比仍然偏高，为332．7kg 。宝钢1高炉在1999年9月创造了吨铁月均喷煤260．6kg(焦比249．7kg)T 业性喷煤记录，该记录直至今13仍是世界第二好成绩。
目前，全国重点企业高炉已全部配备了煤粉喷吹装置，2001年年均吨铁喷煤124kg(十五规划目标是150kg) ，喷煤总量超过1360万吨；除宝钢外，包钢指标最好，三座高炉平均151．9kg ／t ，单炉(1号高炉) 年均180．4kg ／t 。
到2002年底止，全国有相当部分高炉改造或新建了喷煤设施，鞍钢、包钢、重钢、马钢、邯钢、梅山等厂的高炉均采用了9o 年代以后的技术，喷煤设计能力标均为200kg ／t ，武钢4、5号高炉喷煤设计能力更高达250kg ／t 。此外，一批中、小高炉和民营高炉选用的喷煤装置也都有很高的起点；像建龙钢厂、沙钢高炉等，其中沙钢更是直接从国外购买了二手成套设备。
3．2 国外喷煤现状
世界范围的高喷煤比指标大多产生在20世纪90年代中后期。尽管英国钢铁公
司克里夫兰厂4号高炉(600m3) 的一套试验装置，曾在1991年6月短期喷吹出318kg ／t(粒煤) 的世界最好成绩，但公认的世界级记录却是由13本钢管公司福山厂3号高炉(3223m3) 在1998年6月创造的，当月的月均吨铁喷煤量为266kg ，焦比289kg ，喷煤率47．9％ 。
在此前后，还有过加古川厂1号高炉(4550m3)1997年l2月230kg 、1998年3月254kg 、霍戈文厂7号高炉(4363m3)1998年5月220kg 的报导，虽然这些高炉获得了较高的喷煤比，但焦比仍居高不下，喷煤率基本徘徊在38％ ～42％之间。
自1998年7月起，宝钢喷煤也已跻身世界先进行列。1号高炉吨铁喷煤比连续四年超过200kg ，近二三年更稳定在230～235kg ，喷煤率大于45％，真正代表了世界一流水平。
4 展望
(1)未来3—5年，月均240～260kg ／t 的喷煤比和50％左右的喷煤率将会成为新一轮的世界一流指标，个别高炉可能会出现280～300kg ／t 的喷煤新记录；新建或改造喷煤装置的设计吨铁喷煤比将达250kg 以上。
(2)目前的若干种喷煤工艺流程已经趋于成熟，短期内不会再有新的喷煤工艺出现，月均24O ～260kg ／t 的喷煤比仍将通过现有的喷煤工艺来
实现。
(3)喷煤技术的研究重点将会转移到诸如风口前煤粉燃烧状况监测、喷煤量精确计量控制以及专用设备和煤粉预热技术开发等领域上来。
二、主要研究内容
本次毕业设计主要是应用PLC 控制系统控制高炉喷煤的喷吹过程，实现喷吹的自动手动控制，安全连锁控制中间罐、喷吹罐压力自动控制，喷吹风压力自动控制，喷吹风流量自动控制，喷吹量的自动控制。
三、采用的研究方法
熟悉和掌握整个工艺流程，分析控制流程，确定系统的控制方案，完成控制原理图设计，在此基础上，选择西门子的PLC S7-300控制器，编程语言使用梯形图。从而达到对中间罐加料、喷吹罐加料、喷吹控制、停喷控制、安全连锁控制程序的控制。根据网上搜索的相关产品资料和用户手册完成系统的软件设计。
四、进度安排
第一周：检索和阅读资料
第二周：检索和阅读资料，进行总体工艺流程设计
第三周：进行总体工艺流程设计
第四周：确定基本工艺流程
第五周：进行开题报告的填写
第六周：PLC 选型，查阅相关产品资料和用户手册
第七周：I/O地址分配
第八至十二周：写毕业论文
第十三周：翻译英文科技文献、打印图纸
第十四周：对论文进行整体检查并做必要的修改
第十五周：对论文进行整体检查并做必要的修改
第十六周：答辩
五、主要参考文献
[1] 马爱琴，王爱国 高炉喷煤工艺及自动控制系统 2004年3月
[2] 金艳娟 高炉喷煤技术 冶金工业出版社 2005年3月
[3] 温大威 高炉喷煤技术现状及发展 2003年第3期
[4] 章兆舟 我国高炉喷煤技术的发展和应用
[5] 姚桐，常俊杰 PLC在高炉喷吹煤粉控制系统中的应用 2004年7月
[6] 李文霞，路海风 PLC控制系统在喷煤工程中的设计与应用 2005年10月
[7] RSLinx Training Guide.Rockwell software Inc
河北理工大学轻工学院
本科毕业论文开题报告
题目： 高炉喷煤喷吹自动化控制
学 部：工程教育部
专 班 级：05级 机械 1班
姓 学 号：[1**********]1
2009年 3 月 23 日
一、题目来源背景（现状、前景）
1 高炉喷煤技术背景
高炉喷煤技术始于1840年S ．M ．Banks 关于喷吹焦炭和无烟煤的设想；世界最早的工业应用即是根据这一设想于1840～1845年间在法国博洛涅附近的马恩省炼铁厂实现的。但此后的一百多年，发展却相对缓慢，基本无进展；直至20世纪60年代初，欧洲、中国、美国的一些工厂才陆续开始在高炉上试验喷煤。
7O 年代末，第二次石油危机的出现，加快了高炉喷煤技术的研究和发展，特别是欧洲和日本更是在实际应用上取得了重大突破。到90年代初，欧洲和日本已有小部分高炉月均吨铁喷煤超过了200kg 大关，如：1991年l0月英国钢铁公司斯肯索普工厂维多利亚女王号高炉201kg(粒煤) ，1992年11月德国蒂森公司施韦尔根1号高炉200．6kg ，1992年11月荷兰霍戈文公司艾莫依登厂6号高炉205kg ，1993年11月日本新日铁君津厂3号高炉200kg 、1994年l0月NKK 公司福山厂4号高炉218kg 等指标均已是当时的世界一流水平。
2 高炉喷煤的意义
高炉喷煤对现在高炉炼铁技术来说是一项重要的技术革命。所谓高炉喷煤，就是指从高炉风口向炉内直接喷吹磨细了的煤粉（无烟煤、烟煤或两者的混合煤粉以及褐煤），以代替焦炭向高炉提供热量和还原剂。它的意义在于：
A. 以低价的煤代替了日趋贫乏且价格昂贵的冶金焦，降低了焦化，使高炉炼铁的成本大幅下降。
B. 高炉喷煤可以作为一种调剂炉况的手段。
C. 高炉喷煤可以改善炉缸工作状态，是高炉稳定顺行。
D. 为高炉提高风温和富氧鼓风创造条件。
因为喷吹煤粉会使风口前理论燃烧温度降低，导致理论燃烧温度降低的主要原因有：
1）高炉喷吹煤粉后煤气量增加，加热煤气需要消耗热量；
2）喷吹煤粉带入的热量少，而焦炭进入风口区时已被充分加热，温度高达
1450~1500℃，而喷吹的煤粉温度不超过100℃；
3）煤粉中的碳氢化合物分解需要热量。
E. 喷吹煤粉中的氢含量比焦炭带入的多，氢气提高了煤气的还原能力和穿透扩散能力，有利于矿石的还原和高炉操作指标的改善。
F. 喷吹煤粉代替了部分焦炭，不仅缓解了焦煤的供需紧张状况，也减少了对炼焦设施的投资和建设，更降低了炼焦生产对环境的污染。
2 高炉喷煤基本流程
根据制粉装置到高炉距离的远近、煤粉仓，喷吹罐安放位置的差异、喷吹管
路的粗细、喷吹压力的高低、输送浓度的大小以及喷枪形式的不同，可以有直接喷吹、间接喷吹；串罐喷吹、并罐喷吹；总管喷吹、多支管喷吹；高压喷吹、常压喷吹；浓相喷吹、稀相喷吹和氧煤枪喷吹、常规枪喷吹等各种形式的喷吹。不同的设备结构和组合可以产生以下几种较成熟的工业性生产流程。
2．1 德国KvTTNER 流程
煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接→流化小罐→喷吹支管→喷枪；支管上装有流量计和二次风入口，安装位置前者靠近喷吹罐出口，后者靠近高炉。近十多年来，KvTTNER 公司又推出了一种新流程：煤粉仓→并列喷吹罐→流化小罐→总管一分配器一支管一氧煤喷枪，并得到了更多的推广。新流程为双罐、双总管和双分配器形式，仍然使用氮气加压、流化，采用浓相输送。
上钢一厂2500m3高炉喷煤选用的即是KvTTNER 新流程，但是未用氧煤喷枪。此外，重钢高炉喷煤也选用了KvTTNER 新流程(常规喷枪) ，所不同的是该厂3、4、5号三座高炉共用一套喷吹装置，这套装置已于2001年11月投产，运行正常。
2．2 美国阿姆科(ARMCO)流程
煤粉仓→并列喷吹罐→总管→分配器→支管→常规喷枪。与新KuTrNER 流程不同的是ARMCO 流程使用3个喷吹罐，一根总管、一个分配器；总管既变径，局部还要变形，为确保足够的分配精度，分配器必须置于高炉炉顶，所有支管也必须等径、等长、等形状。加压、流化使用氮气，因为是稀相输送，所以还需添加压缩空气。宝钢1高炉喷煤即属阿姆科流程。
2．3 日本住友流程
煤粉仓→并列喷吹罐→旋转给料器→喷吹小罐→总管→第一分配器→第二分配器→支管→喷枪。住友流程总管上装有压差式流量计与旋转给料器共同调节喷煤总量，控制和设备组成均较复杂，和歌山4、5高炉喷煤即为这种流程。
2．4 日本川崎流程
煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接→多支管→喷枪；喷吹罐上出料，底部设有搅拌器并在支管出口处接人二次风(压缩空气) 稀释。宝钢2高炉喷煤即属川崎流程。
2．5 卢森堡Paul Wurth流程
历史上PW 公司与KvTTNER 公司曾有过一段较长时间的合作，因此无论新流程还是老流程，两家的差异都不大，基本上大同小异，仅在个别设备的选用上有出入。如老流程中PW 用旋转给料器代替了KvTTNER 的流化小罐；新流程中用声纳管代替了阻损管、用流化喷嘴代替了流化罐、增设泄压气回收装置等。武钢4、5号高炉喷煤选用的即是PW 流程，已于2002年投产。
2．6 混合型流程
煤粉罐、中间罐、喷吹罐三罐串接→总管→分配器→支管→喷枪；这是在上述多支管流程基础之上的一种改良流程。也可以称作混合流程。宝钢3号高炉喷煤用的即是该种流程。
2．7 英钢联粒煤喷吹流程
煤粉仓、中间罐、喷煤泵三罐串接→总管→分配器→支管→喷枪；主要特点是用喷煤泵代替了传统的喷吹罐，中间罐与喷煤泵之间使用圆顶阀联接，同样条件下，喷煤泵工作压力通常小于传统喷吹罐工作压力，喷煤泵出口设有由变频电机驱动的旋转给料阀。
斯肯索普安娜女王号高炉及克里夫兰4号高炉采用的即是典型的粒煤喷吹流程；其中，克里夫兰4号高炉的设计喷煤比竞高达匪夷所思的400kg ／t ，是迄今为止煤比最高的设计。
以上各流程均有吨铁喷吹200kg 的能力和生产实绩，但无论是浓相或稀相，无论使用氧煤喷枪与否，抑或喷吹粉煤粒煤，近十年来新建喷煤装置采用较多的流程当属并罐、总管加分配器流程。
3 国内外喷煤现状
3．1 国内喷煤现状
中国的工业性喷煤是上世纪6o 年代首先在首钢高炉上实现的，且生产试验中最高喷煤比曾超过300kg ／t ，但持续时间只有几天；而当时国家的总体喷煤水平也仅为40～50kg ／t 。1995年8～11月，鞍钢也是在3号高炉(831m3) 的攻关试验中 才再次突破200kg 大关，达到203kg ，这次持续时间较长，但焦比仍高达382kg 。1999年6月，天津涉县铁厂5号高炉(300m3) 亦是在试验时以207．8kg 的成绩打破了鞍钢的记录，不过焦比仍然偏高，为332．7kg 。宝钢1高炉在1999年9月创造了吨铁月均喷煤260．6kg(焦比249．7kg)T 业性喷煤记录，该记录直至今13仍是世界第二好成绩。
目前，全国重点企业高炉已全部配备了煤粉喷吹装置，2001年年均吨铁喷煤124kg(十五规划目标是150kg) ，喷煤总量超过1360万吨；除宝钢外，包钢指标最好，三座高炉平均151．9kg ／t ，单炉(1号高炉) 年均180．4kg ／t 。
到2002年底止，全国有相当部分高炉改造或新建了喷煤设施，鞍钢、包钢、重钢、马钢、邯钢、梅山等厂的高炉均采用了9o 年代以后的技术，喷煤设计能力标均为200kg ／t ，武钢4、5号高炉喷煤设计能力更高达250kg ／t 。此外，一批中、小高炉和民营高炉选用的喷煤装置也都有很高的起点；像建龙钢厂、沙钢高炉等，其中沙钢更是直接从国外购买了二手成套设备。
3．2 国外喷煤现状
世界范围的高喷煤比指标大多产生在20世纪90年代中后期。尽管英国钢铁公
司克里夫兰厂4号高炉(600m3) 的一套试验装置，曾在1991年6月短期喷吹出318kg ／t(粒煤) 的世界最好成绩，但公认的世界级记录却是由13本钢管公司福山厂3号高炉(3223m3) 在1998年6月创造的，当月的月均吨铁喷煤量为266kg ，焦比289kg ，喷煤率47．9％ 。
在此前后，还有过加古川厂1号高炉(4550m3)1997年l2月230kg 、1998年3月254kg 、霍戈文厂7号高炉(4363m3)1998年5月220kg 的报导，虽然这些高炉获得了较高的喷煤比，但焦比仍居高不下，喷煤率基本徘徊在38％ ～42％之间。
自1998年7月起，宝钢喷煤也已跻身世界先进行列。1号高炉吨铁喷煤比连续四年超过200kg ，近二三年更稳定在230～235kg ，喷煤率大于45％，真正代表了世界一流水平。
4 展望
(1)未来3—5年，月均240～260kg ／t 的喷煤比和50％左右的喷煤率将会成为新一轮的世界一流指标，个别高炉可能会出现280～300kg ／t 的喷煤新记录；新建或改造喷煤装置的设计吨铁喷煤比将达250kg 以上。
(2)目前的若干种喷煤工艺流程已经趋于成熟，短期内不会再有新的喷煤工艺出现，月均24O ～260kg ／t 的喷煤比仍将通过现有的喷煤工艺来
实现。
(3)喷煤技术的研究重点将会转移到诸如风口前煤粉燃烧状况监测、喷煤量精确计量控制以及专用设备和煤粉预热技术开发等领域上来。
二、主要研究内容
本次毕业设计主要是应用PLC 控制系统控制高炉喷煤的喷吹过程，实现喷吹的自动手动控制，安全连锁控制中间罐、喷吹罐压力自动控制，喷吹风压力自动控制，喷吹风流量自动控制，喷吹量的自动控制。
三、采用的研究方法
熟悉和掌握整个工艺流程，分析控制流程，确定系统的控制方案，完成控制原理图设计，在此基础上，选择西门子的PLC S7-300控制器，编程语言使用梯形图。从而达到对中间罐加料、喷吹罐加料、喷吹控制、停喷控制、安全连锁控制程序的控制。根据网上搜索的相关产品资料和用户手册完成系统的软件设计。
四、进度安排
第一周：检索和阅读资料
第二周：检索和阅读资料，进行总体工艺流程设计
第三周：进行总体工艺流程设计
第四周：确定基本工艺流程
第五周：进行开题报告的填写
第六周：PLC 选型，查阅相关产品资料和用户手册
第七周：I/O地址分配
第八至十二周：写毕业论文
第十三周：翻译英文科技文献、打印图纸
第十四周：对论文进行整体检查并做必要的修改
第十五周：对论文进行整体检查并做必要的修改
第十六周：答辩
五、主要参考文献
[1] 马爱琴，王爱国 高炉喷煤工艺及自动控制系统 2004年3月
[2] 金艳娟 高炉喷煤技术 冶金工业出版社 2005年3月
[3] 温大威 高炉喷煤技术现状及发展 2003年第3期
[4] 章兆舟 我国高炉喷煤技术的发展和应用
[5] 姚桐，常俊杰 PLC在高炉喷吹煤粉控制系统中的应用 2004年7月
[6] 李文霞，路海风 PLC控制系统在喷煤工程中的设计与应用 2005年10月
[7] RSLinx Training Guide.Rockwell software Inc