氧枪喷头内流动特性模拟与枪位控制系统的研究

摘要

氧枪是氧气转炉炼钢中的主要工艺设备之一，其性能特征直接影响到冶炼效果和吹炼时间，从而影响到钢材的质量和产量。氧枪对吹炼的影响作用是通过氧气射流流股与熔池的相互作用来实现的，而这种作用主要取决于射流到达熔池表面时的速度大小及其分布，因此氧枪喷头的各项工艺参数的寻优与结构的优化设计非常重要。转炉炼钢的关键工艺是吹炼过程，但是在冶炼过程中转炉内发生的反应是非常复杂的，吹炼过程很难用一个准确的模型来表述，因此对转炉吹炼过程的控制一直难以用传统的控制方法来解决。在同一个时期产生的PLC自动化控制系统也伴随着时间的推移，理论和技术日益成熟，其应用得到了飞速发展。至今，世界各国己经在很多领域研制出了大量的实用控制系统，但我国的许多大型钢厂目前还是使用国外的PLC控制程序。 本文首先阐述了氧枪的结构及其产生超音速射流的拉瓦尔喷头的工作原理，分析了氧气射流特性及氧气射流与熔池相互作用的关系，利用Fluent软件，结合射流基本理论对单孔拉瓦尔喷头内部流动特性进行数值模拟，以此获得压力、温度、速度、马赫数分布图，对氧枪喷头的设计和改进具有重要意义。 本文重点分析了转炉炼钢中氧枪控制的工艺原理，根据氧枪的负载特性，阐述其速度调节控制原理，以前的氧枪控制系统大多采用继电器逻辑控制，枪位控制不准确，直接影响吹炼效果和产品的质量。为了提高氧枪定位精度、产品质量和生产效率，本次设计在吸取了国内外先进经验的基础上，特别采用了矢量变频器的控制方法进行速度控制。氧枪控制包括速度控制和定位控制两种，而定位控制是核心，在氧枪的关键枪位控制上采用二级定位控制：即编码器和主令控制器控制，以先到信号为主，增加了定位的准确性和控制可靠性。通过比较选用了德国的西门子SIMATIC S7系列的可编程控制器来完成氧枪的速度控制和定位控制，用S7-300为控制系统进行了初级编程。用模拟软件PLCSIM对程序进行调试、运行。针对炼钢现场工作环境非常恶劣的现状，本系统选用工业计算机来下达指令、监视运行状态等任务。并对国内外的组太软件进行比较，最后选用WinCC软件来实现对工业计算机上画面的编制，通过上位机画面监控氧枪系统的运行状态、报警记录及生成实时的氧枪位置趋势曲线和速度趋势曲线。本次设计的人机系统界面友好，操作简单，结果显示直观。

目录

文摘

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声明

第一章前言

1.1氧气转炉炼钢综述

1.1.1氧气转炉炼钢的发展

1.1.2顶吹转炉炼钢工艺过程

1.2氧枪及其传动系统

1.2.1氧枪本体

1.2.2氧枪升降机构

1.2.3换枪装置

1.3氧枪射流特性分析及相关研究

1.3.1氧射流特性

1.3.2氧射流与熔池的相互作用

1.3.3氧枪射流特性的前人工作分析

1.4转炉炼钢自动化控制概述

1.4.1转炉炼钢自动化技术的发展

1.4.2转炉计算机过程控制系统的功能和结构

1.4.4我国转炉炼钢自动化控制存在的问题

1.5 PLC控制技术在钢铁工业中的应用

1.5.1 PLC的组成部分

1.5.2 PLC控制技术的特点

1.6本文的研究目的和内容

第二章气体动力学理论及方程

2.1可压缩流体力学理论

2.1.1可压缩流体力学概述

2.1.2基本方程

2.2拉瓦尔喷管中的气体运动

2.2.1一维可压缩流的实用方程

2.2.2拉瓦尔喷管原理

2.2.3轴对称超音速湍流自由射流

第三章单孔拉瓦尔喷头内部流动特性模拟

3.1模拟概述

3.1.1问题描述

3.1.2模拟所用软件

3.1.3模拟满足条件

3.1.4模拟思路

3.2利用gambit建立计算模型

3.3模型输入

3.4边界条件的确定

3.5模拟结果及分析

第四章120t转炉氧枪升降的控制系统

4.1氧枪控制原理

4.1.1氧枪速度控制原理

4.1.2工艺对氧枪枪位控制要求

4.2转炉氧枪计算机系统构成

4.2.1控制系统的总体结构

4.2.2氧枪控制系统硬件的构成

4.2.3氧枪控制系统软件构成

4.3氧枪控制主要功能块

4.3.1程序循环组织功能块

4.3.2报警功能块

4.3.3下枪条件功能块

4.3.4氧枪位置检测功能块

4.3.5氧枪速度给定功能块

4.3.6手动控制功能块

4.3.7自动控制功能块

4.3.8氧枪极限位限幅功能块

4.4计算机监控画面

第五章结论和展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

致谢