冶金毕业设计（共五则）

第一篇：冶金毕业设计

摘要

石油、天然气输送管线在服役过程中,环境中的氢不可避免的进入到管线材料内部,产生氢损伤。管线钢中的氢可能导致氢脆和氢致开裂，裂纹扩展可能与进入钢中的氢含量有关。

本论文以X80管线钢为样品，在0.5mol/L的H2SO4溶液中用电化学充氢的方法进行研究，探讨试样在不同条件下的吸收氢的规律，为后面的耦合实验提供充氢依据。本实验共分两组：第一组固定充氢电流密度，改变充氢时间，研究在相同充氢电流密度下，充氢时间对氢吸收的影响。第二组固定充氢时间，改变充氢电流密度，研究在相同充氢时间下，充氢电流密度对氢吸收的影响。钢中氢的含量主要采用排油集气法测定,以获得钢中的氢含量。

实验获得如下结果：固定充氢电流密度不变，随着充氢时间的延长，材料中的可扩散氢含量CH 逐渐增加.充氢时间达到5h时，材料中的可扩散氢含量CH 基本饱和，再延长充氢时间，氢含量的增幅很小。固定充氢时间不变，随着充氢电流密度的增大，材料中的可扩散氢含量CH 逐渐增加，充氢电流密度达到18mA/cm2时，材料中的可扩散氢含量CH 基本饱和，再增大充氢电流密度，氢含量的增幅很小。

关键词：管线钢；电流密度；氢脆；耦合

ABSTRACT In oil, natural gas transportation pipeline service process, the hydrogen in environment inevitably enters the interior piping materials, generating hydrogen damage.Pipeline steel of hydrogen could lead to hydrogen induced cracking and hydrogen, it has to do with hydrogen content in steel.The paper used X80 pipeline steel as samples, in 0.5 mol/L-H2SO4 solution using electrochemical hydrogen charging, to explore specimen under different conditions of hydrogen absorption and provide a basis for hydrogen in behind of coupling experiment.This experiment is divided into two groups: the first group is in changing hydrogen filling time, fixed current density of hydrogen to study under the same current density of hydrogen, hydrogen filling time for hydrogen absorption.A second group is in changing the current density of hydrogen, fixed hydrogen charging time, to study the hydrogen filled in the same time, the current density of hydrogen effects on hydrogen absorption.Hydrogen content in steel mainly adopts discharge of oil gas collection method, in order to obtain hydrogen content in steel.Experiments obtain the following results: fixed hydrogen charging current density is constant, as the extension of hydrogen filling time, material can be diffusion hydrogen content of CH increased gradually.In hydrogen filling time at 5h, the material can be diffusion hydrogen content of CH basic saturated, and in extend the time of hydrogen, hydrogen content of the increase is small.Fixed hydrogen charging time is constant, as the increase of current density of hydrogen, the material can be diffusion hydrogen content of CH increased gradually.In hydrogen current density reach 18 mA/cm2, the material can be diffusion hydrogen content of CH basic saturated, hydrogen and increase the current density, the increase of hydrogen content is very small.Key word: Pipeline steel ；Current density ；Hydrogen embittrlement ；coupling

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目录

摘 要..................................................................I ABSTRACT.................................................................II 第一章 绪论...............................................................1

1.1管线钢简介..........................................................1

1.1.1管线钢用途.....................................................1 1.1.2管线钢的生产情况..............................................1 1.1.3管线钢的消费状况..............................................2 1.1.4管线钢的发展趋势..............................................3 1.1.5 X80管线钢.....................................................3 1.2管线钢中的氢........................................................4

1.2.1影响管线钢中氢含量的因素分析................................4 1.2.2管线钢中氢腐蚀机理............................................5 1.2.3管线钢氢腐蚀致开裂的危害.....................................5 1.3本实验的研究背景....................................................7

第二章 X80管线钢电化学充氢行为的研究.............................8

2.1引言.................................................................8 2.2试验方法.............................................................9

2.2.1实验材料.......................................................9 2.2.2 样品加工和准备................................................9 2.2.3 实验方案及过程...............................................10 2.3.实验结果与讨论.....................................................12 2.3.1实验结果......................................................12 2.3.2钢吸收氢规律.................................................12 2.3.3 两种不同情况下试样吸收氢含量的比较........................13 第三章 结论..............................................................14 致谢.......................................................错误！未定义书签。参考文献.................................................................14

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第一章 绪论

1.1管线钢简介

1.1.1管线钢用途

管线钢如图1.1是指用于输送石油、天然气等的大口经焊接钢管用热轧卷板或宽厚板。管线钢在使用过程中，除要求具有较高的耐压强度外，还要求具有较高的低温韧性和优良的焊接性能。管线钢主要用于加工制造油气管线。油气管网是连接资源区和市场区的最便捷、最安全的通道，它的快速建设不仅将缓解我国铁路运输的压力，而且有利于保障油气市场的安全供给，有利于进步我国的能源安全保障程度和能力[1]。

图1.1管线钢

1.1.2管线钢的生产情况

目前，我国油气输送所使用的管线管主要由石油自然气团体公司的6个焊管厂生产，它们是宝鸡石油钢管厂、贵阳石油钢管厂、华北石油钢管厂，辽阳石油钢管厂，沙市石油钢管厂，胜利石油钢管厂等，总设计生产能力约为120万t左右。生产的油气管以螺旋焊管和高频直缝焊管为主，而管径大、管壁厚的直缝埋弧焊管的生产在我国时间较短。2000年，我国第一条大口径直缝埋弧焊管生产线在番禺珠江钢管公司建成，此生产线从澳大利亚引进，可生产厚壁大口径长输管线钢管，钢管外径457～1800mm，特殊规格可达3000mm，壁厚4.5～37mm，特殊规格还可增厚，单管最长可达12m。但生产这种焊管所需管线用宽厚钢板目前基本还需依靠进口。近日，日本住友金属和住友商事又与中国石油自然气团体公司(CNPC)下属的宝鸡钢管厂合作生产石油自然气用中径焊接钢管，主要生产油气输送管线的支线用焊管，产量可由目前的5万吨进步到2～3年后的12万吨。

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国内对管线用钢的需求以X70级为主，新线目标定位在X80级热轧宽钢带和X100级宽厚板的生产，以适应目前10MPa和近期14MPa以上输送压力的设计。1.1.3管线钢的消费状况

管线钢主要用于加工制造油气管线。油气管网是连接资源区和市场区的最便捷、最安全的通道，它的快速建设不仅将缓解我国铁路运输的压力，而且有利于保障油气市场的安全供给，有利于进步我国的能源安全保障程度和能力。

同石油一样，我国也将从境外的俄罗斯、中亚国家进口自然气，并通过东南沿海港口进口液化自然气（LNG）。为了把这些自然气输送到主要的消费区域，建设输送管线是必不可少的。目前“西气东输”项目已经建成，今后还将建设的主要管线有陕京二期、中俄自然气管线（东线、西线）、以及中亚或俄罗斯至上海自然气管线，终极与“西气东输”管线形成“两横、两纵”的自然气干线。

目前，原油、自然气管网已经具有相当规模，成品油输送管道相对较少，目前仅占全部输送量的40%，将来计划修建3万km，管径在Ф500mm左右，壁厚在10mm以下，以X65为主。未来10年，我国将建设5万km的油气管道，均匀每年需要展设近5000km，每年自然气管道需要钢材近400万t。

随着管道输送压力的不断进步，油气输送钢管也相应迅速向高钢级方向发展。在国际发达国家，20世纪60年代一般采用X52钢级，70年代普遍采用X60～X65钢级，近年来以X70为主，而国内城市管网以X52、X65为主。目前国内主干线输气管最大压力为10MPa，最大直径能够达到Ф1016～1219mm，以X65、X70应用为主，X80也有应用，但用量未几。随着国内输气管的延长和要求压力的进步，X70、X80将成为主流管线钢。

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1.1.4管线钢的发展趋势

随着石油自然气需求量的不断增加，管道的输送压力和管径也不断地增大，以增加其输送效率。考虑到管道的结构稳定性和安全性，还需增加管壁厚度和进步管材的强度，因此用作这类输送管的管线钢都向着厚规格和高强度方向发展。由于自然气的可压缩性，因而输气管的输送压力要较输油管为高。近年来国外多数输气管道的压力已从早期的4．5～6．4MPa进步到8.0～12MPa，有的管道则达到了14～15．7MPa，从而使输气管的钢级也相应地进步[2]。目前，国外的大口径输气管已普遍采用X70钢级，X80开始进进小规模的使用阶段，X100也研制成功，并着手研制X120。输送酸性自然气的管道用钢目前已能生产到X65钢级。21世纪是我国输气管建设的高峰时期。“西气东输”管线采用大口径、高压输送管的方法。这条管线全长4167km，输送压力为10MPa，管径为1016mm，采用的钢级为X70、厚度为14．6mm，20℃的横向冲击功为≥120J。这一钢级、规格、韧性级别目前国内已经生产，并且质量达到国际水平。因此，生产这种规格的高强度、高韧性管线钢对我国今后采用国产管线钢生产大口径、高压输气管具有十分重大的战略意义。1.1.5 X80管线钢

X80管线钢的基本组织是针状铁素体组织，这种组织是在较大的冷却速度下，在[3]温度范围略高于贝氏体形成温度下的连续冷却过程中，由于扩散和剪切变形的共同作用，形成没有完整连续的晶界粒度参差不一的组织针状铁素体组织通常由针状铁素体和粒状贝氏体组成，同时基体中分布着岛针状铁素体管线钢主要通过细晶强化、沉淀强化和相变强化保证其强度。由于微合金的添加和控制轧制和控制冷却工艺的应用，可以保证得到细小组织。因此，以针状铁素体和粒状贝氏体为主要组织的X80级管线钢具有较高的抗拉强度和屈服强度。同时，针状铁素体管线钢具有良好的焊接性能，其抗应力腐蚀氢诱发裂纹的能力也较高，较小的重叠尖锐组织为针状铁素体在扫描电镜下可以发现管线钢显微组织体现出了典型的针状铁素体特征：晶界方向不一，且相互交割，晶粒细化明显。放大观察倍数后可以看到晶界上也有大量的位错塞积析出粒子分布较为均匀，对针状铁素体板条上的高密度位错起到了钉扎作用，提高了钢的强度管线钢的强韧性随着油气管道运行压力与管径的不断增加，管道发生爆裂的风险也越来越大。同时，毕业设计（论文）第 4 页

随着在土质不稳定区不连续区及地震带等地质情况复杂地区和高寒地区铺设的管道越来越多，对于管线钢的应变硬化能力抗侧向弯曲能力的要求也越来越高，因此管线钢必须具有很好的低温韧性。天然气管线压力的提高和对管线钢韧性提高的要求，促使人们寻找获得更有效的强度和韧性的组织结构。现已成功研制了针状铁素体管线钢, 在提高其强度的基础上，可大幅度提高韧性。针状铁素体管线钢的组织也并不是100%的针状铁素体，而是以针状铁素体为主的混合组织。针状铁素体AF又称板条贝氏体铁素体，在组织中成簇出现，构成板条束, 每个板条束由若干个铁素体板条组成，板条间为小角度晶界，板束间为大角度晶界。管线钢中，影响氢致开裂的主要组织是珠光体带状组织。因为氢致裂纹一般易沿珠光体带状组织扩展[4]，因此，减少带状组织-珠光体的含量, 相应地增加针状铁素体的含量，可以提高管线钢的抗HIC能力。图1.2 X80管线钢显微组织。

图1.2 X80管线钢20倍金相组织

1.2管线钢中的氢

1.2.1影响管线钢中氢含量的因素分析

相关资料表明[5]，影响钢中氢含量的因素有原辅材料带入的氢（如：铁水含氢、废钢表面的铁锈、铁合金中的氢和水分、石灰、增碳剂、脱氧剂、覆盖剂、保护渣等渣料中的水分等）、冶炼过程的增氢量（设备漏水或电极喷淋水、出钢过程及冶炼过程与大气接触增氢、喂丝过程钢水裸露增氢等）、VD 过程的脱氢效果等。由于废钢、铁水及铁合金等辅助材料带入的氢是不可避免的，目前考虑到成本因素，大部分钢厂对铁合金等辅助材料未进行烘烤，故生产此类钢种只能考虑通过减少精炼渣及石灰的加入量来减 毕业设计（论文）第 5 页

少原辅材料带入的氢。其次，电弧炉冶炼过程的电极喷淋水开启过大、水冷件漏水或氧枪漏水也是影响此类钢种VD 前氢含量高的主要因素之一。在VD 炉，提高抗HIC 及SSCC 管线钢VD 过程的脱氢效果，并减少VD 后增氢是控制此类钢种精炼终点氢含量的重要因素。

1.2.2管线钢中氢腐蚀机理

干燥的硫化氢并不会腐蚀金属, 只有在湿硫化氢环境中金属才会发生腐蚀。在湿硫化氢环境中将按照以下步骤进行: 石油、天然气中的水附着于管线钢的内表面,硫化氢(H2S)在水中形成硫和氢的离子；Fe 夺取 H 的正电荷, 成为Fe2+ 及 H 原子，形成硫化铁(FeS),硫化铁(FeS)为红褐色物体,附着于管的内表面；H原子体积很小,根据分压大小向钢中扩散H原子首先聚集于非金属夹杂物、气孔及偏析中；在存留处,H原子变成氢气(H2)分子,体积增大20倍，H2 体积增大过程中,存留处压力急剧增加,如超过金属起裂应力时会造成裂纹扩展；如存留处在管内表面,则形成鼓泡；如在内部则形成平行于金属表面的裂纹,这些裂纹通常成阶梯。

1.2.3管线钢氢腐蚀致开裂的危害

可见，油气输送管线在国计民生中发挥着重要的作用。但是，由于管道内部输送介质和外部埋地土壤的腐蚀，管道经常发生泄漏和断裂事故。多年来，人们在采用防护涂层和阴极保护等措施以减少埋地管道腐蚀事故的发生方面，取得了一定的进展，但由于埋地管道腐蚀涉及的影响因素复杂多变，仍然有腐蚀失效事故的发生，同时又有新的管道腐蚀问题不断出现。尤其管线钢的应力腐蚀开裂（SCC）已经成为威胁管道安全、完整运营的主要损伤形式之一，引起了人们的特别关注。例如，1965年3月美国的路易斯安那州发生了世界第一例长输管线的失效，导致输送气体的泄漏而引发大火[6]。我国四川输气网在1971-1976年间，由于管道腐蚀开裂导致的爆炸、燃烧事故103起，其中1971年威-成管线由于应力腐蚀开裂引起的大爆炸、燃烧事故的直接经济损失达7000万，伤亡24人，给社会造成了严重的经济损失[7,8]。1985年至1986年的一年时间内，在加拿

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大的北安大略省发生了3起管道应力腐蚀开裂事故，之后的1991年和1992年又相继发生了2起管道的应力腐蚀开裂事故[7]。这引起了加拿大能源局的重视，组成调查组对加拿大境内的管线进行了全面的调查。结果显示从1977年发现管线存在应力腐蚀开裂以来到1996年共发生了22起应力腐蚀开裂事故，其中10起造成严重泄漏，12起造成管线断裂[9]。表1.1给出了2002至2003一年内输送危险液体的管道发生事故的原因及造成的财产损失。图1.2更加直观的给出了造成事故原因所占的比例份额，不难看出腐蚀原因占最大的比例，达到26.3%。这些事故的发生给工业生产和人民的生命财产安全造成了严重的损害，甚至会在破裂管道周围造成严重的环境污染。可见，研究管线钢应力腐蚀开裂的规律及影响因素，对保证长输管线的安全运营是非常必要和重要的。为了更好地研究管线的开裂问题，需要首先了解腐蚀的类型及前人关于管线钢应力腐蚀方面所开展的工作。

表1.1 1/1/2002-12/31/2003一年内引起输送危险液体管道事故的原因总结 Reported Cause Excavation Natural Forces Other Outside Force Materials or Weld Failure Equipment Failure Corrosion Operations Other Total Number of Accidents 41 13 12 45 42 72 23 36 274

% of Total Accidents 15.0 4.7 4.4 16.4 15.3 26.3 4.7 13.1 88.9

Barrels Lost 35,220 5,045 3,068 41,947 5,717 57,160 8,187 19,812 176,156

Property Damages $9,207,822 $2,646,447 $2,062,535 $30,760,495 $2,761,068 $18,734,697 $602,408 $8,918,974 $75,694,446

Notes:

(1)The failure data breakdown by cause may change as OPS receives supplemental

information on accidents.(2)Sum of numbers in a column may not match given total because of rounding error.毕业设计（论文）第 7 页

图1.2引起输送危险液体管道失效的事故原因及所占的比例

1.3本实验的研究背景

石油、天然气是人类社会赖以生存的重要能源，随着国民经济的迅速发展，对石油和天然气等能源的需求也日益增加，而管道输送油气是一种既经济又有效的运送方式。但从上世纪60年代开始至今，世界各地先后发生多起输气管道爆裂事故。研究表明在管道内部压力和外部土壤腐蚀环境的交互作用下，管线钢可以发生应力腐蚀开裂。管道的破裂造成了重大经济损失、人员伤亡和自然环境破坏等严重后果。明确管道在实际服役条件下的应力腐蚀开裂机理及影响因素，对于管道的防护及剩余寿命预测，减少管道开裂事故发生都有重要意义。

管道的应力腐蚀开裂是在外力、腐蚀环境和材料自身缺陷三者共同作用下的结果。管道在实际服役环境中受力非常复杂，除承受内部油气输送过程中所施加的周向波动应力外，还会承受土壤移动和铺设过程中所施加的垂直于管道轴向的弯曲应力，如果管道铺设在稍有斜坡的地段或遇到地震和泥石流等自然灾害时，管道同样会承受一定的弯曲应力。可见，实际服役的管道处于复合应力的作用下，对于管道上已经萌生的微小裂纹的扩展问题也不只是简单的I型裂纹的扩展问题，同时存在着II型裂纹或III型裂纹

毕业设计（论文）第 8 页 的扩展问题。为了研究管线钢应力腐蚀开裂过程中裂纹的扩展规律，研究者们引入了断裂力学的研究方法[10]，但是人们常常将裂纹进行简化，把复杂的裂纹按照其最危险的形式—I型撕开型裂纹处理[11-13]。王荣[14]曾采用单边裂纹试样（I型裂纹）研究了X80管线钢在波动载荷下裂纹扩展特性，结果表明与碱性碳酸盐环境相比，管线钢在中性碳酸盐环境中具有较高的裂纹扩展速率。另外，在NS4溶液中，裂纹扩展出现局部准解理断口和二次裂纹,这与氢在裂纹扩展中的作用有关。而管线钢发生穿晶应力腐蚀开裂时，其腐蚀环境中确实可以有氢离子生成[15]。文献[14]的结果说明在穿晶应力腐蚀开裂中，由于氢离子的存在可以加速I型裂纹的扩展速率。

此外，我国西气东输二线干线全部采用X80钢管，钢管强度级别提高对氢的敏感性如何，以及在含氢离子的服役环境和复杂应力耦合作用下，这些高级别管线上一旦萌生的微小裂纹扩展速率如何变化，都将影响管道的服役寿命。因此，明确裂纹的扩展速率及氢-复杂应力间的作用机制对管道的安全运营至关重要。因此本文在实验室条件下研究X80管线钢在不同条件下进入钢中氢的含量。为氢与复杂应力耦合作用下，应力腐蚀裂纹扩展速率的研究做铺垫。

第二章 X80管线钢电化学充氢行为的研究

2.1引言

氢致裂纹(HIC)是管线钢在酸性环境下腐蚀的主要方式之一[25]，随着管线钢级别的增大，其成本越低，但抗HIC 性能越差[26]。周琦等[27]在对管线钢硫化氢环境台阶状氢致开裂分析中指出，钢中Mn、P、S的含量及其偏析程度，与钢的氢致开裂密切相关。Domizzi 等[28]在S含量及其夹杂物分布对HIC 影响的研究中指出，HIC敏感性与微观组织有关，裂纹更易在塑性较差的组织处形核与扩展。一般认为，氢致裂纹容易在钢中的氢陷阱如夹杂物、位错、空隙及晶界等处萌生。在排除试样本身因素影响外，从电化学充氢实验获得的80管线钢中氢含量对裂纹的影响可以直观分析和对比环境因素的差异。但很少看到有关X80 管线钢这方面的研究。因此，本文采用电化学方法充氢，进而研究氢在X80管线钢中在不同条件下对氢吸收的影响，为后面的耦合实验提供理论依据和数据支持。

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2.2试验方法

2.2.1实验材料

本实验均采用我国自行生产的X80管线钢。X80管线钢的化学成分和力学性能分别见表2.1和表2.2。

表2.1 X80管线钢化学成分(质量百分比，%)C 0.046 Ca 0.003 Mn 1.58 Cu 0.25 Si 0.23 Ti 0.010

S 0.0015 Nb 0.066

P 0.012 V 0.028

N 0.0033 Mo 0.23

Cr 0.025 Al 0.032

Ni 0.17 Fe 97.3132

表2.2 X80管线钢力学性能

YS(MPa)520

UTS(MPa)

639

EL(%)39

※YS：屈服强度；UTS：最大拉伸强度；EL：延伸率

本实验还需要的实验器材及用品：PS-168电位仪、电火花数控线切割机床、无水乙醇、甘油、蒸馏水、量筒、绳、0.5mol/L H2SO4

2.2.2 样品加工和准备

先将X80管线钢用电火花数控线切割机床切割成50mm×21mm×3mm的样品，再将样品宽的方向上切一条深为3mm的裂纹，最后分别用400#、600#、800#、1000#砂纸由粗到细逐级打磨样品表面，得到的样品如尺寸及形状如图2.1所示。

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图2.1 初始样品

电火花数控线切割机床原理：数控电火花线切割机床是利用电火花原理，将工件与加工工具作为极性不同的两个电极，作为工具电极的金属丝（铜丝或钼丝）穿过工件，由计算机按预定的轨迹控制工件的运动，通过两电极间的放电蚀除材料来进行切割加工的一种新型机床。

2.2.3 实验方案及过程

电化学充氢在PS·168 型恒电位仪上进行，电解液采用0.5mol/L H2SO4溶液。将试样用防水胶带缠好，使其有效面积为4cm2，并用铜导线缠好，将准备好的试样置于电解液中，试样为阴极，铂片为阳极，采用恒电流方法对试样进行电化学充氢。充氢设备如图2.2。

图2.2充氢设备示意图

电化学充氢的试样分成两组：一组在固定充氢电流密度6mA/cm2 时，分别充氢1h、2h、3h、4 h、5h，研究在相同充氢电流密度下, 充氢时间对氢吸收的影响；另一组试样充氢电流密度分别为2 mA/cm2、6mA/cm2、10 mA/cm2、14 mA /cm2、18mA/cm2充氢时间1h，研究在相同充氢时间下，充电流密度对氢吸收的影响试 样。以固定充氢电流密

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度6mA/cm2，充氢3小时为例。充氢前如图2.3，充氢过程中如图2.4，充氢后如图2.5以及从烧杯取出时如图2.6试样变化。

图2.3 充氢前试样

图2.4 充氢过程中试样

图2.5 充氢后试样 图2.6 从烧杯中取出后试样

充氢完毕后，用蒸馏水清洗干净，用排油集气法测定钢试样中的氢含量。将充氢的试样放入量筒中，并用塑料密封读取甘油的液面高度, 在恒温放置24 h 后，再读取甘油液面高度，由两次甘油液面差计算排出氢的体积。则试样中可扩散氢含量 CH（质量分数，%）由公式（2.1）计算

CH =

式中：T0为 273K；P 为实验环境气压；P0为大气压，0.101 MP a；T 为试验温度；W为试样质量，mg；Q为氢气密度，0.08988 g/ L；△v为扩散氢的体积，ml

0v× 8.988×0.2

（2.1）

0W 毕业设计（论文）第 12 页

2.3.实验结果与讨论

2.3.1实验结果

固定充氢电流密度6mA/cm2 时，在充氢时间分别1h、2h、3h、4 h、5h得到的的数据如表2.1

表2.1 固定充氢电流密度不变，改变充氢时间得到数据表

编号 质量/g 硫酸体积/ml 20.89 19.27 18.67 20.94 19.92 50 50 50 50 50 试样 电流密充氢面积 度时间/cm2 /mA/cm2 /h 4 4 4 4 4 6 6 6 6 2 3 4 5

静置静置前体后体积/ml 积/ml 34.2 30.3 36.5 30.5 34.3

34.28 30.4 36.67 30.7 34.5

体积质量 分差/ml 数/% 0.08 0.13 0.17 0.2 0.2

0.00018 0.00031 0.00042 0.00045 0.00047 1 8 3 9 6

固定充氢时间1h，在充氢电流密度分别为2 mA/cm2、6 mA/cm2、10 mA/cm2、14 mA/cm2、18 mA/cm2 得到的数据如表2.2。

表2.1 固定充氢时间不变，改变充氢电流密度得到数据表 编号 质量

/g 4 1 2 5 7 20.30 20.89 19.97 19.66 20.88

硫酸体积/ml 50 50 50 50 50 试样 电流密度面积 /mA/cm2 /cm2 4 4 4 4 4 6 10 14 18

充氢静置时间/h 前体1 1 1 1 1

积/ml 33.1 34.2 35.2 35.5 33.3

静置后体积/ml 33.13 34.28 35.35 35.68 33.5

体积

氢含量质

差/ml 量分数/% 0.03 0.08 0.15 0.18 0.2

0.000069 0.00018 0.00035 0.00042 0.00045 2.3.2钢吸收氢规律

由图2.7可见，当充氢电流密度不变时，随着充氢时间的延长，材料中可扩散氢含

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量CH逐渐增加，充氢时间达到5h时，材料中的可扩散氢含量CH 基本饱和, 再延长充氢时间, 氢含量的增幅很小。由图2.8可见当充氢时间不变时，随着充氢电流密度的增大，材料中可扩散氢含量CH 逐渐增加，充氢电流密度达到18 mA/cm2时，材料中的可扩散氢含量CH 基本饱和，再增大充氢电流密度，氢含量的增幅很小。随着电流密度的增加以及充氢时间的延长，材料对氢的敏感程度加大。这是因为在电化学充氢试验中，溶液中的H+获得电子形成氢原子吸附在材料表面，即在作为阴极的试样表面上形成化学位梯度，充氢电流密度的变化以及充氢时间变化决定了化学位梯度的变化，增大充氢电流密度以及延长充氢时间，阴极表面的氢浓度就上升，进入材料内部的氢含量就较高。

0.50.450.40.350.30.250.20.150.10.050012345600%氢质量分数的10/0.50.450.40.350.30.250.20.150.10.***61820氢质量分数的1000倍/%充氢时间/h充氢电流密度/mA/c

图2.7 氢的质量分数随充氢时间变化 图2.8 氢的质量分数随充氢电流密度变化

2.3.3 两种不同情况下试样吸收氢含量的比较

两种条件下试样电化学充氢，试样所用溶液及体积相同，试样有效面积相同，主要区别在于一种是固定充氢电流密度，改变充氢时间；一种是固定充氢时间，改变充氢电流密度。第一种情况下随着充氢时间的延长，试样表面产生的气泡逐渐增多且大，扩散到试样中的氢含量逐渐增多，但增加的越来越缓慢，最后基本达到一个饱和值；第二种情况下随着充氢电流密度的增大，试样表面产生的气泡同样逐渐增多且大，扩散到试样中的氢含量逐渐增多，增加的也越来越缓慢，最后基本达到一个饱和值。通过对比可知，两种情况下试样对氢的敏感程度基本相同，达到的饱和值也基本相同。

毕业设计（论文）第 14 页

第三章 结论

本文研究了在不同充氢电流密度和充氢时间的条件下，X80管线钢中可扩散氢的含量，其研究结果如下：

1.当充氢电流密度不变时，随着充氢时间的延长，材料中可扩散氢含量CH逐渐增加。2.当充氢时间不变时，随着充氢电流密度的增大，材料中可扩散氢含量CH逐渐增加。3.充氢时间不变充氢电流密度达到18 mA/cm2时，材料中的可扩散氢含量基本饱和。4.充氢电流密度不变时，充氢时间为5h时，材料中的可扩散氢含量基本饱和。5.随着电流密度的增大和充氢时间的延长，材料表面的气泡多且大

参考文献

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毕业设计（论文）第 17 页

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第二篇：冶金专业毕业设计

年产190万吨氧气转炉炼钢车间设计

指导教师 姓名：刘芬霞 职称：讲师

摘要

本设计为设计一座年产190万吨的氧气转炉炼钢车间，主要产品是低碳钢和薄板坯。设计包括车间生产规模，各主要系统，方案的选择和确定。车间主要设备的计算与确定，以及先进技术的选择和利用等。本设计的重点是车间的主要系统的方案确定。包括铁水供应系统，散装料供应系统，铁合金供应系统，铁水预处理系统，烟气净化系统，炉外精炼系统，浇注系统，炉渣处理系统等。

关键词: 80吨氧气顶吹转炉；车间设计；系统一、绪论

钢铁工业是国国民经济的支柱产业，是国民经济的中的主导产业。而钢铁材料是用途最广泛的金属材料，人类使用的金属中，钢铁占90%以上。人们生活离不开钢铁，人们从事生产或其他活动所用的工具和设施也都要使用钢铁材料。钢铁产量往往是衡量一个国家工业化水平和生产能力的重要标志，钢铁的质量和品种对国民经济的其他工业部门产品的质量，都有着极大的影响。

世界经济发展到今天，钢铁作为最重要的基础材料之一的地位依然未受到根本性影响，而且，在可预见的范围内，这个地位也不会因世界新技术和新材料的进步而削弱。现代转炉炼钢工艺的现状主要体现在[1]：

（1）转炉炼钢大型化，是转炉从诞生到成熟的标志；（2）转炉顶底复合吹炼工艺；

（3）转炉长寿技术，溅渣护炉和炉体冷却技术的成熟都将提高转炉的炉龄。研究开发长寿命水冷烟罩、烟道等附属设备，实现转炉整体设备长寿化；

（4）全自动转炉吹炼技术。

二、产品方案及金属料平衡估算

本设计产品大纲的基本原则是：生产有竞争力的优势产品，坚决淘汰落后的产品。主要有碳素工具钢、碳 素结构钢、轴承钢三大钢系。

1、计算原始数据

基本原始数据有：冶炼钢种及成分、铁水和废铁的成分、终点钢水成分；造渣用溶剂及炉衬等原材料成分；脱氧和合金化用铁合金的成分及回收率；其他工艺参数。

收入项有：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。

以100㎏铁水为基础进行计算。

第一步：计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。

第二步：计算氧气消耗量。

第三步：计算炉气量及其成分。

第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。

第五步：计算加入废钢的物料平衡。

第六步：计算脱氧和合金化后的物料平衡。

2、原料供应

（一）原料供应

1、铁水供应

铁水是转炉炼钢的主要材料，一般在新建钢铁厂时彩高炉直接供应。

2、废钢供应

大型转炉炼钢车间通常设单独的废钢间，按每炉需用量装入废钢料斗运到炉前。较小的炼钢车间的废钢堆场设在原料跨的一端。废钢间面积的大小决定于废钢需要的堆存用的面积、铁路条数、料槽（或料坑）位置及称量设备占用的面积，高度取决于工艺操作所需要的吊车轨面标高。

五、转炉座数

（一）转炉容量和座数的确定及转炉座数

转炉容量

转炉在一个炉役期内，由于炉衬受侵蚀而逐渐减薄，炉容量随之增大，因此，需要一个统一的衡量标准，叫做公称容量。

本设计采用“二吹二”模式，即有2座转炉[2]。

六、转炉炉型选型设计及相关参数计算

（一）转炉炉型设计

氧气顶底复吹转炉是20世纪70年代中、后期，开始研究的一项新炼钢工艺。其优越性在于炉子的高宽比略小于顶吹转炉却又大于底吹转炉，略呈矮胖型；炉底一般为平底，以便设置底部喷口。综合以上特点选用转炉炉型为锥球型。根据本设计的底部喷吹N2和Ar，选现在，氧气转炉炉衬材质普遍使用镁碳砖，炉龄有明显提高。但由于镁碳砖成本较高，因此一般只将其用在诸如耳轴区、渣线等炉衬易损部位，即炉衬工作层采用均衡炉衬，综合砌炉。择砖型供气元件，且为弥散型透气砖[3]。

1、炉衬的组成和厚度的确定

通常炉衬由永久层、填充层和工作层组成。有些转炉则在永久层与炉壳钢板之间夹有一层石棉板绝热层。永久层紧贴炉壳，修炉时一般不予拆除。该层用镁碳砖砌筑。填充层介于永久层与工作层之间，用焦油镁砖沙捣打而成，厚度约为80～100mm。工作层用镁碳砖和焦油白云石砖综合砌筑。炉帽用二步煅烧镁砖。

表1 本设计转炉炉衬厚度值

炉衬厚度 炉帽 炉身 炉底

永久层厚度/mm

350

工作层厚度/mm

500

600（加料侧）/550

570

（二）转炉炉体金属构件设计

炉壳通常由炉帽、炉身和炉底三部分组成。

炉壳的材质力求抗蠕变强度高、焊接性能又好的材料。本设计采用锅炉钢板制作炉壳。根据一些炉子的炉壳尺寸，该处选为：炉帽钢板45mm、炉身钢板50mm、炉底钢板45mm。

炉壳与托圈的连接选用吊挂式连接装置。该结构是用螺栓将炉壳吊挂在托圈上，三个螺栓在圆周上呈120

布置，且与焊在托圈盖板上的支座绞接。

耳轴要受多种负荷的作用，必须有足够的强度和刚度。该处耳轴选用合金钢，且耳轴直径为800mm，耳轴轴承采用双列向心滚子轴承。

该处转炉采用电动机一齿轮传动方式。且倾动速度为0.5r/min，倾动角度为±360，无极调速。`

七、炉外精炼设备选型及连铸机设备选型

（一）炉外精炼的功能

钢水炉外精炼又称钢水二次精炼,而各种精炼设备的冶金功能又是多种多样的。

-2-

（二）LF精炼炉

LF精炼炉在常压下通过电弧加热钢包内钢水，并同时造高碱度合成渣精炼和底部吹氩搅拌[4]。LF炉能够承担电弧炉炼钢的精炼工作，如造渣、还原、脱氧、脱气、均匀温度成分等。

本设计中使用三台连铸机，两台大方坯连铸机(250mm×250mm)和一台板坯连铸机(200mm×1500mm)。

八、车间工艺布置方

（一）车间工艺布置方案

现代转炉全连铸车间主厂房各跨间的组成一般包括：转炉炉渣间、转炉废钢间、转炉供铁水间、装料跨、转炉跨、炉外精炼跨、钢水分配跨、连铸跨、连铸切坯跨、连铸出坯跨、连铸精整跨、中间包维修跨、连铸设备维修跨、铁水预处理间、除尘与水处理设施、设备维修间和其他公用设施等[5]。

（二）转炉跨布置

转炉跨是主厂房的核心部分，本设计为公称容量为80吨转炉并且采用“二吹二”制吹炼模式。两座转炉，其中两转炉间距取18m，则转炉跨长度可取72m。那么废钢堆放跨长度及铁水预处理跨长度也分别取72m，则厂房总长度为3×72=216m。

（三）连铸各跨布置

对于要求多炉连浇和快速更换中间包的连铸机，每台连铸机配置2个中间包车和2个烘烤区，这样浇注平台的长度应为3倍中间包车长度加10～12m的安全距离。

（四）装料跨布置

在装料跨一端的外侧建独立的废钢间（一般垂直于装料跨），此多用于废钢用量大的大型转炉钢厂。废钢由大型自卸汽车运入，废钢装槽后，经废钢槽传送车送入装料跨待用。本设计采用这种布置方式。

1、装料跨尺寸

装料跨厂房的长度为铁水供应区、废钢供应区和转炉加料区三者长度之和，并加上两端检修吊车所需的长度。

九、结论

通过计算对于年产190万吨的氧气转炉车间设计，终点钢水的设定对于工艺参数、厂房布置的合理选取与确定。

主要表现在以下几个方面：

1、对车间主要系统进行了充分的论证和比较确定出一套最佳方案；

2、确定了车间的工艺布置，对跨数及相对位置进行设计；

3、设备计算主要包括转炉炉型计算，转炉炉衬计算；

4、对车间进行计算和所用设备的规格和数量的设计。

参考文献

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第三篇：冶金环境工程

《冶金环境工程》第一章复习资料

环境是以人类为主体的外部世界的总体，这里的外部世界主要指：人类已经认识到的直接或间接影响人类生存与发展的周围事物。

环境是指以人类为中心的，作用于人的外界影响与力量及其范围或境界，即人类生存的环境。环境就是人类进行生产和生活活动的场所,是人类生存和发展的物质基础。

《中华人民共和国环境保护法》把环境定义为：影响人类生存和发展的各种天然和经过人工改造的自然因素的总体，包括大气、水、海洋、土地、矿藏、森林、草原、野生动物、自然保护区、风景名胜、城市和乡村等。

环境的分类

（1）按环境的要素分类：自然环境、人为环境（社会环境）

自然环境：直接或间接影响到人类的一切自然形成的物质、能量和自然现象的总体。社会环境：社会环境是人类在长期生存发展的社会劳动中所形成的，在自然环境的基础上，人类通过长期有意识的社会劳动，加工和改造了的自然物质，所创造的物质生产体系，以及所积累的物质文化等构成的总和。如生活居住区、工业、农业、交通、名胜古迹等。

（2）按环境范围分类按环境范围的由小到大、由近及远可以把环境分：

院落环境、村落环境、城市环境、地理环境、地质环境、星际环境等

环境问题的分类：

第一环境问题也称原生环境问题，是由于自然界本身的变异造成的环境破坏问题。分两类：一是如火山爆发、山崩、地震、海啸、台风、水旱灾害等自然灾害；二是自然界本来就存在对人类和生物有害的因素，如某些地方水土中缺少(或过多)某些人体所需的化学元素而导致疾病的发生(地方病)。

第二环境问题又称次生环境问题，是由于人类的生产、生活活动等人为因素所引起的环境问题。第二环境问题是人类经济社会发展与环境的关系不协调所引起的问题。

影响范围大和危害严重的环境问题有三类：

一是全球性的大气污染，如全球变暖、臭氧层耗损和酸雨范围扩大；

二是大面积的生态破坏，如森林被毁、淡水资源短缺、水土流失，草场退化、沙漠化扩展、野生动植物物种锐减、危险废物扩散等；

三是突发性的严重污染事件迭起，如1997年印尼森林火灾等。

全球性环境问题：全球性气候变暖、酸雨、臭氧层破坏、生物多样性锐减、海洋污染、土地荒漠化、森林和草原植被减少、有毒有害废弃物的越境转移和扩散、淡水资源缺乏与水污染等。

环境保护：就是利用环境科学的理论与方法，协调人类和环境的关系，解决各种问题；是

保护、改善和创建环境的一切人类活动的总称。

环境保护的内容包括两个方面：保护自然环境、防治污染和其他公害

世界环境保护的发展历程大致经历了四个阶段：

限制污染物排放

被动末端治理

综合防治

经济与环境协调发展

生态学是研究生物与它所存在的环境之间以及生物与生物之间相互关系的作用规律及其机

制的一门学科。

环境包括非生物环境和生物环境。

非生物环境由光、热、空气、水分和各种无机元素组成；

生物环境由作为主体生物以外的其他一切生物组成。生物包括植物、动物和微生物。

生态系统是指一定空间范围内，生物与其所处的环境之间相互作用、相互制约、不断演变，达到动态平衡、相对稳定的统一整体，是具有一定结构和功能的单位。

生态系统也同样有大有小，一个池塘，一片森林或一块草地都是一个生态系统。最复杂的生态系统就是生物圈。生物圈是地球表面全部有机体及与之发生作用的物理环境的总称。它的范围自海面以下约11 km到地面以上约10km。

基本概念

种群：种群是一个生物物种在一定范围内（时空中）同种个体的总和。也就是说种群是在特定的时间和一定的空间中生活和繁殖的同种个体所组成的群体。如湖泊中的许多鲤鱼就组成了鲤鱼种群。

群落：是在一定的自然区域中许多不同种的生物总和（在一定范围内所有个体的总和）。生

物群落有大有小，有的边界明显，有的边界混合难分。生物群落可简单分为植物群落、动物群

落和微生物群落三大类。

生态系统的组成：生态系统=生物部分＋非生物成分（物理环境）

（1）生物成分：包括生产者、消费者和分解者。

①生产者。生产者主要指能进行光合作用制造有机物的绿色植物，也包括光能合成细胞、单细胞的藻类，以及一些能利用化学能把无机物变为有机物的化学能自养微生物等。

②消费者。消费者是指直接或间接利用绿色植物所制造的有机物质作为食物和能量来源的各种动物、某些寄生和腐生的菌类等。

食物链：就是一种生物以另一种生物为食，彼此形成一个以食物联系起来的链索关系。

③分解者。分解者又称还原者，主要是指细菌和真菌等微生物和土壤中的小型动物。分解

者的作用就在于把生产者和消费者的残体分解为简单的物质，再供给生产者。

（2）非生物成分：包括：能源（太阳能）、生物的生存环境（水、氧、岩石、土壤等）、生

物的代谢物质（二氧化碳、无机盐、水）。

作用：为各种生物提供必要的生存环境，为各种生物提供生长发育所必需的营养元素。

生态系统的类型

①按人为干预程度不同，生态系统可分为自然生态系统（如原始森林），半自然生态系统（如

放牧的草原、人工森林、养殖湖泊、农田等）和人工生态系统（如城市、矿区、工厂等）。

②根据环境条件的不同，生态系统通常分为水生生态系统和陆地生态系统。

水生生态系统包括海洋、河流、湖泊和沼泽等水域，根据水体的理化性质又可分为海洋和

淡水生态系统；

陆地生态系统包括陆地上的各类生物群落，根据地理位置、水、热等条件及植被状况可分

为森林、草原、荒漠和高山等生态系统。

生态平衡：在一定的时期内，生产者、消费者、分解者之间保持着一定的和相对的动态平衡状态，也就是说系统的能量流动和物质循环能在较长时期内保持稳定，这种平衡状态称为生态平衡。

.生态系统的自净作用：生态系统的生产者、消费者和分解者在不断进行能量流动和物质循

环过程中，当污染物进人生态系统后，对系统的平衡产生了冲击。为避免由此而造成的生态平衡的破坏，系统内部会产生一系列内部自我调节反应，以维持相对平衡，使污染的环境得到一

定程度的净化。这就是生态系统的自净作用（又称反馈调节）。

环境的自净能力：是指环境利用自身物理、化学和生物的净化过程来消除污染的能力。

物理净化：污染物因稀释、扩散、沉淀等作用而降低浓度。

化学净化：污染物因环境内部发生化学反应（氧化还原、化合、配位、凝聚等）而降低浓度。生物净化：由于生物的活动而引起污染物浓度的降低。

生态系统的组成与结构越复杂，自动调节能力就越强，组成与结构越简单，自动调节能力

就越弱。

环境污染：有害物质或因子进入环境，并在环境中扩散、迁移、转化，使环境系统的结构

和功能发生变化，对人类或其他生物的正常生存和发展产生不利影响的现象。

对于环境污染而言，环境具有一定的自净能力，环境的自净也可使生态系统保持相对的平

衡。但生态系统的调节使有一定限度的，超出这个限度，调节就不在起作用，生态就遭到破坏，即造成环境污染。环境污染＝人类各种活动的冲击 一 自然界生态系统恢复平衡的能力

生态系统的功能：生态系统的基本功能是生物生产、能量流动、物质循环和信息传递。

破坏生态平衡的因素

（一）自然因素：指自然界发生的异常变化或自然界本来就存在的对人类和生物的有害因素。

（二）人为因素：指人类对自然资源的不合理利用、工农业发展带来的环境污染等问题。

绿色植物的作用：调节气候、保持水土、防风固沙、净化空气、防止大气污染、减轻噪音

等作用。具体方式：①吸收二氧化碳，放出氧气。②对降尘和飘尘有滞留和过滤作用。③吸收空气中的有害物质。

土地—植物系统对污染物的净化作用。它是通过以下几方面来实现的。

①植物根系的吸收、转化、降解和合成作用。

②土壤中的真菌、细菌和放线菌等微生物区系对污染物的降解、转化和生物固定作用。

③土壤中的动物区系对含有氮、磷、钾的有机物质的代谢作用。

第四篇：冶金论文

重庆科技学院 冶金工程概论课程论文

计算机技术在冶金企业中的应用于发展趋势

摘要：主要介绍了仿真技术，三维空间计算机辅助技术，计算机辅助工程（CAE）等概况及应用。

关键词：计算机仿真 三维空间 计算机辅助工程

1仿真技术

1.1仿真技术的概述

仿真技术亦称为模拟技术。仿真技术是以相似原理、信息技术、系统技术及其应用领域有关的专业技术为基础，以计算机和各种物理效应设备为工具，利用系统模型对实际的或设想的系统进行试验研究的一门综合性技术。仿真技术集成了当代科学技术中多种现代化顶尖手段，极大地扩展了人类的视野和时限能力，在科学技术领域产生着日益重要的作用。

随着计算机软硬件的高速发展,使得计算机模拟仿真技术也得到了长足的发展,目前计算机模拟仿真技术已经在国内外广泛应用。计算机模拟与仿真技术在冶炼、精炼、连铸、轧制过程的流场、温度场、应力场以及金属组织性能的预测与控制,钢铁制造过程的成分与板形精确控制、工艺技术优化、新产品开发的预先模拟试验,都需要模拟与仿真。它不但可以节约新产品、工艺开发时间和费用,提高试验成功率,而且,容易形成企业自主知识产权的工艺与产品,从国内外钢铁企业的发展来看,企业的核心技术部分来自于计算机模拟与仿真技术以及数据积累而形成的精确控制模型。

1.2仿真技术的应用

我国在这一领域起步较晚,但是随着科学技术的发展,以及市场竞争的日益激烈,很多企业都在工艺方面加强力度,目前很多研究机构及高校利用有限元分析对于冶炼过程和轧制过程进行了相关研究。国内各大钢铁公司利用模拟仿真技术,针对型钢的轧制过程进行了相关理论研究工作,在新规格、新产品的开发方面取得突破,同时对汽车用钢进行了模拟分析,直接对其客户进行仿真分析及模具设计的理论支持。有限元软件中的Multiphysics模块主要用于结构和温度场分析,属于多物理耦合场分析模块:LS-DYNA模块主要用于大变形分析,例如轧制、冲压等;CFX模块主要用于流场分析,例如在冶金界的高炉、转炉、电炉、大包、中间包、结晶器等方面的流场分析:DYNAFORM模块主要用于冲压成形,例如汽车板的冲压。

2三维空间计算机辅助技术

2.1三维空间计算机辅助设计技术的概述

三维空间计算机辅助设计技术的最大特点是：所见即所得。就是说设计人员通过各种三维空间软件在计算机上进行建立模型操作，通过软件的渲染，功能就能真实表现出实际需要的各种实体模型。而且三维空间软件都有巡视功能，操作者可以通过移动鼠标调整视线的不同位置来观察，甚至把自己置身一个炼钢厂房中查看整个冶金工艺流线的各种设备和管道的布置。

2.2三维空间计算机辅助技术的应用

根据工艺专业所提设计资料通过CAD软件（CAD、3D CAD、PKP Mcad等平面及三维设计软件）作图绘制。而后进行确认，同时进行实体模型的建立和渲染。大型冶金工业设计牵扯工艺、设备、建筑、结构、通风、给排水等多个专业，各专业之间需要协调工作才能完成设计任务。随着计算机网络技术的日臻成熟，现已可以实现不同专业、多工作站共同工作的网络平台三维空间计算机辅助设计技术的应用。各专业设计工作通过网络平台的三维空间计算机辅助设计技术互相对设计方案进行调整，直至符合要求。

三维空间技术的载体是计算机系统。系统组成分硬件和软件。硬件主要有性能优良的计算机，大屏幕显示器，彩色喷墨打印机；软件主要有Windows操作系统，CAD、3DCAD、PKPMcad等平面及三维设计软件。大型冶金企业设计牵扯工艺、设备、建筑、结构、通风、给排水等多个专业，各专业之间需要协调工作才能完成设计任务。随着计算机网络技术的快速发展，现已实现不同专业、多工作站共同工作的网络平台三维空间计算机辅助设计技术的应用。

3计算机辅助工程

3.1计算机辅助工程的概述

计算机辅助工程(CAE),包括工程和制造业信息化的所有方面,但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算和优化设计,对未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真,及早发现设计缺损,改进和优化设计方案, 证实未来工程或产品的可用性和可靠性。

CAE技术主要体现在有限元分析、虚拟仿真技术和优化设计三个方面。有限元分析的主要对象是零件级,包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容;虚拟仿真技术的主要对象是分系统或系统,包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容;优化设计的主要对象是结构设计参数。

从运用有限元法对已设计工程或产品的性能进行简单校核,逐步发展到对工程或产品性能的准确预测,再到对工程或产品工作过程的精确模拟仿真,有限元法和仿真技术发挥了重要作用,提高了工程或产品的性能、质量。而最优化技术的采用又降低了工程或产品的成本,缩短了开发周期,减轻了人的劳动,并大大增

强了产品的竞争力。

在工程中应用CAE技术,需要一个载体,而 CAE技术的载体就是CAE软件。CAE软件是结合计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学和现代计算技术,而形成的综合性、知识密集型信息产品,是实现工程或产品的计算分析、模拟仿真与优化设计的工程软件,是支持工程科学家进行创新研究和工程师进行创新设计最重要的工具和手段。

常规的通用CAE软件一般均由前处理、有限元分析、后处理三部分组成,每部分的组成及功能如表 1所示。

表1 通用CAE软件的组成及功能

名称 组成及功能

前处理 三维实体建模与参数化建模，构建的布尔运算，有限元剖分与节点编号，节点参

数生成，载荷与材料数据输入，节点载荷生成，有限元模型信息的生成等

有限元

分析 有限单元库，材料库及相关算法库，约束处理算法，静力、动力、振动、线性与非线性解法库及相应的有限元系统组装模块库等

后处理 有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，根据设计要求对产品按

工程规范进行设计数据检验，优化设计，绘制设计图等

3.2 计算机辅助工程的应用

钢铁工业是世界工业化过程中最具成长性的产业之一,长期成为各个工业化国家的重要产业。在我国,虽然整个现代化建设以传统原材料为基础的状况已在发生改变,但钢铁仍是基本的结构材料和产量最大的功能材料。钢铁工业具有很强的产业关联性,上游影响交通运输、采矿、耐火材料等产业,下游影响建筑、汽车、造船、金属制品、机械电子等行业。钢铁工业依然是工业化国家最重要的产业部门之一,其发展状况也是衡量其工业水平和综合国力的重要指标。世界范围内钢铁工业正面临着新技术蓬勃发展、结构变革的局面。用高新技术改造传统钢铁工业,加速结构优化,提高市场竞争力,是发展钢铁工业的主流趋势。计算机辅助工程(CAE)技术以其高效率、低成本的优势在钢铁工业中得到了广泛的应用。通过CAE技术,可以对钢铁工业中从冶炼到加工的各个工艺过程进行计算机过程模拟、系统优化、自动控制,采用计算机对生产过程、工艺参数及生产结果进行模拟和对整个系统进行优化,以实现生产的超前规划和设计。

冶金设备作为冶金技术的载体,本身具有大型、重载、高速、连续、自动化、精密化等特点,而且往往工作在高温、重载、高粉尘、大冲击等恶劣条件下,许多性能无法采用实物试验的方法获得。近年来,国内外冶金生产中,不断出现重大设备事故,也都涉及到设备的力学行为。同时,冶金工业的发展对机械设备的性能和

使用条件提出了许多新的要求。如近年出现的短流程技术及连铸连轧技术,这些关键技术集中表现为要解决的关键结构设计及力学问题,包括强度问题、运动学及动力学问题和传热及热应力问题,也对冶金机械设计研究和开发提出了更高的要求。因此CAE技术在冶金设备的设计研究上也得到了广泛的应用。

目前CAE技术在炼铁生产中取得的主要成果有:采用有限元法建立高炉复杂料面及中心装焦条件下的煤气流场和压力场解析模型、高炉固态炉料流场和势函数解析模型，分析高炉中心装焦条件下的高炉状况。利用CAE技术计算分析高炉冷却水的稳定性、流速、冷却水管与冷却壁本体的间隙及冷却的高度对长寿高效高炉冷却壁寿命的影响。采用有限元法对高炉炉体结构进行应力分析等。在炼铁机械设计优化方面，CAE主要发挥作用在于针对上料系统、烧结机、球团造球机、回转窑等一系列相关设备的力学分析和优化设计，提高了机械设备的效率和寿命，降低了机械的制造成本，在改善噪音和震动方面也发挥了重要作用。

结束语：随着计算机技术的快速发展，冶金企业中许多以前无法解决的复杂计算和过程控制，如今借助计算机技术都可实现或者有望解决。现代冶金企业领域将越来越多地使用和依靠计算机技术来处理难以用常规手段解决的问题。仿真技术在冶金企业中冶炼、精炼、连铸、轧制过程的流场、温度场、应力场以及金属组织性能的预测与控制,钢铁制造过程的成分与板形精确控制、工艺技术优化、新产品开发的预先模拟试验,都得到了快速发展，且不可缺少的技术手段。三维空间计算机辅助设计技术的在冶金设计中的应用极大的提高了设计效率和设计质量。在冶金工业设计和施工中再也不会出现设备、管道、主体结构打架的情况了。三维空间计算机辅助设计技术的发展将会在国家实现技术现代化的复兴中起到关键性的作用。CAE技术已成为钢铁工业中新工艺和新产品的开发研制、生产工艺优化、设备能力考察和优化设计过程中不可缺少的重要手段，其应用前景也越来越广。

参考文献

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第五篇：冶金论文

钢铁冶金企业防火对策

摘要：针对于钢铁冶金企业规模扩大的同时，我们有必要考虑到在钢铁冶金生产中的消防安全问题，以保证安全生产和在生产过程中生产人员以及生产设备的安全。从而以保证钢铁生产对国民经济的促进和保证，使钢铁冶金生产达到稳定，不会因消防安全问题带来巨大的损失。

关键词：钢铁冶金 ；消防安全 ；防火措施

引言：随着科技进步和经济发展, 钢铁冶金企业规模越来越大, 钢铁产量逐年提高, 对国民经济起到了重要的影响作用。但钢铁冶金企业的消防安全形势却不容乐观,近十年来发生了多起重特大火灾, 损失巨大。

1.钢铁联合企业的生产

1.1铁矿石的开采要求

铁矿石开采技术要求:一般来说，必须有工业价值的矿床，然后才能考虑开采问题。

因为我国富铁矿石不多，品味越高，质量越好，我国的工业品味定在大于45%,含磷越低，铁矿石的冶炼和分选的成本越低，是冶炼厂青睐的，价格越较高。

1.2开采设备

开采设备分两种：

1.露天开采：成本低，利润高，主要是利用挖掘机，装载机，汽车，风钻机，炸药等。

露天开采的采矿工艺，长期采用全境推进，宽台阶缓帮作业的采剥工艺，现在已开始转向陡帮开采，横向推进新工艺。在爆破器材和技术方面也有所发展，陆续采用了岩石炸药，铵油炸药，硝铵炸药乳化油炸药等等，在生产中应用了大区多排孔微差爆破技术。

2.地下开采：成本较高，还需要坑道支架和通风设备，铺设矿山轨道，利用专门设备小火车运到地表。

目前，地下采矿的开采方法主要是无底柱采矿法，大约占72%，其次是浅孔流矿法，占9%，房柱式和壁式采矿法占8%，空场法占7%，有底柱分段崩落采矿法占3%，充填法占1%，地下开采的矿山巷道支护由50年代的木支护发展到了现在木支护，混凝土支护和喷锚支护三种方法并存的局面，凿岩装运也逐步向机械化方向发展，现在已普遍采用凿岩台车凿岩，装运机铲装，电机车运输。由于采矿方法，技术装备，支护方法等方面的不断改进，地下矿山的全员劳动生产率有了很大提高。

如果是向冶炼厂提供矿石，联系到火车车皮就行，如果是提供半成品，还需要一套设备，把矿石磨细，进行初步分选然后提供给冶炼厂。

1.3选矿

在矿山要对铁矿石和煤炭进行采选，将精选炼焦煤和品位达到要求的铁矿石，通过陆路运送到钢铁企业的原料厂进行配煤和配矿、混匀，在分别在焦化厂和烧结厂炼

焦和烧结，获得符合高炉炼铁质量要求的焦炭和烧结矿。

1.4冶炼

高炉是炼铁的主要设备，使用的原料有铁矿石、焦炭和少量溶剂，产品为铁水、高炉煤气和高炉渣。铁水送炼钢厂炼钢;高炉煤气主要用来烧热风炉，同时供炼钢厂和轧钢厂使用；高炉渣经水淬后送水泥厂生产水泥。炼钢主要有转炉炼钢和电炉炼钢流程。通常将“高炉—铁水预处理—转炉—精炼—连铸”称为长流程，而将“废钢—电炉—精炼—连铸”称为短流程。目前，大多数短流程钢铁生产企业也开始建高炉和相应的铁前系统，电炉采用废钢+铁水热装技术吹氧熔炼钢水，降低了电耗，缩短了冶炼周期，提高了钢水质量，扩大了品种，降低了生产成本。

2.冶金与消防的联系

2.1火灾案例的统计与分析

钢铁冶金企业规模庞大、工艺复杂、流程性强, 在冶炼和热加工过程中需要耗用大量的煤、焦炭、燃油和电能, 钢铁冶炼的生产过程属于高温、高压的生产过程。虽然生产钢铁的原料和其成品本身都是不燃烧物,但是在生产和加工过程中需要大量使用燃料和易燃、易爆气体, 如纯氧、氢气、乙炔等, 而且, 钢铁冶炼过程中要产生大量易燃易爆气体, 如高炉煤气、转炉煤气等。正是由于钢铁冶金企业的这些行业特点决定了钢铁冶金企业火灾事故具有多发性和高损失的特点。

表1 是对近十年来钢铁冶金企业在生产过程中发生的74起火灾实例及其起火部位和火灾类型的统计和分析。虽然有限的火灾次数统计不能完全代表钢铁冶金企业的实际情况, 但还是可以看出火灾易发部位和重点防火区域。

2.2火灾危险性分析

2.2.1火灾重点防火区域

钢铁冶金企业的重点防火区域可分为以下8 类:

(1)电缆夹层、电气地下室、电缆隧道、电缆竖井等电缆火灾危险场所;(2)液压站、润滑油站(库)、储油间、油管廊等以中、高闪点油类为主的可燃液体火灾危险场所;(3)变压器、电气控制室等电气火灾危险场所;(4)生产、储存、使用可燃气体或其它粉料的爆炸性火灾危险场所;(5)苯、涂料等低闪点可燃液体火灾危险场所;(6)煤、炭等物料运输皮带系统火灾危险场所;(7)不锈钢冷轧机、修磨机及热轧机等生产设施;(8)办公楼、化验楼等中、轻危险等级场所。

仅针对钢铁冶金企业中火灾发生次数最多的电缆火灾危险场所及电气火灾危险场所进行分析。

2.2.2火灾危险性分析

2.2.2.1电缆火灾危险场所

钢铁冶金企业存在着大量的电缆隧道、电缆夹层、电气地下室及电缆沟等, 在这些区域内, 电缆布置密集, 数量巨大, 环境恶劣, 相互贯通, 遇到电缆本身故障和外界火源, 很容易引起电缆着火, 造成巨大损失。电缆火灾事故不论是由外界火源引起的, 还是由于电缆本身故障引起, 在着火后, 都具有下列特点: 一是火势凶猛, 蔓延迅速。电缆本身是可燃的物质, 尤其是聚氯乙炔等塑料电缆和充油电缆, 更易着火蔓延, 而且电缆隧道内的电缆为大量密集交叉或架空敷设, 一旦着火, 会沿着电缆群束迅速延燃扩大。试验研究表明, 电缆着火后最快传播速度可达20 m öm in。而多起重大火灾案例分析也表明, 约10～ 20 m in 后, 大火便顺着电缆延燃到主控制室、继电室等场所烧毁控制盘、继电盘、仪表盘等, 损失十分严重。二是扑救困难, 易引发二次危害。电缆隧道一般都纵深距离长, 宽度窄, 火灾时极易堵塞;同时由于电缆隧道中散热困难, 热烟无法顺利排出。试验表明, 起火隧道的温度可由400 ℃很快上升到800～ 900 ℃, 易较快发生轰燃。同时, 由于隧道处于地下, 扑救时无法观察火灾状况和具体位置,选择火灾扑救路线困难, 只能通过隧道出入口进入, 且地下照明条件差, 不易迅速接近起火位置。地下建筑物结构对于通信设备的干扰等等因素都造成了火灾扑救的困难。三是火灾损伤严重, 修复时间长。电缆火灾事故造成损伤严重, 不仅直接烧毁大量的电缆和其他设备, 同时还有其他特殊危害, 如控制回路失灵等而造成事故扩大。据统计, 1960～ 1984 年电力行业的62 次电缆火灾, 修复超过1 个月的占有35 次, 占总数的56% , 达半年以上的有16 次, 占总数的16% , 间接损失巨大。

电缆火灾事故发生原因归纳起来有两个, 一是由于电缆过热、短路、绝缘老化或绝缘性变坏等内因引起的火灾事故;二是由于外界火源等可燃物着火波及下的外因引起的火灾事故。据本次调查的统计, 在26 例各种原因、不同区域电缆火灾中, 因电缆本身故障引发的火灾占16 起, 占到了总数的62% , 外因导致的火灾事故共10起, 约占38%。

2.2.2.2电气火灾危险场所

钢铁企业存在着大量的、繁简不一的电气室、控制室、操作室、仪表室、计算机室等, 其内部存有大量的电缆和用电设备, 在设备故障或线路短路时极易发生火灾, 而且一旦发生火灾, 将会影响全局, 造成大面积的停产, 损失巨大。

2.3防火对策

钢铁冶金企业防火设计应充分考虑钢铁冶金企业各系统的特点和火灾危险性, 并从防火目标的提出、工艺生产系统的特点、明确钢铁冶金企业的重点防火区域以及如何采取确实有效的防火措施等方面, 制定一套完整有效的消防安全管理体系化标准, 以确保真正的生产安全。

2.3.1防火设计目标

对于钢铁冶金企业中的重要防火区域, 应从“防止发生火灾;快速探测并扑灭已发生的火灾;防止尚未扑灭的火灾蔓延而减轻火灾”的角度来形成设计目标。“防止发生火灾”, 是要求将钢铁冶金企业运行中发生火灾的概率降至最低, 需要将防火设计结合工艺和生产管理统一考虑。“快速探测并扑灭已发生的火灾”, 是要求采用自动、半自动等主动的消防技术, 实现火灾的早期探测和早期扑灭, 从而减少火灾的损害。“防止尚未扑灭的火灾蔓延而减轻火灾”, 是要求采用被动防火分隔, 延缓或阻止火灾的发展, 赢得救援时间。

2.3.2防火设计要素

一是建筑防火部分。要紧密结合钢铁冶金企业的实际情况, 对各建(构)筑物及工艺设施的火灾危险性进行全面、详尽而科学的分类, 从安全疏散、建筑构造等方面

加以考虑。二是工艺系统的防火设计, 这是工业消防中应重点关注的问题。首先, 确定工艺系统中的重点防火区域和区域内的主要建(构)筑物及设施, 根据火灾危险性分类, 采取相应的防火保护措施, 避免引发火灾, 降低燃烧几率, 控制火灾的蔓延燃烧。其次, 确定在发生火灾的情况下, 人员施救的必备措施和设施, 确保消防人员可以进入场所进行扑救。最后, 便是确定在发生火灾的情况下, 是否启动自动灭火系统的工艺要求。自动灭火系统应结合工艺安全因素, 确定合适的启动、退出时机。三是火灾报警、防排烟、消防电气等系统部分。从主动防火、消防系统工作保障等方面予以考虑。

2.3.3统一规划

钢铁冶金企业由于企业内部发展的需要, 每年都有大量的新建、改建及扩建项目, 这些项目由于建造时间不一, 所遵循的建造标准也不统一, 导致各工艺系统的防火安全保证能力不一致。而钢铁冶金企业由于其流程性生产性质的要求, 生产工艺中每一环节的不安全都可能导致其它系统不能正常生产, 因此, 不论从技术层面、资源共享、维护管理、可持续发展等方面都应统一进行消防规划。

2.3.4消防安全评估

钢铁冶金企业的消防安全是一个比较宽泛的概念,涉及的方面较多, 最重要的便是生产工艺与火灾的发生息息相关。一方面火灾会造成工业企业重要物项或工艺过程的损害和直、间接损失;另一方面工艺安全的因素也会造成火灾, 而进一步致损。因此, 消防安全和生产安全是不可分割的, 需要结合工艺生产安全因素进行综合的消防安全评估。

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