H13模具钢转炉车间设计开题报告.doc

北京科技大学天津学院本科生毕业设计(论文)选题报告目 录1文献综述21.1钢铁行业的发展及在国民生产中的作用21.2转炉炼钢生产41.2.1转炉车间生产51.2.2转炉生产工艺81.2.3我国转炉炼钢发展趋势101.3 H13钢的概述131.3.1我国H13模具钢研究成果131.3.2国外H13模具钢研究成果141.3.3国内外模具钢应用及发展之比较151.3.4H13钢生产工艺161.3.5 H13模具钢的应用及质量指标181.4生产车间设计和布局191.4.1设施规划与布局设计191.4.2制造系统设施的布局设计192课题背景及开展研究的意义213研究方法、内容 及预期目的234 进度安排23第一学期：23第二学期：23参 考 文 献25指导老师意见：261文献综述1.1钢铁行业的发展及在国民生产中的作用我国冶金工业消耗的能源量，约占全国能源消耗总量的12-14%因此,冶金工业能否有效地利用能源，对全国能源的供需有较大的影响。一般情况下，冶金工业只购入四种能源,即：煤炭、重油、天然气、电，习惯上这四种能源叫做“冶金工业的购入能源。冶金厂所用的煤炭,主要是洗精煤、无烟煤和动力煤等。洗精煤用于炼焦，无烟煤用于烧结和高炉喷吹，动力煤用于自备电厂发电、蒸汽机车、仆业锅炉和其他炉窖重油和天然气是国家宝贵的资源,冶金厂应尽量少用钢铁联合企业,应首先考虑充分利用内部的副产煤气(焦炉煤气!高炉煤气、转炉煤气)，只是在工序无法平衡时，才用重油!煤炭、天然气来补缺冶金厂所用的电力，一般是购入的。但较大的联合企业有自己的发电厂，它用购入的动力煤和企业内部剩余的高炉煤气为燃料来发电。冶金工业虽然只从外部购入煤炭、重油、天然气、电等四种能源,但在生产过程中这些购入能源将转换为多种形式的其他能源最常见的有焦炭、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气、电力、蒸汽、氧、压缩空气等等这些能源，习惯上叫做冶金工业自产能源。钢铁厂设计的目的及意义 目前我国正处在发展中的关键阶段，国民经济实力需要大力提升，各个方面的硬件设施都需要大力完善，而钢铁行业在其中起着举足轻重的作用，例如在国民生产中就会大量的需要建筑材料，特种钢材等等。国民经济水平也需要钢铁行业来做有力的支撑。我国现在虽然的年产量为5亿多吨，世界排名第一位。现在，我国的钢铁产量虽然居世界首位，但是我们还要每年从国外进口很多的钢材，这是由于我国的技术力量还达不到，生产不出某些高尖端的钢种，所以我们只能依靠到国外去进口，从这一角度来说我国虽然是一个钢铁大国，但是并不是一个钢铁强国，因此我们在修建钢铁厂的时候要注意加大高新技术的投入量，改进现有的设备和技术。做到科学合理布局，转炉炼钢，精练，连铸一体化，提高原材料使用率，降低能耗，减少污染，高效生产高质量钢材。由于我国仍然处于发展中国家行列，缺乏废钢资源，因此，转炉炼钢仍然是我国当今主流钢铁冶炼工艺。目前我国基础建设仍然比较落后，人均吨钢水平还处于世界后列，加上中国农村城镇化建设步伐的加快，需要大量的钢材作为发展基础，而钢产量的迅速增加主要依赖于转炉炼钢技术的发展。近几年，随着钢产量的增长，我国转炉炼钢技术也同步发展起来，配合炉外精炼技术发展，转炉炼钢生产钢材种类也在不断的扩大，产品逐渐由单一化向多样化的结构调整，从 LD 转炉投产初期生产普碳沸腾钢为主，随着原材料质量提高和操作工艺稳定及终点控制的改进，以及部分工厂采用铁水预处理脱硫、钢包吹 Ar、成分微调、钢包喷粉及真空脱气等炉外精炼技术后，转炉钢质量逐步提高、品种日益扩大。1986 年转炉钢与镇静钢比达54.72，其中，太钢、武钢、鞍钢的转炉优质钢比占一半以上。目前转炉除生产普碳钢外、还能生产优质碳素钢、低合金钢、直接拉碳生产弹簧钢和重轨钢、生产少量合金结构钢及合金钢。宝钢 300t 转炉，能生产质量要求严格的深冲钢、高牌号硅钢、HSLA 石油工业用钢管及高技术要求有关钢种7。对于中小型钢铁企业，大凡低、中、高碳钢，转炉均可组织冶炼生产，具有代表性的有：低 C 低 Si 含铝焊丝钢 H08A、SWRCH35K、中高碳优质钢45#、60#钢等。大型钢铁企业宝钢、武钢等均充分利用炉外精炼的优势开发的钢品种较齐全，中小型企业受设备、技术条件的限制，品种开发还有待进一步的调整。由于国内制造业的迅速发展,模具需求量急剧增长，模具制造已经发展成为一个独立的行业。但是国内高档模具钢的产量和质量尚不能满足用户的要求，大量的优质模具钢仍需要从国外高价进口。H13是从美国引进的中碳合金热作模具钢，相当于我国4Cr5MosiV1钢，由于它的性能优良,在模具行业已得到了广泛应用。热作模具钢H13主要由电炉钢和电渣钢两种工艺生产，其中电渣钢的用量较大。宝钢在国内首次采用转炉冶炼和初轧轧制工艺开发了H13,实物质量接近国外先进水平。钢铁工业在国民经济中的地位和作用 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。纵观世界主要发达国家的经济发展史，不难看出钢铁材料工业的发展在美国、前苏联、日本、英国、德国、法国等国家的经济发展中都起到了决定性作用。这些国家和地区钢铁工业的迅速发展和壮大对于推动其汽车、造船、机械、电器等工业 的发展和经济的腾飞都发挥了至关重要的作用。美国钢铁工业曾在20世纪7080年代遭到来自日本为主的国外进口材料的冲击而受到重创，钢铁产品生产能力急剧下降，但经过十几年的改造和重建，终于在20世纪90年代中期恢复到其原有的钢铁生产规模，为其维持世界强国地位继续发挥着重要作用。由此可见钢铁工业在公民经济的重要作用，并且钢铁工业在整个国家的发展中都起着举足轻重的作用。1.2转炉炼钢生产转炉冶炼是目前主流的炼钢工艺，自氧气顶吹转炉问世以来，由于其炉内反应速度快、热效率高、含氮量低，还可使用近 30的废钢，所以转炉炼钢的生产率高、成本低、质量较高、投资较少，便于自动化，但钢水质量存在波动。随着产量和质量要求的日益提高，冶金工作者开发了顶底复吹转炉，大大提高了钢水质量和冶炼速度，各大中型企业已经转化为纯净钢冶炼工艺路线发展。顶底复吹转炉实质上仍然是以顶吹氧为主，在底部吹入氧、氩、氮等气体以搅拌炉内金属，使顶吹兼有底吹的优点，促进金属与渣、气体间的平衡，吹炼过程平稳，渣中氧化铁少，减少了金属消耗和铁合金消耗，可以冶炼含碳很低的钢种。各企业采用复合吹炼技术后，技术经济指标均有所改进，如钢铁料消耗降低 2030 公斤/吨钢，炉龄也在大幅度提高，由几千炉突破几万炉，每吨钢成本降低 50100 元，同时有利于提高钢水质量及生产低碳钢种。随着转炉技术的发展，氧气转炉冶炼低磷和高磷铁水已经取得成熟的经验，我国含磷0.100.30的中磷铁水氧气转炉冶炼工艺也取得了新的突破，摸索出前期优先脱磷，中期防止炉渣返干、以及如何控制脱碳、脱磷速度的相应关系，并找出一套冶炼低碳钢和高拉碳冶炼中高碳钢的顶、底合理配合的供氧和造渣制度，取得较好冶金效果。冶炼低碳钢时采用单渣操作、冶炼终点时 P0.020占 90以上，渣中 FeO能控制在 1012水平，钢铁料消耗能达到 10601080 公斤/吨钢，石灰消耗降低到 3040 公斤/吨钢，配合炉外“三脱”处理，实现了少渣或无渣吹炼，石灰消耗降低到 1015 公斤/吨钢；冶炼中高碳钢时采用双渣高拉补吹操作，终点碳能达到 0.30.4、P0.0301。1.2.1转炉车间生产钢铁工业是指从炼钢到生产出成品钢的全过程，包括炼铁、炼钢、铸造、轧钢等四个工艺流程。炼钢工艺有转炉炼钢、平炉炼钢和电炉炼钢，目前氧气顶吹炼钢已经成为世界主要的炼钢方法2。早在 1856 年英国人人贝斯麦发明了底吹酸性炼钢法3，这种方法是近代炼钢法的开端，它为人类生产了大量的廉价钢，促进了欧洲工业革命。但由于此方法不能去除硫和磷，因而其发展受到很大地限制。在酸性转炉炼钢法发明不到十年，德国人马丁利用蓄热原理发明了平炉炼钢法，1880年出现了碱性平炉炼钢法。1952 年在奥地利出现纯氧顶吹转炉，不久在世界范围内迅速推广，其工艺设备和自动化控制水平更是得到迅速发展4。纯氧顶吹转炉解决了钢中氮和其他有害杂质的含量问题，缩短了冶炼时间，具有较高的生产率、效率高、钢的质量好、可冶炼多种品种、并且容易进行煤气回收，使质量接近于平炉钢，同时减少了随废气损失的热量。此炼钢方法还可以吹炼温度较低的平炉生铁，因而节省了高炉焦炭的耗量，且能使用更多的废钢5。近十年，我国炼钢技术迅速发展，钢铁生产规模日趋扩大。转炉炼钢作为钢铁生产的重要环节，对提高钢铁产品质量，降低其生产成本，起着决定性的影响。但是转炉炼钢是一个非常复杂的物理化学反应过程，其最大特点反应迅速，影响因素多，人工控制不易。国内转炉炼钢基本上都采用人工经验进行生产控制，难以保证有较高的终点命中率，效率低下，造成资源浪费。因此，炼钢终点控制的好坏决定了最终炼钢的质量，准确控制终点钢水温度和终点碳含量意义在于：（1）提高生产效率缩短冶炼时间，提高转炉冶炼终点命中率、从而提高生产效率，降低成本。（2）保证钢水质量避免 2 次补吹，保证钢水的质量，降低成本。（3）提高自动化水平实现吹炼终点自动控制，提高转炉炼钢的自动化水平。6由于转炉炼钢的特点是反映速度快、冶炼周期短、影响因素多，因此转炉炼钢属于反映复杂、多变量的大系统。目前大多数炼钢厂都依赖人工经验进行控制。但由于操作工之间操作手法不同，且现场条件又有差异，相关信息很难通过仪器仪表检查到，所以人工操作控制准确性不高。7计算机可以在短时间内对冶炼过程的参数进行快速地测量、计算和处理，能够准确控制冶炼过程。通过工业的实践，计算机可以控制转炉吹炼过程、更加准确地对终点进行预报，可以明显改善钢水的质量，达到特种钢的冶炼要求，从而提高生产效率，节省原材料的消耗、降低生产成本和改善了生产条件。计算机在转炉炼钢的应用程度是衡量企业现代化生产水平的重要标准之一。从 50 年代开始，美国钢铁公司首先把静态控制模型应用到转炉中，从而开辟了转炉炼钢自动化控制的新时代。90 年代，日本的工厂已经实现了转炉全自动吹炼。8我国转炉设备处在快速发展状态，将很快步入稳定、完善阶段。这个阶段技术和设备组合已趋于完美，其主要特征： (1)转炉公称容量在250吨375吨。(2)自动化水平高，包括管理、生产和技术。(3)转炉设备对铁水适应能力提高，与后步精炼工艺结合更加完美。稳定状态的最根本特征就是转炉设备的大型化，也是规模效益在钢铁行业的体现。转炉炼钢的工艺操作水平对炼钢的生产效率、能耗及冶炼出的钢铁质量具有直接影响。转炉炼钢属于长流程炼钢过程。铁水是主要冶炼原料，工业纯氧用作氧化剂，铁水中的C、Si、 Mn、 P等元素与氧气发生氧化还原反应产生大量的热量，再加上铁水中原有的物理热，除可满足转炉炼钢工艺所需热量需求外，还富裕大量热量，通过加入废钢可降低能耗、增加产量。冶炼周期一般为2835min9。此间要完成脱碳、升温、去杂质等复杂的一系列过程。在我国,除设备比较先进的大中型转炉外，多数中小型转炉冶炼自动化水平比较低，仍采用人工经验控制的冶炼方法。转炉炼钢涉及的因素较多且流程复杂，冶炼周期较短，仅凭人工经验很难达到对冶炼过程的稳定控制，造成冶炼产品品质不稳定，且能耗高、产值低。转炉炼钢终点控制包括终点温度和终点成分的控制，其中在P、 S成份达到要求的情况下终点成份的控制主要是对终点碳含量的控制。转炉炼钢是一个多元、多相复杂的物理化学反应过程，很难用准确的数学方程对其进行描述，且转炉内温度非常高，很难做到对终点碳温值的准确、及时地测量。因此建立准确的碳温预报模型，并在预报模型的基础上建立合理的控制模型十分必要。转炉一炉钢的基本冶炼过程。顶吹转炉冶炼一炉钢的操作过程主要由以下六步组成：（1）上炉出钢、倒渣，检查炉衬和倾动设备等并进行必要的修补和修理；（2）倾炉，加废钢、兑铁水，摇正炉体（至垂直位置）；（3）降枪开吹，同时加入第一批渣料（起初炉内噪声较大，从炉口冒出赤色烟雾，随后喷出暗红的火焰；35min后硅锰氧接近结束，碳氧反应逐渐激烈，炉口的火焰变大，亮度随之提高；同时渣料熔化，噪声减弱）；（4）35min后加入第二批渣料继续吹炼（随吹炼进行钢中碳逐渐降低，约12min后火焰微弱，停吹）；（5）倒炉，测温、取样，并确定补吹时间或出钢；（6）出钢，同时（将计算好的合金加入钢包中）进行脱氧合金化。 上炉钢出完钢后，倒净炉渣，堵出钢口，兑铁水和加废钢，降枪供氧，开始吹炼。在送氧开吹的同时，加入第一批渣料，加入量相当于全炉总渣量的三分之二，开吹3-5分钟后，第一批渣料化，再加入第二批渣料。如果炉内化渣不好，则许加入第三批萤石渣料。吹炼过程中的供氧强度：小型转炉为2.5-4.5m3/(tmin)；120t以上的转炉一般为2.8-3.6m3/(tmin)。 (1)开吹时氧枪枪位采用高枪位，目前是为了早化渣，多去磷，保护炉衬； (2)在吹炼过程中适当降低枪位的保证炉渣不“返干”，不喷溅，快速脱碳与脱硫，熔池均匀升温为原则；(3)在吹炼末期要降枪，主要目的是熔池钢水成分和温度均匀，加强熔池搅拌，稳定火焰，便于判断终点，同时使降低渣中Fe含量，减少铁损，达到溅渣的要求。(4)当吹炼到所炼钢种要求的终点碳范围时，即停吹，倒炉取样，测定钢水温度，取样快速分析C、S、P的含量，当温度和成分符合要求时，就出钢。 (5)当钢水流出总量的四分之一时，向钢包中的脱氧合金化剂，进行脱氧，合金化，由此一炉钢冶炼完毕。 1.2.2转炉生产工艺转炉炼钢的目的就是把铁水中的碳和其他元素降低到一定程度，得到符合要求的钢水，以用于后续生产。具体来讲就是降低铁水中的碳含量，并尽量的去除硫元素和碳元素，根据需要调整硅元素和锰元素的含量。这个过程包含了大量的氧化还原反应,铁水中的碳、硅、锰、磷、硫等元素被氧化，最终得到符合要求的钢水。在冶炼过程中会加入CaO，目的是尽量降低铁水中的硫元素和碳元素的含量，这两种元素是有害元素，会严重影响钢水的质量。氧气在冶炼前期起着氧化剂的作用，但到后期会有一部分氧元素滞留在钢水中,故需要进行脱氧操作。因此,为了得到优质的钢水，需要对终点进行控制，经过对铁水的一系列脱硫、脱憐等预处理过程，所谓的终点控制主要是指对终点C含量和终点温度的控制。根据炉内物料的反应程度，工艺流程分为如下阶段：(1)准备阶段。上一炉钢冶炼完成后开始准备新一炉钢的冶炼，加入铁水和废钢。(2)冶炼初期。放入冶炼主料后，摇正炉体。下降氧枪，并从炉口上方的辅助材料溜槽向转炉内加入第一批辅料（包括石灰、蛮石、铁矿石等)，其约占总辅料量的2/31/2。进行降低氧枪操作，至规定枪位时，正式开始吹炼过程。(3)吹炼中期。脱碳反应比较剧烈，渣中氧化铁含量降低，致使炉澄的熔点增高、含热量增大，且可能出现稠渣状况。这时要适当提升氧枪的枪位，并分批次加入铁矿石及第二批辅料（主要是造渣材料)，从而提升炉渣中的氧化铁含量，并对炉渣进行及时调整。第三批造渣料为萤石，目的是改变炉渣的流动性，其加入情况要根据各个企业的冶炼情况而定。(4)吹炼末期。此时，转炉内铁水含碳量已经大大降低，所以氧化还原反应不再剧烈,炉口火焰变得短且透明，最终依据炉焰的大小和颜色、所耗氧气量及冶炼时间等因素，按规定的终点成分和温度适时停吹出钢。(5)出钢除渣阶段，如果钢水的温度和成份均合格则倒炉出钢。出钢时根据所炼钢种需要向钢包内加入合金料，进行脱氧和合金化操作。完毕后进行出渣等相关操作。氧气转炉炼钢工艺制度主要包括如下几个部分:装入制度、造渣制度、供氧制度、温度制度、终点控制制度和脱氧及合金化制度10。(1)装入制度装入制度主要是指转炉要加入适量的铁水及废钢，并且其比例关系要合理、恰当。铁水及废钢加入量太大或太小都不能获得满意的结果。要确定恰当的加入量，需要考虑如下因素：合适的炉容比;合适的熔池深度;对于不同的模铸车间,装入量应根据锭型进行调整。(2)造渣制度造渣制度包括两个方面：一是选择恰当的造渣方法、确定渣料的加入数量及加入时间；二是如何加速成渣。转炉炼钢造渣的目的是：去憐硫、降喷溅、护炉衬和降低终点氧含量等。常用的造渣方法:单渣操作、双渣操作及留渣操作等。(3)供氧制度供氧制度就是在供氧喷头确定后，如何选择合适的氧气流量。供氧制度需要考虑以下因素:氧枪喷头结构、供氧强度、氧气压力和枪位选择。供氧制度的合理与否对转炉炼钢具有重要的意义，因为转炉炼钢是一个包含大量氧化还原反应的过程。(4)温度制度温度制度包括对吹炼过程温度和吹炼终点温度的管理控制。过程温度控制的目的是使吹炼过程升温均衡，保证操作顺利进行。终点温度控制是为了保证合适的出钢温度。温度控制的办法主要是适时加入适量的冷却剂，其关键是准确确定冷却剂用量和最适当的加入时间。(5)终点控制终点控制包括两个方面：终点温度的控制和终点成分的控制。终点控制方法主要包括：一次拉碳法、增碳法和高位补吹法。到达终点的具体标志是：钢水中的C含量符合冶炼钢种的要求；钢水中的S、P含量符合冶炼钢种的要求；出钢温度可以对后续操作提供支持,主要指精炼和浇注。因为S、 P的氧化操作在前期已经进行完毕，所以终点控制的主要目标是终点碳含量和终点温度的控制。(6)脱氧及合金化制度在冶炼后期，铁水中的碳和其他元素氧化完毕，铁水中的铁便与氧元素发生反应，造成一部分氧存留在铁水中，如果此时出钢势必严重影响钢水的质量。因此进行脱氧化操作是十分必要的。常用的脱氧方法有:沉淀脱氧法、扩散脱氧法和真空脱氧法等。要冶炼出不同的钢种，需要在出钢时向铁水中加入不同的合金料，如何选择加入合金料的时间、地点等是合金化制度的主要内容。常见的加入合金料的方法有：加入炉内，加入钢包内，加入钢锭模内。转炉冶炼工艺路线具有以下特点：(l)转炉BRP工艺可将钢的P含量降低至0.012%以下；(2)脱硫铁水和LF精炼工艺保证了钢的S含量控制在0.003%以下；(3)双重炉外精炼工艺(LF精炼+RH真空脱气)可保证较低的有害气体含量和较高的纯净度；(4)采用10t上大下小的钢锭,既保证了足够的压缩比，也控制了钢锭内部的成分偏析；(5)控制钢锭的传搁时间，保证合适的钢锭装入温度；(6)制定专用的均热工艺，进行高温均质化处理，改善钢锭内部的微观偏析。1.2.3我国转炉炼钢发展趋势我国转炉炼钢发展要，合理优化工艺流程，形成紧凑式连续化的专业生产线 发展目标：以产品为核心，将铁水预处理转炉炼钢炉外精炼高效连铸热送和热扎有机的结合起来，形成紧凑式的专业生产线。从铁水到成品钢材的生产周期缩短到2.53h,全员劳动生产率（不包括炼铁）将超过3000t/(人.a)。最近日本住友和歌山钢厂按上述原则建立起面向21世纪新型钢厂：实现了100%铁水“三脱”预处理；100%钢水真空精炼；100%连铸坯热送和冶炼周期20min 等先进工艺措施。 转炉高速吹连炼工艺 发展目标：建立一座转炉吹炼制，使一座转炉的产量达到传统两座转炉的生产能力。转炉冶炼周期缩短到2025min,年产炉数15000炉，转炉炉龄15000炉。节能和环境保护 发展目标：转炉炼钢工序实现“负能”炼钢，工序能耗达到-10kg（标准煤）/t（按输出煤气折算）。减少炼钢全过程的炉渣量50%60%，全部烟尘回收利用。 现代转炉炼钢工艺的现状主要体现在：（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。 精炼和连铸方面主要体现:（1）精炼技术的发展在很大程度上大大增加了转炉冶炼钢种的数量，现有技术主要有LF、RH、CASOB、VOD、AOD等精炼技术；（2）连续铸钢方面主要有高速连续浇注技术和漏钢预报装置，高拉速与连铸之间的矛盾是现在连铸工艺需要解决的方法。快速出钢探头投入系统的组成每个系统由 3 部分组成，探头、探头投入设备和控制设备。投入设备位于烟道附近，由带有提升机构的投入器组成，可以在平台上装入探头后，从转炉口将探头投入转炉内。控制设备由计算机和带触摸屏的显示器组成。快速出钢工艺和模型的开发通过投入探头可靠地测定钢液温度是实现 QDT 的前提条件。为了实现快速直接出钢，进行了以下研究:（1）无需确定钢液中的氧含量。实测数据表明，Q-BOP 转炉中，氧含量的变化处于非常小的范围内，所以其脱氧用铝的含量通常是固定的，无需实时测定钢中的氧含量；（2）碳的预测模型。开发了一个模型来预测熔池的碳含量，该模型利用的是转炉废气的温度和碳含量之间的关系。由于喷淋水和炉罩对转炉废气的冷却能力基本恒定，所以废气的温度变化曲线类似于钢中碳的变化曲线。2007 年年初，该模型在 Q-BOP 车间投入使用；（3）QDT 模型的开发。为了向操作人员提供指导，开发了 QDT 模型，它回答的问题是:投入式探头测得熔池的温度后，为了获得目标温度和碳含量，应该采取什么行动?需要吹多少氧?克服了底吹 Q-BOP 转炉所面临的特殊问题，格里厂的 3 台 Q-BOP 炼钢炉均实施了快速直接出钢。该工艺采用投入式探头来测量吹炼过程中钢液的温度，并实行快速出钢。实施 QDT 工艺以来，QDT 实施率达到 97%。炉前操作的工作条件得到明显改善，转炉从停吹终点到出钢开始的时间从 7.4min 缩短为 2.8min。其它的优点还包括减少再吹、减少转炉造渣剂和燃料的消耗、减少炉渣调节剂的消耗量。避免转炉吹炼过程中的喷溅即使在转炉工艺控制很好的情况下，在某些极端的条件下，也会产生炉渣的泡沫化过强形成喷溅现象，这会导致设备损坏、环境变差、钢水收得率降低。瑞典 SSAB 的一家炼钢厂一直存在喷溅问题，将炉容量从 114 t 增加到 130 t 之后，喷溅出现更加频繁。对转炉操作数据进行分析表明，导致过量泡沫渣和喷溅的主要原因如下:（1）氧枪距离熔池的位置不正确。最常见原因是枪位过高，导致软吹和炉渣过氧化。较不常见的原因是枪位过低，导致硬吹和炉渣的氧化性不足；（2）废钢中非金属含量过高，这不仅增加了强化炉渣泡沫化的氧化物，而且由于过高估计了炉料中的金属含量，使熔池液位的计算不准确；（3）铁水质量。在废钢质量较好的情况下，铁水质量也对喷溅有影响；（4）在吹炼过程中，下列物料的加入时间不对:生白云石。在泡沫渣中增加了过多的固体颗粒，提高了炉渣粘度(增加了气体产生量)；铁矿石。提升炉渣的氧化程度，使产生的气体增加。新的氧枪枪位控制方法认识到废钢质量对吹炼性能的巨大影响之后，开发了根据硅含量确定的四种新的氧枪控制模式。在废钢质量或者-铁矿石加入量发生变化的情况下，现在采用的方法是保持预定的枪位控制模式，仅根据真实的废钢类型和装入量、冷却用铁矿石的量，来调整氧枪枪位的高度。采用这种方法后，喷溅发生的频率减少了 40%50%，这相当于金属收得率提高了 0.3%。一个有趣的现象是针对高硅(0.50%)铁水的氧枪控制模式，其喷溅指数非常低。特点是主吹阶段的枪位比其它模式低 100mm。表明应该将低枪位用于所有氧枪控制模式。动态控制喷溅的措施目前，针对喷溅并没有标准的动态控制措施，为了减少喷溅的严重程度，预期要发生喷溅时，可提前加入生白云石。但其效果是随机的，有时喷溅被抑制，有时喷溅反而更强。分析表明，这与喷溅发生的原因有关。如果喷溅是由于炉渣过氧化形成的，加入生白云石是正确的措施；如果喷溅是由于炉渣氧化不足造成的，加入生白云石会强化喷溅。泡沫渣向机械结构传送的动能可以被检测，即检测通过炼钢炉水平方向传送的振动能，这样就可以估算出转炉内泡沫渣的高度，防止喷溅的发生。1.3 H13钢的概述H13是热作模具钢，执行标准GB/T12992000。 统一数字代号T20502；牌号4Cr5MoSiV1；是世界范围内使用较广泛的一种热作模具钢，该钢具有良好的热强性、韧性和淬透性，广泛应用于热锻模、铜铝合金压铸模等生产领域，是当今世界范围内使用最广泛的热作模具钢之一。在服役状态下，模具在高温下将承受强烈的冲击载荷，往往因钢材的强度和韧性不够，尤其是横向韧性不够，造成型腔边缘或局部塌陷、断裂而早期失效。因此，提高钢材的横向冲击韧性可以提高模具的使用寿命。众所周知，电渣重熔冶炼工艺对提高H13模具钢的质量有重要作用，但由于种种原因目前国产H13钢最普遍的生产工艺仍然是传统的电炉冶炼，与电渣重熔冶炼相比，电炉冶炼工艺的优势在于可节省生产成本20%30%。因此，如果通过合理的锻造工艺和热处理工，能在一定程度上提高电炉钢的质量、性能和使用寿命，这将带来较高的经济效益。这也是我所研究的主要完成的课程设计对H13模具钢年产80万吨的车间设计。11由于铸造模具钢H13是一种多元素复合的中碳合金钢,含较多的合金元素Mo、V、Cr,使液态合金凝固温度下降,造成结晶温度范围增大,铸造性能较差H13 铸钢的流动性和收缩性。试验表明,H13 钢的浇注温度控制在1 5301 630 为宜,其线收缩率与普通碳钢近似。采取电渣重熔工艺可减小凝固温度间隔,改善H13铸钢内在质量,可提高铸造模具的冲击韧性。1.3.1我国H13模具钢研究成果 我国早期常用的热作模具钢有5CrMnMo、5CrNiMo和3Cr2W8V钢。5Cr MnMo钢用做中小型锻模；5CrNiMo钢主要用做大中型锻模，其淬火后的综合力学性能较高，工作温度达300左右时，屈服强度仍保持在8001000MPa左右，但继续提高温度时，钢的强度急剧下降，当制造截面尺寸大于300mm的模具时，由于钢的淬透性较低，心部淬火冷却速度不足，心部淬火组织会出现中温转变产物上贝氏体组织。在回火过程中沿晶粒边界析出的碳化物颗粒会迅速聚集长大，导致硬度显著下降，使钢的强度和热稳定性显著降低，因此5CrNiMo钢不宜用于制造大型的、复杂的和工作温度较高的重载荷模具。123Cr2W8V钢是钨系热作模具钢，广泛用做黑色和有色金属热挤压模和Cu、Al合金的压铸模。其热稳定性高，使用温度达650，但导热性低、冷热疲劳性差。HMl钢(4Cr3Mo3W2V)和HM3钢(3Cr3Mo3VNb)是结合我国资源条件研制而成的钢种。这两种钢突出的优点是具有较高的室温和高温冲击韧性和优良的抗冷热疲劳性能，适用于制造在高温、高速、高载荷条件下工作因断裂或热疲劳失效的热作模具。4Cr3Mo3w4VTiNb含有较高的w和少量的Ti和Nb，具有较高的热强性和热稳定性以及良好的抗热疲劳性，适用于制造温度较高，与工件接触时间长，容易引起热变形塌陷或热磨损失效的模具。5Cr4M03SiMnVAl和6Cr4M03Ni2WV属于基体钢，这两种钢含C量高，热疲劳性能较差，突出的优点是有高的硬度、强度以及耐磨性，可冷热兼用，可取代Crl2型钢和高速钢用以制造要求高强韧性的冷镦、冷冲和冷挤模具。新型的锤锻模具钢有5Cr2NiMoVSi，这种钢具有高淬透性，热稳定性比5CrNiMo高150，回火时有二次硬化效应，具有高的强韧性，因此适宜于制造锤锻模。新型的热挤压模具钢有3Cr3Mo3W2V(HMl)、5Cr4Mo3SiMnVAl(012A1)和4Cr3M02VNiNb(HD)，这些钢淬透性较高，具有高的高温强度及韧性，高的热稳定性，良好的冷热疲劳抗力故适宜于热挤压模。131.3.2国外H13模具钢研究成果5CrNiMoV钢是西方国家广泛应用的模具钢，与5CrNiMo钢相比，Cr、Mn、Mo元素含量较高，并加入少量V(O.10O.15)，其淬透性、淬硬性比5CrNiMo钢显著改善。当温度为500时，5CrNiMoV钢的高温强度较5CrNiMo钢高100150MPa左右，其抗回火稳定性比5CrNiMo钢高100左右，由于5CrNiMoV钢中V的作用，使钢的晶粒细化，所以在相同的回火硬度下，具有比5CrNiMo钢更高的韧性。为了适应特大型模具的需要，国内外发展了合金含量更高的特大型模具用钢，如国际标准化协会ISO4957中的4Ni4Cr2MoV、法国NF35590标准中的4Ni4Cr2Mo、前苏联研制的30Cr2NiMo、27Cr2NiMoWV，等，这些钢种的合金元素含量较高，具有更高的淬透性和热稳定性；并且相应地将钢中的C含量降低到O3O4，使钢的韧性和抗热疲劳性能有所改善。H13钢(4Cr5MoSiVl)是目前国内外广泛使用的热作模具钢，其化学成分(wt)为：0.32O.45C，O.801.20Si，O.200.50Mn，4.75550Cr，1.101.75Mo，0.80 1.20V，P0.030，S0.030。因其具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能，故被广泛用作铝合金的热挤压模和压铸模，工作温度可达600，由于工作条件恶劣，主要失效形式为热磨损(熔损)和热疲劳，因此要求表面具有高硬度、耐蚀、抗粘结等性能。H13钢常规淬火、回火后的硬度一般为4248 HRC，耐磨性不足，模具使用寿命短。鉴于模具失效大都由表面开始，从节省能源和资源，充分发挥材料性能潜力并获得特殊性能和最大经济效益出发，对H13钢模具进行表面改性处理，是综合改善模具寿命的关键.141.3.3国内外模具钢应用及发展之比较国产模具钢存在的问题以及与国际水平的差距20 世纪 80 年代以来， 我国模具工业进入了快速发展时期， 极大地促进了模具钢生产、应用技术的进步，通过引进先进的设备和技术，已能生产高质量的模具钢。但是, 从总体水平而言, 我国模具钢还比较落后, 与国际先进水平相比, 主要有以下差距：( 1) 模具钢品种、规格不全, 低档次较多， 高档次较少。高质量、高性能模具钢的品种少。从品种方面, 尚未形成塑料、玻璃、建材、陶瓷等专用的模具钢系列。钢材中扁钢、模块、精料制品比例比较低, 钢材的利用率较国外低 10%左右。为满足制造大型、精密、复杂、高寿命模具的需要, 国外发展预硬化钢, 而国产钢基本上停留在退火阶段, 或热轧状态供货, 并且供货周期较长, 这是我国家电行业大量进口模具钢的主要原因。( 2) 模具钢的专业化生产程度较低。钢材的质量、性能稳定性较差， 外观质量较差。中国模具钢分散在几十个企业生产， 大部分生产厂家的生产工艺装备不配套， 特别是后部工序，深加工设备落后, 从而制约国产模具钢质量的提高和性能的提高。( 3) 模具钢供销渠道有待畅通。模具制造多为单件或小批量生产， 而所需钢材的品种多、规格多、数量少、需求供货及时的行业特点， 与冶金厂的批量生产有矛盾。国外通过钢材商店可随时解决零售问题。国内近几年来也出现了部分代理商、钢材商店等中间销售环节, 但在模具钢销售的服务意识和水平上与国外先进水平还有一定差距, 影响了国产模具钢的推广和应用。例如 Bohler-Uddehum的全球10 万用户中, 大多是工程师指导用户使用。值得注意的是, 我国模具的质量和服务, 离用户需求的差距相当大, 因而出现了不少“ 宁可出高价买国外的, 不愿以低价买国内的”的不正常现象。进口钢材价格要比国内价格高出3倍 6倍, 从同一钢种的价格差距上反映出我国模具钢的落后面貌。151.3.4H13钢生产工艺H13传统的生产工艺如下(电渣工艺)：废钢、电弧炉一精炼一模铸一电渣重熔褪火一精整、加热、锻制一球化退火*精整。为了提高热作模具钢的综合性能,国内外普遍采用电渣重熔的工艺,提高钢的纯净度、致密度、均匀性，可以大幅度改善钢的等向性，明显提高模具钢横向的韧性、塑性、抗热疲劳性和断裂韧性。而采用普通电炉冶炼工艺生产的模具钢的横向韧性和塑性数值只相当于纵向性能的50%左右，采用电渣重熔工艺后，这一比值可达到80%以上。目前要生产高质量的热作模具钢必须采用电渣工艺，所以H13都是特钢厂生产的。电渣重熔的冶炼工艺能够进一步提高钢的纯净度，采用多元渣系可使钢中夹杂物被吸附去除。有资料介绍川，钢中的残余有害元素致使钢材产生红脆性表面裂纹和具有回火脆性倾向，行合理的高温均质化处理，改善碳化物的偏析程度，使共晶碳化物数量减少、颗粒变小、成分更加均匀。优化锻造工艺。不同锭型、锻材截面采取不同锻造工艺，墩粗一一拔长或两镦两拔工艺，最终目的是为了闭合钢锭径向缺陷并获得较高的等向性能，保证锻材内部组织均匀、晶粒度达到级或更细。为了使锻后组织进一步均匀化，提高塑性、调整晶粒度，锻材还需进行正火球化退火处理，得到球状珠光体弥散分布粒状碳化物的原始组织，为调质处理做组织准备。六面锻造技术为保证钢材横、纵向冲击韧性比达到0.8，采用多次镦拔、十字锻打、六面锻造等工艺，根据不同规格三火至五火成材。H13模具钢用于制造冲击载荷大的锻模，热挤压模，精锻模；铝、铜及其合金压铸模。合金元素的作用如下：铬：铬在钢中可形成铬的碳化物，能提高钢的高温强度和耐磨性，使C曲线右移，提高钢的淬透性和回火稳定性。铬和其他碳化物形成元素一起提供给钢具有较高的淬透性和好的抗软化能力所以H13钢在空冷条件下能够淬硬。在6barN2气体真空处理条件下可淬透直径为160mm。 但铬的加入会增加碳化物的 不均匀程度，致使钢中会出现亚稳定的共晶碳化物，这种碳化物现在国内一般可用高碳铬轴承钢相关标准予以评定。铬含量的提高有利于增加材料的热强度，但对韧度不利。钼：钼也是碳化物形成元素和铬一样，可提高钢的高温硬度和淬透性。此外，钼可以阻碍奥氏体晶粒的长大从而使晶粒得到细化减小回火脆性。 钒：钒比铬和钼更容易形成碳化物极少溶入铁的固溶体中。钒的碳化物使钢具有良好的热硬性并可细化晶粒提高钢的耐磨性。 硅：硅是对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素，仅次于磷，但同时在一定程度上降低钢的韧度和塑性。一般都将硅限制在钢脱氧需要的范围内。如果将Si 作为合金元素加入钢中其量一般不小于0.4%。硅也为提高回火抗力的有效元素。Si 降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。另外，硅易使钢呈现带状组织，使钢的横向性能比纵向性能差，也使钢的脆性转折温度升高。Si 还具有促进钢的脱碳敏感性，但Si有利于高温抗氧化性的提高。锰: 锰可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与S有较大的亲合力，可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物FeS，而以具有一定塑性的MnS存在，从而消除硫的有害影响，改善钢的热加工性能。Mn 具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度，虽然其固溶强化效果不及碳、磷和硅但其对钢的延展性几乎没有影响。在铁素体-珠光体型钢中Mn是唯一可使屈服强度增加又使冷脆转变温度变化最小的合金元素。1.3.5 H13模具钢的应用及质量指标H13是典型的热作模具钢，执行标准GB/T12992000。统一数字代号A20502牌号4Cr5MoSiV1合金工具钢简称合工钢，是在碳工钢的基础上加入合金元素而形成的钢种。其中合工钢包括，量具刃具用钢、耐冲击工具用钢、冷作模具钢、热作模具钢、无磁模具钢、塑料模具钢。H13是热作模具钢典型钢种，由于其优良的综合力学性能，得到广泛推广和应用，近年莱钢通过不断的生产技术优化，使模具钢质量水平不断提高。国内外H13生产装备国内各生产厂家的冶炼、精炼及电渣重熔设备，与国外专业生产厂家相比相差不大。国内企业与国外企业差别较大的环节是热处理设备、机加工设备及检测手段，使模具钢质量、性能、品种规格等方面与先进国家比较还存在较大差距。莱钢H13生产装备莱钢H13相关生产装备有30t电炉、30tLF精炼、VD真空、电渣重熔、2500t水压机、加热炉、热处理炉等，能够保证生产的模具钢具有高的纯净度、致密性、均匀性和等向性。模具钢生产厂家装备及工艺瑞典UDDEHOLM钢厂的ASSAB牌工模具钢一直被公认为稳定高品质象征，其模具钢生产装备主要为真空脱气设备、保护气氛电渣重熔、精锻设备、均质化热处理炉、机加工、探伤设备。法国奥伯杜瓦公司拥有40t70t电弧炉、中间包精炼炉、真空脱气设备、电渣重熔精炼炉（ESR）、真空重熔精炼炉（VAR）等熔炼设备；锻造设备主要有1200t4500t的连续锻造机械和4500t一6500t模锻机；热处理设备有长0.2m211T的淬火回火炉。工厂拥有电渣重熔炉和进行三维锻打的1000t、2000t锻压设备。德国葛利兹钢厂拥有大型电弧炉、特大型装置和6000t锻造压力机等设备。高品质H13模具钢生产关键技术国标、美标、德标、日标对H13钢的化学成分范围要求均较宽，不便于用户控制热处理，对杂质元素的要求也较松。为稳定其内部质量，我们严格H13的内控成分范围，C、Si、Mn、Cr、Mo、V等均窄范围控制。资料表明，钢中杂质元素的降低有利于提高钢的各项性能，而且北美压铸协会标准NDCDA107-90规定：优级H13钢含硫量小于0.005，而超级H13钢W（）0.003、W（）0.015。1.4生产车间设计和布局设施布局设计属于生产制造系统设计的一个重要组成部分，本节根据设施布局与生产制造系统设计之间的关系，阐述设施布局在生产制造系统中的地位以及与设施规划的关系。1.4.1设施规划与布局设计设施包括生产系统或服务系统运行所需的有形固定资产，而工厂设施为生产系统设施的一部分。对于一个工厂。其设施包括占用的土地、建筑物、加工零部件所用的机床设备、固定的或移动的辅助设备(如起重运输设备等)。此外，还包括维修设施、实验室、仓库、动力设施、办公室、公用设施等。设施规划与设计是为新建、扩建或改建的生产系统或服务系统，综合考虑相关因素，进行分析、构思、规划、论证、设计，做出全面安排，使资源得到合理配置，使系统能够有效运行，以达到预期的目标。设施规划并不等同于设施选址、设施设计、设施布局和工厂布局。设施规划可以分为设施选址和设施设计两部分。设施规划的研究内容对生产制造企业来看，设施选址主要指建厂选址，是对可供选择的地区和具体位置的有关因素(顾客、供应、与其他设施的相互作用等)进行分析和评价，达到场址的最佳化。设施设计的要素包括设施及设备系统设计、布置设计和搬运系统设计。设施及设备系统的设计包括对建筑、围护结构、电力、照明、空调、给排水和信息通讯等进行系统协调的设计；搬运系统设计是对物料传输的路线、运量、传输方法和设备、储存场地等做出合理安排，搬运系统由物料、人员、信息和支持生产所需的搬运设备组成；布置设计，是将建筑围砌范围内的所有加工与物料传输设备、通道走廊等设施合理地放置在一个有限的制造车间内的过程，布置由生产区、辅助生产区、人员活动区组成。因而布局设计是设施设计的一个重要组成部分。1.4.2制造系统设施的布局设计由上一节可知，布局设计是设施设计的重要组成部分。设施布局(不同于设备布局)设计是指生产企业根据经营目标和生产纲领，在确定的空间内，按照从原材料的接收、零件和产品的制造直到成品的包装、发运的全过程、将人员、设备、物料所需空间做适当、有效的分配和组合，以获得最大的生产经济效益。对于生产制造系统来说，设施布置按照研究层次可分为：(l)厂区总体布置，解决各车间和生产部门的相互位置和面积安排的问题，包括控制系统、加工系统和物流系统的布局。(2)车间布局设计，解决各生产工部、工段、服务辅助部门、储存设施等作业单位及工作地、设备、通道、管线之间的相互位置，同时也要解决物料搬运的流程及方式、车间内各生产单元(工段)的位置和面积形状，确保生产阶段各生产单元之间能紧密衔接，实现工段间的物料运输成本最小化。(3)设备布局设计，指在一定的生产环境下，制造系统设计人员根据生产目标对生产单元内部的设备、通道、物料出入口位置进行详细的布置。目的是达到生产过程物料运输工作量最小化从而实现高效率、低成本的生产目标。设备布局设计中的设备包括加工设备、物料传输设备、检测设备和计算机系统。2课题背景及开展研究的意义目前主要的炼钢方法有转炉炼钢、平炉炼钢和电炉炼钢，其中转炉炼钢中的氧气顶吹转炉炼钢法最为常用，世界钢产量的90%采用这种方法，我国的钢铁企业大多采用转炉炼钢方法。因此，转炉炼钢的工艺操作水平对炼钢的生产效率、能耗及冶炼出的钢铁质量具有直接影响。转炉炼钢属于长流程炼钢过程。铁水是主要冶炼原料，工业纯氧用作氧化剂,铁水中的C、Si、 Mn、P等元素与氧气发生氧化还原反应产生大量的热量，再加上铁水中原有的物理热，除可满足转炉炼钢工艺所需热量需求外，还富裕大量热量,通过加入废钢可降低能耗、增加产量。冶炼周期一般为2835min。此间要完成脱碳、升温、去杂质等复杂的一系列过程。生产制造企业的设施布局是设施规划领域的一个重要问题。它研究如何按照一定的原则，在预先给定的生产车间内，将生产系统所使用的机器、仓库等的位置以及与之相关的物料流和人员流进行合理地组织与布置，以达到最优的设计目标(如物流成本最低、设备利用率最高等)。一个设计良好的设施布局能加快物料处理效率，减少在制品的停留时间，显著提高企业的生产效率。在理论上，本问题属组合优化问题，NP-hard问题，本文讨论的车间设施布局问题与一般的布局优化问题(如Packing问题和cutting问题)相比，在问题描述、数学建模、数值求解等方面更困难。设施规划与设计是工业工程的重要分支，起源于早期制造业的工厂设计(Plant Design)。设施规划是对构成工厂的车间、库房、办公室等设施，以及保证企业正常生产为企业输送物料的交通运输线路、工程管线等运输设施，对其平面位置进行合理布置由于企业所拥有的设施涉及范围广泛，它不但包括厂区围墙范围之内主要参与生产制造的设施,也包括厂区围墙范围之外为生产服务的设施。设施是进行工业生产的必要条件，设施规划与设计是否合理，对企业的生产和运行效率有着非常重要的影响。应该说，设施规划与设计是伴随着工业生产而产生的。但是，设施规划与设计作为一门学科，利用科学的方法与手段进行设施的规划与设计，是系统、工程、物流学、人机工程、计算机技术飞速发展的结果。设