第一篇：冶金畢業設計

摘要

石油、天然氣輸送管線在服役過程中,環境中的氫不可避免的進入到管線材料內部,產生氫損傷。管線鋼中的氫可能導致氫脆和氫致開裂，裂紋擴展可能與進入鋼中的氫含量有關。

本論文以X80管線鋼為樣品，在0.5mol/L的H2SO4溶液中用電化學充氫的方法進行研究，探討試樣在不同條件下的吸收氫的規律，為后面的耦合實驗提供充氫依據。本實驗共分兩組：第一組固定充氫電流密度，改變充氫時間，研究在相同充氫電流密度下，充氫時間對氫吸收的影響。第二組固定充氫時間，改變充氫電流密度，研究在相同充氫時間下，充氫電流密度對氫吸收的影響。鋼中氫的含量主要采用排油集氣法測定,以獲得鋼中的氫含量。

實驗獲得如下結果：固定充氫電流密度不變，隨著充氫時間的延長，材料中的可擴散氫含量CH 逐漸增加.充氫時間達到5h時，材料中的可擴散氫含量CH 基本飽和，再延長充氫時間，氫含量的增幅很小。固定充氫時間不變，隨著充氫電流密度的增大，材料中的可擴散氫含量CH 逐漸增加，充氫電流密度達到18mA/cm2時，材料中的可擴散氫含量CH 基本飽和，再增大充氫電流密度，氫含量的增幅很小。

關鍵詞：管線鋼；電流密度；氫脆；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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目錄

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

1.1管線鋼簡介..........................................................1

1.1.1管線鋼用途.....................................................1 1.1.2管線鋼的生產情況..............................................1 1.1.3管線鋼的消費狀況..............................................2 1.1.4管線鋼的發展趨勢..............................................3 1.1.5 X80管線鋼.....................................................3 1.2管線鋼中的氫........................................................4

1.2.1影響管線鋼中氫含量的因素分析................................4 1.2.2管線鋼中氫腐蝕機理............................................5 1.2.3管線鋼氫腐蝕致開裂的危害.....................................5 1.3本實驗的研究背景....................................................7

第二章 X80管線鋼電化學充氫行為的研究.............................8

2.1引言.................................................................8 2.2試驗方法.............................................................9

2.2.1實驗材料.......................................................9 2.2.2 樣品加工和準備................................................9 2.2.3 實驗方案及過程...............................................10 2.3.實驗結果與討論.....................................................12 2.3.1實驗結果......................................................12 2.3.2鋼吸收氫規律.................................................12 2.3.3 兩種不同情況下試樣吸收氫含量的比較........................13 第三章 結論..............................................................14 致謝.......................................................錯誤！未定義書簽。參考文獻.................................................................14

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第一章 緒論

1.1管線鋼簡介

1.1.1管線鋼用途

管線鋼如圖1.1是指用于輸送石油、天然氣等的大口經焊接鋼管用熱軋卷板或寬厚板。管線鋼在使用過程中，除要求具有較高的耐壓強度外，還要求具有較高的低溫韌性和優良的焊接性能。管線鋼主要用于加工制造油氣管線。油氣管網是連接資源區和市場區的最便捷、最安全的通道，它的快速建設不僅將緩解我國鐵路運輸的壓力，而且有利于保障油氣市場的安全供給，有利于進步我國的能源安全保障程度和能力[1]。

圖1.1管線鋼

1.1.2管線鋼的生產情況

目前，我國油氣輸送所使用的管線管主要由石油自然氣團體公司的6個焊管廠生產，它們是寶雞石油鋼管廠、貴陽石油鋼管廠、華北石油鋼管廠，遼陽石油鋼管廠，沙市石油鋼管廠，勝利石油鋼管廠等，總設計生產能力約為120萬t左右。生產的油氣管以螺旋焊管和高頻直縫焊管為主，而管徑大、管壁厚的直縫埋弧焊管的生產在我國時間較短。2000年，我國第一條大口徑直縫埋弧焊管生產線在番禺珠江鋼管公司建成，此生產線從澳大利亞引進，可生產厚壁大口徑長輸管線鋼管，鋼管外徑457～1800mm，特殊規格可達3000mm，壁厚4.5～37mm，特殊規格還可增厚，單管最長可達12m。但生產這種焊管所需管線用寬厚鋼板目前基本還需依靠進口。近日，日本住友金屬和住友商事又與中國石油自然氣團體公司(CNPC)下屬的寶雞鋼管廠合作生產石油自然氣用中徑焊接鋼管，主要生產油氣輸送管線的支線用焊管，產量可由目前的5萬噸進步到2～3年后的12萬噸。

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國內對管線用鋼的需求以X70級為主，新線目標定位在X80級熱軋寬鋼帶和X100級寬厚板的生產，以適應目前10MPa和近期14MPa以上輸送壓力的設計。1.1.3管線鋼的消費狀況

管線鋼主要用于加工制造油氣管線。油氣管網是連接資源區和市場區的最便捷、最安全的通道，它的快速建設不僅將緩解我國鐵路運輸的壓力，而且有利于保障油氣市場的安全供給，有利于進步我國的能源安全保障程度和能力。

同石油一樣，我國也將從境外的俄羅斯、中亞國家進口自然氣，并通過東南沿海港口進口液化自然氣（LNG）。為了把這些自然氣輸送到主要的消費區域，建設輸送管線是必不可少的。目前“西氣東輸”項目已經建成，今后還將建設的主要管線有陜京二期、中俄自然氣管線（東線、西線）、以及中亞或俄羅斯至上海自然氣管線，終極與“西氣東輸”管線形成“兩橫、兩縱”的自然氣干線。

目前，原油、自然氣管網已經具有相當規模，成品油輸送管道相對較少，目前僅占全部輸送量的40%，將來計劃修建3萬km，管徑在Ф500mm左右，壁厚在10mm以下，以X65為主。未來10年，我國將建設5萬km的油氣管道，均勻每年需要展設近5000km，每年自然氣管道需要鋼材近400萬t。

隨著管道輸送壓力的不斷進步，油氣輸送鋼管也相應迅速向高鋼級方向發展。在國際發達國家，20世紀60年代一般采用X52鋼級，70年代普遍采用X60～X65鋼級，近年來以X70為主，而國內城市管網以X52、X65為主。目前國內主干線輸氣管最大壓力為10MPa，最大直徑能夠達到Ф1016～1219mm，以X65、X70應用為主，X80也有應用，但用量未幾。隨著國內輸氣管的延長和要求壓力的進步，X70、X80將成為主流管線鋼。

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1.1.4管線鋼的發展趨勢

隨著石油自然氣需求量的不斷增加，管道的輸送壓力和管徑也不斷地增大，以增加其輸送效率。考慮到管道的結構穩定性和安全性，還需增加管壁厚度和進步管材的強度，因此用作這類輸送管的管線鋼都向著厚規格和高強度方向發展。由于自然氣的可壓縮性，因而輸氣管的輸送壓力要較輸油管為高。近年來國外多數輸氣管道的壓力已從早期的4．5～6．4MPa進步到8.0～12MPa，有的管道則達到了14～15．7MPa，從而使輸氣管的鋼級也相應地進步[2]。目前，國外的大口徑輸氣管已普遍采用X70鋼級，X80開始進進小規模的使用階段，X100也研制成功，并著手研制X120。輸送酸性自然氣的管道用鋼目前已能生產到X65鋼級。21世紀是我國輸氣管建設的高峰時期。“西氣東輸”管線采用大口徑、高壓輸送管的方法。這條管線全長4167km，輸送壓力為10MPa，管徑為1016mm，采用的鋼級為X70、厚度為14．6mm，20℃的橫向沖擊功為≥120J。這一鋼級、規格、韌性級別目前國內已經生產，并且質量達到國際水平。因此，生產這種規格的高強度、高韌性管線鋼對我國今后采用國產管線鋼生產大口徑、高壓輸氣管具有十分重大的戰略意義。1.1.5 X80管線鋼

X80管線鋼的基本組織是針狀鐵素體組織，這種組織是在較大的冷卻速度下，在[3]溫度范圍略高于貝氏體形成溫度下的連續冷卻過程中，由于擴散和剪切變形的共同作用，形成沒有完整連續的晶界粒度參差不一的組織針狀鐵素體組織通常由針狀鐵素體和粒狀貝氏體組成，同時基體中分布著島針狀鐵素體管線鋼主要通過細晶強化、沉淀強化和相變強化保證其強度。由于微合金的添加和控制軋制和控制冷卻工藝的應用，可以保證得到細小組織。因此，以針狀鐵素體和粒狀貝氏體為主要組織的X80級管線鋼具有較高的抗拉強度和屈服強度。同時，針狀鐵素體管線鋼具有良好的焊接性能，其抗應力腐蝕氫誘發裂紋的能力也較高，較小的重疊尖銳組織為針狀鐵素體在掃描電鏡下可以發現管線鋼顯微組織體現出了典型的針狀鐵素體特征：晶界方向不一，且相互交割，晶粒細化明顯。放大觀察倍數后可以看到晶界上也有大量的位錯塞積析出粒子分布較為均勻，對針狀鐵素體板條上的高密度位錯起到了釘扎作用，提高了鋼的強度管線鋼的強韌性隨著油氣管道運行壓力與管徑的不斷增加，管道發生爆裂的風險也越來越大。同時，畢業設計（論文）第 4 頁

隨著在土質不穩定區不連續區及地震帶等地質情況復雜地區和高寒地區鋪設的管道越來越多，對于管線鋼的應變硬化能力抗側向彎曲能力的要求也越來越高，因此管線鋼必須具有很好的低溫韌性。天然氣管線壓力的提高和對管線鋼韌性提高的要求，促使人們尋找獲得更有效的強度和韌性的組織結構。現已成功研制了針狀鐵素體管線鋼, 在提高其強度的基礎上，可大幅度提高韌性。針狀鐵素體管線鋼的組織也并不是100%的針狀鐵素體，而是以針狀鐵素體為主的混合組織。針狀鐵素體AF又稱板條貝氏體鐵素體，在組織中成簇出現，構成板條束, 每個板條束由若干個鐵素體板條組成，板條間為小角度晶界，板束間為大角度晶界。管線鋼中，影響氫致開裂的主要組織是珠光體帶狀組織。因為氫致裂紋一般易沿珠光體帶狀組織擴展[4]，因此，減少帶狀組織-珠光體的含量, 相應地增加針狀鐵素體的含量，可以提高管線鋼的抗HIC能力。圖1.2 X80管線鋼顯微組織。

圖1.2 X80管線鋼20倍金相組織

1.2管線鋼中的氫

1.2.1影響管線鋼中氫含量的因素分析

相關資料表明[5]，影響鋼中氫含量的因素有原輔材料帶入的氫（如：鐵水含氫、廢鋼表面的鐵銹、鐵合金中的氫和水分、石灰、增碳劑、脫氧劑、覆蓋劑、保護渣等渣料中的水分等）、冶煉過程的增氫量（設備漏水或電極噴淋水、出鋼過程及冶煉過程與大氣接觸增氫、喂絲過程鋼水裸露增氫等）、VD 過程的脫氫效果等。由于廢鋼、鐵水及鐵合金等輔助材料帶入的氫是不可避免的，目前考慮到成本因素，大部分鋼廠對鐵合金等輔助材料未進行烘烤，故生產此類鋼種只能考慮通過減少精煉渣及石灰的加入量來減 畢業設計（論文）第 5 頁

少原輔材料帶入的氫。其次，電弧爐冶煉過程的電極噴淋水開啟過大、水冷件漏水或氧槍漏水也是影響此類鋼種VD 前氫含量高的主要因素之一。在VD 爐，提高抗HIC 及SSCC 管線鋼VD 過程的脫氫效果，并減少VD 后增氫是控制此類鋼種精煉終點氫含量的重要因素。

1.2.2管線鋼中氫腐蝕機理

干燥的硫化氫并不會腐蝕金屬, 只有在濕硫化氫環境中金屬才會發生腐蝕。在濕硫化氫環境中將按照以下步驟進行: 石油、天然氣中的水附著于管線鋼的內表面,硫化氫(H2S)在水中形成硫和氫的離子；Fe 奪取 H 的正電荷, 成為Fe2+ 及 H 原子，形成硫化鐵(FeS),硫化鐵(FeS)為紅褐色物體,附著于管的內表面；H原子體積很小,根據分壓大小向鋼中擴散H原子首先聚集于非金屬夾雜物、氣孔及偏析中；在存留處,H原子變成氫氣(H2)分子,體積增大20倍，H2 體積增大過程中,存留處壓力急劇增加,如超過金屬起裂應力時會造成裂紋擴展；如存留處在管內表面,則形成鼓泡；如在內部則形成平行于金屬表面的裂紋,這些裂紋通常成階梯。

1.2.3管線鋼氫腐蝕致開裂的危害

可見，油氣輸送管線在國計民生中發揮著重要的作用。但是，由于管道內部輸送介質和外部埋地土壤的腐蝕，管道經常發生泄漏和斷裂事故。多年來，人們在采用防護涂層和陰極保護等措施以減少埋地管道腐蝕事故的發生方面，取得了一定的進展，但由于埋地管道腐蝕涉及的影響因素復雜多變，仍然有腐蝕失效事故的發生，同時又有新的管道腐蝕問題不斷出現。尤其管線鋼的應力腐蝕開裂（SCC）已經成為威脅管道安全、完整運營的主要損傷形式之一，引起了人們的特別關注。例如，1965年3月美國的路易斯安那州發生了世界第一例長輸管線的失效，導致輸送氣體的泄漏而引發大火[6]。我國四川輸氣網在1971-1976年間，由于管道腐蝕開裂導致的爆炸、燃燒事故103起，其中1971年威-成管線由于應力腐蝕開裂引起的大爆炸、燃燒事故的直接經濟損失達7000萬，傷亡24人，給社會造成了嚴重的經濟損失[7,8]。1985年至1986年的一年時間內，在加拿

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大的北安大略省發生了3起管道應力腐蝕開裂事故，之后的1991年和1992年又相繼發生了2起管道的應力腐蝕開裂事故[7]。這引起了加拿大能源局的重視，組成調查組對加拿大境內的管線進行了全面的調查。結果顯示從1977年發現管線存在應力腐蝕開裂以來到1996年共發生了22起應力腐蝕開裂事故，其中10起造成嚴重泄漏，12起造成管線斷裂[9]。表1.1給出了2002至2003一年內輸送危險液體的管道發生事故的原因及造成的財產損失。圖1.2更加直觀的給出了造成事故原因所占的比例份額，不難看出腐蝕原因占最大的比例，達到26.3%。這些事故的發生給工業生產和人民的生命財產安全造成了嚴重的損害，甚至會在破裂管道周圍造成嚴重的環境污染。可見，研究管線鋼應力腐蝕開裂的規律及影響因素，對保證長輸管線的安全運營是非常必要和重要的。為了更好地研究管線的開裂問題，需要首先了解腐蝕的類型及前人關于管線鋼應力腐蝕方面所開展的工作。

表1.1 1/1/2002-12/31/2003一年內引起輸送危險液體管道事故的原因總結 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.畢業設計（論文）第 7 頁

圖1.2引起輸送危險液體管道失效的事故原因及所占的比例

1.3本實驗的研究背景

石油、天然氣是人類社會賴以生存的重要能源，隨著國民經濟的迅速發展，對石油和天然氣等能源的需求也日益增加，而管道輸送油氣是一種既經濟又有效的運送方式。但從上世紀60年代開始至今，世界各地先后發生多起輸氣管道爆裂事故。研究表明在管道內部壓力和外部土壤腐蝕環境的交互作用下，管線鋼可以發生應力腐蝕開裂。管道的破裂造成了重大經濟損失、人員傷亡和自然環境破壞等嚴重后果。明確管道在實際服役條件下的應力腐蝕開裂機理及影響因素，對于管道的防護及剩余壽命預測，減少管道開裂事故發生都有重要意義。

管道的應力腐蝕開裂是在外力、腐蝕環境和材料自身缺陷三者共同作用下的結果。管道在實際服役環境中受力非常復雜，除承受內部油氣輸送過程中所施加的周向波動應力外，還會承受土壤移動和鋪設過程中所施加的垂直于管道軸向的彎曲應力，如果管道鋪設在稍有斜坡的地段或遇到地震和泥石流等自然災害時，管道同樣會承受一定的彎曲應力。可見，實際服役的管道處于復合應力的作用下，對于管道上已經萌生的微小裂紋的擴展問題也不只是簡單的I型裂紋的擴展問題，同時存在著II型裂紋或III型裂紋

畢業設計（論文）第 8 頁 的擴展問題。為了研究管線鋼應力腐蝕開裂過程中裂紋的擴展規律，研究者們引入了斷裂力學的研究方法[10]，但是人們常常將裂紋進行簡化，把復雜的裂紋按照其最危險的形式—I型撕開型裂紋處理[11-13]。王榮[14]曾采用單邊裂紋試樣（I型裂紋）研究了X80管線鋼在波動載荷下裂紋擴展特性，結果表明與堿性碳酸鹽環境相比，管線鋼在中性碳酸鹽環境中具有較高的裂紋擴展速率。另外，在NS4溶液中，裂紋擴展出現局部準解理斷口和二次裂紋,這與氫在裂紋擴展中的作用有關。而管線鋼發生穿晶應力腐蝕開裂時，其腐蝕環境中確實可以有氫離子生成[15]。文獻[14]的結果說明在穿晶應力腐蝕開裂中，由于氫離子的存在可以加速I型裂紋的擴展速率。

此外，我國西氣東輸二線干線全部采用X80鋼管，鋼管強度級別提高對氫的敏感性如何，以及在含氫離子的服役環境和復雜應力耦合作用下，這些高級別管線上一旦萌生的微小裂紋擴展速率如何變化，都將影響管道的服役壽命。因此，明確裂紋的擴展速率及氫-復雜應力間的作用機制對管道的安全運營至關重要。因此本文在實驗室條件下研究X80管線鋼在不同條件下進入鋼中氫的含量。為氫與復雜應力耦合作用下，應力腐蝕裂紋擴展速率的研究做鋪墊。

第二章 X80管線鋼電化學充氫行為的研究

2.1引言

氫致裂紋(HIC)是管線鋼在酸性環境下腐蝕的主要方式之一[25]，隨著管線鋼級別的增大，其成本越低，但抗HIC 性能越差[26]。周琦等[27]在對管線鋼硫化氫環境臺階狀氫致開裂分析中指出，鋼中Mn、P、S的含量及其偏析程度，與鋼的氫致開裂密切相關。Domizzi 等[28]在S含量及其夾雜物分布對HIC 影響的研究中指出，HIC敏感性與微觀組織有關，裂紋更易在塑性較差的組織處形核與擴展。一般認為，氫致裂紋容易在鋼中的氫陷阱如夾雜物、位錯、空隙及晶界等處萌生。在排除試樣本身因素影響外，從電化學充氫實驗獲得的80管線鋼中氫含量對裂紋的影響可以直觀分析和對比環境因素的差異。但很少看到有關X80 管線鋼這方面的研究。因此，本文采用電化學方法充氫，進而研究氫在X80管線鋼中在不同條件下對氫吸收的影響，為后面的耦合實驗提供理論依據和數據支持。

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2.2試驗方法

2.2.1實驗材料

本實驗均采用我國自行生產的X80管線鋼。X80管線鋼的化學成分和力學性能分別見表2.1和表2.2。

表2.1 X80管線鋼化學成分(質量百分比，%)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管線鋼力學性能

YS(MPa)520

UTS(MPa)

639

EL(%)39

※YS：屈服強度；UTS：最大拉伸強度；EL：延伸率

本實驗還需要的實驗器材及用品：PS-168電位儀、電火花數控線切割機床、無水乙醇、甘油、蒸餾水、量筒、繩、0.5mol/L H2SO4

2.2.2 樣品加工和準備

先將X80管線鋼用電火花數控線切割機床切割成50mm×21mm×3mm的樣品，再將樣品寬的方向上切一條深為3mm的裂紋，最后分別用400#、600#、800#、1000#砂紙由粗到細逐級打磨樣品表面，得到的樣品如尺寸及形狀如圖2.1所示。

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圖2.1 初始樣品

電火花數控線切割機床原理：數控電火花線切割機床是利用電火花原理，將工件與加工工具作為極性不同的兩個電極，作為工具電極的金屬絲（銅絲或鉬絲）穿過工件，由計算機按預定的軌跡控制工件的運動，通過兩電極間的放電蝕除材料來進行切割加工的一種新型機床。

2.2.3 實驗方案及過程

電化學充氫在PS·168 型恒電位儀上進行，電解液采用0.5mol/L H2SO4溶液。將試樣用防水膠帶纏好，使其有效面積為4cm2，并用銅導線纏好，將準備好的試樣置于電解液中，試樣為陰極，鉑片為陽極，采用恒電流方法對試樣進行電化學充氫。充氫設備如圖2.2。

圖2.2充氫設備示意圖

電化學充氫的試樣分成兩組：一組在固定充氫電流密度6mA/cm2 時，分別充氫1h、2h、3h、4 h、5h，研究在相同充氫電流密度下, 充氫時間對氫吸收的影響；另一組試樣充氫電流密度分別為2 mA/cm2、6mA/cm2、10 mA/cm2、14 mA /cm2、18mA/cm2充氫時間1h，研究在相同充氫時間下，充電流密度對氫吸收的影響試 樣。以固定充氫電流密

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度6mA/cm2，充氫3小時為例。充氫前如圖2.3，充氫過程中如圖2.4，充氫后如圖2.5以及從燒杯取出時如圖2.6試樣變化。

圖2.3 充氫前試樣

圖2.4 充氫過程中試樣

圖2.5 充氫后試樣 圖2.6 從燒杯中取出后試樣

充氫完畢后，用蒸餾水清洗干凈，用排油集氣法測定鋼試樣中的氫含量。將充氫的試樣放入量筒中，并用塑料密封讀取甘油的液面高度, 在恒溫放置24 h 后，再讀取甘油液面高度，由兩次甘油液面差計算排出氫的體積。則試樣中可擴散氫含量 CH（質量分數，%）由公式（2.1）計算

CH =

式中：T0為 273K；P 為實驗環境氣壓；P0為大氣壓，0.101 MP a；T 為試驗溫度；W為試樣質量，mg；Q為氫氣密度，0.08988 g/ L；△v為擴散氫的體積，ml

?0????v× 8.988×0.2

（2.1）

?0???W 畢業設計（論文）第 12 頁

2.3.實驗結果與討論

2.3.1實驗結果

固定充氫電流密度6mA/cm2 時，在充氫時間分別1h、2h、3h、4 h、5h得到的的數據如表2.1

表2.1 固定充氫電流密度不變，改變充氫時間得到數據表

編號 質量/g 硫酸體積/ml 20.89 19.27 18.67 20.94 19.92 50 50 50 50 50 試樣 電流密充氫面積 度時間/cm2 /mA/cm2 /h 4 4 4 4 4 6 6 6 6 2 3 4 5

靜置靜置前體后體積/ml 積/ml 34.2 30.3 36.5 30.5 34.3

34.28 30.4 36.67 30.7 34.5

體積質量 分差/ml 數/% 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

固定充氫時間1h，在充氫電流密度分別為2 mA/cm2、6 mA/cm2、10 mA/cm2、14 mA/cm2、18 mA/cm2 得到的數據如表2.2。

表2.1 固定充氫時間不變，改變充氫電流密度得到數據表 編號 質量

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

硫酸體積/ml 50 50 50 50 50 試樣 電流密度面積 /mA/cm2 /cm2 4 4 4 4 4 6 10 14 18

充氫靜置時間/h 前體1 1 1 1 1

積/ml 33.1 34.2 35.2 35.5 33.3

靜置后體積/ml 33.13 34.28 35.35 35.68 33.5

體積

氫含量質

差/ml 量分數/% 0.03 0.08 0.15 0.18 0.2

0.000069 0.00018 0.00035 0.00042 0.00045 2.3.2鋼吸收氫規律

由圖2.7可見，當充氫電流密度不變時，隨著充氫時間的延長，材料中可擴散氫含

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量CH逐漸增加，充氫時間達到5h時，材料中的可擴散氫含量CH 基本飽和, 再延長充氫時間, 氫含量的增幅很小。由圖2.8可見當充氫時間不變時，隨著充氫電流密度的增大，材料中可擴散氫含量CH 逐漸增加，充氫電流密度達到18 mA/cm2時，材料中的可擴散氫含量CH 基本飽和，再增大充氫電流密度，氫含量的增幅很小。隨著電流密度的增加以及充氫時間的延長，材料對氫的敏感程度加大。這是因為在電化學充氫試驗中，溶液中的H+獲得電子形成氫原子吸附在材料表面，即在作為陰極的試樣表面上形成化學位梯度，充氫電流密度的變化以及充氫時間變化決定了化學位梯度的變化，增大充氫電流密度以及延長充氫時間，陰極表面的氫濃度就上升，進入材料內部的氫含量就較高。

0.50.450.40.350.30.250.20.150.10.050012345600%氫質量分數的10/0.50.450.40.350.30.250.20.150.10.***61820氫質量分數的1000倍/%充氫時間/h充氫電流密度/mA/c

圖2.7 氫的質量分數隨充氫時間變化 圖2.8 氫的質量分數隨充氫電流密度變化

2.3.3 兩種不同情況下試樣吸收氫含量的比較

兩種條件下試樣電化學充氫，試樣所用溶液及體積相同，試樣有效面積相同，主要區別在于一種是固定充氫電流密度，改變充氫時間；一種是固定充氫時間，改變充氫電流密度。第一種情況下隨著充氫時間的延長，試樣表面產生的氣泡逐漸增多且大，擴散到試樣中的氫含量逐漸增多，但增加的越來越緩慢，最后基本達到一個飽和值；第二種情況下隨著充氫電流密度的增大，試樣表面產生的氣泡同樣逐漸增多且大，擴散到試樣中的氫含量逐漸增多，增加的也越來越緩慢，最后基本達到一個飽和值。通過對比可知，兩種情況下試樣對氫的敏感程度基本相同，達到的飽和值也基本相同。

畢業設計（論文）第 14 頁

第三章 結論

本文研究了在不同充氫電流密度和充氫時間的條件下，X80管線鋼中可擴散氫的含量，其研究結果如下：

1.當充氫電流密度不變時，隨著充氫時間的延長，材料中可擴散氫含量CH逐漸增加。2.當充氫時間不變時，隨著充氫電流密度的增大，材料中可擴散氫含量CH逐漸增加。3.充氫時間不變充氫電流密度達到18 mA/cm2時，材料中的可擴散氫含量基本飽和。4.充氫電流密度不變時，充氫時間為5h時，材料中的可擴散氫含量基本飽和。5.隨著電流密度的增大和充氫時間的延長，材料表面的氣泡多且大

參考文獻

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第二篇：冶金專業畢業設計

年產190萬噸氧氣轉爐煉鋼車間設計

指導教師 姓名：劉芬霞 職稱：講師

摘要

本設計為設計一座年產190萬噸的氧氣轉爐煉鋼車間，主要產品是低碳鋼和薄板坯。設計包括車間生產規模，各主要系統，方案的選擇和確定。車間主要設備的計算與確定，以及先進技術的選擇和利用等。本設計的重點是車間的主要系統的方案確定。包括鐵水供應系統，散裝料供應系統，鐵合金供應系統，鐵水預處理系統，煙氣凈化系統，爐外精煉系統，澆注系統，爐渣處理系統等。

關鍵詞: 80噸氧氣頂吹轉爐；車間設計；系統一、緒論

鋼鐵工業是國國民經濟的支柱產業，是國民經濟的中的主導產業。而鋼鐵材料是用途最廣泛的金屬材料，人類使用的金屬中，鋼鐵占90%以上。人們生活離不開鋼鐵，人們從事生產或其他活動所用的工具和設施也都要使用鋼鐵材料。鋼鐵產量往往是衡量一個國家工業化水平和生產能力的重要標志，鋼鐵的質量和品種對國民經濟的其他工業部門產品的質量，都有著極大的影響。

世界經濟發展到今天，鋼鐵作為最重要的基礎材料之一的地位依然未受到根本性影響，而且，在可預見的范圍內，這個地位也不會因世界新技術和新材料的進步而削弱。現代轉爐煉鋼工藝的現狀主要體現在[1]：

（1）轉爐煉鋼大型化，是轉爐從誕生到成熟的標志；（2）轉爐頂底復合吹煉工藝；

（3）轉爐長壽技術，濺渣護爐和爐體冷卻技術的成熟都將提高轉爐的爐齡。研究開發長壽命水冷煙罩、煙道等附屬設備，實現轉爐整體設備長壽化；

（4）全自動轉爐吹煉技術。

二、產品方案及金屬料平衡估算

本設計產品大綱的基本原則是：生產有競爭力的優勢產品，堅決淘汰落后的產品。主要有碳素工具鋼、碳 素結構鋼、軸承鋼三大鋼系。

1、計算原始數據

基本原始數據有：冶煉鋼種及成分、鐵水和廢鐵的成分、終點鋼水成分；造渣用溶劑及爐襯等原材料成分；脫氧和合金化用鐵合金的成分及回收率；其他工藝參數。

收入項有：鐵水、廢鋼、溶劑（石灰、螢石、輕燒白云石）、氧氣、爐襯蝕損、鐵合金。支出項有：鋼水、爐渣、煙塵、渣中鐵珠、爐氣、噴濺。

以100㎏鐵水為基礎進行計算。

第一步：計算脫氧和合金化前的總渣量及其成分。

第二步：計算氧氣消耗量。

第三步：計算爐氣量及其成分。

第四步：計算脫氧和合金化前的鋼水量。

第五步：計算加入廢鋼的物料平衡。

第六步：計算脫氧和合金化后的物料平衡。

2、原料供應

（一）原料供應

1、鐵水供應

鐵水是轉爐煉鋼的主要材料，一般在新建鋼鐵廠時彩高爐直接供應。

2、廢鋼供應

大型轉爐煉鋼車間通常設單獨的廢鋼間，按每爐需用量裝入廢鋼料斗運到爐前。較小的煉鋼車間的廢鋼堆場設在原料跨的一端。廢鋼間面積的大小決定于廢鋼需要的堆存用的面積、鐵路條數、料槽（或料坑）位置及稱量設備占用的面積，高度取決于工藝操作所需要的吊車軌面標高。

五、轉爐座數

（一）轉爐容量和座數的確定及轉爐座數

轉爐容量

轉爐在一個爐役期內，由于爐襯受侵蝕而逐漸減薄，爐容量隨之增大，因此，需要一個統一的衡量標準，叫做公稱容量。

本設計采用“二吹二”模式，即有2座轉爐[2]。

六、轉爐爐型選型設計及相關參數計算

（一）轉爐爐型設計

氧氣頂底復吹轉爐是20世紀70年代中、后期，開始研究的一項新煉鋼工藝。其優越性在于爐子的高寬比略小于頂吹轉爐卻又大于底吹轉爐，略呈矮胖型；爐底一般為平底，以便設置底部噴口。綜合以上特點選用轉爐爐型為錐球型。根據本設計的底部噴吹N2和Ar，選現在，氧氣轉爐爐襯材質普遍使用鎂碳磚，爐齡有明顯提高。但由于鎂碳磚成本較高，因此一般只將其用在諸如耳軸區、渣線等爐襯易損部位，即爐襯工作層采用均衡爐襯，綜合砌爐。擇磚型供氣元件，且為彌散型透氣磚[3]。

1、爐襯的組成和厚度的確定

通常爐襯由永久層、填充層和工作層組成。有些轉爐則在永久層與爐殼鋼板之間夾有一層石棉板絕熱層。永久層緊貼爐殼，修爐時一般不予拆除。該層用鎂碳磚砌筑。填充層介于永久層與工作層之間，用焦油鎂磚沙搗打而成，厚度約為80～100mm。工作層用鎂碳磚和焦油白云石磚綜合砌筑。爐帽用二步煅燒鎂磚。

表1 本設計轉爐爐襯厚度值

爐襯厚度 爐帽 爐身 爐底

永久層厚度/mm

350

工作層厚度/mm

500

600（加料側）/550

570

（二）轉爐爐體金屬構件設計

爐殼通常由爐帽、爐身和爐底三部分組成。

爐殼的材質力求抗蠕變強度高、焊接性能又好的材料。本設計采用鍋爐鋼板制作爐殼。根據一些爐子的爐殼尺寸，該處選為：爐帽鋼板45mm、爐身鋼板50mm、爐底鋼板45mm。

爐殼與托圈的連接選用吊掛式連接裝置。該結構是用螺栓將爐殼吊掛在托圈上，三個螺栓在圓周上呈120

?布置，且與焊在托圈蓋板上的支座絞接。

耳軸要受多種負荷的作用，必須有足夠的強度和剛度。該處耳軸選用合金鋼，且耳軸直徑為800mm，耳軸軸承采用雙列向心滾子軸承。

該處轉爐采用電動機一齒輪傳動方式。且傾動速度為0.5r/min，傾動角度為±360，無極調速。`

七、爐外精煉設備選型及連鑄機設備選型

（一）爐外精煉的功能

鋼水爐外精煉又稱鋼水二次精煉,而各種精煉設備的冶金功能又是多種多樣的。

?-2-

（二）LF精煉爐

LF精煉爐在常壓下通過電弧加熱鋼包內鋼水，并同時造高堿度合成渣精煉和底部吹氬攪拌[4]。LF爐能夠承擔電弧爐煉鋼的精煉工作，如造渣、還原、脫氧、脫氣、均勻溫度成分等。

本設計中使用三臺連鑄機，兩臺大方坯連鑄機(250mm×250mm)和一臺板坯連鑄機(200mm×1500mm)。

八、車間工藝布置方

（一）車間工藝布置方案

現代轉爐全連鑄車間主廠房各跨間的組成一般包括：轉爐爐渣間、轉爐廢鋼間、轉爐供鐵水間、裝料跨、轉爐跨、爐外精煉跨、鋼水分配跨、連鑄跨、連鑄切坯跨、連鑄出坯跨、連鑄精整跨、中間包維修跨、連鑄設備維修跨、鐵水預處理間、除塵與水處理設施、設備維修間和其他公用設施等[5]。

（二）轉爐跨布置

轉爐跨是主廠房的核心部分，本設計為公稱容量為80噸轉爐并且采用“二吹二”制吹煉模式。兩座轉爐，其中兩轉爐間距取18m，則轉爐跨長度可取72m。那么廢鋼堆放跨長度及鐵水預處理跨長度也分別取72m，則廠房總長度為3×72=216m。

（三）連鑄各跨布置

對于要求多爐連澆和快速更換中間包的連鑄機，每臺連鑄機配置2個中間包車和2個烘烤區，這樣澆注平臺的長度應為3倍中間包車長度加10～12m的安全距離。

（四）裝料跨布置

在裝料跨一端的外側建獨立的廢鋼間（一般垂直于裝料跨），此多用于廢鋼用量大的大型轉爐鋼廠。廢鋼由大型自卸汽車運入，廢鋼裝槽后，經廢鋼槽傳送車送入裝料跨待用。本設計采用這種布置方式。

1、裝料跨尺寸

裝料跨廠房的長度為鐵水供應區、廢鋼供應區和轉爐加料區三者長度之和，并加上兩端檢修吊車所需的長度。

九、結論

通過計算對于年產190萬噸的氧氣轉爐車間設計，終點鋼水的設定對于工藝參數、廠房布置的合理選取與確定。

主要表現在以下幾個方面：

1、對車間主要系統進行了充分的論證和比較確定出一套最佳方案；

2、確定了車間的工藝布置，對跨數及相對位置進行設計；

3、設備計算主要包括轉爐爐型計算，轉爐爐襯計算；

4、對車間進行計算和所用設備的規格和數量的設計。

參考文獻

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第三篇：冶金環境工程

《冶金環境工程》第一章復習資料

環境是以人類為主體的外部世界的總體，這里的外部世界主要指：人類已經認識到的直接或間接影響人類生存與發展的周圍事物。

環境是指以人類為中心的，作用于人的外界影響與力量及其范圍或境界，即人類生存的環境。環境就是人類進行生產和生活活動的場所,是人類生存和發展的物質基礎。

《中華人民共和國環境保護法》把環境定義為：影響人類生存和發展的各種天然和經過人工改造的自然因素的總體，包括大氣、水、海洋、土地、礦藏、森林、草原、野生動物、自然保護區、風景名勝、城市和鄉村等。

環境的分類

（1）按環境的要素分類：自然環境、人為環境（社會環境）

自然環境：直接或間接影響到人類的一切自然形成的物質、能量和自然現象的總體。社會環境：社會環境是人類在長期生存發展的社會勞動中所形成的，在自然環境的基礎上，人類通過長期有意識的社會勞動，加工和改造了的自然物質，所創造的物質生產體系，以及所積累的物質文化等構成的總和。如生活居住區、工業、農業、交通、名勝古跡等。

（2）按環境范圍分類按環境范圍的由小到大、由近及遠可以把環境分：

院落環境、村落環境、城市環境、地理環境、地質環境、星際環境等

環境問題的分類：

第一環境問題也稱原生環境問題，是由于自然界本身的變異造成的環境破壞問題。分兩類：一是如火山爆發、山崩、地震、海嘯、臺風、水旱災害等自然災害；二是自然界本來就存在對人類和生物有害的因素，如某些地方水土中缺少(或過多)某些人體所需的化學元素而導致疾病的發生(地方病)。

第二環境問題又稱次生環境問題，是由于人類的生產、生活活動等人為因素所引起的環境問題。第二環境問題是人類經濟社會發展與環境的關系不協調所引起的問題。

影響范圍大和危害嚴重的環境問題有三類：

一是全球性的大氣污染，如全球變暖、臭氧層耗損和酸雨范圍擴大；

二是大面積的生態破壞，如森林被毀、淡水資源短缺、水土流失，草場退化、沙漠化擴展、野生動植物物種銳減、危險廢物擴散等；

三是突發性的嚴重污染事件迭起，如1997年印尼森林火災等。

全球性環境問題：全球性氣候變暖、酸雨、臭氧層破壞、生物多樣性銳減、海洋污染、土地荒漠化、森林和草原植被減少、有毒有害廢棄物的越境轉移和擴散、淡水資源缺乏與水污染等。

環境保護：就是利用環境科學的理論與方法，協調人類和環境的關系，解決各種問題；是

保護、改善和創建環境的一切人類活動的總稱。

環境保護的內容包括兩個方面：保護自然環境、防治污染和其他公害

世界環境保護的發展歷程大致經歷了四個階段：

限制污染物排放

被動末端治理

綜合防治

經濟與環境協調發展

生態學是研究生物與它所存在的環境之間以及生物與生物之間相互關系的作用規律及其機

制的一門學科。

環境包括非生物環境和生物環境。

非生物環境由光、熱、空氣、水分和各種無機元素組成；

生物環境由作為主體生物以外的其他一切生物組成。生物包括植物、動物和微生物。

生態系統是指一定空間范圍內，生物與其所處的環境之間相互作用、相互制約、不斷演變，達到動態平衡、相對穩定的統一整體，是具有一定結構和功能的單位。

生態系統也同樣有大有小，一個池塘，一片森林或一塊草地都是一個生態系統。最復雜的生態系統就是生物圈。生物圈是地球表面全部有機體及與之發生作用的物理環境的總稱。它的范圍自海面以下約11 km到地面以上約10km。

基本概念

種群：種群是一個生物物種在一定范圍內（時空中）同種個體的總和。也就是說種群是在特定的時間和一定的空間中生活和繁殖的同種個體所組成的群體。如湖泊中的許多鯉魚就組成了鯉魚種群。

群落：是在一定的自然區域中許多不同種的生物總和（在一定范圍內所有個體的總和）。生

物群落有大有小，有的邊界明顯，有的邊界混合難分。生物群落可簡單分為植物群落、動物群

落和微生物群落三大類。

生態系統的組成：生態系統=生物部分＋非生物成分（物理環境）

（1）生物成分：包括生產者、消費者和分解者。

①生產者。生產者主要指能進行光合作用制造有機物的綠色植物，也包括光能合成細胞、單細胞的藻類，以及一些能利用化學能把無機物變為有機物的化學能自養微生物等。

②消費者。消費者是指直接或間接利用綠色植物所制造的有機物質作為食物和能量來源的各種動物、某些寄生和腐生的菌類等。

食物鏈：就是一種生物以另一種生物為食，彼此形成一個以食物聯系起來的鏈索關系。

③分解者。分解者又稱還原者，主要是指細菌和真菌等微生物和土壤中的小型動物。分解

者的作用就在于把生產者和消費者的殘體分解為簡單的物質，再供給生產者。

（2）非生物成分：包括：能源（太陽能）、生物的生存環境（水、氧、巖石、土壤等）、生

物的代謝物質（二氧化碳、無機鹽、水）。

作用：為各種生物提供必要的生存環境，為各種生物提供生長發育所必需的營養元素。

生態系統的類型

①按人為干預程度不同，生態系統可分為自然生態系統（如原始森林），半自然生態系統（如

放牧的草原、人工森林、養殖湖泊、農田等）和人工生態系統（如城市、礦區、工廠等）。

②根據環境條件的不同，生態系統通常分為水生生態系統和陸地生態系統。

水生生態系統包括海洋、河流、湖泊和沼澤等水域，根據水體的理化性質又可分為海洋和

淡水生態系統；

陸地生態系統包括陸地上的各類生物群落，根據地理位置、水、熱等條件及植被狀況可分

為森林、草原、荒漠和高山等生態系統。

生態平衡：在一定的時期內，生產者、消費者、分解者之間保持著一定的和相對的動態平衡狀態，也就是說系統的能量流動和物質循環能在較長時期內保持穩定，這種平衡狀態稱為生態平衡。

.生態系統的自凈作用：生態系統的生產者、消費者和分解者在不斷進行能量流動和物質循

環過程中，當污染物進人生態系統后，對系統的平衡產生了沖擊。為避免由此而造成的生態平衡的破壞，系統內部會產生一系列內部自我調節反應，以維持相對平衡，使污染的環境得到一

定程度的凈化。這就是生態系統的自凈作用（又稱反饋調節）。

環境的自凈能力：是指環境利用自身物理、化學和生物的凈化過程來消除污染的能力。

物理凈化：污染物因稀釋、擴散、沉淀等作用而降低濃度。

化學凈化：污染物因環境內部發生化學反應（氧化還原、化合、配位、凝聚等）而降低濃度。生物凈化：由于生物的活動而引起污染物濃度的降低。

生態系統的組成與結構越復雜，自動調節能力就越強，組成與結構越簡單，自動調節能力

就越弱。

環境污染：有害物質或因子進入環境，并在環境中擴散、遷移、轉化，使環境系統的結構

和功能發生變化，對人類或其他生物的正常生存和發展產生不利影響的現象。

對于環境污染而言，環境具有一定的自凈能力，環境的自凈也可使生態系統保持相對的平

衡。但生態系統的調節使有一定限度的，超出這個限度，調節就不在起作用，生態就遭到破壞，即造成環境污染。環境污染＝人類各種活動的沖擊 一 自然界生態系統恢復平衡的能力

生態系統的功能：生態系統的基本功能是生物生產、能量流動、物質循環和信息傳遞。

破壞生態平衡的因素

（一）自然因素：指自然界發生的異常變化或自然界本來就存在的對人類和生物的有害因素。

（二）人為因素：指人類對自然資源的不合理利用、工農業發展帶來的環境污染等問題。

綠色植物的作用：調節氣候、保持水土、防風固沙、凈化空氣、防止大氣污染、減輕噪音

等作用。具體方式：①吸收二氧化碳，放出氧氣。②對降塵和飄塵有滯留和過濾作用。③吸收空氣中的有害物質。

土地—植物系統對污染物的凈化作用。它是通過以下幾方面來實現的。

①植物根系的吸收、轉化、降解和合成作用。

②土壤中的真菌、細菌和放線菌等微生物區系對污染物的降解、轉化和生物固定作用。

③土壤中的動物區系對含有氮、磷、鉀的有機物質的代謝作用。

第四篇：冶金論文

重慶科技學院 冶金工程概論課程論文

計算機技術在冶金企業中的應用于發展趨勢

摘要：主要介紹了仿真技術，三維空間計算機輔助技術，計算機輔助工程（CAE）等概況及應用。

關鍵詞：計算機仿真 三維空間 計算機輔助工程

1仿真技術

1.1仿真技術的概述

仿真技術亦稱為模擬技術。仿真技術是以相似原理、信息技術、系統技術及其應用領域有關的專業技術為基礎，以計算機和各種物理效應設備為工具，利用系統模型對實際的或設想的系統進行試驗研究的一門綜合性技術。仿真技術集成了當代科學技術中多種現代化頂尖手段，極大地擴展了人類的視野和時限能力，在科學技術領域產生著日益重要的作用。

隨著計算機軟硬件的高速發展,使得計算機模擬仿真技術也得到了長足的發展,目前計算機模擬仿真技術已經在國內外廣泛應用。計算機模擬與仿真技術在冶煉、精煉、連鑄、軋制過程的流場、溫度場、應力場以及金屬組織性能的預測與控制,鋼鐵制造過程的成分與板形精確控制、工藝技術優化、新產品開發的預先模擬試驗,都需要模擬與仿真。它不但可以節約新產品、工藝開發時間和費用,提高試驗成功率,而且,容易形成企業自主知識產權的工藝與產品,從國內外鋼鐵企業的發展來看,企業的核心技術部分來自于計算機模擬與仿真技術以及數據積累而形成的精確控制模型。

1.2仿真技術的應用

我國在這一領域起步較晚,但是隨著科學技術的發展,以及市場競爭的日益激烈,很多企業都在工藝方面加強力度,目前很多研究機構及高校利用有限元分析對于冶煉過程和軋制過程進行了相關研究。國內各大鋼鐵公司利用模擬仿真技術,針對型鋼的軋制過程進行了相關理論研究工作,在新規格、新產品的開發方面取得突破,同時對汽車用鋼進行了模擬分析,直接對其客戶進行仿真分析及模具設計的理論支持。有限元軟件中的Multiphysics模塊主要用于結構和溫度場分析,屬于多物理耦合場分析模塊:LS-DYNA模塊主要用于大變形分析,例如軋制、沖壓等;CFX模塊主要用于流場分析,例如在冶金界的高爐、轉爐、電爐、大包、中間包、結晶器等方面的流場分析:DYNAFORM模塊主要用于沖壓成形,例如汽車板的沖壓。

2三維空間計算機輔助技術

2.1三維空間計算機輔助設計技術的概述

三維空間計算機輔助設計技術的最大特點是：所見即所得。就是說設計人員通過各種三維空間軟件在計算機上進行建立模型操作，通過軟件的渲染，功能就能真實表現出實際需要的各種實體模型。而且三維空間軟件都有巡視功能，操作者可以通過移動鼠標調整視線的不同位置來觀察，甚至把自己置身一個煉鋼廠房中查看整個冶金工藝流線的各種設備和管道的布置。

2.2三維空間計算機輔助技術的應用

根據工藝專業所提設計資料通過CAD軟件（CAD、3D CAD、PKP Mcad等平面及三維設計軟件）作圖繪制。而后進行確認，同時進行實體模型的建立和渲染。大型冶金工業設計牽扯工藝、設備、建筑、結構、通風、給排水等多個專業，各專業之間需要協調工作才能完成設計任務。隨著計算機網絡技術的日臻成熟，現已可以實現不同專業、多工作站共同工作的網絡平臺三維空間計算機輔助設計技術的應用。各專業設計工作通過網絡平臺的三維空間計算機輔助設計技術互相對設計方案進行調整，直至符合要求。

三維空間技術的載體是計算機系統。系統組成分硬件和軟件。硬件主要有性能優良的計算機，大屏幕顯示器，彩色噴墨打印機；軟件主要有Windows操作系統，CAD、3DCAD、PKPMcad等平面及三維設計軟件。大型冶金企業設計牽扯工藝、設備、建筑、結構、通風、給排水等多個專業，各專業之間需要協調工作才能完成設計任務。隨著計算機網絡技術的快速發展，現已實現不同專業、多工作站共同工作的網絡平臺三維空間計算機輔助設計技術的應用。

3計算機輔助工程

3.1計算機輔助工程的概述

計算機輔助工程(CAE),包括工程和制造業信息化的所有方面,但是傳統的CAE主要指用計算機對工程和產品的功能、性能與安全可靠性進行計算和優化設計,對未來的工作狀態和運行行為進行模擬仿真,及早發現設計缺損,改進和優化設計方案, 證實未來工程或產品的可用性和可靠性。

CAE技術主要體現在有限元分析、虛擬仿真技術和優化設計三個方面。有限元分析的主要對象是零件級,包括結構剛度、強度分析、非線性和熱場計算等內容;虛擬仿真技術的主要對象是分系統或系統,包括虛擬樣機、流場計算和電磁場計算等內容;優化設計的主要對象是結構設計參數。

從運用有限元法對已設計工程或產品的性能進行簡單校核,逐步發展到對工程或產品性能的準確預測,再到對工程或產品工作過程的精確模擬仿真,有限元法和仿真技術發揮了重要作用,提高了工程或產品的性能、質量。而最優化技術的采用又降低了工程或產品的成本,縮短了開發周期,減輕了人的勞動,并大大增

強了產品的競爭力。

在工程中應用CAE技術,需要一個載體,而 CAE技術的載體就是CAE軟件。CAE軟件是結合計算力學、計算數學、相關的工程科學、工程管理學和現代計算技術,而形成的綜合性、知識密集型信息產品,是實現工程或產品的計算分析、模擬仿真與優化設計的工程軟件,是支持工程科學家進行創新研究和工程師進行創新設計最重要的工具和手段。

常規的通用CAE軟件一般均由前處理、有限元分析、后處理三部分組成,每部分的組成及功能如表 1所示。

表1 通用CAE軟件的組成及功能

名稱 組成及功能

前處理 三維實體建模與參數化建模，構建的布爾運算，有限元剖分與節點編號，節點參

數生成，載荷與材料數據輸入，節點載荷生成，有限元模型信息的生成等

有限元

分析 有限單元庫，材料庫及相關算法庫，約束處理算法，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫及相應的有限元系統組裝模塊庫等

后處理 有限元分析結果的數據平滑，各種物理量的加工與顯示，根據設計要求對產品按

工程規范進行設計數據檢驗，優化設計，繪制設計圖等

3.2 計算機輔助工程的應用

鋼鐵工業是世界工業化過程中最具成長性的產業之一,長期成為各個工業化國家的重要產業。在我國,雖然整個現代化建設以傳統原材料為基礎的狀況已在發生改變,但鋼鐵仍是基本的結構材料和產量最大的功能材料。鋼鐵工業具有很強的產業關聯性,上游影響交通運輸、采礦、耐火材料等產業,下游影響建筑、汽車、造船、金屬制品、機械電子等行業。鋼鐵工業依然是工業化國家最重要的產業部門之一,其發展狀況也是衡量其工業水平和綜合國力的重要指標。世界范圍內鋼鐵工業正面臨著新技術蓬勃發展、結構變革的局面。用高新技術改造傳統鋼鐵工業,加速結構優化,提高市場競爭力,是發展鋼鐵工業的主流趨勢。計算機輔助工程(CAE)技術以其高效率、低成本的優勢在鋼鐵工業中得到了廣泛的應用。通過CAE技術,可以對鋼鐵工業中從冶煉到加工的各個工藝過程進行計算機過程模擬、系統優化、自動控制,采用計算機對生產過程、工藝參數及生產結果進行模擬和對整個系統進行優化,以實現生產的超前規劃和設計。

冶金設備作為冶金技術的載體,本身具有大型、重載、高速、連續、自動化、精密化等特點,而且往往工作在高溫、重載、高粉塵、大沖擊等惡劣條件下,許多性能無法采用實物試驗的方法獲得。近年來,國內外冶金生產中,不斷出現重大設備事故,也都涉及到設備的力學行為。同時,冶金工業的發展對機械設備的性能和

使用條件提出了許多新的要求。如近年出現的短流程技術及連鑄連軋技術,這些關鍵技術集中表現為要解決的關鍵結構設計及力學問題,包括強度問題、運動學及動力學問題和傳熱及熱應力問題,也對冶金機械設計研究和開發提出了更高的要求。因此CAE技術在冶金設備的設計研究上也得到了廣泛的應用。

目前CAE技術在煉鐵生產中取得的主要成果有:采用有限元法建立高爐復雜料面及中心裝焦條件下的煤氣流場和壓力場解析模型、高爐固態爐料流場和勢函數解析模型，分析高爐中心裝焦條件下的高爐狀況。利用CAE技術計算分析高爐冷卻水的穩定性、流速、冷卻水管與冷卻壁本體的間隙及冷卻的高度對長壽高效高爐冷卻壁壽命的影響。采用有限元法對高爐爐體結構進行應力分析等。在煉鐵機械設計優化方面，CAE主要發揮作用在于針對上料系統、燒結機、球團造球機、回轉窯等一系列相關設備的力學分析和優化設計，提高了機械設備的效率和壽命，降低了機械的制造成本，在改善噪音和震動方面也發揮了重要作用。

結束語：隨著計算機技術的快速發展，冶金企業中許多以前無法解決的復雜計算和過程控制，如今借助計算機技術都可實現或者有望解決。現代冶金企業領域將越來越多地使用和依靠計算機技術來處理難以用常規手段解決的問題。仿真技術在冶金企業中冶煉、精煉、連鑄、軋制過程的流場、溫度場、應力場以及金屬組織性能的預測與控制,鋼鐵制造過程的成分與板形精確控制、工藝技術優化、新產品開發的預先模擬試驗,都得到了快速發展，且不可缺少的技術手段。三維空間計算機輔助設計技術的在冶金設計中的應用極大的提高了設計效率和設計質量。在冶金工業設計和施工中再也不會出現設備、管道、主體結構打架的情況了。三維空間計算機輔助設計技術的發展將會在國家實現技術現代化的復興中起到關鍵性的作用。CAE技術已成為鋼鐵工業中新工藝和新產品的開發研制、生產工藝優化、設備能力考察和優化設計過程中不可缺少的重要手段，其應用前景也越來越廣。

參考文獻

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第五篇：冶金論文

鋼鐵冶金企業防火對策

摘要：針對于鋼鐵冶金企業規模擴大的同時，我們有必要考慮到在鋼鐵冶金生產中的消防安全問題，以保證安全生產和在生產過程中生產人員以及生產設備的安全。從而以保證鋼鐵生產對國民經濟的促進和保證，使鋼鐵冶金生產達到穩定，不會因消防安全問題帶來巨大的損失。

關鍵詞：鋼鐵冶金 ；消防安全 ；防火措施

引言：隨著科技進步和經濟發展, 鋼鐵冶金企業規模越來越大, 鋼鐵產量逐年提高, 對國民經濟起到了重要的影響作用。但鋼鐵冶金企業的消防安全形勢卻不容樂觀,近十年來發生了多起重特大火災, 損失巨大。

1.鋼鐵聯合企業的生產

1.1鐵礦石的開采要求

鐵礦石開采技術要求:一般來說，必須有工業價值的礦床，然后才能考慮開采問題。

因為我國富鐵礦石不多，品味越高，質量越好，我國的工業品味定在大于45%,含磷越低，鐵礦石的冶煉和分選的成本越低，是冶煉廠青睞的，價格越較高。

1.2開采設備

開采設備分兩種：

1.露天開采：成本低，利潤高，主要是利用挖掘機，裝載機，汽車，風鉆機，炸藥等。

露天開采的采礦工藝，長期采用全境推進，寬臺階緩幫作業的采剝工藝，現在已開始轉向陡幫開采，橫向推進新工藝。在爆破器材和技術方面也有所發展，陸續采用了巖石炸藥，銨油炸藥，硝銨炸藥乳化油炸藥等等，在生產中應用了大區多排孔微差爆破技術。

2.地下開采：成本較高，還需要坑道支架和通風設備，鋪設礦山軌道，利用專門設備小火車運到地表。

目前，地下采礦的開采方法主要是無底柱采礦法，大約占72%，其次是淺孔流礦法，占9%，房柱式和壁式采礦法占8%，空場法占7%，有底柱分段崩落采礦法占3%，充填法占1%，地下開采的礦山巷道支護由50年代的木支護發展到了現在木支護，混凝土支護和噴錨支護三種方法并存的局面，鑿巖裝運也逐步向機械化方向發展，現在已普遍采用鑿巖臺車鑿巖，裝運機鏟裝，電機車運輸。由于采礦方法，技術裝備，支護方法等方面的不斷改進，地下礦山的全員勞動生產率有了很大提高。

如果是向冶煉廠提供礦石，聯系到火車車皮就行，如果是提供半成品，還需要一套設備，把礦石磨細，進行初步分選然后提供給冶煉廠。

1.3選礦

在礦山要對鐵礦石和煤炭進行采選，將精選煉焦煤和品位達到要求的鐵礦石，通過陸路運送到鋼鐵企業的原料廠進行配煤和配礦、混勻，在分別在焦化廠和燒結廠煉

焦和燒結，獲得符合高爐煉鐵質量要求的焦炭和燒結礦。

1.4冶煉

高爐是煉鐵的主要設備，使用的原料有鐵礦石、焦炭和少量溶劑，產品為鐵水、高爐煤氣和高爐渣。鐵水送煉鋼廠煉鋼;高爐煤氣主要用來燒熱風爐，同時供煉鋼廠和軋鋼廠使用；高爐渣經水淬后送水泥廠生產水泥。煉鋼主要有轉爐煉鋼和電爐煉鋼流程。通常將“高爐—鐵水預處理—轉爐—精煉—連鑄”稱為長流程，而將“廢鋼—電爐—精煉—連鑄”稱為短流程。目前，大多數短流程鋼鐵生產企業也開始建高爐和相應的鐵前系統，電爐采用廢鋼+鐵水熱裝技術吹氧熔煉鋼水，降低了電耗，縮短了冶煉周期，提高了鋼水質量，擴大了品種，降低了生產成本。

2.冶金與消防的聯系

2.1火災案例的統計與分析

鋼鐵冶金企業規模龐大、工藝復雜、流程性強, 在冶煉和熱加工過程中需要耗用大量的煤、焦炭、燃油和電能, 鋼鐵冶煉的生產過程屬于高溫、高壓的生產過程。雖然生產鋼鐵的原料和其成品本身都是不燃燒物,但是在生產和加工過程中需要大量使用燃料和易燃、易爆氣體, 如純氧、氫氣、乙炔等, 而且, 鋼鐵冶煉過程中要產生大量易燃易爆氣體, 如高爐煤氣、轉爐煤氣等。正是由于鋼鐵冶金企業的這些行業特點決定了鋼鐵冶金企業火災事故具有多發性和高損失的特點。

表1 是對近十年來鋼鐵冶金企業在生產過程中發生的74起火災實例及其起火部位和火災類型的統計和分析。雖然有限的火災次數統計不能完全代表鋼鐵冶金企業的實際情況, 但還是可以看出火災易發部位和重點防火區域。

2.2火災危險性分析

2.2.1火災重點防火區域

鋼鐵冶金企業的重點防火區域可分為以下8 類:

(1)電纜夾層、電氣地下室、電纜隧道、電纜豎井等電纜火災危險場所;(2)液壓站、潤滑油站(庫)、儲油間、油管廊等以中、高閃點油類為主的可燃液體火災危險場所;(3)變壓器、電氣控制室等電氣火災危險場所;(4)生產、儲存、使用可燃氣體或其它粉料的爆炸性火災危險場所;(5)苯、涂料等低閃點可燃液體火災危險場所;(6)煤、炭等物料運輸皮帶系統火災危險場所;(7)不銹鋼冷軋機、修磨機及熱軋機等生產設施;(8)辦公樓、化驗樓等中、輕危險等級場所。

僅針對鋼鐵冶金企業中火災發生次數最多的電纜火災危險場所及電氣火災危險場所進行分析。

2.2.2火災危險性分析

2.2.2.1電纜火災危險場所

鋼鐵冶金企業存在著大量的電纜隧道、電纜夾層、電氣地下室及電纜溝等, 在這些區域內, 電纜布置密集, 數量巨大, 環境惡劣, 相互貫通, 遇到電纜本身故障和外界火源, 很容易引起電纜著火, 造成巨大損失。電纜火災事故不論是由外界火源引起的, 還是由于電纜本身故障引起, 在著火后, 都具有下列特點: 一是火勢兇猛, 蔓延迅速。電纜本身是可燃的物質, 尤其是聚氯乙炔等塑料電纜和充油電纜, 更易著火蔓延, 而且電纜隧道內的電纜為大量密集交叉或架空敷設, 一旦著火, 會沿著電纜群束迅速延燃擴大。試驗研究表明, 電纜著火后最快傳播速度可達20 m ?m in。而多起重大火災案例分析也表明, 約10～ 20 m in 后, 大火便順著電纜延燃到主控制室、繼電室等場所燒毀控制盤、繼電盤、儀表盤等, 損失十分嚴重。二是撲救困難, 易引發二次危害。電纜隧道一般都縱深距離長, 寬度窄, 火災時極易堵塞;同時由于電纜隧道中散熱困難, 熱煙無法順利排出。試驗表明, 起火隧道的溫度可由400 ℃很快上升到800～ 900 ℃, 易較快發生轟燃。同時, 由于隧道處于地下, 撲救時無法觀察火災狀況和具體位置,選擇火災撲救路線困難, 只能通過隧道出入口進入, 且地下照明條件差, 不易迅速接近起火位置。地下建筑物結構對于通信設備的干擾等等因素都造成了火災撲救的困難。三是火災損傷嚴重, 修復時間長。電纜火災事故造成損傷嚴重, 不僅直接燒毀大量的電纜和其他設備, 同時還有其他特殊危害, 如控制回路失靈等而造成事故擴大。據統計, 1960～ 1984 年電力行業的62 次電纜火災, 修復超過1 個月的占有35 次, 占總數的56% , 達半年以上的有16 次, 占總數的16% , 間接損失巨大。

電纜火災事故發生原因歸納起來有兩個, 一是由于電纜過熱、短路、絕緣老化或絕緣性變壞等內因引起的火災事故;二是由于外界火源等可燃物著火波及下的外因引起的火災事故。據本次調查的統計, 在26 例各種原因、不同區域電纜火災中, 因電纜本身故障引發的火災占16 起, 占到了總數的62% , 外因導致的火災事故共10起, 約占38%。

2.2.2.2電氣火災危險場所

鋼鐵企業存在著大量的、繁簡不一的電氣室、控制室、操作室、儀表室、計算機室等, 其內部存有大量的電纜和用電設備, 在設備故障或線路短路時極易發生火災, 而且一旦發生火災, 將會影響全局, 造成大面積的停產, 損失巨大。

2.3防火對策

鋼鐵冶金企業防火設計應充分考慮鋼鐵冶金企業各系統的特點和火災危險性, 并從防火目標的提出、工藝生產系統的特點、明確鋼鐵冶金企業的重點防火區域以及如何采取確實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體系化標準, 以確保真正的生產安全。

2.3.1防火設計目標

對于鋼鐵冶金企業中的重要防火區域, 應從“防止發生火災;快速探測并撲滅已發生的火災;防止尚未撲滅的火災蔓延而減輕火災”的角度來形成設計目標。“防止發生火災”, 是要求將鋼鐵冶金企業運行中發生火災的概率降至最低, 需要將防火設計結合工藝和生產管理統一考慮。“快速探測并撲滅已發生的火災”, 是要求采用自動、半自動等主動的消防技術, 實現火災的早期探測和早期撲滅, 從而減少火災的損害。“防止尚未撲滅的火災蔓延而減輕火災”, 是要求采用被動防火分隔, 延緩或阻止火災的發展, 贏得救援時間。

2.3.2防火設計要素

一是建筑防火部分。要緊密結合鋼鐵冶金企業的實際情況, 對各建(構)筑物及工藝設施的火災危險性進行全面、詳盡而科學的分類, 從安全疏散、建筑構造等方面

加以考慮。二是工藝系統的防火設計, 這是工業消防中應重點關注的問題。首先, 確定工藝系統中的重點防火區域和區域內的主要建(構)筑物及設施, 根據火災危險性分類, 采取相應的防火保護措施, 避免引發火災, 降低燃燒幾率, 控制火災的蔓延燃燒。其次, 確定在發生火災的情況下, 人員施救的必備措施和設施, 確保消防人員可以進入場所進行撲救。最后, 便是確定在發生火災的情況下, 是否啟動自動滅火系統的工藝要求。自動滅火系統應結合工藝安全因素, 確定合適的啟動、退出時機。三是火災報警、防排煙、消防電氣等系統部分。從主動防火、消防系統工作保障等方面予以考慮。

2.3.3統一規劃

鋼鐵冶金企業由于企業內部發展的需要, 每年都有大量的新建、改建及擴建項目, 這些項目由于建造時間不一, 所遵循的建造標準也不統一, 導致各工藝系統的防火安全保證能力不一致。而鋼鐵冶金企業由于其流程性生產性質的要求, 生產工藝中每一環節的不安全都可能導致其它系統不能正常生產, 因此, 不論從技術層面、資源共享、維護管理、可持續發展等方面都應統一進行消防規劃。

2.3.4消防安全評估

鋼鐵冶金企業的消防安全是一個比較寬泛的概念,涉及的方面較多, 最重要的便是生產工藝與火災的發生息息相關。一方面火災會造成工業企業重要物項或工藝過程的損害和直、間接損失;另一方面工藝安全的因素也會造成火災, 而進一步致損。因此, 消防安全和生產安全是不可分割的, 需要結合工藝生產安全因素進行綜合的消防安全評估。

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