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转炉炼钢毕业论文


毕 业 论 文
论文题目: 论文题目:转炉炼钢生产技术



别 冶金

专业年级 学生姓名 学号 指导教师 日 期 职称

2011 年 9 月

目录
一、 引言…………………………………………………………3-4 二、 主体…………………………………………………………4-5 (一) 顶吹氧气转炉炼钢工艺特点…………………………4-5 (二) 转炉设备………………………………………………5-8 (三) 转炉冶炼工艺……………………………………………5 3.1 装料制度……………………………………………5-6 3.2 供氧制度………………………………………………6 3.3 造渣制度……………………………………………6-7 3.4 温度制度……………………………………………7-8 3.5 终点控制及合金化制度………………………………8 (四)转炉炼钢流程介绍…………………………………………8 4.1 转炉冶炼目的……………………………………………8-9 4.2 转炉冶炼原理简介……………………………………9-10 4.3 转炉炼钢主要工艺设备简介……………………………10-11 4.4 转炉炉体工艺参数………………………………………11-12 (五)转炉炼钢氧枪枪位控制……………………………………………12 5.1 前言…………………………………………………12-13 5.2 枪位控制………………………………………………13-16 5.3 枪位自学习……………………………………………17 5.4 仿真研究………………………………………………17-18 (六)冶炼技巧…………………………………………………18 (七)转炉耐火材料及护炉技术…………………………………18-19 (八)我国转炉的发展状况………………………………………19-20 (九)氧气顶吹转炉炼钢钢的品种和质量…………………………20-22 三、总结转炉炼钢的科研方向……………………………………………23-24 致谢………………………………………………………………………25 附件………………………………………………………………………26

转炉炼钢生产技术
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一、 引言 早在 1856 年德国人贝赛麦就发明了底吹酸性转炉炼钢法,这种方法是 近代炼钢法的开端,它为人类生产了大量廉价钢,促进了欧洲的工业革命。 但由于此法不能去除硫和磷,因而其发展受到了限制。1879 年出现 了托 马斯底吹碱性转炉炼钢法,它使用带有碱性炉衬的转炉来处理高磷生铁。 虽然转炉法可 以大量生产钢,但它对生铁成分有着较严格的要求,而且一 般不能多用废钢 。随着工业 的进一步发展,废钢越来越多。在酸性转炉 炼钢法发明不到十年,法国人马丁利用蓄热原理,在 1864 年创立了平炉炼 钢法,1888 年出现了碱性平炉。平炉炼钢法对原料的要求不那么严格,容 量大,生产的品种多,所以不到 20 年它就成为世界上主要的炼钢方法,直 到 20 世纪 50 年代,在世界钢产量中,约 85%是平炉炼出来的。1952 年在 奥地利 出现纯氧顶吹转炉,它解决了钢中氮和其他有害杂质的含量问题, 使质量接近平炉钢,同时减少了随废气(当用普通空气吹炼时,空气含 79 % 无用的氮)损失的热量,可以吹炼温度较低的平炉生铁,因而节省了高炉 的焦炭耗量,且能使用更多的废钢 。由于转炉炼钢速度快(炼一炉钢约 10min,而平炉则需 7h),负能炼钢,节约能源,故转炉炼钢成为当代炼钢 的主流。

转炉炼钢(图 2)

其实 130 年以前贝斯麦发明底吹空气炼钢法时,就提出了用氧气炼钢的设 想,但受当时条件的限制没能实现。直到 20 世纪 50 年代初奥地利的 Voest Alpine 公司才将氧气炼钢用于工业生产,从而诞生了氧气顶吹转炉,亦称 LD 转炉。顶吹转炉问世后,其发展速度非常快,到 1968 年出现氧气底吹法 时,全世界顶吹法产钢能力已达 2.6 亿吨,占绝对垄断地位。1970 年后, 由于发明了用碳氢化合物保护的双层套管式底吹氧枪而出现了底吹法,各 种类型的底吹法转炉(如 OBM,Q-BOP,LSW 等)在实际生产中显示出许多 优于顶吹转炉之处,使一直居于首位的顶吹法受到挑战和冲击。 顶吹法的特点决定了它具有渣中含铁高,钢水含氧高,废气铁尘损失 大和冶炼超低碳钢 困难等缺点,而底吹法则在很大程度上能克服这些缺 点。但由于底吹法用碳氢化合物冷却喷嘴,钢水含氢量偏高,需在停吹后
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喷吹惰性气体进行清洗。基于以上两种方法在冶金学上显现出的明显差别, 故在 20 世纪 70 年代以后,国外许多国家着手研究结合两种方法优点的顶 底复吹冶炼法。继奥地利人 Dr.Eduard 等于 1973 年研究转炉顶底复吹炼钢 之后,世界各国普遍开展了转炉复吹的研究工作,出现了各种类型的复吹 转炉,到 20 世纪 80 年代初开始正式用于生产。由于它 比顶吹和底吹法都 更优越,加上转炉复吹现场改造 比较容易,使之几年时间就在全世界范围 得到普遍应用,有的国家(如日本)已基本上淘汰了单纯的顶吹转炉。 传统的转炉炼钢过程是将高炉来的铁水经混铁炉混匀后兑入转炉,并 按一定 比例装入废钢,然后降下水冷氧枪以一定的供氧、枪位和造渣制度 吹氧冶炼。当达到吹炼终点时,提枪倒炉,测温和取样化验成分,如钢水 温度和成分达到 目标值范围就 出钢。否则,降下氧枪进行再吹。在出钢 过程中,向钢包中加入脱氧剂和铁合金进行脱氧、合金化。然后,钢水送 模铸场或连铸车间铸锭。

转炉炼钢(图 3)

随着用户对钢材性能和质量的要求越来越 高,钢材的应用范围越来越广,同时钢铁生产企业也对提高产品产量和质 量,扩大品种,节约能源和降低成本越来越重视。在这种情况下,转炉生 产工艺流程发生了很大变化。铁水预处理、复吹转炉、炉外精炼、连铸技 术的发展,打破了传统的转炉炼钢模式。已由单纯用转炉冶炼发展为铁水 预处理——复吹转炉吹炼——炉外精炼——连铸这一新的工艺流程。这一 流程以设备大型化、现代化和连续化为特点。氧气转炉已由原来的主导地 位变为新流程的一个环节,主要承担钢水脱碳和升温的任务了。 二、主体:转炉炼钢的主要生产力 (一)、顶吹氧气转炉炼钢工艺特点: 完全依靠铁水氧化带来的化学热及物理热; 生产率高(冶炼时间在 20 分钟以内); 质量好(*气体含量少:(因为 CO 的反应搅拌,将 N、 H 除去)可以生产 超纯净钢,有害成份(S、P、N、H、O)〈80ppm; 冶炼成本低,耐火材料用量比平炉及电炉用量低; 原材料适应性强,高 P、低 P 都可以。 (二)、转炉设备: 转炉炉体及转炉倾动系统
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铁水、废钢、散状材料设备 氧枪提升机构 转炉炉体及转炉倾动系统

(三)、转炉冶炼工艺: 转炉冶炼五大制度: 装料制度、供氧制度、造渣制度、温度制度、终点 控制及合金化制度。

3.1、装料制度 确定合理的装入量,需考虑的两个参数: 炉容比:(V/T,m3/t),0.8-1.05(30-300t 转炉); 熔池深度:需大于氧气射流的冲击深度 800-2000mm (30-300t 转炉) 装料制度:定量装入、定深装入;分阶段定量装入。 分阶段定量装入:1-50 炉,51-200 炉,200 炉以上,枪位每天要校正。 交接班看枪位。

3.2、供氧制度 基本操作参数 供氧强度 Nm3/t.min
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氧气流量 Nm3/h 操作氧压 Mpa 氧枪枪位 m 供氧强度(Nm3/t.min) 决定冶炼时间,但太大,喷溅可能性增大,一 般 3.0-4.0。 氧气流量大小(Nm3/h): 装入量,C、Mn、Si 的含量,由物料平衡计算得到,50-65Nm3/h。 氧压(Mpa) 喷头的喉口及马赫数一定, 大, P 流量大,有一范围 0.8-1.2Mpa。 氧枪枪位,由冲击深度决定,1/3-1/2 吨钢耗氧量计算: % C Si Mn P S 铁水成分 4 .3 0 0 .8 0 0 .2 0 0 .1 3 0.04 成品成分 0.20 0.27 0.50 0.02 转炉公称容量为 100 吨时,炉渣量为 :100×10%=10 吨 铁损耗氧量 10×15%×16/(16+56)=0.33 吨 [C]→[CO] 耗氧量 100×(4.30%-0.20%)×90%×16/12=4.92 吨 [C]→[CO2] 耗氧量 100×(4.30%-0.20%)×10%×32/12=1.09 吨 [Si]→[SiO2]耗氧量 100×0.8%×32/28=0.914 吨 [Mn]→[MnO]耗氧量 100×0.2%×16/55=0.058 吨 [P]→[P2O5] 耗氧量 100×0.13%×(16×5)/(31×2)=0.168 吨 [S] 1/3 被气化为 SO2, 2/3 与 CaO 反应生成 CaS 进入渣中, 则[S]不 耗氧。 总 耗 氧 量 = 0.33+4.92+1.09+0.914+0.058+0.168=7.48 吨 /1.429 = 5236Nm3 实际耗氧量=5236/0.9/99.5%=5847Nm3 实际吨钢耗氧量=5847/100=58.37Nm3/t 两种操作方式: 软吹:低压、高枪位,吹入的氧在渣层中,渣中 FeO 升高、有利于脱磷; 硬吹:高压低枪位(与软吹相反),脱 P 不好,但脱 C 好,穿透能力强,脱 C 反应激烈 。 氧枪操作方式 氧枪操作就是调节氧压和枪位。 氧枪的操作方式: 衡枪变压 :压力控制不稳定,阀门控制不好; 恒压变枪:压力不变,枪位变化,目前主要操作方式 3.3、造渣制度 炼钢就是炼渣。 造渣的目的:通过造渣,脱 P、减少喷溅、保护炉衬。 造渣制度:确定合适的造渣方式、渣料的加入数量和时间、成渣速度。 渣的特点:一定碱度、良好的流动性、合适的 FeO 及 MgO、正常泡沫化
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的熔渣 造渣方式: 单渣法:铁水 Si、P 低,或冶炼要求低。 双渣法:铁水 Si、P 高,或冶炼要求高。 留渣法:利用终渣的热及 FeO,为下炉准备。 成渣速度 转炉冶炼时间短,快速成渣是非常重要的,石灰的溶解是决定冶炼速度的 重要因素。 石灰的熔解: 开始吹氧时渣中主要是 SiO,MnO,FeO,是酸性渣,加石灰后,石灰溶 解速度,可用下式表 J=K(CaO+1.35MgO-1.09SiO2+2.75FeO+1.9MnO-39.1) 形成 2CaO*SiO2,难熔渣。FeO,MnO,MgO 可加速石灰熔化。因为可降低炉 渣粘度,破坏 2CaO*SiO2 的存在。 采用软烧活性石灰、加矿石、萤石及吹氧加速成渣。 。 成渣途径 钙质成渣 低枪位操作,渣中 FeO 含量下降很快,碳接近终点时,渣中铁才回升。 。 适用于低磷铁水、对炉衬寿命有好处。 铁质成渣过程 高枪位操作,渣中 FeO 含量保持较高水平,碳接近终点时,渣中铁 才下降。 适用于高磷铁水、对炉衬侵蚀严重;FeO 高,炉渣泡沫化严重,易产 生喷溅。 吹炼过程熔池渣的变化

3.4、温度制度 温度控制就是确定冷却剂加入的数量和时间 影响终点温度的因素: 铁水成分:[%Si]=0.1,升高炉温约 15 ℃ 铁水温度:铁水温度提高 10℃,钢水温度约提高 6 ℃(30t) 铁水装入量: 每增加 1 吨铁水, 终点钢水温度约提高 8 ℃ (30t) 废钢加入量: 每增加 1 吨废钢, 终点钢水温度约下降 45 ℃ (30t) 此外,炉龄、终点碳、吹炼时间、喷溅等有影响 温度控制措施:
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熔池升温: 降枪脱 C、氧化熔池金属铁。金属收到率降低; 熔池降温: 加冷却剂(矿石、球团矿、氧化铁皮、废钢);废钢冶炼时一般不加。 3.5、终点控制及合金化制度: 终点控制指终点温度和成分的控制 终点标志: 钢中碳含量达到所炼钢种的控制范围 钢中 P 达到要求 出钢温度达到要求 终点控制方法: 终点碳控制的方法: 一次拉碳法、增碳法、高拉补吹法。 一次拉碳法:按出钢要求的终点碳和温度进行吹炼,当达到要求时 提枪。操作要求较高。优点:终点渣 FeO 低,钢中有害气体少,不加增碳 剂,钢水洁净。氧耗较小,节约增碳剂。 增碳法:所有钢种均将碳吹到 0.05%左右,按钢种加增碳剂。优点: 操作简单,生产率高,易实现自动控制,废钢比高。 高拉补吹法:当冶炼中,高碳钢种时,终点按钢种规格略高一些进 行拉碳,待测温、取样后按分析结果与规格的差值决定补吹时间。 终点温度确定: 所炼钢种熔点: T=1538-∑△T×j △T: 钢中某元素含量增加 1%时使铁的熔点降低值, j 钢中某元素%含量。 考虑到钢包运行、镇静吹氩、连铸等要求

(四) 、转炉炼钢流程介绍
转炉炼钢是把氧气鼓入熔融的生铁里,使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放 出大量的热量 (含 1%的硅可使生铁的温度升高 200 摄氏度),可使炉内达到足 够高的温度。 因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。 炼钢的基本任务是脱碳、 脱磷、 脱硫、 脱氧, 去除有害气体和非金属夹杂物, 提高温度和调整成分。 归纳为: “四 脱”(碳、氧、磷和硫),“二去”(去气和去夹杂),“二调整”(成分和温 度)。采用的主要技术手段为:供氧,造渣,升温,加脱氧剂和合金化操作。本 专题将详细介绍转炉炼钢生产的工艺流程, 主要工艺设备的工作原理以及控制要 求等信息。 由于时间的仓促和编辑水平有限, 专题中难免出现遗漏或错误的地方, 欢迎大家补充指正。 4.1、 转炉冶炼目的: : 将生铁里的碳及其它杂质(如:硅、锰)等氧化,产出比铁 的物理、化学性能与力学性能更好的钢。 钢与生铁的区别:首先是碳的含量,理论上一般把碳含量小于 2.11%称之钢,
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它的熔点在 1450-1500℃,而生铁的熔点在 1100-1200℃。在钢中碳元素和铁元 素形成 Fe3C 固熔体,随着碳含量的增加,其强度、硬度增加,而塑性和冲击韧 性降低。钢具有很好的物理、化学性能与力学性能,可进行拉、压、轧、冲、拔 等深加工,其用途十分广泛。 氧气顶吹转炉炼钢设备工艺: 如图 4 所示。按照配料要求,先把废钢等装入炉内,然后倒入铁水,并加 入适量的造渣材料(如生石灰等)。加料后,把氧气喷枪从炉顶插入炉内, 吹入氧气(纯度大于 99%的高压氧气流),使它直接跟高温的铁水发生氧 化反应,除去杂质。用纯氧代替空气可以克服由于空气里的氮气的

影响而使钢质变脆,以及氮气排出时带走热量的缺点。在除去大部分硫、 磷后,当钢水的成分和温度都达到要求时,即停止吹炼,提升喷枪,准备 出钢。出钢时使炉体倾斜,钢水从出钢口注入钢水包里,同时加入脱氧剂 进行脱氧和调节成分。钢水合格后,可以浇成钢的铸件或钢锭,钢锭可以 再轧制成各种钢材。 氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气,它 的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等。因此,必须加以净 化回收,综合利用,以防止污染环境。从回收设备得到的氧化铁尘粒可以 用来炼钢;一氧化碳可以作化工原料或燃料;烟气带出的热量可以副产水 蒸气。此外,炼钢时,生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥,含磷量较高的 炉渣,可加工成磷肥,等等。氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出 的钢种较多、质量较好,以及建厂速度快、投资少等许多优点。但在冶炼 过程中都是氧化性气氛,去硫效率差,昂贵的合金元素也易被氧化而损耗, 因而所炼钢种和质量就受到一定的限制。 4.2、转炉冶炼原理简介: 转炉炼钢是在转炉里进行。转炉的外形就像个梨,内壁有耐火砖,炉侧有许 多小孔(风口),压缩空气从这些小孔里吹炉内,又叫做侧吹转炉。开始时,转 炉处于水平,向内注入 1300 摄氏度的液态生铁,并加入一定量的生石灰,然后 鼓入空气并转动转炉使它直立起来。这时液态生铁表面剧烈的反应,使铁、硅、
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锰氧化 (FeO,SiO2 , MnO,) 生成炉渣,利用熔化的钢铁和炉渣的对流作用,使 反应遍及整个炉内。几分钟后,当钢液中只剩下少量的硅与锰时,碳开始氧化, 生成一氧化碳(放热)使钢液剧烈沸腾。炉口由于溢出的一氧化炭的燃烧而出现 巨大的火焰。最后,磷也发生氧化并进一步生成磷酸亚铁。磷酸亚铁再跟生石灰 反应生成稳定的磷酸钙和硫化钙, 一起成为炉渣。 当磷与硫逐渐减少, 火焰退落, 炉口出现四氧化三铁的褐色蒸汽时,表明钢已炼成。这时应立即停止鼓风,并把 转炉转到水平位置,把钢水倾至钢水包里,再加脱氧剂进行脱氧。整个过程只需 15 分钟左右。如果氧气是从炉底吹入,那就是底吹转炉;氧气从顶部吹入,就 是顶吹转炉。

转炉冶炼工艺流程简介: 转炉冶炼工艺流程简介:

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;3~5min 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)3~5min 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 12 min 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。 4.3、转炉炼钢主要工艺设备简介: 转炉(converter) 炉体可转动,用于吹炼钢或吹炼锍的冶金炉。转炉炉体用钢板制成,呈圆筒 形,内衬耐火材料,吹炼时靠化学反应热加热,不需外加热源,是最重要的炼钢 设备,也可用于铜、镍冶炼。 AOD 精炼炉 AOD 即氩氧脱碳精炼炉,是一项用于不锈钢冶炼的专有工艺。AOD 炉型根据容量 有 3t、6t、8t、10t、18t、25t、30t 等。装备水平也由半自动控制发展到智能 计算机控制来冶炼不锈钢。 VOD 精炼炉
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VOD 精炼炉(vacuumoxygen decarburization),是在真空状态下进行吹氧脱碳的 炉外精炼炉,它以精炼铬镍不锈钢、超低碳钢、超纯铁素体不锈钢及纯铁为主。 将初炼钢液装入精炼包中放入密封的真空罐中进行吹氧脱碳、脱硫、脱气、温度 调整、化学元素调整。 LF 精炼炉 LF(ladle furnace) 炉是具有加热和搅拌功能的钢包精炼炉。加热一般通过 电极加热,搅拌是通过底部透气砖进行的。 转炉倾炉系统 倾炉系统:变频调速(变频器+电机+减速机+大齿轮) 倾炉机构: 倾炉机构由轨道、 倾炉油缸、 摇架平台、 水平支撑机构和支座等组成。 4.4、转炉炉体工艺参数 转炉炉体
4.1.1 炉体总高(包括炉壳支撑板) :7050mm 4.1.2 炉壳高度:6820mm 4.1.3 炉壳外径:Φ4370mm 4.1.4 高宽比: H/D=1.56 4.1.5 炉壳内径:Φ4290mm 4.1.6 公称容量:50t 4.1.7 有效容积:39.5m
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4.1.8 熔池直径: Φ3160mm 4.1.9 炉口内径:Φ1400mm 4.1.10 出钢口直径:140mm 4.1.11 出钢口倾角(与水平):20° 4.1.12 炉膛内径:Φ3160mm 4.1.13 炉容比:0.79m /t.s 4.1.14 熔池深度:1133mm 4.1.15 炉衬厚度:熔池:500mm 炉身:500mm 炉底:465mm 炉帽:550mm 4.1.16 炉壳总重:77.6t 4.1.17 炉衬重量:120t 4.1.18 炉口结构:水冷炉口 4.1.19 炉帽结构:水冷炉帽 4.1.20 挡渣板结构:双层钢板焊接式
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4.1.21 托圈结构:箱式结构(水冷耳轴) 倾动装置 型式:四点啮合全悬挂扭力杆式(交流变频器调速) 最大工作倾动力矩:100t*m 最大事故倾动力矩:300t*m 倾动角度:±360° 倾动速度:0.2~1r/min

(五)、转炉炼钢氧枪枪位控制 在整个炼钢过程中,氧枪枪位是一个非常重要的参数,它直接关系到炼钢过程中 的脱碳、造渣、升温以及喷溅的发生,因此,必须很好地控制氧枪的枪位,使炼 钢过程得以平稳进行。 5.1、前言 (1).氧枪介绍 氧枪又称喷枪或吹氧管, 是转炉吹氧设备中的关键部件, 它由喷头 (枪头) 、 枪身(枪体)和枪尾组成。转炉吹炼时,喷头必须保证氧气流股对熔池具有一定 的冲击力和冲击面,使熔池中的各种反应快速而顺利的进行。 (2).枪位对炼钢的重要性 在转炉炼钢整个炉役中, 随着炼钢炉次的增加, 炉衬由于受到侵蚀不断变薄, 炉容不断增大,因此,每隔一定炉次对熔钢液面进行测定,根据装入制度(定深 装入或定量装入)及测定结果确定氧枪高度,而在两次测定期间,氧枪高度保持 不变。同时,在具体每一个炉次中,按照吹炼的初期、中期和末期设定若干不同 高度[1],而在每一时间段内,其高度是不变的。由于在转炉炼钢过程中要向 炉内分期分批加入造渣剂、助熔剂(初期)等造渣材料和冷却剂(末期),使炉内状 况发生变化,相当于加入一个扰动,同时在不同阶段,渣的泡沫程度及粘度也不 同,而目前的固定氧枪高度吹炼不能及时适应这些情况,从而使炉内的反应及退 渣不能平稳地进行。造渣是转炉炼钢过程中的一项重要内容,渣的好坏直接关系 到炼钢过程能否顺利进行,有时甚至造成溢渣或喷溅,从而降低钢的收得率以及 粘枪,因此要尽量避免溢渣和喷溅。另一方面,固定枪位的吹炼模式也无法适应 铁水、废钢、造渣材料等化学成分变化引起反应状况的不同。针对转炉炼钢过程 中固定枪位所存在的问题, 我们采用模糊控制的方法使氧枪枪位根据炉内的具体 情况进行连续调节,同时针对转炉炼钢是一炉一炉进行的,炉与炉之间既不完全 相同又有联系的特点,采用自学习技术确定每一炉次氧枪的枪位,使转炉炼钢过 程平稳进行,从而提高碳温命中率。

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5.2/枪位控制 目前,转炉炼钢氧枪枪位一般是根据吹炼状况分段设定的[1]。在每一段 中,枪位不再变化,如图 1 所示。在本文中,根据转炉炼钢的不同阶段采用不同 的控制策略。在吹炼初期和中期,由于分批加入造渣材料和助熔剂,且渣高与声 音具有明确的反比关系,因此采用模糊控制调节枪位。而在吹炼末期,则采用较 低的固定枪位进行吹炼,以利于石灰进一步渣化,使脱碳反应按扩散进行,渣钢 反应趋于平衡,炉内钢水成分和温度得以均匀。在初、中期的模糊控制中仍然采 用这种分段设定的枪位作为基本设定,而在每一段中,根据炉况采用模糊控制对 枪位进行自动调节,即 u=u0+Δu,其中 u 为要控制的氧枪枪位,u0 为每个阶段 设定的基本枪位,Δu 为对枪位的调整量。 (1). 氧枪升降要求 为适应转炉吹炼工艺要求,在吹炼过程中,氧枪需要多次升降一调整枪位。 转炉对氧枪升降机构提出了要求,应具有合适的升降速度并可以变速,并能保证 氧枪升降平稳、控制灵活、操作安全。氧枪漏水等出现故障时能快速更换氧枪、 结构简单便于维护。

(2).声音测量枪位 在转炉炼钢过程中,由于吹入转炉的氧气(顶底复吹转炉还要在底部吹入氮 气、二氧化碳、氩气等气体)的搅拌作用以及炉内发生的强烈氧化等反应,使得 炼钢期间发出很强的声音,声音的大小与炉内状况有着明确的对应关系,声音的 强度与炉渣高度成反比,尤其是在吹炼的初期和中期,这种关系更为准确[2], 因此可以通过测量声音准确了解炉内情况,以便更好地控制吹炼过程。测声仪的 麦克风安装在位于炉口处的炉墙内,运行频率为 180±22.5Hz (3).模糊子集及隶属函数的选取 将测得的声音的偏差及偏差变化率进行归一化,并选取声音的偏差 SE 及其
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变化率 SC 的模糊子集分别为 SE:{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}={Se-3,Se-2,Se-1,Se0,Se1,Se2,Se3}={Sei,i ∈I= [-3,-2,-1,0,1,2,3]} SC:{NB,NS,ZE,PS,PB}={Sc-2,Sc-1,Sc0,Sc1,Sc2}={Scj,j∈J= [-2,-1,0,1,2]} 偏差 SE 及其变化率 SC 的隶属函数选如图 2 所示的三角形隶属函数。

(4).模糊推理 采用 T-S 确定性模糊推理,其推理规则为 if SE is Sei and SC is Scj then Δu is Δuij 其中Δuij 为确定的函数或确定的实数,而非模糊集。设μAi(Se)和μBj(Sc)分 别为偏差及偏差变化率的隶属函数,采用乘积求和推理方法,得模糊控制规则前 提部分的真值为 fij=μAi(Se)μBj(Sc) (1) (2) 从上述推理中得到的控制量Δuij 为一个具有有限个点的离散模糊集。 Δu={fij/Δuij|,i∈I,j∈J}

采用重心法解模糊,得

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将(1)式代入(3)式得

在上式中,由于 三角形隶属函数,不 意一个点,只有两个

选择了图 2 所示的 失一般性,对于任 模糊子集中的隶属

度不为 0, 且隶属度之和为 1(如果在两端, 则只有一个模糊子集中的隶属度为 1, 属于其它模糊子集的隶属度为 0),因此分母中只有四项不为 0,即有

故(4)式可简化为

根据转炉炼钢中声强与渣高成反比及操作工的经验,为使转炉炼钢稳定进行,防止发生 喷溅及强烈火花,得到模糊控制规则如表 1 所示。在表中,Δuij 为正意味着提枪,Δuij 为 负意味着降枪。

(5)、量化因子的选取及自调整 采用模糊控制的氧枪枪位控制系统如图 3 所示(见下页)。 由于在转炉炼钢过 程中,每个阶段声音大小不同,基本枪位不同,因此声音的给定值 S 与一般恒值 控制系统不同, 它随着冶炼进程而不断变化。 在吹炼初期, 声音的给定值比较大,
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随着冶炼的进行, 给定值逐渐减小, 到吹炼中期和后期, 声音的给定值基本不变, 维持在一个较小的数值。为了适应这一情况,使得在整个冶炼过程中误差及其变 化率都能比较均匀地归一化到[-1,1]的整个区间内,提高系统的控制精度, 对量化因子进行调整。选误差 SE 的量化因子 K1=1/Se,误差变化率 SC 的量化 因子 K2=1/Sc,其中 Se 和 Sc 分别为误差及误差变化率的基本论域,比例因子 K3=uh,uh 为控制量即氧枪移动范围。由于声音误差范围随着给定值的变小而变 小,因此在吹炼中后期为了提高控制能力,应加大误差的量化因子,否则就会使 量化后的误差很难进入到较大的模糊子集内,无法实现有效的控制。因为 S 随着 吹炼的进行逐渐减小,到一定阶段开始稳定,所以使 K1=1/Se=1/S,从而实 现了对误差量化因子的自调整。 由于给定的声音大小及基本枪位对声音误差变化 率影响不大,故在整个吹炼过程中不改变 K2 的大小。对于比例因子 K3,为了适 应 K1 变化对模糊控制输出的影响,使得在同样的声音误差情况下,不因 K1 的增 大而使氧枪移动过大,因此比例因子 K3 应随着 K1 的增大而减小,故使 K3=uh =K0S,其中 K0 为系数,根据本炉次枪位设定值及给定的声音最大值确定。比例 因子及量化因子经过上述的臊调整,使得在吹炼中后期对声音误差的灵敏度增 加,提高了控制精度。

5. 3、枪位自学习 转炉炼钢是一炉一炉进行的,在每一炉的冶炼过程中,它是一个连续升温脱
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碳过程,与连续工业过程有些类似,但冶炼时间比较短,被控量是不断变化的, 炉与炉之间没有本质的必然联系,每炉的冶炼独立进行,因此从整体上看,与连 续工业过程又有着明显的区别。另一方面,它又具有某些断续工业的特点,每一 炉相当于一个加工工件,但它又绝不是断续工业。从上面的分析可以看出,转炉 炼钢既不同于连续工业和断续工业,与它们又有一定的联系,因此转炉炼钢是介 于连续工业过程和断续工业过程之间的一类复杂工业过程, 这就使得其控制具有 一定的特殊性。基于转炉炼钢炉与炉之间的联系,利用自学习技术确定下一炉次 枪位模式,可以很好地反映炉衬变化及原材料化学成分波动给冶炼带来的影响, 使冶炼过程更加平稳。 枪位的学习采用迭代自学习[3]。设 yd(k,j)为一个炉役中第 k 炉第 j 段 时设定的基本枪位, y(k,j)为第 k 炉第 j 段时的实际枪位(指第 j 段的平均枪位), 其差值为Δy(k,j)=y(k,j)-yd(k,j),说明枪位设定存在偏差,应修改下一炉的 枪位设定高度,进行枪位自学习。学习过程中,枪位的确定使用加权移动平均算 法[4]。这种方法的优点是需要数据量少,并且非常稳定,因而所需计算机内 存和计算量都比较小。 取前边最近四炉的实际氧枪高度的加权平均值作为下一炉 氧枪高度设定值,即 yd(k+1,j)=a1y(k,j)+a2y(k-1,j)+a3y(k-2,j)+a4y(k-3,j) 其中 (7) a1、a2、a3、a4 为加权因子,且有 a1+a2+a3+a4=1。

另外前边最近四炉指的是吹炼过程平稳、无较大或大喷、终点碳温同时命中且所 炼钢种相同的炉次,每炼一炉钢都要根据吹炼结果对所选炉次更新一次,以保证 总是使用最新四炉的数据,这样可以充分反映炉衬、铁水、废钢、造渣材料等的 最新变化,消除了各种异常情况等随机因素的影响,使氧枪设定更能适应生产实 际,提高炼钢过程的稳定性和终点命中率。 5.4、仿真研究 对一座 15t 转炉进行仿真研究,仿真结果如图 4 所示。图中右侧纵坐标为声 音给定值(标幺值),曲线 1 为声音给定,曲线 2 为基本枪位设定,曲线 3 为实际 氧枪高度。图 4(a)为没有造渣材料加入时氧枪高度变化情况,图 4(b)给出了在 第 2 分钟、第 4 分钟和第 7 分钟分 3 次加入造渣材料时氧枪高度变化情况。

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由上图可得出结论;炼钢期间会发出很强的声音,这种声音的大小与炉内状 况存在着明确的对应关系,声音的强度与炉渣高度成反比,尤其是在吹炼的初期 和中期,这种关系更为准确。 在转炉炼钢过程中,氧枪是必不可少的设备,氧枪的枪位直接关系到脱碳、 升温及冶炼过程的平稳进行。采用模糊控制根据炉内状况对氧枪位进行连续调 节,克服了固定枪位不能及时适应炉况变化的缺点,同时利用转炉炼钢是一炉一 炉进行的,炉与炉之间存在着一定的联系的特点,使用迭代自学习技术修改枪位 的设定,适应了炉衬变薄及炼钢原料化学成分波动带来的不利影响,减少喷溅的 发生,使氧枪枪位在整个炉役期间始终处于最优位置。 (六)、冶炼技巧: 钢液碳的判断方法:取样分析、磨样、看火花、付枪。 钢液磷的判断方法:取样分析、渣的颜色及气孔; 钢液温度判断方法:接触热电偶、看炉口火焰、看钢液颜色、读秒表。 钢液颜色:白亮、青色、浅兰、深兰、红色 (七)、转炉耐火材料及护炉技术: 耐火材料分类:碱性耐火材料(MgO),酸性耐火材料(SiO2),中性耐火材料(碳质 及铬质) 耐火材料的主要性质:耐火度、荷重软化温度、耐压强度、抗热震性、热膨胀性、 导热性、抗渣性、气孔率等。 炉衬寿命:炉衬寿命影响转炉的工作时间及生产成本。炉龄是钢厂一重要生产技 术指标。 炉衬损坏的原因:铁水、废钢及炉渣等的机械碰撞和冲刷,炉渣及钢水的化学侵 蚀,炉衬自身矿物组成分解引起的层裂,急冷急热等因素。 提高炉龄的措施:耐材质量;系统优化炼钢工艺;补炉工艺新工艺:溅渣护炉工 艺,九十年代,美国开发成功转炉溅渣护炉技术,在我国达到最高效益,炉龄 30000.
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溅渣护炉的基本原理: 是利用高速氮气把成分调整后的剩余炉渣喷溅在炉衬表面形成溅渣 层。 溅渣层固化了镁碳砖表层的脱碳层,抑制了炉衬表层的氧化,并减轻 了高温炉渣对砖表面的冲刷侵蚀。 (八) 、我国转炉的发展概况: 1951 年碱性空气侧吹转炉炼钢法首先在我国唐山钢厂试验成功,并于 1952 年投入工业生产。1954 年开始厂小型氧气顶吹转炉炼钢 的试验研究工作, 1962 年将首钢试验厂空气侧吹转炉改建成 3t 氧气顶吹转炉, 开始了工业性 试验。在试验取得成功的基础上,我国第一个氧气顶吹转炉炼钢车间 (2×30t)在首钢建成,于 1964 年 12 月 26 日投入生产。以后,又在唐山、 上海、杭州等地改建 了一批 3.5~5t 的小型氧气顶吹转炉。1966 年上钢一 厂将原有的一个空气侧吹转炉炼钢车间,改建成 3 座 30t 的氧气顶吹转炉 炼钢车间,并首

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次采用了先进的烟气净化回收系统,于当年 8 月投入生产,还建设了弧形 连铸机与之相配套,试验和扩大了氧气顶吹转炉炼钢 的品种。这些都为我 国日后氧气顶吹转炉炼钢技术的发展提供了宝贵经验。此后,我国原有的 一些空气侧吹转炉车 间逐渐改建成中小型氧气顶吹炼钢车 间,并新建了 一批中、大型氧气顶吹转炉车 间。小型顶吹转炉有天津钢厂 20t 转炉、济 南钢厂 13t 转炉、邯郸钢厂 15t 转炉、太原钢铁公司引进 的 50t 转炉、包 头钢铁公司 50t 转炉、武钢 50t 转炉、马鞍山钢厂 50t 转炉等;中型的有 鞍钢 150t 和 180t 转炉、攀枝花钢铁公司 120t 转炉、本溪钢铁公司 120t 转炉等;20 世纪 80 年代宝钢从日本引进建成具 70 年代末技术水平的 300t 大型转炉 3 座、首钢购入二手设备建成 210t 转炉车间;90 年代宝钢又建成 250t 转炉车间,武钢引进 250 转炉,唐钢建成 150 转炉车间,重钢和首钢 又建成 80t 转炉炼钢车间;许多平炉车间改建成氧气顶吹转炉车间等。到 1998 年我国氧气顶吹转炉共有 221 座,其中 100t 以下的转炉有 188 座, (50~90t 的转炉有 25 座),100-200t 的转炉有 23 座,200t 以上的转炉有 10 座,最大公称吨位为 300t。顶吹转炉钢占年总钢产量的 82.67%。 (九)氧气顶吹转炉炼钢钢的品种和质量: 钢中气体和夹杂物是评价钢的冶金质量的主要指标。氧气顶吹转炉炼钢反 应速率快,沸腾激烈,所以钢中 H、N、O 含量较低,[H]为(3~5)×10-4%, [N]为(2~4)×10-3%,低碳钢[O]为 0.06%~0.10%。夹杂物和脱氧及 凝固操作有关。影响顶吹转炉钢含氮量的重要因素是氧气纯度,由表 4 数 据可以看出。所以用于转炉炼钢的氧气应该是 99%以上的纯氧。 低碳钢是转炉炼钢的主要产品。由于转炉脱碳快,钢中气体含量低, 所以钢的塑性和低温塑性好,有良好的深冲性和焊接性能。用转炉钢制造 热轧薄板、冷轧薄板、镀锌板、汽车板、冷弯型钢、低碳软钢丝等,都具 有良好的性能。 转炉冶炼中、高碳钢虽然有一些困难,但也能保证钢的质量。转炉钢 制造的各种结构钢、轴承钢、硬钢丝等都已广泛使用。冶炼高碳钢的困难 是拉碳和脱磷。在 C>O.2%时靠经验拉碳很难控制准确,如果有副枪可借 副枪控制,没有副枪时需要炉前快速分析,这就耽误了时间。高碳钢终点 (FeO)低,脱磷时间短,因此需要采用双渣操作,即在脱碳期开始时放掉初 期渣,把前期进入渣中的磷放走,然而双渣操作损失大量热量和渣中的铁, 没有特殊必要不宜采用。增碳法是冶炼中、高碳钢的另一种操作法,这时 吹炼操作和低碳钢一样,只是在钢包内用增碳剂增碳,使含碳量达到丘冈 绅的要求。增碳剂为焦炭,石油焦等。中碳钢的增碳量小,容易完成。高 碳钢增碳要很好控制,但轨钢、硬线等用增碳法冶炼可以保证质量合乎要 求。
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转炉冶炼低合金钢没有特殊困难。冶炼合金钢时,因为合金化需要加 入钢包的铁合金数量大。会降低钢水温度,而过分提高出钢温度又使脱磷 不利。所以冶炼合金钢应与炉外精炼相结合.用钢包炉完成合金化。另外, 随着对钢的成分的控制要求不断严格,为减少钢性能的波动,要求成分范 围越窄越好。这也需要在钢包精炼时进行合金成分微调的操作。 顶吹转炉冶炼超低碳钢(<0.03%C)尚有困难。首先因为在临界含碳 量以下,脱碳速率下降,熔池搅拌减弱,加强供氧只能促使铁氧化而不能 使碳去除。其次,[%C][%O]=0.0025,当[%C]=0.01 时,[%O]=0.25,已 经是[0]的饱和浓度,也就是说 0.01%C 是脱碳的理论极限。如果要进一步 [8] 脱碳,必须降低气相的 CO 分压,这需要采用炉外精炼的方法来完成。 主要技术经济指标以 150~300t 转炉为例,

主要技术经济指标如下: [

冶炼周期

30min

其中:吹氧时间

18~20min

氧气消耗

48~58m3/t

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钢铁料消耗

1096~1150kg/t

废钢比

20%~30%

石灰石消耗(包括白云石)

60-70kg/t

萤石消耗

1.5~3.0kg/t

铁矿石消耗

30~50kg/t

炉衬耐火材料消耗

3~7kg/t

电耗

9~12kw·h/t

年产量(单位公称吨位)

10000~15000t

三、总结:转炉炼钢的科研方向

22

提高钢水洁净度,即大大降低吹炼终点时的各种夹杂物含量,要求 S 低于 0.005%;P 低于 0.005%,N 低于 20ppm。提高化学成分及温度给定范围 的命中精度,为此采用复合吹炼、对熔池进行高水平搅拌并采用现代检测 手段及控制模型。减少补吹炉次比例,降低吨钢耐材消耗。 铁水预处理对改进转炉操作指标及提高钢的质量有着十分重要的作 用。美国及西欧各国铁水预处理只限于脱硫,而日本铁水预处理则包括脱 硫、脱硅及脱磷。例如 1989 年日本经预处理的铁水比例为:NKK 公司京滨 厂为 55%,新日铁君津厂为 74%,神户厂为 85%,川崎千叶厂为 90%。 日本所有转炉钢厂,美国、西欧各国的几十家钢厂以及其它国家的所 有新建钢厂,在转炉上都装有检测用的副枪,在预定的吹炼时间结束前的 几分钟内正确使用此枪可保证极高的含碳量及钢水温度命中率, 90%-95% 使 的炉次都能在停吹后立即出钢,即无需再检验化学成分,当然也就无需补 吹。此外,这也使产量提高,使补衬磨损大大减少。 复合吹炼能促进各项冶炼参数稳定,因而在许多国家得到推广。80 年 代初期诞生于卢森堡和法国的 LBE 炼钢法,除原型方案外,相继演化出一 系列派生工艺,有 20 多种名称,例如:STB、LD—KC、BAP、TBM、LD—OTB、 LD—CB、K—BOP、K—OBM、LET 等。无论是 LBE 原型,还是各派生工艺,实 践证明它们有其各自的优势。LBE、LD—KC、BAP、TBM 这些方法实际无差别 —都是炉顶吹氧及经炉底喷人氩气。还有一些方法是从炉底输入一氧化碳、 二氧化碳、氧气。各种复合吹炼工艺可用以下数字(转炉座数)说明其推 广情况。1983 年 63 座,1988 年 140 座,1990 年 228 座。奥地利、澳大利
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亚、比利时、意大利、加拿大、卢森堡、葡萄牙、法国、瑞士、韩国等这 些国家全部或几乎全部转炉都采用复合吹炼。 单纯底吹的氧气炼钢法(Q—BOP、OBM、LWS)未能推广。1983 年运行 的这类转炉有 26 座,而到 1990 年只剩下 18 座。 日本采用所谓的吹洗法,即在炉顶吹氧结束时,接着从炉底吹氩,使 钢水中碳含量达到 0.01%。这对汽车用钢、薄板用钢及电工用钢的冶炼尤为 重要。 值得注意的是,日本正在开发复合吹炼条件下调控冶炼过程用的新方 法及新设备。其中有利用炉顶氧枪里的光缆随吹炼进程连续监测钢中锰含 量;利用装于炉底的光纤传感器以及利用所排气体信息连续监测钢水温度; 并在进行喷溅预测及预防方面的研究。 神户制钢公司开发的喷溅预测是以顶吹氧枪悬吊系统的检测为基础。 日本 NKK 公司京滨厂是通过对出钢口的监测来减轻喷溅。当熔渣猛烈上浮 时,视频信号发出往炉内添煤或石灰石的指令。比较好用的材料(从平息 熔池的时间来说)是煤。 转炉炉衬寿命是极为重要的课题。日本、美国及西欧各国资料分析表 明,影响炉衬磨损的各项冶炼参数,例如后期渣氧化度、碱度及吹炼终点 时钢水温度,各国钢厂之间并无大的差别。只有通过用副枪检测方可将对 炉衬最为有害的后吹时间从 10-15min 减少到 1-3min 及消除补吹。

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致谢 本论文是在导师 老师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识,严

谨的治学态度,精益求精的工作作风,诲人不倦的高尚师德,严以律己、宽以待 人的崇高风范,朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了 远大的学术目标、掌握了基本的研究方法,还使我明白了许多待人接物与为人处 世的道理。本论文从选题到完成,每一步都是在导师的指导下完成的,倾注了导 师大量的心血。在此,谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢!

附件:
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1 转炉生产工艺流程图:

2 转炉炼钢方法的发展演变 :

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毕业设计(论文) 毕业设计(论文)成绩评定表
姓名 设计(论 文)题目 该论文选题有(重要/较重要/一定/不明显)的理论意义或(有较大 的/有一定的/无)应用价值。 阅读文献(充分/满足要求/少) ,综述能力(强/较强/一般/差)(全 , 面了解/了解/基本了解/不了解)本领域国内外学术动态。 论文(有严密的/有一定的/缺少)理论分析,理论思维能力(强/ 较强/一般/差) ,逻辑(严密/合理/不合理)(有、无)新见解。 , 论文写作条理(清晰/较清晰/一般) ,层次(分明/一般/混乱) ,文 笔(流畅/一般/较差)(符合科技写作规范/不符合规范之处较多) , 。 论文不足: 该论文 (内容深度不够/信息量不足/应用性不足/重点欠 突出/无独到的见解) 指导教师(签字) : 年 月 日 系别 专业





答 辩 委 员 会 意 见

在规定的时间内, (能简明扼要、重点突出地/能较流利地/不能) 阐述论文的主要内容,表达能力(强/较强/一般/较差)(能够准确流利 , 地/基本答出/不能正确)回答提出的问题。 评定级别: 答辩委员会成员(签字) :

年 毕业 实践 领导 小组 意见





组长(签字) : 年 月 日

毕业设计(论文) 毕业设计(论文)任务书
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课题名称 转炉炼钢生产技术 专业 冶金 班级姓名 学号

一、 毕业论文(设计)目的: 毕业论文(设计)目的:
1、学生应在指导教师指导下,独立完成冶金生产总结及调查研究工作,并整理 分析所搜集的资料,最后撰写出毕业论文。 2、在毕业论文中能综合运用所学的知识。 3、通过毕业论文的撰写使学生学会围绕课题进行调研,收集整理资料,并锻炼 分析问题、解决问题的能力,掌握冶金生产工作的一般程序、内容和方法。 4、培养实事求是、扎扎实实的工作作风和严肃认真的科学态度。 5、论文格式、字数符合河北工院毕业论文撰写规范。

毕业论文( 时间进度安排: 二、 毕业论文(设计)时间进度安排:
论文(设计)按五周计算: 第一周: 熟悉毕业论文任务书, 在指导教师的帮助下对该论题进行初步调研分析, 查阅相关文献资料。 第二周:完成论文框架的构建,并提交论文写作大纲。 第三~四周:完成论文初稿写作。 第五周:经指导教师的审阅完成论文的定稿及写作,准备参加论文答辩。

计划答辩时间: 三、 计划答辩时间:
2010 年 10 月

指导教师(签字) : 年 月 日

毕业实践领导小组组长(签字) : 年 月 日

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