钢铁厂试验研究设施设计(laboratories engineering design of iron and steel works)

用于钢铁厂原材料、生产过程、最终产品和科学研究等所需离线试样检验分析的各种设施的设计。包括中心试验室、钢铁原料试验室、炼铁炼钢化验室、化学分析中心、连铸坯检验室、轧钢试验室、钢丝及钢丝绳试验室、气水油化验设施、精密合金高温合金检验设施、钢铁厂环境监测站、钢铁厂安全卫生监测设施、烧结检验室、球团检验室、焦化试验室、耐火材料试验室和钢铁研究所设计等。

化验室一般承担试料的化学成分分析工作，检验室承担试料的物理性能检验，试验室承担试料的化学成分和物理性能的检验分析工作或者担负科学研究工作。试验研究设施是钢铁厂进行质量控制和技术开发研究的中心。设计的内容主要包括确定试验研究设施的基本任务、布点设计和工艺设计。

简史在以平炉炼钢为主的时代，钢铁厂各种物料的成分分析基本采用湿式化学分析，需为炼铁炼钢等主要生产车间单独设计车间化验室，例如中国鞍山钢铁公司第一炼钢车间，在平炉操作平台上就设计了两个化验室。在以氧气顶吹转炉炼钢为主的时代，钢铁厂向设备装备的大型化、生产连续化、高速化、产品高质量的方向发展，所生产的某些高质量钢，成分含量范围要求窄而严，某些成分含量范围要求准确到10-6数量级。原有湿式化学分析技术的速度、精度、数据处理技术都难以满足这样的要求，从20世纪50年代末开始，湿式化学分析迅速地向快速仪器分析发展，设计出了以用计算机控制的直读光谱仪和X光荧光光谱仪为主要分析手段的钢铁分析室，例如，意大利的塔伦托市希德钢铁厂，是一个年产1050万t钢材的大型联合企业，全厂主副原料、铁水、钢水、炉渣和轧材成品的成分分析，共采用了七台X光荧光光谱仪和四台直读光谱仪来完成，分别安装在炼铁化验室、炼钢化验室和轧钢试验室中。日本新日铁公司君津钢铁厂(年产1000万t钢)，对全厂主副原料、冶炼过程和轧材成品的成分分析，则集中设计了一个化学分析中心，以直读光谱仪和x光荧光光谱仪为主要分析手段来完成全部的分析工作。中国钢铁厂的炼钢化验室从50年代末开始，对原有的湿式化学分析仪器进行了改进，配置了新型的湿式高速分析仪器(如高速碳硫测定仪、高速三元素比色计等)。60年代初，鞍山钢铁公司首次设计了化学分析中心，以直读光谱仪和X光荧光光谱仪为主来完成三个炼钢车间的分析任务。首都钢铁公司30t氧气顶吹转炉化验室、长城特殊钢厂炼钢化验室也相继采用了同样的设计。80年代，中国宝山钢铁总厂成套设计了转炉分析室和分析中心，来完成原料场、烧结、炼铁、炼钢、连铸等车间各种物料的成分分析任务，采用了计算机控制的风动送样装置、直读光谱仪和X光荧光光谱仪等快速分析仪器，分析数据也用计算机网络传输至各个车间(图1)。钢铁厂分析数据传输还有其它方式，如送报告单(人工或气动输送)、电话通讯、屏幕显示和计算机终端传输等。其后，在成都无缝钢管厂等工厂，也相继设计了一批类似中国宝山钢铁总厂水平的分析中心。

图1 中国宝山钢铁总厂分析数据计算机传输网络图

轧钢试验室一般都随生产车间单独设计，或者几个生产车间合并设计一个试验室(如日本国钢铁厂的区域性轧钢试验室、中国鞍山钢铁公司区域性的中部轧钢试验室)，中小型钢铁厂轧钢产品检验一般纳入中心试验室(或钢铁研究所)的设计中。设计技术的进步主要表现在：采用国际先进标准、材料试验机实现计算机控制、试样加工采用精度高和效率高的机床。中国宝山钢铁总厂按此要求，于20世纪80年代设计建成了四个轧钢试验室。

20世纪60年代开始，中国大中型钢铁厂的科学研究设施相继在原有中心试验室的基础上进行改造，发展成钢铁研究所，着重增添电子显微镜、直读光谱仪、X射线衍射仪等先进的试验研究手段。长城特殊钢厂中心试验室，武汉钢铁公司钢铁研究所也在这一时期相继设计建成。到了80年代，又设计建成了中国宝山钢铁总厂钢铁研究所，除配置有透射电子显微镜、扫描电子显微镜、电子探针微区分析仪、内耗仪、x光荧光光谱仪、直读光谱仪、等离子发射光谱仪、精密万能材料试验机等先进的试验研究设备外，还按产品品种配置有较强的工艺及产品研究用的探索性或使用性能试验设备。

基本任务主要有四方面：(1)入厂原材料的检验分析。(2)各生产车间控制试样的离线检验分析。(3)按有关产品技术标准的规定，进行出厂产品质量的检验分析。(4)配合生产，为保证优质高产，节约原材料和能源，开发新品种、新工艺等而进行的有关生产试验研究工作。

生产检验分析中以化学分析工作量最大，分析的物料、关连的车间和样品的数量是钢铁厂中最多的，物理性能检验相对来说较少，主要集中在轧钢车间。表中所示是一个大型钢铁联合企业检验分析对象及其内容。

某钢铁厂检验分析对象及内容

注：◎三班作业，○白班作业。

布点设计大中型钢铁厂一般设有钢铁研究所或中心试验室、炼铁炼钢化验室、化学分析中心、轧钢试验室、水质化验室、氧气化验室等数个检验分析机构，这些机构布点设计的原则是经济合理、有利于生产。一般在满足生产需要的前提下，宜尽量将相近的检验分析工作集中在一个试验室中。例如鞍山钢铁公司的中部轧钢试验室，集中完成一、二初轧和大型三个轧钢车间产品的物理性能检验；又如图2中的化学分析中心，集中完成原料场、烧结厂、炼铁厂、炼钢厂、连铸厂、轧钢厂的主副原料，烧结矿、铁合金、耐火材料、铁水、钢水、炉渣、轧材以及环境监测、油脂、水质等的化学成分的分析任务，而分析重点在炼钢厂和连铸厂，布点位置宜选在炼钢厂附近。化学分析中心是一个区域性的化验室，较集中地完成多个生产车间(厂)物料化学成分的分析任务，有利于钢铁厂产品质量的集中管理。这样就不再分散布点设置炼铁和炼钢化验室、油脂和水质化验室等车间性的化验室。炼铁和炼钢化验室只承担炼铁和炼钢车间物料化学成分的分析任务，分别设置在该车间区域内。若钢铁厂车间多，产量比较大，产品比较复杂，则宜将试验研究与生产检验分析工作分开布点，前者集中于钢铁研究所，后者分散到各生产车间附近，设计区域性的试验室或车间检验室。中小型钢铁厂各车间所需的化验设施一般分散设置于相关车间内，入厂原材料和出厂成品的检验分析则集中设计于中心试验室。图2是某大型钢铁厂试验研究设施布点图。

工艺设计钢铁厂生产检验分析的工艺流程为取样-试样输送-试样制备-检验分析-报出结果。工艺设计的主要内容是确定设备、建筑面积、定员和进行工艺布置等四项。确定设备、建筑面积和定员，常用的有配套法和计算法两种。配套法是参照某个与本工程

图2 某大型钢铁厂试验研究设施布点图

设计类似的工厂(或车间)，按经验成套配置设备、厂房面积和人员。计算法是根据产品纲领和产品技术标准的规定，计算出每个检验分析项目的试样数量，然后按照各种试验设备的台时定额计算出主要设备台数；再按设备台数及其操作要求计算出主要生产面积，按生产面积的百分数计算出辅助面积；按照设备的台数和负荷率，考虑每台设备操作要求，计算出生产定员和辅助定员。

工艺布置的要点是：(1)在保证工艺合理的前提下，布置要适应建筑模数，要配合建筑造型，便利于各种管线的敷设。(2)一个检验分析机构包括多个建筑物时，应重视总体布置，钢铁研究所或中心试验室要留有发展的余地。(3)按确定的试验方法设计试验室中的房间布置及各房间内的设备布置，既要注意工艺上相互联系方便，又要避免互相干扰，还要符合安全卫生标准的要求。(4)试验室内布置有精密仪器，总体布置时应尽量避免外界振源、灰尘、噪声、水汽、电磁场等的干扰。(5)试验室内也产生一些有害物质，工艺布置时要采取适当措施，保证达到国家工业卫生和环境保护标准的有关要求。

工艺布置设计，必须与土建、电力、水道、通风等公用专业协同配合。(见中心试验室设计)

发展趋势钢铁研究所是钢铁厂科学研究的主要基地，今后的发展中将在三个方面充实试验研究手段：(1)及时补充先进的理化检测仪器。(2)装备探索性(或条件试验)的试验设备，如水力及火力模型试验装置，模拟冷轧钢板热处理工艺用的保护气体热处理炉，无缝钢管生产工艺用热模拟试验机等。(3)配合工厂发展装备产品使用性能试验设备，如油井管用压溃爆破试验装置，整段钢管硫化氢应力腐蚀试验装置，重轨磨耗疲劳试验机等。另外，有条件时还可按照需要设计中间试验车间。

在钢铁生产过程中，化学分析的工作量最大，为适应钢铁产品多品种、高质量以及生产工艺日趋复杂和精确的要求，迫切需要实现成分分析的快速化和在线化。在先进的钢铁厂中转炉钢水成分分析通常采用的流程为：副枪自动取样-气动送样-快速制样-直读光谱仪分析-计算机自动报告结果。一个样品耗时约：6min，在一定程度上实现了分析快速化。但仍满足不了炼钢生产要求。钢水成分分析将向不需取样的在线分析新工艺发展，使分析周期缩短至小于2min，新型的直读光谱仪直接布置在离转炉约20～30m的转炉控制室内。

轧钢产品的物理性能检验也向着在线自动检测发展；如为重轨、钢管、钢板等产品的低倍缺陷检验所设计的在线无损检测装置。轧钢试验室也在向着自动化方向发展，着眼于节省人力、缩短检验周期、提高试验精度、提高操作人员的安全性。除努力实现材料试验机的单机自动化外，在日本的钢铁厂中，已设计建成了两个自动化的轧钢试验室，对厚板、冷热带钢、大口径钢管产品的拉力、冷弯、冲击、硬度等的力学性能检验，从试样制备-样品运输-试验机操作-数据处理等全部工艺流程的操作均由一台中央计算机控制，实现了力学性能的自动检验流水线。