精炼炉电极智能控制系统的研究

第一章 绪论
 

1.1 引言

钢铁冶炼技术是否先进，代表着一个国家工业生产能力的强弱，钢铁材料是其他工业发展的物质来源和基础。随着炼钢技术的不断发展，只有降低冶炼的成本、提高生产效率，才能与其他发达国家具有对等的竞争力。精炼技术在国内的发展要比国外晚很多，现阶段的技术水平也较国外先进技术有一定差距。国内目前在供电制度的改进和电极控制等方面已经有了较为长足的进步[1]，也从国外吸引了多种炉型的电弧炉做深入的节能研究。虽然在技术上来讲，我国精炼水平与国外相比差距越来越小，甚至某些产品已经达到国际先进水平，但目前存在的不足之处仍然很多。特别是某些国外引进的设备的维护修理困难、发挥不到最高效率等问题亟待解决。

LF 钢包精炼法是由日本在 1971 年提出的，针对与某些非常规的特殊钢种的精炼处理[2]，它能对经过初炼后的钢水的温度、成分做适当的调整，能完成工艺缓冲，确保连铸、连轧的重要任务。由于钢包精炼炉的加工，提高了整个冶金生产的效率。因此目前钢包精炼炉被我国工业、冶金业广泛应用。
......
 

1.2 LF 炉简介

1.2.1 LF 精炼炉的主要功能

由于该方法是针对于特殊钢的工艺研发的，因此随着它在炼钢企业中的应用，众多新钢种的研究与发展也得到了极大的进步，使炼钢工艺得到了快速的发展。LF 精炼法最主要的功能就是对钢水的温度和成分进行微调，例如：脱硫脱氧、合金含量微调、埋弧加热与搅拌等，精炼手段也很全面，同时设备价格低廉，能够得到较好的收益，因而成为现今电炉与连铸间缓冲的最主要设备。另外，经过 LF 精炼后可以大幅降低钢液中的杂质，满足连铸的成分及温度要求，为炼钢与连铸节奏起到了很好的协调作用。LF 精炼炉具有以下功能:

（1）搅拌作用。LF 炉通过底吹氩气进行搅拌，使钢水温度、成分均匀，不仅使钢液与渣料接触部分的化学反应更加充分，同时促使钢液中的杂质上浮，去除化学反应产生的气体，提高钢液的纯净度。（2）加热作用。由三相电极放出电弧，对钢水进行埋弧加热。（3）LF 炉盖对炉内环境起到封闭作用，降低炉内的热量损失，保证炉内的还原气氛。（4）储存钢水的调节功能。在连铸所需的钢水不足时，由于钢包炉体有保温的作用，因此可在 LF 工位储备 l-2 炉钢水，待后续钢水冶炼出来后再进行连铸作业，从而确保连续浇铸的顺利进行。

由于 LF 精炼炉是用电极尖端放电产生的电弧对钢液进行加热，因此电极控制的好坏决定着精炼炉的精炼效果和生产效率，越精确的电极控制系统就代表着越先进的精炼技术，国内外的科研工作者也都在不停的努力将电极的调节不断完善，不断提高其控制的精确度和响应速度。

早在上世纪四十年代，由于特殊钢种的冶炼要求越来越发展，传统的冶炼技术已经无法满足，因此提出了一种将钢水进行再次熔炼的技术，也就是最早的炉外精炼技术。瑞典公司于 1961 年首先提出了 ASEA-SKF 精炼法，该方法将除杂、脱氧、合金成分微调等功能集于一体。随后在 ASEA-SKF 精炼法的基础上日本大同特殊钢公司在 1971 年所谓的 LF 钢包精炼法，并首次加入了底吹氩气的装置，同时具有 ASEA-SKF 所具有的集成的优点[3]。
......
 

第二章 钢包精炼炉的电极调节
 

LF 精炼炉主要靠调节电极位置，来改变放出电弧的长度使得精炼炉升温速率得到控制，达到快速、精确的脱硫、脱碳以及脱氧，以确保后续的连铸工作。电弧长度直接影响电弧的电流大小，精炼炉的工作就是在合理的用电规范下为炉内钢水提供足够的温升。

钢水进行精炼处理时，由于底吹氩气和合金渣料的加入，会使钢液表面发生一定的波动，钢液面与电极之间的距离，即放电间隙也会随之改变，因此要让电极维持在一个恒定状态加热是不可能做到的。而在实际工况中，可能引起电弧长度改变的因素还有很多，有些甚至是不可预料的。例如：合金和渣料的加入情况、炉内的反应接触面积的大小、炉衬和电极的损耗等等，并且，弧长对电弧电流的影响是很强的非线性。液压阀的驱动系统同样也是一个复杂系统，如：滞后性、非对称升降、存在一定死区。

由此可知，电极的位置对加热电流的影响过程非常复杂。现阶段多数精炼炉的三相电极是独立控制，所以对电极的位置、加热电流的大小、系统所能利用功率的控制很难达到一个让人满意效果。这就大大限制了精炼工作的经济指标，如：电极的升降的范围过大，导致三相失衡，就会出现谐波，从而影响其他用电器的使用；强吹氩时液面波动相对较大，电极位置的迅速改变会对电网造成较大冲击等等。以上因素都会对控制系统的效果好坏有一定的影响，如果因此造成了短路和断弧的现象，对电能造成极大的浪费，如果经常因短路而跳闸，也会对后续的连铸节奏造成严重的影响，同时如果发生电极折断的现象还会导致钢液含碳量增加出现质量事故。

此外，电极调节系统效果的优劣也影响着电极的使用寿命、炉衬的侵蚀以及精炼效率。所以，可以说电极调节系统的优劣就可以代表精炼技术的水平高低。电极调节系统作为精炼系统的重要部分，人们希望可以找到一种简单有效的方法来解决控制系统的各种复杂问题。关键问题就是要深刻理解电极调节的原理以及要达到的目的，从而有针对性的对系统进行建模。
 

2.1 钢包精炼炉电极结构及工艺

2.1.1 精炼炉的基本工作原理

电机驱动式调节器利用钢丝绳吊起导电横臂，由电动机驱动的减速装置上的卷筒进行收放钢丝绳，达到电极的升降。也有利用齿轮传导系统的方法，将电动机的旋转动作传导为导电横臂的上下动作。由于精炼过程中电极的上下运动不是很剧烈，因此电极的速度要经过很大程度的减小才能作用到电极的升降上。
......
 

2.2 调节方式的比较分析

在钢水的精炼处理中，由于底部吹氩搅拌、加合金渣料等不可避免的外界干扰，虽然较电弧炉钢水的表面稳定了许多，但仍然对电弧长度有很大的影响，尤其是当底部强吹氩时，钢液表面波动要比平时大很多，弧长改变也就引起电流的改变。弧长的改变又直接影响电弧电流的大小，从而与精炼工艺要求的电流出现偏差。对精炼炉工作的基本要求就是通过维持一个不变的弧长来保持输入电流，从而保证输入功率处在一个稳定的水平。最简单有效的方法就是根据偏差来调整电极的位置，因此，电弧炉的三相电极都要配备调节器。

由图 2.2 可知，精炼炉功率是由电弧、电压、功率因数、电效率η、电弧长度共同影响的。虽然精炼炉和电弧炉在工作环境上存在一定的差异，但现阶段对精炼炉的电极调节系统多数是根据电弧炉的电极调节理论而开展的，目前主流的调节方法有恒功率、恒电流和恒阻抗三种调节方式。

在环境温度一定时，电弧长度 L 为 L0，此时电弧电流与设定值是恰好相等的。如果由于某些环境因素的改变，弧长不再是 L0，即 L-L0=ΔL≠0，电弧的空间长度直接影响电弧的阻抗，假设弧柱的电压不变，那么电流会随着弧长的改变而改变，为了使电流能够恢复到设定值，就要是弧长重新恢复到 L0。但在实际上，弧柱上的电压是不可能不变的，电弧电流与弧长和变压的关系不是简单的线性关系，这时弧长的改变量就不能用一个简单的差值来计算，弧长与电流的计算关系式下文会做详细的说明。
......
 

第三章 精炼炉电极自动调节系统模型的建立.....................................13

3.1 电极电气数学模型的分析..................................................13

3.1.1 电极电气数学模型.......................................................13

第四章 对温升模型控制方法的研究............................................26

4.1 智能控制算法的设计......................................................26

第五章 电极自动调节模拟实验系统的设计.....................................46

5.1 电极自动调节上位监控系统的总体结构.......................................46

5.2 上位机的配置与功能的实现......................................46
 

第五章 电极自动调节监控系统的设计方案
 

5.1 电极自动调节系统的总体结构

电极自动调节系统作为本文控制对象的核心部分，是保证精炼炉高效、持续和精确工作的基础环节。因此对于外界诸如过流、短路等干扰，检测必须要及时，并能够做到实时补偿。由此本文设计了由上位工控机和下位 PLC 组成的监控系统，利用 MPI 跨语言通讯协议，连接用于电极调节的以及其他辅助控制的 PLC 和画面监控，监控系统总体结构图如下图 5.1 所示。
......
 

5.2 上位机的配置与功能的实现

上位机为一台 PC 机，带有 Kingview6.55 组态王和 Step 编程调试等软件，由现场操作工进行操作。

5.2.1 软件与硬件配置

上位机选用的工控机的基本配置如下：

① CPU：INTEL E5300 及以上；

② 内存：2G；

③ 硬盘：希捷 160GB 串口；

④ 光驱：COMBO；

⑤ 显示器： 19”液晶显示器；

⑥ 通讯卡：CP5611 MPI/PROFIBUS 网卡，RS232 通信接口以及一个并口；

⑦ 操作系统：已激活 WINDOWS XP Professional；

⑧ 另配 1.44MB 软驱，防水键盘，2 键滚轮鼠标；

⑨ 上位组态软件：Kingview 6.55，可以实现过程监控和人工操作功能。
......
 

第六章 结论与展望
 

本文以钢包精炼炉电极自动调节系统为研究对象，主要研究工作可以总结为以下几点：

（1）深入分析了现阶段国内外关于精炼炉电极调节系统的研究现状，对现有常用的控制方法进行了说明和分析。

（2）针对现有常用控制方法的分析，总结其优缺点，而后根据尚存的不足之处建立了关于能量守恒原理的炉内温度变化与输入电流的模型。并建立了电极系统的数学理论模型。

（3）根据所建立的模型选择控制方案，得出该模型的控制精度主要依赖与温度预测的精度，因此对温度预测的模型进行了分析并采取了提高精度的措施。并通过仿真验证后证明其可行性。

（4）设计了电极自动调节的监控系统，改善了原来的二次仪表显示，方便灵活，操作简易。
......
参考文献（略）