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东南大学 硕士学位论文 基于热平衡的矿热炉控制特性研究 姓名：王威 申请学位级别：硕士 专业：热能工程 指导教师：向文国 20090414 摘要 摘要 矿热炉是铁合金生产的主要设备，对其控制的好坏直接影响到产品的质量、企业的经济效益及 当地节能减排政策的实施。目前我国矿热炉的操作方式基本还处于原始的人工操作阶段，由于操作 人员的技术水平参差不齐，造成了产品耗能高，且产品质量得不到保证，恶劣的生产环境对操作人 员的健康也造成了极大危害。因此对矿热炉进行控制策略研究和自动化技术改造，对企业节能降耗， 减轻工人劳动强度，有重大的意义和价值。 本文以1 2 5 m w 硅铁矿热炉为具体研究对象，在对冶炼过程深入分析的基础上，总结了矿热炉控 制的要点，指出仅以一次电流作为控制量的不足，提出了以炉内吸热量控制为外环和以三相电流平 衡控制为内环的二级控制方案，基于热平衡原理建立了炉内吸热量的监测模型，并对炉内吸热量的 参考设定值进行了计算。 在分析内环对象特性的基础上，针对三相电流的强耦合及非线性特点，采用了模糊控制算法， 并对其控制原理及设计方法做了详细介绍，m a t l a b 仿真结果表明模糊控制算法对具有耦合、非线 性特点的控制对象具有较好效果。 针对矿热炉外环控制对象的大时变特性，提出了单神经元p i d 控制器，并介绍了其主要学习算 法。同时针对单神经元p i d 控制学习速度较慢，调节时间长的缺点，提出了一种改进的单神经元p i d 控制算法，即采用专家控制与单神经元p i d 控制相结合的方法，最后通过与常规p i d 的仿真试验对 比验证了该算法的可行性和有效性。 关键词：矿热炉；热平衡；模糊控制；专家控制；单神经元p i d 控制 a b s t ra c t a bs t r a c t s u b m e r g e da r cf u r n a c ei st h em a i ne q u i p m e n to ff e r r o a l l o yp r o d u c i n g t h eq u a l i t yo ft h ee q u i p m e n t c o n t r o ls y s t e ma f f e c t st h eq u a l i t yo f t h ep r o d u c t ，t h ee n t e r p r i s e se c o n o m i cb e n e f i t sa n dt h er e a l i z a t i o no f e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n a tp r e s e n t ，t h eb a s i co p e r a t i o nm o d eo ft h es u b m e r g e da r cf u r n a c ei s s t i l li nt h eo r i g i n a ls t a g eo f m a n u a lo p e r a t i o ni no u rc o u n t r y u n s k i l l e do p e r a t i o nr e s u l t si nh i g he n e r g y c o n s u m p t i o na n df l u c t u a t i o no ft h ep r o d u c tq u a l i t y s e v e r ep r o d u c t i o ne n v i r o n m e n t i sh a r m f u lt oo p e r a t o r s h e a l t ha sw e l l t h e r e f o r e ，i n v e s t i g a t i o no f c o n t r o l l i n gs t r a t e g ya n da u t o m a t i o nt e c h n o l o g yo fs u b m e r g e da r c f u r n a c ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c et os a v ee n e r g ya n dr e d u c ep r o d u c tc o n s u m p t i o n ，a n dt or e l e a s ew o r k i n t e n s i t yo f o p e r a t o r s 。 a1 2 5 m ws u b m e r g e da l ef e r r o s i l i c o nf u m a c ew a sc h o s e na sa no b j e c ti nt h i st h e s i s c o n t r o ls t r e s s w e r es u m m a r i z e db a s e do nt h ea n a l y s i so f t h er e f i n i n gp r o c e s s 。t oi m p r o v et h ed e f e c to fu s i n gc u r r e n t 硒 c o n t r o l l e d ，d o u b l e l e v e lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nh e a ta b s o r p t i o no ff u r n a c ea n dt h r e e p h a s ec u r r e n tb a l a n c e w a sp r o p o s e d t h em o d e l so fh e a ta b s o r p t i o no ft h ef u r r l a e ew e r eb u i l tu pa n dt h e r e f e r e n c ev a l u e sw e r e c a l c u l a t e d b e c a u s eo f t h es t r o n gc o u p l i n gf o rt h r e e - p h a s ec u r r e n ta n dn o n l i n e a ri nt h ei n n e rr i n g , f u z z yc o n t r o l a l g o r i t h mw a sa d o p t e d t h ec o r r e s p o n d i n gf u z z yc o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e da n ds i m u l a t e du s i n g s i m u l i n kt o o lo fm a t l a b s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z yc o n t r o la l g o r i t h mh a sag r e a tc a p a c i t yo f d e c o u p l i n g t os o l v et h ep r o b l e mo f l a r g et i m e - v a r y i n gc h a r a c t e r i s t i c so f h e a ta b s o r p t i o no f f u r n a c e ，a ni m p r o v e d s i n g l en e u r o np i dc o n t r o la l g o r i t h mw a sp r e s e n t e d ，i nw h i c ht h ep r o p o r t i o n a lc o e f f i c i e n to fs i n g l en e u r o n w a sc h o s e nb yt h ee x p e r tc o n t r o li d e a t h el e a r n i n gr a t ea n dd y n a m i cr e s p o n s eh a da l lb e e ng r e a t l y i m p r o v e d t h en e wa l g o r i t h m h a ds t r o n gr o b u s t n e s sa n dt h ep e r f o r m a n c ew a sf o u n dt ob eb e t t e rt h a nt h a t o f t h ec l a s s i c a lp i dc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：s u b m e r g e da r ef u r n a c e ；t h e r m a le q u i l i b r i u m ；f u z z yc o n t r o l ；e x p e r tc o n t r o l ；s i n g l en e u r o n p i dc o n t r o i i l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：互良 导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 矿热炉，又称埋弧电炉，主要用于硅系、锰系、铬系和其他铁合金品种、电石及黄磷的冶炼， 按其产品分类可分为硅铁炉、锰铁炉、电石炉等。其工作特点是采用碳质或镁质耐火材料作炉衬， 使用自培电极依靠电流通过炉料产生的电阻热和电弧热进行加热、熔化、还原炉内矿石中的氧化物， 从而获得所需铁合金产品【。 在冶炼过程中矿热炉内的炉温高低及其稳定性直接影响产品的质量及能耗的大小，根据工艺需 要通过调节三相电极位置改变电流大小，以保持三相功率相对稳定和平衡，是维持炉温稳定的有效 方法。因此矿热炉及其电极调节系统是生产铁合金产品的主要设备，其性能的好坏直接影响到产品 产量、质量以及能耗等经济技术指标【2 】。目前在矿热炉机械设备制造上，由于引进国外先进技术， 我国的铁合金工作者在此基础上结合我国的实际情况不断的进行更新改造，使我国的矿热炉设计、 制造水平得到大幅提升，有关方面已接近世界先进水平。但在矿热炉的电极自动化控制方面，到目 前为止基本仍停留在冶炼工看电极、配电工看电表按按钮升降电极的水平。在人工调节电极方式下， 操作人员专业经验、个人素质的差异对最终产品的产量、质量起了决定性作用。经现场观察，由于 操作人员失误造成的产量低、电耗高、断电极事故经常发生，直接导致了产品成本高，企业竞争力 低下甚至亏损的不利局面【3 】。 我国的铁合金生产企业大部分处于西部地区，近年来国务院为了整顿西部环境污染、彻底强制 关闭能耗大、效率低、小容量企业，促进西部地区可持续发展战略以来，矿热炉企业用户不得不面 临更残酷的现实，依靠产品竞争力来赢得市场，就变得尤为重要。这样一来，扩容、降耗、提高自 动化程度、降低生产成本就变得更为迫切。因此，结合具体生产工艺，研究矿热炉的电极自动控制 系统，使铁合金生产从目前人工凭经验操作改变为生产过程的规范化和自动化具有极大的现实意义。 生产过程自动化运行，将使设备工作稳定性和运转率提高，从而提高产品产量和质量，降低能耗， 可极大提高企业的生产效率和经济效益，适合企业未来发展的需要。 i 2 国内外研究现状 由于矿热炉冶炼的复杂性，长期以来国内外学者对其关注甚少。现有研究资料显示大部分铁合 金的冶炼机理至今尚未明确，关于矿热炉设计及操作基本上靠行业内的一些传统经验1 5 儿。近年来 随着计算机技术和控制技术的发展和广泛应用，使许多行业的自动化水平产生了翻天覆地的变化， 在此背景下有关学者开始尝试对矿热炉生产进行自动控制研究【8 l - 1 9 1 。 在国外，比较有代表性的是俄罗斯研究人员开发出一种先进的电极升降自动调节系统【2 0 】，该系 统遵循如下最佳工艺： 东南大学硕士学位论文 g ：常数：笪：常数 a 式中：g = i u 是熔体( 炉料) 电导率；i 是电极电流；u 是电极到炉底的电压降：是电极位移增 量；a g 口是电导率对于电极位移之间的梯度。另外，南非的研究人员开发出一种矿热炉新型调节 系统【7 】：调节器的控制对象( 工作设定点) 是炉料( 熔池) 的电阻，即该调节器的工作原理是采用 电阻控制移动电极，而且该电阻同炉料电阻率成正比，也就是控制炉料电阻率为恒定值。上述两种 控制策略是建立在炉料性质及配比均匀稳定的基础上的，而由于国内铁合金生产的整体水平落后， 在现有条件下还无法有效解决炉料的均匀性问题【2 1 1 ，因此很难直接采用国外先进的控制策略。 在国内，已开发出的矿热炉控制系统多是简单的通过微机控制取代人工控制【8 】- 【1 2 】，控制思想仍 以三相一次电流的平衡来控制冶炼，只不过把一次电流值设定在某一范围，当某相电流超过设定值 范围时，通过驱动系统控制电极的自动升、降使一次电流回到设定值范围并保持三相电极电流平衡。 早期开发控制器多采用传统p i d 控制算法嘲1 9 ，该类控制系统较早就被开发出来，但从其推广应用情 况来看，效果不是很好，导致目前铁合金生产仍普遍采用手工操作，随着智能技术的发展，一些研 究人员1 0 1 - 1 2 1 开始尝试采用智能控制算法代替常规的p i d 控制以实现对矿热炉电极的有效控制，目前 该类研究还处于初级阶段，相关成果还有待实践验证。可以看出，关于矿热炉自动化控制目前国内 关注仍较少，大部分研究还处于起步摸索阶段，且当前研究的思路都是沿用人工控制的思想，而对 矿热炉的冶炼特性研究较少，虽然控制算法不断改进，但控制效果并未达到理想预期，对于矿热炉 三相电极的调节控制仍然没有一个统一的，普遍适用的方案【l 引。 矿热炉是一种埋弧电弧炉，虽然针对此类电炉三相电极调节控制的研究文献不是很多，但是对于 其它行业如炼钢中的电弧炉有着大量的参考文献和研究成果【2 2 1 - 3 4 。具有代表性的是美国s t a r t f o r d 大 学与美国n o r t h s t a r 钢厂及m i u t e c h h o h 公司合作研制的基于神经网络的智能电弧炉( i a f ) 控制系统。 国内学者高宪文、刘小河、毛志忠等也作了大量研究工作伫3 】【2 4 】【2 5 1 。虽然在矿热炉生产中炉内的化学 反应比较复杂，炉内的电气特性及生产工艺与炼钢电弧炉生产过程有很大差别，但是这些参考文献 对于矿热炉控制系统的设计仍然有较大的参考价值。 1 3 主要研究内容 针对目前矿热炉电极控制系统的发展现状及存在问题，本课题以宁夏德信祥冶金工贸有限责任 公司某台1 2 5 m w 烟罩半封闭硅铁矿热炉为研究对象，进行了如下研究： ( 1 ) 分析了以往单纯从电气角度对矿热炉进行控制的不足，根据矿热炉冶炼特点，从热平衡角 度提出了基于炉内吸热量和三相电流平衡的控制策略，并建立了炉内吸热量的监测模型，且对炉内 吸热量的设定值进行了理论计算。 ( 2 ) 提出了以炉内吸热量控制为外环和以三相电流平衡控制为内环的二级控制方案，有效兼顾 了矿热炉冶炼的电气因素与热工因素。 ( 3 ) 针对内环对象的强耦合及非线性特点，采用模糊算法对其进行控制，对模糊控制器进行了 设计和仿真实验。 2 第一章绪论 ( 4 ) 针对矿热炉外环控制对象的大时变特性，提出了单神经元p i d 控制器，并介绍了其主要学 习算法。同时针对单神经元p i e d 控制学习速度较慢，调节时间长的缺点，提出了一种基于专家调节 增益的单神经元p i d 控制改进算法，并对该算法进行了仿真试验。 3 东南大学丽学论i 第二章矿热炉生产工艺及主要设备 2 1 矿热炉生产工艺流程 矿熟炉是用电弧发生的热来进行加热的装置。变压器二次侧的三相交流电流经短阿、电极输入 炉内，由于炉料昀导电性较差，所以电极得班插进厚厚的的炉辩内部，在料层内产生电弧热，同时 有相当一部分热量是因为电流流过炉料时由炉科电阻产生的因此，矿热炉又称为电阻电弧炉，由 于这类电炉的电弧操埋于炉料之中，故也被称为埋弧炉。图2 1 为硅铁矿熟炉布置示意图。 竖 彳 上弋彦嗲： 唇l 卅。 螫曜鹭 骖惑 立 气槲斟 峡 ：；黼 ”而l 目禽囊磊科 图2i 硅铁矿热炉布置示意图m j 1 炉壳；2 炭砖；3 铜瓦；4 电极f5 电极夹紧环i & 导电铜管；7 活动接线板 8 固定接线板； 9 软电缆；1 0 铜捧：1 1 变压罂：1 2 、1 3 下料管；1 4 把持筒；1 5 烟覃：1 6 烧穿嚣：1 7 炉】页料仓： 1 8 电极升降装置；l 争单轨：2 0 配料小车；2 1 科仓；2 2 移动式卸料车；2 3 烟囱 由原料加工处理工序送来的合格的焦炭、硅石和铜屑分别储存于料仓。焦炭、硅石和铁厝用自 动秤按规定比倒称量后，输送到炉顶料仓，从炉项料仓下部的投料管把炉料投到炉膛中。电流由电 炉变压器经短网、铜瓦、软电缆和导电铜管导 电极。炉料在硅铁炉内依靠电弧热、电阻热和一氧 化碳带出的热量成硅铁和一氧化碳。生成的硅铁自出料口流科槽流出。投料管直接插 炉盖内，当 第二章矿热炉生产工艺及主要设备 炉料下沉时，可继续补充炉料。硅铁炉的使用功率由电极的升降和电压级数的切换来调整，切换电 压可以在有载的情况下进行。电极的升降用油压升降机带动，压力由油压装置供给。硅铁炉定时将 熔融硅铁放出来，流入冷却槽，待自然冷却后经工人破碎后的硅铁粒度减小，送往包装站根据包装 工序进行包装川。 矿热炉与炼钢电弧炉尽管都是利用电热转换原理来熔化炉料和促使化学反应的进行，但它们在 冶炼原理和工艺上存在着较大的差别，主要表现在： ( 1 ) 矿热炉是在高温下利用还原剂把金属氧化物等矿石还原成铁合金，而电弧炉则主要是快速 熔化废钢来生产钢水。前者要求还原与熔化之间的关系达到最佳，其还原反应主要在电弧周围形成 的所谓“坩埚区”进行，而后者冶炼中化学反应不占主要地位，关键是合理提供废钢熔化所需的热能。 ( 2 ) 矿热炉采用埋弧操作，电极的下部一直埋在炉料内，炉料对电极电弧有很好的密封与屏蔽 作用，当存在电弧偏移时，相对于炼钢电弧炉而言，也能保障电能的有效利用( 部分热量可用于预 热炉料) ，而在炼钢过程中除熔化初期外，大部分实践中电弧处于裸露状态即明弧操作，采用了泡沫 渣技术后虽有所改善，但高温炉渣仍然向外辐射大量的热。 矿热炉炉况正常的主要特征是：负荷稳定，三相电极平衡，电极深而稳地插在炉料之中，炉内 坩埚大，吃料快，炉料透气性好，整个炉面冒出淡黄色的火焰，料层松软。在实际生产中，往往因 炉料称量不准，原料成分、粒度发生变化、焦炭水分波动、还原剂不足或过剩、操作不当、电压波 动等引起炉况不正常。当炉况不正常时，使炉内坩埚减小，电极被迫上抬，引起高温区上抬，炉底 温度降低，热损失剧增，排渣困难，另一方面，炉面受高温作用，会出现红料现象，从而使炉料电 阻大大降低，电极插入深度显著减小，操作条件恶劣。从以上过程可以看出，电极插入深度在矿热 炉冶炼中是十分关键的。在实际操作中，为了保证炉内有较大的坩埚，必须千方百计下插电极，使 电极在炉料中有适宜的温度，一般大容量电炉电极在炉料中插入深度为1 4 0 0 1 6 0 0 m m ，小容量电炉 的电极在炉料中插入深度为8 0 0 1 3 0 0 r a m 6 】。 2 2 矿热炉的主要设备系统 矿热炉主要由炉体、供电系统、电极系统、加料系统、冷却水系统、排烟系统等组成【1 】。 ( 1 ) 矿热炉炉体。炉体由炉壳、炉衬和出铁口构成。电极下部是最主要的反应区，在这里，电 能通过电弧和电阻转化成热能。炉膛的几何尺寸，包括炉膛直径、炉膛深度、电极和炉膛的相对位 置( 极心圆直径) 对炉内电流分布和热分布影响很大，是矿热炉设计的最重要参数。采用无渣法工 艺生产硅铁、金属硅、硅铬的矿热炉炉膛内部温度分布很不均匀，离电极较远的区域容易形成死料 区。为了改善炉膛温度分布，增大熔炼区面积，许多大型电炉装设炉体旋转机构，炉体在水平方向 上单向转动或往复转动1 2 0 0 转动。视操作要求，炉膛旋转周期为2 1 0 d 。采用淋水冷却炉壳，炉底 通风冷却和测温有助于改善炉衬工作条件，延长炉衬寿命。 ( 2 ) 矿热炉供电系统。矿热炉供电系统包括开关站、变压器、母线等供电设施和继电保护设施。 大型矿热炉通常采用三个单相变压器供电，变压器呈三角形布置。这样做可以缩短变压器到电 极的距离，降低短网阻抗，有利于提高矿热炉的热效率和功率因数。一些炉子装有星角转换装置， 5 东南大学硕士学位论文 改变电源一次侧接法可以使二次电压改变怕倍以满足工艺操作对烘炉和冶炼制度的要求。为了适应 各种冶炼条件，变压器设有若干电压等级。大型矿热炉变压器普遍采用有载分接开关，可以在冶炼 过程中对二次电压进行分相有载切换，根据炉况特点随时调整电气参数。大型矿热炉的熔池电阻较 小，电抗较大，功率因数普遍较低。为了补偿功率因数，需要在变压器的一次侧接入电容器进行并 联或串联补偿。 铁合金矿热炉常以变压器容量或电炉功率和衡量其规模。变压器的名牌标出的容量称之为额定 容量，是矿热炉变压器所能达到的最大视在功率。受电炉设计和冶炼条件限制，变压器额定容量常 常不能反映实际输入电炉能量，因此，人们常用实际生产中电炉的有功功率说明其规模。变压器的 额定容量大于使用容量意味着电炉有一定的过载能力。电炉变压器一般具有2 0 一3 0 的过载容量。 其二次端输出为低电压、大电流，低压侧配有电压调节装置，以供在不同熔炼阶段调节电炉的输入 功率之用。在生产中，带有有载调压装置的变压器主要用于半密闭炉和全密闭炉。因为这些类型的 电炉上装有炉盖和吸气罩等设备，不允许电极离得太近，所以电极向上提升的高度有一定的限度。 当电流增至较大值。电极达到较高位置时，只好用调整电压来代替电极的提升。电流上升得较快， 其值增加得较大的原因很多，例如，炉料的质量与配料比的波动，炉料颗粒的离析，产品质量的波 动，以及电极工作长度不平衡等等。所以需要采取有载调压变压器，在不切断电源的情况下进行电 压的调整，使得电流、电压和功率适应生产上的需要。这对于铁合金电炉适应变化的冶炼条件，调 整冶炼工艺参数有很大益处。 降低电炉设备电阻和电抗有助于减少变压器的有功和无功损耗，提高电炉效率，但变压器的电 抗过低不利于变压器的安全运行。 电炉的几何尺寸和短网设计对电炉电抗有直接影响。不当的设计可能大幅度降低电炉的功率因 数，减少有功功率的输出。 电炉的损失功率是由变压器、短网、电极等几部分损失组成。降低变压器、短网和电极电阻有 助于提高电炉电效率，降低产品电耗。 ( 3 ) 电极系统。电极是矿热炉的关键性部件，电炉就是依靠电极把经过变压器输送来的低电压 和大电流送到炉内，通过电极端部的电弧、炉料电阻以及炉内熔体，把电能转化成热能而进行高温 冶炼。矿热炉可以采用石墨电极或炭素电极，但多数电炉都是采用具有薄铁皮外壳的连续自焙电极， 这是因为自焙电极既方便而又经济的缘故。在铁壳里面，填充以电极糊。电极糊是由无烟煤、冶金 焦或石油焦作骨料，适当配加石墨屑，用煤焦油沥青或配加煤焦油作粘结剂充分混匀制成。起初电 极糊未经焙烧，电阻很大，大部分电流都暂由外圈周的铁壳负担。随后电极糊在下降过程中经过高 温焙烧固化，电阻大大下降，才能担负所有的电流。电极下端在炉内慢慢消耗，上端铁壳，又可重 新接长，再可填入一些电极糊，如此连续进行。电极系统由电极把持器、电极压放装置、电极升降 装置等组成。 电极把持器有项丝、锥形环、波纹管压力环、膜式压力环把持器和组合式把持器等几种结构类 型。电极把持器应能保证铜瓦与电极有良好接触使电流均匀分布在电极上，以减少电阻热损失并保 证电极烧结良好。接触不好或接触电阻过大会产生铜瓦与电极之间打弧，造成铜瓦损坏、电极流糊 或电极软断事故。电极烧结带是整个电极强度最薄弱的环节，铜瓦对屯极应有足够的夹持力，铜瓦 6 第二章矿热炉生产工艺及主要设备 对电极的抱紧力为0 0 5 - 0 1 5 m p a 。波纹管和膜式压力环可以保证每块铜瓦与电极紧密接触。仪表监 测每一块铜瓦与电极的接触压力，一旦出现异常可以及时报警。锥形环的特点是结构简单，但可靠 性略差。组合式把持器是挪威埃肯公司开发的。在结构上组合式把持器把铜瓦和压紧机构组合成一 个整体，电极壳筋片延伸到电极壳外，铜瓦直接加持筋片。采用组合式把持器的电极有助于改善电 极烧结。这样，下放电极的速度可以适当提高而不至于发生电极事故。 电极压放装置为抱闸式机构，有带式、蝶形弹簧式和气囊式几种。抱闸式机构由上抱闸、下抱 闸和压放缸组成。抱闸机构的抱紧力应足够大以保证电极不下滑。抱紧力过大则会造成电极壳变形， 不利于电极铜瓦与电极的良好接触，抱闸的抱紧力通常为0 0 5 - - 0 1 m p a 。平时上下抱闸总是处于抱紧 状态；下放电极时，下抱闸松开，上抱闸抱紧电极，压放缸动作将电极压放到所需位置。 电极升降装置是矿热炉的主要设备之一。电炉负载的大小与电极下端对金属熔池或炉底的距离 有关，电极插入炉料深，电阻值就小，反之，电阻值就大，所以这个电阻是一个可变电阻，称为“操 作电阻”。通过升降电极的方法，可以调节电阻值的大小，也即调节了电极负载电流和入炉功率的大 小。然而电极插深与操作电阻值并不是线性关系，在硅铁生产中，由于电极同炉料的接触性短路、 炉料的崩塌、炉料成分的气化、剧烈的化学反应等原因，会引起负载的很大波动。 正如前面所述，操作电阻是由电弧电阻和炉料电阻构成，因此调节电极插深还可以改变入炉功 率在炉料区和熔池区的分配。根据矿热炉生产工艺，电极的升降必须满足以下要求：首先，在融化期 要用满负荷给炉子供电，这意味着三根电极应插得较深，电极电流较大，操作电阻较小，炉内温度 较高，有利于炉料融化和还原反应，其次，要保证炉况和电弧稳定，如果三根电极动作频繁，会导 致炉料过快下塌，热效率降低，影响产品质量和吨铁电耗指标，并导致炉况恶化。电极升降机构大 多采用机电式和液压式两种类型。本课题研究对象采用液压式调节系统，一般对于大型的矿热炉， 大多采用这种调节系统。 ( a ) 结构 液压式调节器大多采用伺服系统，其结构如图2 2 所示： 图2 2 电极伺服系统原理图【1 3 】 7 东南大学硕士学位论文 ( b ) 调节原理 用液压系统控制电极的移动有两个目的：一个目的是为了调节电极电流，另个目的是为了补 偿电极因不断消耗而变短。为了达到这两个目的，采用了两种不同的工作方式。 第一种工作方式是采用一套固定的工序来使得电极下压，这时电极与上下摩擦带产生相对位移， 这样做的目的是因为电极在生产过程中不断被电解消耗而变短，因此要定时压放电极，满足电极工 作长度，这种工作方式称为“压放”。压放系统的机械部分由上摩擦带、压放升降缸和下摩擦带组成。 在摩擦带夹紧和完全放松位置装有限位开关提供反馈信号。液压件的动作由电气系统进行控制。压 放电极时，6 个顺序动作每一个动作的结束是后一个动作的开始，直到全部动作结束为止。在电极压 放的时候，油泵将油从油箱经过过滤网、罐阀送到储压罐或阀站，或经安全溢流阀回油箱。正常生 产时，油的走向受电气系统的控制，若罐内油被打到最高工作油位，则压力相应上升。当电磁阀得 电后将安全溢流阀中控制油路中的油放掉，使油经安全溢流阀回到油箱，泵卸荷。当油压到达工作 压力时，又将电磁阀断电，于是油又从单向阀方向进入储压罐充压。在压放过程中，摩擦带的松紧 是2 个3 通阀通过电控制而动作的。送电时摩擦带松开，断电时摩擦带夹紧。油路中节流阀用来调节 摩擦带松紧的速度，电磁阀左边压力表是观察电磁阀接通油路的情况之用。在压放升降缸的油路中， 油的走向受电磁阀丙控制。缸的上腔油路中，当丙上部电磁阀动作肘，油路在阂内按平行方向接通， 油进入油缸上腔。反之，油按交叉路线在阀内走，于是油进入油缸下腔。为控制压下的力，在上腔 的油路中设有单向减压阀。为控制摩擦带运动速度，在下腔油路中装有相反的单向节流阀，以便在 运动中动作平稳。电极把持器部分和压放部分合用一组油泵系统。在把持器缸的上腔油路中有单向 节流阀和节流阀，以控制油的流量。而下腔油路中具有单向节流阀和减压阀。电接点压力计是为了 保持油缸下腔有一定压力的油，当油缸下腔压力下降时，电接点压力计动作，使电磁换向阀动作， 以恢复下部的控制压力。而压力的大小可由减压阀和电接点压力计共同来调整。为使三个把持缸实 现同步动作，在其中两个油缸的油路上装有单向节流阕。 第二种工作方式是通过驱动升降大立缸来使得电极移动，这时电极将和套在其上的上、下摩擦 带一起移动，其目的是为了控制因炉料反应而导致的电极电流波动。这种工作方式称为“升降”。电 极升降油缸的升起由电一液换向阀控制，其它阀件作用与前同。油缸升降的同步问题由单向节流阀 来调节。电极升降部分单用一组油泵系统。在电极升降的油路中，为使工作连续，不受设备检修的 影响，油泵及相关的阀件采用双套。由于电极升降时用油量大，所以贮压罐比压放系统多两个。其 中两个半充气，半个充油。此部分泵系统的动作情况与前相似，仅仅在控制数上不一样。在铁合金 生产过程中“升降”操作是主要的调节方式，但每阐膈一段时间需要“压放”一次以弥补石墨电极的消 耗。 ( 4 ) 电炉冷却水系统包括竖炉冷却水系统，炉壁冷却水系统，炉盖冷却水系统和大电流冷却水 系统，均由水处理泵站供水。 ( 5 ) 加料系统是由料仓、料管、给料机等设备组成。料管直径、料管数目、料管分布、料管距 炉口距离等参数与冶炼品种和炉料特性有关。这些参数决定了炉料在炉内的分布状况。 ( 6 ) 排烟罩和炉盖。铁合金还原过程产生大量c o 浓度很高的炉气，同时带走大量粉尘。为使 电炉烟气含尘量达到排放和使用标准，必须用烟罩或密封的炉盖将烟气收集起来，经烟道送入净化 g 第二章矿热炉生产工艺及主要设备 系统。封闭炉回收的电炉煤气中c o 含量可达6 0 以上。为保证电炉安全运行，炉盖内部压力应维持 在微正压。敞口电炉炉气在炉口燃烧，烟气温度很高，不能直接进入布袋除尘器，在风机和布袋之 前必须设有冷却器或余热锅炉以降低烟气温度。采用矮烟罩装置能大大减少烟气排放量，提高烟气 温度，有助于回收余热，降低投资和运行费用。采用矮烟罩的电炉冶炼f e s i 7 5 可以从烟气中回收相 当于输入炉内电能2 0 * , - 3 0 的能量。布袋除尘器的投资只有敞口炉的1 4 ，除尘器消耗的电能仅为敞 口炉的1 3 。 2 3 本章小结 在本章中结合硅铁生产介绍了矿热炉的生产工艺流程，并与电弧炉进行比较阐述了矿热炉生产 的特点。同时对矿热炉生产的主要设备作了介绍，重点阐述了电极系统。通过熟悉生产工艺及其主 要的生产设备，将会给矿热炉控制系统的研究和设计工作奠定坚实的基础。 9 东自 # 学位论女 3 1 控制目标的选择 第三章矿热炉控制策略 在1 2 5 m w 硅铁矿热炉现场调研发现，矿热炉的冶炼过程是连续进行的，炉料近乎连续地由加 料系统i 蠹八炉膛内，电极端为炉科所掩埋。反应区主要集中在电极周围的高温带，冶炼过程生成的 炉渣和金属定期通过出铁口从炉内排出，炉气通过厚厚的科层与炉料进行热交换之后从科面上逸出。 硅铁炉正常冶炼时，炉内区域分布如图3 1 所示删( 只显示两相电极) ： 图3 1 硅铁矿热炉冶炼分区示意图嗍 1 预热区；刮尧结区；3 坤塌区；4 电弧区；5 熔池区； 6 假炉底；z 死料区；8 电极；9 炉衬：1 0 出铁口 ( 1 ) 预热区。处于炉料最上层通常厚度为1 0 0 - 2 5 0 m m 。下都反应区产生的高温炉气，自下 向上捧出，进行着热交换，将上部冷料预热。同时电极的热传导和炉料中的分流电路产生的电阻热 也使这部分炉料加热，以致红热( 5 0 0 - 1 0 0 0 ) 。 ( 2 ) 烧结区。预热带下部是烧结区，温度范围在1 0 0 0 - 1 7 0 0 ，直到坩埚壁，其厚度约为4 0 0 r a m 。 硅石中有含杂质较多熔点低的腔台物它们在1 0 5 0 - 1 1 0 0 “ c 可熔化，将炉料各组分烧结黏合。在透气 好加料均匀对，这些黏结料被孔睬中通过的热气流加热熔化。热气流是热量的主要裁体，也是维持 冶炼过程所需的反应物。这样将硅石中纯的石英粒熔化或还原。若透气不好，炉况较差时，已熔部 分固热气流通不过而温度下降又凝成嚼壳”，这就进一步影响了炉料透气和坩埚区的扩大。随着 温度升高至约1 3 0 0 ，s i 0 2 与硅石中杂质a b 岛，c a o 等形成低熔点化合物，使硅石形成黏度极大 的半熔卷石英玻璃。由于s i 啦半熔，与焦炭成炉气等浸捐而紧密接触，分子扩散速度比低温固相接 触时加大，故可发生良好反应。 ( 3 ) 还原区。还原区是炉腱内的集中反应区，即所谓“坩埚区”。还原区厚度约为4 0 0 - 7 0 6 m m 。 还原区的上部边缘为“坩埚壁”，而下部则与电弧区相连。温度高速1 7 0 0 - 2 0 0 0 “ c 。该区所迸过的电 流密度 目大热量高度集中，因此备粪化学反应都能进行。 ( 4 ) 电弧区。它是电极底端产生电弧使气体电离的空间，电极底部电压降很大。段3 5 e r a 第三章矿热炉控制策略 长的电弧上的电压降约为3 0 4 0 v 。在电弧工作过程中，电极底部热点的温度极高，可达2 0 0 0 6 0 0 0 “ c ， 已超过金属的沸点和s i 0 2 ，s i c 的分解温度，使其明显蒸发。在电弧区合金熔池上部的硅挥发成饱 和蒸气，且s i o ，s i c 呈蒸气状态参加反应，甚至直接分解成硅。在电弧区充满各种元素的离子或蒸 气，这股从电弧区产生的蒸气流是维护冶炼过程的重要因素，蒸气中硅、碳和铁的含量随上升过程 而变化，进入坩埚壁的气流中含有的硅一部分是气态，一部分成为液滴均匀地散布在气相中，两相 中都含有铁。维持坩埚壁内反应所需的热量，基本上是上述蒸气中的高热焓带入的。 ( 5 ) 熔池区。它是熔融合金和炉渣聚集的区域。 ( 6 ) 假炉底。在熔池区下部通常在开炉初期有未还原的熔融s i 0 2 ，m g o ，a 1 2 0 3 等和未排出 的炉渣、未被破坏的s i c 等逐渐积蓄而形成的炉底上涨现象，且往往会因电极插得不深，炉底温度 低，排渣不好而逐渐加厚，导致出铁口上移，电极上抬，出铁不顺，炉况恶化。但正常情况下一定 厚度的假炉底，对炉底有保护作用。 冶炼时上述区域分布近似处于稳定状态下，其中“坩埚区”是炉内显著地进行熔化和还原的区域， 坩埚的上部是由炉料形成的“坩埚”盖，“坩埚”壁和“坩埚”盖不断融化，并在炉料重力的作用下，被上 面的新料所代替。坩埚的大小对冶炼起着最重要的作用，坩埚大，则炉料熔化及还原快，元素收得 率高，冶炼效率高。决定坩埚大小的物理现象是温度梯度，要使坩埚大，必须温度分布均匀，使输 入炉内的功率能分布在电极四周较宽的区带中，即较宽的区带能达到熔化还原所需的高温。由于炉 内输入功率是由电极插深决定的，虽然电极插深越大，输入功率越大，但随着电极与合金液面距离 的减小，电极端发出的电弧也越来越短，使电弧区变小，因此坩埚区也会越来越小，所以冶炼中电 极输入功率并不是越大越好。 可以看出，在冶炼中炉内温度场稳定及其分布均匀是整个冶炼过程控制的关键。当输入炉内的 热量不足时，温度场温度降低，矿石熔化及还原反应因温度不够难以充分进行；当炉内温度场分布 不均时，三个熔池坩埚的大小、位置不同，吃料量有差异，这也必然影响冶炼的技术指标。控制矿 热炉冶炼温度稳定实际上就是要在原料一定情况下保证供入热量恒定，控制矿热炉冶炼温度分布就 是要在堆料均匀情况下控制三相功率平衡即三相电流平衡，这些控制要点均需要通过电极运动来实 现。因此在堆料均匀状况下，以保持三相电流平衡为准则，根据炉况适当调控三相电极的插入深度 以提供合理的热量是矿热炉控制系统的核心。 由于客观因素，目前矿热炉可测的参数仅有变压器一次侧电压、电流信号及炉体外围相关参数， 最重要的电极位置及炉内冶炼状态参数均无法测得，冶炼时炉内状况近乎是一个“黑箱”。因此目前 现场运行人员采用的操作方式是在保持三相电极电流平衡的条件下使每相电极一次侧电流维持在恒 值来控制电极插入深度。当前开发的各种矿热炉控制系统也大多沿用了这种控制策略【8 】【”1 。这种控 制策略其优点是检测参数少且容易测量、判断，尤其适合人工操作。但也有其不足，因为仅以一次 电流恒定作为控制目标，只考虑到了矿热炉冶炼的电气特性却忽略了其热工特性，具有一定的局限 性，以一次电流恒定作为控制目标的基础是认为冶炼中热量损失与输入功率是线性关系，但事实上 并不如此，突出表现就是冶炼中往往会出现在电极输入功率恒定的情况下，热量损失却变化甚大， 导致炉内实际提供的有效热量不足，破坏冶炼状态。这是因为铁合金冶炼实际上是一个非常复杂的 物理化学反应过程，炉内同时存在着电气、热力及物理化学等过程，各种参数及干扰因素对冶炼都 1 1 东南大学硕士学位论文 有着极其复杂的影响，而这种影响并不都是通过改变电气参数表现出来的，因此仅从电气角度考虑 并不能完全反映出炉内真实的冶炼状况。 从热平衡角度分析发现炉内冶炼状况发生变化时，最直接的反映就是炉内实际利用的有效热量 发生了变化。以硅铁炉为例，当炉况恶化时，坩埚被破坏，大量高温气体带着未进行热交换的热量 和大量未反应的s i o ，s i c ，s i 等排出炉外，造成大量热损失和有用元素损失，而炉内因为吸收热量 不足，温度降低，下一轮的冶炼无法充分进行，从而形成了恶性循环 3 6 】。可以看出，炉内吸热量的 变化直接反映了冶炼过程的状态，因此在当前矿热炉可测参数有限的条件下选择炉内吸热量作为控 制目标能够更好的反映冶炼炉况，更合理的调整电极插深以提供冶炼需要的输入热量。 综合以上分析，本文最终确定以炉内吸热量和三相电流平衡作为矿热炉控制系统的控制目标。 3 2 炉内吸热量监测模型 显然，炉体吸热量是不能直接测量得到的，本文通过热平衡原理来建立它的在线监测模型。 硅铁冶炼就是用还原剂c 还原矿石中的s i 0 2 制取s i ，然后s i 与f e 生成硅铁合金。就碳还原氧 化硅的整个过程来说，总反应可用s i 0 2 + 2 c = s i + 2 c 0 表示，但实际却并非如此简单，有着非常复杂 的反应机制，目前为止对其内部反应机理还没有统一的认识。为了研究需要，将碳还原氧化硅的过 程分解为两个过程分析p 6 1 ： 2 c + 0 2 = 2 c 0 s i 0 2 = s i + 0 2 考虑到矿热炉冶炼进行中可能的因素，在忽略炉料显热的情况下得到单位时间内能量的收入与 支出关系如图3 2 所示。 收入项支出项 ，q 4 炉料熔化吸热 r l 变压器一次侧输入电能 q 5 分解反应吸热 一 2 碳氧化放热 喵炉渣及合金吸劐 一 啦炉气排热 ；合金及炉渣生成热 啦 冷却水系统吸韵 r 啦炉体散热 图3 2 矿热炉冶炼中能量平衡图 根据图3 2 可以得到热平衡方程： 哂+ 吼+ 吼= 吼+ 吼+ 吼+ 劬+ 吼+ 式( 3 1 ) 中的吼、9 3 、吼、岛、q 6 项均发生在炉膛内，设炉内吸热量为 7 0 ，则 吼2q 4 + 吼+ 吼一吼一够 因此( 3 1 ) 可以写成 1 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 第三章矿热炉控制策略 ( 1 ) 电极输入热量计算 式中，p 电极功率，w ； 卜计算时间，s 。 ( 2 ) 炉气排热计算 q o = , i 一( q 7 + g 。+ q 9 ) q z = p t 9 72 以吒( 乙一瓦) 式中，岛护气的平均密度，k g m 3 ： 匕炉气流量，m 3 s ； q - 炉气的平均比热容，k j ( k g k ) ： i 炉气排出时温度，k ； 不环境温度，k ； f 计算时间，s 。 ( 3 ) 冷却水系统吸热量计算 吼= 氏& ( - r o , ) t吼2 己氏y 【，u m 式中，氏第k 个冷却水系统的密度，k g m 3 ； 第k 个冷却水系统冷却水流量，m 3 i s ； c t 第k 个冷却水系统冷却水的比热容，k j ( k g k ) ； 乙第k 个冷却水系统冷却水温度，k ； 第k 个冷却水系统冷却水初温，k ； r 计算时间，s 。 ( 4 ) 炉体散热量计算 炉体散热包括两部分：炉体对流散热和炉体辐射散热。 ( a ) 炉体对流散热量计算 锄= 力彳( 巧一r o t 式中，五炉体对流传热系数，w ( m 2 k ) ； 么炉体表面积，m 2 ； 乃计算时刻炉体表面温度，k ； 瓦环境温度，k ； 1 3 ( 3 3 ) ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 东南大学硕士学位论文 f 计算时间，s 。 ( b ) 炉体辐射散热量计算 q f = lf 簿l r o ) t 式中，办炉体表面辐射传热系数，w ( m 2 k ) ； 彳妒体表面积，m 2 ； 正计算时刻炉体表面温度，k ； 瓦环境温度，k ； f 计算时间，s 。 将( 3 - 4 ) ( 3 8 ) 带入式( 3 - 3 ) 得到炉内吸热量鳊的监测模型 q o = r p s v g c e , t g t 一户k c t ( 一瓦y 一无爿( 巧一t o )