（控制理论与控制工程专业论文）基于神经网络的电弧炉电流预测模型研究.pdf

i i i j ij i lli i i ii ll i i i 17 5 0 6 4 0 t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y f o r t h em a s t e r sd e g r e e r e s e a r c ho nt h ep r e d i c t i o nm o d e lo fa r c f u r n a c eb a s e do nn e u r a ln e t w o r k b y w a n gx i a o b o s u p e r v is o r z h a oh u i j a n u a r y2 0 1 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他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。 学位论文作者签名：王哺；疋签字日期：凇o 年弓月孑 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗墨三太鲎有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨墨盘望 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：互盹波 签字日期：2 0j o 年3 月分日 名：毒彭暂 摘要 电极调节器是冶金用电弧炉控制核心部件，其性能的好坏直接影响着电弧炉 的工作效率，并且对电耗、电极损耗等都有很大的影响。就控制方式来说一般是 采集三相电流数据，通过调节电极的位置维持电弧电流的稳定，几乎所有的控制 器都是将三相电极作为独立的单元来控制，但是三相电极电流相互之间存在着强 耦合关系：任何一相的线电流的变化都会影响其它两相的线电流变化，此时如果 不考虑到这种相关性而对其独立地调节，电极的稳定性就很难保证。 针对以上问题，本文首先在分析了三相电弧炉系统的炼钢工艺以及组成结构 和特点的基础上，建立了电极升降控制系统的主回路电路模型。并以单片机、数 据采集卡和硬件电路为基础，搭建了控制系统的软硬件混合仿真平台。考虑到三 相电弧炉是一种存在着三相不平衡、强耦合、时滞、时变的强非线性系统，为了 满足实际工程需要，应对现场的复杂环境，主要采用神经网络方法对三相电弧炉 进行仿真分析。 在数据采集方面，采用高速数据采集卡设计了一个高速、准确的电参数数据 采集系统，使该采集系统可以实时的采集大量的电参数( 电弧电压、电弧电流和 有效功率等) 。使用这些数据在离线的情况下建立一个电弧炉神经网络预估模型。 建立模型后，采用b p 算法与结构自适应相结合的方法对神经网络预估模型 的结构与权值进行训练仿真，并不断进行在线自调整，使预估模型对实际的电弧 炉对象实现最佳逼近。特定的预估补偿程序利用预估结果，对常规控制的电极调 节器输出进行优化补偿，用于实时控制，以获得期望的控制效果。 为了证明该控制方式的良好的预测性能，本文的最后用m a t l a b 仿真软件仿 真了该过程，并与传统b p 算法进行了比较，仿真结果表明该方法可以对电弧炉 电极进行有效的控制，具有重要应用价值。 关键词：电弧炉电流预测模型神经网络 a b s t r a c t t h ee l e c t r o d er e g u l a t o ri st h ei m p o r t a n tu n i to fa r cf u r n a c e i t sp e r f o r m a n c e w h i c hh a sd i r e c t l yr e l a t i o nw i t hi t se f f i c i e n c ya n di th a sas i g n i f i c a n ti m p a c to np o w e r c o n s u m p t i o na n de l e c t r o d el o s s n o r m a l l y , t h em o d eo fe l e c t r o d er e g u l a t i o n i s c o l l e c t i n gt h r e ep h a s ec u r r e n ts a m p l ea n d m a i n t a i nt h es t a b i l i t yo fa r cc u r r e n tt h r o u g h r e g u l a t i n gt h eh e i g h to fe l e c t r o d e a l m o s ta l lo ft h ec o n t r o l l e r st a k et h et h r e ep h a s e e l e c t r o d ea sas e p a r a t eu n i tt oc o n t r 0 1 i nt h i ss i t u a t i o nap r o b l e mr a i s et h a tt h e e x i s t e n c eo fas t r o n gc o u p l i n gr e l a t i o n s h i pi nt h r e ep h a s ee l e c t r o d ec u r r e n t ，w h i c h c a u s et h er e s u l tt h a ta n yo n ep h a s el i n ec u r r e n tc h a n g i n gc o u l da f f e c tt h eo t h e r s a t t h i sp o i n t ，i fw ed on o tt a k ei n t oa c c o u n tt h ec o r r e l a t i o n ，t h es t a b i l i t yo ft h ee l e c t r o d e i sd i 伍c u l tt oe n s u r e f i r s t l y , t h em a j o rl o o p sc i r c u i tm o d e lo ft h ee l e c t r o d ep o s i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m i sc o n s t r u c t e da f t e ri n - d e p t ha n a l y s i so nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n dc o m p o s i t i o no ft h r e e p h a s ea r cf u m a c es y s t e m ，a n dt h e nt h es o f th a r d w a r eh y b r i ds i m u l a t i o np l a t f o r mi s b u i l tw h i c hb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r , d a t aa c q u i s i t i o nb o a r da n dh a r d w a r ec i r c u i t f o r t h ee x i s t e n c eo ft h r e ep h a s ei m b a l a n c e ，s t r o n gc o u p l i n g , t i m ed e l a y , t i m ev a r y i n gi n t h r e ep h a s ee l e c t r i ca r cf u r n a c e ，a n di no r d e rt om e e tt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gn e e d s a n dc o m p l e xe n v i r o n m e n t , w eu s en e u r a ln e t w o r km e t h o dt os i m u l a t et h ea r cf u r n a c e f o rt h ed a t aa c q u i s i t i o n ，w eu s ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r dt od e s i g nh i g hs p e e da n d a c c u r a t ee l e c t r i c a lp a r a m e t e rd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n dt h es y s t e mt ob ea l l o w e d g a t h e r i n g m a s s i v er e a l t i m ee l e c t r i c a l p a r a m e t e r s ( a r cv o l t a g e ，a r c c u r r e n ta n d e f f e c t i v ep o w e r ) a n dw eu s et h e s ed a t at oe s t a b l i s ha ne l e c t r i ca r cf u m a c e m a t h e m a t i c a lm o d e lw i t hn e u r a ln e t w o r ki nt h eo f f - l i n es i t u a t i o n t h e n ，w eu s eb pa l g o r i t h ma n ds t r u c t u r ea d a p t i v ea l g o r i t h mt oo p t i m i z en e u r a l n e t w o r km o d e l ss t r u c t u r ea n dw e i g h t ，a n dc o n s t a n t l ya d j u s tt h e mo n - l i n e ，c a u s et h e e s t i m a t i n gm o d e l t o a p p r o a c h e l e c t r i ca r cf u r n a c ei nr e a l i z a t i o n t h e s p e c i f i c c o m p e n s a t i n gp r o g r a mu s ee s t i m a t e dr e s u l tt oc o m p e n s a t et h eo u t p u to ft h ee l e c t r o d e r e g u l a t o rw i t hc o n v e n t i o n a lc o n t r o lm e t h o d ，i no r d e rt oo b t a i nt h ee x p e c t e dc o n t r o l e f f e c t i no r d e rt o p r o v et h eg o o dp r e d i c t i v ep e r f o r m a n c e ，t h i sp a p e rf i n a l l yu s i n g m a t l a bs o f t w a r et os i m u l a t et h ep r o c e s sa n dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lb p a l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o dc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h e e l e c t r o d ea n di th a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：a r cf u r n a c ec u r r e n tp r e d i c t i o nm o d e ln e u r a ln e t w o r k 目录 第一章绪论1 1 1 电弧炉炼钢的发展1 1 2 电弧炉炼钢的特点1 1 3 电弧炉炼钢原理1 1 4 电弧炉炼钢研究现状和发展趋势2 1 5 现代电弧炉炼钢技术3 1 6 本章小结4 第二章电弧炉炼钢工艺与设备5 2 1 电弧炉炼钢工艺5 2 2 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求5 2 3 电弧炉炼钢的设备6 2 3 1 电弧炉炼钢的机械设备7 2 3 2 电弧炉炼钢的电气设备8 2 3 3 液压及气动设备9 2 4 液压式电极调节系统的结构和工作原理1 0 2 4 1 液压式电极调节系统的结构1 0 2 4 2 液压式电极调节系统的调节原理1 0 2 5 本章小结1 1 第三章电弧炉总体控制方案的设计1 2 3 1 电弧炉电极控制方法及存在的问题1 2 3 1 1 电弧炉电极的控制方法1 2 3 1 2 电弧炉电极传统控制存在的问题及国内外发展现状1 3 3 2 神经网络在电弧炉中的应用1 5 3 3 智能控制的确定原则1 6 3 3 1 控制方式的选择原则1 7 3 3 2 智能控制所需技术的选择原则1 7 3 3 3 智能控制形式的选择原则1 8 3 3 4 控制策略的选择原则1 8 3 4 总体控制方案的确定1 8 3 5 本章小结1 9 第四章电参数的数据采集系统2 0 4 1 电参数的瞬时值检测及有效计算2 0 4 2 数据采集的硬件设计方案2 l 4 2 1 电压和电流互感器2 l 4 2 2 模拟滤波电路2 2 4 2 3 数字信号调理电路2 4 4 2 4 数据采集模块的设计2 5 4 3 数据采集的软件实现部分2 7 4 3 1 数据采集方式2 7 4 3 2 数据采集流程2 8 4 3 3 数据采集的软件实现方法2 8 4 3 4 上位机接收程序3 1 4 4 系统接地及屏蔽技术3 l 4 4 1 系统接地技术3 1 4 4 2 系统屏蔽技术3 2 4 5 本章小结3 2 第五章神经网络电流预测模型的研究3 3 5 1 神经网络概述3 3 5 2 人工神经网络的特性3 4 5 3 印神经网络的结构3 5 5 3 1b p 神经网络的正向传播计算3 6 5 3 2 神经网络反向传播计算3 7 5 3 3b p 人工神经网络的工作过程3 7 5 4b p 神经网络的优缺点3 8 5 4 1 多层前向b p 网络的优点3 8 5 4 2 多层前向b p 网络的缺点3 8 5 4 3b p 学习算法的改进方法3 9 5 5 基于b p 神经网络的电极调节器3 9 5 5 t 建立b p 神经网络模型3 9 5 5 2 试验数据4 0 5 5 3 自适应变步长算法的提出4 1 5 5 4 神经网络设计4 2 5 5 5 预报结果与讨论4 3 5 6 本章小结4 4 结束语4 5 参考文献4 6 发表论文和科研情况说明4 8 致j 射4 9 第一章绪论 第一章绪论 电弧炉炼钢是我国最为广泛的电弧炉炼钢方法，它主要以电能作为热源。人们通常 所说的电炉炼钢主要指电弧炉炼钢，因为象感应电炉，电渣炉等所炼的钢数量很少。 交流电弧炉炼钢是利用电极与金属炉料间的电弧，将电能转化为热能，并借助辐射 和电弧的作用加热并熔化废钢铁，炉渣等金属，从而冶炼出各种成分的钢和合金的一种 炼钢方法n 1 。电极升降的控制是为了实现控制电极与炉料的电弧距离，也就控制了电弧 产生电流的大小，从而达到控制冶炼功率的目的。 1 1 电弧炉炼钢的发展 电弧炉炼钢发展瞳_ 妇至今有着悠久的历史，其间各种炼钢方法层出不穷，新的方法 不断吸取旧的方法的优点，避免旧的方法的不足，使电弧炉的炼钢方法不断的更新换代， 从而推动电弧炉炼钢的发展。从1 8 0 0 年碳电极的出现n - 十世纪初采用高压输电线路 进行炼钢，电弧炉炼钢的发展已经取得了长足的进步。与此同时国外电弧炉炼钢的发展 也很迅速，较早的时候大功率交直流电弧炉占据着国外电弧炉市场的主流。而目前国外 电弧炉市场正在用直流取代交流，而我国电弧炉市场正在从小容量到大容量发展。但是 随着直流电弧炉技术的成熟发展，用直流电弧炉取代交流电弧炉是必然的趋势u 2 l 。 1 2 电弧炉炼钢的特点 电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生 的电弧为主要热源，加热并熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金。 电弧炉炼钢与其他炼钢方法比较，有以下特点：电弧炉比其他炼钢工艺灵活性大， 能有效地去除硫、磷等杂质，炉温容易控制，设备占地面积小，适于优质合金钢的熔炼。 根据电弧炉的特点它不仅能冶炼优质的合金钢，而且在冶炼低质的合会钢时也能达到不 错的熔炼效果；能使用各种元素进行合金化，冶炼出各种优质钢和合命，与平炉炼钢相 比，电弧炉设备占地面积小，投资少。与转炉相比，电弧炉不一定需要以铁水和造渣料 作为原料，也不需要转炉炼钢时所用到的庞大的炼铁和炼钢系统。此外，电弧炉电能消 耗稳定，供应便捷。另外电弧炉设备简单、操作容易、已经可以用来生产普通碳素钢也 是电弧炉炼钢的优点。 1 3 电弧炉炼钢原理 近现代电弧炉炼钢方法主要有分埒转炉炼钢法、平炉炼钢法和电炉炼钢法。平炉炼 钢法目前已基本被淘汰，以电能作为热源和氧化法炼钢是电炉炼钢法与转炉炼钢法的根 本区别所在，而我国还是以电弧炉炼钢作为主要的炼钢方法。 第一章绪论 电弧炉是利用电能作为热源进行冶炼会属的一种设备。电弧是由焊接电源供给的， 在两极间产生强烈而持久的气体放电现象。一般情况下气体是不处于导电状态的，但当 气体被电离后，则在气体中产生了自由电子( 带负电) 和离子( 带j 下电) ，通过自由电子与 离子的导电作用，气体就开始导电了。此时，如果电极的正负极之间存在电压，则电子 和离子就会分别在电场的作用下进行扩散和漂移运动形成电流。当两个电极接触在一起 时则会产生比较强的短路电流，该短路电流温度升高到一定程度后便会发射电子。一旦 两个电极分开，电子受到电场的加速作用而使两电极间受到电离，从而使两电极之间的 空间的导电性能大大提高。由于电离过程时间很短，所以在两个电极刚刚离开时，在外 加电压的作用下介质被击穿从而产生了电弧。 生产实践证明，三相交流电弧炉控制系统性能的优劣，对电弧炉的冶炼周期，产量 ，电耗，电极消耗量和电网的品质因数具有十分明显的影响。显然，一个性能良好的电 弧炉控制系统，将会带来良好的经济效益n 引。因此，确定一种最优的电极控制方案对缩 短炼钢时间、炼钢能耗的减少、减少炼钢成本等都有极其重要的意义。 电弧炉在炼钢生产过程中包括熔化期、氧化期和还原期。 熔化期的主要任务就是熔化炉料，而造好炉渣也是熔化期的重要操作内容。所谓炉 渣是指像碳、硅、锰、磷等金属夹杂物经氧化后形成复杂的化合物。如果仅为满足覆盖 钢液及稳定电弧的要求，只需少量的渣量就已足够了，但从脱磷的要求考虑，熔化渣必 须具有一定的氧化性、碱度和渣量。 在电弧起弧阶段，若电弧燃弧时断时续，必然会增加熔化时间，电流也会遭到剧烈 的冲击，结果使电极消耗增加，降低系统的功率因数。 因此，在熔化初期，在保证炉体寿命的前提下，用最少的电耗快速地将炉料熔化升 温，并造好熔化期的炉渣，以便稳定电弧，防止吸气和提前去磷。 氧化期的任务是：1 ) 继续氧化钢液中的磷；2 ) 使钢液均匀加热升温；3 ) 去除气 体及夹杂物。这些任务的完成，主要是通过矿石脱碳操作经过高温、薄渣、分批加矿、 均匀激烈的沸腾而完成。 氧化期扒渣完毕到出钢这段时问称为还原期。还原期的主要任务有四，一是升温， 二是脱氧，三是脱硫，四是调整成分。 另外，交流电弧炉电极控制系统是一个多变量，非线性，参数时变，复杂强耦合系 统，传统方法很难建立其数学模型。因此，用神经网络方法建立电弧炉电极控制系统模 型并进行合理化研究，不仅具有实用价值，还具有广泛的指导意义，将有助于迅速提高我 国炼钢技术水平。 1 4 电弧炉炼钢研究现状和发展趋势 很早以前各国的学者专家就对电弧炉炼铡有了一些初步性的探索。从6 0 、7 0 年代 国外的一些学者和专家就对电弧炉的控制问题和一些控制算法提出了一些自己的观点， 深入的分析了电弧炉的控制难点1 引。但这些方法大多都限于理论分析，在实际电弧炉 炼钢过程中得到应用的却很少。从八十年代到九十年代，由于智能技术的发展，给电弧 炉冶炼过程自动控制提供了新的突破点，美国神经网应用公司( n e u r a la p p l i c a t i o n s 第一章绪论 c o r p o r a t i o n ) 成功的应用了神经网络学习技术，开发了智能电弧炉( i a f ) ，该项技术 现已应用在4 0 多座大型超高功率交流电弧炉的生产过程中。 国内对电弧炉炼钢过程控制理论方法的研究起步较晚。从8 0 年代中期到9 0 年代初， 有人提出了电弧炉的自校j 下控制与辨识方法，用来提高电极调节特性，并在电弧炉的智 能控制方面也有了一定的进展。如电极的智能复合控制和基于专家知识的电弧炉炼钢过 程计算机控制方法，以及终点自适应预报专家指导系统。可以说，智能技术将在未来电 弧炉炼钢过程控制中起着关键作用 1 6 o 近几年，国内的刘小河等曾经采用分段线性化的方法来处理对象的本质非线性，用 p o p o v 超稳定性理论将其用于电弧炉的电极调节系统，取得了成功。但是分段线性化的 方法对于单相电弧炉的情况比较的直观，如果将其推广到三相，则处理过程将变得相对 复杂。他还提出了电弧炉电极调节系统的模糊一p i d 控制方法。该方法运用模糊数学的 基本理论和方法对p i d 参数进行最佳调整，从而实现电弧炉的模糊一p i d 控制。该控制 方法可实现电极位置的控制，从而将电弧弧长控制在某期望值，减少电网的波动，节 省能源。但该方法目前还处于仿真阶段，并没有运用到实际当中，因此还有待进一步的 研究n7 1 。张晓晖等人提出了一种以改进g a 和扩展d b d 相结合的方法作为学习算法的预 测控制方案，仿真结果表明，它可以较好地解决神经网络预测模型收敛速度慢的问题， 并可以在一定程度上提高预测模型的输出精度口8 。 尽管如此，上述方法学习能力有限，很难适应电弧炉控制过程复杂环境的变化。神 经网络作为一种新颖的建模工具，能够模拟现实系统复杂的输入输出关系，具有很强的 非线性建模能力和良好的容错性能，非常适合于电弧炉电极的控制。本研究运用神经网 络理论，首先对电弧炉电极的三相电流建模并进行了分析和仿真，使三相电流最终达到 稳定状态。 1 5 现代电弧炉炼钢技术 1 超高功率技术 随着高功率技术n 引的出现，电弧炉炼钢技术j 下沿着提高炼钢生产率、简化炼钢工艺 的道路发展。超高功率技术的使用使得炼钢时间由原来的4 d , 时变为现在的4 0 分钟，每 吨炉容量年产钢量j 下在逼近一万吨。因此超高功率技术必将是炼钢发展的必然趋势。 2 水冷炉壁和水冷炉盖技术 由于超高功率电弧炉的使用，电弧炉的炉壁和炉盖会产生较大的热流，温度的变化 很容易影响炉壁的使用寿命，如果单纯的增加炉壁的厚度只会引起耐火材料消耗的增 加，不会提高炉壁的使用寿命。使用水冷炉壁和水冷炉盖好处在于，炉渣在冶炼过程中 可以随时弥补炉衬熔损的部分，炉壁的使用寿命不仅可以大大提高且也使可靠性增强。 3 泡沫渣埋弧技术 泡沫渣埋弧技术就是在不增加渣量的前提下使炉渣的厚度增加，其主要原理是泡沫 渣中所含的一氧化铁与碳结合生成一氧化碳气体，从而在空气中挥发掉，并使炉渣尽可 能保持液体状态。泡沫渣工艺与超高功率电弧炉采用的水冷炉壁、炉盖技术相结合，改 善了电弧炉的供电形式，从而提高了电弧炉供电的功率因数。 第一章绪论 4 偏心底出钢技术 为了提高炼钢效率应首先应用超高功率电弧炉对钢进行初炼，然后转到钢包中进行 精炼，而偏心底出钢技术的优点是钢包内钢水回收较少，炉壁水冷面积可显著提高，耐 火综合消耗降低一半：同时缩短了电网短网的长度，减少电抗等优点。 5 氧燃技术 由于电弧起弧阶段不易燃烧，利用氧燃烧嘴助熔技术使其增加一个辅助能源，从而 可以最大限度地消除炉壁附近电极之问的冷区。 6 废钢预热技术 现代电弧炉炼钢由于氧燃技术的实施，废气的温度较高，利用高温烟气预热废钢不 仅可以降低除尘系统废气冷却部分的费用，而且可以回收部分余热降低温度。 7 电弧炉底吹技术 电弧炉底吹炼钢技术的基本目的就是将一些氧化气体从炉底吹入熔池中与钢液结 合，从而更容易熔化金属提高电弧炉的冶炼能力。 8 直流电弧炉技术 直流电弧炉与交流电弧炉相比具有冶炼时间短、电耗低、环境污染少、电极消耗低、 维修方便和投资回收期短等许多优点。 1 6 本章小结 本章简单介绍了电弧炉炼钢的基本原理，电弧炉炼钢研究的历史，研究现状和发展 趋势，最后介绍了电弧炉炼钢的技术，通过这些可以使我们对电弧炉有个初步的认识， 对于进一步深层次的研究电弧炉电极调节控制有重要意义。 4 第二章电弧炉炼钢ji ：艺与设备 第二章电弧炉炼钢工艺与设备 2 。1 电弧炉炼钢工艺 在电弧炉炼钢过程中对炼钢工艺的要求也是十分重要的，应根据不同的炼钢项目选 择合理的炼钢工艺，而炼钢工艺主要包括氧化法，不氧化法和返回吹氧法。而氧化法是 炼钢工艺中常用的方法啪1 。炼钢过程通常包括六个阶段，炼钢周期很长，而炼钢周期的 加长不仅降低了电弧炉炼钢的生产率，而且钢材的精度要求也很难得到保证。现代工艺 炼钢分为两个阶段首先在电弧炉中进行熔化、升温和必要的精炼，而在钢包二次精炼炉 中进行如脱磷、脱碳等其余的精炼过程。这种工艺上的改进促使电弧炉的设备能够以尽 可能大的功率进行熔化、升温操作，而把那些只需要较低功率的操作转移到钢包精炼炉 内进行，这样做极大的提高了炼钢的生产率。下面就对这几个炼钢过程晗做一介绍。 补炉：在电弧炉熔炼周期结束后炉体往往会遭到磨损，为了保证下一炉钢的正常冶 炼，需要迅速将炉体损坏的部位进行修补，从而使整个炉子正常运转。新炉子在冶炼前 几炉一般不需要补炉。 装料：装料是指根据炼钢要求将废钢及金属等炉料从炉盖装入炉体。 熔化期：电弧炉炼钢从通电开始到炉料全部熔清为止、平炉炼钢从兑完铁水到炉料 全部化完为止都称为熔化期。熔化期的任务是尽快将炉料熔化及升温，并造好熔化期的 炉渣。为了加速熔化和节约电能，在熔化期可以采用吹氧助熔，有条件的也可以采用煤 氧助熔。另外熔化期的最后阶段还要进行取样和扒渣，根据磷的高低主要确定扒除全部 或大部分渣，另造新渣。 出钢：钢液首先脱碳、脱磷，温度及成份合格后，炉渣合乎出钢要求，即可停电升 起电极，脱氧后即可出钢。因此，电弧炉炼钢的一般流程为：上炉出钢一补炉一装料一 熔化期一出钢比引。 2 2 电弧炉炼钢工艺对电极调节器的要求 电极调节器在电弧炉炼钢中十分重要。在炼钢熔化期进行熔化冷料时，电极的电弧 长度仅为数毫米，但它却能产生数千千瓦的功率，而且电弧温度极高，由于在此过程中 废钢铁与余属等被迅速的熔化，因此，电弧电流很难保证稳定输入，在开始加热费钢时， 通过料篮装入炉内的炉料具有很大的电抗，而随着废钢的熔化，其电气特性又几乎变成 纯电阻性的。而通过对电弧炉电极的调节可以明显地何省炼钢能源，提高炼钢效率。 因此，对电弧炉电极调节器进行合理的调节是炼钢过程中重要的环节。在保证电弧炉稳 定工作的条件下，电极调节器的性能要具有高灵敏度，快速性好，超调小等特点。其具 体如下： ( 1 ) 高灵敏度。电极调节器应对炼钢各个时期的电流变化十分敏感，只有具有较高的灵 第二章电弧炉炼钢j ：艺与设备 敏度电极调节器才能对电流的变化做出迅速反应，调节电极位置以达到节能降耗的目 的。 ( 2 ) 电极调节快速性好。电极调节器的上升与下降的速度要合理分配，往往上升时速度 要快，因为电极电弧在熔化炉料时很容易造成短路，而频繁短路对电极是有损害的，下 降时电极的调节速度要慢，主要是为了避免电极接触炉料而是电极损坏。 ( 3 ) 保证电弧电流具有规定范围内的整定值。 ( 4 ) 电极调节器的控制方式主要包括手动和自动控制，两种方式应能灵活切换，以使工 作效率更高。 ( 5 ) 在炼钢初期，由于大量金属十分冷却，而电极的电弧十分微弱，因此在通电加热时 电极应能自动起弧，以达到不错的熔炼效果。 ( 6 ) 在炼钢过程中，电弧炉的各种电参数变化复杂，因此这就对电极调节器的可靠性提 出了较高的要求。 ( 7 ) 同样在炼钢过程中，由于环境复杂，经常存有各种扰动，因此电极调节器还应具有 较强的抗扰能力。 ( 8 ) 另外，如果电极三相之间具有较强的耦合作用，则在进行调节时调节效果往往不尽 如人意，因此良好的电极调节器应将这种耦合性降到最低，以使三相之间保持平衡。 综上所述，为了保证电极调节器具有良好的工作特性，应具有以上性能指标。调节 器的快速性能够提高电弧炉炼钢的工作效率，改善电气设备的工作条件，避免电极的损 坏，同时也减少了电极对熔液增碳。足够高的灵敏度不但能改善电弧炉的各项性能指标， 而且还能维持每相电弧功率相等，避免不平衡现象发生。除此之外，如果拥有以上性能 指标还能消除每个电弧周围的耐火砖受热不均匀的可能性。高灵敏度、快速性和整个系 统的低的超调量等性能指标的结合是设计性能优越调节器的决定性条件u 副。 2 3 电弧炉炼钢的设备 电弧炉的炼钢设备主要是包括炼钢的机械设备和炼钢的电气设备。三相电弧炉的构 造如图2 1 所示。下面就对这些主要的炼钢设备做一介绍。 6 第二章电弧炉炼钢j 1 ：艺与设备 l 炉底2 钢液3 渣层4 流钢嘴 5 炉顶6 电极7 电极夹持器8 段网9 电炉变压器1 0 炉门 图2 1 三相电弧炉构造简图 2 3 1 电弧炉炼钢的机械设备 电弧炉炼钢的机械设备是炼钢时所必须具有的设备，这是炼钢的基础。现对这些设 备介绍如下： 炉体：是一个立式圆柱形容器，炉体项盖上装有观察装置。它是熔炼金属的主要装 置。炉体的右侧面有一个排气口，后侧面设有炉门主要用来装料使用。炉体通常由耐火 材料制成。 电极夹持器及电极升降装置：电极夹持器的作用是用来夹紧和放松电极，通电后还 可以传送电流。在熔炼过程中，电极的长度会随着时间的加长而使电极磨损。电极升降 装置由立柱、导电横臂和传动装置组成。上电极杆由紫铜管制成，其中通水冷却，电极 杆下端用夹头固定自耗电极。电极杆上端被升降机构卡卡住，两者之间连有绝缘套筒， 由滚珠丝杠作为传动机构，使上电极杆上下移动。电极夹头、导电横臂都是内部通水冷 却。 炉体倾动装置：为底倾机构，传动形式为液压传动。倾动装置由扇形板来支撑炉子 底座，炉子固定在底座上，当需要炉体倾动时，摇架的扇形板沿底座摆动，其运动轨迹 为摆线。另外需要在摇架与底座的接触面上加上导钉，以避免它们之间产生发相对滑动， 而使工作不能正常进行比。 炉盖提升及旋转装置：该机构包括炉盖旋转架、炉盖提升缸、提升连杆机构、炉盖 旋转机构及锁定机构等。 液压系统：液压系统主要是通过向炉体内注入溶液根据液压原理驱动相应的执行机 构来对电极调节器的控制。为了控制炉体的倾动速度，炉体倾动装置也应采用比例阀， 这样做主要是为了满足出钢和快速回倾的要求。炉盖旋转采用比例阀控制，以保证在旋 7 第二章电弧炉炼钢1 ：艺与设备 转过程平稳、快速馏引。 水冷系统：冷却水由冷却水总管集中上水和回水。分别接到下列各点：上电极管、 下电极杆，结晶器，油增扩泵，旋片泵，支流电源等部位。冷却水的排水汇集于地下水 池或水箱中，由水泵完成回送水的开路循环。水冷系统主要包括水冷炉壁、水冷炉盖和 水冷导电横臂等三部分瞳引。 电控系统：电控系统主要采用可编程序控制器对各控制元件进行连锁控制。包括控 制上电极杆的手动和自动升降，真空系统的气动与电动操作及各种保护信号等。使整套 设备可实现自动控制和手动控制乜7 1 。 2 3 2 电弧炉炼钢的电气设备 由于电弧炉是在低压大电流方式下，以电弧得形式进行工作的，而在炼钢系统中往 往提供的是高压电，因此需要主电路将高压电转变为低压大电流输往电弧炉，以使电弧 炉能够正常工作。电弧炉的主电路如图2 2 ，电弧炉在拥有了机械设备后，还应配备相 应的电气设备系统才能正常工作，下面就对这些主要的电气设备做一介绍。 高压系统：根据电弧炉炼钢的特点，电弧炉工作在高压状态下，为了保证整个系统 的正常工作，在高压系统中还特别设有氧化锌避雷器、阻容吸收器，作为电压吸收装置， 主要用来吸收操作过电压。另外在高压系统中还配有其他保护回路如过电流保护和过电 压保护等。 电炉变压器：电炉变压器的作用是将供电系统所具有的高压电转化为电弧炉所适用 的工作电压的器件。由于电压较高故采用高阻抗专用变压器。 电抗器：在电气设备中接有电抗器主要是为了保证连续过载2 0 仍可进行调节，在电 路中还配有隔离开关和接地开关，以避免电磁等对系统的干扰。 短网：短网是指变压器二次出线端到电炉电极的载流体总称。 低压动力及控制电源：低压动力及控制电源配置为进线电压3 8 0 2 2 0 v ，低压控制电 源应保证电压电流稳定可靠性高，以使系统能够j 下常工作儿圳。 第二章电弧炉炼钢l ：艺与设备 ，十 l ：ll ，i ：+ ； 。 。； 。一。一，j ， 。：j 1il - ；+ ： ：；j ：；j ：i ，j 。i 一一 i 早? + 4 、 一 。：一 。 ，r j 一：r 1 - t 一一一 b 、。”“461 t 6 。- ：! ：j ：? 二：。 占i 占i占i ? 一 一* t l ，一一，n * “ ”。 ；ll l ， l，il，i 3 ： ；十。7十 ”。t 二，。 j ，一一 f # 。毫。 。，j 一； 。l ”， r 畸 、 。 一 一 ， 一 。? 一卜4 ? ，一 f 二4 ；： ； “l i 卜7 ， ， i ( 一 j i 。j ? (7 ：一ij ； 。； 一 0 5 ， 毒 、一歹 1 ； 一 o ； 7 一 卜一 一 ， + j 。 ： 一 ， ，。一。j 。tk ir ”j 。1 ， 。”。”一，。 ；h ；。 ，” j 。 ! r 善一l ，2 ； 。一“1 。；i ，o ，- 。鬈+ jj 。； 。jo ? “j 6 一一t | ：一4 。，l 一一 一 ：；。7 。5 ： i + ： 一； 6 ；一 。 。i。 l 答o 州 7 ： ? ；， ； t ：。 lli + 、|，j 。 + 。 | _ 一l j 一 一 一： j _ ： f j 一 。 “，1 一 ，。 ” j“4一- 71 。 。： ；i ! ；： l ?、 ，一 ；，； 。； ；t 。 ，： 函 8 。：! ： 、。一9 ；，；：i 1 一高压电缆2 一隔离开关3 一高压断路器4 一电抗器。 5 一电抗器短炉开关6 一电炉变压器7 一电极8 一电弧9 一金属* 图2 2 电弧炉主电路简图 2 3 3 液压及气动设备 ( 1 ) 电极调节器位置的升降是靠液压系统驱动相应的执行机构完成的。 液压系统主要是通过向炉体内注入溶液根据液压原理驱动相应的执行机构来对电 极调节器的控制。液压系统对电极调节器的控制应灵活控制以防止电极折断从而损坏电 极。为了控制炉体的倾动速度，炉体倾动装置也应采用比例阀，这样做主要是为了满足 9 第二章电弧炉炼钢i ：艺与设备 出钢和快速回倾的要求。炉盖旋转采用比例阀控制，以保证在旋转过程平稳、快速。 输出量与输入量成一定函数关系并能快速响应的液压控制阀，是液压伺服系统的重 要元件。由于伺服阀可以以水、油或乳化液等形式作为载能液体，而且其惯量系数小， 主要为了实现系统地快速调节，因此它具有良好的动态特性。 为了能够对电弧炉的电流变化迅速做出反应，电液伺服阀一液压式调节器应具有高 灵敏度，非灵敏区在小范围内调节，系统动静态特性好等特点，其调节特性较为理想， 能够实现快速、高精度调节，这为电弧炉炼钢的生产提供了良好的技术保障。 ( 2 ) 电弧炉炉体调节的气动装置 电弧炉工作一段时间后，电极夹头会产生灰尘，这会降低电弧炉的工作效率。气动 装置的作用则主要是为了定期清除电极夹头上的灰尘。 2 4 液压式电极调节系统的结构和工作原理 2 4 1 液压式电极调节系统的结构 电弧炉是一个复杂的多输入多输出的非线性系统，在炼钢过程中会受到多种因素的 影响，且变化速度极快。同时由于电弧炉的非线性特性其很难用特定的数学模型来描述， 因此不能较好地解决调节过于频繁同时又需要高精度控制的问题。驯。 2 4 2 液压式电极调节系统的调节原理 液压式电极调节系统的调节原理是这样实现的，工业控制计算机通过对电流电压信 号的处理后，由相应的控制策略计算出三相电极所需要的调节量，然后由液压系统根据 所需要的调节量驱动相应的执行机构来对电极位置的调节。高性能电极调节器应具有较 高的灵敏度和良好的快速性，这有利于缩短熔炼时间，提高电弧炉的生产效率。 液压系统的控制原理图如图2 3 所示，图中较好的反映了液压系统的工作过程，首 先电弧电流信号经电流互感器变换后连同电极与炉底之间电弧电压信号一同传送到工 控机中，利用工控机对信号的处理能力信号进行处理后，信号便进入到电极调节器中来 驱动相应的执行机构对电极进行调节，然后将所得到的变量信号送入电液比例阀的电磁 线圈。然后通过伺服阀的作用驱动液压钢进行相应的调节。 l o 第二章电弧炉炼钢1 ：艺与设备 abc 2 5 本章小结 图2 3 液压系统控制原理图 本章首先对电弧炉的炼钢工艺做了分析，然后又介绍了电弧炉的电气设备与机械设 备，并且提出了对电极调节器提出了较高的要求，为实现控制算法指明了方向。 第三章电弧炉总体控制方案的设计 第三章电弧炉总体控制方案的设计 电极调节器是冶金用电弧炉控制的核心部件，其性能的好坏直接影响着电弧炉的工 作效率，并且对生产电耗、电极损耗等都有很大的影响。因此在进行电弧炉设计时对电 极调节器的控制是至关重要的。 3 1 电弧炉电极控制方法及存在的问题 3 1 1 电弧炉电极的控制方法 电极调节器的升降是靠电极升降机构来驱动电极夹持器来完成相应电极位置的变 化，而电极升降机构按其工作原理不同又分为机电式和液压式，而模拟控制器，p l c 控 制器和工控机是液压式调节器的三种常用的控制器。现分别介绍如下： ( 1 ) 模拟控制器：模拟控制器主要应用于小型电弧炉，它的优点是它的结构比较简 单价格比较便宜，缺点是对电弧炉的控制性日 匕i a ，s k e i 难保证。 ( 2 ) p l c 控制器( 可编程序逻辑控制器) ：p l c 控制器是计算机家族的一员，是为工业 控制应用而设计制造的，是一种数字运算的电子系统而它只适用于中小型电弧炉系统。 ( 3 ) 工业计算机( i p c ) 控制器：工控机是专门为工业现场而设计的计算机，工控机配 有高度可靠的工业电源，并有过电压与过电流保护，而且具有自诊断功能。鉴于工控机 的强大优势我国主要采用工控机来控制电弧炉。 对电弧炉的电极调节器进行调节，必须选择合理的控制策略，主要有以下控制方式： ( 1 ) 恒电流控制方式：恒电流控制方式主要是通过改变一相电流参数的值来改变电 极位置的变化。根据节点电流原