（控制理论与控制工程专业论文）电弧炉能量输入模型的研究.pdf

东北大学 硕士学位论文摘要 电弧炉能量输入模型的研究 摘要 电弧炉炼钢是以废钢为主要原料，以各种微量合金和造渣料为辅料。炉料在 电弧炉内加热熔化后，最后形成出钢温度和钢水成分合格的钢产品。电弧炉的热 能主要来源是电能，还包括吹氧及一些物料 ( 包括合金料、造渣料)氧化反应所 放出的能量。 本文在查阅了大量国内外相关文献的基础上，综述了电弧炉炼钢的工艺、设 备以及发展历史、 研究现状和今后的发展趋势。 以洛阳中信重工有限公司7 5 吨电 弧炉为背景， 对电弧炉能量输入进行了分析， 建立了电弧炉能量平衡模型。 包括: 需求能量模型、能量消耗模型、能量损耗模型，其中需求能量模型包括吹氧模型 及电能模型。得到总电能输入量后，根据不同冶炼阶段对电能的需求情况，定出 各冶炼阶段的电压、电流值输入值。首先根据炉内能量的状况给出了熔化期四个 阶段的冶炼进程估计，在这里根据出钢的工艺要求利用神经元网络对钢水的温度 及其成分进行预估，建立了预报模型并进行了仿真，仿真结果基本可以反应钢水 的温度及其成分。然后本文根据给洛阳中信重工有限公司做优化项目中总结的有 关供电曲线方面的不足， 进一步从理论上探讨了一种新的电弧炉能量输入的策略， 此控制策略是在保证整体利润最优的前提下，得出电弧炉熔化期各个阶段的电压 值。 关键词: 电弧炉神经网络能量平衡模型能量输入策略 一 i t - 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h e r e s e a r c h o f t h e e n e r g y i n p u t mo d e l f o r e l e c t r i c a r c f u r n a c e abs tract d u r in g t h e e l e c t r i c a r c f u rna c e s t e e l - ma k i n g p r o c e s s , t h e s c r a p s t e e l s a r e u s e d a s p r i m a r y ma t e r i a l s , a n d th e v a r i o u s s ma l l a m o u n t o f a l l o y s a n d s l a g ma k i n g ma te r i a l s a r e u s e d a s a c c e s s o r ia l ma t e r i a l s . t h e s e ma t e r i a l s a r e me l t e d i n e l e c t r i c a r c f u rna c e t o p r o d u c e t e m p e ra t u r e a n d c o m p o s i t i o n q u a l i fi e d s t e e l. t h e h e a t e n e r g y u s e d d u r in g m e l t i n g p e r i o d ma in l y c o me s f rom t h e e l e c t r i c i t y e n e r g y , a l s o , i n c l u d in g th e e n e r g y w h i c h i s r e l e a s e d d u r i n g t h e o x y g e n b lo w in g a n d o x i d a t i o n p roc e s s . b a s e d o n t h e l a r g e a mo u n t o f i n t e rna l a n d e x te rna l r e f e r e n c e s , t h i s t h e s i s s u m ma r i z e s t h e c r a ft , t h e e q u i p m e n t s , d e v e lo p me n t h i s t o ry, p re s e n t r e s e a r c h s t a t u s a n d f u t u r e t r e n d o f s t e e l- m a k i n g u s i n g e l e c t r i c a r c f u rna c e . t h e e l e c t r i c a r c f u r n a c e e n e r g y i n p u t i s a n a l y z e d a n d t h e e l e c tr i c a r c f u rna c e e n e r g y b a l a n c e m o d e l i s e s t a b l i s h e d o n t h e g r o u n d o f o p t i m i z i n g w o r k s f o r 7 0 to n s e l e c t r i c a r c f u rna c e in l u o y a n g z h o n g x in h e a v y w o r k i n g s t e e l l t d . t h e s e m o d e l s i n c l u d e e n e r g y r e q u i r e m e n t m o d e l , e n e r g y c o n s u m e m o d e l , e n e r g y w a s t a g e m o d e l . t h e e n e r g y re q u i r e m e n t m o d e l i s m a d e u p o f o x y g e n b l o w i n g a n d e le c t r ic e n e r g y mo d e l . aft e r a c h i e v i n g t h e t o t a l e n e r g y i叩u t v o l u me , t h e v o l t a g e a n d e l e c tr i c c u r r e n t i n p u t d u r i n g e a c h m e l t i n g s t a g e c a n b e c a l c u l a t e d b a s e d o n t h e e l e c tr i c e n e r g y r e q u i r e m e n t s o f t h e d i ff e r e n t s t a g e a c c o r d i n g t o t h e m o d e l . f ir s t ly , b as e d o n th e e n e r g y c o n d i t i o n in f u r n a c e , t h e me l t i n g c o u r s e o f t h e f o u r s t a g e s d u r i n g th e me lti n g p e r i o d i s e v a l u a t e d in t h i s t h e s i s . t h e t e m p e r a t u r e a n d c o m p o s i t i o n o f s t e e l a r e e s t i ma t e d u s i n g t h e n e u r a l n e t w o r k me t h o d a c c o r d i n g t o r e q u i r e me n t o f s t e e l - ma k i n g t e c h n i q u e s . o n e f o r e c ast m o d e l is e s t a b l i s h e d a n d c a l c u l a t e d t o f u l f i ll t h i s p u r p o s e . t h e n , a n o v e l e n e r g y in p u t s t r a t e g y i s d e v e l o p e d fr o m t h e t h e o r e t i c p o in t o w i n g t o t h e l i m i t a t i o n a b o u t t h e p o w e r s u p p l y c a l c u l a ti o n s u mm a r i z e d fr o m t h e o p t i miz in g w o r k f o r l u o y a n g z h o n g x in h e a v y wo r k i n g s t e e l l t d c o m p a n y . t h i s s tr a t e g y c a n g e t th e v o l t a g e o f e a c h s t a g e d u ri n g s t e e l m e l t i n g p e r i o d -i i i - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e r t h e p r e c o n d i t i o n o f a c h i e v i n g t h e o p t i m u m u n i t a ry p r o fi t . k e y w o r d s : e l e c t r i c a r c f u r n a c e , n e u r a l n e t w o r k , e n e r g y b a l a n c e m o d e l s , e n e r g y i n p u t s t r a t e g y 一 i v- 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 日期 : 以s - 、 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流， 请在下方签名; 否则视为不同意。 ) 学位论文作者签名 签字日期: 谧 尹的 左 、 : i o w 导师签名 签字日期 吞 少。 / 少 闹 、 * 、i l 东北大学 硕士学位论文 第一章 概述 第一章 概述 1 . 1 电弧炉的发展 1 8 7 9 年w i l l i a n s i e m e n s 研究制造了 利用碳极电 弧的 直接电 弧 和间 接电 弧的 炉子，并取得了专利。但由 于当时电力价格昂贵，还有碳素电极等问题，所以 其 发展受到了限制，没能发展起来。1 8 8 5 年世界上最初的d c炉设计出来并有间接 加热和直接加热方式， 1 9 0 6 年开发了现在d c炉的原形的g i r o d 炉， 于1 8 9 9 年开 始用于炼钢。 在 h e r o u l t 的专利中写到 “ 用单相及多相电流，在钢液和电极之间 发生电 弧的电 气炉” ， 是最早的广义的电 弧炉， 然而这就拉开将为主流的 炼钢用的 三相交流电弧炉的序幕。随着电弧炉炼钢技术的不断成熟，其在冶金工业中的地 位越来越重要。 近 2 0年，全世界电弧炉炼钢取得了突飞猛进的发展。8 0 年代中期，欧洲各 国，美国，日 本，韩国，马来西亚等国家纷纷建设了超高功率的电弧炉，提出超 高功率电弧炉概念主要是为了解决炼钢周期太长，能耗太高等问题。超高功率电 弧炉与普通电弧炉相比， 在单位时间内输入到电弧炉内的能量要大2 - 3 倍， 电弧 炉炼钢周期由原先的几个小时缩短到几十分钟。随着超高功率技术的发展，电弧 炉的大型化及相关技术也得到了相应的发展。 进入2 1 世纪， 电弧炉炼钢工艺的基本指导思想是高效， 节能， 低消耗， 环保。 为了达到这一目 标，现代电弧炉发展了很多先进技术，如超高功率电弧炉，直流 电弧炉，强化用氧，废钢预热，人工智能化供电，高阻抗电弧炉等技术，同时炉 型也发生了改变，竖式电弧炉， 底吹电弧炉等相继投入生产。 每一次技术的革新 都大大提高了电弧炉的生产率，降 低了电 耗和电 极消耗，节省了能源，降低了生 产成本， 改善了 熔池的搅拌性能和冶金性能。 国外电力资源比我国丰富，电弧炉炼钢发展十分迅速， 越来越多的厂家采用 电弧炉作为炼钢的核心设备，电弧炉生产能力呈世界性上升趋势，这进一步加快 了电 弧炉技术革新的步伐。自 从2 0 世纪8 0 年代后期d c炉的出现， 新的电弧炉 技术日 新月异， 双级炉、 预热竖井和连续炉随之诞生。 不仅在节能方面有所突破， 高电弧电压和泡沫渣技术的使用使电极材料的消耗明显降低。随环保要求的日趋 严格，对电弧炉烟气和烟尘的高效低耗综合治理提出了新的课题。 我国的能源紧缺，尤其是电能，而电弧炉是一个巨大的耗能用户，许多电炉 一 】 一 东北大学 硕士学位论文 第一章 概述 第一章 概述 1 . 1 电弧炉的发展 1 8 7 9 年w i l l i a n s i e m e n s 研究制造了 利用碳极电 弧的 直接电 弧 和间 接电 弧的 炉子，并取得了专利。但由 于当时电力价格昂贵，还有碳素电极等问题，所以 其 发展受到了限制，没能发展起来。1 8 8 5 年世界上最初的d c炉设计出来并有间接 加热和直接加热方式， 1 9 0 6 年开发了现在d c炉的原形的g i r o d 炉， 于1 8 9 9 年开 始用于炼钢。 在 h e r o u l t 的专利中写到 “ 用单相及多相电流，在钢液和电极之间 发生电 弧的电 气炉” ， 是最早的广义的电 弧炉， 然而这就拉开将为主流的 炼钢用的 三相交流电弧炉的序幕。随着电弧炉炼钢技术的不断成熟，其在冶金工业中的地 位越来越重要。 近 2 0年，全世界电弧炉炼钢取得了突飞猛进的发展。8 0 年代中期，欧洲各 国，美国，日 本，韩国，马来西亚等国家纷纷建设了超高功率的电弧炉，提出超 高功率电弧炉概念主要是为了解决炼钢周期太长，能耗太高等问题。超高功率电 弧炉与普通电弧炉相比， 在单位时间内输入到电弧炉内的能量要大2 - 3 倍， 电弧 炉炼钢周期由原先的几个小时缩短到几十分钟。随着超高功率技术的发展，电弧 炉的大型化及相关技术也得到了相应的发展。 进入2 1 世纪， 电弧炉炼钢工艺的基本指导思想是高效， 节能， 低消耗， 环保。 为了达到这一目 标，现代电弧炉发展了很多先进技术，如超高功率电弧炉，直流 电弧炉，强化用氧，废钢预热，人工智能化供电，高阻抗电弧炉等技术，同时炉 型也发生了改变，竖式电弧炉， 底吹电弧炉等相继投入生产。 每一次技术的革新 都大大提高了电弧炉的生产率，降 低了电 耗和电 极消耗，节省了能源，降低了生 产成本， 改善了 熔池的搅拌性能和冶金性能。 国外电力资源比我国丰富，电弧炉炼钢发展十分迅速， 越来越多的厂家采用 电弧炉作为炼钢的核心设备，电弧炉生产能力呈世界性上升趋势，这进一步加快 了电 弧炉技术革新的步伐。自 从2 0 世纪8 0 年代后期d c炉的出现， 新的电弧炉 技术日 新月异， 双级炉、 预热竖井和连续炉随之诞生。 不仅在节能方面有所突破， 高电弧电压和泡沫渣技术的使用使电极材料的消耗明显降低。随环保要求的日趋 严格，对电弧炉烟气和烟尘的高效低耗综合治理提出了新的课题。 我国的能源紧缺，尤其是电能，而电弧炉是一个巨大的耗能用户，许多电炉 一 】 一 东北大学硕士学位论文第 一 章概 述 钢厂，因电费所占的高成本而缺少市场竞争力，降低电耗提高功率成为电弧炉钢 厂提高经济活力的重要问 题。然而电弧炉是一个很复杂的系统，要想使每一个参 数都运行在最佳状态下是很困难的。所以 工作人员和科研工作者一直在不懈努力 地研究更好的控制办法来降低能耗，提高功率，同时 考虑到环保。 近些年来电弧炉炼钢生产发展显著， 随着社会的不断进步， 工业的飞速发展， 大量需要耐高温，耐高压和耐高速的机械设备，尤其是原子能，喷气技术及电 子 学等新技术的发展，更需要特殊耐高温，耐腐蚀和抗拉强度特高的材料，如喷气 式飞机的耐热部件， 大炮的炮身，坦克的装甲板及军舰上的不锈钢板等材料除了 电炉外，没有其他方法可以冶炼。还有很多地方，如工业上用的轴承钢，高级变 压器硅钢，高电阻合金，磁性合金，高速工业钢等，近年来在汽车制造行业中， 对于形状复杂的铸钢件的精密度等方面的要求在不断提高，为了满足这一要求， 必须使金属熔液充分的注满于铸模中， 这就要求金属熔液具有良 好的流动性， 也 就是要求有足够的温度，这个问题也只有在电 弧炉中才能得到解决。 废钢铁是电弧炉的主要原料，故电弧炉相当于钢铁工业的回收工具，它既回 收从电弧炉流程返回的废钢，也回收从氧气转炉流程返回的废钢，所以具有经济 效益和环保优势，有利于钢铁工业的可持续发展，这种情况使得大型联合企业与 小型钢厂形成一个闭环，因此，各个国家均把废钢铁视为宝贵的资源。电弧炉用 电能炼钢，除了 废钢原料外，电能占 炼钢成本比例最大。随着电力工业的发展对 电炉尤为有利。 美国电炉发展速度快的原因是与电力充足， 电价格便宜分不开的。 充足的废钢资源与环境意识的加强，以及能源与流程的优势有利于钢铁工业 的可持续发展，使得以废钢为主要原料的电弧炉炼钢前途光明。虽然电弧炉炼钢 在近1 0 年来有了很大的进步， 但与世界先进水平相比仍有很大差距， 这主要表现 在以下几个方面: ( 1 ) 高水平的装备， 低水平运行。 ( 2 ) 工艺技术重视不够。 ( 3 ) 配套技 术不完善。 由 此可见，电弧炉炼钢在国民经济中起着非常重要的作用。 近百年的炼钢发 展史中，炼钢工业主要经历了平炉炼钢，转炉炼钢和电弧炉炼钢三个发展阶段。 2 0 多年来， 在世界钢产量的增长中，电弧炉的增长比例远远高于其他炉子的增长 比例，每年增长4 .6 yo，预期到2 0 1 0 年，其占全世界钢产量中比例将超过 5 0 9 /o . 电弧炉是利用电弧的能量来熔炼金属的一种电炉，同平炉，转炉炼钢相比较具有 很多优点: - z - 东 北大学 硕士学 位论文第 一 章概 述 1、 首先它是利用电能转化为热能， 因此能避免燃料对钢液的污染， 效率比 较高。 2、输入功率可以调节，能耗低，容易实现加热自 动化。 3、靠电弧加热，冶炼温度高，能满足各种要求的 钢材的冶炼。 4 、 钢液的化学成分可以人为控制。 5 、占 地面积小，建厂快，生产灵活。 目 前，平炉炼钢已经被淘汰了，而在电弧炉炼钢中，围绕如何提高炉子的生 产效率，降低电耗，提高劳动生产率和产品质量等方面，各国都进行了大量的研 究，取得了一些显著的成果，并应用于实际。 1 . 2 智能电弧炉的发展 1 .2 . 1 计算机的应用 随着计算机技术、微电子技术和检测技术的飞速发展，以计算机为核心的自 动化技术已经成为电炉钢厂的重要生产工具，其应用程度从智能完成比较简单的 熔炼控制和电极升降控制，到对整个炼钢厂的控制和管理。应用计算机与自动化 技术的目的是为了提高生产率，改善劳动条件，降低冶炼电耗和操作成本，提高 钢的质量，实现电炉生产的综合自 动化和生产过程的最优化。 计算机能自 动高速进行大量计算工作，在生产自 动化方面可用于数据检测处 理、顺序与数值控制、生产操作指导、监督或直接控制生产、自动调度管理等， 合适最优控制、自 适应和自学习控制等较为高级和完善的控制方式。在发达国家 的电炉生产中，计算机的应用已相当普及。我国电弧炉炼钢用计算机控制起步比 较晚，但已取得了较好的效果，如应用微机控制配料取得优化配比和降低成本的 效果等。 目 前计算机控制系统的最新趋势是发展分级控制系统， 系统中有2 - 6 级计算 机，最高一级执行管理决策功能，称为管理级;最低一级计算机直接与电炉及辅 助系统相连，称为基础级;中间一级称为过程级。根据每一级的使用要求选择不 同种类和档次的计算机。 管理级计算机的主要功能是:编制生产计划，对生产进行调度;发布目 标成 分、终点温度指令;制定最佳功率曲线; 对多座电炉负荷分配;对订货供货存货 管理等。这一级视管理范围的大小和企业的规模还可细分成车间管理级、厂管理 级、公司管理级。管理级计算机要求数据处理和数学计算能力较强，一般采用大 一3一 东 北大学 硕士学 位论文第 一 章概 述 1、 首先它是利用电能转化为热能， 因此能避免燃料对钢液的污染， 效率比 较高。 2、输入功率可以调节，能耗低，容易实现加热自 动化。 3、靠电弧加热，冶炼温度高，能满足各种要求的 钢材的冶炼。 4 、 钢液的化学成分可以人为控制。 5 、占 地面积小，建厂快，生产灵活。 目 前，平炉炼钢已经被淘汰了，而在电弧炉炼钢中，围绕如何提高炉子的生 产效率，降低电耗，提高劳动生产率和产品质量等方面，各国都进行了大量的研 究，取得了一些显著的成果，并应用于实际。 1 . 2 智能电弧炉的发展 1 .2 . 1 计算机的应用 随着计算机技术、微电子技术和检测技术的飞速发展，以计算机为核心的自 动化技术已经成为电炉钢厂的重要生产工具，其应用程度从智能完成比较简单的 熔炼控制和电极升降控制，到对整个炼钢厂的控制和管理。应用计算机与自动化 技术的目的是为了提高生产率，改善劳动条件，降低冶炼电耗和操作成本，提高 钢的质量，实现电炉生产的综合自 动化和生产过程的最优化。 计算机能自 动高速进行大量计算工作，在生产自 动化方面可用于数据检测处 理、顺序与数值控制、生产操作指导、监督或直接控制生产、自动调度管理等， 合适最优控制、自 适应和自学习控制等较为高级和完善的控制方式。在发达国家 的电炉生产中，计算机的应用已相当普及。我国电弧炉炼钢用计算机控制起步比 较晚，但已取得了较好的效果，如应用微机控制配料取得优化配比和降低成本的 效果等。 目 前计算机控制系统的最新趋势是发展分级控制系统， 系统中有2 - 6 级计算 机，最高一级执行管理决策功能，称为管理级;最低一级计算机直接与电炉及辅 助系统相连，称为基础级;中间一级称为过程级。根据每一级的使用要求选择不 同种类和档次的计算机。 管理级计算机的主要功能是:编制生产计划，对生产进行调度;发布目 标成 分、终点温度指令;制定最佳功率曲线; 对多座电炉负荷分配;对订货供货存货 管理等。这一级视管理范围的大小和企业的规模还可细分成车间管理级、厂管理 级、公司管理级。管理级计算机要求数据处理和数学计算能力较强，一般采用大 一3一 东 北大学 硕士学 位论文第 一 章概 述 1、 首先它是利用电能转化为热能， 因此能避免燃料对钢液的污染， 效率比 较高。 2、输入功率可以调节，能耗低，容易实现加热自 动化。 3、靠电弧加热，冶炼温度高，能满足各种要求的 钢材的冶炼。 4 、 钢液的化学成分可以人为控制。 5 、占 地面积小，建厂快，生产灵活。 目 前，平炉炼钢已经被淘汰了，而在电弧炉炼钢中，围绕如何提高炉子的生 产效率，降低电耗，提高劳动生产率和产品质量等方面，各国都进行了大量的研 究，取得了一些显著的成果，并应用于实际。 1 . 2 智能电弧炉的发展 1 .2 . 1 计算机的应用 随着计算机技术、微电子技术和检测技术的飞速发展，以计算机为核心的自 动化技术已经成为电炉钢厂的重要生产工具，其应用程度从智能完成比较简单的 熔炼控制和电极升降控制，到对整个炼钢厂的控制和管理。应用计算机与自动化 技术的目的是为了提高生产率，改善劳动条件，降低冶炼电耗和操作成本，提高 钢的质量，实现电炉生产的综合自 动化和生产过程的最优化。 计算机能自 动高速进行大量计算工作，在生产自 动化方面可用于数据检测处 理、顺序与数值控制、生产操作指导、监督或直接控制生产、自动调度管理等， 合适最优控制、自 适应和自学习控制等较为高级和完善的控制方式。在发达国家 的电炉生产中，计算机的应用已相当普及。我国电弧炉炼钢用计算机控制起步比 较晚，但已取得了较好的效果，如应用微机控制配料取得优化配比和降低成本的 效果等。 目 前计算机控制系统的最新趋势是发展分级控制系统， 系统中有2 - 6 级计算 机，最高一级执行管理决策功能，称为管理级;最低一级计算机直接与电炉及辅 助系统相连，称为基础级;中间一级称为过程级。根据每一级的使用要求选择不 同种类和档次的计算机。 管理级计算机的主要功能是:编制生产计划，对生产进行调度;发布目 标成 分、终点温度指令;制定最佳功率曲线; 对多座电炉负荷分配;对订货供货存货 管理等。这一级视管理范围的大小和企业的规模还可细分成车间管理级、厂管理 级、公司管理级。管理级计算机要求数据处理和数学计算能力较强，一般采用大 一3一 东北大学硕士学 位论文第 一 章概述 型通用数字计算机。 过程级计算机的主要功能是:按最佳功率曲 线供电;在三相电弧之间平衡电 功率; 配料计算;合金料添加计算;熔池温度计算:终点成分和温度控制;各炉 次运行数据分析;材料运送跟踪管理等。过程级计算机即有分析计算工作，又有 繁重的控制功能， 通常要求它运算速度快， 有较全的基本软件和完善的外部设备。 基础级的主要功能是:控制电炉体操作和电极升降系统;空炉子废钢预热和 煤氧助熔;对废钢场、渣料、合金料进行控制;对事故监控、报警和统计;收集 电弧运行信息和数据以及人机对话等。对基础级的要求是可靠性高，有较灵活的 操作系统和功能齐全的操作控制台。基础级即可由计算机来承担，也可由可编程 控制器来承担，或由计算机和可编程控制器共同承担。 计算机系统还应能显示和打印出弧压、弧流、电 耗、钢水温度、终点成分、 通断电时间、电参数曲线、以及班次、炉次、产量等。简单计算机控制系统不分 级，只实现上述功能中的某一项，但一般要求对电弧功率进行自 动控制。 1 . 2 . 2 神经网络在电 弧炉中的应用 2 0 世纪8 0 年代中期，世界各国掀起了 研究和应用人工神经网 络的热潮。 美、 日 等国较早进行神经网络在冶金中的应用研究，解决了冶金生产中一些重要技术 问题， 取得了良好的效果。 例如: 新日铁大分厂采用b p 网络预测炉内煤气流分布 模式， 并与专家系统结合预测炉况指导操作， 正确率达9 0 %以 上; 由 美国s t a n f o r d 大学与n o r t h s t a r 钢铁公司、 c o p p e r w e l d 公司合作开发的智能电弧炉工 a f ， 利用 神经网络实施在线调节电极位置，应用于n o t t h s t a r 钢铁公司节电效果达3 0 . 8 9 %， 节约电极3 0 . 8 9 %, 提高生产率4 . 8 %。 这一系统已应用于包括我国广州钢铁 公司在内的几家公司。开发和研究人工智能和神经网络在电弧炉炼钢生产中的应 用，对于保证电弧炉优质高产、安全运行、节能降耗具有重要意义和实用价值。 神经网络能够学习、识别并适应冶炼过程中炉子载荷特性的不断变化，调整 炉子的工作点设定，使炉子始终在合理的范围内运行，可以实现比传统技术更为 精细的控制，得到更为先进的生产技术指标。神经网络大多数采用b p 网络模型， 具有结构简单。适应性好、广泛化能力强、工作状态稳定、能以任意精度逼近任 意函数的优点，因而获得了广泛的应用。b p 网络的缺陷表现在学习训练时间长、 收敛速度慢。为消除这些缺陷，常采用的方法是采用变步长算法、加动量项等， 此外还采用自 组织网络等其它模型。 一 4- 东北大学硕士学 位论文第 一 章概述 型通用数字计算机。 过程级计算机的主要功能是:按最佳功率曲 线供电;在三相电弧之间平衡电 功率; 配料计算;合金料添加计算;熔池温度计算:终点成分和温度控制;各炉 次运行数据分析;材料运送跟踪管理等。过程级计算机即有分析计算工作，又有 繁重的控制功能， 通常要求它运算速度快， 有较全的基本软件和完善的外部设备。 基础级的主要功能是:控制电炉体操作和电极升降系统;空炉子废钢预热和 煤氧助熔;对废钢场、渣料、合金料进行控制;对事故监控、报警和统计;收集 电弧运行信息和数据以及人机对话等。对基础级的要求是可靠性高，有较灵活的 操作系统和功能齐全的操作控制台。基础级即可由计算机来承担，也可由可编程 控制器来承担，或由计算机和可编程控制器共同承担。 计算机系统还应能显示和打印出弧压、弧流、电 耗、钢水温度、终点成分、 通断电时间、电参数曲线、以及班次、炉次、产量等。简单计算机控制系统不分 级，只实现上述功能中的某一项，但一般要求对电弧功率进行自 动控制。 1 . 2 . 2 神经网络在电 弧炉中的应用 2 0 世纪8 0 年代中期，世界各国掀起了 研究和应用人工神经网 络的热潮。 美、 日 等国较早进行神经网络在冶金中的应用研究，解决了冶金生产中一些重要技术 问题， 取得了良好的效果。 例如: 新日铁大分厂采用b p 网络预测炉内煤气流分布 模式， 并与专家系统结合预测炉况指导操作， 正确率达9 0 %以 上; 由 美国s t a n f o r d 大学与n o r t h s t a r 钢铁公司、 c o p p e r w e l d 公司合作开发的智能电弧炉工 a f ， 利用 神经网络实施在线调节电极位置，应用于n o t t h s t a r 钢铁公司节电效果达3 0 . 8 9 %， 节约电极3 0 . 8 9 %, 提高生产率4 . 8 %。 这一系统已应用于包括我国广州钢铁 公司在内的几家公司。开发和研究人工智能和神经网络在电弧炉炼钢生产中的应 用，对于保证电弧炉优质高产、安全运行、节能降耗具有重要意义和实用价值。 神经网络能够学习、识别并适应冶炼过程中炉子载荷特性的不断变化，调整 炉子的工作点设定，使炉子始终在合理的范围内运行，可以实现比传统技术更为 精细的控制，得到更为先进的生产技术指标。神经网络大多数采用b p 网络模型， 具有结构简单。适应性好、广泛化能力强、工作状态稳定、能以任意精度逼近任 意函数的优点，因而获得了广泛的应用。b p 网络的缺陷表现在学习训练时间长、 收敛速度慢。为消除这些缺陷，常采用的方法是采用变步长算法、加动量项等， 此外还采用自 组织网络等其它模型。 一 4- 东 北大学硕士学 位论文 由于工业生产过程一般都具有高度非线性、 第一幸 棍述 时变性、不确定性和相当的复杂 性，通常单靠一种智能控制方式己无法满足控制要求，因此迫切需要设计某种综 合的、集成的智能控制系统来解决越来越复杂的控制问题，从而弥补单一控制方 法的不足。 激励函数 辕入信号 阀值 图1 . 1 神经网络结构模型图 f i g . 1 . 1 n e u r a l n e t m o d e l s t r u c t u r e 1 . 3 本文主要工作 本文以洛阳中信重工有限公司7 0 吨电弧炉项目为研究背景， 在项目中本人主 要负责优化部分，其中包括;配料优化及供电曲线优化。 配料优化是根据目标钢水成分进行合理的配料以保证钢水的质量，采用线性 规划方法由于目 标函数和约束条件之间存在着线性关系，在满足约束条件的前提 下，求解目 标函数最小值， 模型的求解采用单纯形法。 供电曲 线优化是给出在熔化期的四个阶段中，每个阶段应该采用什么样的功 率即什么样档的电压和什么样的电流最为合理。详细内容见5 . 3 . 1 . 本文是在结合做项目期间所得到的实际操作经验及现场反馈情况的基础上来 完成的。论文的主要内容包括: 1 . 查阅大量国内外文献的基础上，综述了电弧炉控制技术的发展历程、研究现状 及发展趋势。 2 . 经过查阅资料、调研，建立了热模型。包括:需求能量模型、能量消耗模型、 - 5 - 东 北大学硕士学 位论文 由于工业生产过程一般都具有高度非线性、 第一幸 棍述 时变性、不确定性和相当的复杂 性，通常单靠一种智能控制方式己无法满足控制要求，因此迫切需要设计某种综 合的、集成的智能控制系统来解决越来越复杂的控制问题，从而弥补单一控制方 法的不足。 激励函数 辕入信号 阀值 图1 . 1 神经网络结构模型图 f i g . 1 . 1 n e u r a l n e t m o d e l s t r u c t u r e 1 . 3 本文主要工作 本文以洛阳中信重工有限公司7 0 吨电弧炉项目为研究背景， 在项目中本人主 要负责优化部分，其中包括;配料优化及供电曲线优化。 配料优化是根据目标钢水成分进行合理的配料以保证钢水的质量，采用线性 规划方法由于目 标函数和约束条件之间存在着线性关系，在满足约束条件的前提 下，求解目 标函数最小值， 模型的求解采用单纯形法。 供电曲 线优化是给出在熔化期的四个阶段中，每个阶段应该采用什么样的功 率即什么样档的电压和什么样的电流最为合理。详细内容见5 . 3 . 1 . 本文是在结合做项目期间所得到的实际操作经验及现场反馈情况的基础上来 完成的。论文的主要内容包括: 1 . 查阅大量国内外文献的基础上，综述了电弧炉控制技术的发展历程、研究现状 及发展趋势。 2 . 经过查阅资料、调研，建立了热模型。包括:需求能量模型、能量消耗模型、 - 5 - 东 北大学 硕士学 位论文 第一章 概述 能量损耗模型。 3 . 电弧炉输入能量以热模型为基础的主要为吹氧和电能，给出了吹氧模型和电能 模型。 4 . 建立基于人工智能技术钢水温度预报模型，利用神经元网络对钢水的温度和钢 水成分进行预估。 5 . 在给洛阳中信重工钢铁有限公司做优化项目 的基础上，总结出有关供电曲线方 面的不足，建立一种新的电弧炉输入能量的控制策略，此控制策略是在保证整 体利润最优的前提下，得出电弧炉熔化期各个阶段的电压值。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第二章 电弧炉炼钢设备与工艺 第二章 电弧炉炼钢设备与工艺 2 . 1 电弧炉炼钢设备 2 . 1 . 1 电弧炉的机械设备 电弧炉的主要机械设备由炉体、电极夹持器、电极升降装置、 炉体倾动装置、 炉盖提升、旋转装置和炉顶装料系统等以及液压系统、 水冷系统、 气动系统等辅 助系统组成。 炉体:是电弧炉的主要装置，用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉的 炉体由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。电弧炉的金属构件包括炉 壳、炉门、出钢槽、炉盖圈和电极密封圈。炉壳由钢板焊成，上部有加固圈。炉 门可以用来观测炉内情况及进行扒渣等操作，炉盖的上方有三个呈正三角形不知 的电极孔，在孔与电极之间设有电极密封圈。炉壳的上部、炉盖和电极密封圈都 通水冷却，炉壳内部、炉盖及出钢槽内部都是用耐火砖砌成的。 电极夹持器及电极升降装置:电极夹持器可以用来夹紧和放松电极，还可以 把电 流传送到电 极上。 在熔炼过程中，由于炉料不断熔化，不同的熔炼阶段要求 给出不同的电能，同时，电极自身的长度也会存在自消耗，因此，需要随时升降 电极以调整电弧的长度。电极通过电极夹持器固定在电极升降装置上。电极升降 装置由导电 横臂、立柱和传动装置组成。导电横臂由 铜钢复合板制成，作为支持 用的机械结果部分，用来固定电极夹头。立柱和导电横臂连接成 “ r”形支架， 一起在固定的框架内 升降，框架固定在炉体的摇架上，框架内 装有滚轮，立柱沿 滚轮升降。电极夹头、导电横臂都是内部通水冷却。传动方式为液压传动。电机 升降机构包括电极升降液压缸、电 机升降立柱、电极喷林环、夹头喷吹等部分。 炉体倾动装置: 为底倾机构， 传动形式为液压传动。 炉子装在专门底摇架上， 摇架两侧底扇形板支撑在底座上，倾动是摇架底扇形板沿底座摆动，出钢槽末端 底运动轨迹为摆线。倾动是工作液进入液压缸，使液压活塞杆推动摇架，摇架沿 水平底座滚动，带动炉体倾动，为防止摇架和水平底座发生相对滑动，在它们底 的整个接触面上， 分别加工成导钉孔和导钉。 倾炉机构包括倾动摇架、 倾动轨道、 倾动液压缸、水平支撑机构与炉盖旋转轴承和旋转锁定等。倾动摇架下部为弧形 一 7一 东北大学硕士学位论文 第二章 电弧炉炼钢设备与工艺 第二章 电弧炉炼钢设备与工艺 2 . 1 电弧炉炼钢设备 2 . 1 . 1 电弧炉的机械设备 电弧炉的主要机械设备由炉体、电极夹持器、电极升降装置、 炉体倾动装置、 炉盖提升、旋转装置和炉顶装料系统等以及液压系统、 水冷系统、 气动系统等辅 助系统组成。 炉体:是电弧炉的主要装置，用来熔化炉料和进行各种冶金反应。电弧炉的 炉体由金属构件和耐火材料砌筑成的炉衬两部分组成。电弧炉的金属构件包括炉 壳、炉门、出钢槽、炉盖圈和电极密封圈。炉壳由钢板焊成，上部有加固圈。炉 门可以用来观测炉内情况及进行扒渣等操作，炉盖的上方有三个呈正三角形不知 的电极孔，在孔与电极之间设有电极密封圈。炉壳的上部、炉盖和电极密封圈都 通水冷却，炉壳内部、炉盖及出钢槽内部都是用耐火砖砌成的。 电极夹持器及电极升降装置:电极夹持器可以用来夹紧和放松电极，还可以 把电 流传送到电 极上。 在熔炼过程中，由于炉料不断熔化，不同的熔炼阶段要求 给出不同的电能，同时，电极自身的长度也会存在自消耗，因此，需要随时升降 电极以调整电弧的长度。电极通过电极夹持器固定在电极升降装置上。电极升降 装置由导电 横臂、立柱和传动装置组成。导电横臂由 铜钢复合板制成，作为支持 用的机械结果部分，用来固定电极夹头。立柱和导电横臂连接成 “ r”形支架， 一起在固定的框架内 升降，框架固定在炉体的摇架上，框架内 装有滚轮，立柱沿 滚轮升降。电极夹头、导电横臂都是内部通水冷却。传动方式为液压传动。电机 升降机构包括电极升降液压缸、电 机升降立柱、电极喷林环、夹头喷吹等部分。 炉体倾动装置: 为底倾机构， 传动形式为液压传动。 炉子装在专门底摇架上， 摇架两侧底扇形板支撑在底座上，倾动是摇架底扇形板沿底座摆动，出钢槽末端 底运动轨迹为摆线。倾动是工作液进入液压缸，使液压活塞杆推动摇架，摇架沿 水平底座滚动，带动炉体倾动，为防止摇架和水平底座发生相对滑动，在它们底 的整个接触面上， 分别加工成导钉孔和导钉。 倾炉机构包括倾动摇架、 倾动轨道、 倾动液压缸、水平支撑机构与炉盖旋转轴承和旋转锁定等。倾动摇架下部为弧形 一 7一 全ir 些k 兰全竺一一一一一一一一第 二 章电 弧 炉 炼 钢 设 备 与 工 艺 结构，在轨道平面上进行混动，定位准确、可靠。两个活塞式倾动炉液压缸下支 座固定在水泥基础上。 上支座固定在摇架平台的底部。 倾动油路上安装由 液压锁， 以保证炉子在任何倾动位置失压时，停止不动。水平支撑状态，不得向出渣侧倾 动。 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。旋转架通过旋转轴承连接在倾动摇架平台上。当固 定在平台上的液压缸活塞杆伸出时，可使炉盖旋开。液压缸活塞杆缩回时，炉盖 即可复位。 液压系统:液压系统包括液压源、控制阀门、蓄液箱、蓄能器等。液压源有 三台 恒压变量泵并配备一定数量的蓄能器。以 保证事故状态的应急操作。电极升 降采用比 例阀，以保证在穿井塌料时电极能快速提升，防止电极碰断和提高灵敏 度。 炉体倾动采用比 例阀， 使倾动速度在0 - 3 / s 之间随意控制，以 满足出钢和快 速回倾的要求。炉盖旋转采用比例阀控制，以保证在旋转过程平稳、快速。 水冷系统:为了延长电弧炉的使用寿命以及改善炉前操作条件，电弧炉的许 多部位通水冷却，如前所述的炉盖、炉壳等、水冷系统主要包括三部分:水冷炉 壁、水冷炉盖和水冷导电横臂、炉体为双层结构，中间为水冷夹层，炉壁上有入 水口 和出水口， 冷却水不断从夹层中流过，使炉壁冷却。冷却水的进口 压力要求 一般在1 .4 5 个大气压以上。 电炉主体的水冷系统供给水冷炉壁、 水冷炉盖、 炉门、 炉门 框、导电 横臂电极夹头、电极喷林水冷电缆和铜管等。 气动系统:气动装置为电极夹头清灰，为加料斗气缸、炉门气缸供气，系统 由 主阀 架气动三大件、 气阀 等组成， 系统压力。 .3 m p a . 2 . 1 .2电弧炉的电气设备 电弧炉的电气设备主要分为主电路和电极升降自 动调节系统。 主电路的任务是将高压电转变为低压大电流输往电弧炉，并以电弧的形式将 电能转变为热能。电弧炉的主电路主要由隔离开关、高压断电器、电抗器、电炉 变压器及低压短网等组成。 电弧炉采用三相交流电供电，电气设备主要包括一下几个部分:高压供电系 统、二次回路、电炉变压器、电抗器、短网、低压供电系统和控制系统。 高压系统:一般由3 5 k v电，经高压隔离开关、高压真空断路器、电抗器送 至电弧炉变压器，在高压供电系统中设有氧化锌避雷器、阻容吸收器，作为电压 - a - 全ir 些k 兰全竺一一一一一一一一第 二 章电 弧 炉 炼 钢 设 备 与 工 艺 结构，在轨道平面上进行混动，定位准确、可靠。两个活塞式倾动炉液压缸下支 座固定在水泥基础上。 上支座固定在摇架平台的底部。 倾动油路上安装由 液压锁， 以保证炉子在任何倾动位置失压时，停止不动。水平支撑状态，不得向出渣侧倾 动。 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。旋转架通过旋转轴承连接在倾动摇架平台上。当固 定在平台上的液压缸活塞杆伸出时，可使炉盖旋开。液压缸活塞杆缩回时，炉盖 即可复位。 液压系统:液压系统包括液压源、控制阀门、蓄液箱、蓄能器等。液压源有 三台 恒压变量泵并配备一定数量的蓄能器。以 保证事故状态的应急操作。电极升 降采用比 例阀，以保证在穿井塌料时电极能快速提升，防止电极碰断和提高灵敏 度。 炉体倾动采用比 例阀， 使倾动速度在0 - 3 / s 之间随意控制，以 满足出钢和快 速回倾的要求。炉盖旋转采用比例阀控制，以保证在旋转过程平稳、快速。 水冷系统:为了延长电弧炉的使