（控制理论与控制工程专业论文）电弧炉钢水终点温度预报模型研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 作者签名：妞 日期：2 鱼幽 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规 定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 导师签名僻 日期：递丕! 乜多 摘要 摘要 温度是电弧炉炼钢过程的重要技术指标之一，太高则浪费了电能；太低，下一工 位的生产难以得到保证，因此准确的控制钢水终点温度对于节能、降低生产成本和保 证生产的有序进行有着重要的意义。但是电弧炉炼钢过程是一个非常复杂的物理化学 变化过程，影响终点温度的因素很多，难以用定量的数学模型描述，而且电弧炉熔池 温度高、冶炼条件恶劣，熔池温度不能直接连续检测。因此，建立适合电弧炉炼钢过 程要求的终点温度预报模型，将对电弧炉终点温度控制起到重要作用。 本文根据现场实际情况，并结合能量平衡知识，研究电弧炉钢水温度的影响因素， 在此基础上，提出了电弧炉终点温度预报模型，它采用将静态温度预报模型和动态温 度预报模型相结合的方法对钢水终点温度进行预报。动态温度预报模型是为了实时预 报钢水的温度。静态温度预报模型为动态温度预报模型提供起始点温度，它是通过对 吹氧量和电耗两个重要的控制变量建立逆模型的方法，来提高静态温度预报模型的精 度。另外，考虑到电弧炉炼钢温度影响因素较多，且该过程具有较强的非线性，本文 采用支持向量机算法进行建模。 运用现场数据对模型进行测试，测试结果表明，模型精度基本可以满足实际应用 要求。 将该模型应用于电弧炉炼钢生产过程中，有助予指导炼钢生产，提高钢水终点温 度的命中率，改善控制效果，缩短冶炼周期，提高炼钢生产效率，降低炼钢生产成本。 关键词：电弧炉；终点温度；静态预报模型；动态预报模型；支持向量机 a b s t r a c t a bs t r a c t t e m p e r a t u r ei s a n i m p o r t a n tt e c h n i c a li n d i c a t o ri n e l e c t r i ca r cf u r n a c e ( e a r ) s t e e l m a k i n gp r o c e s s i fo v e r h e a t e d ，t o om u c hp o w e rw i l lb ew a s t e d ；w h i l ei fu n d e rh e a t e d ， i ti sd i f f i c u l tt og u a r a n t e et h en e x tp r o c e s so fs t e e l m a k i n gt ob ec o n d u c t e ds m o o t h l y t h u s ， p r e c i s ec o n t r o lo fe n d p o i n tt e m p e r a t u r ei ss i g n i f i c a n tt oe n e r g yc o n s e r v a t i o n ，c o s t s r e d u c t i o na n ds m o o t hp r o d u c t i o n d u et ot h ec o m p l e xn a t u r eo fp h y s i c a la n dc h e m i c a l p r o c e s sa n dm a n yf a c t o r sh a v i n gi m p a c to ne n d p o i n tt e m p e r a t u r ei ne a fs t e e l m a k i n g , i ti s h a r dt od e s c r i b et h em a t h e m a t i c a lm o d e lq u a n t i t a t i v e l y m o r e o v e r , t h eh a r s he v i r o n m e n t s i n v o l v i n gh i g ht e m p e r a t u r e ，v e r yc o r r o s i v es l a g , l a r g ee l e c t r i c a lc u r r e n ta n dv o l t a g e ，a n d l a r g e m e c h a n i c a ls t r e s s ，m a k ei t v e r yd i f f i c u l t t oc o n d u c td i r e c to b s e r v a t i o na n d m e a s u r e m e n ti n s i d et h ef u r n a c e t h e r e f o r e ，m o d e l i n gf o re n d p o i n tt e m p e r a t u r eb a s e do n e a fs t e e l m a k i n gp r o c e s sc a np l a yi m p o r t a n tr o l ei ne n d p o i n tt e m p e r a t u r ec o n t r o lf o re a f s t e e l m a k i n g i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h eo n - s i t es i t u a t i o na n dt h ee n e r g yb a l a n c et h e o r y ， t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt e m p e r a t u r eo fe a fm o l t e ns t e e la r es t u d i e d t h e nap r e d i c t i o n m o d e lf o re a f e n d p o i n tt e m p e r a t u r ei sd e v e l o p e d ，w h i c hi sm o d e l e db yc o m b i n i n gs t a t i c p r e d i c t i o nm o d e lw i t hd y n a m i cp r e d i c t i o nm o d e l b e f o r eu s i n gd y n a m i cp r e d i c t i o nm o d e l f o rr e a l t i m ep r e d i c t i o n ，s t a t i cp r e d i c t i o nm o d e li sb u i l tt op r o v i d ea ni n i t i a lt e m p e r a t u r ef o r d y n a m i cm o d e l t h ea c c u r a c yo fs t a t i cm o d e li si m p r o v e db yb u i l d i n gi n v e r s em o d e lf o r b l o w i n go x y g e na n dp o w e rc o n s u m p t i o n ，w h i c ha r et w oo ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o l v a r i a b l e si ne a f s t e e l m a k i n gp r o c e s s i na d d i t i o n ，s v ma l g o r i t h mi su s e df o rm o d e l i n g d u et om a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h et e m p e r a t u r ea n dt h es t r o n gn o n l i n e a r i t yo fs t e e l m a k i n g p r o c e s s t h ep r e d i c t i o nm o d e lo fe n d p o i n tt e m p e r a t u r ei sv a l i d a t e dw i t ha c t u a lp l a n td a t a t h e r e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h i sm o d e lc a nm e e tr e q u i r e m e n t so fa c t u a la p p l i c a t i o n t h em o d e li so fg r e a ti m p o r t a n c ei no r d e rt og u i d e s t e e l m a k i n gp r o d u c t i o n ，r e d u c et h e t i m e so ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，i m p r o v et h eh i tr a t eo fe n d p o i n tt e m p e r a t u r eo fm o l t e n s t e e l a sao v e r a l lr e s u l t ，p r o d u c t i o nc o s t sc a nb er e d u c e da n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yc a nb e i n c r e a s e d k e y w o r d s ：e l e c t r i ca r cf u r n a c e ( e a f ) ；e n d p o i n tt e m p e r a t u r e ；s t a t i cp r e d i c t i o nm o d e l ； d y n a m i cp r e d i c t i o nm o d e l ；s v m i i i 目录 目录 摘要一一一i a b s t r a c t o o o ooo oood o o o o oo o b ”i i 目录”i v 第一章概论1 1 1 电弧炉简介。1 1 1 1 电弧炉炼钢的特点1 1 1 2 电弧炉的功能2 1 1 3 电弧炉技术的发展一3 1 2 电弧炉工艺控制模型。6 1 2 1 静态控制模型。6 1 2 2 动态控制模型7 1 3 电弧炉终点温度控制9 1 3 1 温度控制的重要性9 1 3 2 电弧炉温度预报模型1 0 1 3 3 电弧炉温度预报现状1 0 1 4 课题背景及意义1 1 1 4 1 课题背景1 1 1 4 2 课题意义。1 2 1 5 本文所做的工作1 2 1 6 论文结构安排1 3 第二章电弧炉常用终点温度预报方法1 4 2 1 概j 盎1 4 2 2 基于机理模型的方法。1 4 2 3 自适应预报方法1 5 2 4 增量模型预报方法。1 7 2 5 基于智能理论的方法1 8 2 6 本章小结1 8 第三章电弧炉钢水温度影响因素分析1 9 3 1 概述1 9 3 2 电弧炉炼钢的能量平衡1 9 3 2 1 能量的来源2 0 3 2 2 能量支出2 1 3 2 3 能量平衡2 5 3 3 钢水温度的影响因素分析2 6 3 4 本章小结3 4 第四章电弧炉终点温度预报模型3 5 4 1 概述3 5 4 2 研究对象概况3 5 目录 4 3s v m 算法简介3 7 4 4 静念温度预报模型3 9 4 4 1 数据预处理。4 0 4 4 2 确定模型输入输出4 1 4 4 3 模型建立4 2 4 4 4 测试结果4 4 4 5 动态温度预报模型。4 6 4 5 1 数据预处理4 6 4 5 2 确定模型输入输出4 7 4 5 3 模型建立4 8 4 5 4 测试结果4 9 4 6 模型预报结果分析。5 0 4 7 模型的应用5 2 4 8 本章小结5 3 第五章结论与展望5 4 5 1 研究成果。5 4 5 2 展望5 5 参考文献5 6 附录l 攻读学位期间发表论文列表 致谢6 1 第一章概论 1 1 电弧炉简介 第一章概论 电弧炉( e l e c t r i ca r cf u r n a c e ，简称e a f ) 是现代大规模炼钢的方法之一。电 弧炉炼钢n 1 是靠电极和炉料间放电产生的电弧，使电能在弧光中转变为热能，并借助 辐射和电弧的直接作用加热并熔化金属和炉渣，冶炼出各种成分的钢和合金的一种炼 钢方法。 1 1 1 电弧炉炼钢的特点 电弧炉炼钢与其他炼钢方法相比较，有其独特的优点嘲： ( 1 ) 能灵活掌握温度。电弧炉中电弧区温度高达4 0 0 0 0 c 以上，远远高于炼钢所 需的温度，因而可以熔化各种高熔点的合金，通过电弧加热，钢液的温度可达1 6 0 0 0 c 以上。在冶炼过程中通过对电流和电压的控制，可以灵活掌握冶炼温度，以满足不同 钢种冶炼的需要。 ( 2 ) 热效率高。电弧炉炼钢没有大量高温炉气带走的热损失，因而热效率高， 一般可达6 0 以上，比平炉和转炉炼钢的热效率高。 ( 3 ) 炉内气氛可以控制。氧气转炉吹入大量氧气是熔炼得以进行的必要条件， 平炉熔炼过程中为了保证燃料( 煤气或重油) 完全燃烧，必须在熔炼室中保持一定的 过剩空气系数，因而在这些炉子中，熔炼自始至终是在不同程度的氧化性气氛下进行 的。在电弧炉中，根据工艺要求，既可造成炉内的氧化性气氛，也可造成还原性气氛， 这是平炉和转炉无法达到的。因而在电弧炉炼钢过程中能够大量地去除钢中的磷、硫、 氧和其他杂质，提高钢的质量，合金的回收率高且稳定，钢的化学成分比较容易控制， 冶炼的钢种也较多。 ( 4 ) 设备简单，工艺流程短。电弧炉的主要设备为变压器和炉体两大部分，因 而基建费用低，投产快。电弧炉主要以废钢为原料，不像转炉那样以铁水为原料，所 以不需要一套庞大的炼铁和炼焦系统，因而流程短。 第一章概论 另外，从长远观点看，电能的成本稳定，供应方便；电弧炉设备简单，操作方便； 还比较易于控制污染。 由此可见，用电弧炉炼钢的优越性是相当大的，所以现在世界各国在大力发展纯 氧顶吹转炉的同时，稳步地发展电弧炉炼钢技术。 1 1 2 电弧炉的功能 基于高效、节能、低消耗的指导思想，超高功率、强化用氧与氧燃助熔、水冷炉 壁、水冷炉盖、长弧泡沫渣、无渣出钢等技术被应用于现代电弧炉炼钢中。现代电弧 炉已经从过去包括熔化、氧化、还原精炼、温度和成分控制、质量控制的炼钢设备， 变成仅保留了熔化、升温和必要的精炼( 脱磷、脱碳) 的炼钢设备，而把其余的精炼 过程均移到钢包二次精炼炉中进行。工艺上的这种改进大大提高了电弧炉设备能力， 使其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。并且越来越完善的电弧技术能进一步满足钢液纯度和严格的 成分、温度控制的要求。同时，在现代电弧炉炼钢工艺中，在熔化初期就是对炉内进 行吹氧，因此熔化期和氧化期已无明显的区分，所以现代电弧炉炼钢工艺包括补炉、 装料、熔化氧化期和出钢四个阶段。现代电弧炉具备以下功能1 ： ( 1 ) 快速熔化与升温 快速熔化与升温是当今电弧炉最重要的功能。目的是尽可能短的时间内熔化废 钢并使钢液温度达到出钢温度。一般采用大功率供电、吹氧助熔、泡沫渣以及其他强 化冶炼和升温技术。 ( 2 ) 脱磷、脱碳 磷对绝大多数钢来说都是有害的，它降低钢的塑性、韧性，在冷加工时，易产生 裂纹，降低机械性能。炉料中的磷含量一般都高于电弧钢的规格要求，因此电弧炉必 须根据产品规格、合金化等综合因素，控制钢液中的磷含量。一般通过强化吹氧、提 前造成氧化性强、石灰含量较高的泡沫渣来提高炉渣脱磷能力。 电弧炉的脱碳作用并不仅仅为了降碳。由于熔清后钢液中的气体和杂质含量较 高，会增加钢的脆性，降低韧性，破坏金属的连续性，对钢质量极为不利。去除钢液 中气体、杂质的主要手段是通过碳的氧化，生成c o 气泡，造成沸腾熔池，从而去除 第一章概论 气体和杂质；另一方面，脱碳反应制造的熔池起搅拌作用，加速反应，均匀钢液成分 和温度。电弧炉通过高配碳，利用吹氧脱碳这一手段，达到加速反应，去除气体和杂 质的目的。碳的氧化一般采用吹氧和加矿石两种方法。 ( 3 ) 合金化 电弧炉所炼的钢种有几百种，区别在于成分的差异，成分控制是关系到产品质量 的重要操作。合金成分的控制也就是合金化是电弧炉生产的重要环节。现代电弧炉炼 钢合金化一般是在出钢过程中在钢包内完成，属于对合金成分的粗调，因此也成为预 合金化。精确的合金化最终在后续的精炼炉内完成。 ( 4 ) 温度控制 良好的温度控制是顺利完成冶金过程的保证。为使后续工序的正常进行，根据所 采用的工艺条件控制出钢温度。 1 1 3 电弧炉技术的发展 1 9 世纪未发明的电弧炉炼钢法以三相交流电弧的技术开发为中心，通过2 0 世纪 6 0 年代以后的高功率操作( u h p ) ，2 0 世纪6 0 年代后期到7 0 年代的炉容大型化，2 0 世纪7 0 年代后期的富氧操作和碳粉喷吹操作的开发取得了飞跃的进步，大幅度地提 高了生产率和降低了成本。到了2 0 世纪8 0 年代以后，电弧炉技术的开发由过去的以 扩大产量为中心转向提高综合能量，把目标指向以保证质量和提高生产率为前提的彻 底的节能、节约资源以及与环境协调的技术开发。电弧炉技术最大限度的发挥电弧炉 的特点，同时以适应时代的要求和环境的姿态保持持续发展。 现代电炉冶炼技术是围绕着缩短冶炼周期这一核心以满足高效连铸的节奏要求、 优化电炉炼钢流程而发展起来的h 1 。为了达到这一目标，现代电弧炉发展了很多先进 技术，包括高压长弧操作、水冷炉壁、水冷炉盖、泡沫渣技术、钢包精炼、强化用氧、 大型超高功率直流电弧炉、废钢预热、人工智能化供电、高阻抗电弧炉等技术。同时 不同的废钢预热方式产生了不同类型的现代电弧炉，他们分别是c o n s t e e l 电弧炉、 烟道竖炉电弧炉、c o m e l t 中心废钢预热竖炉电弧炉、m s p 、d a n a r c cp l u s 、c o n a r c 电弧炉、c o n t i a r c 和e c o a r c h l 。图1 1 晒1 列出了电弧炉技术的发展概况，正如图中所 示，这些技术对电能消耗和电极消耗的降低、出钢时间的缩短等产生了极大的影响， 第章概论 降低了电炉炼钢的成本，提高了生产效率。下面将简单介绍电弧炉的一些技术。 ( 1 ) 超高功率和炉容大型化1 电弧炉容量愈大，一般而言生产率愈高，单位能耗、电极能耗都有所下降；另外 超高功率本身对电弧炉容量也有下限要求。以目前的综合技术水平，电弧炉容量以 6 0 ，- - - l o o t 为宜。表1 1 为统计出的电弧炉功率水平与生产率的关系。 _ j 目 ， 捆 掣 年 图1 1 电弧炉技术的发展 表1 1 电弧炉功率水平和生产率的关系 _ 时 糟 曙 掣 功率级别低中等同超高功率 e a f 功率水平 2 0 0 4 0 0 5 0 0 6 5 0 8 0 08 0 0 1 0 0 0 ( k v h t ) 冶炼周期( m i n ) 2 4 0 2 6 01 2 0 1 5 08 0 9 55 5 6 0 生产率( t h )1 5 2 53 0 4 06 0 8 0、一1 0 0 ( 2 ) 应用辅助能源口1 现代e h f 广泛使用水冷自耗氧枪、煤氧枪和燃氧烧嘴或风口，用化学能取代部 分电能、切割炉料、造泡沫渣等来保证e a f 操作顺行，提高e a f 的生产率。此外，燃 料雾化形成一定长度和刚度的火焰，帮助熔化炉料。 ( 3 ) 泡沫渣技术阳1 该技术用以形成泡沫渣覆盖电弧，减少向炉壁的辐射。通过熔池中的 c 或喷吹 堪 培 堰 9 6 3 o 第一章概论 的碳粉与氧反应生成大量c o ，在渣粘度、表面张力合适的情况下，形成一定厚度的 渣层，有利于电弧能量向熔池传递，减少能量损失，图1 2 示出炉渣状况对能量损失 的影响。泡沫渣操作极大地增大了渣一钢的接触界面，加速氧的传递和渣钢间的物化 反应，大大缩短了钢的冶炼时间。 罪 訾 1 i i 卜 壬k 辎 蚓 描 功军因数， 图1 2 炉渣状况对能量损失的影响 ( 4 ) 炉气余热节能技术 目前主要是采用与电弧炉结构联结的废钢预热装置，如竖炉一电弧炉。在竖炉壁 上布置二次燃烧烧嘴，提高能量利用率，使废钢预热温度达8 0 0 - - - , 8 5 0o c ，避免了有 机物分解产生的恶臭、白烟等污染。同时废气在竖炉内通过废钢时，废钢可捕获部分 氧化物粉尘，使金属收得率提高2 ，同时减轻了后面环保设施的压力。二次燃烧提 高了化学能在总的能量消耗中的份额。 ( 5 ) 增加炉料带入的物理热 主要包括两个方面：a ) 炉气对废钢的预热；b ) 热装铁水。 ( 6 ) 留钢留渣操作和偏心底出钢技术( e b t ) 其主要目的是n 1 ：a ) 保证二次冶金过程所要求的少渣、无渣出钢的要求，出钢 时必须把部分钢液留在炉内；b ) 在废钢熔化过程中熔池的形成有利于炉料内部的热 传导，熔池形成越早，炉料熔化速度越高，而留钢操作正是为下一炉冶炼操作预留了 熔池。 ( 7 ) 底吹技术 主要用以强化熔池搅拌；减少温度、浓度边界层的厚度；提高炉料的熔化速度； 改善物理化学反应的动力学条件；使熔池温度、成分分布均匀。 气 第一章概论 1 9 9 3 年以来，我国在现代电炉流程与电炉工程技术方面取得了长足的进步，主 要体现在以下方面： ( 1 ) 初步实现了电炉容量大型化。 ( 2 ) 技术经济指标显著提高，缩短了与国外的差距，不少厂已达到国际先进水 平。 ( 3 ) 在消化吸收引进国外先进技术的基础上有所创新。 创新技术包括口1 ： 1 ) 提出了现代电弧炉冶炼周期的综合控制理论。 2 ) 开发了电弧炉加部分铁水冶炼的新技术。 3 ) 电炉以氮代氩全程底吹技术。 4 ) 低氮电炉钢生产技术。 5 ) 电炉终点控制技术。 6 ) 电炉优化供电技术。 7 ) 开发了电炉炉料结构模型和不延长冶炼周期的h b i 加入工艺。 1 2 电弧炉工艺控制模型 电弧炉工艺控制模型是指导电弧炉冶炼过程中工艺操作的控制依据，对提高电弧 炉生产率、缩短冶炼时间，降低吨钢电耗和过程操作成本具有重大的意义。与转炉炼 钢过程的控制模型相比，电弧炉工艺控制的难点为阳1 ：l 、废钢量大，炼钢原料中6 5 1 0 0 为废钢，这些废钢往往是外购的，其成分是不可知的；2 、冶炼过程中化学能的 比例高( 占电弧炉总能量需求的3 0 - - 4 0 ) ；3 、用氧量大，目前电弧炉用氧量已达 到每吨钢3 5 - - 4 0 m 3 。为解决这些问题，许多学者尝试用各种方法来建立电弧炉冶炼工 艺过程控制模型，包括静态控制模型和动态控制模型。 1 2 1 静态控制模型 静态控制模型以物料平衡、能量平衡和化学平衡为基础，计算冶炼一定成分和重 量的合格钢水所需的石灰加入量、废钢装入量、吹氧量、合金加入量、能量需求量、 能量损失量和能量供给量，并在冶炼前预报冶炼终点温度和成分。国内关于电弧炉工 - 6 第一章概论 艺模型的研究并不多，且主要限于以物料平衡、能量平衡和化学平衡为基础而建立的 超高功率电弧炉炼钢工艺过程静态模型n 0 1 ，其模型框图如图1 3 所示。也有一些采 用人工神经网络技术预报冶炼终点钢水温度和成分( 主要是磷和碳) 的模型，取得了一 定的成就，但是大都限于在很窄的范围内进行预报。 主控援型 浯歪蕊画l统计懊型ll 热悝 薹塞ll蓁差ll茎|蓁ll襄羞ll差耋ll茎耋li 萎量ll 蓁篓ll 袭童li 差薹ll 萎茎ll 蠢耋 图1 3 电弧炉静态工艺模型结构图 在氧气炼钢经验的基础上，根据质量和热量平衡，p n y s s e n 等n 2 1 开发了用于控制电 弧炉操作的冶金模型。该模型的基本结构是：静态模块。其功能为在每一炉开始冶 炼前及废钢装料时预设操作参数。准动态模块。用于每炉冶炼的最后精炼期间，根 据实际操作参数( 输入的电能、吹入的氧量和碳含量以及停电时间等) 进行在线计算： 调整模块。在每炉冶炼结束后，由操作者对几个特征参数( 如铁水量、循环渣量、废 钢中脉石量和用氧量) 的变化进行评估。该模型能确定主要的操作参数，一步达到终点 目标，从燃弧到第一次测温保持冶炼不问断。其应用结果表明：每小时每吨钢的矿物能 量消耗降低2 0 七，电能增加3 七| l ，生产率提高5 。 1 2 2 动态控制模型 动态控制模型是在静态控制模型的基础上，根据生产过程中实际生产数据和操作 条件的变化对模型进行动态修正，以达到终点温度和成分的要求。国外对电弧炉工艺 模型的研究主要集中在动态模型方面，并使用不同的优化控制技术对其进行探索。 ( 1 ) 基于炉气分析的动态控制模型 电弧炉炉气分析是指利用安装在烟道出口处的气体取样头取出气体样，经气体分 析仪对c o 、c 0 2 、0 2 和风等成分进行连续的实时测量。在电弧炉冶炼过程中，烟气 第一章概论 成分变化很大，即使采用相同的冶炼参数，各炉次问烟气成分的再现性也很低，因而炉 气分析是电弧炉过程控制的辅助手段，能优化电弧炉操作工艺，提高炉内化学能和电 能的利用率n 3 15 1 。具体体现在：帮助了解电弧炉内发生的冶金过程：可根据炉气化 学成分曲线识别冶炼终点碳含量，提高终点碳和温度的命中率：优化氧燃烧嘴、二次 燃烧枪、氧枪、喷吹碳粉枪的使用时间和流量，优化炉内燃烧：提高金属回收率。 1 9 9 7 年，由g o o d f e ll o w 技术公司( g t i ) 开发的e f s o p t m ( e x p e r tf u r n a c es y s t e m o p t i m i z a t i o np r o c e s s ) 在c o - s t e e l l a s c o 钢厂的使用效果良好，烧嘴氧用量增力h 2 7 ， 天然气消耗量增力h 2 8 ，每吨钢节约电能1 5 k w h ，生产率提高9 5 n3 。图1 4 为系统流 程。由于废气分析系统存在反应时间延迟和因故障无法使用等缺陷，所以对生产操作 的连续优化造成一定的影响。为此，g t i 又开发出能克服上述缺陷，可对e a f 废气化学成 分进行预报的神经网络模型m 1 。该模型将输出、连续废气分析和实时过程数据结合在 一起，能够真正地实现电弧炉冶炼过程的动态优化控制。我国江苏淮阴钢铁公司采用 的由美国p r a r a i r 公司开发的二次燃烧系统可通过炉气分析进行二次燃烧用氧控制。 在调试或变更工艺时，用炉气分析系统对炉气成分进行分析，以确立c o 生成模型，在 此基础上建立起二次燃烧供氧制度，并取得了明显的节能效果，即：每立方米氧气 3 8 4 k w h ，每吨钢的电耗下降2 8 k w h ，冶炼时间缩短7 5 m i n n 5 1 。 |lle f s o p 。 l 筠 ； 随、；l 丌鼻影l ：、一l 、 ll 恻| 一肋、 j 一 遵 e k 鼬p 擞作界面ij电强炉一l e p s o p 一 巧 系 眦弼络 l l 萎繇 入空气 染控制 统 图1 4c o - s t e e l l a s c o 钢厂的e f s o p t m 仪器设备示意图 目前，采用炉气分析的电弧炉炼钢动态控制系统没有得到普遍应用的原因是： 炉气分析设备的价格昂贵：炉气温度太高，并携带炉尘、炉渣和水分，所以探头和过 滤器易被堵塞，需要经常维护，难以连续测量炉气成分和温度。而该系统的使用效果在 较大程度上取决于探头的位置和探头的寿命。 第一章概论 ( 2 ) 基于迭代动态规划的动态模型 w r f r e d 和s a m a t s o n n 6 吲提出的电弧炉优化控制模型如图1 5 所示。该模型以喷碳、 氧枪吹氧及过量的烧嘴氧流量和时间作为控制变量，通过优化实现化学能利用最大 化、原材料收得率最大化和冶炼过程时间最小化。迭代动态规划的结果表明：所选取 的控制变量的任意组合都能使化学能利用率和原料的回收率得到改善，而冶炼过程时 间的缩短只能依赖于提供化学能的控制变量优化组合。该模型可动态预报钢水、炉渣 和废气的温度及化学成分，同时优化氧枪吹氧、喷碳和烧嘴供氧，达到提高金属收得 率、充分利用化学能、降低吨钢电耗及缩短冶炼时间( 约为1 0 m i n ) 的目的。 _ - _ _ o o o _ o i 牲毙括数l 象统模型： l 物料平衡 2 能量平衡 ；l 熔化模型 4 度成横型 e a f 工艺忧纯最娩h 燃 暴娩缀定： 1e a f 炉内存在两个控纠俸：雄港 e 钢水棚熔渔) 和自白空r l l 气体； 反应处i f 平衡状态，备元素媛予守憧 2 废钢球形均匀 优化对象： l 氧艳速率 2 喷磁遵攀 3 烧嘴过量 畎氧遣摩 4 阶段长度 图1 5 电弧炉动态优化操作系统框图 1 3 电弧炉终点温度控制 电弧炉炼钢终点控制是电弧炉冶炼后期的重要操作。所谓冶炼终点是指钢水达到 冶炼目标要求的时刻。终点控制主要是指冶炼终点成分和温度的控制，温度终点控制 的目的是满足下一道冶炼工序的要求。 1 3 1 温度控制的重要性 炼钢是在高温下进行的，依据钢种不同，其温度范围为1 5 5 0 - 1 6 5 0 0 c ，一般都高 出所炼钢种熔点8 0 1 5 0 0 c 。温度是熔池中一切物理化学反应的重要条件之一，它影 响着各种反应进行的方向、限度与速度，直接决定了冶炼操作的效果与能否进行，影 响着钢的质量与产量。因此，良好的终点温度控制是顺利完成冶金过程的保证。电弧 第一章概论 炉出钢时必须保证一定的出钢温度。太高，则浪费了电能；太低，下一工位的生产难 以得到保证。所以，准确的控制钢水终点温度对于节能、降低生产成本和保证生产的 有序进行有着重要的意义。 1 3 2 电弧炉温度预报模型 电弧炉终点温度控制是冶炼过程控制的体现，温度预报模型是电弧炉工艺模型的 一部分，因此根据电弧炉工艺模型的控制方法( 静态控制和动态控制) ，同时参照转 炉的终点控制方法，可以将电弧炉温度预报模型分为静态温度预报模型和动态温度预 报模型。 静态温度预报模型n 叫主要解决的问题是，依据初始条件、要求的目标温度，采用 机理分析、智能推理与冶炼经验相结合的方法计算出达到目标温度所需的吹炼方案。 动态温度预报模型啪1 是在接近吹炼终点时，通过直接或间接检测钢水温度，以此为起 始点温度动态预报过程温度，提高温度的终点命中率，动态温度预报模型的精度直接 关系到终点温度命中率的高低。 1 3 3 电弧炉温度预报现状 通过调研发现，电弧炉温度预报主要是以物料平衡、能量平衡和化学平衡为基础， 采用机理方法、统计方法、智能方法等进行研究。 日本人高轮武志通过数学模型对电炉炼钢进行计算机控制口。把影响温度的合金 料及渣料等，通过反应机理换算成对升温的影响。用实测数据，通过回归分析确定各 项参数。温度控制算法为：z = 正+ 。住友公司制钢所就是采用此法。 李静如提出了k e y s e r 的多部预报算法对电炉含碳量和温度多步递推建立预报模 型，并在此基础上引入人工智能方法，依据预报值与目标值的偏差，通过专家经验做 出决策，补偿预测模型的不足。该方法已完成实验室仿真研究，后来又把模糊控制与 k e y s e r 多步预报结合。通过模型得到的在线预测误差，采用模糊方法，自动修j 下所 采用的控制策略，减少目标偏差到容许值范围。 w r f r e d 和s h m a t s o n 提出的电弧炉优化控制模型n 6 蚓以喷碳、氧枪吹氧及过量的 烧嘴流量和时间作为控制变量，通过优化实现化学能利用最大化、原材料收得率最大 】0 第一章概论 化和冶炼时间最小化。该模型可动态预报钢水、炉渣和废气的温度及化学成分，同时 优化氧枪吹氧、喷碳和烧嘴供氧，达到提高金属收得率、充分利用化学能、降低吨钢 电耗及缩短冶炼时间( 约为l o m i n ) 的目的。 s a n d e ra r n o u t 、f r e d e r i k7 e r h a e g h e 等瞳2 1 开发了冶炼镇静钢的电弧炉热力学模 型，该模型是一个时变模型，能量和物料逐步输入到平衡反应器中。平衡计算是运用 复杂热化学平衡计算程序库c h e m a p p 完成的。模型的物料输入通过对工业数据的校正 产生的，能量输入通过近似方法和比例方法来划分的。模型可以用来动态计算气相、 渣相、金属相的温度和成分的变化情况。模型计算的金属相终点温度和实际数据拟合 的很好。 b e k k e re ta 1 心3 1 根据基本的热力学和动力学关系开发了电弧炉的模型。为了描 述未知的、不可测的冶金机理，运用了经验关系和简单的假定，比如：模型假定电弧 能量和反应热先传递给液态熔池，通过液态熔池加热固态成分；炉子的气相温度和液 态钢水的温度相同；液态钢水的温度随着电能和化学能的增加而增加；固态钢的熔化 速率和温度由传递到固态成分的能量决定等。o o s t h u i z e n 硷钔改进了该模型，使其能够 预报废气温度和炉渣发泡高度。 1 4 课题背景及意义 1 4 1 课题背景 江阴兴澄钢厂1 0 0 t 直流电弧炉现有的温度检测是通过一次性热电偶实现的，而 且是手工操作。频繁测温不但测温费用高，劳动强度大，安全性差，而且会延长热停 工时间，所以操作工一般仅在取样和出钢前测温。有时这种人工测温有很大的偏差， 其主要原因是：测温枪出故障；更多的是因为操作工测温时往往是按照个人的操作习 惯，而电弧炉内的钢水温度分布不均匀，这样测温位置的不规范会造成很大的测温误 差。操作工在冶炼期间，由于无法实时了解钢水温度信息，操作时难免具有盲目性， 难以采取合理有效地操作实现对终点温度的精确控制。 温度是电弧炉炼钢过程的重要技术指标之一，太高则浪费了电能；太低，下一工 位的生产难以得到保证，因此准确的控制钢水终点温度对于节能、降低生产成本和保 第一章概论 证生产的有序进行有着重要的意义。但是电弧炉炼钢过程是一个非常复杂的物理化学 变化过程，影响终点温度的因素很多，难以用定量的数学模型描述，而且电弧炉熔池 温度高、冶炼条件恶劣，熔池温度不能直接连续检测。因此，采用先进的控制方法， 建立适合电弧炉炼钢过程要求的终点温度预报模型，将对电弧炉终点温度控制起到重 要作用。 1 4 2 课题意义 通过采用先进的控制方法实现对钢水终点温度的控制，有助于提高钢水温度的控 制精度和终点命中率。同时可以指导炼钢生产，实现更合理的炼钢操作，节约能源， 降低成本，保证生产的有序进行，提高炼钢生产效率。另外，先进控制方法的应用对 于提高电弧炉炼钢过程的自动化控制水平有重要意义。 1 5 本文所做的工作 本文的主要研究对象是江阴兴澄钢厂的1 0 0 t 直流e b t 电弧炉，通过调查分析研 究，实现对钢水终点温度预报模型的开发。在论文研究期间，所进行的主要工作如下： ( 1 ) 了解前人的研究方法。通过各种途径获取资料，了解常用的电弧炉终点温 度预报方法。 ( 2 ) 采集数据。在江阴兴澄钢厂采集现场实际数据。 ( 3 ) 研究温度的影响因素。针对该系统热过程的复杂性，将整个电弧炉看做一 个系统，研究电弧炉能量平衡关系，在此基础上，分析影响电弧炉钢水温度的因素。 ( 4 ) 开发模型。根据现场实际情况，考虑将静态温度预报模型和动态温度预报 模型结合起来，对电弧炉钢水终点温度进行预报，因此开发了静态温度预报模型和动 态温度预报模型。 ( 5 ) 测试模型。运用现场数据对模型进行了测试，同时分析了可能影响模型精 度的因素，并提出了改进措施。 第一章概论 1 6 论文结构安排 论文的结构安排如下： 第一章为概论。首先简单介绍了电弧炉的特点、功能、技术发展及电弧炉的工艺 控制模型，然后介绍了电弧炉温度控制的重要性、温度预报模型及其研究现状。最后 阐明了本论文的课题背景、意义，并介绍了本文所做的主要工作。 第二章主要介绍了常用的终点温度预报方法，包括机理方法、自适应方法、增量 方法、智能方法等。 第三章是钢水终点温度影响因素的研究分析。在分析电弧炉能量平衡的基础之 上，研究了电弧炉钢水温度的影响因素。 第四章是电弧炉终点温度预报模型的建模及分析。首先简单介绍了研究对象，然 后介绍了s 算法，提出采用将动态温度预报模型和静态温度预报模型结合起来对钢 水终点温度进行控制，在此基础上，分别讲述了静态温度预报和动态温度预报模型的 建模过程及测试结果。最后分析影响模型精度的一些因素，并介绍了模型的应用流程。 第五章是对电弧炉钢水终点温度预报模型的总结和展望。总结了所取得的成就和 不足，并提出了可能的改进措施。 第一二章电弧炉常j l j 终点温度预报方法 2 1 概述 第二章电弧炉常用终点温度预报方法 随着炼钢工艺的进步，现代电弧炉抛弃了集熔化、精炼和合金化于一炉的老三期 冶炼工艺，只保留了熔化、升温和必要的精炼，如脱磷、脱碳，而把其余的精炼过程 均移到了炉外精炼工序中进行。现代电弧炉炼钢流程e a f - l f v d - c c 的技术核心是缩短 电弧炉的冶炼周期，使之与连铸节奏相适应。现代电弧炉炼钢技术都是围绕解决这个 问题而发展起来的。为缩短冶炼周期，现代电弧炉广泛采用碳氧枪、二次燃烧、底风 口和氧燃烧嘴技术，供氧强度大大提高，通常可达吨钢用氧3 0 m 3 左右，有的甚至超 过4 0 m 3 ，接近转炉用氧量。与之相应的是配碳量提高，例如冶炼低碳钢时，可通过 配加生铁或铁水将碳配至1 8 。炉料熔清后，在氧化条件下偏心底出钢，操作与转炉 冶炼类似。另外，电弧炉与转炉的冶炼周期亦比较接近，与转炉操作类似，电弧炉终 点温度控制就显得极为重要。 在电弧炉冶炼生产过程中，准确地掌握钢水的冶炼状态，可以及时调整各种物料 的加入、