（控制理论与控制工程专业论文）电渣炉控制系统设计及控制方法的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 电渣炉控制系统设计及控制方法的研究 摘要 我国的电渣重熔技术处于世界前列，但是大部分电渣炉的设备较为陈旧，故 障较多，特别是控制系统更为落后，控制精度( 工作电流、工作电压、功率、熔 速等) 及稳定性较差，直接影响了电渣锭的质量和生产效率，制约了其经济效益 的进一步提高。解决当前电渣重熔生产中存在的一些技术问题成为电渣生产的关 键所在。 本文结合目前电渣炉炼钢生产中存在的问题及某钢铁企业4 台4 吨电渣炉建 设项目，在首先确定了合理的电渣重熔工艺参数的基础上，开发了一套以p l c 控制器为核心的先进的计算机控制系统。系统采用上下位机结构：上位机采用工 业控制计算机和液晶显示器，负责电渣生产监控；下位机采用g e 公司9 0 3 0 系 列p l c ，负责电渣炉生产过程的全部控制。采用两套p l c 系统，每套p l c 系统 控制两台电渣炉。采用两层网结构，两台上位机与两套p l c 系统采用e t h e m e t 网，利用g ep m f i b u s 模块将两台电渣炉所用变频器与p l c 连成现场总线 ( p r o f i b u s ) 网，利用g em o d b u s 模块将两台电渣炉的功率表与p l c 连成m o d b u s 总线网。系统可实现单台上位机群控多台电渣炉。上位机采用i f i x 组态软件开 发各监控画面，下位机采用c i m p l i c i t y 软件开发各应用控制程序。 本文对电渣炉的冶炼控制方法进行了论述，针对恒功率策略的弱点，结合几 种递减功率策略所作的分析，采用了在恒熔速基础上的恒渣阻控制两级控制方 案。控制系统运行稳定，控制效果良好，不但能很好地跟踪电流的变化，而且控 制精度较传统电渣炉有了很大程度的提高，本系统的控制精度可以达到3 。 针对电渣炉是一个多变量、非线性、强耦合、时变及随机干扰较强的系统， 且无法确定其精确的数学模型，本文在采用传统的p i d 控制的基础上，结合电 渣炉炼钢生产的实际情况，对几种人工神经元智能p i d 控制算法在电渣炉生产 中的应用进行了探讨，得到了比较好的仿真效果。 关键词： 电渣炉：p i d 控制器；神经网络：计算机控制系统 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t r o ls y s t e m d e s i g na n dc o n t r o ls c h e m e s t u d yf o re l e c t r o s l a gf u r n a c e a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fe s ri no u rc o u n t r yh e a d st h ew o r l d ，b u tb e c a u s et h em a j o r i t y o fe l e c t r o s l a gf u r n a c e se q u i p m e n ti so b s o l e t e ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mi ss p e c i a l l y o b s o l e t e r , w h i c hh a sm u c hf a u l t t h ec o n t r o lp r e c i s i o n ( o p e r a t i n gc u r r e n t , w o r k i n g v o l t a g e ，p o w e r , r e m e l t i n gs p e e da n ds oo n ) a n dt h es y s t e mi si n s t a b l e t h e s ed i r e c t l y a f f e c t e dt h eq u a l i t yo fe l e c t r o s l a gs p i n d l ea n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yr e s t r i c t e di t s e c o n o m i cb e n e f i t t h es o l u t i o n st ot e c h n i c a lq u e s t i o n sb e c o m ep i v o t a li ne l e c t r o s l a g p r o d u c t i o n i n t h i s d i s s e r t a t i o n ，c o n s i d e r i n gt h ed e m a n d so fr a p i dd e v e l o p m e n ta n d i n f o r m a t i o nr e n o v a t i o nf o re l e c t r o s l a gr e m e l t i n gi n d u s t r y , w i t ht h ec o n s t r u c t i o n p r o j e c to f4t o n se l e c t r o s l a gf u r n a c e si nt h es h a n g h a is t e e lm i l l ，o nt h eb a s i so ff i r s t l y d e t e r m i n i n gp r o c e s sp a r a m e t e ro fe s r d e v e l o p e da na d v a n c e dc o m p u t e rc o n t r o l s y s t e mb a s e do np l cc o n t r o l l e r t h es y s t e ma d o p t st w og r a d e sc o n t r o ls y s t e m s ， i n c l u d i n gt h es u p e r i o rc o m p u t e ra n dt h ei n f e r i o rc o m p u t e r t h es u p e r i o rc o m p u t e r a d o p t e di n d u s t r yc o n t r o lc o m p u t e ra n dl c d ，c o n t r o l l i n gt h ep r o c e s so fe l e c t r o s l a g p r o d u c t i o n ，m o n i t o r i n gt h ep r o d u c t i o n ；t h ei n f e r i o rc o m p u t e ra d o p t e d9 0 3 0s e r i e s p l co fg ec o r p o r a t i o n ，c o n t r o l l i n ge l e e t r o s l a gp r o d u c t i o ni na l lt h ep r o c e s s t h e i t e m a p p l i e dt w o s e t so fp l c ，e a c hf o rt w oe l e c t r o s l a g f u r n a c e s ，a p p l i e d a c o n s t r u c t i o no fd o u b l en e t s t w os u p e r i o rc o m p u t e r sc o n n e c t e dt op l cs e t sv i a e t h e r n e t ap r o f i b u sn e ti sf o r m e db yt h et r a n s d u c e r su s e di nt w oe l e c t r o s l a gf u r n a c e a n dp l cc o n t r o l l e rc o n n e c t e dv i ag ep r o f i b u sm o d u l e as u p e r i o rc o m p u t e rc a n c o n t r o ls e v e r a le l e c t r o s l a gf u r n a c e si nt h es y s t e m t h em o n i t o r i n gp i c t u r e si ns u p e r i o r c o m p u t e r sa r ed e v e l o p e db yt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ei f i x t h ec o n t r o l l i n gp r o g r a m i ni n f e r i o rc o m p u t e ri sd e v e l o p e db yt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r eo f c i m p l i c i t y t h i sp a p e rs t u d i e st h ec o n t r o ls c h e m eo fe l e c t r o s l a gf u r n a c e a st h es c h e m eo f 1 1 1 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i n v a r i a b l ep o w e rh a v i n gm a n yd e f e c t s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e ss e v e r a ls c h e m e so f d e g r e s s i v ep o w e ra n dg i v e sad o u b l e - d e c ks o l u t i o nf o re l e c t r o s l a gf u r n a c e ，ap r o g r a m o fi n v a r i a b l ed r a gr e s i s t a n c eb a s eo nap r o g r a mo fi n v a r i a b l er e m e l t i n gs p e e d t h e c o n t r o ls y s t e mr u n ss t e a d i l ya n dt h er e s u l t sa r es a r i s l y i n g t h ev a r i a t i o no fc u r r e n tc a l l b ew e l lf o l l o w e da n dh a st h ec o n t r o lp r e c i s i o ni s i m p r o v e dg r e a t l yc o n t r a s t e dw i t ht h e t r a d i t i o n a le l e c t r o s l a gf u r n a c e ，t h ep r e c i s i o no f t h i sc o n t r o ls y s t e mc a l lr e a c ht o 士3 e l e c t r o s l a gf u m a e ei s ak i n do fs y s t e m 丽mm u l t i v a r i a b l e n o n l i n e a r , c l o s e c o u p l i n g ，t i m e v a r i a t i o na n ds t r o n gr a n d o md i s t u r b a n c e ，a n di tc a nn o tf i xo ni t s a c c u r a t em a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e do nt h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l l e ra n dt h e p r o d u c t i o no fe l e c t r o s l a gf h r 7 1 a c c ，t h ep a p e rd i s c u s s e ds e v e r a la r t i f i c i a ln e u r o n sp i d a l g o r i t h m i n e l e c t r o s l a gf u r n a c ep r o d u c t i o na p p l i c a t i o n ，o b l a i n i n g q u i t eg o o d s i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：e l e c t r o s l a gf u r n a c e ，p i dc o n t r o l l e r , n e u r a ln e t w o r k ，c o m p u t e rc o n t r o l s y s t e m - 独创声明 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，不包含其他人已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 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名：i 采谚，粒 签字r 期：2 即，。7 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：导师签名 签字日期：签字r 期 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 电渣重熔技术的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢锭的结 晶组织，从而获得高质量的金属产品。因此，电渣重熔主要用于高质量钢锭的熔 炼。随着现代工业生产需要的优质合金钢和特种合金钢数量日益增多，对金属材 料的质量和性能不断提高，传统的冶炼技术已经不能满足新产品的结构性能要 求，电渣重熔技术应运而生。 特殊电冶金中应用最广泛的是真空电弧、电子束、等离子电弧和电渣重熔。 鉴于电渣重熔法经济和效率高，因此它是上述特殊电冶金方法中获得最广泛应用 的方法。 随着市场对高品质精细钢材的需求不断增加，电渣炉的重要性日见明显。但 大部分电渣炉设备陈旧，故障较多，特别是控制系统落后，控制精度( 工作电流、 工作电压、功率、熔速等) 及稳定性较差，直接影响了电渣锭的质量和生产效率， 制约了其经济效益的进一步提高。 限于技术水平，很多的电渣炉控制系统采用继电器控制，及恒功率的控制方 式，由于控制精度不高，无法发挥电渣炉生产的最大效率。现在新上的大多采用 以p l c 为核心的自动控制系统，大大提高了控制效果。 1 1 电渣重熔技术原理 电渣重熔技术( 简称e s r ) 作为本世纪三十年代发展起来的一种新兴的熔炼 技术，在短短的几十年间获得了快速的发展，这其中在电渣炉自动控制系统的设 计、特种电渣炉的研制以及电渣熔铸技术开发等方面所取得的成绩有目共睹，电 渣重熔技术目前已进入了一个全新的发展阶段。 1 1 1 电渣重熔技术简介 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 电渣重熔原理图 、 f 碴1 1t h e s c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o s l a gr e m e l t i n 8 电渣重熔的基本原理i l l 如图1 1 所示。在铜制水冷结晶器中加入固态或液态 炉渣，将自耗电极的端部插入其中。当自耗电极、炉渣和底水箱通过短网与变压 器形成供电回路时，电流( 大小是通过调节电极下降速度来控制的) 从电极进入渣 池后，通过金属熔池和凝固钢锭再由底水箱和短网返回到变压器。由于在上述供 电回路中熔渣的电阻相对较大，从而在渣池中产生了大量的焦耳热，使自耗电极 端部逐渐加热熔化，熔化的金属汇聚成液滴。金属熔滴从电极端头脱落，进入渣 池底部，形成金属熔池。由于水冷结晶器的强制冷却，液态金属逐渐由下向上凝 固成钢锭。自耗电极根据熔化的速度送进渣池，不断卦充正在凝固的金属熔池体 积。由于在电极熔化、金属液滴形成、滴落过程中金属熔池内的金属和炉渣之间 要发生一系列的物理化学反应，从而可除去金属中的有害杂质元素和非金属夹杂 物。钢锭由下而上逐渐凝固，金属熔池和渣沲就不断向上移动，上升的渣池使结 晶器内壁和钢锭之间形成一层渣壳，它起着保温的作用，不仅促使钢锭表面平滑 光洁，而且减少了径向导热，有利于自下而上的顺序结晶，促使钢锭形成没有缩 孔的致密组织。电渣重熔的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢 锭的结晶组织，从而获得高质量的金属产品。 改变自耗电极的截面、渣料的成分( 物理特性) 和数量以及过程电参数，电 渣重熔就能在相当广泛的范围内调整熔速范围，使电渣重熔方法变得相当灵活。 电渣重熔另外一个极其重大的优点是能炼铸不同形状截面的钢锭，采用电渣 重熔方法还可以熔铸不同形状的部件。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 电渣重熔技术的特点 与其他冶金方法相比，电渣重熔有以下特点i l j ： ( 1 ) 金属的熔化、浇注和凝固均在一个较纯净的环境中实现最大限度地减 轻大气对钢液的污染，减少钢水氢、氮的增加量和钢的二次氧化。另外，由于熔 化和凝固均在水冷铜质结晶器中完成，因而没有普通冶炼方法由于耐火材料造成 对钢水玷污的缺点。 ( 2 ) 具有良好的冶金反应的热力学和动力学条件 电渣重熔过程中渣池温度通常在1 7 5 0 以上，而电极下端至金属熔池中心 区域的熔渣温度可达1 9 0 0 左右。因此，重熔过程中渣的过热度可达6 0 0 ，钢 液过热度可达4 5 0 左右，高温熔池促进了一系列物理化学反应的进行。 良好的动力学条件还表现在电渣重熔过程中钢渣能充分接触。在电极熔化末 端、熔滴滴落过程及金属熔池的三段中钢渣接触面积可达3 2 0 0 r n m 2 g 以上，反 应进行十分充分。同时在电磁力的作用下渣池被强烈搅拌，不断更新钢渣接触面， 强化了冶金反应，促进了有害杂质元素和非金属夹杂物的去除。 ( 3 ) 自上而下的顺序凝固条件保证了重熔金属锭结晶组织均匀致密 在电渣重熔过程中电极的熔化和熔融金属的结晶是同时进行的，钢锭上端始 终有液态金属熔池和发热的熔池，既保温又有足够的液态金属填充凝固过程中因 收缩产生的缩孔，可以有效的消除一般铸锭常见的疏松和缩孔。同时金属液中的 气体和夹杂也易于上浮，所以钢锭的组织致密、均匀。 由于结晶器中的金属受到底部和侧面强制水冷，冷却速度很大，使金属的凝 固只在很小体积内进行，使得固相和液相中的充分扩散受到抑制，减少了成分偏 析并有利于夹杂物的熏新分配。同时，这种凝固方式可有效地控制结晶方向，可 以获得趋于轴向的结晶组织。 ( 4 ) 在水冷结晶器与钢锭之间形成的薄丽均匀的渣壳保证了重熔钢锭的表 谣光洁 在电渣熏熔过程中，由于结晶器壁的强制冷却，使渣池侧面形成凝固渣壳。 在合理的电渣工艺制度下，金属熔池具有蹈柱部分。熔池在上升过程中由于金属 液体上升接触到凝固的渣皮时会使部分凝固的渣皮重新熔化，使渣皮薄而均匀， 金属在这层渣皮的包裹中凝固，电渣锭会十分光洁。另外，渣皮的存在能减少径 向传热，有利于形成轴向结晶条件。 东北大学硕士学住论文 第一章绪论 1 2 电渣冶金技术的发展过程及现状 1 2 1 国际电渣重熔技术的发展 世界上的电渣重熔技术已有7 0 多年的发展历史，其发展可以划分为三个阶 段。 第一阶段，从1 9 3 5 年美国r k h o p k i n s 进行渣中自耗电极熔化实验，并于1 9 4 0 年获得电渣熔炼专利【2 起，至1 9 6 0 年电渣炉由发明到工业化生产阶段，此时的电 渣炉只能生产1 t 以下的钢锭。 直至0 1 9 5 9 年，f i r t h - s t e r l i n g 公司建成3 台3 6 吨电渣炉进行电渣重熔，美国电 渣技术才定型【3 l 。h o p k i n s 作为k e l l o g g 公司技术指导和f 枷1 - s l 刚i n g 公司副经理， 长期垄断这一技术，直至j j l 9 6 5 年该公司破产并被v a s c o 公司和a 1 l v a 公司兼并，这 一技术才公布于众【4 j 。 第二阶段，1 9 6 0 年至1 9 8 0 年为电渣炉的大发展时期吐随着工艺的研究和设 备的研究制造，把电渣重熔技术推向一个高峰，电渣炉生产的钢锭由1 9 6 0 年的1 吨锭猛增到1 6 0 2 5 0 吨大型锭【6 ，工艺设备日趋成熟。 乌克兰巴顿电焊研究所是现代电渣冶金技术的发源她。前苏联是根据电渣焊 方法的原理引出电渣重熔法的。欧美及日本发展的屯渣冶盒均是引进前苏联技 术，世界上独立发展电渣冶金技术的国家倪有中国与英圜。电渣重熔不仅设备和 操作简单，生产成本低，而且电渣铜的质鼍除气体含量外，在表面质量、去硫、 去除非金属夹杂物及结晶组织等方面优于真空电弧重熔，所以一些生产真空冶金 设备的公司纷纷转向了电渣炉的生产，倒妲美国的u o n s a r c 公司、英国b i f l e e 公司、 奥地利b o h l e r 公司和日本真空株式会社等。世界各产钢大国均对电渣冶金技术投 入了相当的研究力量，从2 0 世纪7 0 年代初到2 0 世纪8 0 年代中期是世界各国电渣冶 金技术飞跃的时期，当时比较重要的电灌炉有 德国r o m i n g - b u r b a e b 公司1 6 0 吨 的电渣炉，美国e r i e 市n a t i o n a lf o r g e 公司9 2 吨电渣炉、日本神户制钢公司高砂厂 的7 0 吨电渣炉、韩国h u a d a i 国际公司9 2 吨电渣炉、印度8 8 吨电渣炉、英国不列颠 钢铁公司5 0 吨三相板坯电渣炉、前苏联y u l - 1 0 7 型多流电渣炉及y 1 1 1 。1 0 6 电渣熔铸 专用电渣炉1 7 j 。 第三阶段为1 9 8 0 年至今，电渣炉已进入全过程计算机控制、电渣熔铸、特种 电渣炉发展阶段。全世界电渣钢的年生产能力约1 8 0 万吨，实际生产电渣钢及合 金约每年1 2 0 万吨嘲。 金约每年1 2 0 万吨【8 1 。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 2 我国国内电渣技术的发展 1 9 5 8 年9 月冶金部建筑研究院电渣组在电渣焊的基础上开发出了电渣重熔技 术，我国的电渣冶金从此诞生。我国电渣重熔技术的发展基本与国外同步，已取 得了很大的成绩。4 0 多年来我国冶金规模不断扩大，技术不断创新。目前我国所 有特殊钢厂都有电渣重熔车间，小型电渣炉遍及全国【9 l 。在电渣重熔技术发展的 第三阶段，我国的电渣工艺、特种材料重熔、节电、电渣重熔研究都有较大发展。 1 9 6 0 年6 月冶金部建筑研究院设计了0 5 吨双电极支臂连续抽锭电渣炉，该 设备在熏庆特殊钢厂建成，于1 9 6 0 年8 月重熔出0 5 吨优质合金钢锭。此后冶 金部建筑研究院帮助重庆特殊钢厂、大冶钢厂建立电渣车间，开发产品。原北京 钢铁学院帮助大连钢厂、上钢五厂建立设备，并推广电渣冶金技术。1 9 6 1 年1 1 月冶金部在重庆召开了第1 届全国电渣冶金会议，总结了批量生产经验，并推荐 双支臂电极交替连续抽锭及单臂固定式两种炉型，成立了全国电渣冶金协调组。 1 9 6 0 年原北京钢铁学院建成5 千克密封式氩气保护电渣炉，19 6 4 年与抚顺 钢厂合作建成2 0 0 千克密封式氩气保护电渣炉( 真空电渣炉) 。同时进行了电渣 重熔过程中渣池内的电弧放电及去除夹杂机理的深入研究 1 0 1 。 1 9 8 5 年1 2 月在成都无缝钢管厂召开了第5 届电渣冶金技术交流会。这时， 全国特殊钢厂有工业电渣炉6 6 台，实产优质合金钢及超级合金5 4 万吨，全国 电渣冶金重熔平均电耗由1 9 8 0 年1 8 5 0 k w h t 降至1 9 8 5 年1 5 7 8 k w h t 。各特殊钢 厂在品种开发上获得多次奖励。 1 9 8 8 年4 月在美国圣地亚哥召开的第9 届国际真空冶金会议上，对1 9 6 1 1 9 8 8 年全世界对特种熔炼做出突出贡献的3 6 个单位授奖，中国占3 个，它们是：北京 钢铁学院、钢铁研究总院、上海重型机器厂；对3 8 名有突出贡献的个人授奖， 中国有5 人：傅杰、李正邦、朱觉、刘海洪和林宗棠 并争取到第l o 届国际真 空冶金会议于1 9 9 0 年在中国召开【l ”。 1 9 9 0 年8 月在潍坊召开了第6 届全国电渣冶金交流会，总结了3 0 年来的成果， 强调了电渣冶金应走出结晶器与冶金流程相结合发展，即要发展中间包电渣加热 电渣热封顶，电渣浇注，电渣离心浇注，电渣精密铸造，电渣转注等。 中国电渣冶金事业取得了重大成就，1 9 8 1 年上海重型机器厂与原北京钢铁学 院合作，建成2 0 0 吨级电渣炉，1 9 8 2 年国家鉴定后即为秦山3 0 万k w 核电站提供了 1 2 4 件毛坯。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 电渣重熔的新发展 在电渣重熔技术发展的第三阶段，主要进行了以下几个方面的研究。 1 3 1 电渣工艺的发展 最近，在广大电渣冶金工作者的努力下，电渣冶金技术又有了新的突破，相继 开发了导电结晶器( c c m ) 【1 2 1 ，快速电渣重熔( e s s r ) 、洁净金属喷射成形( c m s f ) 及可控气氛电渣冶金( 包括真空电渣重熔( v a c - - e s r ) 【1 3 】、惰性气体保护下电 渣重熔、高压下电渣重熔( p e s p ) 【1 4 1 、含钙熔渣电渣重熔) 等技术。这些技术的 出现，使电渣冶金再一次显示出了强大的生命力以及宽广的应用前景。 1 3 2 电渣炉控制系统的发展 电渣炉计算机控制在2 0 世纪8 0 年代以前侧重于研究电极渗入深度、控制熔速 和最终填充。当时由于使用计算机控制，使电耗降低，产品质量提高，产品再现 性好，同时，还提高了生产率，降低了工作人员的劳动强度。目前正在研究用一 台计算机实现电渣重熔的金过程控制。计算机可把电渣炉的参数，需要熔炼的钢 种、锭型以及实际操作参数全部存储到计算机中。当卡好电极之后，给予启动命 令，起弧、造渣、重熔、填充都可以在计算机控制下完成，计算机执行的情况全 部显示在操作屏上，必要时可实现人的干预。熔炼完成后，计算机存储熔炼参数， 以便日后调阅、修改，并打印好熔炼报表，整个熔炼过程几乎实现无人化操作。 1 4 本课题的提出 我国的电渣重熔技术处于世界前列，但是大部分电渣炉的设备较为陈旧，故 障较多，特别是控制系统较为落后，控制精度( 工作电流、工作电压、功率、熔 速等) 及稳定性较差，直接影响了电渣锭的质量和生产效率，制约了其经济效益 的进一步提高。解决当前电渣重熔生产中存在的一些技术问题成为电渣生产的关 键所在。 电渣重熔工艺的实现主要是通过控制系统或者加以必要的人工操作来实现 给定的工艺曲线和工艺数据。目前国内电渣炉重熔过程大多采用模拟调速系统控 制，自耗电极以一给定速率下降，在必要时进行人工干预。人们希望系统的输出 尽可能稳、准、快的达到设定值，而传统的p i d 控制器很难获得令人满意的相 应特性等。保持电渣炉熔炼时均匀稳定的熔速，获得理想质量的电渣锭，减少工 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 人的劳动强度，利用计算机代替人工操作，最终实现电渣重熔工艺控制的优化， 这些就成为了我们追求的方向。 目前电渣炉的电流控制一般是通过电极升降系统来控制插入深度，其过程主 要是采用经典p i d 控制，电渣炉是一个多变量、非线性、强耦合、时变及随机干 扰较强的系统，且无法确定其精确的数学模型。因此采用传统的p i d 控制往往难 以保证控制的稳定性和控制精度。随着控制理论的发展和成熟，将智能控制理论 应用于电渣炉的生产过程，已经是十分必要。 本文结合电渣炉炼钢生产的实际情况，提出了相应的控制策略，对几种智能 p i d 控制算法在电渣炉生产中的应用进行了探讨，并结合国内某钢厂4 吨电渣炉 新上设备设计了自动控制系统。 东北大学硕士学位论文 第二章电渣炉炼钢的工艺及设备 第二章电渣炉炼钢的工艺及设备 2 1 电渣炉炼钢生产工艺概述 2 1 1 电渣炉炼钢生产过程概述 电渣重熔的目的是在初炼的基础上进一步提纯钢、合金和改善钢锭的结晶组 织，从而获得高质量的金属产品。因此，电渣重熔主要用于高质量钢锭的熔炼。 2 1 1 1 熔炼过程各个时期工艺简介 电渣炉的生产过程一般是分为3 个时期：化渣期、重熔期和充填期，对于一 些电渣炉，炼钢过程中需要交换电极，因而还有交换电极阶段【4 】。 ( 1 ) 化渣期工艺 在这一时期，主要进行起弧化渣操作。起弧造渣就是熔化渣料，形成渣池。 一般采用电阻热造渣法，就是利用电流通过引弧剂时产生的电阻热熔化渣料，进 而建立电渣过程。操作方法有两种：一是用石墨电极化渣( 冷启动化渣) ，二是 用自耗电极直接化渣( 热启动化渣) 。固态启动是指在结晶器内进行化渣，化渣 采用石墨电极，这是由于其发热效率更高的缘故。化渣时将金属电极下降送入结 晶器，带电电极端部与导电渣接触后，电阻热使导电渣熔化，随即将渣料均匀加 入结晶器内。实际操作时，应先将萤石粉加入一部分造成渣池，而后将混合炉料 陆续加入。加渣料期闯由于渣池还未完全形成，输入渣池的功率应该较小。加入 渣料完毕后为增加化渣速度，应增加输入渣池功率，待渣料全部化清后交换至金 属电极，进入熔炼阶段。 ( 2 ) 正常重熔期工艺 化渣结束后，将石墨电极更换为金属自耗电极，使电极臂快速下降，将要接 近渣池界面时进行微调，使电极下端浸入渣池，就进入熔炼期。电极的下降速度 是通过控制模块进行控制的。 在正常熔炼的起始阶段，一般以化渣结束前的功率为起点，递增电压和电流， 根据工艺要求在一定时间内递增到正常重熔功率，此后可以按照一定的要求采用 相应的控制方法，如恒功率控制、恒熔速控制等。 ( 3 ) 交换电极期工艺 交换电极工艺主要是根据电极设计要求，适时更换电极进行熔炼的操作。当 东北大学硕士学位论文 第二章电渣炉炼钢的工艺及设备 设计的自耗根数超过两根，并且为了保证钢锭熔铸质量，特别是一些需要特殊处 理的钢种时，在熔铸前对自耗电极进行预热处理( 防止“炸裂”) 。在这种情况 下往往采用双臂交替式电渣炉，在熔铸过程中更换电极。采用双臂交替式电渣炉， 迅速进行电极的更换，比单臂式电渣炉更换电极节省时间，保证熔炼的正常有序 进行，获取质量更为理想的钢锭产品。 在交换电极的初期，一般都需要以一个较小的功率开始，逐渐递增功率，最 后达到正常重熔的熔炼功率。 ( 4 ) 补缩期工艺 为了保证熔炼钢锭顶端的冶金质量，在熔炼结束前要进行补缩。其目的是消 除钢锭顶部由于凝固收缩引起的凹坑，并且通过保温过程使顶部的结晶质量和其 它部分保持一致。 在这个时间里需要逐步递减熔炼功率。 2 1 1 2 生产过程中炉渣的作用 炉渣在电渣冶金中起着十分熏要的作用，概括起来有以下几个方面： ( 1 ) 发热体的作用 在电渣炉的供电回路中，渣池的电阻是最大的，在串联电路中变压器二次侧 输出的电压主要分配在渣池上，因此在电渣炉通电过程中，渣池相当于是一个电 阻元件即发热体。变压器输出的电能大部分在渣池中转变成热能，从而使渣池能 保持很高的温度导致电极熔化。另外，渣池对钢锭来说又是个保温帽，为钢锭凝 固创造顺序结晶条件，避免缩孔、气孔和俯析等缺陷产生。为了保持合理的熔化 速度和钢锭的内部与表面质量，要求渣池的发热速度和传热温度均在一个合理的 范围内变化。这不仅与电参数有关，而且与渣池的性质密切相关。炉渣的电导率 对渣池发热量及发热密度分布有重要影响，炉渣的粘度、电导系数和黑度对渣池 的散热影响很大。因此，要使渣的电导率、粘度和导热系数有一个适宜值，或通 过调整电参数等其他工艺条件来适应渣性质的变化。 ( 2 ) 精炼作用 在电极熔化末端，熔滴形成和下落、渣池与金属熔池界面上、渣池与金属液 之间要发生一系列的物理化学反应，如脱硫、去气和吸收非金属夹杂物，钢中活 泼元素的氧化或某些氧化物的还原等反应，从而对钢的洁净度和化学成分的控制 产生重要影响。炉渣的成分及其物理化学性质对渣金之间的各种物理化学反应 起决定性的作用。夹杂物的去除与炉渣成分和界面性质密切相关。合金元素的氧 化则与炉渣的氧化性及组元的活度、炉渣的透气性有不可分割的关系。 ( 3 ) 成型作用 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章电渣炉炼钢的工艺及设备 在电渣重熔过程中由于结晶器的强制水冷，在渣池与结晶器的交界处，熔渣 被冷却凝固成一个固态渣皮，金属熔池在不断上升过程中虽然使渣皮又部分熔 化，但在钢锭和结晶器之间始终存在一个薄而均匀的固态渣皮。这个固态渣皮的 存在一方匦起到绝缘作用，可有效防止电流由渣浊流向结晶器壁再从金属焙池或 底水箱流出，从而提高电流效率和防止结晶器壁打弧击穿，使热流和结晶趋于轴 向发展，有利于提高钢的结晶质量。电渣锭与结晶器之间渣皮的存在不仅有利于 保证钢锭表面光滑而且能起润滑作用，对于脱锭特别是电渣抽锭工艺十分重要。 熔渣粘度和熔化温度对渣皮厚度起决定作用，而固态渣皮的导热系数和导电率对 其隔热和绝缘效果有至关重要的影响，渣的粘度和界面性质与钢锭表面质量又密 切相关。 由上述讨论可知，炉渣在电渣重熔过程中具有十分重要的作用，对电渣产品 的质量、技术经济指标和操作的顺序及安全性影响很大。而这些影响又与炉渣的 物理化学性质有关。 2 1 1 3 高质量钢锭的主要标准 ( 1 ) 光洁的锭表面质量 由于电渣重熔过程中在锭表面上先形成一层均匀的渣壳( 皮) ，而锭的结晶 就在这层“渣壳母模”中形成，所以正常情况下锭表面是光洁无暇的。只要重熔 过程稳定、渣壳厚度均匀、不发生厚度突变，锭表面质量是可保证的。渣壳厚度 均匀与否主要取决于重熔过程的稳定性和选定的渣系组成。 ( 2 ) 高纯度 通过电渣重熔去除母材( 电极金属) 中的有害物质和非金属不纯物，获得高 纯度重熔锭是电渣重熔的主要目的之一。现有的提纯机理和实践都充分证明：提 纯主要靠电极末端层状熔化过程的渣洗来完成的，即靠末端电极末端渣洗提纯。 只要电渣过程稳定，电极末端渣洗不是提纯的限制环节，因此高纯度锭的获得是 可保证的。或者说在电渣重熔条件下，金属的精炼与提纯只受渣系组成的影响， 与其他工艺参数关系不大。 ( 3 ) 良好的结晶取向 重熔锭的宏观与微观缺欠如：点偏、方偏、波纹状偏析，重力偏析和疏松等， 在很大程度上影响锭材质量和性能。现有实践表明：这些缺欠又在很大程度上都 与柱状晶取向有关。这是因为柱状晶生长取向决定于熔池深度和形状。而熔池深 度玩肉形状又集中反映了电渣过程的“热状态”。( 熔池的) “热状态”是受 工艺参数支配的。理论分析和实践都证明：在重熔过程中由于参数匹配组合的不 同，熔池形状会有很大不同，概括讲可有二类熔池，其一是熔池呈倒三角形，其 1 1 - 东北大学硕士学住论文第二章电渣炉炼钢的工艺殁设备 二是梯形平底熔池。为确保锭的质量，对三角熔池的深度竭，要控制小于2 3 d x ( 结晶器直径) 为宜，即保证结晶角b 1 1 0 度。而对梯形平底熔池的重熔，可 大些，一般以h u 0 。 东北大学硕士学位论文第四章电渣炉控制方法研究 图4 9 单神经元智能控制系统 f i 9 4 9a ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mb a s e do ns i n g l en e u r o n 4 3 2 1 控制算法及学习算法 3 “( _ j ) = “( _ j - 1 ) + k w ：( a ) t ( 七) ； ( 4 1 1 ) i = 1 式中 3 w i ( k ) = ( t ) i ( 钏； t = l m ( 女) = w 1 ( t i ) + r i , z ( d u ( k ) x l ( 1 j ) ； w 2 ( | i ) = w 2 ( 1 j 一1 ) + r i 。z ( k ) u ( k ) x 2 ( k ) 坞( 七) = w 3 ( 1 j 一1 ) + r i d ：( 七) ”( 七) 为( 七) ； 五( _ j ) = p ( j 】 ) ； x a k ) = p ( 七) 一e ( k 一1 ) ； x 3 ( k ) = 2 p ( 的= p ( 七) 一2 e ( k 一1 ) + e ( k - 2 ) ； r 4 1 2 ) z l k ) 2 e 的 黝分别为积分、比例、微分的学习速率，k 为神经元的比例系数，k 0 。 对积分 比例p 和微分d 分别采用了不同的学习速率粕和以便对不同的权 系数分别进行调整。 j i ( 值的选择非常重要，足越大，则快速性越好，但超调量大，甚至可能使系 统不稳定。当被控对象时延增大时，世值必须减少，以保证系统稳定。k 值选择 过小，会使系统的快速性变差。 4 3 2 2 仿真结果 由于电渣炉目前还没有精确的数学模型，故选取一个带有普遍性的工业对象 东北大学硕士学位论文 第四章电渣炉控制方法研究 进行仿真研究。 选取的工业对象传递函数为： g ( s ) = 石丽e - s 用随机数产生初始权值，以不同的学习速率进行仿真，图4 1 0 是在学习速 率为 o 4 ，0 4 ，0 4 ，k 为0 2 时的仿真结果。 硒。 n 一 卜咖g l e n n 卜。； 图4 1 0 单神经元控制系统仿真 f i 9 4 1 0s i m u l a t i o no f s i n g l en e u r a lc e l l 从仿真结果上可以看出，单神经元结构可以实现比较快速的参数寻优，实现 对控制对象的精确控制，明显比常规p i d 控制方式效果好。 4 3 3 单神经元网络p i d 控制器的结构及其算法实现 对于采用电压和电流同时进行控制的电渣炉，可以采用单神经元网络p 1 d 控制器【3 9 】。 4 3 3 1 控制结构与控制器输出计算 单神经元网络p i d 控制器的结构如图4 1 l 所示。 如 叩 盯 柏 加 0 东北大学硕士学位论文 第四章电渣炉控制方法研究 图4 1 1 单神经兀网络p i d 控制器 f i 9 4 11s i n g l en np i ds i n g l eb i nc o n t r o l l e r 单神经元网络p i d 控制器是由r l = 2 个p i d 单神经元自适应子网络组成，各 个p i d 自适应神经元到输出层之间不是独立的，互相之间有连接权，这样两个 p i d 子网络构成了一个整体网络即p i d 神经网络控制器。它通过对加权系数的调 整来实现自适应、自组织的功能，从而实现多变量系统的控制。 设r ，例为设定值，k f j ；) 为输出值( 下标f 表示第f 个神经元，可取1 ，2 ，下标 ，表示第_ ，个神经元，押可) ，经状态变换器后转换成自适应神经元的输入量 x p l ，x i ，分别为： e i ( k 1 = r i ( k ) 一r i ( k ) x p ，= e i ( k ) 一e i ( k 一1 ) ； x i i = p f ( 后) ； x a , = e i ( k ) 一2 xe i ( k 一1 ) + e i ( k 一2 ) ； 神经元的输出为： 厶u l = w p , x p 七l l x h + w m x 女+ w w t x m + w h l x m + w 由l x 鹰 媳、3 、 对象的输入为： q ( 七) = ( _ j 一1 ) + k a u i ( k 1 ) ；( 4 1 4 ) w p 。w ，。w d i 分别为输入却“x mx d i 到输出u 。的权值；w p j i , w 扣w 咖分别为输入 嘞嘶砌到输出的权值a 置为神经元的比例系数，k 0 。 学习算法采用有监督的d e l t a 学习规则。 权值的调整方式为： 东北大学硕士学位论丈 第四章电渣炉控制方法研究 h ( 女) = w 。( 女- 1 ) + q e i ( k 一1 ) u ，x ( 4 1 5 ) 式中i 为状态转换器后的第i 个输入 为保证上述单神经元自适应p i d 控制学习算法的鲁棒性和收敛性，可对学 习算法进行规范化处理： 3 州( 女) = w f ( ) lw f ( ) l ( 4 1 6 ) t = l 即： 则： 。= ，( + k + ) ； w f ，= w i 。i ( w 。+ w ：+ 0 ) ； = w d , ( w p ，+ w ，+ ) ； w 掣= w l ( w p j + w 洳+ w 由0 ： 。= 。( ，+ ，+ ，) ； ，= ，( w z ，+ ，+ ，) ； h l = w 岍x 口l + w h x h + w d t x 出+ w p j i x p j + w o i x v + w 由由； “( _ j ) = “：( 七一1 ) + k x u i ( k 一1 ) ； ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) 4 3 3 2 仿真结果 选取一个两入两出的多变量系统： 羔(k七)=：3一y1(k-一2)+)+2“y：2(七k一-1)