（机械电子工程专业论文）电弧炉烟气检测与控制系统的研究及实验.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 电弧炉强化用氧技术利用集束氧枪高速输入的氧气与热装铁水反应产生的化学能辅 助熔化废钢，使得电弧炉炼钢从能源上用部分化学能代替电能，从炼钢原料上减少对价 格较高的废钢的依赖，从而达到节能降耗的目的。正因如此，所以该技术在国内部分钢 铁企业得到广泛的应用。但在实际的使用过程中，由于该技术的应用不成熟且其控制系 统不是闭环控制系统，操作人员难以把握整个炼钢过程，对炼钢过程判断容易产生失 误，从而导致生产的不稳定、低效率。那么，如何利用现在的理论与技术来解决这一问 题是本文研究的重点。 本文首先详细分析安钢电弧炉集束氧枪控制系统，主要包括系统的基本结构组成、 控制原理、程序控制流程及系统存在的问题；然后根据系统存在的问题和现场的实际情 况，提出基于音频、振动和烟气检测的控制思路方法。并就最后一种思路进行具体深入 的研究，建立电弧炉烟气检测与控制系统的控制模型，根据电弧炉炼钢的特点，该模型 采用模糊控制算法作为其核心，将炉气中的c o 、c 0 2 气体浓度误差及其变化率作为模 糊控制器的输入，通过模糊控制规则得出各氧枪的氧气流量设定值；最后，为验证该模 型的可行性，本文进行了基于烟气检测的燃烧控制实验。利用红外气体分析仪对煤气与 氧气燃烧产生的烟气进行在线检测，p l c 将采集到的气体浓度值上传至上位机，上位机 中的模糊控制器根据气体浓度值的差值及其变化率得出相应的氧气流量设定值以控制氧 气，取得了较好的实验效果。 本文提出并研究的电炉烟气检测与控制系统，对电弧炉强化用氧技术的应用做出了 有益的探索与深入的研究，为该技术的进一步研究奠定了较好的基础。 关键词：电弧炉炼钢，强化用氧，烟气分析，气体分析仪，模糊控制 北京科技人学硕士学位论文 r e s e a r c ha n d e x p e r i m e n t o ns m o k ed e t e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e mf o r e a fp r o c e s s a b s t r a c t n l et e c h n i q u eo fi n c r e a s i n go x y g e nu s i n gi ne l e c t r i ca r cf u r n a c e ( e a f 、s t e e l m a k i n g u t i l i z e st h ec h e m i ce n e r g yp r o d u c e db yt h er e a c t i o no ft h eo x y g e ni n p u t t e df r o mh i 曲s p e e d c o h e r e n to x y g e nl a n c ew i t hh o tm o l t e ni r o nt oa s s i s ti nm e l t i n gt h es c r a p u s e sc h e m i s t r ye n e r g y p a r t l yr e p l a c ee l e c t r i ce n e r g y ，r e d u c e st h er e l y i n go nt h eh i g hp r i c es c r a pa n du l t i m a t e l yr e a c h t h ep u r p o s eo fs a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o n s u m p t i o n b e c a u s eo ft h ea d v a n t a g em e n t i o n e d a b o v e ，t h i st e c h n i q u eh a s 、埔d e l yu s e di nm a n yd e m o t i cs t e e l m a k i n gc o r p o r a t i o n i nt h ea c t u a l o p e r a t i o np r o c e s s ，h o w e v e r ，d u et ot h ei m m a t u r ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n i q u ea n dh a l f - c l o s e d l o o pc o n t r o l l i n go ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h eo p e r a t o r sa r eh a r dt om a n i p u l a t et h ew h o l es t e e l m a k i n gp r o c e s sa n de a s yt om a k em i s t a k ei nt h ep r o c e s so f s t e e l - m a k i n g ，t h u s ，r e s u l ti nu n s t a b l e o ft h ep r o d u c t i o na n dl o we f f i c i e n c y h o wt ou s ee x i s t i n gt h e o r e t i ca n dt e c h n i q u et os o l v et h i s p r o b l e mh a sb e e nt h ek e yr e s e a r c hp o i n to f t h i sa r t i c l e 础sa r t i c l ea n a l y z e dt h ea n s t e e le a fc o h e r e n to x y g e nl a n c ec o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l w h i c hm a i n l yi n c l u d e dt h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h i ss y s t e m ，c o n t r o lp r i n c i p l e ，p r o c e d u r ec o n t r o l f l o wa n dp r o b l e m se x i s t e di nt h es y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m se 妇s t e da n dt h ea c t u a l s i t u a t i o no ft h ef i e l d ，p r o p o s e dt h r e ec o n t r o lm e t h o d sb a s e dr e s p e c t i v e l yo na u d i of r e q u e n c y ， v i b r a t i o na n ds m o k ed e t e c t i o n ，t h e n ，s t u d i e dt h el a s tm e t h o dt h o r o u g h l ya n db u i l tac o n t r o l m o d e lo ft h ee a fs m o k ed e t e c t i o nc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee a f s t e e l - m a k i n g ，t h i sc o n t r o lm o d e la d o p t sf u z z yc o n t r o la r i t h m e t i ca st h ec o r e ；t a k e st h et h i c k n e s s o fc 0a n dc 0 2i nt h ef u r n a c eg a sa n di t sv a r i a t i o nr a t i oa st h ei n p u to ft h ef u z z yc o n t r o l l e r t h r o u g ht h ef u z z yc o n t r o lr u l e st oe d u c et l l es e tv a l u eo f o x y g e nf l o wi ne a c ho x y g e nl a n c e f o r v a l i d a t i n gt h em o d e l sf e a s i b i l i t y , c a r r i e do u tac o m b u s t i o nc o n t r o le x p e r i m e n tb a s e do ns m o k e d e t e c t i o n n l es m o k ep r o d u c e db yc o m b u s t i o ni sd e t e c t e d0 1 1 l i n eb yt h ei n f r a r e dg a sa n a l y z e r , a n dt h ec o l l e c t e dg a st h i c k n e s sv a l u ei st r a n s m i t t e dt ot h eu p p e r c o m p u t e rb yp l c a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n c eo f t h eg a st 1 1 i c k n e s sv a l u ea n di t sv a r i a t i o nr a t i o t h ef u = yc o n t r o l l e ri nt h eu p p e r c o m p u t e rf i g u r e do u tt h ec o r r e s p o n d i n gs e tv a l u eo fo x y g e nf l o wt oc o n t r o lt h ec o m b u s t i o n p r o c e s sa n dt h i se x p e r i m e n th a sg o tag o o de f f e c t 一2 一 北京科技大学硕十学位论文 t h i sa r t i c l ep r o p o s e da n ds t u d i e dt h ee a fs m o k ed e t e c t i o nc o n t r o ls y s t e m i nt e r m o f t h e a p p l i c a t i o no fi n c r e a s i n go x y g e nu s i n gt e c h n i q u ei ne a f ，d o n eau s e f u le x p l o r a t i o na n dd e e p r e s e a r c h ，l a i dag o o df o t m d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho f t h i st e c h n i q u e k e yw o r d s ：e a fs t e e l m a k i n g , i n c r e a s i n go x y g e nu s i n g ，s m o k ed e t e c t i o n ，g a sa n a l y z e r , f u z z yc o n t r 0 1 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：牡日期一型型：! ? 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 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应遵循此规定) 签名： 缝旦丝：导师签名：墨兰l 竺日期：至丝z ：i ：12 北京科技大学硕士学位论文 引言 近几年来，随着钢铁市场价格的下降和废钢资源与电力能源的严重短缺，电弧炉炼 钢成本逐渐上升，导致部分企业电炉被迫停产。电弧炉强化用氧技术采用改变电炉炼钢 的原料和能源模式，改造电炉炉壁，安装集速氧枪和高速碳枪，加大热装铁水比例，利 用氧气与铁水中的碳反应的化学能代替部分电能，加速废钢熔化和钢液脱碳，从而达到 减少废钢资源与电力能源的消耗，节约炼钢成本的目的。从实际的使用效果来看，电炉 强化用氧技术给企业带来比较明显的经济效益。目前，该技术在全国范围内得以广泛的 使用。 ( 1 ) 课题来源 安钢第炼轧厂电弧炉集束氧枪控制系统由北京科技大学强化用氧项目组研究开发 出来的，其系统的控制设备由北科大国泰公司提供。该系统是在不改变原有控制系统的 基础上，通过改造电炉炉壁，增加四支集束氧枪和两支碳枪，控制部分由工控机，西门 子$ 7 - 4 0 0 p i c 、变频器、喷碳粉罐、氧气阀站等组成。这套系统于2 0 0 6 年4 月上旬正 式开始投入使用，在使用的过程中，由于操作工人对新的炼钢流程不能很快熟悉，没有 丰富的操作经验可供借鉴，这样就造成如下的一些现象：针对不同的废钢铁水比，无 法做到合理用氧以及如何组合各氧枪的用氧规则；在炼钢过程中由于工人对工艺不熟 悉，对炼钢阶段造成不正确的判断，容易导致用氧过量、电能和氧气消耗不合理以及金 属收得率低等。这些现象产生的原因主要在于操作工人习惯以前的工作模式，在新的工 作模式下没有较多的经验可以借鉴，另外的一个原因在于北科大强化用氧技术研究开发 人员没有提供很具体的供氧规则供现场参考。这样就需要操作工人经过很长的时间来摸 索操作经验，势必给企业造成较大的损失。为此，对电弧炉强化用氧技术的深入研究是 势在必行的。 ( 2 ) 课题研究的内容 本课题对安钢电弧炉集束氧枪控制系统进行了分析研究，并提出了具体可行的方 案。研究内容主要有以下几个方面： 1 谢安钢电弧炉集束氧枪控制系统进行具体分析，主要包括对该系统的结构组成、 系统控制原理、系统下位机控制程序和系统上位机监控程序的分析。然后结合现场存在 的问题，分析出系统的优缺点。提出了具体可行的系统升级改进方案。 1 北京科技大学硕士学位论文 2 ) 根据分析提出的系统改造升级方案，结合现场的实际情况。构建出电弧炉烟气检 测与控制系统的基本构架，利用气体分析仪对电炉炼钢过程尾气进行实时检测，然后按 照设定值来调节实际的氧枪控制流量。 3 1 为了在实验条件下验证电弧炉烟气检测与控制系统的可行性，我们在冶金实验室 进行了基于烟气分析的燃烧控制实验。实验采用红外气体分析仪分析氧气与煤气燃烧产 生的烟气，将分析结果采集到p l c ，上位机监控软件中的模糊控制算法将烟气的实际值 与设定值比较后，经过运算得出氧气的流量值、经p 1 c 输出给调节阀调节氧气的实际 流量。这样来模拟实际炼钢过程中吹氧脱碳过程。 ( 3 ) 课题研究的意义 电弧炉强化用氧技术从工艺上改变了传统电弧炉炼钢过程，在废钢资源和电能能源 供给不足的情况下起到了明显的降低成本的效果。但是，该技术目前还是处于一种不成 熟的阶段，如何将该控制系统从一个半闭环控制系统升级为一个闭环控制系统，是本课 题的主要研究内容。那么，针对现有的电弧炉强化用氧技术，本课题提出通过烟气检测 的方法来控制电弧炉炼钢过程，是对现有电弧炉强化用氧技术的进一步研究和探讨，在 目前能源和资源不足的情况下，显得更加有现实意义。 2 北京科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 电弧炉炼钢技术简介 炼钢是一个以去除铁水或废钢铁及其替代品中杂质元素和不希望留有的元素为主要 目的工艺工程，这一过程是通过特定的技术手段，在特定的熔炼设备中完成的。炼钢工 艺方法主要有氧气转炉炼钢法( o x y g e ns t e e l m a k i n gp r o c e s s ) 和电弧炉炼钢法( e l e c t r i ca r c s t e e l m a l d ：n g p r o c e s s ) , 前者为长流程炼钢法，后者则称为短流程炼钢法“1 。 电弧炉炼钢与其他炼钢方法相比较，有其独特的优点。电弧炉炼钢是靠电弧进行加 热的，其温度可高达2 0 0 0 摄氏度以上，超过了其他炼钢炉用一般燃料燃烧加热时所能 达到的最高温度。同时，熔化炉料时热量大部分是在被加热的炉料包围中产生的，而且 无大量高温废气带走的热损失，所以热效率比平炉、转炉炼钢要高。用电能加热还能精 确地控制温度。因为炉内没有可燃气体，所以可以根据工艺要求在各种不同的气氛中进 行加热，也可以在任何压力或真空进行加热”。 1 2 电弧炉炼钢技术发展概况 自从1 8 9 9 年第一座电弧炉在法国投产后，电弧炉炼钢便在许多国家迅速发展起 来。但是因其生产效率低，并且成本又高，直至二次世界大战前，一直被用来生产合金 钢和不锈钢，当时的电弧炉炼钢产量达不到总量的5 。2 0 世纪6 0 年代初期，美国 w e s c h w a b e 提出了超高功率u h p 电弧炉并取得了成功，大幅度地提高了生产效率， 降低了电耗，使电弧炉冶炼普通钢也能获得巨大的经济效益，再加上氧油烧嘴、碳氧 枪、废钢预热、偏心底出钢、水冷炉壁炉盖、泡沫渣埋弧冶炼、计算机控制等新技术的 采用，使电炉炼钢取得了长足的发展，世界范围内，电弧炉炼钢量占初钢的比例从 1 9 7 0 年的1 5 、1 9 8 0 年的2 1 上升到了1 9 9 0 年的2 7 。近年来以彻底降低炼钢费用 和缓和对环境的影响为目的的2 1 世纪综合电炉系统，正在进行着包括废钢的高温预热 和连续装入的新技术开发，如f u c h s 的竖炉、v a i 的c o m e l t 、m d h 的c o n t i a r c 等，进一步推动了电弧炉炼钢的发展，近年来，电弧炉炼钢的比例在美国已达4 0 ， 在日本也超过了3 0 ，可以预言，电弧炉炼钢在整个钢铁行业中将起越来越重要的作 用嘲。 随着电弧炉炼钢地位的提高，人们对电弧炉自动化技术也日益重视。目前，国外发 达国家如日本、美国、德国的炼钢电弧炉都配备了先进的计算机控制技术，以进一步提 高产量和产品质量、扩大品种、节约能量和降低成本。据国外1 9 8 0 年统计数据分析，采 3 北京科技大学硕士学位论文 用自动控制技术以后，电弧炉炼钢取得很好的经济效益，现在随着自动控制技术水平的 提高，所取得的经济效益更加明显。用电弧炉炼钢的优越性是相当大的，所以现在世界 各国都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。当前电弧炉的发 展趋势是：发展大型电弧炉；发展超高功率供电技术；采用各种炉外精炼法；发展直接 还原法炼钢；逐步扩大机械化自动化及应用电子技术；充分应用计算机和网络通信技术 进行过程控制，对整个炼钢和连铸流程生产调度问题实时调控。2 0 世纪9 0 9 代以来，我 国先后引进和自行开发设计5 0 t 以上容量的电炉3 6 座，1 0 0 t 级以上的1 8 座，电炉炼钢技术 有了明显的进步，消耗指标显著改善，生产率大幅度提高嘲旧。 1 3 现代电弧炉炼钢技术特点 “现代电弧炉炼钢”一词最先出现在中国学者徐匡迪院士和殷瑞钰院士于1 9 9 3 年 发表的论文“现代电炉炼钢的发展趋势”婀及“当代电炉流程的工程进展评价”嗍中。 关于现代电弧炉炼钢的特征，文献【5 】作者总结为：“高效、节能”，在后来的报告 中加上了“环保”：文献【6 】，怍者归结为“电炉生产节奏转炉化，钢的二次精炼在线化和 钢的凝固工程连续化，建立在连续轧制基础上的产品专业系列化”，“可持续发展”。 这些均正确地反映了现代电弧炉炼钢的一些特征和发展趋势。 现代电弧炉炼钢的特征是由现代电弧炉炼钢的技术特点决定的，对现代电弧炉炼钢 技术特点进行综合分析，得出如下六个方面的特点： ( 1 ) 冶炼任务简单化 现代电弧炉的冶炼主要是熔化氧化过程，取消了传统电弧炉炼钢的还原期，还原期 任务由二次精炼完成，现代电弧炉成为了一个初炼炉；电弧炉操作过程，由以前的“熔 化氧化还原一出钢”变为现在的熔化升温氧化，而还原由精炼完成，使得电炉 的任务简单化。 ( 2 ) 生产节奏转炉化 现代电弧炉广泛采用碳氧枪、二次燃烧氧枪、低风口和氧燃烧嘴以及炉气二次燃烧 等技术，用氧的主要目的由传统电弧炉的助熔、脱碳去气变为提供化学热，增加了现代 电弧炉炼钢的一个重要热源。冶炼过程中当采用加部分铁水冶炼时，可以有一个不供电 只供氧的操作，这是由于兑入的铁水比例高，有一段时间内像转炉一样可以不供电。现 代电炉炼钢的供氧强度通常可达吨钢用氧3 0 n m 3 左右，有的甚至超过4 0n m 3 ，接近转 炉用氧量“。这些技术融合了转炉强化冶炼的思想，电弧炉生产节奏也可以与转炉相 比拟，满足高效连铸的要求。 d 北京科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 操作控制智能化 龟弧炉的控制系统中已广泛采用程序控制，从废钢熔化、氧化和精炼过程中的最佳 电压和电流及输入功率的控制，到废钢、铁合金、粉剂的喷吹等的信息收集及操作指令 等都可以在计算机显示器屏幕的操作界面上进行输入输出。随着神经网络、模糊控制技 术的发展和应用，出现了“智能电弧炉”嘲，可减少无功功率，智能电弧炉是一项综合 技术，可以融合各种超高功率电弧炉及其配套技术。但这些智能控制技术基本都是围 绕供电系统来进行的，随着电弧炉能源供应的多元化趋势，开发能源系统控制整个冶炼 过程的软件势在必行，现在电弧炉炼钢在这个方面还具有较大的发展空间。 ( 4 ) 原料结构多元化 现代电弧炉炼钢的主要原料除废钢外还有3 0 - - 4 0 的生铁、铁水或d r i h b i 等。生 铁在传统电弧炉炼钢过程中配入量为1 0 - 1 5 ，主要用来去气及增碳；铁水或生铁在现 代电弧炉炼钢过程中主要用来增加化学热和物理热。生铁是最佳的配碳剂。巴西某厂于 1 9 9 5 年以前在电弧炉炉料中加4 0 生铁；珠钢1 5 0 t 烟道竖炉电弧炉多年来均是采用 3 0 - 3 5 的生铁( 部分用h b i 来代替) 作为炉料：韶关9 0 t c o n s t e e l 电弧炉原炉料中也含 3 0 生铁。如果用铁水代替生铁，就可以很好利用铁水的物理热，在实践中，中国目前 3 4 台容量大于6 0 t 电弧炉中已有2 2 台采用了电弧炉加部分铁水操作，将来数量还会增 加，电炉加部分铁水冶炼是中国冶金工作者对现代电弧炉炼钢技术发展的贡献。用熔融 还原的方法生产铁水代替高炉生产铁水有利于资源利用和环保，是一种技术进步， d r i h b i 作为生铁的代用品，有利于保护环境，也是一种技术进步“”。 能源供应多元化 现代电弧炉炼钢的能源有三种，除传统的电能外，还有化学能和物理能，化学能和 物理能所占的比例超过5 0 。为了增加物理热，采用废钢预热技术的优点是众所周知 的，这是国外冶金工作者的贡献。在现代电弧炉炼钢过程中，炉料预热是包括生铁预热 的，考虑到节能降耗，电炉加部分铁水冶炼在理论上是合理的。 ( 6 ) 钢液质量洁净化 由于世界各国国防、交通、石油和汽车等行业的发展和技术进步，对钢材性能的要 求越来越高，就要求钢材有高的洁净度，以满足对强度、寿命等的要求。特别对石油套 管钢、深冲板、高质量管线钢和焊条钢等，而这些钢种在电弧炉生产中占有相当大的比 例“4 。 5 北京科技大学硕士学位论文 1 4 电弧炉强化用氧技术介绍 氧气用于电炉炼钢始于2 0 世纪5 0 年代。在当时以氧气代替矿石用于钢水脱碳， 氧气用量为3 4m 3 t 。用氧除可使脱碳速度更快外，另外一个好处就是由于氧化反应过 程中放热，这部分热量可用于熔化废钢及升高钢水温度，这样电炉炼钢用氧技术得以迅 速发展和应用。近年来，随着电弧炉水冷炉壁、水冷炉盖技术及泡沫渣技术的成功应 用，国内外电弧炉强化用氧技术发展很快。该技术充分利用了氧气与原料中易氧化元素 发生化学反应放出热量的原理，达到节能降耗的效果“”。 供氧在炼钢过程中是非常重要的，它是保证杂质去除速度、熔池升温速度、造渣、 控制喷溅、去除钢中气体的关键操作，关系到终点的控制和炉衬的寿命“”。氧枪是氧气 炼钢中向炼钢炉内输送氧气的专用设备，氧气射流的性能取决于氧枪的特性，而射流特 性是氧气炼钢的技术关键“”。 1 4 1 集束射流技术的特点 集束射流技术“”是美国普莱克斯公司于近年开发研制的一种新型的吹氧技术，并已 申请专利n 7 】。该种技术是应用气体力学原理，在传统氧枪上加上了伴随流系统，使氧气 射流衰减速度大大放慢，形成类似于激光束的氧气射流的一种技术。其技术特点是n 叮： 为了使喷嘴中心的主氧气流保持聚合状态流吹向熔池，必须在主氧流外加一层高温低密 度的燃气流对主氧气流形成封套，使其难以吸卷周围的空气，从而减缓氧气射流的衰减 速度，使喷射的主氧气流不会扩散，这样主氧气流就能在较长的距离上聚合在一起，提 高了氧气的利用率。图1 1 为集束射流氧枪喷吹时的示意图。 图1 1 集束射流氧枪喷吹示意图 图1 2 为传统超音速射流与集束射流吹射时氧气束的比较。从图1 2 中可明显看出 传统超音速射流时氧气会有扩散现象。而使用集束射流技术时因氧气束外围有其它介质 的保护，所以吹射的氧气流以类似于激光集束的方式吹入钢液中。 6 北京科技大学硕士学位论文 图1 2 传统超音速射流与集束射流氧气束的比较 集束射流氧枪和传统超音速氧枪在喷吹时的区别： ( 1 ) 集束射流技术在更远的喷射距离上保持了它原来的速度、直径和氧气聚集度， 比传统超音速氧枪射流长得多； ( 2 ) 混入集束射流中的周围气体比传统超音速射流时更少； ( 3 燥束射流的发散更小。 1 4 2 集束射流技术在电弧炉上的应用 氧燃烧嘴、氧枪和二次燃烧主要用于电弧炉炼钢，将它们结合使用可起到改善熔池 搅拌效果，促进冶金反应，降低电耗以及提高生产率等作用。吹氧主要用于切割炉料， 以防止架桥；直接吹入熔池，与熔池中的铁及其它元素反应，产生热量；与熔池中的碳 或加入的含碳物质反应，形成泡沫，也能放出热量嗍。 随着电弧炉吨位的增加，喷枪射流速度由亚音速发展到超音速嘲。而传统的超音速 氧枪在喷射过程中会不断卷吸周围空气而膨胀，难以保持较长距离的聚合状态，因此， 氧气流衰减快，射流长度短，氧气的利用率不高。集束射流氧枪技术向熔池提供的射流 高度聚合，能量集中，且穿透能力极强，氧气可喷入到熔池更深的地方，延长了与钢液 接触的时间，加强了搅拌，提高了氧气的利用率。 电弧炉炼钢中，集束射流省去了喷射操作装置，代以一套集成系统用于熔炉控制和 吹氧，同时控制脱碳、二次燃烧。系统中还包含了吹碳喷嘴。炉门紧闭降低了能源的消 耗，减少了空气的进入，提高了操作的安全性。应用这项技术加强了熔池搅拌强度，促 进了钢渣反应，有效地提高了氧气利用率，降低了冶炼成本。由于穿透能力增强，枪位 可适当提高到炉壁上部，以延长喷枪的使用寿命。通过调整喷头的工艺参数来控制集柬 射流核心区长度、射流扩散和衰减速度，可解决一系列炉门氧枪和烧嘴的使用问题“”。 1 4 3 集束氧枪技术简介 集束喷吹技术。”的关键是发明了一种喷嘴，输送3o m 的像激光一样的氧气射流以 超音速射入熔池，特殊之处在于炉墙上的喷嘴设置使射流集束，即保持它的直径和速度 7 北京科技大学硕士学位论文 不变，输送精确的氧量到熔池钢液，与传统手动操作相比，集束喷吹减少了空穴和喷溅 的形成。集束喷吹氧枪和普通超声速氧枪在喷吹时的区别。 ( 1 ) 集束喷吹在直径为喷嘴7 0 倍的喷射距离上保持了它原来的速度、直径和氧气集 中度，比传统超声速氧枪射流长得多； ( 2 溱束喷吹比传统超声速射流周围气体减少1 0 ； ( 3 ) 喷嘴喷出的集柬喷吹射流在任何距离的喷吹压力都很高。 以上这些特点被用来向熔池喷射气体。为了以一定的压力冲击熔池，集束射流能比 普通氧枪以更远的距离离开液面，因此可以减轻与保持喷嘴与熔液的近距离而进行的氧 枪操作。 集束喷吹对熔池穿透深度比普通射流高出8 0 ，而喷溅却大大减少。熔池内渣液、 混合时间与底部活跃程度有关。一旦集束射流碰到熔池液面，集束射流的集中动量在熔 池中以泡沫渣的形式散失，穿透较深，而且渣液混合较好。通过热态试验，我们可以看 到：因为引导介质气体隔绝了主氧气流与外界环境气体的接触，使主氧气流在类似于真 空的环境里向前喷吹，无法卷吸入环境空气，从而使集束射流氧枪的射流长度和聚合度 比传统超音速射流氧枪都得到了很大的改善，火焰温度也有所提高，对于不同的引导介 质气体，其最佳工况将会有所不同。集束射流氧枪较大的射流长度和较高的聚合度使得 它能够比传统超音速射流氧枪具有更大的冲击强度，这样就能够增加射流对熔池的搅拌 作用，提高钢液成分和温度的均匀性。另外，由于氧气能够喷入到熔池更深的地方，增 大了与熔池中钢液的接触时间，所以可以有效地提高氧气的利用率，减少炼钢的氧气消 耗，降低冶炼成本。 提高电弧炉氧气利用率是强化电弧炉冶炼最有效手段之一。目前，电弧炉炼钢氧气 产生的化学能在电弧炉能量输入中已占了较大的比例，达到3 0 以上。特别是电弧炉采 用热装铁水后，化学能的比例达到总能量的4 0 以上，相当于电弧炉增加了近1 倍的能 量输入，大量输入氧气已成为现代电弧炉炼钢工艺的一个主要特点。传统超音速氧枪存 在喷吹距离短，冲击强度小等缺点，集束射流氧枪是新型氧气喷吹技术。其特点是“： 高的动能和喷吹速度不足以使射流在较长的距离上保持集束状态，必须用另一种介质来 引导氧气，即外加燃气环绕( 或外加氧气环绕) ，使燃气流对主氧气流起封套作用，这样 主氧气流就能在足够长的距离上聚合在一起。集束射流其射流凝聚距离能够达到1 1 6 2 1 1m 嘲。由于集束射流能量集中，具有极强的穿透金属熔池的能力，增加了氧气对钢 水的搅拌强度，因此能够促进钢渣反应、均匀成分与温度、减少喷溅、提高氧气利用率 和金属收得率。同时随着穿透能力的增强，枪位可适当提高，延长氧枪寿命咖。 8 北京科技大学硕士学位论文 1 4 4 炉壁集束射流氧枪 炉壁集束射流氧枪嘲是集束射流技术与电弧炉强化用氧技术相结合的产物。其组成 和主要功能如下“目： ( 1 ) 氧枪组成 炉壁氧枪系统由三部分组成：氧枪本体冰冷系统和控制系统。 ( 2 ) 氧枪功能 1 1 助熔 模块化吹氧技术可保证合理的射流结构。由于废钢料型和热态金属的比例不同，通 过建立数学模型，根据熔化的不同阶段，始终保持最大、最有效的加热面积，同时避免 不恰当吹氧形成的炉料“搭桥”，垮断电极。燃烧可采用轻柴油和燃气。使用专利技术 使柴油达到最大的燃烧效率。熔化过程通过炉门氧枪及炉壁碳氧模块的操作配合，数据 反馈到数学模型，实现最优化控制，并能实现终点控制。 2 ) - 次燃烧 ， 二次燃烧的技术实质是通过富氧操作充分地利用未完全燃烧产生的c o 气体进行二 次燃烧的化学能量，加速熔化废钢，通过控制程序对废钢区域的软吹及硬吹相调节，实 现二次燃烧。 ， 3 谰水脱碳及升温 在氧化期脱碳时由于在炉内多个反应区域进行脱碳，根据软件模拟选择最佳吹炼模 式，这保证了温度的均匀性以及促进了渣金属的物质传递。传统冶炼条件下，初炼钢 水含碳范围在0 3 0 1 2 0 左右时，脱碳效率平均达( o 0 4 0 0 5 ) r a i n ，而在集束 射流条件下，平均脱碳速度可达0 0 6 r a i n ，在温度、渣况合适时最大可达( o 1 0 0 1 2 ) m i l l 2 6 3 ，且由于提前供氧，脱碳范围也大大加宽，这尤其适用于加入铁水或生铁 比例较高或者是冶炼低碳品种的情况。 由于集束氧流的强烈搅拌作用，在氧化早期极大地改善了脱p 反应的动力学条 件，也就是说：在原始条件大致相同时，效果大大提高，这对于废钢质量和品质的适应 性加强和提高产品钢材的内部质量均有现实意义。 4 ) 全程泡沫渣埋弧冶炼 利用模块化技术结合p l c 计量控制喷粉及炉中多点喷炭能力进行吹氧和喷炭可形 成并维持很好的泡沫渣。而且，由于多点喷炭、预留钢水或兑热铁水操作，可在冶炼过 程的早期形成泡沫渣。 9 一 北京科技大学硕士学位论文 1 5 模糊控制理论概况 1 9 6 5 年，美国加利福尼亚大学的扎德f l a z a d c h ) 教授发表了两篇开创性的论文： 模糊氧f u = ys e t s ) 和模糊与子系统( 】f u z 珂s e t sa n ds y s t e m s ) ，从而产生了模糊集合论，并 奠定了模糊集合理论和应用研究的基础。 在自动控制产生之前，人们在生产过程中只能采用手动的控制方式进行控制。在整 个控制过程中，人首先通过观测被控对象的输出，然后再根据所得到的观测结果做出决 策，最后对控制对象进行手动调整。操作人员不断地进行观澳4 - - 决策调整，来实现对 控制对象的控制，而这三步分别是由人的眼一脑一手来完成的。后来，随着科技的进 步，人们又利用各种测量装置( 钡4 量仪表，传感器等玳替人眼，利用各种控制器( 如p i d 控制器) 来代替人脑，利用各种执行机构来代替人手，这样就构成了常规的反馈控制系 统。人们经过长期的研究和实践形成的经典控制理论对解决线形定常系统是比较有效 的，再后来又出现了基于状态空间的现代控制理论，它在解决线形或非线性、定常或非 定常问题上得到广泛的应用。但是，不管是古典控制理论还是现代控制理论都必须事先 知道被控对象精确数学模型，然后才能进行控制系统的设计。而在许多情况下被控对象 的数学模型很难建立，这时，利用前述的方法就很难实现理想的控制。对于有经验的操 作人员来说这种被控对象进行手动控制确能达到较好的效果。这样，一些学者就把模糊 集的思想引入系统控制，提出模糊控制的概念，并开展了理论及应用方面的研究。 近3 0 年来，模糊控制在控制领域的应用越来越受到人们的重视。国内外不少专 家、学者、工程技术人员都致力于模糊控制的研究，并将模糊控制器用于工业过程控制 方面，取得了良好的效果。1 9 7 1 年，英国的e h m a m d a n i 首先把模糊控制语言组成的 模糊控制器用于控制蒸汽发动机。1 9 7 5 年，英国的瞄n g 及m a m d a n l 利用模糊控制器控 制一个反应炉搅拌池的温度。1 9 7 6 年，荷兰学者k i c k e r t 等人通过模糊控制器解决了热 交换过程中非线性、干扰、非对称增益特性和时滞的控制问题，收到了最佳h 控制效 果。1 9 7 6 年，英国学者t o n g 对压力容器内部的压力和液面进行模糊控制。1 9 7 7 年，英 国的p a p p i s 等采用模糊控制，对十字路口的交通管理进行试验，使得平均等待时间减少 7 。1 9 7 9 年，丹麦公司研制的模糊逻辑计算机协调控制系统投入运行，1 9 8 2 年又研制 成功分析器和上述系统配和使用，实现了湿法水泥窑的模糊控制。1 9 8 3 年，日本学者 s h u t am u r a k a m i 研制成功一种基于语言真值推理的模糊逻辑控制器，成功地用于汽车速 度的自动控制嘲。 从1 9 7 9 年开始，我国也不断开展了模糊控制理论及其应用方面的研究工作，取得 了一定的理论成果。近1 5 年来，国内在工业过程控制中，尤其是在工业炉、窑的控制 1 0 北京科技大学硕士学位论文 中应用模糊控制取得不少成果，河北科学自动化研究所的安建民等设计的可锻铸铁退火 炉温度模糊自寻优系统于1 9 8 5 年1 2 月通过鉴定。重庆电子技术研究所华晓鸣设计的电 弧冶炼炉的模糊控制系统于1 9 8 6 年4 月投入运行，并于同年1 0 月通过化工部组织的鉴 定等。从以上介绍的部分有代表性的研究情况来看，模糊控制的理论研究和推广应用工 作在我国不仅有了良好的开端，而且逐步成为引人瞩目的一个热点技术，具有广阔的应 用前景嘲。 1 6 本课题的研究概况 目前，烟气检测与控制技术在冶金行业中主要应用在转炉炼钢上，这些应用主要包 括：钢水连续定碳嘲、炼钢动态控制嘲嘲等。由于转炉炼钢主要是以铁水为原料，其化 学成分是可知的，故在冶炼过程中采用气体分析仪器检测炼钢尾气可以比较准确的对炼 钢过程进行监控。那么，当电弧炉采用强化用氧技术后，电弧炉炼钢的原料结构有了较 大的改变热装铁水比例较大，故其冶炼工艺和转炉有着较大的相似性。因此，国内 外的相关企业和研究院所对电弧炉炼钢烟气检测与控制技术进行相关的研究和探索并取 得一些成果。w o r l e yp a r s o n sg c r 公司和n u p r o 公司共同开发出的智能烟气系统，该系统 利用相关的仪器跟踪尾气，采集尾气的速度、温度和浓度值，为电弧炉炼钢操作提供一 个实时的反馈。其主要功能在于：实时优化电弧炉炼钢操作与更好地了解炼钢过程中的 能量分布咖。t c 曲缸技术股份有限公司开发的e f s o p 系统也是利用气体分析仪器对电弧 炉炼钢过程产生的尾气进行采集并实时反馈给炼钢操作系统，最终达到优化炼钢操作、 减少能量损失、提高炼钢质量的目的m 1 。国内的钢铁研究总院删和北京科技大学冶金学 院也在研究电弧炉烟气检测与控制技术，但尚处在研究阶段，实际成果极少。 1 1 北京科技大学硕士学位论文 2 安钢电弧炉集束氧枪控制系统 2 1 系统总体结构简介 安钢电弧炉集束氧枪控制系统是在原有电炉控制系统上附加的一套用于实现氧化用 氧技术的控制系统，其总体结构示意图如图2 1 所示。该系统主要包括工控机、p l c 、 变频器、氧气阀站、喷碳粉罐、炉壁集束氧枪和炉壁碳枪。从图2 2 可以看出该系统包 括如下两个子系统： 图2 1 安钢电弧炉集束氧枪控制系统结构示意图 ：- - - - - - i 童心 工p 同 阀站 电 控4 - - l叫频 - 弧 机 c 1 器l 赢- _ + j飘 i _ j 炉 - 图2 2 安钢电弧炉集束氧枪控制系统总体结构框图 1 2 北京科技大学硕士学位论文 氧气控制子系统是整个控制系统的核心，其主要的部分为氧气阀站，氧气阀站主要 完成对各路氧气的实时压力、流量的检测以及流量的调节控制和气源的启闭等。 碳粉控制子系统主要部分为喷粉罐，喷粉罐的主要功能是振动加料、按给定的出料 速度吹料等。 2 2 系统控制部分简介 安钢电弧炉集束氧枪控制系统的控制部分是本文的研究的要点与起点。它由控制系 统硬件和软件两部分组成，其硬件部分包括上位机( 工控柳j 、可编程控制器、变频器、 氧气阀站和喷粉罐，软件部分包括s t e p 7v 5 3 和w m c c 6 0 。控制系统如图2 3 所示。 图2 3 控制系统图 从图2 3 可以看出：系统采集的模拟量包含四路氧枪的主环氧气的压力和流量值、 变频器的工作频率及工作电流、两个氧气阀站进口总氧压力值、四个铜盘冷却水回水温 度值；系统控制的模拟量包括四路氧枪的主环氧调节阀和变频器工作频率及电流值；系 1 3 北京科技大学硕士学位论文 统开关量输入包括手动操作台上的各操作按钮及各报警反馈信号等；系统开关量输出包 括各种状态指示和各电磁阀的启闭动作信号。 2 2 1 控制系统硬件部分 ( 1 ) 上位机 上位机的主要作用是实时监控生产过程、记录生产数据、发出系统操作命令等。 ( 2 ) 可编程序控制器 可编程序控制器p l c 是在工业环境中使用数字操作的电子系统，它使用可编程存 储器内部存储用户设计的指令，这些指令用来实现特殊的功能，如逻辑运算、顺序操 作、定时、计数以及算术运算和通过数字或模拟输入输出来控制各种类型的机械或过 程。不论是p i _ c 还是和它有关的外部设备都设计成容易集成在一个工业控制系统内， 并容易应用所有计划中的功能。 一个典型的p i c 主要包含电源模块、c p u 模块、通信模块、数字量i o 模块、模 拟量i o 模块。电源模块的作用在于给c p u 和i o 模块供电，其型号根据实际需要的容 量进行选择；c i n j 模块是用来完成对某些不同类型的信息进行操作，包括信息的转移、 信息的转化、计算、同步、译码等；通信模块主要用于p ic 与其他p l c 或上位机之间 的通信；数字量i o 模块用于系统的数字量输入输出；模拟量f o 模块用于系统模拟量 的采集和输出。 该系统采用的是德国西门子公司的s 7 系列的p l c ，具体配置如表z 1 所示。 表2 1 系统p l c 硬件配置信息表 型号注释数量备注 c p u 4 1 4 2 d p c p u 模块 1 | m m c 存储卡e e p r o m 存储单元 11 0 2 4 k p s 4 0 7 1 0 a 电源模块 1 | 4 0 针前连接器 | 8 | 4 2 1 1 b l 0 0 0 aa 0 3 2 路d i 模椒d c 柳 2 共4 4 d i 4 2 2 1 b io o o a a o 3 2 路d o 模块c 2 4 5 a ) 2 共3 6 d o 4 3 1 1 k f l a b o 1 6 路a l 模块( 1 4 b i t ) 2 共2 3 a i 4 3 2 - 1 h f o a b o 8 路a o 模块( 1 3 b i t ) 2 共1 0 a o 1 4 - 北京科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 氧气阀站 该系统有两个相同的氧气阀站，其结构示意图如2 4 所示。氧气从左边进入阀站， 经过手动截止阀、压力报警器、电磁截止阀、压变、压力表后分成两路后经过管道接入 集束氧枪，其中各路均由手动截止阀，调节阀、压变、流量传感器、压力表组成。 图2 4 安钢u 田：b 集束氧枪控制系统氧气阎站结构图 ( 4 ) 喷粉罐 喷粉罐的