（检测技术与自动化装置专业论文）电弧炉冶炼过程先进控制方法的研究与应用.pdf

查! ! 垄兰堡主兰堡垒查竖 电弧炉冶炼过程先进控制方法的研究与应用 摘要 电弧炉炼钢是用来生产特殊钢和高合金钢的主要方法。同转炉炼钢相比较，电弧炉 具有钢液温度能灵活掌握、热效率高、炉内气氛可以控制、设备简单、工艺流程短等优 点，再加上充足的废钢资源以及环保意识的加强，因而世界各国都在稳步地发展电炉炼 钢。有效地操作、高效、优质、节能降耗、低成本的运行对钢铁工业是至关重要的。冶 炼过程的自动控制系统是电弧炉的一个重要组成部分，直接影响产品的质量和产量。本 文以经济指标和工艺指标两条主线，研究了先进控制技术在电弧炉过程控制中的应用， 主要内容如下： ( 1 ) 基于经济指标的电弧炉冶炼过程优化设定 为了实现质量稳定可靠和低成本的系统控制目标，围绕终点控制这一基本主线，提 出了基于经济指标的生产过程中工艺设定值优化操作思想。对过程参数进行了分析，提 出了冶炼工艺优化目标并确定了优化设定值。通过对冶炼过程的能量需求与损失的分析 与计算，通过对需氧量、冶炼周期、能量平衡等的分析，建立了以工序效益最大化为目 标的工艺模型，对废钢、铁水、吹氧量、电能输入量以及喷碳量等进行优化。通过建立 基于模糊数的优化配料计算模型、基于整数混合非线性规划的供电模型，以及基于灰色 合金元素收得率校正的合金控制模型，实现了以降低冶炼成本为目标的终点控制的优化 设定。 f 2 ) 幂l j 用案例推理方法对电弧炉炼钢进行终点预报 采用案例推理的方法建立终点预报的模型。文中给出了求解案例相似度的方法、案 例重用的方法。为弥补案例推理方法的不足，结合增量模型终点预报的方法，给出了基 于多支持向量机的补偿建模方法，以提高案例推理终点预报的精度。仿真结论表明，基 于案例推理和多支持向量机补偿的终点预报方法具有较为理想的预报精度。 f 3 ) 利用分段控制策略对电弧炉炼钢进行终点控制 依据电弧炉冶炼工艺上的阶段划分，建立了分段控制的方法。熔化期采用静态控制 方法，以追求冶炼成本的降低：氧化期为提高冶炼钢水的质量，采用智能控制方法，采 用t - s 模型建立供电量和吹氧量的预设定模型，为提高精度，在终点预报的基础上，采 用模糊技术建立了校正模型，提高了终点控制的命中率。 一一 东北大学博士学位论文摘要 ( 4 ) 实现电弧炉整体自动控制系统设计 基于电弧炉冶炼过程特性和控制问题分析，本文以温度控制和成分控制为主线包括 各子控制系统在内的整体自动控制系统进行了设计与分析，为复杂工业过程的建模和优 化设计提供了新思路。 由于在电弧炉冶炼过程中采用了上述这些先进控制技术，从整体上提高了电弧炉冶 炼过程自动化控制水平，有效地抑制了产量质量随着不同操作人员而波动的不稳定性。 实践证明具有降低成本、提高冶炼命中率等显著的优点。同时加强了信息管理能力，降 低了工人的劳动强度，取得了显著的经济效益和社会效益。更为重要的是通过本课题研 究，摸索和积累了一定经验，为复杂工业过程的建模及优化控制提供套实用的、值得 借鉴的工业化实现方法。 关键词：电弧炉：终点控制；优化设定；终点预报：案例推理；支持向量机 一一 查! ! 垄兰堡主兰堡丝查生! ! ! 堕 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no f a d v a n c e d c o n t r o lt e c h n o l o g yi n t h es m e l t i n gp r o c e s so fe a f a b s t r a c t t h ee 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 gi st h em a i n m e t h o du s e dt op r o d u c es p e c i a l s t e e la n da l l o ys t e e l c o m p a r e 、j l ，i mb a s i co x y g e nf l r n a c e ( b o f ) s t e e l m a k i n g ，t h ee a fh a v e a d v a n t a g e ss u c ha st h et e m p e r a t u r eo fs t e e ll i q u i dc a nb eg r a s p e df l e x i b l y , t h e r m a le f f i c i e n c y i sh i g h ，t h ea t m o s p h e r ei nt h ef u r n a c ec a l lb ec o n t r o l l e d ，t h ee q u i p m e n ti ss i m p l ea n dt h e t e c h n o l o g i c a lp r o c e s si ss h o r t i na d d i t i o n b e c a u s eo ft h er i c h c r a f tr e s o u r c e sa n dt h e e n h a n c e de n v i r o n m e n t a lc o n s c i o u s n e s s ，t h ec o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l da r ed e v e l o p i n g s t e e l m a l d n go ft h ee l e c t r i cs t o v es t e a d i l y t h ee f f e c t i v e l yo p e r a t i o n , h i g he f f i c i e n c ya n dh i g h q u a l i t y , s a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gt h ec o s ta r ee s s e n t i a lt ot h es t e e la n di r o ni n d u s t r y t h e a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，t h a ti n f l u e n c e st h eq u a l i t ya n do u t p u to ft h ep r o d u c t sd i r e c t l y , i sa l l i m p o r t a n tp a r t o fa ne a fp r o c e s s t h ek e yr e s e a r c ho ft h i st h e s i si st h ea p p l i c a t i o no f a d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g yi nt h ee a f , a n dt h em a i nc o n t e n ti s8 sf o l l o w s ： ( 1 ) e c o n o m i co b j e c t i v e - b a s e do p t i m i z i n gs e t t i n gf o rt h es m e l t i n gp r o c e s so f e a f i no r d e rt or e a l i z et h es y s t e m a t i cc o n t r o lg o a lo fr e l i a b l ea n ds t e a d i l yq u a l i t ya n dl o w e s t c o s t ，a no p t i m a lm e t h o do fp r o c e s sp a r a m e t e r ss e t t i n gv a l u e sd u r i n gp r o d u c t i o nh a sb e e n p r o p o s e db a s e do nt h ee c o n o m i co b j e c t i v ei nt h i st h e s i s a n a l y z e dt ot h ep r o c e s sp a r a m e t e r s o fe a f , w ep r o p o s et h es m e l t i n go p t i m i z i n gg o a la n dd e t e r m i n et h eo p t i m i z a t i o ns e t t i n g v a l u e at e c h n o l o g i c a lm o d e la i m e da tt h em a x i m u mo ft h ep r o c e s sb e n e f i ti se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee n e r g yd e m a n d e db ye a fa n dt h el o s t , t h ed e m a n df o ro x y g e n a n dt h ep e r i o do fs m e l tp r o c e s s t h eq u a n t i t yo fc r a f t ，m o l t e ni r o n ，o x y g e n ，p o w d e r e dc a r b o n a n de l e c t r i cp o w e rc a nb eo p t i m i z e db yt h i sm o d e l i na d d i t i o n , t h el i n e a rp r o g r a m m i n gm o d e l b a s e do nt h ef u z z yn u m b e rf o rc r a f tm a t i n go p t i m i z a t i o n ，t h ep o w e rs u p p l ym o d e lb a s e do n t h em i x e di n t e g e rn o n l i n e a rp r o g r a m m i n ga n dt h ea l l o yc o m p o n e n tc o n t r o lm o d e lb a s e do n t h eg r e ym o d e lw h i c hi su s e df o rc o r r e c t i n gt h ee l e m e n ty i e l da r ee s t a b l i s h e dt od e c r e a s et h e c o s to f t h es m e l t i n gp r o c e s s ( 2 ) e n d p o i n tp r e d i c t i o no f e a fs m e l l i n gp r o c e s sb a s e do nt h ee a s e - b a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) a ne n d p o i n tp r e d i c t i o nm o d e lb a s e do nt h ec b rt e c h n o l o g yi se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s ac a s es i m i l a r i t ym e a s u r i n gm e t h o da n dac a s eu t i l i z a t i o nm e t h o da r ep r o p o s e d i no r d e rt o r e m e d yt h ed e f i c i e n c yo ft h ec b r ，c o m b i n i n gt h ea d v a n t a g e so ft h ei n c r e m e n tm o d e l ，a c o m p e n s a t i o nm o d e l i n gm e t h o do fm u l t i p l es u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s ( s v m ) i sp r o p o s e dt o c o r r e c tt h ep r e d i c t i o nr e s u l to fc b rw h i c hc a ni m p r o v et h ep r e c i s i o no ft h ee n d p o i n t p r e d i c t i o n t h ee m u l a t i o nc o n c l u s i o ns h o w st h a tt h ec b r m o d e lc o m p e n s a t e db ym u l t i p l e 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t s v mc a l li m p r o v et h ep r e d i c t i o np r e c i s i o n ， ( 3 ) e n d p o i n tc o n t r o lb a s e d o nt w os e g m e n t sc o n t r o ls t r a t e g y a c c o r d i n gt ot h es m e l t i n gt e c h n o l o g yt h a tt h es m e l t i n gp e r i o di sd i v i d e di n t ot w os t a g e s ， i e m e l t i n gs t a g ea n do x i d a t i o ns t a g e ，as t a g e - b a s e dc o n t r o ls t r a t e g yi sp r o v i d e dt or e a l i z et h e e n d t ，o i n tc o n t r o lo fe a f m e l t i n gs t a g ea d o p t ss t a t i cs e t t i n gc o n t r o lm e t h o dw i t ht h ea i mo f r e d u c i n gt h es m e l t i n gc o s t i no r d e rt oi m p r o v e t h eq u a l i t yo f t h em o l t e ns t e e l ，o x i d a t i o ns t a g e a d o p t s a l li n t e l l e c t u a lc o n t r o lm e t h o di nw h i c hat - sm o d e li su s e dt o p r e c a l c u l a t et h e s u p p l y i n ge l e c t r i cp o w e ra n do x y g e nq u a n t i t y af u z z yt e c h n o l o g yi sa d o p t e dt oc o r r e c tt h e p r e c a l c u l a t ev a l u e ，r e s u l t i n gt h ei m p r o v e m e n to f t h ep r e c i s i o no f e n d p o i n tc o n t r o l s ( 4 ) c o n t r o ls y s t e md e s i g no f e a f e a fc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db ym e a n so ft h ea d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u e sm e n t i o n e d a b o v e t h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e dc o n t r o lt e c h n i q u e st oe a fs m e l t i n gp r o c e s si m p r o v e st h e w h o l ep r o c e s sa u t o m a t i cc o n t r o ll e v e l ，r e s t r a i n st h ef l u c t u a t i o no fp r o d u c tq u a l i t ye f f e c t i v e l y i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sr e d u c i n ge l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o n ，i n c r e a s i n gp r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h es m d t i n gc o s to fe a em o r e o v e r , i te n h a n c e st h ef u n c t i o no f i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ，r e d u c e st h el a b o ri n t e n s i o no fw o r k e r s ，a n da c h i e v e sd i s t i n c t e c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a ib e n e f i t t h ed e s i g ni d e a so ft h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o ls y s t e mf o re a fc a r b ea p p l y e dt ot h eo t h e r c o m p l e xi n d u s t r i a lp r o c e s sa n di sp r o m i s i n g t h e r e f o r e ，i nt h i ss e n s e ，as e to fp r a c t i c a l ， e f f i c i e n ta n dr e c o m m e n d a b l ei n d u s t r i a l i z e dm e t h o d sa l es u p p l i e df o rt h eo p t i m i z a t i o nc o n t r o l p r o b l e m so fc o m p l e xi n d u s t r i a lp r o c e s si nt h i st h e s i s k e yw o r d s ：e l e c t r i ca r cf u m a c e ( e a f ) ；e n d p o i n tc o n t r o l ；p r o c e s so p t i m i z a t i o ns e t t i n g ； e n d p o i n tp r e d i c t i o n ；c a s e b a s e dr e a s o n i n g ；s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e s v 一 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： 李争 日期：叻# 、7 。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。本入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。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 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 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，冶炼出各种成分钢的一种方法。电弧炉炼钢是用来生 产特殊钢和高合金钢的主要方法，其生产的特殊耐高温，耐腐蚀和抗拉强度特高的材料 以及轴承钢、高级变压器硅钢、高电阻合金、磁性合金、高速工业钢等被广泛应用于航 空、航天、军工、核电、能源、化工、电子学等领域。由于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，有效地解决了废钢污染问题和铁矿石为原料炼钢 带来的各种环境污染问题。同转炉炼钢相比较，电弧炉具有钢液温度能灵活掌握、热效 率高、炉内气氛可以控制、设备简单、工艺流程短等优点，再加上充足的废钢资源以及 环保意识的加强，因而世界各国都在稳步地发展电弧炉炼钢。 有效地操作、高效、优质、节能降耗、低成本的运行对钢铁工业是至关重要的。国 内外经验表明，采用新工艺、新技术、新设备、自动化是达到此要求的有效方法。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。在炼钢设备( 电弧炉) 的 工艺环境一定的条件下，如何发挥自动控制在冶炼过程的作用，是保证电弧炉炼出优质 钢材的关键。自动化水平不仅是现代钢铁工业的标志，而且是能获得重大经济效益并在 激烈的市场竞争中立于不败之地的重要措旋。对电弧炉炼钢经济指标进行优化控制，进 而实现钢铁生产全流程的经济指标优化控制，是钢铁企业迫切需要解决的重要问题，也 是提高企业经济效益和国际竞争力的重要途径。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控制系统，并开发了智能电弧炉( l 4 f ) ，进一步提高了产 量和产品质量、扩大品种、节约能源和降低成本。采用自动化技术使得电弧炉炼钢取得 了明显的经济效益。 我国在控制理论方法方面的研究水平同国外一些先进国家相比，差距并不大，特别 是在一些现代控制方法的研究上( 如自适应控制、最优化控制、预测控制等) 具有一定水 平，但在将这些先进的控制方法转化为生产力的实际控制技术方面的能力与国外相比， 差距就比较明显。因此，作者选择了电弧炉冶炼过程先进控制方法的研究与应用作 为本文的研究课题。 东北大学博士学位论文第一章绪论 1 2 电弧炉的发展及国内外现状 当今钢铁生产可分为“从矿石到钢材”和“从废钢到钢材”两大流程。相对于钢铁联合 企业中以高炉转炉炼钢为代表的常规流程而言，以废钢为主要原料的电弧炉炼钢生产 线具有工序少、投资低和建设周期短的特点，因而被称为短流程。近年来，短流程更特 指那些电弧炉炼钢与连铸连轧相结合的紧凑式生产流程。由最近的统计将两种流程作 一比较( 表1 1 ) ，可见在投资、效率和环保等方面，以电弧炉为代表的短流程炼钢具有明 显的优越性。 表1 1 高炉转炉炼钢和电弧炉炼钢两大流程的比较1 1 t a b l e l 1c o m p a r i s o nb e t w e e nt w om a i ns t e e l m a k i n gp r o c e s s e sb f - l da n de a f 1 2 1 电弧炉的发展历史 电能具有清洁、高效、方便、种种优越的特性，是工业化发展的优选能源。1 9 世纪 中叶以后，各种大规模实现电热转换的冶炼装置陆续出现：1 8 7 9 年w i l l i a ns i e m e n s 首先进行了使用电能熔化钢铁炉料的研究。1 8 9 9 年，赫劳特研制成三相交流电弧炉，成 为现代炼钢电弧炉的雏形。1 9 0 0 年法国人p l t h e r o u l 设计的第一台炼钢电弧炉投入主 产。从此，电弧炉炼钢在近一百年中得到了长足的发展，成为最重要的炼钢方法之一。 2 0 世纪以来世界总钢产量、电炉钢产量和电炉钢所占百分比的变化列于图( 1 1 ) ，可以看 出： ( 1 ) 五十年代前电炉钢占百分比很低，是一类特殊的炼钢方法。 ( 2 ) 五十年代以后，电炉钢迅速发展，1 9 5 0 1 9 9 0 年间世界电炉钢总产量增长近1 7 倍。电炉钢所占百分比也由6 5 增至2 7 5 。 ( 3 ) 九十年代以来，世界电炉钢持续高速发展，1 9 9 0 1 9 9 8 年问世界电炉钢年产量 增加5 1 2 3 万吨，电炉钢占百分比增长至3 3 9 。 电弧炉经历了普通功率电弧炉高功率电弧炉超高功率电弧炉的发展过程， 在冶金过程中的功能也发生了革命性的变化，其功能由传统的“三期操作，变化为只提供 一2 一 东北大学博士学位论文 第一章绪论 初炼钢水的“二期操作”。 冒 r 日删 址 罹 墨 丑 器 s 景 脚 年份 图1 1 世界年总钢产量、电弧炉钢产量和电弧炉钢比例的变化 f i g 1 1 t h ec h a n g eo f t h et o t a ls t e e lo u t p u to f t h ew o r l d ，t h et o t a le a fo u t p u t a n dr a t i oo f e a fs t e e lo u t p u t 电弧炉炼钢仍具很大的发展潜力。文献预测，到2 0 1 0 年电炉钢占总钢量的比将上 升到4 0 。这意味着将来1 0 年内将建设1 0 0 座以上新电炉，大多数电炉将建在亚洲 ( 3 7 ) 、北美仅( 2 2 ) 和欧洲( 1 1 ) 。 图1 2 美国电炉钢产量发展的历程 f i g 。1 2d e v e l o p m e n t c o l l r s e o f e a fs t e e l i n u s a 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， 一3 一 东北大学博士学位论文 第一章绪论 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。 我国的电弧炉工业经历了几个阶段的发展，现已逐步建立起了现代化的电弧炉炼钢 业和电弧炉制造业。我国电弧炉以冶炼合金钢为主，多集中予特殊钢厂，一般容量小于 5 0 t 。2 0 世纪6 0 年代以前，我国只能仿造5 t 以下的电弧炉，电弧炉钢产量极低。7 0 年 代，自主设计并制造了我国第一台全液压传动、炉盖旋开式顶装料3 0 t 电弧炉，结束仿 制的历史。8 0 年代，随着国民经济对各种合金钢需求的增加，以及电力工业的发展和电 网容量的增大，我国陆续新建或改建了一批3 0 t 以下的电弧炉。同时，引进了几台高功 率、超高功率电弧炉，并先后进行了水冷炉壁、水冷电极、偏心底出钢、煤氧燃烧嘴、 泡沫渣操作、直流电弧炉等设各工艺技术的开发和工业试验工作。 从2 0 世纪9 0 年代起，我国相继建设了多座大容量超高功率电弧炉。据统计，1 9 9 0 年至1 9 9 9 年我国共建设6 0 - - 1 5 0 t 高功率、超高功率电弧炉1 9 座，总容量为1 6 4 5 t 。2 0 0 0 年以后，也有新建5 0 t 以上电弧炉投产。目前，我国投入运行的5 0 t 以上电弧炉有3 9 座， 其中单炉出钢量1 0 0 t 以上的电弧炉有1 0 座。1 9 9 2 年我国平均炉容量为4 6 1 台，到2 0 0 0 年全国电弧炉总数1 7 9 台，有容量为5 0 1 5 0 t 的大电炉3 6 台，大于1 0 0 t 的1 8 台，而 且大多数电炉配加了超高功率变压器。如：宝钢的1 5 0 t 超高功率电弧炉、天津钢管公司 的1 5 0 t 超高功率电弧炉、抚顺特钢的5 0 t 超高功率电弧炉、南京钢铁公司的7 0 t 高阻抗 电弧炉等。为了提高钢的质量，电弧炉钢厂还建有钢包精炼装置( l f 炉) 并采取全连铸生 产。有些钢厂，如上海宝钢、天津钢管公司等还拥有v d 真空精炼装置。 虽然我国的电炉钢有较大的发展，但由于粗钢产量的连年猛增，造成电炉钢的比例 不增反减，成为世界上少数几个电炉钢比例下降的国家之一。表1 2 为2 0 0 0 2 0 0 4 年我 国粗钢产量、电炉钢产量和电炉钢比例的变化。 表1 22 0 0 0 - 2 0 0 4 年我国粗钢产量和电炉钢产量 t a b l e1 2 o u t p u to f c r u d es t e e la n de a fs t e e li nc h i n af r o m2 0 0 0t o2 0 0 4 估计值 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 一4 一 东北大学博士学位论文 第一章绪论 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瑷佳状态 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，并做到环保。 1 2 2 电弧炉炼钢设备 电弧炉主要由炉体，炉盖，电极以及相应的倾炉机构和电极升降装置等几部分构成， 如图1 3 所示。 1 9 1 出渣口2 出钢口3 出钢槽4 炉底5 底座6 摇架7 钢水8 炉壳9 炉壁l o 炉盖1 1 除尘管道1 2 电极水冷圈1 3 电极夹持器1 4 电极1 5 电极横臂1 6 横臂母线1 7 电极主柱1 8 软电缆1 9 变压器二 次侧母线2 0 电炉变压器2 1 炉盖提升旋转机构2 2 倾炉油缸 图1 3 三相电弧炉构造图 f i g 1 3 s t r u c t u r ef i go f e a f 炉体主要由炉壳，炉壁，炉衬，出钢槽，炉门等几部分组成，炉壳是由钢板拼焊成 的，其上部一般做成双层，中间通水冷却。出钢槽连在炉壳上，内由耐火材料。炉门一 般用水冷却，门上还有窗，窗口是用来观察炉内的情况，加料和扒渣的。炉壳内砌有炉 衬，炉衬是电弧炉的重要组成部分，在工作的时候要承受电弧的高温辐射，固体炉料的 撞击，液体金属和炉渣的冲刷，因此容易损坏，这样炉衬的寿命就成了电弧炉的一项技 术经济指标。电弧炉的炉盖有一个圆环形构架，是用钢板焊接成的，周围用水冷却。炉 盖的中央用耐火材料砌成圆拱形。炉盖上有三个呈正三角形对称布置的电极孔，供进入 电弧炉的电极之用。通入电弧炉的电流非常大，所以电极应当耐很高的温度，并且有一 定的机械强度。当前炼钢电弧炉上用的是碳素电极或是石墨电极。其中以石墨电极的性 能比较好，所以应用比较广泛。 电弧炉的主要机械设备由炉体、电极夹持器及电极升降装置、炉体倾动装置、炉盖 提升和旋转装置等组成。 电弧炉在炼钢过程中经常要调节电弧的长度，因此电极通过电极夹持器装在电极升 一5 一 东北大学博士学位论文 第一章绪论 降装置上。在电弧炉的工作过程中，电极升降受电极自动调节装置的控制。 9 0 年代初，为进一步完善超高功率电弧炉本身的设备和工艺，还相继出现了煤氧喷 吹工艺、高阻抗电弧炉、c o 二次燃烧技术、连续炼钢技术、竖炉交直流电弧炉、双炉 壳电弧炉。这些工艺主要集中在废钢预热和减轻电弧炉的熔化负担上。 1 2 3 电弧炉炼钢的优点 同转炉炼钢相比，电弧炉炼钢具有很多优点【2 ： ( 1 ) 能灵活掌握温度。电弧炉中电弧区温度高达4 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 。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，比平炉炼钢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 中没有可燃气体，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，钢的化学成份比较容易控制， 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。 1 2 4 电弧炉工艺发展概况 电弧炉炼钢分酸性炉衬和碱性炉衬，由于酸性炉衬电弧炉不能有效的除去磷和硫， 使有害的杂质又回到钢液中，所以适合熔炼异形的铸件用钢，对硫和磷的含量要求不严 格。碱性炉衬电弧炉适宜熔炼高级合金钢。酸性炉与碱性炉相比之下生产率较高，电能 和电极的消耗也相对较低。 电弧炉炼钢的工艺方法归纳起来有三种，即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。氧化 法是电弧炉炼钢工艺的最基本的方法，不氧化法和返回吹氧法都是在氧化法的基础上发 一6 一 东北大学博士学位论文 第一章绪论 展起来的。 传统的氧化法冶炼工艺操作过程包括：补炉、装料、熔化、氧化、还原和出钢六个 阶段。主要由熔化期、氧化期和还原期组成，俗称老三期，它是传统电弧炉炼钢的冶炼 工艺基础。老三期冶炼工艺集熔化、精炼和合金化于一炉，在炉内既要完成废钢的熔化， 钢液的脱磷、脱碳、去气、去除夹杂物以及升温，又要进行钢液的脱氧、脱硫、合金化 以及温度、成分的调整，因而冶炼周期很长。这既难保证对钢材越来越严格的质量要求， 又限制了电弧炉生产率的提高。 废钢 士士士0士、 1_f r士 补炉装料熔化期 氧化期 除渣 还原期 出钢 j l i ， i 图1 4 传统电弧炉炼钢工艺过程 f i g 1 4 t h eo l dc r a t t w o r kp r o c e s so f e a f 电弧炉短流程炼钢方法之所以能与转炉炼钢法相匹敌，除了流程本身的优势之外， 更得益于电弧炉工艺与装备的不断改进【7 - 10 】，其中主要有：大型化和高功率化；长弧操 作与泡沫渣埋弧工艺；电气设备改进与直流供电；能源多样化；二次燃烧与废钢预热； 自动化与智能化：与连铸、连轧技术的紧密结合。扩大炉容量是改善和提高短流程生产 线整体效率的有效手段。炉容量增大的同时伴随着输入电功率的提高，吨钢配置的变压 器容量向高功率、超高功率的方向发展。 基于高效、节能、低消耗的指导思想，超高功率、强化吹氧与氧燃助熔、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) 的化钢设备，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p 】： 一7 一 东北大学博士学位论文 第一章绪论 f 1 ) 快速熔化与升温 快速熔化与升温是当今电弧炉最终要的功能。目的是在尽可能短的时间内把废钢熔 化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。 f 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，以产生裂 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。 电弧炉的脱碳的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，从而去除气体 和杂质；另一方面，脱脱碳反应制造的熔池沸腾起搅拌作用，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的，属于对合金成分的粗调，因此也称为预合金 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。 超高功率的大型电弧炉，其冶炼周期缩短，电弧炉生产率大幅度提高，从而出现了 和氧气顶吹转炉相竞争的局面。因此电弧炉在工艺方面有“转炉化”的说法。 1 3 电弧炉炼钢过程自动化技术 实现炼钢过程自动化的主要任务是：提高产品质量和设备的利用率，降低生产成本 和各项能耗并改善工人的操作环境。由于电弧炉炼钢是一个极其复杂的物理化学反应过 程，对于这样一个复杂的生产过程只靠人工操作，再有经验的操作工人也无法保证每炉 钢的质量都符合工艺指标，所以实现炼钢过程自动化势在必行。 一8 一 东北大学博士学位论文 第一章绪论 1 3 1 电弧炉炼钢过程自动化的内容 电弧炉炼钢过程是一个非常复杂的物理化学变化过程，具有以下特点：l 、该过程是 一个典型的多输入多输出过程，许多输入输出变量之间很难用数学模型定量描述，同时 各变量之间存在强非线性关系，另外在熔池各元素( 碳 c 】、磷 p 】等) 氧化、熔池升温之间 存在较强的耦合关系；2 、控制过程的边界条件不断变化，具体涉及到原料条件、设备 条件和操作条件等频繁变化，同时冶炼过程也伴随着高度的随机性和不确定性，因而电 弧炉冶炼过程是一个时变系统。因而电弧炉炼钢过程的首要任务就是采用各种先进控制 方法实现电弧炉冶炼过程控制模型的建立。 电弧炉熔池温度太高、冶炼条件太恶劣，熔池的成分和温度不能直接连续检测。所 有的这些特点都给电弧炉炼钢过程的建模与控制带来了困难，且不能采用常规的方法来 解决。这给电弧炉冶炼的建模和控制带来很大的难度。只有对生产过程中所需的各个参 数进行准确而又及时的测量，才能使各种控制技术和方法得以实旌，从而最终提高终点 命中率，缩短冶炼时间。为此，基于软测量技术建立适合电弧炉冶炼过程要求的终点预 报技术将在电弧炉终点控制中起到重要作用。 随着市场竞争的日益加剧；对电弧炉炼钢进行经济指标的优化控制己经摆在每个企 业的面前。对电弧炉炼钢经济指标进行优化控制，进而实现钢铁生产全流程的经济指标 优化控制，是钢铁企业迫切需要解决的重要问题，也是提高企业经济效益和国际竞争力 的重要途径。因此，电弧炉炼钢过程控制除了工艺指标的控制以外，还要实现经济指标 的控制。经济指标的控制是一种更高层次的优化控制，它是在在工艺指标控制的基础上， 应用从过程中得到的实际数据，辩识或回归出过程模型，再应用最优化理论，缛到经济 指标最优的解。 1 3 2 电弧炉炼钢自动化技术的发展 随着电弧炉熔炼工艺不断发展，电弧炉过程自动化技术也随着整个工业自动化技术 的不断进步而发展。电弧炉过程自动化技术的发展始终和计算机技术和控制理论的发展 密不可分，大致经历了基础自动化、两级计算机控制系统、分布式计算机控制系统( d c s ) 等几个阶段，目前正朝计算机集成自动化c i m s 方向发展。 电弧炉炼钢的传统控制形式仅仅局限于基础自动化级，针对电弧炉炼钢的各个一级 控制回路建立相应的控制系统，而在冶炼过程中由人工经验协调控制各个回路系统，实 现经验炼钢过程。电弧炉炼钢基础自动化基本覆盖了如下工艺范围：电极升降控制、废 一9 一 东北大学博士学位论文 第一章绪论 钢和铁合金的称量与控制、冷却系统控制、排烟与除尘系统控制、辅助能源输入控制等。 目前。这些系统的自动控制水平已达到较完善的程度。 随着控制技术、计算机技术以及网绍技术的发展，现代化的电弧炉炼钢控制系统在 世界钢铁工业领域普遍应用，其采用先进的控制技木与计算机应用技术，以仪控、自控 和电控组成一个完整的控制系统( 三电一体化) ，同时控制系统功能更加全面、完善，同 时实现了计算机管理、过程控制和基础自动化于一体的三级计算机控制系统，为全面的 生产管理和高度自动控制创造了条件。 国外电弧炉过程自动化技术发展比较快，特别象美国、德国、日本等一些工业发达 的国家，这些国家不仅注重电弧炉设备的技术改造投资，而且不惜重金研究和开发新的 电弧炉