（电气工程专业论文）lf钢包精炼炉电极控制应用与改进.pdf

ath e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri ne l e c t r i c a le n g i n e e r i n g t h e a p p l i c a t i o na n di m p r o v e m e n t o fe l e c t r o d ec o n t r o lo n l fl a d l er e f i n i n gf u r n a c e b yc h e n g j u n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rc h u e n h u i v i c es u p e r v i o r ：s e n i o re n g i n n e e rl iy o n g k u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y d e c e m b e r2 0 0 8 舢38m 5幻 8 舢1胛y 给一 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： 签字日期： 稚 印哆、j 、j 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一l 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 ：稚耳蝴私没督 ：、| 。【签字b 强：盘纠7 。( r卜l【 i 一 1 i 如 一l 东北大学硕士学位论文摘要 l f 钢包精炼炉电极控制应用与改进 摘要 电极是电弧炉和精炼炉的重要设备，起电离中间空气、对钢水或金属材料进行加热 的作用。现场运行时电极不易调： i 了到稳定工作状态，快速稳定性更不能得到保证，同时 也造成了精炼炉系统耗电量高，效率低等问题。研制高性能的电极自动调节器对于提高 炼钢质量，降低电能消耗具有很重要的意义。 多年以来，电极调节系统更多采用的是传统p i d 控制方式，控制效果不很理想。由 于精炼炉电极调节系统是一个多变量、强耦合、大滞后的非线性系统，本文据此以通钢 精炼炉的电极调节系统为研究背景，深入研究了电弧的物理特性和电极调节系统的原 理，分析推导了电弧等效数学模型和电气部分静态模型，对模型中的各个参数进行了较 详细的分析。 本文还对现有电极调节系统的各种控制方式进行了分析比较。其中较多分析了i a f 控制方式和阻抗控制方式。为了以后现场应用，尤其对阻抗控制方式进行了着熏的分析 研究，对控制的各个部分进行编程，仿真模拟。 最后，通过已有的现场数据，建立了滑模变结构控制模型，改进了传统p i d 控制， 对电极运动实施分段控制，在控制过程的各个瞬间，根据系统中参数的状念以跃变的方 式有目的地变化，从而将不同的结构特性揉合在一起，取得了比固定结构系统更完善的 性能指标，实现了对原有控制系统的优化，通过仿真建立了有效的控制模型。从而可以 大大改进系统的在线调整过程，实现对电极更好的控制。 在上述研究的基础上，输出与现场数据进行了比较。结果表明，本文提出的滑模变 结构控制模型能更好地解决三相电极的耦合问题，可以更好地跟随给定输入，在动态响 应、抗干扰性、鲁棒性等方面都有很大的提高，具有重要的理论价值和实际应用意义。 关键词：电极控制，p i d ，阻抗控制方式，滑模变结构控制，系统仿真 一i i 一 一r卜卜 ，p 。 “十 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e a p p l i c a t i o na n di m p r o v e m e n to fe l e c t r o d ec o n t r o lo nl f l a d l er e f i n i n gf u r n a c e a b s t r a c t e l e c t r o d ei si m p o r t a n te q u i p m e n tf o rr e f i n i n gf u r n a c ea n de l e c t r i ca r cf u r n a c e ，s t a r t i n gi n t h em i d d l eo fi o n i z i n ga i r ，o rm o l t e nm e t a lm a t e r i a lf o rh e a t i n g o n s i t er u n t i m ea d j u s t m e n t t ot h es t a b i l i t yo ft h ee l e c t r o d ei sn o te a s yw o r k ，a n dm o r eq u i c ks t a b i l i t yc a nn o tb e g u a r a n t e e d ，w h i c hm u s tc a u s et h eh i g hp o w e rc o n s u m p t i o na n dl o we f f i c i e n c yp r o b l e m i t s h o u l db ev e r ys i g n i f i c a n tt od e v e l o p eh i g h p e r f o r m a n c ea u t o m a t i ce l e c t r o d er e g u l a t o rf o rt h e s t e e l m a k i n gt oi m p r o v eq u a l i t y ，r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n o v e rt h ey e a r s ，t h ee l e c t r o d e c o n t r o ls y s t e m su s e dt r a d i t i o n a lp i dc o n t r o lm o d em o s t l y ， w h i c hw a sn o tv e r ys a t i s f i e d a se l e c t r o d er e g u l a t i o ns y s t e mo ft h e r e f i n i n gf u m a c ei sa m u l t i v a r i a b l e ，s t r o n gc o u p l i n g ，l a g g i n gb e h i n da n dn o n l i n e a rs y s t e m s t h i sa r t i c l ed e s c r i p t s thep h y s i c a l p r o p e r t i e s o fa r ca n d e x p a t i a t e s t h e p r i n c i p l e o f r e g u l a t i o n t o i k ，l 一 0 e l e c t r o d e c o n d i t i o n i n gs y s t e m so nt h eb a s i so ft h es t u d yo ft h el a d l er e f i n i n gf u m c eo f t o n g h u ai r o n & s t e e lc o m p a n y c r e a t i n ga r ce q u i v a l e n tm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n ds o m eo ft h e e l e c t r i c a ls t a t i cm o d e l ，a n da n a l y z i n gt h ev a r i o u sp a r a m e t e r so ft h em o d e ld e t a i l e d l y t h i sa r t i c l ea n a l y z e sa n dc o m p a r e st h ea v a i l a b l eo nt h ee l e c t r o d e c o n d i t i o n i n gs y s t e m c o n t r o l m o d e s ，e m p h a s i z i n gt h ei a fc o n t r o la n di m p e d a n c ec o n t r 0 1 c o n s i d e r i n gt h e a p p l i c a t i o n ，t h ep a p e rf o c u so nt h et h ea n a l y s i so ft h ec o n t r o lo fv a r i o u sp a r t so ft h ep r o g r a m ， a n ds i m u l a t i o n f i n a l l y ，e s t a b l i s has l i d i n gm o d ec o n t r o lt oi m p r o v et h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o la c c o r d i n g w i t ht h ea v a i l a b l ed a t a d i f f e r e n tc o n t r o lm o d e sc a nb ea d o p ti nd i f f e r e n tp h a s e s ，t a k i n gf u l l o fu s et h ea d v a n t a g eo fe v e r yc o n t r o lm o d e ，o p t i m i z i n gt h ec o n t r o ls y s t e ma n db u i l da e f f i c i e n ts i m u l a t e dm o d e l ，w h i c hc a no b t a i nt h eb e t t e rp e r f o r m a n c et h a nt r a d i o n a lc o n t r o l m o d e ，i n d u c et h er e g u l a t i o nt i m eo n l i n ea n dg e tg o o dc o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r o dm o v e m e n t o nt h eb a s i so ft h ea b o v es t u d y ，i tc a nb es e et h a ts l i d i n gm o d ec o n t r o lm o d e lh a ss o l v e d t h ei s s u eo ft h r e e - p h a s ec o u p l i n go ft h ee l e c t r o d et h r o u g hc o m p a r i n gt h er e f e r e n c ed a t aa n d f e e d b a c k ，a n dt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r ，s u c ha st h ed y n a m i cr e s p o n s e ，a n t i i n t e r f e r e n c e ，a n d r o b u s t n e s sh a v eb e e ni m p r o v e dg r e a t l y - i i i - - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t k e y w o r d s ：e l e c t r o d ec o n t r o l ，p i d ，i m p e d a n c ec o n t r o l ，s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，s y s t e m s i m u l a t i o n i v 一 一 纠 、 0 v栩纠 k ，。 一 、 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t 。iii 第一章绪论1 1 1 概述1 1 2l f 精炼炉的发展概况1 1 2 1 国外精炼工艺发展概况2 1 2 2 国内精炼工艺发展概况3 1 3 国内外电极调节控制研究概况4 1 3 1 国外电极调节控制研究概况一4 1 3 2 国内电极调节控制研究概况6 1 4 本课题的提出与研究的内容6 1 4 1 课题的提出6 1 4 2 本课题的研究内容及意义7 1 5 本文的主要工作7 第二章电极调节系统数学模型j 9 2 1 电弧基本理论研究9 2 1 1 电弧的物理特性9 2 1 2 合理工作点的选择1 1 2 2 电气系统数学模型1 3 2 2 1 单相电极电气数学模型l3 2 2 2 三相电极电气数学模型l5 2 3 液压传动系统数学模型2 3 2 4 数学模型的分析2 4 2 4 1 控制的非线性、多变量性2 4 2 4 2 系统的强耦合性2 4 2 4 3 系统的大滞后性2 4 第三章l f 炉电极控制方式分析2 7 3 1 对不同控制方式的考虑2 7 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 1 1 恒阻抗调节方法2 7 3 1 2 恒电流调节方法2 8 3 1 - 3 恒功率调节方法：2 9 3 2 电极控制方法的比较2 9 3 3 对电极调节不同控制系统和算法的讨论：3 0 3 3 1 传统p i d 控制方法3 0 3 3 2 人工智能方法控制的电极调节系统3 l 3 3 3 人工神经网络的简介及特点3 3 第四章电极控制应用研究3 7 4 1 概述：3 7 4 2 西门子p l c 硬件组成及s t e p 7 软件设计3 7 4 2 1s i m a t i cs 7 3 0 0 4 0 0 系统结构3 7 4 2 2 程序设计描述3 9 4 3 典型阻抗控制系统的分析及功能实现4 3 4 3 1s i m e l ta c 构架介绍4 3 4 3 2 阻抗控制功能的实现4 3 4 4 阻抗控制系统的实际应用5 5 4 4 1 引进设备电极控制系统介绍5 5 4 4 2 国产设备电极控制系统介绍6 0 第五章滑模变结构控制模型应用6 5 5 1 概述6 5 5 2 滑模变结构控制模型研究6 5 5 2 1 滑模变结构控制简介6 5 5 2 2 滑模变结构控制基本原理6 7 5 2 3 滑模变结构控制系统的抖振问题6 9 5 3 电极调节控制器的改进7 2 5 3 1 阻抗计算和点火控制7 2 5 3 2 设定点设计7 3 5 3 3 滑模控制在主控制器中的应用7 4 5 3 4 对主控制器的m a t l a b 仿真7 4 5 3 5 阀死区补偿8 0 5 3 6 短路限制8 0 5 3 7 过压补偿8 0 5 4 控制功能的编程设计。8 1 一v i 一 ，一 1 l 矿 ， 。 r 矿 一 ，i 东北大学硕士学位论文 目录 5 5 小结8 1 第六章总结及展望- ：i _ 8 3 参考文献8 5 致谢。8 9 一v i i 一 囊_ 卜lil，h一 。 1 芝 1 ，舢 一 i ， t 、- 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论弟一早珀y 匕 钢铁工业在国民经济的发展过程中，起着举足轻重的作用。2 0 世纪以来，钢铁产品 被广泛地应用在建筑、机械、汽车、船舶、石油和运输等各个行业中。因此，钢铁一直 是国民经济的基础工业之一。现如今，虽然出现了许多新材料，例如陶瓷、塑料、高分 子复合材料等等，这些新材料由于自身的一些特点在一定程度上取代了钢材，但是钢材 具有其它材料不可比拟的综合性能。同时，与其它材料相比，钢材价格波动趋势相对较 小。所以，钢铁材料仍是当代最主要的材料之一。 从世界范围来况，发达国家由于自身钢产量己经达到社会需求的饱和值，因而其钢 铁工业发展处于停滞阶段，但是总的来看世界钢铁工业还是在不断发展的，尽管钢铁产 量逐年增加，仍就无法满足社会总需求量。产生这一现象的主要原因是发展中国家( 包 括新兴国家) 正大力发展其国民经济，这就使得这些国家对钢铁材料的需求量增大。我 国是发展中国家，同时也是钢铁产量世界第一的钢铁大国，在国民经济高速发展的今天， 社会对钢材尤其是高质量钢材的需求不断加大，这就需要我们为钢铁强国的伟大目标努 力奋斗。在一段时期之内，钢铁工业仍将是我国经济的支柱之一。 近几年来，我国经济持续高速发展，钢铁工业通过加快结构优化与调整，不断提高 满足国民经济对钢材产量、品种、质量、成本等全面要求的能力。当前的形势是： 一方面，国内大规模建设需要大量钢材，为我国钢铁企业提供了良好的机遇。另一 方面，钢铁工业的发展也受到资源、环境的限制，原、燃料涨价，给钢铁厂留下较小的 利润空间。面对挑战，迫切要求国内的钢铁企业必须努力提高生产效率，降低能源消耗 和原材料消耗，减轻对环境的污染和降低生产成本。 1 2l f 精炼炉的发展概况 1 9 7 1 年，r 本大同特殊钢公司推出了世界上第一台钢包精炼炉一l a d l ef u r n a c e ，简 称l f 炉。这是一种主要依靠炉渣对钢液进行精炼的工艺，主要特征是在非氧化性气氛 和碱性白渣下精炼，底吹心搅拌加速钢渣反应，并且通过变压器、二次侧短网、电极 将电能传输到精炼渣和钢水，从而达到加热升温的目的，可满足较长冶炼时问要求。 最初，l f 炉主要用于高等级钢的冶炼，但随着冶炼和浇注合理化要求的只益提高 东北大学硕士学位论文第一章绪论 以及随之而来的冶炼与连铸技术的结合，l f 也就成为了冶炼和连铸之问的匹配器和调 节器，钢种也逐渐扩大到普通钢，加之它投资费用低、设备简单、操作灵活和精炼效果 好，因而被世界各国的公司广泛使用，尤其以日本最为突出。在我国随着连铸比的大幅 度提高，l f 也己在生产上得到了广泛的应用。目前，l f 所处理的钢种几乎涉及到从特 钢到普钢的所有钢种。l f 钢包精炼炉示意图如图1 1 所示。 图1 1l f 铡包精炼炉不葸图 f i g 1 1l fl a d l er e f i n i n gf u r n a c ed i a g r a m l f 法设备简单，投资不大，生产中可视质量控制的需要，采用多种不同的工艺操 作制度；设计中按产品需要进行不同的配套组合，满足最终产品质量控制的要求。 1 2 1 国外精炼工艺发展概况 国外从3 0 年代起就使用高碱度合成渣进行炉外脱硫，提高钢水质量，如法国1 9 3 3 年开发的合成渣洗法等。4 0 年代，在低真空度下对钥水进行脱气处理；5 0 年代初期由 于高真空、大抽速蒸汽泵的问世，铡液真空技术得到了发展，先后出现了真空提升脱气 法( d h ) 和真空循环脱气法( r h ) ，解决了脱氢、脱硫等难题；6 0 年代随着具有感应搅拌、 电弧加热、真空脱气、熔渣精炼、微调合金成分等功能的精炼炉的出现，如美国1 9 6 6 年提出的f i n k l v a d 精炼炉，由瑞典a s e a 公司和s k f 公司在1 9 6 5 年提出并应用的 f i n k l s k f 精炼炉，v o d 炉等，进一步降低了生产成本，提高了质量和铬的回收率； 7 0 年代r 本出现的l f 精炼炉以底吹氢搅拌代替了设备复杂、维修困难、投资大的电磁 感应搅拌，使设备成本降低，被普遍看好和广泛使用。l f 炉的工艺优点包括：精炼功 一2 一 、 1 靠 1 0 一 一 。 、1 k i 一 i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 能强，适宜生产超低硫、超低氧钢；具有电弧加热功能，热效率高，升温幅度大，温度 控制精度高；具各搅拌和合金化功能，易于实现窄成分控制，提高产品的稳定性：采用 渣钢精炼工艺，精炼成本低；设备简单，投资较少。其他的精炼方法中尤以7 0 年代联 邦德国蒂森公司投入运行的喷射冶金法( t n ) 为优。它采用先加铝脱氧，然后喷入含钙材 料脱硫的方法，具有设备简单，投资少，见效快，精炼效果显著的特点：8 0 年代合金包 丝线喂丝法脱颖而出；9 0 年代至今各种精炼方法不断改进，或单独或组合使用在生产中 发挥着重要的作用i | 7 0 j 。 据不完全统计，世界主要工业国家拥有约9 0 0 台( 套) - - 次精炼装置，钢水精炼比例 迅速提高，其中美国、同本、西欧等国应用广泛，占据着主导地位。 国外在l f 工艺过程优化方面已经获得了很好的效果，研究领域也不单单局限于某 一个方面和具体的某个问题，而是将l f 工艺的几个不同方面的模型合并在一个计算机 系统中，促成了计算机系统与钢包精炼过程的结合。 1 9 8 3 年，f 1 本大同制钢开发的钢包炉过程计算机系统a l f o s 就是也非常典型的例 子，它不但集不同功能于一身，而且实现了一人操作，在提高钢质量的同时，使钢的生 产成本显著降低。有代表性的还有美国s t a n d f o r d 大学神经应用公司w e st a i b 等人与， n o r t h s t a r 钢铁公司、c o p p e r w e l d 钢铁公司合作，于1 9 9 0 年丌发出来的“智能电炉 。 该项专利产品已在世界上几十座不同吨位的电炉上得到了实际应用，我国广州钢厂及天 津钢竹公司就引用了这项技术。伯明翰钢厂于1 9 9 2 年1 0 月在一座9 0 吨电炉上安装了 智能炉控制器，运行结果表明：与旧的控制系统相比，应用智能电炉控制器，电极消耗 降低了8 5 ，能量消耗降低了3 9 ，生产率提高了2 5 【7 0 1 。我们不难发现国外的l f 炉的操作控制己经达到一个相当高的水平。 1 2 2 国内精炼工艺发展概况 5 0 年代，我国开始建设小容量钢水静态脱气装置，由于抽气能力小、真空度低，处 理效果不理想。6 0 年代中期，随着国内大型蒸汽喷射真空泵设计制造技术同益进步，丌 始了现代：二次精炼技术的开发与系统研制。1 9 6 6 年设计和试制了1 5 3 0t 和1 0 0td h 真 空处理装置，先后在上钢一厂和鞍钢安装使用。1 9 6 7 年，从原西德引进旋转升降型r h 真空处理装置。我国在7 0 年代从瑞典引进了1 0 0 t 和3 0 t a s e s k f 钢包精炼炉各l 台1 7 l l 。 8 0 年代初期，西安变压器电炉厂等单位设计制造了h b - 4 0 钢包精炼炉，在上海第五钢 厂投入运行，同时引进v o d h d 精炼炉、s l 喷粉装置。在消化这些装置的同时，又 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 自己研制开发了v o d 精炼炉、l f 精炼炉、a o d 精炼炉、v d 真空处理装置以及各种形 式的钢包喷粉设施。8 0 年代后期，又成功丌发了钢包喂丝设备。1 9 8 8 年底无锡钢厂建 成1 座l f v 4 0 型钢包精炼炉，为我国当时最大的炉外精炼设备一1 5 0t 钢包精炼炉，该 炉具有8 0 年代世界先进技术水平，是引进同本技术，中r 联合设计，第二重型机器厂 制造、安装、调试和使用7 。1 9 9 6 年上海浦钢公司投产了了二台三相三臂式1 0 0 tl f 钢包精炼炉，1 9 9 7 年上海五钢公司建成了一台三相电极吊挂l f 精炼炉。1 9 9 9 年武汉钢 铁公司一炼钢厂建成了一台三相单臂式1 0 0 tl f 精炼炉。同年，鞍钢新轧炼钢厂建成二 台1 0 0 t 三相三臂式l f 精炼炉，2 0 0 0 2 0 0 3 年，鞍钢又建成投产三台l f 精炼炉。随着二 次精炼技术的飞速发展，二次精炼过程自动化控制系统也相应地得到发展并逐渐完善。 自动控制的主要对象是钢液的成分和温度，而控制目标足使炼钢实现过程控制、优化管 理及优化运行一体化。自动控制模式的成功与否直接影响着精炼炉的产量、质量及炉体 寿命的长短。 在我国，虽然l f 炉己得到广泛的应用，但是国内l f 炉的电耗、电极消耗、氩气 消耗以及合金消耗等技术经济指标偏高，与国外先进水平尚存一定的差距。针对这一现 状，今后应该着力加速发展l f 炉冶金控制模型，围绕l f 炉的工艺过程优化展丌相关 的研究工作。 1 3 国内外电极调节控制研究概况 电极是电弧炉和精炼炉的重要设备，起电离中间空气，对钢水或金属材料进行加热 的作用。电弧炉和精炼炉的工艺特点虽然不尽相同，但对电极的控制却是差不多的。 电弧炉炼钢过程计算机控制系统的升级和改造一直受到冶金和自动化界的密切关 注。虽然升级和改造过程较复杂也很繁琐，但是国内外在这方面都有很成功的案例：在 国外，西门子和奥钢联等公司在这方碡i 都拥有成熟的技术和成功的案例：1 9 9 8 年德国西 门子公司接到了沙特阿拉伯钢铁公司h a d e e d 电炉炼钢厂的订单，为该厂改进过程自动 化系统和生产工艺流程。被改造设备包括3 台1 5 0t 交流电弧炉、2 台钢包精炼炉和3 架6 流方坯连铸机。利用功率需求控制系统和新型基础自动化系统来代替老式计算机系 统。新型电弧炉自动化系统的功能和目标为：电极调节器采用神经网络系统；电能的最 佳利用，缩短炼钢时间；脱硫、脱碳的准确控制；直接还原铁炉料配比的控制；根据热 平衡控制，准确地把握出钢温度；根据合金添加剂的计算，严格控制钢水化学成分。 1 3 1 国外电极调节控制研究概况 一4 一 - 1 电 q 。 一 、 i 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 国外电弧炉过程自动化技术发展比较快，特别是像美国、德国、r 本等一些工业发 达的国家，这些国家不仅注童电弧炉设备的技术改造投资，而且不惜重金研究和开发新 的电弧炉过程控制设备及技术。现代现代电弧炉的控制方式。见表1 1 表1 1 现代电弧炉的控制方式 t a b l e1 1t h em o d e me l e c t r i ca r cf u r n a c ec o n t r o l 项口l a f t ms m a r t a r e t ms i m e l t rn e c 厂家 n a c ( 美国) s m e ( 美国) 使川情况_ - l ：j i k 生产( 2 5 台) 丁业生产 开发始时1 9 9 1 1 9 9 4 d i g i t a r c 电极调：1 ，器 技术背景m i l l t e c h h o h 电炉监控系统a r c m e t e r 电参数速测系统 快速测量 三相意识 识别废钢组成 无需要考虑废钢条件变化 技术特点识别渣况 稳定电弧 产生规则指导生产 迕续预报 冶炼不同阶段改变控制方法 最长稳定电弧 控制目标最人功率 最优供电曲线 电极调：1 了器 控制对象电极调1 ，器 氧燃烧嘴 实验厂家n o a hs t a rs t e e lc o 美国 s m is t e e li n c o 墨曲哥 采用锣人。i ：神经网络 人 智能 能技术专家系统 产量提高1 2 效果 吨钢电耗降低8 电极水泵降低2 5 产量提高1 3 1 有功功率提高3 吨钢电耗卜- 降1 5 通电时间减少5 1 电极消耗减少7 3 s i e m e n s ( 德国) 工业生产 1 9 9 4 s i m e l t 系列电极调+ 1 了器 s i m e n s 系列控制电气设备 三相模艰 帑 考虑电弧电抗 控制功率分配 。：喜酞 最大有功功率 妇 一 电极调：1 了器 k r u p pn i r o s t o n 德国 人= t ：神经网络 产量提高9 1 通电时间减少8 有功功率提高9 5 在电弧炉过程控制技术研究及使用方面，美国n a c 的i a f t ”系统开发较早，应用 也比较广泛：我国的广州钢厂和天津无缝钢管公司先后引进了该系统。i a f 智能电弧炉可 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 提供全新神经电弧炉，也可加装于现有电极调节器上。 美国s m e 的s m a r t a x c t m 系统主要在北美应用，它基于该公司的a r c m e t e r 快速测量 系统，主要在该公司开发的d i g i t a r c 电极升降调节器上应用。 德国西门子公司的s i m e l tn e c 系统主要应用在欧洲，该系统既可装在该公司开发 的s i m e l t 系列电极升降调节器上，又可加装在其它电极调节器上。1 9 9 7 年3 月，西门 子曾专门在北京召开电炉技术研讨会。 1 3 2 国内电极调节控制研究概况 国内的大钢铁公司、冶金部自动化研究院和北京钢铁研究总院、北京科技大学以及 东北大学都做过很多电弧炉自动化系统方面的项目，也取得了良好的效果。 针对具体的电弧炉熔炼过程中及存在的实际控制技术问题，国内自动控制领域的科 技工作者开发研制了不少适合我国国情的新技术，其中具有代表性的有：北京科技大学 王顺幌等人研制开发的 电弧炉炼钢过程数学模型及终点自适应预报系统 ， 电弧炉炼 钢过程自适应预测控制操作指导系统”。上海交通大学自控系李静如、张钟俊等人为上 海钢铁公司研制丌发的”具有不同控制方法和专家知识的炼钢过程计算机控制系统 在 实际使用中取得了令人满意的效果。西安理工大学刘小河等人在电弧炉自适应控制方面 也获得了很大成果。尽管我国在控制技术方面取得很大的发展，但同国外先进国家相比， 差距还很大，要使我国的电弧炉熔炼产品在世界市场具有竞争力，就必须尽最大可能提 高产品质量、降低能量消耗。而这一性能指标的取得，必须通过采用先进的过程控制技 术来实现，仅靠人工手动操作或一般常规控制方法是无法实现的。 1 4 本课题的提出与研究的内容 1 4 1 课题的提出 对当今大中型炼钢企业，转炉一l f 一连铸的冶炼工艺模式，已经被大多数钢厂所采 用。其中l f 炉在冶炼过程中起着霞要作用，它可以调整钢水成分，控制钢水温度，为 连铸机浇钢做好准备，是保证铸坯质量的重要工艺设备。 通钢两座精炼炉设计容量为1 4 5 t ，采用三立柱电极升降机构对钢水进行加热，应用 s i m a t i cs 7 4 0 0 p l c 进行精炼炉本体控制、电极调节控制和精炼炉加料控制。由于精炼 炉炼钢的外界条件比较复杂，影响因素较多，因此虽然口前的电极控制系统运行还比较 稳定，但也存在着一些问题。主要表现为以下几点： 一6 一 i 7 乜 t ： ， ， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 ) 电极折断现象严重，通常是通过工人的经验来提起电极从而尽量避免使电极折 断。j 知”乒? t - t 礁t 2 ) 引进设备系统不开放，维护性差。存在”黑箱问题，给设备故障处理、控制功 能改进优化及其调试工作、以及其他相关设备改造工作造成极大障碍。 3 ) 国产设备的性能与引进设备比还存在差距，因而造成电极工作时噪声大，电极臂 立柱晃动剧烈，炼钢吨耗电量增加，电网电压易引起波动。 在精炼过程中，电极位置的精确控制十分重要，因为它直接影响到l f 的重要指标， 同时由于加热环境复杂，如何控制三相电极与钢水液面选择最佳的工作点进行电弧加 热，也一直是各国专家研究的课题。 目前精炼炉电极控制系统中用的最多的是经典p i d 控制，也得到了认可，但随着时 间的推移，其弊端也逐步显现出来。而智能控制的发展也为精炼炉电极控制的研究提供 了理论基础，计算机技术的发展为智能控制提供了有效的平台。本文以包钢精炼炉炉控 制系统为7 掌景，对电极控制系统进行优化升级的方法进行探讨，然后通过现场采集数据 产 进行理论验证，力求解决目前存在的问题，给出合理的解决方案。从而来提高炼钢质量， 降低炼钢吨耗量。 1 4 2 本课题的研究内容及意义 1 ) 由于以f i l f 炉大多是引进设备，外方考虑到技术保密性，很多算法和程序都是 参 “黑箱加密”。这样就造成了投资较高，系统不开放，设备发生故障时不好维护，并且 对控制算法的改进和优化也造成了很大困难。所以我们要研究开发自己的控制算法和控 制系统来解决上述问题。 2 ) 本文着重把滑模变结构控制模型用于l f 炉的电极调节系统的建模和控制中，克 服传统p i d 控制的缺点，提高电极调节系统控制性能，控制精度，鲁棒性和快速性。 1 5 本文的主要工作 本文通过对l f 钢包精炼炉电极调= 常控制方法的研究分析，针对通钢精炼炉存在的电 耗、电极消耗高，以及电极易折断等问题，对电极调节控制系统进行了完善设计。本文 主要工作分为如下六个章节进行讨论： 1 第一章，绪论部分。主要介绍国p r # f l f 钢包精炼炉的工艺概况及电极凋节控制 的概况，对题目的提出与意义及本文的工作进行了阐述。 一7 一 一r k 卜 ” 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 2 第二章，电极调节系统数学模型。首选根据电弧的物理特性及合理工作点的选 择，分析了单相电极的电气数学模型、三相电极的电气数学模型，以及液压传动系统数 学模型，总结出电极调节器面对的是一个多变量、强耦合、大滞后，时变的非线性系统。 3 第三章，l f 炉电极控制方式分析。对目前最常用的电极调节控制方式：恒阻抗 法、恒电流法和恒功率法进行对比分析。 4 第四章，电极控制应用研究。剖析了典型阻抗控制系统控制机理，结合通钢两 座精炼炉的电极控制器进行了深入研究。 5 第五章，滑模变结构控制模型改进。通过第四章的深入研究，针对圜产电极控 制系统在实际运行中与引进设备的差异，提出了引入滑模变结构控制模型对围产电极控 制系统实施改进的方案，并进行了部分程序设计和仿真。 6 第六章，总结及展望。通过对l f 钢包精炼炉电极控制系统的研究，提出改进方 案虽然经过仿真验证可行，但仍需要在生产实践中进行验证和加以完善。今后继续研究 方向将是追求控制模型智能化及付诸生产实践。 一8 一 一1 皤 毒 一 - 户 东北大学硕士学位论文第二章电极调节系统数学模型 第二章电极调节系统数学模型 2 1 电弧基本理论研究 2 1 1 电弧的物理特性 电极调节系统的任务是使电弧功率保持二。定数值。输送到l f 炉中的功率数值与电 弧长度有关，当l f 炉变压器二次电压一定时，则与电弧等效电阻有关。电弧长度h 7 1 的 变化，就必然导致输入功率的变化，从而破坏了工艺规范。因此，对l f 炉工作的根本 要求是在最佳用电规范下保持规定的电弧长度。欲保持电弧长度不变，可借助于连续调 节每一电极下的弧隙长度的方法来达到，就是说调节l f 炉功率的最普遍方法是采取移 动电极、调整电极位置来改变电弧长度的方法。所以有必要了解l f 炉的电弧特性。 1 ) l f 炉内的电弧要不断地燃烧，并且应有足够的稳定性。 糯 2 ) 在l f 炉内燃烧的电弧，应当在较低的电压和很大的电流状态下维持极大的功率。 3 ) 电弧在封闭的空间内燃烧时，四周的内表面能吸收电弧辐射出来的功率。因此， 即使在同一个熔炼过程中，电弧燃烧条件也会随着表面温度和物理性质不同而剧烈地变 动。这样，当功率一定时，电弧也能够改变它的几何尺寸和物理特性。 电弧是炉内的热源，它决定炉中的热工状况。而又由于电弧本身的特点，它决定电 甲 炉设备的电气特性。电弧是一种气体放电现象，在两极问加上一定的电压，就能自行放 电。放电时两极问的气体被电离，出现导电通道。通常可以把电弧分成三部分，即阴极 区、阳极区和弧柱，如图2 1 所示。 ：日一一一一一- 一一- - - - 一- 一一一一一一一一一一一一一一一 ：； ； 图2 1 电弧特性示意图 f i g 2 1a r ec h a r a c t e r i s t i cd i a g r a m 一9 一 东北大学硕士学位论文第二章电极调节系统数学模型 图中，a 为阳极；k 为阴极；a 。为阳极区域；k 。为阴极区域；为弧柱长度；【，。 为阳极压降；u 。为阴极压降；u d 为弧柱压降；u 。为电弧电压。 从阴极点放出的热电子在阴极区加速吸热，其后有等离子体电弧电压加速，一面反 复与气体分子激烈冲撞，一面去往阳极。这个通道足一个伴随刺日艮的强烈发光而存在的 等离子状态电弧弧柱，具有电流载体的机能。 电弧弧柱中气体电离主要是由阴极斑点的热电子发射，电场电离和热电离引起的。 电弧弧柱中同时存在和电离相反的过程一消电离，即带电质点的减少过程。电弧四周介 质的温度，气体种类，电极材料等对电弧电离和消电离过程有决定性的影响。环境温度 越高，散热条件越差，电极材料熔点越高，将使电离条件越好，电弧燃烧越稳定。电流 越大，电离速率越小，电弧燃烧越稳定。沿电弧长度的电位分布，也就是功率分布。 由图中可以看出，电弧电压总和为 u 。= u k + + 玑 ( 2 1 ) 根据b i l l i n g s 理论，弧柱压降为 u d = - l ( 2 2 ) 其中，为弧柱中的电位梯度( v r a m ) ；l 为弧长。 则，l f 炉中电弧电压u 。与电弧长度l 的关系可以表示为 u 。= a + l ( 2 3 ) 其中，口为阳极和阴极区的j | i 降之和。 a 的大小与电流无关，仅与f 乜卡及材料、炉气成分及气压有关。在l f 炉内气氛下， a = 3 0 4 0 伏之问。在电极材料、气体压力和周围介质一定时，口为常数。是随炉内温 度变化而变化的量，这是因为随着电流的增加，由于炉内变热，使得弧柱电离作用增加， 即弧柱的电导率增大。 2 1 2 电弧的伏安特性 电弧电压和电流的相互依赖关系被称为伏安特性，这是电弧对外部电路的表现。从 图中可以看出，交流电弧的一个显著特点是其伏安特性的非线性对应关系。电流增加时 和电流减少时的特性曲线是不同的，这是由于电极和弧杞气体的热惯性所致。交流电弧 的伏安特性与电流的数值、电弧的冷却程度、电极的材料、气体的成分、电弧的长度以 及电流的频率等因素有关，其中电极材料和电极长度对伏安特性的影响较为显著。交流 电弧的温度随着电流变化，且以电流的二倍频率上下波动。实际上，交流电弧的直径也 一10