电弧炉电极升降系统建模及控制方法研究

发布时间：2020-04-07 21:20

【摘要】：随着人们对环境污染问题认识的不断提高,人们对资源的重新再利用有了更高的要求,以废弃钢铁为主要原料的电弧炉炼钢技术可以有效地解决废弃钢铁的污染问题,起到了保护有限铁矿石资源的作用,为推动钢铁产业的蓬勃发展做出了杰出贡献。因此,全世界都在积极推进电弧炉冶炼技术。电极升降系统是一个高度非线性、耦合严重和随机干扰强烈的多变量系统,它的控制效果直接影响着冶炼时间、用电效率以及炉衬的损耗程度,因此,对电极升降系统进行控制成为电弧炉控制系统的主要研究内容。在对电极升降系统进行控制器设计之前,必须建立电极系统模型。本文重点介绍了电弧的物理特性,并根据能量守恒定律及相关的理论知识,建立能够反映电弧微观特性的电弧阻抗模型。之后对供电系统和液压系统进行了合理简化,并根据相关的物理知识,分别建立的电弧炉的电气系统模型和液压系统模型。根据电极升降系统各部分的输入输出关系,将各个模型统一起来,构成电极升降系统模型。在选择被控参数时,考虑电弧功率、电弧电流和电弧阻抗三个变量。对A相电弧加扰动信号进行测试,得出以电弧阻抗为被控参数可以削弱三相电弧耦合关系的结论。结合被控对象的耦合特性与电弧炉的冶炼工艺要求,选择电弧阻抗作为本文的被控参数。根据电极升降系统的多变量、非线性和耦合性特点,本文选择具有自适应能力和解耦功能的广义预测控制算法设计电极升降系统控制器。该方法通过递推最小二乘算法在线辨识预测模型,解决的被控对象的非线性问题,此外,通过选取电弧阻抗设定输出与实际输出之间的方差二次型优化指标,解决了三相电弧之间的耦合问题。最后,本文运用Matlab软件对熔化期弧长增长情况和穿井期电极短路情况进行的仿真研究。将常规的PID控制效果和广义预测控制效果进行比较,证明本文设计的广义预测控制器能够有效地解决电极升降系统的非线性和耦合性问题,完成了对电极升降系统进行解耦控制的任务。
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钢铁作为生产的主要原料，具有生产能耗低、基建投资少、对原料适应性强且劳动生产逡逑率高等优点，因此，全世界都在积极地推进电弧炉炼钢技术。逡逑现代工业化炼钢方法因为具有较高的生产率、优良的质量和低廉的成本，所以钢铁逡逑产品己经成为社会最广泛使用的金属材料［１］。此外，随着现代工业的飞速发展，科技水逡逑平的日益进步，社会生产需要大量的特殊耐高温、耐腐蚀和抗拉强度高的钢铁材料，如逡逑军舰的不锈钢板、坦克的装甲板以及高级变压器硅钢等，因此，电弧炉在冶金工业中的逡逑地位变得越来越重要。目前，随着人们对环境污染问题认识的不断提高，人们对资源的逡逑恴新再利用有了更高的要求，以废弃钢铁为主要原料的电弧炉炼钢技术可以有效地解决逡逑废弃钢铁的污染问题，起到了保护有限铁矿石资源的作用，为推动钢铁产业的蓬勃发展逡逑做出了杰出贡献。逡逑１．２电弧炉炼钢概述逡逑采用电弧炉进行炼钢的方法己有近百年的历史，尤其是近几十年，电弧炉炼钢发展逡逑的尤为迅速，已逐步开始取代传统的平炉炼钢和转炉炼钢，成为主要的炼钢方式之一［２］。逡逑图１．１是三相电弧炉构造简图。逡逑

段组成［｜（）］。在炉内既要完成熔化、脱磷、脱碳、升温要求，又要进行脱氧、脱硫、除气、逡逑去除夹杂物、合金化以及调整温度成分等任务，因而电弧炉的冶炼周期很长。逡逑将传统的电弧炉炼钢工艺表示成如图１．２所示的冶炼流程。逡逑白云石或逦废钢二逦取样逡逑镁砂逦通电次加料邋取样加矿石邋化验逦造渣剂逡逑—%煎危藻澹撸蹋咤危撸桑咤澹藻义喜沽襄遄傲襄稳刍�期逦氧化期邋｜除渣邋还原期邋出钢逡逑￣Ｅ￣逦▲逦▲逦▲逦▲逡逑废钢逦吹氧助熔逦吹氧逦加合金块逦取样逡逑图１．２传统的电弧炉炼钢工艺流程逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ａｒｃ邋ｆｕｒｎａｃｅ邋ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑传统的电弧炉不仅要完成对炉料和金属的熔化、氧化、还原精炼的任务，还要完成逡逑对温度、成分和钢铁质量进行控制的任务。随着冶炼工艺的提高，现代的电弧炉仅保留逡逑了熔化、升温和必要的精炼（脱磷、脱碳）的功能，而把其余的精炼过程移到钢包二次精逡逑炼炉中进行。在现代的电弧炉炼钢工艺中，在熔化初期就对炉内进行吹氧，因此熔化期逡逑和氧化期己经没有明显的区分，所以，可以将现代电弧炉炼钢工艺概括为补炉、装料、逡逑熔化／氧化期和出钢四个阶段［｜｜］。逡逑１．２．４电弧炉炼钢对电极调节器的要求逡逑电极调节器，作为电弧炉的核心设备，其调节任务非常复杂。在起弧熔化冷料的时逡逑候，长度为数毫米的电弧会产生数千瓦的功率，此时电弧温度高达几千度，电极下面的逡逑炉料由于短时间内受热会发生迅速而激烈的熔化、飞溅现希�

本文编号：2618406