直流電孤爐煉鋼控制模型的應(yīng)用

1 直流電弧爐優(yōu)化控制模型

1.1 弧流優(yōu)化控制模型

弧流控制模型是在常規(guī)PID控制的基礎(chǔ)上，增加了弧流預(yù)報(bào)和增益自適應(yīng)功能，即依據(jù)所檢測到的弧流、弧壓信號及吹氧、噴碳量等參數(shù)，預(yù)報(bào)下一時(shí)刻的實(shí)際弧流。根據(jù)預(yù)報(bào)弧流確定下一時(shí)刻的PID控制參數(shù)值，以達(dá)到弧流實(shí)時(shí)動態(tài)控制、實(shí)現(xiàn)提高弧流穩(wěn)定性的目的?？紤]到實(shí)際中存在許多不能被檢測到的復(fù)雜因素以及冶煉不同階段的不同爐況特點(diǎn)，弧流預(yù)報(bào)模型中采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以求取得控制的最佳效果。

1.2 弧壓優(yōu)化控制（電極升降控制）模型

弧壓即弧長由電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)來保持恒定，通過閥放大器、比或伺服閥、液壓缸來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)采用的電極升降控制模型，根據(jù)冶煉爐況和冶煉的不同階段，調(diào)整 控制器增益，使得前期的動態(tài)特性和后期的調(diào)節(jié)精度得到兼顧。同時(shí)，要根據(jù)設(shè)定、輸出與檢測反饋信號之間的差值、時(shí)滯和時(shí)間變化率等中間變量的分析，確定執(zhí)行機(jī)構(gòu)、爐況、料況的影響，進(jìn)行前饋，用以改善控制品質(zhì)。

相對于弧流控制而言，弧壓（弧長）控制（電極升降系統(tǒng)）的響應(yīng)時(shí)間要慢得多。而且在直流電爐的不同冶煉階段，影響弧壓（弧長）穩(wěn)定的因素也不相同，所以在設(shè)計(jì)極升降系統(tǒng)，即弧壓、弧長控制時(shí)，需要依據(jù)冶煉所處的不同階段，動態(tài)調(diào)整控制參數(shù)，以求取得電極控制的最佳性能。

1.3 功率優(yōu)化設(shè)定模型

功率優(yōu)化設(shè)定模型可歸結(jié)為態(tài)地選擇合理的決策變量（弧壓和弧流），在滿足一定約束條件下，使得輸入至EAF內(nèi)的功率滿足工藝要求。

對于直流電弧言，弧流由晶閘管的觸發(fā)角控制，其控制靈敏度很高，響應(yīng)快；而弧壓（或弧長）是由電極升降系統(tǒng)控制的，其控制靈敏度低，響應(yīng)慢。也就是說，弧流與弧壓是分別進(jìn)行控制的，且各自可調(diào)整的范圍寬，不像交流電弧爐，其弧流與弧壓的調(diào)節(jié)是相互制約的，即存在所謂的功率圓的限制。

2 應(yīng)用結(jié)果簡要分析

通過對優(yōu)化控制模型的在線調(diào)試，收集模型投入前后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)分析處理，對模型投運(yùn)實(shí)際效果做了對比與分析。

2.1 弧流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比與分析

2.2功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對比與分析

該模型可依據(jù)不同的冶煉階段及不同的冶煉特性動態(tài)設(shè)定弧流和弧壓，提高電能輸入的較率及提高熱效率，從而達(dá)到減少電能消耗、縮短通電時(shí)間等目的。由于影響功率設(shè)定的因素非常多，而且其中一些重要的因素很難進(jìn)行定量化，因此功率優(yōu)化模型的效果不如弧流控制優(yōu)化模型的效果大。功率優(yōu)化模型應(yīng)綜合考慮以下因素：（1）視在功率小于變壓器許用容量；（2）工作弧流不超過變壓器的許用弧流；（3）電弧弧長控制；（4）較高的用電效率和熱效率；（5）冶煉鋼種；（6）泡沫渣、吹氧強(qiáng)度；（7）耐材指數(shù)；（8）冶煉工藝和生產(chǎn)節(jié)奏對出鋼溫度和冶煉時(shí)間的要求等等。2100433B

綜上所述，直流電弧爐有著較多的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展直流電弧爐煉鋼技術(shù)已成為共識。最近10年，全世界已有40多臺50噸以上的直流電弧爐投入生產(chǎn)，其最大噸位為150噸。日本正在建設(shè)250噸直流電弧爐，力圖走在世界前列。我國自行設(shè)計(jì)與制造的30噸直流電弧爐已在成都、北京等地投入生產(chǎn)，所引進(jìn)的100噸直流電弧爐也已在上海建成。預(yù)計(jì)到2000年，我國建成投產(chǎn)的大型直流電弧爐將達(dá)10多座。這將為發(fā)展現(xiàn)代煉鋼技術(shù)打下良好的基礎(chǔ)。

80年代中期，國外開發(fā)出直流電弧爐煉鋼技術(shù)。該技術(shù)與交流電弧爐煉鋼技術(shù)相比，有以下優(yōu)勢：

l）電極消耗降低50%以上；

2）噸鋼能耗降低5%～10%；

3）爐襯壽命延長30%以上；

4）熔池溫度均勻，出鋼溫度波動??；

5）噪音降低10分貝左右；

6）減少閃爍50%，對電網(wǎng)電壓干擾小，電網(wǎng)容量是使用交流電弧爐時(shí)的1/2，就能滿足要求。

從結(jié)構(gòu)上看，直流電弧爐與交流電弧爐的主要不同之處，是增加了一套整流設(shè)備，將輸入的電源由交流變?yōu)橹绷?；爐頂石墨電極由三根減少為一根，爐底增加了一個(gè)底電極。從投資效益上看，直流電弧爐基建投資雖然比交流電弧爐提高20%左右，但回收期大大縮短。如我國利用原交流電弧爐的舊設(shè)備改造成直流電弧爐，其所需費(fèi)用約在半年左右的時(shí)間收回。

但電爐煉鋼也有明顯的不足之處，主要有：一是噸鋼耗電量較大，不利于節(jié)能降耗；二是要求電網(wǎng)容量大，不利于在一些電網(wǎng)容量較小的國家和地區(qū)推廣。主要原因是，在超高功率電爐上，熔化初期引起的閃爍對電網(wǎng)影響較大，因此，一般認(rèn)為，當(dāng)母線接點(diǎn)處的短路電容超過電爐變壓器的80倍以上時(shí)，電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定性好。這就要求有較大的電網(wǎng)容量。

由于目前全世界鋼鐵積蓄量很大，已超過10O億噸，每年回收的廢鋼也達(dá)數(shù)億噸，因而采用電爐煉鋼不僅僅降低能耗，而且還促進(jìn)了廢鋼的回收利用。

從目前情況來看，電爐鋼產(chǎn)量逐年增加。1994年全世界電爐鋼產(chǎn)量占鋼總產(chǎn)量的比例達(dá)32.5%，接近1975年的兩倍，顯示出良好的發(fā)展勢頭。

為了克服空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼熱效率低、鋼中含氮量高的缺點(diǎn)，用氧氣代替空氣吹煉是惟一的出路，但一般耐火材料噴嘴承受不了吹氧煉鋼時(shí)的強(qiáng)烈侵蝕。1973年，中國東北工學(xué)院(冶金系、沈陽第一鋼廠、唐山鋼廠參照氧氣底吹轉(zhuǎn)爐使用油、氧噴嘴的經(jīng)驗(yàn)，將側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的風(fēng)嘴改為油、氧噴嘴，解決了吹氧煉鋼的噴嘴壽命問題。于是空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法被改造成為氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法。氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的工藝操作和空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼基本相同。只是由于不再把空氣中大量的氮吹入爐內(nèi)，熱效率提高，原料中廢鋼比可達(dá)10%～25%，鋼鐵料消耗降低30～100kg/t鋼，鐵損減少使?fàn)t齡也有了提高。油、氧噴嘴的構(gòu)造如圖4所示。它由兩根同心套管組成，外管為無縫鋼管，內(nèi)管為紫銅管。銅管內(nèi)通氧氣，外壁切削出幾條細(xì)的螺旋油槽，和外層鋼管構(gòu)成輕柴油的通路。輕柴油和氧同時(shí)吹入爐內(nèi)，輕柴油在噴嘴出口受熱氣化和裂解，吸收了很多熱量，使噴嘴受到冷卻，噴嘴出口溫度保持在200～250℃，使噴嘴能正常吹氧而保持較長的壽命。

從1974年到1976年，中國有26座空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐改造成氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐，總?cè)萘窟_(dá)150_t。在推廣應(yīng)用吹氧后，發(fā)現(xiàn)氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐容量仍然不能增大。側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的除塵設(shè)備大(因?yàn)樾枰诖禑挄r(shí)傾動爐身，8t側(cè)吹轉(zhuǎn)爐和25t頂吹轉(zhuǎn)爐的除塵設(shè)備相當(dāng));氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐消耗輕柴油4～8L/t;鋼鐵料消耗比頂吹轉(zhuǎn)爐高10～20kg/t。由于存在這些缺點(diǎn)，到90年代初，除唐山鋼廠一個(gè)氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐車間還在繼續(xù)生產(chǎn)外，其余的氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐或改為頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐，或者停止了生產(chǎn)。

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轉(zhuǎn)爐煉鋼的原材料分為金屬料、非金屬料和氣體。金屬料包括鐵水、廢鋼、鐵合金，非金屬料包括造渣料、熔劑、冷卻劑，氣體包括氧氣、氮?dú)狻鍤?、二氧化碳等。非金屬料是在轉(zhuǎn)爐煉鋼過程 中為了去除磷、硫等雜質(zhì)，控制好過程溫度而加入的材料。主要有造渣料（石灰、白云石），熔劑（螢石、氧化鐵皮），冷卻劑（鐵礦石、石灰石、廢鋼），增碳劑和燃料（焦炭、石墨籽、煤塊、重油）。

我國超大型直流電弧爐煉鋼生產(chǎn)線于l996年9月在上海浦東鋼鐵(集團(tuán))公司建成并投產(chǎn)。該生產(chǎn)線由兩座l00t超高功率電弧爐、兩臺LF在線鋼包精煉爐、一臺雙工位真空冶煉爐和一臺300mm×2000mm大板坯連鑄機(jī)組成。并與該公司4200mm×3300mm雙機(jī)架寬厚鋼板生產(chǎn)線相匹配，組成一條國內(nèi)外一流水平的電弧爐生產(chǎn)寬厚板短流程生產(chǎn)線，年生產(chǎn)能力80×104t。