LF炉温度控制

LF炉温度控制（精选6篇）

LF炉温度控制 篇1

LF炉具有投资少, 功能强的特点, 因此近年来被广泛采用。LF炉主要功能是在非氧化性气氛下, 通过电弧加热制造高碱度还原渣, 并从钢包底部吹入惰性气体, 强化精炼反应, 进行钢液的脱氧、脱硫、合金化等冶金反应, 以净化钢液、调整钢液温度和合金成分、促进钢液温度和合金成分的均匀化, 从而达到生产工艺和钢种质量的要求。

LF炉精炼过程钢水温度模型是建立在对LF炉精炼工艺和功能深入理解的基础上, 结合现代自动控制技术, 采用先进的算法, 开发出钢包精炼炉温度预报模型。可以有效地提高自动化水平, 提高生产效率, 降低劳动强度, 减少生产成本, 并获得优质的钢水。

1 LF温度模型简介

LF温度模型主要有如下功能:根据钢液温度已有的实际测量值与采取的工艺操作, 实时推定钢液的当前温度和预报未来时刻钢液的温度, 并根据所预报的在标准处理时刻钢液的温度与目标温度的差值计算需要的通电量。操作人员根据模型所提供的信息, 可以有效的对处理过程进行控制, 减少通电升温的次数, 提高处理终了温度的命中率, 同时能够稳定操作, 缩短处理周期。

为了计算方便, 将所有事件的发生时刻, 如加合金与脱硫剂时刻、通电加热开始结束时刻转化成相对时间。相对时间即为事件的发生时间与LF炉处理开始时间的差值, 如处理开始时刻即为相对时刻0, 处理开始1分钟为相对时刻1。

2 LF温度模型的基本构成

2.1 温度模型的基本结构

假定钢液的温度随时间的变化函数为T (t) , T (t) 包括以下几部分:

TS:温度的实际测量值或者是由前工序温度计算出的钢水的初始温度;

TNATURAL (t) :自然温降;

TALLOYS:合金及脱硫剂的加入对钢液温度的影响;

THEAT:通电加热对钢液温度的影响;

TLASLEB (t) :钢包热状态及冷钢重量对钢液温度的影响;

TFW:喂丝对钢液温度的影响;

TELSE:其它因素对钢液温度的影响, 暂时预留;

TSELF:温度模型中自适应量, 暂时预留。

2.2 初始温度的说明

根据前工序的不同, 初始温度计算方法如下:

1) 当前工序为RH时。钢水在RH经过一段时间的处理, 钢包吸热基本达到饱和, 随后的温降较小, 也比较均匀, LF处理的初始温度可用下式计算:

式中:

Tlast:RH处理最后一个温度值;

B:前工序为RH时的温降系数;

Δt:LF处理开始时间与前工序Tlast测温时间间隔。

2) 当前工序为LD时, 初始温度无论如何计算都不会很准确, 采用下式计算:

A:前工序为LD时的温降系数1;

C:前工序为LD时的温降系数2。

根据实际数据回归求出, 或者用AIMT软件对实际统计的温度数据建模。

2.3 各个子项的具体说明

2.3.1 自然温降

TNATURAL (t) :对实验数据用AIMT软件建立数学模型, 通过AIMT软件可以生成模型用的人工智能算法的子程序及相关系数, 所生成的子程序与其它函数式一起进行温度叠加计算。

2.3.2 合金及脱硫剂对钢液温度的影响

1) 合金及脱硫剂

虽然合金及脱硫剂的加入是瞬间的, 但对钢液温度的影响要在其后的1~3分钟才能完全体现出来。

将加入的合金及脱硫剂对温度的影响平均分配到加入时刻之后的3分钟时间里。

其补正公式为:T (t) =T (t0) +ΔTALLOYS (t-t0) /3

式中:

t0:加入合金的时刻;

T (t) :t时刻钢液的温度 (t0+1≤t≤t0+3) ;

T (t0) :t0时刻钢液的温度;

ΔTALLOYS:加入合金及脱硫剂对钢液温度的影响。

若一次加入合金及脱硫剂大于3吨, 则将加入的合金对钢液温度的影响平均分配到加入合金的4分钟时间里, 计算公式同上。

合金进入钢液, 钢液的总重量增加, 因此应将合金的重量考虑在内。

2) 合金及脱硫剂的温降系数

合金与脱硫剂温降系数如表1所示。

2.3.3 通电加热对温度的影响

正常情况下计算通电加热对钢水温度的影响, 应根据电弧的有功功率与通电时间, 计算钢水的温度随时间的变化。但是三相电弧加热由于受许多因素的影响, 有功功率波动较大, 上述的计算会带来较大的误差。本方法由过程记录的周期信息中的累计耗电量, 确定每一分钟消耗的电量, 从而计算出通电加热对温度的影响。单位电量使钢水温度的改变量见下表。

表2中的热效率系数是根据实际统计数据回归求出。

2.3.4 钢包热状态和冷钢重量对温度的影响

自然温降中包括因钢包及包底冷钢的吸热引起的钢水温度下降, 但是自然温降是建立在钢包状态出现概率最高的良好状态, 对于与自然温降建立时不同的钢包状态, 应对钢水温度进行补正。按照上一炉浇注结束至本炉出钢开始时间的长短, 将钢包状态分成六级 (1、2、3、4、5、6) ;根据包底冷钢重量的多少, 将包底冷钢对温度的影响分成五级 (A、B、C、D、E) 。钢包状态及包底冷钢的每一个级别在计算温降时都有相应的温度补正标准, 见表3。钢包状态及包底冷钢的分级标准见表3。

1) 包底冷钢的具体补正方法

LF炉通过吹氩搅拌促使钢液成分、温度均匀, LF炉处理开始即开始吹氩搅拌, 因此包底冷钢对处理过程温降的影响应从第1分钟计算, 直至循环均匀。假定循环均匀需要3分钟, 并且包底冷钢的温度补正量平均分配到3分钟上, 则其对温降的影响公式如下:

T (t) :t时刻钢液的温度;

T (0) :处理开始时刻钢液的温度;

TB1:温度补正量。

2) 钢包状态的具体补正方法

LF炉处理时, 钢水已在钢包中停留了较长的一段时间, 可以认为, LF处理过程中, 钢包的吸热比较平稳。总的说来, 钢包状态比较好时, 对处理过程中温降影响较少。假定钢包吸热主要发生在前10分钟, 补正公式如下:

T (t) :t时刻钢液的温度;

T (0) :处理开始时刻钢液的温度;

TB2:温度补正量。

2.3.5 喂丝对温度的影响

喂丝一般持续2~4分钟, 可在喂丝结束根据喂丝量和丝线种类计算喂丝引起的总的温降, 并将这一温降平均分配到喂丝所持续的这一段时间内。各种丝线的温降系数如下表所示。

2.3.6 无吹氩搅拌时对自然温降的修正

自然温降是在有吹氩搅拌的状态下求出的, 而在LF炉的整个处理周期内, 某些时段没有吹氩搅拌, 在没有吹氩搅拌时, 钢水散热减慢, 必须对自然温降进行修正, 没有吹氩搅拌这段时间的自然温降乘一修正系数。

2.4 计算达到目标温度需要的通电量

如果温度模型所预报的在标准处理时刻钢液的温度与目标温度的差值小于0, 则计算需要的通电量, 公式如下:

TNT:所预报的在标准处理时刻钢液的温度;

TAIM:目标温度;

ΔT:温度差。

当ΔT<0时, 则需计算需要的通电量。

Q:需要的通电量 (单位:kwh) ;

WSTEEL:钢液重量 (单位:kwh) ;

DHEAT、COEHEAT的值同表2。

2.6 LF温度模型启动方式

1) 事件启动方式

当以下事件发生时, 模型自动启动进行计算, 成功完成计算后, 模型画面显示计算输出信息与部分输出信息, 并绘制温度预报曲线。

3 结语

LF炉钢水温度预报模型主要应用于LF精炼过程中快速、准确地预报钢水温度, 与精炼钢水成分预报模型、脱硫模型、吹氩搅拌模型构成了LF炉精炼过程控制模型, 是实行LF炉精炼过程自动化控制地重要基础。

摘要：本文介绍了LF炉温度模型, 其根据钢液温度已有的实际测量值与采取的工艺操作, 实时推定钢液的当前温度和预报未来时刻钢液的温度, 并根据所预报的在标准处理时刻钢液的温度与目标温度的差值计算需要的通电量。操作人员根据模型所提供的信息, 对处理过程进行控制, 减少通电升温的次数, 提高处理终了温度的命中率, 同时能够稳定操作, 缩短处理周期

关键词：LF炉,钢水温度,预报模型

参考文献

[1]李晶.钢包精炼过程中钢水成分微调及温度预报[J].钢铁研究学报, 1999, 11 (2) :6-8.

[2]傅杰.发展我国钢的二次精炼技术的建议[J].特殊钢, 1999, 20 (增刊) :23-25.

论LF炉精炼脱硫效率的提高 篇2

一、硫对钢材质量的影响和危害

硫是钢材中主要的有害元素, 主要来自于原料, 在钢中主要是以Fe S的形式存在。硫对钢材的危害主要是对钢产品的力学性能产生影响, 降低了钢材的韧性, 尤其是对于在各方向上受力性能均有较高要求的板、管类钢材危害更大;钢中夹杂的硫化物如Fe S等, 使钢材在轧制过程中因其与钢液的熔点不同, 易产生“热脆”现象, 导致钢破裂, 影响钢材的轧制;硫还会明显地降低钢材的焊接性能, 易导致钢材在高温焊接中引起高温龟裂, 并会使焊缝中产生许多气孔和疏松, 影响焊接的质量, 留下使用安全性方面的隐患;当硫的含量超过0.06%时, 会降低钢的耐腐蚀性, 钢中的硫化物往往是钢体产生腐蚀作用的源头。除此以外, 硫还会影响钢的电磁性能, 并且硫在连铸坯凝固结构中的偏析也是最为严重的。

现代建筑行业、机械制造业以及各种管道, 如石油输送管、天然气输送管、热力输送管等方面, 都对钢材的机械性能和韧性等指标有着较高的要求。对于炼钢工艺中脱硫的处理原则是越彻底越好、硫含量越低越好。促进和影响脱硫效果的主要因素是“三高一低”, 即高温度、高渣度、高碱度和低氧化亚铁含量。利用好各种脱硫有利因素, 实现快速脱硫、深度脱硫, 对于提高脱硫的效率和提高钢材的质量都具有重要的意义。

二、LF炉精炼工艺的简介

LF炉即钢包精炼炉, 实际就是电弧炉的一种特殊形式, 它不同于其他靠真空脱气的方法, 而是主要利用白渣进行精炼的, 是70年代初期在日本发展起来的精炼设备, 具有结构简单、操作灵活、投资费用少、产品质量好等特点。其生产工艺的优势主要体现在加热、搅拌、加料、空气密封性等方面。LF精炼炉采用埋弧加热法, 将三根电极插入渣层中来进行加热, 这种加热方式的辐射较小, 对炉衬有保护作用, 且热量损失小、加热效率高、温度可控, 利于在钢液中添加各种渣料和合金;LF炉具有较好的搅拌效果, 采用氩气进行对钢液的搅拌, 使钢、渣之间充分接触, 促进钢、渣间的化学反应和物质传递, 有利于钢液的脱氧、脱硫, 并且可以提高钢液成分和温度的均匀性, 提高钢材质量;LF炉在精炼时靠钢桶上的水冷法兰盘、水冷炉盖及密封橡皮圈起到密封和隔离空气的作用, 良好的密封性利于炉内还原性气体的增加和保持。

三、LF炉精炼对提高脱硫效率的作用

前面我们讲到促进脱硫效率的提高, 主要是满足“三高一低”, LF炉的脱硫原理主要是利用其自身结构和工艺技术特点对影响脱硫效果的几方面因素产生作用, 从而提高脱硫的效率。LF炉精炼在满足“高温、高渣、高碱、低氧化”的脱硫影响因素方面有着比较理想的效果。

1.对高温度的控制。脱硫反应本身是一种吸热反应, 在脱硫的过程中需要消耗掉大量的热能, LF炉先进的电弧加热的方式具有较高的加热效率和对温度的精确控制, 可以满足脱硫反应所需的热量。较高的温度 (1560℃) 和较长的加热时间有利于钢液中脱硫反应的进行, 降低钢中硫的含量, 并且高温还会增加钢液的流动性和促进渣料的熔化, 增加钢液和白渣的接触, 有利于白渣脱硫效果的发挥, 从而有效地减少钢液中硫的含量。

2.对高渣量的控制。白渣主要成分为Ca O, LF炉主要是利用白渣与钢液中硫的反应来实现脱硫的。白渣脱硫的基本化学反应方程式为Fe S+Ca O=Fe O+Ca S, Ca O在高温下与钢液中的Fe S发生反应, 消耗掉一定量的Ca O, 生成化学性质较为稳定的Ca S, 达到脱硫的目的。增加渣量 (Ca O) 可以有效地增加对钢液中硫的脱除量, 降低其硫含量, 提高脱硫率。

3.对高碱度的控制。较高的碱度也是影响脱硫效果的重要因素, 炉渣的碱度直接影响炉渣的黏度和脱硫能力, 对钢液高碱度的控制也可以通过加入Ca O来实现, 渣中Ca O含量以 (50%~60%) 为宜。如果渣中Ca O的含量过高的话, 则会导致钢渣黏度的增加, 不利于渣体的流动, 反而会降低脱硫的效果。因此, 必须将碱度控制在一定的范围内。在保证脱硫所需碱度的同时, 又使熔渣具有良好的流动性, 达到最佳的脱硫效果。

4.对低氧化亚铁含量的控制。钢液和白渣中如果Fe O含量较多的话, 会影响到白渣的脱硫效果, 因此必须要设法降低和控制Fe O的含量。首先, LF炉较好的密封性可以隔离空气中的氧;还原渣和加热时石墨电极可与渣中的Fe O、Mn O等反应生成CO气体, 增加炉气的还原性, 从而阻止炉气中的氧向金属进行传递, 起到控制和减少Fe O含量的作用。另外, 氩气搅拌也是LF炉精炼的一大特点, 氩气属于惰性气体, 难以和钢液及渣体之间产生化学反应, 是良好的搅拌气体。氩气的搅拌加速了钢与渣之间的接触和物质传递, 促进了两者之间的化学反应, 有利于LF炉精炼的脱氧、脱硫效果, 脱硫35 min即可使脱硫率达到30%以上, 有效地提高了LF炉精炼脱硫的效率。

四、结语

LF炉温度控制 篇3

在包括炉外精炼的钢铁生产过程中, 由于受钢水面渣层厚度、底吹氩流量、大包耐火层、电网电压波动、液压伺服系统及控制调节比例阀放大板的精度与零漂变化等因素影响, 对象难以用数学模型描述, 故此, 近年来国内大力采用智能控制技术来解决, 但电极调节系统具有高度的非线性、时变性和相当的复杂性, 单靠一种智能控制方式已无法满足控制要求, 因此迫切需要设计某种综合的、集成的智能控制策略来解决复杂的控制问题。本文提出了基于复合智能控制策略的集成系统控制方案, 较好地解决了精炼炉电极升降控制问题。

1 复合控制系统方案

精炼炉的冶炼一般采用一个控制模型。本文分析了精炼炉电极升降过程中不同弧长对控制的精度和灵敏度要求不同, 采用电流平衡控制, 确定升降过程中不同状态的最佳电流目标值, 再根据需要选取不同的控制方法, 以提高电极升降控制的精度及灵敏度。

在电极下降初期, 此时偏差量较大, 电极与钢液面之间未产生电弧, 为了提高起弧速度, 电极可快速下降。起弧后, 如吹氩导致钢液面波动较大时, 负偏差量较大, 电极如不能快速响应时, 则容易产生短路, 此时要求控制灵敏度较高, 对控制精度相对较低, 采用快速最优 (Bang-Bang) 控制, 可实现无超调快速调整。电极弧长与目标弧长偏差量中等时, 吹氩扰动相对较小, 希望兼顾快速性和精度, 采用模糊控制。白渣精炼时, 炉况相对平稳, 要求控制精度更高, 采用PID控制。图1为电极升降智能复合控制系统框图。

2 控制器设计

2.1 快速最优 (Bang-Bang) 控制

电极调节系统是一个位置控制系统, 设以时间最短为目标, 以功率最大作为约束条件, 以电极调节阀允许最大速度输出达到快速调节的目的设计调节器, 称为Bang-Bang控制, 在电极运动速度受到约束的条件下, 电极运动相迹图和开关线如图2所示。

由图2可知, 对于任一初态, 只要判断弧长偏差量x1 (t) =ei=Ls-Lp是否达到L或-L, 便可以确定开关时刻实现快速控制。设电极平衡位置为零, 系统初态t=0时弧长偏差量为x1 (0) , 电极初速度为x2 (0) , 则电极运动方程为

x1 (t) =x2 (t)

x2 (t) =α (t)

式中:x1 (t) 为电极位移量, 即弧长偏差量;x2 (t) 为电极移动速度;α (t) 为电极移动加速度。

|α (t) |≤αM (1)

式 (1) 表示电极运动加速度受限制。

由图2可知, AO段相迹方程为

$x{}_1(t)=-\frac{1}{2\alpha {}_{{\rm M}}}x{}_2^2(t)(2)$

BO段的相迹方程为

$x{}_1(t)=\frac{1}{2\alpha {}_{{\rm M}}}x{}_2^2(t)(3)$

则开关线相迹方程为

${\rm H}[x{}_1(t)‚x{}_2(t)]=x{}_1(t)+\frac{1}{2\alpha {}_{{\rm M}}}x{}_2(t)|x{}_2(t)(4)$

事实上, 由于电极运动速度受限制, 当电极加速到限制速度时即可作如下方程。

$\{\begin{array}{l}x{}_1(t)=\frac{1}{2}\alpha {}_{{\rm M}}t{}^2+x{}_2(0)+x{}_1(0)\\ x{}_2(t)=\alpha {}_{{\rm M}}t+x{}_2(0)\\ x{}_2(t)=V{}_{{\rm H}}\\ x{}_1(t)=-{\rm K}\end{array}(5)$

由式 (5) 可得:

${\rm K}=-\frac{1}{2\alpha {}_{{\rm M}}}[V{}_{{\rm H}}^2-x{}_2^2(0)]-x{}_1(0)(6)$

同理在[R_]区有

${\rm K}=\frac{1}{2\alpha {}_{{\rm M}}}[x{}_0^2(0)-V{}_{{\rm H}}^2]+x{}_1(0)(7)$

则控制律为

$\alpha (t)=\{\begin{array}{l}\alpha {}_{{\rm M}}{\rm H}[x{}_1(t)‚x{}_2(t)]<0\\ 0L<|x{}_1(t)|<{\rm K}\\ -\alpha {}_{{\rm M}}\mathrm{sgn}[x{}_2]{\rm H}[x{}_1(t)x{}_2(t)]=0\\ -\alpha {}_{{\rm M}}{\rm H}[x{}_1(t)x{}_2(t)]>0\end{array}(8)$

这里采用电弧电流Ih与弧长关系在线测取Lp。设取电弧炉炼钢过程一相电极的等效电路如图3所示。

图3中, U1为相电压, XL为感抗, R为电阻, Uh为电弧电压 (简称弧压) , Ih为电弧电流 (简称弧流) 。

$U{}_1=\sqrt{(U{}_{\text{h}}+L{}_{\text{h}}R){}^2+({\rm I}{}_{\text{h}}X{}_{\text{L}}){}^2}(9)$

而弧压与弧长关系为

Uh=βLp+α (10)

式中:α为阴极和阳极区电压降和, V;β为电弧系数, 即弧柱电压梯度, V/mm。

由式 (9) 和式 (10) 有

$L{}_{\text{p}}=\frac{1}{\beta }[\sqrt{U{}_1^2-({\rm I}{}_{\text{h}}X{}_{\text{L}}){}^2}-{\rm I}{}_{\text{h}}R-\alpha ](11)$

根据以上结论, 可以编制快速最优 (Bang-Bang) 控制子程序流程图如图4所示。

2.2 模糊控制

通常的二维模糊控制器都是以偏差e (t) 和偏差变化率ec (t) 作为输入, 而在电极调节系统的过渡过程中, 不同时域所要求的性能指标的重点是不同的, 因此将时间t作为控制策略的一个重要的参考因子是非常必要的。因而以时间t替代ec (t) 作为输入, 构成新的二维Fuzzy 控制器。

1) 时间t和偏差e (t) 的模糊化。

首先取时间t的模糊子集t= {负大, 负中, 负小, 零, 正小, 正中, 正大}, 设定其相应的语言变量T的模糊子集为T={NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB}, 取偏差|e (t) |的模糊子集为|e (t) |= (很大, 大, 中, 小) , 设定其相应的语言变量E的模糊子集E={VB, B, M, S}。

T和E的语言变量值最终是通过三角形隶属函数来描述。由于它的形状仅与直线斜率有关, 因此适合于有隶属函数在线调整的模糊控制。

2) Kp控制器。

PD控制器中, 比例增益Kp增大, 可以加快电极调节系统的响应, 减少系统稳态误差, 提高控制精度, 但是Kp过大会使系统产生超调, 甚至导致系统不稳定;反之减小Kp, 能使系统稳定裕度增大, 减少超调量, 却降低了系统精度, 使过渡过程时间延长。因此, 实现Kp自调整将可以随时改变系统的静态和动态性能, Kp参数的控制作用原理图如图5所示。

图5中, Vd为被控制量V的给定值, Up为Kp控制作用的输出。模糊逻辑控制器 (fuzzy logic controller, FLC) 的输出量为Kp的增量ΔKp, 其模糊子集为{NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB }。

3) 模糊控制规则的建立。

根据专家的控制经验和直觉推理, 经过整理、加工和提炼后构成模糊控制规则 (亦叫经验归纳法) 。对于二维模糊控制器, 采用Mandani控制规则, 得表1所示的模糊控制规则表。

表1给出的控制规则Rz具有如下关系:

式中:Ai为偏差的语言变量模糊子集;Bj为时间的语言变量模糊子集;Ck为ΔKp的语言变量模糊子集。

定义模糊关系为

RE=A×C RKP=B×C

则 UPZ=E·RE∧T·RKP

其控制输出Up为

$U{}_{\text{p}}=\underset{z=1}{\overset{28}{{\displaystyle U}}}U{}_{\text{p}z}=\underset{z=1}{\overset{28}{{\displaystyle V}}}U{}_{\text{p}z}(13)$

从而实现了参数ΔKp的在线调整。

4) 模糊推理。

模糊规则确定后, 接着进行模糊推理 (亦称为似然推理) , 其一般形式为

if E=VB and T=NB then ΔKp= NB

if E=B and T=NB then ΔKp=

当给定的前提为模糊集时, 可以采用似然推理方法进行推理, 假设有如下2条推理:

R1:if E=A1 and T=B1 then ΔKp=C1

R2:if E=A2 and T=B2 then=C2

已知E=e0, T=t0 则根据它们的隶属函数μAi (e0) , μBi (e0) (i=1, 2 是相邻2个模糊子集的序号) , 可以求出合成度为

ω=μAi (e0) ∧μBi (t0) (14)

则对于序号为i的规则其推理结果为

μCi (ΔKpi) =ω∧μCi (ΔKpi) (15)

$\mu {}_{Ci}(\text{Δ}{\rm K}{}_{\text{p}})=\underset{i=1}{\overset{2}{{\displaystyle V}}}\omega \wedge \mu {}_{Ci}(\text{Δ}{\rm K}{}_{\text{p}i})(16)$

实际上, 式 (16) 已获得推理的结果, 表示模糊控制的规则推理功能已经完成。但是, 至此所得结果仍是1个模糊值, 不能直接用来作控制量, 还必须作1次转换, 求得明确的控制量输出, 即为解模糊。

5) 解模糊。

解模糊通常使用中心法来实现, 中心法使用max的方法, 将推理求和后算出, 其中心 (比例增益的增量ΔKpo) 为

$\text{Δ}{\rm K}{}_{\text{p}\text{o}}=\frac{\mu {}_{C1}(\text{Δ}{\rm K}{}_{\text{p}1})\text{Δ}{\rm K}{}_{\text{p}1}+\mu {}_{C2}(\text{Δ}{\rm K}{}_{\text{p}2})\text{Δ}{\rm K}{}_{\text{p}2}}{\mu {}_{C1}(\text{Δ}{\rm K}{}_{\text{p}1})+\mu {}_{C2}(\text{Δ}{\rm K}{}_{\text{p}2})}(17)$

2.3 PID控制

PID 控制采用下列增量式经典方程

$u(t)={\rm K}{}_{\text{p}}[e(t)+\frac{1}{{\rm T}{}_{\text{Ι}}}$∫${}_0^t$$e(t)\text{d}t+\frac{{\rm T}{}_{\text{D}}\text{d}e(t)}{\text{d}t}](18)$

其离散化方程为

由式 (19) 不难编制出PID控制程序。

3 智能复合控制问题

根据弧长偏差量ei组成简单规则集来实现智能复合控制, 主要规则有

1) IF ei≥X1 THEN Ue=-Um, Bang-Bang控制, 电极快速上升;

2) IF ei≤-X1 THEN Uc=+Um, Bang-Bang控制, 电极快速下降;

3) IF X2<|ei|≤X1 THEN Uc=模糊控制算法输出;

4) IF X3<|ei|≤X2 THEN Uc=PID控制算法输出;

5) IF |ei|≤X3 THEN Uc=0。

上述规则集符合二次满映射条件, 因此这种规则控制的系统是完全可控的。

对于规则集还可以根据给定弧流及实际弧流进行模糊推理得到不同控制算法的切换点, 即上述的X1, X2, X3。

4 仿真结果及现场运行效果

电极升降控制系统按图1进行仿真, 系统数据源于某厂实际运行的70 t LF炉。系统在单位阶跃输入下智能复合控制和PID控制的输出过渡过程波形如图6所示。智能复合控制系统在方波输入下的输出波形如图7所示。

从实验结果可看出, LF炉电极升降系统采用智能复合控制, 吸取了Bang-Bang控制、模糊控制、PID控制各自的长处, 克服其不足, 在同一条件下, 提高了系统的控制精度和跟踪能力。智能复合控制的响应速度比一般PID控制快5倍;智能复合控制静差为 PID控制的20%。

该控制方案进行了长时间调试及实验, 取得了良好的控制效果和大量实际数据, 达到了预期的设计目的, 为今后的电极调节提供了一种新的方法。

参考文献

[1]李少远.智能控制的新进展[J].控制与决策, 2002, 17 (2) , 137-140.

[2]梁正敏.高阻抗电弧炉[J].工业加热, 2001, 30 (3) , 21-24.

LF炉导电横臂拉杆系统优化 篇4

某钢铁公司高速车轮用钢生产线技术改造工程新建1座120 t LF双工位精炼炉, 1座120 t LF单工位精炼炉, 年处理的钢水量为110万吨, 其中80%提供给圆坯连铸, 20%提供给模铸及铸件。电极升降装置包括电极横臂和电极立柱两大部分, 电极横臂由3套铜钢复合导电横臂, 3套电极夹紧放松机构及3个导电夹头组成。LF炉电极横臂采用铜钢复合导电横臂全水冷结构, 3根铜钢复合导电横臂均为箱式结构, 中间为无缝钢管的芯管, 箱形体通水进行强制水冷, 以保证足够的热态强度及刚度。电极的夹紧装置置于横臂中, 具有良好的工作环境, 利用碟簧夹紧, 液压缸进行放松。3根横臂的夹紧装置结构尺寸完全一致, 具有良好的互换性, 减少用户的备品备件。拉杆本体套有碟簧, 头部与电极抱圈连接在一起, 尾部是液压缸, 当油缸工作活塞杆伸出时候, 顶动拉杆向前移动, 此时抱圈打开, 可以放松电极, 进而更换电极或调整电极长度, 更换电极或调整电极长度动作结束后油缸泄压, 同时碟簧起作用, 抱圈收紧, 电极被夹紧。

1 存在的问题

(1) LF炉导电横臂在生产中经常出现某相电极不能放松, 导致不能正常更换或调整电极长度。

(2) 有时在电极放松时候会出现某相拉杆顶到导电夹头而损坏导电夹头, 导电夹头为水冷件, 水会沿着电极流向装满钢水的钢包中, 非常危险。

(3) 在生产过程中出现上述情况, 需要等炉盖和电极冷却后检修人员才能到电极横臂上进行拆除油缸、调整拉杆调节螺母作业, 造成抢修费时费力。

(4) 薄螺母设计过大, 调整空间较小, 不易调整。

(5) 拉杆系统稳定性较差, 反复拆装造成设备使用寿命降低。

2 改造方案

2.1 原因分析

每个工位有三相导电横臂平行排列, 在生产过程中, 由于大电流通过, 导电横臂周围存在磁场, 根据安培定则, 带电导体在磁场中产生洛伦兹力;三相通电的导电横臂处在彼此的磁场中, 导电横臂存在振动现象, 拉杆在导电横臂内部随导电横臂一起振动, 拉杆系统中存在调节螺杆和薄螺母, 该螺杆在拉杆后面通过螺纹与拉杆连接在一起, 调节螺母与薄螺母在导电横臂振动过程中会出现松动现象。根据拉杆系统结构 (图1) , 以上情况在多次实际抢修过程中拆下液压缸后均得到验证。

(1) 当调节螺杆因振动进入拉杆内部过长时候, 会使得整个拉杆系统的总长度缩短, 而液压缸活塞的行程是固定的, 这就使得拉杆的行程缩短;随着放松电极次数增多, 调节螺杆旋入的距离增加, 当液压缸活塞完全伸出, 但拉杆行程不足, 使得抱圈不能打开, 电极不能放松, 进而不能完成电极更换或者电极消耗后不能将电极向下释放。最终不得不停止生产, 将后边液压缸拆下, 把调节螺杆向外面旋转, 使得拉杆系统的长度恢复到原来的长度, 然后旋紧防松动螺母。

(2) 当调节螺杆因振动而旋出时候, 拉杆总长度增加, 这样在放松电极进而更换电极或调整电极长度时候, 拉杆与触板的距离会缩短, 随着放松电极次数增多, 调节螺杆旋出的距离增加, 当距离增加到一定程度如果更换电极, 抱圈完全打开, 拉杆头部会顶到导电夹头 (图2) , 由于导电夹头为水冷件, 当受外力作用而变形时候, 水管接头会出现漏水现象, 流出来的水会沿着电极直接流到钢包中, 非常危险。最后结果和情况 (1) 相同, 需要停产检修;

(3) 通过3次导电横臂拉杆与触板实际测量, 数据对比后可以说明上述缺陷的存在, 数据详细见表1和表2。其中定义最大间距为油缸活塞杆完全收回, 抱圈完成夹紧动作后拉杆与导电夹头的间距;最小间距为油缸活塞杆完全伸出, 抱圈完全打开后拉杆与导电夹头的间距。当前后距离数据相比有所增大, 变化量Δx为正值, 反之为负值。从每个表格中最小值变化可以看出处双工位A相电极外, 最小间距均又增大的趋势, 说明该调节螺母并不能相对螺杆静止, 同时经过计算, 根据调节螺杆螺距值数据与最大变化量数据得出:平均15 d每一相导电横臂调节螺杆要向内或向外旋转一圈, 如果长时间不去检查拉杆与导电夹头的距离会对保产造成不利影响。

mm

mm

2.2 具体要求

(1) 抱圈能按照操作要求正常的打开和关闭, 使得电极被放松, 进而顺利进行更换电极或调整电极长度操作。

(2) 当放松电极时候, 不可以再出现顶坏水冷件导电夹头的情况。

(3) 增加拉杆系统稳定性, 延长设备使用寿命。

2.3 改造方案

(1) 将薄螺母尺寸减小, 使其旋转更为容易。

(2) 在线将调节螺杆装入拉杆中并安装油缸, 将油缸工作方式转为手动, 慢慢使油缸活塞杆开启关闭, 这样可以保证拉杆不会顶坏导电夹头;如果在手动过程中看到拉杆有可能顶坏导电夹头则立即停止, 然后油缸泄压, 将油缸拆下, 调节螺杆向拉杆内旋转相应尺寸, 重复上步操作, 直到调整到合适的最大距离、最小距离。

(3) 调完调节螺杆的长度后, 将拉杆整体拆下, 用氩弧焊将防松螺母与调节螺杆、拉杆先通过点焊的方式焊接在一起, 再焊接一周并且要求焊缝满焊 (图3) 。

(4) 将尺寸固定的一体化拉杆装入导电横臂中, 试验正常后正常使用, 后续跟踪时间为3个月, 如果没有问题则达到优化效果。

3 结束语

在充分考虑某钢铁公司120 tLF炉电极旋转钢包精炼炉电极横臂拉杆系统的特点并展开技术论证后, 认为某钢铁公司120 t LF炉电极旋转钢包精炼炉电极横臂拉杆系统如果选择一体化拉杆设计, 将能较好解决生产过程中拉杆长度不固定, 拉杆系统稳定性较差, 反复拆装造成设备使用寿命降低等问题, 提高拉杆系统可靠性, 对保证公司120 tLF炉电极旋转钢包精炼炉电极横臂拉杆系统安全稳定运起到积极作用。

摘要：马钢特钢公司高速车轮用钢生产线, 120 t LF钢包精炼炉项目的 120 t LF炉电极夹持设计方案, 使用结果表明, 采用一体式拉杆工作正常, 故障率低, 满足生产要求。

关键词：LF炉,拉杆,防松螺母,优化

参考文献

[1]高泽平.炉外精炼教程[M].北京:冶金工业出版社, 2011.

双工位LF炉工艺上的优缺点剖析 篇5

为适应3座转炉 (180 t) 和4台连铸机 (3台板坯、1台方坯) 快节奏的生产, 某炼钢厂从国外引进了3座180 t双工位LF炉作为配套工艺设施, 该设施的电极台架采用倒挂式, 通过旋转112°角实现一套变压器和高压系统进行双工位冶炼的目的, 既节省了投资成本又充分减小了LF炉热停时间, 收到了快节奏生产的良好效果。该工艺设施通过3年多的生产实践, 既体现了其工艺设计的先进性, 也暴露了一些问题。

1设施概况

整个车间工艺流程:铁水脱硫站 (3个) —转炉 (3座) —双工位LF炉 (3座) —RH (2座) —连铸 (4台:1台一机一流的板坯、2台二机二流的板坯、1台八机八流的方坯) 。

单座双工位LF炉设备包括以下6个主要系统:

(1) 两套钢包车系统, 其两对车轨平行对称布置;

(2) 两套炉盖及升降系统 (分A、B两工位) , 其中每套炉盖包括一套烟罩除尘系统;

(3) 一套电极升降及旋转系统, 电极升降分主升降和副升降两级。主升降又叫总升降, 由一个大油缸完成, 总行程4 000 mm;副升降由三个小油缸完成, 总行程800 mm, 起到三相电极单独小范围微调节的作用;电极旋转通过液压马达带动旋转齿轮完成, 旋转齿轮就是整个电极台架的支撑轮;

(4) 一套变压器及高压系统, 变压器功率为2.8 MVA;

(5) 一套液压系统, 液压设备全部由德国Fuchs公司提供;

(6) 一套高位加料系统。

2设备的优越性

2.1精炼节奏加快

由于单炉转炉冶炼时间在35 min左右, 单台精炼炉冶炼时间在40 min左右, 而板坯单炉浇铸时间在25 min左右, 方坯单炉浇铸时间在50 min左右。这样, 加快精炼节奏就显得尤为重要, 引进双工位LF精炼炉也就是出于这方面的考虑。该精炼设施的电极系统是旋转式的, 两工位 (A、B工位, A在北面, B在南面) 同时具备钢水在线冶炼的能力——通常一工位在脱氧、调渣、升温的同时, 另一工位就可进行钢水座包、吹氩、取样、测温、粗调成分的工作, 温度高的也可提前将精炼渣加入, 这样在前一炉精炼结束到后一炉通电之前, 后一炉精练工作已完成了50%以上, 有的甚至于90%, 精炼工位就相当于吹氩站, 这样尽管单炉精炼时间40 min不变, 但单座LF炉在40 min内可精炼1.5～1.8炉钢水, 精炼节奏大大加快;且减少了变压器及高压系统在单工位冶炼时的等待时间, 提高了其作业效率。

2.2降低炼钢电耗和电极消耗

由于精炼节奏加快, 使得转炉出钢后钢水在包等待时间缩短, 从而温降减小, 这样LF炉通电时间缩短, 于是电耗和电极消耗都下降。

2.3钢包包龄提高

钢水在包时间缩短, 则其对钢包热侵蚀的时间缩短, 包龄相应提高。

2.4更换电极省事、安全

由于电极可旋转, 于是在电极消耗变短时可将其水平旋转到中间位停放, 然后在停放位的操作平台上进行电极的续长或更换。既快捷省事又安全可靠, 减轻了行车的负担;而单工位LF炉必须在在线位进行电极的续长或更换工作, 隐患多多, 且必须有行车才可进行。

2.5主要技经指标 (平均值) 日精炼炉数:42炉;

精炼电耗: 25 kWh/t钢;

电极消耗: 0.27 kg/t钢;

包龄: 120次。

3设备需改进的问题

3.1两工位使用性能不一致, 一好一差

由于钢包的两透气芯位置固定不变, 都位于工位南侧, 而两工位加料孔位置布置在旋转区的外侧:即A工位在北侧, B工位在南侧。A工位加料位正好处在氩气翻动不到的区域, 从而使得A工位化渣及合金熔化、均匀远不及B工位效果好。如不精心操作, 经常出现A工位钢水合金成分不均匀、渣料成堆成块现象, 造成精练时间延长;此外, A工位氩气翻动在炉门口, 用电石调渣时, 稍不当心就会增碳严重。为避免这些现象, 除精心操作之外, 有待在钢包底部北侧增加第三块透气芯, 以便钢包钢水搅拌均匀, 改善精炼效果。

3.2三相电极的有效长度 (电极夹持器往下的长度) 相差不能太长

因电极调节分主升降和副升降两极调节, 而单相电极有效调节 (靠副升降) 范围只在400 mm之内。例如:假设Ⅰ 、Ⅱ相电极一样长, 而Ⅲ相电极比它们短500 mm, 先不动副升降, 通过主升降下降使Ⅰ 、Ⅱ相电极到达起弧区, 然后再通过副升降将Ⅲ相电极降到最低, 这时离起弧区还差100 mm, 此时势必通过主升降下降才可到达起弧区, 而主升降一下降, Ⅰ、Ⅱ相必跟着下降, 处于过电流甚至短路状态, 这时PLC就无法调节了。

3.3电极与炉盖、烟罩之间易出现拉弧现象

由于电极经常旋转, 且是三级连接 (旋转齿轮与电极台架的主升降立柱连接、电极台架与带导电横臂的副升降立柱连接、导电横臂与电极连接) , 因此电极在A、B工位定位误差较大;加之执行炉盖升降的三个油缸很难同步, 使得炉盖难以水平, 这样电极通电过程中经常碰炉盖或烟罩, 造成炉盖或烟罩拉弧漏水现象时有发生。

4结束语

通过3年多的生产实践, 双工位LF炉快节奏生产的效果良好, 日处理炉数达40炉以上, 而且主要技经指标如包龄、电耗、电极消耗都很理想, 大大降低了炼钢成本。尽管还存在一些不足, 也突显了其在规模化生产中的先进性和优越性。

摘要：剖析了双工位LF炉工艺上的优缺点, 论证了其先进性, 提出了需改进的问题。

LF炉温度控制 篇6

作为一个高耗能的行业,中国钢铁工业面临着增效降耗的巨大挑战,但是中国的能源供应、能源生产的增长却滞后于钢铁增长,因此,节能减排、循环经济,将是钢铁工业今后的重要工作。对于冶金企业,电机系统是主要的设备,节能潜力大,国家“十一五”十大重点节能工程将电机系统节能工程列为其中。

电机节能系统工程,就是以最少的电能获得最大的效益,而不是考虑中间具体环节。我国风机、水泵和压缩机总装机容量约1.6亿Kw以上,占全国电力消耗的1/3。若更新电机、风机、水泵系统,采用变频调速方式,改善风机、泵类电机系统机械节流调节方式是最为理想的节能手段,尤其在某些特定工艺下,中、高电压和大功率的电机采用高压变频器节能效果尤为明显。

2 炼钢厂LF炉除尘工艺及设备参数介绍

某炼钢厂全连铸工程是为提高连铸比、提高质量、降低能耗、适应国际国内市场要求而投资新建的。它包括大方坯连铸机、2#板坯连铸机,L F炉和R H真空处理。L F炉的作用是为方坯连铸机和R H处理设备提供温度和成份均合格的钢水,它由盛钢桶、炉盖、电极和电极加热系统组成。

2.1 LF炉除尘工艺

LF精炼炉及其加料设施、RH真空处理装置合设一个除尘系统。加料设施主要包括:铁合金料仓、振动给料机、称量装置、胶带输送机等。系统采用负压式,含尘气体通过管道进入脉冲布袋除尘器,净化后的气体通过风机和消声器,由排气烟囱排入大气[1]。

LF炉除尘系统用于对LF炉及RH精炼过程产生的热烟气进行治理。该除尘系统采用G4-68№14D型风机转子,配用YKK450S4-4型、10Kv、250Kw高压电机。LF炉生产周期40分钟,而LF炉用于生产冶炼的时间约8～12分钟。LF炉除尘风机全年采用工频长转运行,而实际风机运行时间约需20%～30%左右。风机长期处于无效工作状态,能源浪费较大。

2.2 除尘风机及配套电机的参数表

根据以上工艺,要求除尘风机所配的是高压电机,不允许频繁启动。原工艺中风机长期按额定转速运行,导致风机转子及除尘系统配件容易老化损坏,增加操作维护人员的工作量,同时增加备件材料的消耗,该系统难以保证该除尘系统长期稳定高效运行,影响LF炉的正常生产。

从节能降耗长远大计出发,在该系统采用高压交流调速系统,对高压电机按L F炉精炼工况变化情况进行调速控制非常有必要。

3 LF除尘风机变频调速系统控制方案

根据除尘系统的工艺要求,达到调速节能目的,我们将除尘风机采用变频调速控制,即L F炉处于加热期时(钢水处理位),风机高速运转,LF炉处于非加热期时,风机低速运转,相应的LF炉干管上的调节阀关闭。

3.1 变频调速原理

根据异步电动机转速公式:n=(1-s)60f/p,可以看出,电机转速n与电源频率f成正比,只要改变f,即可改变n。当f在0～50Hz变化时,电机调速范围很宽。另一方面,风机、泵类设备均属于平方转矩负载,其转速n与流量Q、压力H以及轴功率P具有如下关系:Q∝n,H∝n2,P∝n3。[2]因此随着电机转速的降低,电机消耗的电能大幅度下降。可见,理论上使用高压变频器对LF炉除尘风机调速的节能效果将非常显著。

3.2 高压变频器的选择

HVECTOL-DI系列高压变频器采用直接“高-高”的变换形式,由多个功率单元构成多重化串联的拓扑结构,每个单元输出固定的低压电平,再由多个单元串联叠加为所需的高压;输入功率因数高,不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置;输出波形接近正弦波,不存在输出谐波引起的电动机发热和转矩脉动、噪音、输出dv/dt、共模电压等问题,对普通异步电动机不必加输出滤波器就可以直接使用。变频器每个系统共有1 8个功率单元,每6个功率单元串联构成一相,其系统结构如图1所示。它是一种高效、节能、无电网污染的高压大功率变频设备,将工频电源变换为频率、电压均连续可调的电源,实现电动机调速运行;另配以适当的控制,可使电动机运行在最佳状态。所以,DHVECTOL-DI系列变频器适用于大型风机、泵类负载,使用后可大大降低能耗、改善生产工艺,实现系统的自动化运行,并可大大提高系统的稳定性和可靠性,延长设备的使用寿命,减少系统维护[3]。

根据炼钢厂特殊环境的要求、除尘风机的工作情况和国家提出节能减排的要求,经过研究决定,采用D H V E C T O L-D I系列变频器。

3.3 系统控制方案

高压变频器直接与电机连接,设有工频旁路。有变频运行方式转换到工频运行方式时,采用单刀双掷隔离刀闸QS2手动切换,电机可不通过高压变频器而经过旁路直接启动,如图2所示[4]。

风机调速与LF炉用于生产冶炼高级钢联锁,设置高低速两档运行,实现手动/自动调速切换功能。操作台设置“手动/自动”调速切换开关和“速度种类”转换开关,平时可根据生产情况,高压变频器自动实现高、低速运行,如因生产需要可改为手动来实现调速运行的目的。

高压变频器具有远程和本机控制功能。本机控制时通过高压变频器控制柜上触摸屏可就地人工启动、停止高压变频器,可以调整电机转速、频率。远程控制放在炉前控制室,设有操作台和上位机,由配电工操作控制。通过上位机配电工可以随时了解设备的运行情况,通过操作台可实现对高压变频器进行简单的远方操作。配电工可以根据工况自由选定“手动/自动”调速运行。

3.4 主控系统主要功能表[3]

变频器的主要功能参数主要与变频器系统和电机驱动、开关量输入输出处理、模拟量输入输出处理、主控系统故障处理等相关,其主要功能参数设置如下表所示。

4 节能分析

炼钢厂L F炉除尘风机高压变频器控制以来,运行状况良好,既能满足生产工艺,又能达到预期的节能目的。

4.1 节电效果

2008年9月没改造LF炉除尘风机系统以前,系统原设计24小时不间断运行,电能消耗较大。该除尘系统配用的2 5 0 K W高压电机,年扣除停机时间及系统检修时间15天,平均每年将消耗电能250×350天×24小时=210万KW.h。LF炉生产周期40分钟,而LF炉用于生产冶炼的时间约8～12分钟,平均按10分计算,也就是说有75%的时间除尘风机在无效运行,每年浪费电能210×75%=157.5万KW.h,若按工业用电每度0.6元计算,每年将浪费94.5万元。

改造L F炉除尘风机系统之后,减少除尘风机无效工作时间,节约电能,即改变频调速后,系统75%的时间除尘风机处于低频运行,则每年可节约电能210×75%×50%(低频运行)=78.75万KW.h,若按工业用电每度0.6元计算,每年可节约费用47.25万元。

4.2 其他性能

风机系统经改造后振动危害可大幅度降低,其故障率可明显下降,风机每年可节约维修费及材料备件费用5.5万元。

高压变频器为电压源型变频器,功率因数可高达0.95以上,可降低电网侧的谐波污染。

系统经改造后故障率减少,保证L F炉生产正常运行,提高企业的市场竞争力。

5 结束语

国内冶金行业普遍存在的问题是电耗、煤耗和水耗均同国际先进水平有很大差距,随着竞争的加剧,企业内部通过技术改造节能降耗是今后工作的重点。通过以上介绍和分析,高压变频器正好能满足企业技改的迫切需要,对提高系统运行性能,节能降耗,具有更重要的意义。钢厂L F炉除尘风机变频改造的成功,为今后大型机组上应用高压变频器提供了良好的应用经验。

参考文献

[1]黄道鑫.提钒炼钢[M].北京:冶金工业出版社,2000.

[2]韩安荣.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出版社,2005,5-2.

[3]DHVECTOL-DI系列高压变频器使用手册[Z].东方日立(成都)电控设备有限公司.

[4]王占奎.变频调速应用百例[M].北京:科学出版社,1999.

[5]倚鹏.高压大功率变频器技术原理与应用[Z].北京利德华福电气技术有限公司.