转炉炼钢生产中氧枪系统的自动控制文档格式.docx

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关键字:

转炉、氧枪、自动控制

1、前言

在整个炼钢进程中,氧枪枪位是一个超级重要的参数,它直接关系到炼钢进程中的脱碳、造渣、升温和喷溅的发生,因此,必需专门好地控制氧枪的枪位,使炼钢进程得以平稳进行。

在转炉炼钢整个炉役中,随着炼钢炉次的增加,炉衬由于受到侵蚀不断变薄,炉容不断增大,因此,每隔必然炉次对熔钢液面进行测定,按照装入制度及测定结果肯定氧枪高度,而在两次测按期间,氧枪高度维持不变。

同时,在具体每一个炉次中,依照吹炼的初期、中期和末期设定若干不同高度,而在每一时刻段内,其高度是不变的。

由于在转炉炼钢进程中要向炉内分期分批加入造渣剂、助熔剂等造渣材料和冷却剂,使炉内状况发生转变,相当于加入一个扰动,同时在不同阶段,渣的泡沫程度及粘度也不同,而目前的固定氧枪高度吹炼不能及时适应这些情形,从而使炉内的反映及造渣不能平稳地进行。

造渣是转炉炼钢进程中的一项重要内容,渣的好坏直接关系到炼钢进程可否顺利进行,有时乃至造成溢渣或喷溅,从而降低钢的收得率和粘枪,因此要尽可能避免溢渣和喷溅。

另一方面,固定枪位的吹炼模式也无法适应铁水、废钢、造渣材料等化学成份转变引发反映状况的不同。

针对转炉炼钢进程中固定枪位所存在的问题,咱们采用模糊控制的方式使氧枪枪位按照炉内的具体情形进行持续调节,同时针对转炉炼钢是一炉一炉进行的,炉与炉之间既不完全相同又有联系的特点,采用自学习技术肯定每一炉次氧枪的枪位,使转炉炼钢进程平稳进行,从而提高碳温命中率。

2、声音测量

在转炉炼钢进程中,由于吹入转炉的氧气(顶底复吹转炉还要在底部吹入氮气、二氧化碳、氩气等气体)的搅拌作用和炉内发生的强烈氧化等反映,使得炼钢期间发出很强的声音,声音的大小与炉内状况有着明确的对应关系,声音的强度与炉渣高度成反比,尤其是在吹炼的初期和中期,这种关系更为准确[2],因此能够通过测量声音准确了解炉内情形,以便更好地控制吹炼进程。

测声仪的麦克风安装在位于炉口处的炉墙内,运行频率为180±

利用音平检测技术可优化操作,减少炉渣较大量喷溅和严峻返干的发生率。

图4是音平检测系统的工作原理图。

根据国内某炼钢厂对音平检测系统调试阶段的操作水平与正式投入运行3个月后的操作水平进行比较可看出,工人的操作水平有了明显的提高。

如果将无喷渣、无返干、基本上全程化渣的操作定为A级;

把略有喷溅或短时间(<1min)返干的操作定为B级;

把有较大量喷溅或有较长时间返干的操作定为C级的话,则437炉的统计结果表明,采用该系统后A级操作率从%升至%;

C级操作率从%降至%;

返干率从%降至%。

图一、音平检测系统图

3、枪位控制

目前,转炉炼钢氧枪枪位一般是按照吹炼状况分段设定的[1]。

在每一段中,枪位再也不转变,如图1所示。

在本文中,按照转炉炼钢的不同阶段采用不同的控制策略。

在吹炼初期和中期,由于分批加入造渣材料和助熔剂,且渣高与声音具有明确的反比关系,因此采用模糊控制调节枪位。

而在吹炼末期,则采用较低的固定枪位进行吹炼,以利于石灰进一步渣化,使脱碳反映按扩散进行,渣钢反映趋于平衡,炉内钢水成份和温度得以均匀。

在在初、中期的模糊控制中仍然采用这种分段设定的枪位作为大体设定,而在每一段中,按照炉况采用模糊控制对枪位进行自动调节,即u=u0+Δu,其中u为要控制的氧枪枪位,u0为每一个阶段设定的大体枪位,Δu为对枪位的调整量。

图二、氧枪枪位示用意

模糊子集及隶属函数的选取

将测得的声音的误差及误差转变率进行归一化,并选取声音的误差SE及其转变率SC的模糊子集别离为SE:

{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}={Se-3,Se-2,Se-1,Se0,Se1,Se2,Se3}={Sei,iII=[-3,-2,-1,0,1,2,3]}SC:

{NB,NS,ZE,PS,PB}={Sc-2,Sc-1,Sc0,Sc1,Sc2}={Scj,jIJ=[-2,-1,0,1,2]}误差SE及其转变率SC的隶属函数选如图3所示的三角形隶属函数。

图3、SE和SC的隶属函数

模糊推理

采用T-S肯定性模糊推理,其推理规则为ifSEisSeiandSCisScjthenΔuisΔuij其中$uij为肯定的函数或肯定的实数,而非模糊

集。

设μAi(Se)和μBj(Sc)别离为误差及误差转变率的隶属函数,采用乘积求和推理方式,得模糊控制规则前提部份的真值为

fij=μAi(Se)μBj(Sc)

(1)

从上述推理中取得的控制量Δuij为一个具有有限个点的离散模糊集。

Δu={fij/Δuij|,i∈I,j∈J}

(2)

采用重心法解模糊,得

(3)

(1)式代入(3)式得

(4)

在上式中,由于选择了图2所示的三角形隶属函数,不失一般性,对于任意一个点,只有两个模糊子集中的隶属度不为0,且隶属度之和为1(若是在两头,则只有一个模糊子集中的隶属度为1,属于其它模糊子集的隶属度为0),因此分母中只有四项不为0,即有

(5)

故(4)式可简化为

(6)

按照转炉炼钢中声强与渣高成反比及操作工的经验,为使转炉炼钢稳固进行,避免发生喷溅及强烈火花,取得模糊控制规则如表1所示。

在表中,Δuij为正意味着提枪,Δuij为负意味着降枪。

表1氧枪模糊控制规则表(Δu)

量化因子的选取及自调整

采用模糊控制的氧枪枪位控制系统如图3所示,由于在转炉炼钢进程中,每一个阶段声音大小不同,大体枪位不同,因此声音的给定值S与一般恒值控制系统不同,它随着冶炼进程而不断转变。

在吹炼初期,声音的给定值比较大,随着冶炼的进行,给定值逐渐减小,到吹炼中期和后期,声音的给定值大体不变,维持在一个较小的数值。

为了适应这一情形,使得在整个冶炼进程中误差及其转变率都能比较均匀地归一化到[-1,1]的整个区间内,提高系统的控制精度,对量化因子进行调整。

选误差SE的量化因子K1=1/Se,误差转变率SC的量化因子K2=1/Sc,

图4、氧枪位置模糊控制系统

其中Se和Sc别离为误差及误差转变率的大体论域,比例因子K3=uh,uh为控制量即氧枪移动范围。

由于声音误差范围随着给定值的变小而变小,因此在吹炼中后期为了提高控制能力,应加大误差的量化因子,不然就会使量化后的误差很难进入到较大的模糊子集内,无法实现有效的控制。

因为S随着吹炼的进行逐渐减小,到必然阶段开始稳固,所以使K1=1/Se=1/S,从而实现了对误差量化因子的自调整。

由于给定的声音大小及大体枪位对声音误差转变率影响不大,故在整个吹炼进程中不改变K2的大小。

对于比例因子K3,为了适应K1转变对模糊控制输出的影响,使得在一样的声音误差情形下,不因K1的增大而使氧枪移动过大,因此比例因子K3应随着K1的增大而减小,故使K3=uh=K0S,其中K0为系数,按照本炉次枪位设定值及给定的声音最大值肯定。

比例因子及量化因子通过上述的自调整,使得在吹炼中后期对声音误差的灵敏度增加,提高了控制精度。

3、枪位自学习

转炉炼钢是一炉一炉进行的,在每一炉的冶炼进程中,它是一个持续升温脱碳进程,与持续工业进程有些类似,但冶炼时刻比较短,被控量是不断转变的,炉与炉之间没有本质的必然联系,每炉的冶炼独立进行,因此从整体上看,与持续工业进程又有着明显的区别。

另一方面,它又具有某些断续工业的特点,每一炉相当于一个加工工件,但它又绝不是断续工业。

从上面的分析能够看出,转炉炼钢既不同于持续工业和断续工业,与它们又有必然的联系,因此转炉炼钢是介于持续工业进程和断续工业进程之间的一类复杂工业进程,这就使得其控制具有必然的特殊性。

基于转炉炼钢炉与炉之间的联系,利用自学习技术肯定下一炉次枪位模式,能够专门好地反映炉衬转变及原材料化学成份波动给冶炼带来的影响,使冶炼进程加倍平稳。

枪位的学习采用迭代自学习。

设yd(k,j)为一个炉役中第k炉第j段时设定的大体枪位,y(k,j)为第k炉第j段时的实际枪位(指第j段的平均枪位),其差值为Δy(k,j)=y(k,j)-yd(k,j),说明枪位设定存在误差,应修改下一炉的枪位设定高度,进行枪位自学习。

学习进程中,枪位的肯定利用加权移动平均算法。

这种方式的长处是需要数据量少,而且超级稳固,因此所需运算机内存和计算量都比较小。

取前边最近四炉的实际氧枪高度的加权平均值作为下一炉氧枪高度设定值,即

yd(k+1,j)=a1y(k,j)+a2y(k-1,j)+a3y(k-2,j)+a4y(k-3,j)(7)

其中a1、a2、a3、a4为加权因子,且有a1+a2+a3+a4=1。

另外前边最近四炉指的是吹炼进程平稳、无较大或大喷、终点碳温同时命中且所炼钢种相同的炉次,每炼一炉钢都要按照吹炼结果对所选炉次更新一次,以保证老是利用最新四炉的数据,如此能够充分反映炉衬、铁水、废钢、造渣材料等的最新转变,消除各类异样情形等随机因素的影响,使氧枪设定更能适应生产实际,提高炼钢进程的稳固性和终点命中率。

4、仿真研究

对一座15t转炉进行仿真研究,仿真结果如图5所示。

图中右边纵坐标为声音给定值(标幺值),曲线1为声音给定,曲线2为大体枪位设定,曲线3为实际氧枪高度。

图5(a)为没有造渣材料加入时氧枪高度转变情形,图5(b)给出了在第2分钟、第4分钟和第7分钟分3次加入造渣材料时氧枪高度转变情形。

图五、氧枪枪位

5、结论

在转炉炼钢进程中,氧枪是必不可少的设备,氧枪的枪位直接关系到脱碳、升温及冶炼进程的平稳进行。

采用模糊控制按照炉内状况对氧枪位进行持续调节,克服了固定枪位不能及时适应炉况转变的缺点,同时利用转炉炼钢是一炉一炉进行的,炉与炉之间存在着必然的联系的特点,利用迭代自学习技术修改枪位的设定,适应了炉衬变薄及炼钢原料化学成份波动带来的不利影响,减少喷溅的发生,使氧枪枪位在整个炉役期间始终处于最优位置。

参考文献

1、谢书明等转炉炼钢氧枪枪位控制冶金自动化,1999,2

2、张成斌等转炉炼钢生产中氧枪系统的自动控制包钢科技,2006,06

3、廖廷常等基于Profibus现场总线的控制系统通信互连控制工程,2002,9(4):

32-341

4、王雅贞等氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备冶金工业出版社,2001,1

5、陈嘉颖转炉造渣进程检测的声学原理及应用

6、陈嘉颖,张晓兵.钢铁研究学报,1994,6(3):

13

7、白瑞纳克LL.声学.章启馥,王季卿,吕如榆,等译.北京:

高等教育出版社,1959

8、何祚镛,赵玉芳.声学理论基础.北京:

国防工业出版社.1981

9、平山宪雄.转炉音响测定方式.日本专利,公开特许公报,

10、 库特鲁夫H.室内声学.沈  译.北京:

中国建筑工业出版社,1982

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