精煉爐電極控制系統

鄒剛

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司 江蘇江陰 214400）

在現代社會發展的過程中，各種科學技術給人們的生活帶來了巨大的改變，尤其是在工業生產當中，為了保證其自動化水平比較高，有效地降低成本，提高工作效率，人們對于各種控制理論進行深入研究，逐漸取代了傳統的人工控制方法，能夠通過更加精準的控制策略，保證被控系統得到更好的應用。而精煉爐則是十分重要的被控設備，在使用的過程中，對于電極控制系統進行設計，能夠保證精煉爐的功能更加穩定，在正常使用的過程中，給煉鋼工作帶來新的途徑，能夠有效地降低成本。在分析的過程中，對于鋼包精煉爐的電極調節方式進行分析，選擇更加科學的方案，確定更加完善的數學模型及控制系統，保證精煉爐得到更好的應用。

1 LF爐簡介

1.1 LF精煉爐的主要功能

在長期發展的過程中，精煉爐煉鋼主要是進行過程控制，但由于自動化水平比較低，大多數都是進行手動調節。而在后續發展的過程中，隨著PLC 技術及DCS技術的大量應用，生產效率得到了有效的提升，同時也降低了成本。而在目前的發展過程中，由于計算機技術及相應的優化管理等技術都得到了有效的提升，也給精煉爐的使用帶來了更多的幫助。鋼包精煉爐的具體結構如圖1所示，是現階段比較常見的真空型鋼包精煉爐，其中，1為真空罐，2為鋼水的鋼包，3為用于抽取罐內空氣的抽真空管線，4 為吹氧槍，5 為用于加料的真空加料斗，6 為用于觀察精煉情況的觀察孔，20為鋼包蓋，22為吹氬口，24為澆鑄口。

圖1 鋼包精煉爐具體結構

在目前的精煉爐當中，主要的生產工藝環節可以簡化為修補精煉爐、裝入廢鋼石灰、鋼水融化和出鋼4個階段。而整個精煉爐的組成包括電氣設備、機械設備及動力設備等，共同使用的過程中完成煉鋼工作。在具體的系統中還可以包括控制系統、升降系統、供電系統、吹氬攪拌系統及喂絲系統等［1］。當然，在具體的生產工藝當中，還可能包括加料系統、取樣系統、溫度提升系統、除塵系統等，這在目前的精煉爐當中都是比較常見的。從其具體作用來看，電氣設備主要是用來完成控制環節的，通過對于控制算法的應用，保證其自動化水平比較高。機械設備主要用來完成執行相關的工作，完成煉鋼等環節；動力設備主要是用來供能，其主要任務是提供氣體能源。在現代社會發展的過程中，整個系統的流程比較完善，基本不需要進行人工處理便能夠完成煉鋼工作。由此可以看出，精煉爐的主要功能是完成煉鋼工作，其具體的系統環境中存在一定的區別，主要完成不同的工作，以此來形成較完善的自動化流程［2］。

1.2 LF精煉爐的電極調節

在整個精煉爐控制系統中，對于電極進行調節是十分重要的，有效地保證電極調節效果，能夠減少生產周期，同時也能夠降低成本，提高工作效率。在現代社會的電極控制系統中，多數是采用控制理論進行分析，希望能夠將先進的控制算法應用其中，保證其自動化水平比較高。在早期發展的過程中，由于自動化水平較低，往往都是根據實時參數變化進行手動控制的，在進行電極調節的過程中出現了一定的問題，尤其是電極的升降過程中很難達到更高的精度。所以，在后續發展的過程中，由于自動化水平比較高，可以通過控制策略進行研究，以反饋控制系統完成電極的調節。直到后續發展的過程中，神經網絡等人工智能技術的有效應用也給電極的調節帶來了一定的幫助，在整個精煉爐控制系統中發揮出了更多的作用。而且電極調節器在使用的過程中可以分為機械式、液壓式、液壓驅動混合式，都在不同場合當中發揮出一定的作用，給電極的調節帶來幫助，更給整個精煉爐的控制系統研究及其使用帶來了一定的幫助［3］。

2 鋼包精煉爐的電極調節

2.1 鋼包精煉爐的電極結構

首先，從精煉爐的整體結構角度進行分析，其是由各個子系統所組成的，其中包括加熱系統、喂絲系統、取樣系統、供電系統等，當然也包括一些攪拌系統，在使用的過程中組成了精煉爐的重要成分。而電極作為精煉爐的關鍵環節，對于加熱及調節整個精煉爐都起到了十分重要的作用，對其電極結構進行分析，也能夠很好地研究其電極結構的組成，為后續的電極調節奠定良好的基礎。從其整體結構來看，電極部分包括金屬片和電阻，在使用的過程中，通過結構設計的方法，能夠給精煉爐的正常使用帶來一定的幫助，同時，對其進行有效的調節，可以為精煉爐的煉鋼工作帶來幫助。

2.2 鋼包精煉爐的調節方式

對于精煉爐調節方式進行分析時，從宏觀角度來看，包括機械式和液壓式兩種模式。機械式的由于其自身體積比較大，同時比較笨重，在現代社會應用的過程中已經出現了許多不適應之處，逐漸被淘汰；液壓式的由于調節比較簡單，精度比較高，在具體應用場合當中發揮出了各自的作用。具體來看，機械式的主要是依靠差值放大進行調節，在使用的過程中相對來說精度不夠高，在調節的過程中也需要大量的人力；而液壓式能夠結合各種智能控制算法，在精煉爐的調節中還是比較常見的［4］。

至于具體的調節方式中，包括恒電流調節方式、恒功率調節方式及恒阻調節方式。從恒功率調節方式角度來看，主要指的是保持功率不變，確定其輸入功率的值，能夠確保其調節效果比較好。但在具體應用的過程中，不可否認的是，恒功率調節方式還是比較困難的，一方面是對于精度要求比較高，另一方面是調節過程中對于技術人員的經驗要求也是比較高的。而恒電流的調節方式主要是保證電流不變，通過其來控制整個電極，但由于橫電流的調節方式同樣是精度比較高，在具體應用中也帶來了嚴重的成本問題，也可能帶來參數上的變化，可能影響正常使用。至于恒阻的調節方式，主要是通過同時調節電壓和電流的方式，確保其電阻值不變，以此來進行調節。由于精度比較高且調節起來比較方便，所帶來的直接效果也是比較好的，使得整個精煉爐的電極調節工作更加科學，因此，在使用的過程中得到了一定的青睞。

2.3 各調節方式的優缺點

通過對不同調節方式的優缺點進行研究，能夠更好地分析其自身的作用，在后續應用的過程中取長補短，研究出更好的調節方式，以此來給精煉爐的電極控制系統帶來更多的幫助［5］?？偨Y來看，恒功率的調節方式主要是對輸入功率進行控制，避免出現偏差，但相同功率的條件下卻很難保證自身的狀態是一致的，也很難保證其工作狀態能夠達到最佳的標準，因此，在恒功率調節方式中仍存在一定的困難，給工作人員帶來了很多不便之處。而恒電流調節的方式雖然靈敏度比較高，但同時也存在一些缺點，主要是電流容易發生改變，導致參數上的變化，屬于電流調節的固有問題。而恒阻抗的調節方式則是通過同時控制電壓和電流的方式來維持其值保持在固定的數值。通常來講，恒阻抗的調節方式比較先進，精度也比較高，同時控制電壓和電流能夠減少損耗，對于降低成本、保證工作效率是有很多幫助的。因此，在未來發展的過程中，還需主要研究恒阻抗的調節方式，盡可能發揮其長處，以此來保證其電極升降效果更好，為精煉爐的控制系統設計帶來更好的幫助。

3 電極自動調節系統模型的建立

3.1 電極數學模型的分析

在電極自動調節系統模型分析過程中，首先應當建立其電極數學模型，通過對數學模型分析的方法，能夠為后續的控制策略研究及控制系統的設計奠定良好的基礎。在整個電氣數學模型分析的過程中，分為以下兩個部分：第一是電極電氣的數學模型建立，由簡單模型入手，深入分析其三相電極的具體電氣特性，以此來設計整體的結構；第二是對于三相電極數學模型進行分析，在三相電極模型中可以看作是一個多變量的控制系統，而且具有強耦合的問題，同時也伴隨著大滯后問題，屬于較為典型的非線性復雜系統。在分析的過程中，需要同時推導電壓電流等變量，并根據阻抗的關系來進行相互分析，以此來設計出更加科學的數學模型，進行控制系統的研究工作。

3.2 液壓傳動系統

在液壓傳動系統模型進行分析的過程中，首先對其功能及具體的作用進行研究。精煉爐的液壓傳動系統在使用的過程中，首先要保證其反應速度比較快，精度比較高。在具體應用的過程中，先是對于電機的啟動和停止進行有效的控制，能夠發揮出自身的作用［6］；同時，需要對爐蓋的升降進行合理地控制，保證自身的穩定性。當然，在電極的夾具進行使用的過程中，夾緊或者松開屬于比較常用的兩個動作，需要液壓傳動系統進行更加敏捷的控制。最后，在電極旋轉的過程中，也需要保證其靈敏度比較高。由此可以看出，整個液壓傳動系統的穩定性、快速性及準確性決定了升溫效果，也決定了整個精煉爐的使用。在對其指標進行分析的過程中，首先對其傳遞函數進行研究，得出三階系統的階躍響應，并根據此判斷其為欠阻尼的過程，具有較強的滯后性。

3.3 溫升模型

在上文分析的過程中，了解到現有的電極調節方式各有優缺點。為了進一步提高其模型的水平，還需基于能量守恒原理進行溫升模型的分析，建立起對應的函數關系，能夠提高其工作效率，以此來降低能源的損耗。另外，鋼包精煉爐的電極加熱系統如圖2所示，具體展示了其加熱結構，其中，1為鋼包，2為電極，3為橫臂，4為除塵軌道，5為除塵罩，6為水冷電纜，7為立柱，8為建筑體，9為升降缸。

圖2 鋼包精煉爐的電極加熱系統

從控制原理角度進行分析，在整個煉鋼的過程中，需要保證其電極電流的穩定性，同時，需要根據溫升曲線進行合理的設計，采用反饋控制系統的方式，盡可能地減少偏差。基于溫度的預測模型進行控制，首先要對電加熱對于鋼水溫度的影響進行研究，獲得有關的數據，以此來繪制電氣特性曲線圖，才能夠為后續工作帶來幫助。

上述公式為X和R的具體計算方法。如表1所示，根據上述分析可知，在整個三相電機數學模型等中，通過液壓傳動系統的數學模型，能夠分析出控制系統的具體優缺點。在進行模型設計的過程中，一是要考慮到自身的精度，二是要考慮到能量守恒問題，對溫升曲線進行深入研究，才能夠進行更好的設計工作。

表1 X 和R 計算結果

4 結語

綜上所述，在現階段的精煉爐電極控制系統中仍然存在一些問題，各種不同的調節方式有各自相應的優缺點。簡單的調節方式往往能夠降低其工程門檻，但相對應的控制精度及其控制效率都存在一定的問題；而復雜的控制方式往往因為數學模型要求較高，同時對于設備的要求也比較高，在精煉爐的電極控制系統中難以正常應用。在未來發展的過程中，還需對精煉爐的主要功能及電極調節方式進行深入探索，結合多種先進的控制策略，并對其數學模型進行有效的完善，能夠保證精煉爐的電極控制系統更加科學，為煉鋼帶來更好的幫助。