精煉爐電極控制系統(tǒng)

鄒剛

（江陰興澄特種鋼鐵有限公司 江蘇江陰 214400）

在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的過程中，各種科學(xué)技術(shù)給人們的生活帶來了巨大的改變，尤其是在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，為了保證其自動(dòng)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(jìn)行深入研究，逐漸取代了傳統(tǒng)的人工控制方法，能夠通過更加精準(zhǔn)的控制策略，保證被控系統(tǒng)得到更好的應(yīng)用。而精煉爐則是十分重要的被控設(shè)備，在使用的過程中，對于電極控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠保證精煉爐的功能更加穩(wěn)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(diào)節(jié)方式進(jìn)行分析，選擇更加科學(xué)的方案，確定更加完善的數(shù)學(xué)模型及控制系統(tǒng)，保證精煉爐得到更好的應(yīng)用。

1 LF爐簡介

1.1 LF精煉爐的主要功能

在長期發(fā)展的過程中，精煉爐煉鋼主要是進(jìn)行過程控制，但由于自動(dòng)化水平比較低，大多數(shù)都是進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。而在后續(xù)發(fā)展的過程中，隨著PLC 技術(shù)及DCS技術(shù)的大量應(yīng)用，生產(chǎn)效率得到了有效的提升，同時(shí)也降低了成本。而在目前的發(fā)展過程中，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)及相應(yīng)的優(yōu)化管理等技術(shù)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(jié)構(gòu)如圖1所示，是現(xiàn)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(nèi)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(jié)構(gòu)

在目前的精煉爐當(dāng)中，主要的生產(chǎn)工藝環(huán)節(jié)可以簡化為修補(bǔ)精煉爐、裝入廢鋼石灰、鋼水融化和出鋼4個(gè)階段。而整個(gè)精煉爐的組成包括電氣設(shè)備、機(jī)械設(shè)備及動(dòng)力設(shè)備等，共同使用的過程中完成煉鋼工作。在具體的系統(tǒng)中還可以包括控制系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、吹氬攪拌系統(tǒng)及喂絲系統(tǒng)等［1］。當(dāng)然，在具體的生產(chǎn)工藝當(dāng)中，還可能包括加料系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、溫度提升系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等，這在目前的精煉爐當(dāng)中都是比較常見的。從其具體作用來看，電氣設(shè)備主要是用來完成控制環(huán)節(jié)的，通過對于控制算法的應(yīng)用，保證其自動(dòng)化水平比較高。機(jī)械設(shè)備主要用來完成執(zhí)行相關(guān)的工作，完成煉鋼等環(huán)節(jié)；動(dòng)力設(shè)備主要是用來供能，其主要任務(wù)是提供氣體能源。在現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的過程中，整個(gè)系統(tǒng)的流程比較完善，基本不需要進(jìn)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(tǒng)環(huán)境中存在一定的區(qū)別，主要完成不同的工作，以此來形成較完善的自動(dòng)化流程［2］。

1.2 LF精煉爐的電極調(diào)節(jié)

在整個(gè)精煉爐控制系統(tǒng)中，對于電極進(jìn)行調(diào)節(jié)是十分重要的，有效地保證電極調(diào)節(jié)效果，能夠減少生產(chǎn)周期，同時(shí)也能夠降低成本，提高工作效率。在現(xiàn)代社會(huì)的電極控制系統(tǒng)中，多數(shù)是采用控制理論進(jìn)行分析，希望能夠?qū)⑾冗M(jìn)的控制算法應(yīng)用其中，保證其自動(dòng)化水平比較高。在早期發(fā)展的過程中，由于自動(dòng)化水平較低，往往都是根據(jù)實(shí)時(shí)參數(shù)變化進(jìn)行手動(dòng)控制的，在進(jìn)行電極調(diào)節(jié)的過程中出現(xiàn)了一定的問題，尤其是電極的升降過程中很難達(dá)到更高的精度。所以，在后續(xù)發(fā)展的過程中，由于自動(dòng)化水平比較高，可以通過控制策略進(jìn)行研究，以反饋控制系統(tǒng)完成電極的調(diào)節(jié)。直到后續(xù)發(fā)展的過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能技術(shù)的有效應(yīng)用也給電極的調(diào)節(jié)帶來了一定的幫助，在整個(gè)精煉爐控制系統(tǒng)中發(fā)揮出了更多的作用。而且電極調(diào)節(jié)器在使用的過程中可以分為機(jī)械式、液壓式、液壓驅(qū)動(dòng)混合式，都在不同場合當(dāng)中發(fā)揮出一定的作用，給電極的調(diào)節(jié)帶來幫助，更給整個(gè)精煉爐的控制系統(tǒng)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(diào)節(jié)

2.1 鋼包精煉爐的電極結(jié)構(gòu)

首先，從精煉爐的整體結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行分析，其是由各個(gè)子系統(tǒng)所組成的，其中包括加熱系統(tǒng)、喂絲系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等，當(dāng)然也包括一些攪拌系統(tǒng)，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(guān)鍵環(huán)節(jié)，對于加熱及調(diào)節(jié)整個(gè)精煉爐都起到了十分重要的作用，對其電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，也能夠很好地研究其電極結(jié)構(gòu)的組成，為后續(xù)的電極調(diào)節(jié)奠定良好的基礎(chǔ)。從其整體結(jié)構(gòu)來看，電極部分包括金屬片和電阻，在使用的過程中，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，能夠給精煉爐的正常使用帶來一定的幫助，同時(shí)，對其進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，可以為精煉爐的煉鋼工作帶來幫助。

2.2 鋼包精煉爐的調(diào)節(jié)方式

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

至于具體的調(diào)節(jié)方式中，包括恒電流調(diào)節(jié)方式、恒功率調(diào)節(jié)方式及恒阻調(diào)節(jié)方式。從恒功率調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)效果比較好。但在具體應(yīng)用的過程中，不可否認(rèn)的是，恒功率調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)過程中對于技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)要求也是比較高的。而恒電流的調(diào)節(jié)方式主要是保證電流不變，通過其來控制整個(gè)電極，但由于橫電流的調(diào)節(jié)方式同樣是精度比較高，在具體應(yīng)用中也帶來了嚴(yán)重的成本問題，也可能帶來參數(shù)上的變化，可能影響正常使用。至于恒阻的調(diào)節(jié)方式，主要是通過同時(shí)調(diào)節(jié)電壓和電流的方式，確保其電阻值不變，以此來進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于精度比較高且調(diào)節(jié)起來比較方便，所帶來的直接效果也是比較好的，使得整個(gè)精煉爐的電極調(diào)節(jié)工作更加科學(xué)，因此，在使用的過程中得到了一定的青睞。

2.3 各調(diào)節(jié)方式的優(yōu)缺點(diǎn)

通過對不同調(diào)節(jié)方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行研究，能夠更好地分析其自身的作用，在后續(xù)應(yīng)用的過程中取長補(bǔ)短，研究出更好的調(diào)節(jié)方式，以此來給精煉爐的電極控制系統(tǒng)帶來更多的幫助［5］。總結(jié)來看，恒功率的調(diào)節(jié)方式主要是對輸入功率進(jìn)行控制，避免出現(xiàn)偏差，但相同功率的條件下卻很難保證自身的狀態(tài)是一致的，也很難保證其工作狀態(tài)能夠達(dá)到最佳的標(biāo)準(zhǔn)，因此，在恒功率調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的方式雖然靈敏度比較高，但同時(shí)也存在一些缺點(diǎn)，主要是電流容易發(fā)生改變，導(dǎo)致參數(shù)上的變化，屬于電流調(diào)節(jié)的固有問題。而恒阻抗的調(diào)節(jié)方式則是通過同時(shí)控制電壓和電流的方式來維持其值保持在固定的數(shù)值。通常來講，恒阻抗的調(diào)節(jié)方式比較先進(jìn)，精度也比較高，同時(shí)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(fā)展的過程中，還需主要研究恒阻抗的調(diào)節(jié)方式，盡可能發(fā)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(tǒng)設(shè)計(jì)帶來更好的幫助。

3 電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型的建立

3.1 電極數(shù)學(xué)模型的分析

在電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型分析過程中，首先應(yīng)當(dāng)建立其電極數(shù)學(xué)模型，通過對數(shù)學(xué)模型分析的方法，能夠?yàn)楹罄m(xù)的控制策略研究及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。在整個(gè)電氣數(shù)學(xué)模型分析的過程中，分為以下兩個(gè)部分：第一是電極電氣的數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)整體的結(jié)構(gòu)；第二是對于三相電極數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，在三相電極模型中可以看作是一個(gè)多變量的控制系統(tǒng)，而且具有強(qiáng)耦合的問題，同時(shí)也伴隨著大滯后問題，屬于較為典型的非線性復(fù)雜系統(tǒng)。在分析的過程中，需要同時(shí)推導(dǎo)電壓電流等變量，并根據(jù)阻抗的關(guān)系來進(jìn)行相互分析，以此來設(shè)計(jì)出更加科學(xué)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行控制系統(tǒng)的研究工作。

3.2 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)

在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行分析的過程中，首先對其功能及具體的作用進(jìn)行研究。精煉爐的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)在使用的過程中，首先要保證其反應(yīng)速度比較快，精度比較高。在具體應(yīng)用的過程中，先是對于電機(jī)的啟動(dòng)和停止進(jìn)行有效的控制，能夠發(fā)揮出自身的作用［6］；同時(shí)，需要對爐蓋的升降進(jìn)行合理地控制，保證自身的穩(wěn)定性。當(dāng)然，在電極的夾具進(jìn)行使用的過程中，夾緊或者松開屬于比較常用的兩個(gè)動(dòng)作，需要液壓傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行更加敏捷的控制。最后，在電極旋轉(zhuǎn)的過程中，也需要保證其靈敏度比較高。由此可以看出，整個(gè)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性及準(zhǔn)確性決定了升溫效果，也決定了整個(gè)精煉爐的使用。在對其指標(biāo)進(jìn)行分析的過程中，首先對其傳遞函數(shù)進(jìn)行研究，得出三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并根據(jù)此判斷其為欠阻尼的過程，具有較強(qiáng)的滯后性。

3.3 溫升模型

在上文分析的過程中，了解到現(xiàn)有的電極調(diào)節(jié)方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高其模型的水平，還需基于能量守恒原理進(jìn)行溫升模型的分析，建立起對應(yīng)的函數(shù)關(guān)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(tǒng)如圖2所示，具體展示了其加熱結(jié)構(gòu)，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(tǒng)

從控制原理角度進(jìn)行分析，在整個(gè)煉鋼的過程中，需要保證其電極電流的穩(wěn)定性，同時(shí)，需要根據(jù)溫升曲線進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，采用反饋控制系統(tǒng)的方式，盡可能地減少偏差。基于溫度的預(yù)測模型進(jìn)行控制，首先要對電加熱對于鋼水溫度的影響進(jìn)行研究，獲得有關(guān)的數(shù)據(jù)，以此來繪制電氣特性曲線圖，才能夠?yàn)楹罄m(xù)工作帶來幫助。

上述公式為X和R的具體計(jì)算方法。如表1所示，根據(jù)上述分析可知，在整個(gè)三相電機(jī)數(shù)學(xué)模型等中，通過液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，能夠分析出控制系統(tǒng)的具體優(yōu)缺點(diǎn)。在進(jìn)行模型設(shè)計(jì)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(jìn)行深入研究，才能夠進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)工作。

表1 X 和R 計(jì)算結(jié)果

4 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)階段的精煉爐電極控制系統(tǒng)中仍然存在一些問題，各種不同的調(diào)節(jié)方式有各自相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)。簡單的調(diào)節(jié)方式往往能夠降低其工程門檻，但相對應(yīng)的控制精度及其控制效率都存在一定的問題；而復(fù)雜的控制方式往往因?yàn)閿?shù)學(xué)模型要求較高，同時(shí)對于設(shè)備的要求也比較高，在精煉爐的電極控制系統(tǒng)中難以正常應(yīng)用。在未來發(fā)展的過程中，還需對精煉爐的主要功能及電極調(diào)節(jié)方式進(jìn)行深入探索，結(jié)合多種先進(jìn)的控制策略，并對其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行有效的完善，能夠保證精煉爐的電極控制系統(tǒng)更加科學(xué)，為煉鋼帶來更好的幫助。