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1、安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 1 頁(yè)裝訂線摘要電弧爐煉鋼是靠電極和爐料間放電產(chǎn)生的電弧,使電能在弧光中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽⒔柚椛浜碗娀〉闹苯幼饔眉訜岵⑷刍饘俸蜖t渣,是冶煉某些特殊金屬及合金必須使用的煉鋼方法。論文以 40 噸電弧爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)為背景,在查閱了大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,綜述了電弧爐控制技術(shù)的發(fā)展歷程、研究現(xiàn)狀及今后的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)電弧爐熔煉工藝對(duì)控制系統(tǒng)的控制要求,給出了控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案,對(duì)電弧爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)配置作了詳細(xì)的說(shuō)明。在電極調(diào)節(jié)器控制方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上給出了實(shí)用的控制算法的實(shí)現(xiàn)方法,應(yīng)用日本歐姆龍系列編程軟件編寫了整個(gè)控制系統(tǒng)控制
2、軟件,包括電極調(diào)節(jié)控制單元、液壓站控制單元、真空開(kāi)關(guān)合、分閘控制單元、變壓器調(diào)壓換檔控制單元和其它邏輯控制單元。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:電弧爐,電極調(diào)節(jié),計(jì)算機(jī)控制,plc 安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 2 頁(yè)裝訂線abstractthe steel-making of electric arc furnace transfers the electricity to heat by the arc between electrode and charging. the arc and its radiation melt the metals along with slag,
3、it is the essential way to produce the special steel and alloy.the thesis is based on the 40-ton electric arc furnace computer distributed control system of the second steel-making plant. the summaries of the historic, present state and perspective trend of control techniques of electric arc furnace
4、 are based on consulting a great deal of documentation. according to the control demands of the system, the systems solving scheme is presented. the thesis thoroughly describes the hardware configuration of the computer distributed control system of electric arc furnace. based on the design of the e
5、lectrodes position control algorithm, the realization method of control algorithm is proposed. the control software is designed with the omron series programming language produced by siemens company, including electrodes position control unit, hydraulics control unit, vacuum switch on/off control un
6、it, changing the level of transformer control unit, oxygen gun movement control unit and other logical control units.key words: electric arc furnace, electrode regulator, computer control.,plc安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 3 頁(yè)裝訂線第一章第一章 概述概述.51.1 引言:.51.2 電弧爐系統(tǒng).51.2.1 電弧爐煉鋼發(fā)展概況.51.2.2 電弧爐煉鋼的特點(diǎn).61.2.3 電弧爐
7、煉鋼計(jì)算機(jī)控制發(fā)展概況.71.3 電弧爐煉鋼設(shè)備概括.71.3.1 電弧爐煉鋼的機(jī)械設(shè)備.81.3.2 電弧爐煉鋼的電氣設(shè)備.91.4 電弧爐煉鋼過(guò)程及工藝簡(jiǎn)介.111.4.1 電弧爐煉鋼過(guò)程.111.4.2 電弧爐煉鋼工藝簡(jiǎn)述.121.4.3 電弧爐工藝對(duì)控制系統(tǒng)的要求.131.4.4 電弧爐煉鋼工藝對(duì)電極調(diào)節(jié)器的要求.131.5 本論文所做的工作.14第二章第二章 電弧爐控制系統(tǒng)電弧爐控制系統(tǒng).152.1 電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng).152.2 液壓、水冷、氣動(dòng)控制系統(tǒng).162.2.1 液壓控制系統(tǒng).162.2.2 水冷控制系統(tǒng).172.2.3 氣動(dòng)控制系統(tǒng).182.3 plc 控制系統(tǒng).182
8、.3.1 計(jì)算機(jī)在電弧煉鋼中的應(yīng)用.182.3.2 電弧爐 plc 控制系統(tǒng)的構(gòu)成 .202.3.3 電弧爐 plc 控制系統(tǒng)的功能 .20第三章第三章 電弧爐電極控制的建模電弧爐電極控制的建模.223.1 電極系統(tǒng)電氣部分建模.223.1.1 單向電極的建模.223.1.2 三相電極的建模.243.2 電極工作原理及性能要求.273.2.1 工作原理.273.2.2 性能要求.283.3 傳動(dòng)系統(tǒng)的建模.29第四章第四章 電弧爐控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)電弧爐控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì).314.1 變壓器保護(hù).314.2 液壓站控制.334.3 爐體操作.384.4 水冷系統(tǒng).434.5 事故報(bào)警.45
9、4.6 上料系統(tǒng).464.7 電弧爐控制系統(tǒng)程序的檢查和編譯.49安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 4 頁(yè)裝訂線結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ).52參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).53致謝致謝.54安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 5 頁(yè)裝訂線第一章第一章 概述概述1.1 引言:引言:鋼包精煉爐,是用來(lái)對(duì)初煉爐(電弧爐、平爐、轉(zhuǎn)爐)所熔鋼水進(jìn)行精煉,并且能調(diào)節(jié)鋼水溫度,工藝緩沖,滿足連鑄、連軋的重要冶金設(shè)備。近年來(lái),鋼包精煉爐由于具有投資少、功能強(qiáng)的特點(diǎn),在煉鋼廠占據(jù)越來(lái)越重要的地位,對(duì)鋼包精煉爐的自動(dòng)控制技術(shù)既提供了機(jī)遇,又提出了挑戰(zhàn)。目前世界上電爐鋼產(chǎn)量95%以上都是由交流電弧爐生
10、產(chǎn)的,已成為主要的煉鋼方法之一,電弧爐是利用電弧的能量來(lái)熔煉金屬的一種電爐,分為直流電弧爐和交流電弧爐兩種。電弧爐控制系統(tǒng)包括基礎(chǔ)自動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化。它是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)藕合、時(shí)變、工作環(huán)境惡劣及隨機(jī)干擾性較強(qiáng)的系統(tǒng),各種參數(shù)的多變使得系統(tǒng)電極位置、電弧長(zhǎng)度、電弧電流/電壓、系統(tǒng)功率及功率因數(shù) cos 中很難保持在最佳狀態(tài)下運(yùn)行,也一直阻礙著電弧爐過(guò)程控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著電力工業(yè)的進(jìn)步,大型超高功率電爐技術(shù)的發(fā)展以及爐外精煉技術(shù)的采用,使電弧爐煉鋼技術(shù)有了很大的進(jìn)步。高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多品種、節(jié)能降耗達(dá)到降低成本,以獲得最大利潤(rùn)一直是鋼鐵工業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中獲得生存和發(fā)展的目標(biāo)。但傳統(tǒng)的以數(shù)學(xué)模
11、型為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制框架顯然已不能適應(yīng)這一要求。隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的相結(jié)合,一種以人工智能、控制理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)的新型控制技術(shù)一智能控制的出現(xiàn),為控制領(lǐng)域解決傳統(tǒng)難題帶來(lái)了新的生機(jī),以實(shí)現(xiàn)過(guò)程控制的自動(dòng)化。 1.2 電弧爐系統(tǒng)電弧爐系統(tǒng)1.2.1 電弧爐煉鋼發(fā)展概況電弧爐煉鋼發(fā)展概況 近現(xiàn)代煉鋼方法主要有轉(zhuǎn)爐煉鋼法,平爐煉鋼法和電爐煉鋼法。平爐煉鋼法基本被淘汰,電爐煉鋼法與轉(zhuǎn)爐煉鋼最基本的差別在于,電爐煉鋼是以電能作為熱源,而電弧爐煉鋼是應(yīng)用最為普遍的電爐煉鋼方法。電弧爐煉鋼是靠電極和爐料間放點(diǎn)產(chǎn)生的電弧,使電能在弧光中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?,并借助輻射和電弧的直接作用加熱加熱并融化金屬和爐渣,
12、冶煉出各種成分的鋼和合金的一種冶煉方法1。電弧爐煉鋼技術(shù)發(fā)展至今已有近 100 年的歷史。雖然始終面臨著其他煉鋼方法的挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng),特別是高效率的氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼的沖擊,但是電弧爐鋼產(chǎn)量在世界鋼總產(chǎn)量的比例仍然逐年上升。而經(jīng)過(guò)電弧爐煉鋼本體技術(shù)的不斷完善,相關(guān)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)并不斷充實(shí)到電弧爐煉鋼工藝流程中,以及吸取其他煉鋼方法的重要功能使電弧爐煉鋼對(duì)原料適應(yīng)性的不斷增強(qiáng),電弧爐煉鋼以飛快的速度發(fā)展并成為 21 世安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 6 頁(yè)裝訂線紀(jì)鋼的生產(chǎn)技術(shù)的主流。19 世紀(jì)中葉以后,各種大規(guī)模實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換的冶煉裝置陸續(xù)出現(xiàn):1879 年西門子(william si
13、emens)首先進(jìn)行了使用電能熔化鋼鐵爐料的研究,1889 年出現(xiàn)了普通感應(yīng)煉鋼爐,1900 年法國(guó)人赫洛爾特(paul heroult)設(shè)計(jì)的第一臺(tái)煉鋼電弧爐投入生產(chǎn)。從此,電弧爐煉鋼在近一百年中得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,已成為最重要的煉鋼方法之一。20 世紀(jì)以來(lái)世界總鋼產(chǎn)量、電爐鋼產(chǎn)量和電爐鋼所占百分比(表 1.1,1.2)的變化可以看出2:(1)五十年代前電爐鋼占百分比很低,是一類特殊的煉鋼方法。(2)五十年代以后,電爐鋼得到迅速發(fā)展,19501990 年間世界電爐鋼總產(chǎn)量增長(zhǎng)近17 倍。電爐鋼所占百分比也由6.5增至27.5。(3)九十年代以來(lái),世界電爐鋼保持高速發(fā)展,19901998 年間世
14、界電爐鋼年產(chǎn)量增加5123 萬(wàn)噸,電爐鋼占百分比增長(zhǎng)至33.9。電弧爐煉鋼發(fā)展過(guò)程中,經(jīng)歷了普通功率電弧爐高功率電弧爐超高功率電弧爐。其冶金功能也發(fā)生了革命性的變化,其功能由傳統(tǒng)的“三期操作”發(fā)展為只提供初煉鋼水的“二期操作”。表1.1 世界歷年來(lái)電爐鋼占鋼總產(chǎn)量的比例年代1920 193019401950196019701980199020002010電爐鋼量比%1.22.02.36.99.713.822.027.433.538.5 表 1.2 我國(guó)歷年來(lái)電爐鋼占鋼總產(chǎn)量的比例年代1950 196019701980198519881993200020052010電爐鋼量比%12.3817.1
15、522.1719.121.1520.0521.822.528.433.51.2.2 電弧爐煉鋼的特點(diǎn)電弧爐煉鋼的特點(diǎn)電弧爐煉鋼是以電能為熱源,利用電極與爐料間生產(chǎn)的電弧高溫來(lái)加熱和熔化爐料。因此電弧爐煉鋼有以下一系列的優(yōu)點(diǎn)3:(1)電能為熱源,避免燃燒燃料對(duì)鋼液污染,熱效率高,可達(dá)65%以上;(2)冶煉熔池溫度高且容易控制,滿足冶煉不同鋼種的要求;(3)電熱轉(zhuǎn)換,輸入熔池的功率容易調(diào)節(jié),因而容易實(shí)現(xiàn)熔池加熱制度自動(dòng)化,操作方便;(4) 電弧爐煉鋼可以消納廢鋼,是一種鐵資源回收再利用過(guò)程,也是一種處理污染的環(huán)保技術(shù) 。相當(dāng)于是鋼鐵工業(yè)和社會(huì)廢鋼的回收工具。由于鋼鐵良好的可再生性及環(huán)境、資源和能源
16、等方面日益苛刻的要求,使得盡可能多的利用廢鋼成為國(guó)際趨勢(shì)。廢鋼如得不到有效的回收和利用,將成為巨大的潛在環(huán)境污染源,有些甚至可能對(duì)水質(zhì)、土壤等構(gòu)成嚴(yán)重威脅。大量銹蝕的鋼鐵廢料,不但造成資源的浪費(fèi),也將造成嚴(yán)重的粉塵污染。廢鋼的堆積本身也給環(huán)境帶來(lái)不利影響。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 7 頁(yè)裝訂線(5)煉鋼過(guò)程的煙氣污染和噪聲污染容易控制;(6)設(shè)備簡(jiǎn)單,煉鋼流程短,占地少,投資省、建廠快,生產(chǎn)靈活。鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生的大量固體鋼制品若不認(rèn)真對(duì)待,將是巨大的潛在環(huán)境污染源,有些甚至可能對(duì)水質(zhì)、土壤等構(gòu)成嚴(yán)重威脅。當(dāng)今鋼鐵生產(chǎn)可分為“從礦石到鋼材” 和“從廢鋼到鋼材” 兩大流程
17、。相對(duì)于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中以高爐轉(zhuǎn)爐煉鋼為代表的常規(guī)流程而言,以廢鋼為主要原料的電弧爐煉鋼生產(chǎn)線具有工序少、投資低和建設(shè)周期短的特點(diǎn),因而被稱為短流程。近年來(lái),短流程更特指那些電弧爐煉鋼與連鑄連軋相結(jié)合的緊湊式生產(chǎn)流程。由最近的統(tǒng)計(jì)將兩種流程作一比較(表1.3),可見(jiàn)在投資、效率和環(huán)保等方面, 以電弧爐為代表的短流程煉鋼具有明顯的優(yōu)越性。表1.3 高爐轉(zhuǎn)爐煉鋼和電弧爐煉鋼兩大流程的比較 類別 高爐-轉(zhuǎn)爐流程 電弧爐流程投資,美元/噸鋼 1000-1500 500-800從原料到鋼水的能耗,標(biāo)煤/噸鋼 703.17 213.73從原料到到成品材的運(yùn)輸力需求,噸/噸鋼 15.8 9.48二氧化碳排放,
18、公斤/噸鋼 2000-3000 800但是,電爐煉鋼也有其不可避免的缺陷,如電弧是點(diǎn)熱源,爐內(nèi)的溫度分布的不均勻,各部分的溫差比較大;爐氣或水分,在電弧的作用下,能電解出大量的h、n,從而使鋼中的氣體含量增高。1.2.3 電弧爐煉鋼計(jì)算機(jī)控制發(fā)展概況電弧爐煉鋼計(jì)算機(jī)控制發(fā)展概況隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展,以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化技術(shù)已成為電爐鋼廠的重要生產(chǎn)工具,其應(yīng)用程度從只能完成比較簡(jiǎn)單的熔煉控制和電極升降控制,到對(duì)整個(gè)煉鋼廠的控制和管理。應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制的目的是為了提高生產(chǎn)率,改善勞動(dòng)條件,降低冶煉電耗和操作成本,提高鋼的質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)電爐生產(chǎn)的綜合自動(dòng)化和生產(chǎn)過(guò)程的最優(yōu)化。在
19、發(fā)達(dá)國(guó)家的電爐生產(chǎn)中,計(jì)算機(jī)的應(yīng)用己相當(dāng)普及,并已研制出系列化的硬、軟件系統(tǒng),如danieli公司的process control system, abb公司的master melter system, krupp公司的geisweid model, mannesmann demag公司的process control system, proces公司的production management system等。我國(guó)煉鋼用計(jì)算機(jī)控制起步不久,z作尚薄弱,但已取得一定的效果。由于煉鋼技術(shù)上的復(fù)雜性,首先工藝上對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有一嚴(yán)格的時(shí)序要求。其次是它的整個(gè)生產(chǎn)工藝上過(guò)程計(jì)算機(jī)管理,使物料的走向
20、趨于合理,各種配比要求達(dá)到經(jīng)濟(jì)、合理,全過(guò)程控制要達(dá)到它的魯棒性、最優(yōu)化、同時(shí)要在系統(tǒng)控制中采用人工智能、專家系統(tǒng)、模糊控制等多種現(xiàn)代化的控制手段。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 8 頁(yè)裝訂線1.3 電弧爐煉鋼設(shè)備概括電弧爐煉鋼設(shè)備概括1.3.1 電弧爐煉鋼的機(jī)械設(shè)備電弧爐煉鋼的機(jī)械設(shè)備電弧爐的構(gòu)造主要由煉鋼工藝決定,同時(shí)與電弧爐的容量大小、裝料方式、傳動(dòng)方式等有關(guān)4。電弧爐的基本結(jié)構(gòu)如圖1.1。圖1.1 煉鋼電弧爐示意圖1-傾爐用液壓缸;2-傾爐搖架;3-爐門;4-熔池;5-爐蓋;6-電極;7-電極夾持器;8-爐體;9-電弧;10-出鋼槽。電弧爐的主要機(jī)械設(shè)備由爐體、電
21、極夾持器、電極升降裝置、爐體傾動(dòng)裝置、爐蓋提升、旋轉(zhuǎn)裝置和爐頂裝料系統(tǒng)等以及液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)組成。爐體:是電弧爐的主要裝置,用來(lái)熔化爐料和進(jìn)行各種冶金反應(yīng)。電弧爐的爐體由金屬構(gòu)件和耐火材料砌筑成的爐襯兩部分組成。電弧爐的金屬構(gòu)件包括爐殼、爐門、出鋼槽、爐蓋圈和電極密封圈。爐殼由鋼板焊成,上部有加固圈。爐門可以用來(lái)觀測(cè)爐內(nèi)情況及進(jìn)行扒渣等操作,爐蓋的上方一有三個(gè)呈正三角形不知的電極孔,在孔與電極之間設(shè)有電極密封圈。爐殼的上部、爐蓋和電極密封圈都通水冷卻,爐殼內(nèi)部、爐蓋及出鋼槽內(nèi)部都是用耐火磚砌成的。電極夾持器及電極升降裝置:電極夾持器可以用來(lái)夾緊和放松電極,還可以把電流傳送
22、到電極上。在熔煉過(guò)程中,由于爐料不斷熔化,不同的熔煉階段要求給出不同的電能。同時(shí),電極自身的長(zhǎng)度也會(huì)存在自消耗。因此,需要隨時(shí)升降電極以調(diào)整電弧的長(zhǎng)度。電極通過(guò)電極夾持器固定在電極升降裝置上。電極升降裝置由導(dǎo)電橫臂、立柱和傳動(dòng)裝置組成。導(dǎo)電橫臂由銅鋼復(fù)合板制成,作為支持用的機(jī)械結(jié)果部分,用來(lái)固定電極夾頭。立柱和導(dǎo)電橫臂連接成“”形支架,一起在固定的框安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 9 頁(yè)裝訂線架內(nèi)升降,框架固定在爐體的搖架上,框架內(nèi)裝有滾輪,立柱沿滾輪升降。電極夾頭、導(dǎo)電橫臂都是內(nèi)部通水冷卻。傳動(dòng)方一式為液壓傳動(dòng)。電極升降機(jī)構(gòu)包括電極升降液壓缸、電極升降立柱、電極噴林環(huán)、
23、夾頭噴吹等部分。爐體傾動(dòng)裝置:為底傾機(jī)構(gòu),傳動(dòng)形式為液壓傳動(dòng)。爐子裝在專門的搖架上,搖架兩側(cè)的扇形板支撐在底座上,傾動(dòng)時(shí)搖架的扇形板沿底座擺動(dòng),出鋼槽末端的運(yùn)動(dòng)軌跡為擺線。傾動(dòng)時(shí)工作液進(jìn)入液壓缸,使液壓活塞桿推動(dòng)搖架,搖架沿水平底座滾動(dòng),帶動(dòng)爐體傾動(dòng),為防止搖架和水平底座發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),在它們的整個(gè)接觸面上,分別加工上導(dǎo)釘孔和導(dǎo)釘。傾爐機(jī)構(gòu)包括傾動(dòng)搖架、傾動(dòng)軌道、傾動(dòng)液壓缸、水平支撐機(jī)構(gòu)與爐蓋旋轉(zhuǎn)軸承和旋轉(zhuǎn)鎖定等。傾動(dòng)搖架下部為弧形結(jié)構(gòu),在軌道平面上進(jìn)行滾動(dòng),定位準(zhǔn)確、可靠。兩個(gè)活塞式傾動(dòng)爐液壓缸下支座固定在水泥基礎(chǔ)上。上支座固定在搖架平臺(tái)的底部。傾動(dòng)油路上安裝有液壓鎖,以保證爐子在任何傾動(dòng)位置
24、失壓時(shí),停止不動(dòng)。水平支撐狀態(tài),不得向出渣側(cè)傾動(dòng)。爐蓋提升及旋轉(zhuǎn)裝置:該機(jī)構(gòu)包括爐蓋旋轉(zhuǎn)架、爐蓋提升缸、提升連桿機(jī)構(gòu)、爐蓋旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及鎖定機(jī)構(gòu)等。旋轉(zhuǎn)架通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸承連接在傾動(dòng)搖架平臺(tái)上。當(dāng)固定在平臺(tái)上的液壓缸活塞桿伸出時(shí),可使?fàn)t蓋旋開(kāi)。液壓缸活塞桿縮回時(shí),爐蓋即可復(fù)位。旋轉(zhuǎn)架伸出臂下通水冷卻,以防止高溫變形。液壓系統(tǒng):液壓系統(tǒng)包括液壓源、控制閥門、蓄液箱、蓄能器等。液壓源有三臺(tái)恒壓變量泵并配備一定數(shù)量的蓄能器。以保證事故狀態(tài)的應(yīng)急操作。電極升降采用比例閥,以保證在穿井塌料時(shí)電極能快速提升,防止電極碰斷和提高靈敏度。爐體傾動(dòng)采用比例閥,使傾動(dòng)速度在0-3/s之間隨意控制,以滿足出鋼和快速回傾的要求
25、。爐蓋旋轉(zhuǎn)采用比例閥控制,以保證在旋轉(zhuǎn)過(guò)程平穩(wěn)、快速。水冷系統(tǒng):為了延長(zhǎng)電弧爐的使用壽命以及改善爐前操作條件,電弧爐的許多部位通水冷卻,如前所述的爐蓋、爐殼等、水冷系統(tǒng)主要包括三部分:水冷爐壁、水冷爐蓋和水冷導(dǎo)電橫臂、爐體為雙層結(jié)構(gòu),中間為水冷夾層,爐壁匕有入水口和出水口,冷卻水不斷從夾層中流過(guò),使?fàn)t壁冷卻。冷卻水的進(jìn)口壓力要求一般在1.45個(gè)大氣壓以上。電爐主體的水冷系統(tǒng)供給水冷爐壁、水冷爐蓋、爐門、爐門框、導(dǎo)電橫臂電極夾頭、電極噴林水冷電纜和銅管等。氣動(dòng)系統(tǒng):氣動(dòng)裝置為電極夾頭清灰,為加料斗氣缸、爐門氣缸等供氣,系統(tǒng)由主閥架氣動(dòng)三大件、氣閥等組成,系統(tǒng)壓力0.3mpa。1.3.2 電弧爐煉
26、鋼的電氣設(shè)備電弧爐煉鋼的電氣設(shè)備電弧爐的電氣設(shè)備主要分為主電路和電極升降自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。主電路的任務(wù)是將高壓電轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪捍箅娏鬏斖娀t,并以電弧的形式將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。電弧爐的主電路如圖1.2,主要由高壓斷電器、電抗器、電爐變壓器及低壓短網(wǎng)等組成5。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 10 頁(yè)裝訂線電弧爐采用三相交流電供電,電氣設(shè)備主要包括以下幾個(gè)部分:高壓供電系統(tǒng)、二次回路、電爐變壓器、電抗器、短網(wǎng)、低壓供電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。高壓系統(tǒng):一股由35kv電,經(jīng)高壓隔離開(kāi)關(guān)、高壓真空斷路器、電抗器送至電弧爐變壓器,在高壓供電系統(tǒng)中設(shè)有氧化鋅避雷器、阻容吸收器,作為電壓吸收裝置,吸收
27、操作過(guò)電壓和浪涌過(guò)電壓,以保證變壓器正常運(yùn)行。高壓測(cè)二次計(jì)量回路設(shè)有高壓側(cè)電壓、高壓側(cè)電流、功率因數(shù)、有功功率、有功電度及無(wú)功電度的計(jì)量,二次保護(hù)回路設(shè)有過(guò)電流保護(hù)、欠壓保護(hù)、缺相保護(hù)、變壓器溫度保護(hù)、變壓器瓦斯保護(hù)及冷卻器保護(hù)等完善的保護(hù)回路。電爐變壓器:采用高阻抗電弧爐專用變壓器,變壓器采用有載電動(dòng)調(diào)壓,低壓二次側(cè)采用銅管側(cè)出線、內(nèi)封口,采用強(qiáng)油循環(huán)水冷卻器進(jìn)行冷卻。變壓器配套強(qiáng)油循環(huán)冷卻器及其電氣控制臺(tái)。電抗器:電抗器為外附電抗器,無(wú)載調(diào)節(jié)可連續(xù)過(guò)載20%,配有隔離開(kāi)關(guān),接地開(kāi)關(guān)。短網(wǎng):也稱大電流線路,是指從電弧爐變壓器低壓出線到電極(包括電極)之間的各種形式導(dǎo)體的總和。電流經(jīng)短網(wǎng)送入爐
28、內(nèi),產(chǎn)生電流,將電能變成熱能,把爐料熔化。低壓動(dòng)力及控制電源:由系統(tǒng)動(dòng)力柜接收車間饋電,進(jìn)線電壓380/220v,三相四線制。主要是給液壓站、高壓泵、加熱器、閘整流電源、電爐變壓器調(diào)壓控制器、油水冷卻器、儀表電源、控制電源、穩(wěn)壓電源等供電。圖1.2 電弧爐主電路簡(jiǎn)圖安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 11 頁(yè)裝訂線1-高壓電纜;2-隔離開(kāi)關(guān);3-高壓斷路器;4-電抗器;5-電抗器短爐開(kāi)關(guān); 6-電爐變壓器;7-電極;8-電?。?-金屬。1.4 電弧爐煉鋼過(guò)程及工藝簡(jiǎn)介電弧爐煉鋼過(guò)程及工藝簡(jiǎn)介1.4.1 電弧爐煉鋼過(guò)程電弧爐煉鋼過(guò)程電弧爐是以電弧為主要熱源的電爐,分為直流電弧爐
29、和交流電弧爐兩種。在電弧爐煉鋼過(guò)程中,電弧產(chǎn)生于專用的電極棒和被熔化的爐料之間,爐料受到電弧的直接加熱。電弧爐是繼轉(zhuǎn)爐、平爐之后出現(xiàn)的又一種煉鋼方法,已有百年歷史。目前世界上電爐鋼產(chǎn)量 95%以上都是由交流電弧爐生產(chǎn)的,已成為主要的煉鋼方法之一。如圖 1.3 三相電弧爐構(gòu)造簡(jiǎn)圖。它由一臺(tái)特種變壓器的三相交流電供電,三相交流電流通過(guò) 3 個(gè)上下移動(dòng)的電極直接加熱爐內(nèi)金屬6。圖 1.3 三相電弧爐構(gòu)造簡(jiǎn)圖1-爐底;2-鋼液;3-渣層;4-流鋼嘴;5-爐頂;6-電極;7-電極夾持器;8-短網(wǎng);9-電爐變壓器;10-爐門。電弧爐整個(gè)煉鋼過(guò)程一般分為熔化期、氧化期和還原期三個(gè)時(shí)期,各個(gè)時(shí)期對(duì)冶煉溫度和功
30、率的要求各不相同。熔化期的任務(wù)是將固體爐料熔化為鋼液,這個(gè)時(shí)期要求盡可能地向爐內(nèi)輸入最大電功率以保證爐料在最短的時(shí)間內(nèi)熔為金屬液。氧化期主要是通過(guò)脫碳反應(yīng)而造成鋼液沸騰,從而達(dá)到除磷、除雜、均勻等目的。還原期的主要任務(wù)是:(l)使鋼和爐渣還原;(2)去除鋼液中的氧和硫,使其含量達(dá)到規(guī)定的要求;(3)調(diào)整鋼液的化學(xué)成分,使其達(dá)到要求;(4)加熱鋼液至正常出鋼溫度。電弧爐煉鋼過(guò)程工藝如圖 1.4安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 12 頁(yè)裝訂線所示。熔化期裝料氧化期除渣還原期補(bǔ)料出鋼白云石或鎂粉通電廢鋼吹氧助熔熔渣吹氧加合金塊取樣廢鋼(二次加料)取樣加礦石 取樣化驗(yàn)造渣劑圖 1.
31、4 電弧爐煉鋼工藝過(guò)程1.4.2 電弧爐煉鋼工藝簡(jiǎn)述電弧爐煉鋼工藝簡(jiǎn)述電弧爐煉鋼的工藝方法歸納起來(lái)有三種,即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。氧化法是電弧爐煉鋼工藝的最基本的方法,不氧化法和返回吹氧法都是在氧化法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的7。傳統(tǒng)的氧化法冶煉工藝由補(bǔ)爐、裝料、熔化期、氧化期、還原期和出鋼六個(gè)階段組成。在爐內(nèi)即要完成熔化、脫磷、脫碳、升溫,又要進(jìn)行脫氧、脫硫、去氣、去除夾雜物、合金化以及溫度成分的調(diào)整,因而冶煉周期很長(zhǎng)。這即難保證對(duì)鋼材越來(lái)越嚴(yán)格的質(zhì)量要求,又限制了電弧爐生產(chǎn)率的提高。工藝上的改進(jìn)大大提高了電弧爐設(shè)備能力,使其能夠以盡可能大的功率進(jìn)行熔化、升溫操作,而把那些只需要較低功率的操
32、作轉(zhuǎn)移到鋼包精練爐內(nèi)進(jìn)行。并且越來(lái)越完善的電弧技術(shù)能進(jìn)一步滿足鋼液純度和嚴(yán)格的成分、溫度控制的要求。同時(shí),在現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝中,在熔化初期就對(duì)爐內(nèi)進(jìn)行吹氧,因此熔化期和氧化期己無(wú)明顯的區(qū)分,所以現(xiàn)代電弧爐煉鋼工藝包括補(bǔ)爐、裝料、熔氧期和出鋼四個(gè)階段。補(bǔ)爐:補(bǔ)爐是指當(dāng)上爐出鋼完后,需要迅速將爐體損壞的部位進(jìn)行維修,以保證下一爐鋼的正常冶煉。裝料:裝料是指將固體爐料裝入爐膛內(nèi)。目前多數(shù)電弧爐采用爐蓋上升,爐體開(kāi)出,或者爐蓋升起旋開(kāi),用吊車吊起爐料一次加入爐膛內(nèi)。熔氧期:從通電開(kāi)始到出鋼階段稱為熔氧期。熔氧期的主要任務(wù)是迅速熔化全部爐料,去除鋼液中的磷、氣體和夾雜物,將鋼液溫度加熱到高于出鋼溫度1
33、0-20。為了加速熔化和節(jié)約電能,在熔氧期一般采用吹氧助熔,有條件的也可以采川煤氧助熔。出鋼:鋼液脫碳、脫磷良好,化學(xué)成分符合要求,溫度達(dá)到出鋼要求,爐渣合乎安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 13 頁(yè)裝訂線出鋼要求,即可出鋼。1.4.3 電弧爐工藝對(duì)控制系統(tǒng)的要求電弧爐工藝對(duì)控制系統(tǒng)的要求由于煉鋼工藝在電弧爐煉鋼上采用了多種提高冶煉效果,縮短煉鋼時(shí)間,節(jié)能降耗的技術(shù),從而使電弧爐的控制系統(tǒng)更為復(fù)雜。例如在電弧爐上采用吹氧技術(shù)之后,對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的要求是:在煉鋼過(guò)程中如何達(dá)到最佳的脫碳效果,同時(shí)要控制化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的一氧化碳在爐內(nèi)進(jìn)行充分二次燃燒。控制吹氧的效果,確保浮渣的
34、厚度足以去覆蓋電弧,從而保證電能效率得以最大限度地發(fā)揮,提高鋼水的攪拌效果,迅速把熱能傳遞給需熔化的廢鋼,擴(kuò)大氧和鋼水之間反應(yīng)的有效區(qū)域,允許電弧爐進(jìn)行長(zhǎng)弧操作。綜合各種因素的控制,達(dá)到最大功率的冶煉效果8。1.4.4 電弧爐煉鋼工藝對(duì)電極調(diào)節(jié)器的要求電弧爐煉鋼工藝對(duì)電極調(diào)節(jié)器的要求 電極調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)條件和調(diào)節(jié)任務(wù)頗為復(fù)雜。在起弧熔化冷料時(shí),長(zhǎng)度為數(shù)毫米的電弧在不甚大的范圍內(nèi),就能產(chǎn)生數(shù)千千瓦的功率,此時(shí)電弧溫度高達(dá)數(shù)千度,被熔料在電極下面迅速而激烈的熔化、飛濺,時(shí)有短路和斷弧現(xiàn)象發(fā)生,因此弧長(zhǎng)、輸入功率不斷變化。當(dāng)電弧電流小于額定值時(shí),輸入到爐內(nèi)的電能減少,熔化時(shí)間拖長(zhǎng),電能及電極消耗均有增
35、加;而當(dāng)電流非常大時(shí),雖僅數(shù)秒鐘,就能使線路損耗大大增加,導(dǎo)致輸入電弧爐內(nèi)的電能減少,降低設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo),此時(shí)電弧長(zhǎng)度非常短,特別使當(dāng)電極同熾熱或液態(tài)熔液接觸時(shí),會(huì)使熔液遭受增碳的危險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)可折斷電極。可見(jiàn),電弧爐電極調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)任務(wù)非常關(guān)鍵,即在保證穩(wěn)定調(diào)節(jié)的條件下,要求電極調(diào)節(jié)器靈敏度高,快速性好,超調(diào)小。具體的說(shuō),40噸電弧爐對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)器的要求如下:(1)高靈敏度。對(duì)電弧電流變化的反應(yīng)要靈敏,可以用非靈敏區(qū)來(lái)衡量。非靈敏區(qū)指當(dāng)電極調(diào)節(jié)被控量偏差發(fā)生變化時(shí),電極仍保持靜止的整個(gè)區(qū)間。通常用不感系數(shù)來(lái)代表調(diào)節(jié)器非靈敏區(qū)的大小。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在開(kāi)始向兩個(gè)方向動(dòng)作時(shí)的被調(diào)量之差與其算術(shù)平均值之比的百
36、分?jǐn)?shù)稱為不感系數(shù)。(2)電極調(diào)節(jié)快速性好。電極提升速度要快,否則容易造成短路而使高壓斷路器自動(dòng)跳閘;下降要慢,以免電極碰撞爐料而折斷或插入熔液中。電極速度由零升至最大速度的90%所需時(shí)間不得大于0.3s,電極速度由最大速度降到10%所需的時(shí)間不得大于0.15s。(3)保證電弧電流能在額定值的30-125%的范圍內(nèi)平滑的整定。(4)電極同爐料短路時(shí),在保證電弧穩(wěn)定的情況下,應(yīng)使電極以最大速度上升。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 14 頁(yè)裝訂線(5)保證電極升降控制能迅速的從自動(dòng)切換為手動(dòng),或由手動(dòng)切換為自動(dòng)。(6)電弧爐通電時(shí),電極調(diào)節(jié)器應(yīng)能保證自動(dòng)燃弧。(7)調(diào)節(jié)器應(yīng)能保
37、證調(diào)節(jié)工作高度可靠,操作簡(jiǎn)單。上面的各項(xiàng)要求,最重要的是快速性、靈敏度和系統(tǒng)的超調(diào)量小。調(diào)節(jié)器的快速作用能夠提高電弧功率平均值、功率因數(shù)cos和電效率,改善電氣設(shè)備的工作條件,同時(shí)有利于減少電極對(duì)熔液增碳。足夠高的靈敏度不但能以高準(zhǔn)確度來(lái)維持每相電弧功率相等,而且能改善各項(xiàng)性能指標(biāo)。如電弧功率平均值、功率因數(shù)cos和電效率。除此以外,還能消除每個(gè)電弧周圍的耐火磚受熱不均勻的可能性。高靈敏度、快速性和整個(gè)系統(tǒng)的超調(diào)量控制之間的正確配合是設(shè)計(jì)性能優(yōu)越調(diào)節(jié)器的決定性條件。1.5 本論文所做的工作本論文所做的工作主要包括以下幾個(gè)方面:(1)在查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,綜述了精煉爐控制技術(shù)的發(fā)展歷程、
38、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)。在深入了解電弧爐煉鋼的工藝過(guò)程,以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上,討論了在未來(lái)的電弧爐發(fā)展中計(jì)算機(jī)控制將起到的決定性作用。(2)根據(jù)所設(shè)計(jì)電極調(diào)節(jié)控制器,給出了實(shí)用控制算法的實(shí)現(xiàn)方法;用cxprogrammer編程語(yǔ)言編寫了系統(tǒng)的控制軟件。(3)首先研究了電弧的特性,并建立了電弧弧長(zhǎng)與電流及電壓的關(guān)系,并通過(guò)理論與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算,確定了主要參數(shù)的大小,通過(guò)大量數(shù)據(jù)的計(jì)算及仿真,驗(yàn)證了所提出方法的可行性和適用性。(4)電弧爐控制系統(tǒng)的關(guān)鍵是電極控制。在電極控制及調(diào)節(jié)方法研究的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了單相電極由于其電弧電阻的變化而引起其電弧電壓、電流變化的理論關(guān)系,以及三相電極電弧電壓和電流變
39、化互擾之間的理論關(guān)系。系統(tǒng)的pid控制原理,并采用不同算法對(duì)單相電極進(jìn)行了仿真。(5)在分析了控制系統(tǒng)工作機(jī)理的基礎(chǔ)上,對(duì)電弧爐煉鋼的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的分析,包括電氣部分的建模和控制部分的建模。(6)為電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)pid電極調(diào)節(jié)控制器,得到了良好的控制效果,同時(shí)為了進(jìn)一步的提高控制系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo),提出了模型參考自適應(yīng)電極調(diào)節(jié)控制器,并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 15 頁(yè)裝訂線第二章第二章 電弧爐控制系統(tǒng)電弧爐控制系統(tǒng)2.1 電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)電弧爐煉鋼應(yīng)遵循高產(chǎn),優(yōu)質(zhì),低消耗的原則。因此,各類鋼種的冶煉過(guò)程的供
40、電制度應(yīng)符合其工藝原則。如圖2.1為10t電弧爐,變壓器容量為5500kva的電力曲線控制實(shí)例。圖中縱坐標(biāo)為輸入電流(a),曲線上標(biāo)明輸入電壓值(v),輸入功率即為二者乘積,圖中陰影部分為電流可調(diào)節(jié)范圍,其值應(yīng)根據(jù)鋼液溫度靈活掌握。表2.1為40t電弧爐,變壓器容量16mav的供電制度。熔化期氧化期還原期停電送電10min熔清化稀薄渣渣變白熔化開(kāi)始 爐料80%熔化氧化末期還原劑加入出鋼扒渣0電流/a100005000212-216260212-260212140212140122圖2.1電弧爐冶煉過(guò)程電力曲線控制圖表2.1 40t,16mav電弧爐變壓器的供電制度熔化期氧化期還原期供電制度送電
41、前10min助熔助熔-熔清氧化-出渣化渣-出渣形成還原-出鋼檔位63或56-86-106-810-16電壓/v312.5353-326258.3-321.5285.3-312.5128.5-312.5177.5-258.5電流2000026000-300003000015000-250002500020000-30000安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 16 頁(yè)裝訂線/a 電力曲線分析:(1)熔化期。在通電起弧5-10min內(nèi),為了避免弧光損壞爐蓋,此階段輸入中級(jí)電壓,中級(jí)電流;10min后,熔煉進(jìn)入穿井和電極回升階段,為促使?fàn)t料快速熔化,此階段輸入最大電壓和最大電流,直到
42、爐料熔化掉80%以上,熔池面逐漸上升平展,只剩下?tīng)t坡,渣線處和低溫區(qū)附近的一些爐料。同時(shí),電極也相應(yīng)上升,電弧也暴露在熔池面上,如果繼續(xù)采用高電壓、大電流,勢(shì)必嚴(yán)重?fù)p壞爐體和爐蓋,故改用中級(jí)電壓、中級(jí)電流,減少輸入功率,一直保持到爐料全熔,并將鋼液加熱到需要的溫度為止。(2)氧化期。這個(gè)階段的主要任務(wù)之一就是合理地把鋼液溫度加熱到出鋼溫度或高于出鋼溫度。與熔化期相比,輸入功率可適當(dāng)減少,一般采用中級(jí)電壓和中級(jí)電流送電。(3)還原期。加入稀薄渣料后,為了減少脫氧劑燒損及維護(hù)爐襯,應(yīng)立即轉(zhuǎn)為低級(jí)電壓供電。在正常情況下,應(yīng)輸入小功率只需彌補(bǔ)爐子正常的散熱損失。電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須適應(yīng)煉鋼的合理供電規(guī)
43、則,使?fàn)t料熔化時(shí)間最短、電能消耗最小。爐料的熔化時(shí)間友下式確定:0e gteppksh=-式中 -熔化期內(nèi)平均點(diǎn)效應(yīng);aeh -熔化期電爐變壓器自電網(wǎng)取得的平均功率,kw;p -用來(lái)補(bǔ)充損失的功率,kw;pks -裝入爐料中的爐料重量,t;g -熔化1t金屬在理論上的電能消耗,kw*h/t。0e式中說(shuō)明 :煉鋼時(shí)間取決于輸入爐膛的平均功率和煉鋼中散熱損失的功率。為了減少電能消耗,減少冶煉時(shí)間以便減小散熱損失的電能,應(yīng)視煉鋼工藝過(guò)程情況合理調(diào)節(jié)輸入到爐膛的功率。2.2 液壓、水冷、氣動(dòng)控制系統(tǒng)液壓、水冷、氣動(dòng)控制系統(tǒng) 2.2.1 液壓控制系統(tǒng)液壓控制系統(tǒng) 電弧爐電極升降機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)方式控制的
44、,稱為全液壓傳動(dòng)電弧爐。由于電極升降的液壓缸動(dòng)作十分頻繁,其工作時(shí)間幾乎就是冶金時(shí)間,需要一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間供應(yīng)壓力液體的液壓系統(tǒng),故一般都設(shè)有液壓力蓄勢(shì)器(貯壓罐)作為長(zhǎng)期供應(yīng)的壓力源,整個(gè)液壓系統(tǒng)比較復(fù)雜。而一般液壓傳動(dòng)的電弧爐,其電極升降機(jī)構(gòu)作為機(jī)安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 17 頁(yè)裝訂線械傳動(dòng),在電爐冶煉工作時(shí),只要其他機(jī)構(gòu)不動(dòng)作,液壓系統(tǒng)的油泵可以停止工作,也不需要蓄勢(shì)器,液壓系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單9。電弧爐液壓系統(tǒng)由四個(gè)部分組成:(1)驅(qū)動(dòng)部分:即油泵,它的作用是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能。(2)執(zhí)行部分:即油缸,它的作用是將壓力液體的壓力能轉(zhuǎn)換為工作部件運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。(3
45、)控制部分:即控制液流的壓力、流量和方向的各種閥件。它的作用是滿足執(zhí)行部件提出的推動(dòng)要求、動(dòng)作方向要求和動(dòng)作速度要求等。(4)輔助部分:包括油管、郵箱、蓄能器、濾油管、管接頭、壓力表和液位計(jì)等。它的作用是將驅(qū)動(dòng)部分、控制部分和執(zhí)行部分連成一個(gè)系統(tǒng),并具有連接、測(cè)量、貯液、蓄能和過(guò)濾等功能。2.2.2 水冷控制系統(tǒng)水冷控制系統(tǒng)水冷系統(tǒng)包括短網(wǎng)的三相大截面水冷電纜、電極夾持器、導(dǎo)電橫臂、爐體、爐門及水冷壁、水冷爐蓋圈。水冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分為冷循環(huán)水泵,它的作用是使冷卻水循環(huán)并帶走以上所述電弧爐各部分設(shè)備的熱量,延長(zhǎng)電爐設(shè)備的使用壽命,改善現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境。冷卻水泵的控制工作原理如圖2.2所示。水冷控制
46、系統(tǒng)還設(shè)有事故報(bào)警裝置,爐門、爐門框、爐蓋圈、上爐體水冷塊、旋轉(zhuǎn)架、合金加料裝置、水冷電纜、短網(wǎng)銅管、導(dǎo)電橫臂各部件溫度,總進(jìn)水溫度和壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí),則溫度傳感、壓力傳感部件的開(kāi)關(guān)量閉合,并輸入給plc系統(tǒng)進(jìn)行“或”操作,使故障報(bào)警輸出繼電器動(dòng)作,發(fā)出音響和燈光報(bào)警。mdyplcac220vu v wqfkmp+p-uv啟動(dòng)停止p+sa kap+p- ac220vu ka kmkm km hr hgn24v 直流圖2.2 冷卻水泵的控制原理圖安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 18 頁(yè)裝訂線2.2.3 氣動(dòng)控制系統(tǒng)氣動(dòng)控制系統(tǒng) 氣動(dòng)控制系統(tǒng)主要為電極立柱氣缸、爐門氣缸、加料
47、斗啟閉氣缸等部件提供壓縮空氣。其驅(qū)動(dòng)部分由空氣壓縮機(jī)組成;執(zhí)行部分為氣缸;控制部分分空壓機(jī)的控制和氣動(dòng)閥的控制兩部分??諌簷C(jī)的控制為機(jī)旁手動(dòng)操作。其控制原理與冷卻水泵控制原理相同。氣動(dòng)閥的控制利用爐前操作臺(tái)上轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)手動(dòng)控制氣動(dòng)閥動(dòng)作。其控制原理如圖2.3所示。un氣動(dòng)閥控制a相立柱鎖定b相立柱鎖定c相立柱鎖定合金加料閥開(kāi)合金加料閥關(guān)ss1ss2ss3ss4ac220v圖2.3 氣動(dòng)控制原理圖2.3 plc 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng) 可編程控制器是基于微處理器技術(shù)的通用工業(yè)自動(dòng)控制設(shè)備。其控制系統(tǒng)可分為順序邏輯控制和過(guò)程控制。并以順序邏輯控制為主,回路調(diào)節(jié)為輔。順序邏輯控制的應(yīng)用取代了傳統(tǒng)的繼電器控制
48、線路,過(guò)程控制的應(yīng)用是用作過(guò)程調(diào)節(jié)器,可在工業(yè)環(huán)境下控制開(kāi)關(guān)量和模擬量,具有可靠性高,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),使用方便等特點(diǎn)。同時(shí),plc控制系統(tǒng)還具有位置控制、溫度控制、模糊控制、網(wǎng)絡(luò)通信等硬件支撐環(huán)境,因此,在電弧爐煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中plc得到廣泛的應(yīng)用。2.3.1 計(jì)算機(jī)在電弧煉鋼中的應(yīng)用計(jì)算機(jī)在電弧煉鋼中的應(yīng)用安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 19 頁(yè)裝訂線隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展,以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化技術(shù)已成為電爐鋼廠的重要生產(chǎn)工具。計(jì)算機(jī)在生產(chǎn)自動(dòng)化方面可用于數(shù)據(jù)檢測(cè)處理、順序與數(shù)值控制、生產(chǎn)操作指導(dǎo)、監(jiān)督或直接控制生產(chǎn)、自動(dòng)調(diào)度管理等,可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控
49、制、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)控制等較為高級(jí)和完善的控制方式。目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的趨勢(shì)是發(fā)展分級(jí)式集散控制系統(tǒng)??煞譃榛A(chǔ)極、過(guò)程極、管理級(jí)。表2.1列出了電弧爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各級(jí)別的功能、應(yīng)用及層次。電弧爐煉鋼過(guò)程計(jì)算機(jī)應(yīng)用的流程框圖如圖2.4.簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)不分級(jí),只實(shí)現(xiàn)其中幾項(xiàng)功能,但一般都要求能對(duì)電弧功率進(jìn)行自動(dòng)控制。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)極可由計(jì)算機(jī)承擔(dān),也可由可編程序控制器來(lái)承擔(dān),或由計(jì)算機(jī)和可編程序控制器共同承擔(dān)??删幊绦蚩刂破鱬lc,既可作為多級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)極,又可單獨(dú)應(yīng)用于電爐自動(dòng)控制中。plc系統(tǒng)同電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、儀表檢測(cè)系統(tǒng)共同構(gòu)成電氣自動(dòng)化系統(tǒng)。它將收集到的電弧爐生產(chǎn)信息或人
50、工指令經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算和智能處理后,輸出控制指令指揮電氣傳動(dòng)系統(tǒng)工作。表2.1 電弧爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各級(jí)別的功能、應(yīng)用及層次級(jí)別功能在電弧煉鋼中的應(yīng)用層次1.基礎(chǔ)級(jí)自動(dòng)調(diào)節(jié)電爐本體操作、電極升降系統(tǒng)2.過(guò)程級(jí)過(guò)程自動(dòng)控制供電曲線自動(dòng)程序控制3.過(guò)程級(jí)生產(chǎn)裝置自動(dòng)操作煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)控制4.管理級(jí)生產(chǎn)過(guò)程的控制與管理電弧爐煉鋼車間的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)5.管理級(jí)生產(chǎn)系統(tǒng)的控制與管理電弧爐煉鋼廠的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)低高電弧爐工藝過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)物料指標(biāo)能量指標(biāo)鋼水生產(chǎn)生產(chǎn)信息記錄、報(bào)告、警告、生產(chǎn)指導(dǎo)管理指標(biāo)過(guò)程信息過(guò)程控制圖2.4 電弧爐煉鋼過(guò)程計(jì)算機(jī)應(yīng)用的流程框圖電弧爐生產(chǎn)過(guò)程中plc系統(tǒng)可控制如下項(xiàng)目:電極
51、升降調(diào)節(jié)器;斷路器分、合閘;變壓器的調(diào)壓;電弧爐爐體各傳動(dòng)部位控制;加料、吹氧等控制;冶煉過(guò)程供電曲線的控制等。應(yīng)用plc可實(shí)現(xiàn)無(wú)接點(diǎn)控制,大大降低了電氣系統(tǒng)事故率;可方便地實(shí)安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 20 頁(yè)裝訂線現(xiàn)和更改控制邏輯,并且其使用、操作和編程較計(jì)算機(jī)容易。2.3.2 電弧爐電弧爐 plc 控制系統(tǒng)的構(gòu)成控制系統(tǒng)的構(gòu)成 圖2.5為電弧爐plc控制系統(tǒng)構(gòu)成配置框圖。圖由工控機(jī)作為上位機(jī)監(jiān)控站,和plc作為下位機(jī)構(gòu)成的一個(gè)二級(jí)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。下位機(jī)構(gòu)成基礎(chǔ)控制級(jí),承擔(dān)電弧爐各個(gè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)采集和過(guò)程、邏輯控制任務(wù)。上位機(jī)構(gòu)成管理監(jiān)控機(jī),可配置兩套,互為
52、備用。通過(guò)與plc點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),監(jiān)控整個(gè)電爐設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),以及電爐冶煉過(guò)程中的各個(gè)量的變化趨勢(shì)、故障報(bào)警、生產(chǎn)與消耗報(bào)表等。電源編程器cpu子模塊通信板上位機(jī)1上位機(jī)2高速a/da/dd/a高速計(jì)數(shù)器i/obcd過(guò)程信號(hào)三相電極調(diào)節(jié)液壓站控制變壓器保護(hù)及自動(dòng)跳合閘爐體控制上料控制熱工物理量檢測(cè)bus管理監(jiān)控級(jí)工藝過(guò)程及檢測(cè)圖2.5 plc控制系統(tǒng)構(gòu)成框圖2.3.3 電弧爐電弧爐 plc 控制系統(tǒng)的功能控制系統(tǒng)的功能電弧爐plc系統(tǒng)應(yīng)完成變壓器換擋及保護(hù)、液壓站控制、爐體操作、上料系統(tǒng)控制、水冷系統(tǒng)控制、電極調(diào)節(jié)智能控制等控制任務(wù)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量加強(qiáng)軟件功能,簡(jiǎn)化設(shè)備操作,提高設(shè)備運(yùn)
53、行可靠性。以某煉鋼車間40t交流電弧爐plc控制系統(tǒng)為例進(jìn)行闡述。電爐工藝狀況如下:40t電爐采用堿性爐襯,供熔煉普通結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼和特殊鋼。設(shè)備的結(jié)構(gòu)形式為:爐蓋旋開(kāi),頂裝料,偏心底出鋼,電極升降采用電液伺服閥智能自動(dòng)調(diào)節(jié)。設(shè)備主要參數(shù)為:額定容量/最大容量:40t/50t;變壓器額定容量:16mva;變壓器一次電壓:6kv;變壓器二次電壓:392158(19檔);頻率:安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 21 頁(yè)裝訂線50hz;石墨電極直徑:450mm;電極分布圓直徑:11501250mm;電極最大行程:3100mm;電極最大移動(dòng)速率(上升/下降):6000/4000(m
54、m/min);傾爐角(出鋼方向/出渣方向):18/12;爐蓋提升高度:300400mm;爐蓋旋開(kāi)角:70;爐體水耗量:98/h;液壓系統(tǒng)工作壓力(高壓/低壓):3m4.06.0mpa/2.03.0mpa;液壓介質(zhì):水-乙二醇抗燃抗煉乳化液。按電弧爐控制和工藝要求,計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)控制級(jí)和過(guò)程控制級(jí)組成?;A(chǔ)控制級(jí)配置omron,c200he系列plc裝置,安裝在電弧爐的主控室內(nèi)。該套plc控制系統(tǒng)分兩個(gè)部分,一部分為電爐爐體的邏輯控制,另一部分為電爐電極升降調(diào)節(jié)系統(tǒng)的邏輯過(guò)程控制。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 22 頁(yè)裝訂線第三章第三章 電弧爐電極控制的建模電弧爐電
55、極控制的建模電弧爐煉鋼過(guò)程中,電極與爐料之間的相對(duì)位置必須進(jìn)行控制,才能使電弧的l度始終保持穩(wěn)定。然而電弧壓降梯度卻隨不同的冶煉階段而異,因此必然會(huì)導(dǎo)致電極調(diào)節(jié)液壓比例系統(tǒng)的前饋增益變化;同時(shí),為節(jié)省能耗,油源壓力一般設(shè)置較低,且由于電極調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)致使電極在升、降時(shí)的特性不對(duì)稱。這些都將造成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性變壞,引起頻繁的短路和斷弧,不僅倍耗能量,而且影響正常生產(chǎn),嚴(yán)重時(shí)甚至折斷電極或使電極插入熔池釀成更大的事故。因此,尋求一種簡(jiǎn)便有效的方法使電極調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)能在冶煉的各個(gè)階段和電極升、降過(guò)程中都有較好的動(dòng)態(tài)特性,是液壓電弧煉鋼爐急待解決的實(shí)際問(wèn)題。3.1 電極系統(tǒng)電氣部分建模電極系
56、統(tǒng)電氣部分建模3.1.1 單向電極的建模單向電極的建模對(duì)于所要研究的控制對(duì)象,其模型的建立很大意義_l制約著控制效果的優(yōu)劣控制對(duì)象的模型,要符合實(shí)際應(yīng)用的需要。建立數(shù)學(xué)模型通常采用測(cè)試法和機(jī)理法兩類。測(cè)試法主要是利用工業(yè)過(guò)程中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),運(yùn)用經(jīng)典辨識(shí)和現(xiàn)代辨識(shí)的方法建立數(shù)學(xué)模型;而機(jī)理法是根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)際發(fā)生的變化機(jī)理,寫出各種有關(guān)的平衡方程式(能量、動(dòng)量平衡)以及各種符合基本規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程(流體、化學(xué)、傳熱等),從而獲得對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。近20年來(lái)機(jī)理法得到了廣泛的應(yīng)用和迅速的發(fā)展。電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)由電氣部分和液壓傳動(dòng)兩部分構(gòu)成,相對(duì)于液壓傳動(dòng)系統(tǒng),電氣部分的時(shí)間常數(shù)相對(duì)較小,所以采用靜態(tài)的數(shù)學(xué)
57、模型加以表示。首先選取單相電極為研究對(duì)象,建立單相電極的數(shù)學(xué)模型,再以單相電極為基礎(chǔ)建立三相電極間的數(shù)學(xué)模型10。單向電極的等效電路如圖3.1。安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 23 頁(yè)裝訂線圖3.1 單向電極的等效電路則一相電極的 (3.1)222()()hhbuurii x=+ 設(shè)當(dāng)小擾動(dòng)時(shí),uc(常數(shù)), (3.2)hhkuuu=+ d (3.3)hhhiii=+ d代入(3.4)式進(jìn)行運(yùn)算并忽略幅值很小的二階數(shù)值,有 (3.4)22()()0hhhhhhhu uiri uririxd+ + d + +=根據(jù) billings 理論推導(dǎo)的弧壓的表達(dá)式hhualb=+式
58、中: 陰極和陽(yáng)極間的電壓降,當(dāng)電極材料、氣體壓力和周圍介質(zhì)一定時(shí),a通常認(rèn)為為常數(shù)(v) ;a 弧柱梯度,它是溫度 t 的函數(shù)(v/mm) ;b額定弧長(zhǎng)。hl所以弧長(zhǎng)變化時(shí)對(duì)電弧電流影響為 (3.5) 333111311311111113133133111iiiiklirmlrrhrhuzizmlud dd= d= d= d= d式中: 電弧電流變化量;hid 額定電流;hi安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 24 頁(yè)裝訂線 額定弧壓;hu 電弧等效電阻。p若把電弧爐看成是調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié),且把弧長(zhǎng)視為輸入量,把測(cè)量環(huán)節(jié)的電流看作輸出量,則電弧電流放大系數(shù)為: (3.6)
59、22eiiidiprkdlrxp rb=+= -=+若把電弧電壓看作式輸出量,則電弧電流放大系數(shù)為: (3.7)huhdukdlb=若測(cè)量參數(shù)為電弧電流和電壓值,則對(duì)象放大系數(shù)相當(dāng)于電極移動(dòng) 1mm 這些量的變化之和: (3.8)()heheiueieueeedildulkl kikudlidlu=+=+3.1.2 三相電極的建模三相電極的建模交流電弧爐是采用三相電極加熱的裝置,由于三相電的耦合作用,進(jìn)行控制比較困難。首先建立三相電弧弧長(zhǎng)變化和偏差輸入的關(guān)系,假定測(cè)量出的電壓為每相電壓分別都是從電路的變壓器端到爐底。如圖3.2為三相電弧爐電極的數(shù)學(xué)模型,其余兩相結(jié)構(gòu)與此相同。圖3.2 三相電極
60、等效電路圖由三相電極等效圖可以得到其每相電壓為 (3.9)2211111()urrxi=+安徽工業(yè)大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書共 54 頁(yè) 第 25 頁(yè)裝訂線 (3.10)2222222()urrxi=+ (3.11)2233333()urrxi=+式中: 電路等效電阻;ir 電路等效電感:ix 弧電阻: =1,2,3。ri假設(shè);。當(dāng)?shù)谝幌嚯娐返碾娀“l(fā)生擾動(dòng)時(shí),即弧電阻123rrr=123xxx=發(fā)生變化,它的電流也發(fā)生變化,從而使跟著改變,的變化量為:1r1u1u (3.12)()()122211111111uirrrrxr-=+ ()122211111urrxi=+1111111uuuir
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