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基于影子趋势对比的矿热炉炉况在线辨识及趋势预测.docx
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基于影子趋势对比的矿热炉炉况在线辨识及趋势预测.docx
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矿热炉(亦称埋弧炉)是一种基础工业设备, 主要用于生产硅锰、碳锰、硅铁、锰铁、
铬铁、钨铁、低镍生铁等各类铁合金, 以及磷、电熔镁砂等各种工业原料. 矿热炉属典型高
能耗设备, 其用电成本占总生产成本的 50 % ~ 65 %. 据不完全统计, 我国目前建成有不同
容量的矿热炉 3000 余座, 总消耗电量占全国总发电量的 5 %左右. 近年来, 随着节能减
排、碳效优化、雾霾攻坚战等战略的实施
[1]
, 针对冶炼行业的各项能耗与排放标准逐年提
高, 对冶炼行业的工况辨识
[2]
及精确控制
[3]
提出了新的要求.
矿热炉埋弧冶炼过程是一个连续进料, 间歇出料的生产过程, 每隔一段时间将大量炉
内铁水排出的出铁操作会急剧地改变炉内的热能分布及部分区域的矿料结构
[4]
, 导致冶炼过
程中炉内温度场分布及固、液、熔融态物料比例的持续变化. 并且, 国内大多数矿热炉不平
衡的短网结构使得注入炉内的三相电能难以平衡
[5]
, 加剧了三相反应区的不平衡发展
[6]
, 同
时冶炼生产中的多种操作也带来炉况的迁移或跃变, 进一步提高了各反应区炉况趋势的预
测难度
[7-8]
, 严重制约了冶炼过程的精细化生产. 因此, 亟待研究矿热炉埋弧冶炼过程炉况在
线辨识及趋势预测. 在冶炼过程的炉况预测方面, 文献[9]使用主成分分析方法对高炉铁水
质量在线估计模型进行约简, 提高了模型鲁棒性, 表明在复杂炉况下对模型进行合理降维可
有效解决过拟合问题; 文献[10]及[11]使用时间序列挖掘炉况前后关联信息, 实现高炉冶炼
过程铁水硅含量的预测, 这种利用炉况时序关联信息的思路值得借鉴.
本文针对矿热炉埋弧冶炼过程中电极升降操作、炉料配比调整、翘渣等操作所致的炉
况迁移和跃变问题, 提出了基于影子趋势对比的炉况敏感参数动态选取及炉况趋势实时预
测方法, 该方法提出炉况的“影子趋势”概念, 通过将实际炉况变化与变化前炉况在当前控制
输出序列下的“影子趋势”进行对比, 选取工艺导向型的待辨识敏感参数, 解决了因炉况变化
前后采样点少, 常规数据分类方法无法适用的问题, 实现了炉况在线辨识和炉况趋势预测,
为冶炼过程的精细化生产奠定基础.
1. 矿热炉埋弧冶炼过程简介
图 1 为硅锰合金矿热炉的结构示意图, 主要由炉体、电炉变压器、短网、电极系统、
配料系统及其它辅助系统(烟气回收与除尘、出料、冷却系统等)组成. 在埋弧冶炼过程中,
电炉变压器将母线上的高电压转换为冶炼所需的低压, 转换后的电能经短网传导至电极, 由
电极输入炉内, 并通过电极端部的电弧及电极间炉料电阻产热, 为炉内的氧化还原反应提供
高温环境.
图 1 矿热炉简要构造
Fig. 1 Main structure of submerged arc furnace
下载: 全尺寸图片 幻灯片
炉内发生的主要反应为:
MnO⋅SiO2+3C=MnSi+3CO↑ΔGθ=3821656.6−2435.67×TMnO⋅SiO2+3C=MnSi+3CO↑ΔGθ=3821656.6−2435.67×T
(1)
主要原理是使用炭置换出矿石中的氧元素, 获得所需的合金. 该反应仅发生在高温环
境下, 故矿热炉的首要任务是为该氧化还原反应提供所需的高温.
在埋弧冶炼过程中, 控制矿热炉的主要手段是通过调节电极位置, 使得电极端部电弧
电阻及电极间料层电阻发生变化, 从而改变相对应熔池中电能的注入大小. 因此, 从控制系
统的角度来说, 可将矿热炉的每一相熔池(即反应区)视作受电极位置控制的可变电阻, 工业
上称之为操作电阻.
冶炼过程中, 理想的控制目标是获得大小均一的三相坩埚区
[12]
, 因此掌握矿热炉操作
电阻, 特别是电极位置与操作电阻关系的动态特性
[13]
, 对实现埋弧冶炼过程的精确控制至关
重要
[14]
. 在实际生产过程中, 炉料配比调整、坩埚区排碳不畅、撬渣作业等操作将引起操作
电阻异常变化, 如按正常炉况下的策略操作电炉, 则会发生调整不到位或超调的情况, 这又
将引发控制系统频繁升降电极加以修正, 危害反应区的结构稳定, 使炉况陷入恶性循环. 因
此, 寻求一种可对炉内状态进行良好描述, 有效预测整个冶炼周期内反应区炉况发展趋势的
方法, 成为当务之急
[15]
.
2. 矿热炉熔池反应区模型
在矿热炉中, 电极端部和下方液态铁水间存在着电流高达数万安培的电弧, 持续不断
地向周围散发着巨大热能. 由于电弧温度高达上千度, 反应区附近的矿料会被高温加热, 形
成熔融态, 进而形成良好导体. 熔融态的矿料会在相邻电极间形成回路, 使得大量电流通过
料层流动, 产生电阻热. 根据炉况及冶炼产品的不同, 熔融料层间的电流甚至可占总电流的
50 %以上
[16]
.
矿热炉内电弧电阻与料层电阻的分布情况如图 2 所示. 在三相交流矿热炉中, 存在着
三个以各相电极端部为中心的核心反应区, 称之为坩埚区. 反应区结构如图 3 所示. 图中,
上半部分颗粒为固态及熔融态矿料, 矿料的颜色代表其冷热程度, 温度由红至蓝逐步降低,
下半部分液体为液态铁水, 正中间的圆柱体为该相电极, 电极端部与液态铁水间的红色弧线
为电弧.
图 2 矿热炉内电弧及料层电阻分布示意
Fig. 2 Distribution of arc resistance and burden resistance
2.1 电弧电阻模型
电能是电弧的唯一能量来源, 根据能量守恒定律, 有:
dEdt=PA−P0dEdt=PA−P0
(2)
其中 E 为电弧内蕴含的总能量, P
A
为电弧的总功率, P
0
为能量的耗散功率.
电弧总功率 P
A
可根据如下公式计算:
PA=U2rAPA=U2rA
(3)
其中 U 为电极相电压(即电弧电压), r
A
为电弧电阻.
耗散功率 P
0
可描述为:
P0=k1rAβlP0=k1rAβl
(4)
其中 k
1
及 β 为相关参数, l 为电弧弧长.
可将电弧电阻 r
A
对时间的微分按如下公式进行拆分:
drAdt=drAdE⋅dEdtdrAdt=drAdE⋅dEdt
(5)
整理式(2)、(3)、(4)三式可得:
drAdt=(U2rA−k1rAβl)drAdEdrAdt=(U2rA−k1rAβl)drAdE
(6)
单位体积电弧弧柱内蕴含的能量可用式(7)表述
[17]
:
q=0.354pA(1−T1T0)q=0.354pA(1−T1T0)
(7)
因此, 整个弧柱的总能量为整个弧柱的体积乘以单位体积弧柱内所蕴含的能量, 即:
E=qπR2l=0.354pA(1−T1T0)πR2lE=qπR2l=0.354pA(1−T1T0)πR2l
(8)
其中, p
A
为大气压力, R 为弧柱半径.
根据沙哈公式, 电弧的电导率可由以下公式计算:
σ=σ0e−mT0σ=σ0e−mT0
(9)
于是电弧电阻 r
A
可根据电弧电导率计算如下:
rA=lπR2σ=lπR2σ0e−mT0rA=lπR2σ=lπR2σ0e−mT0
(10)
整理上述结果, 可得:
drAdE=drAdT0dEdT0=d⎛⎝lπR2σ0e−mT0⎞⎠dT0d(0.354pA(1−T1T0)πR2l)dT0=−m0.354pAπR2T1⋅rAl=k2rAldrAdE=drAdT0dEdT0=d(lπR2σ0e−mT0)dT0d(0.354pA(1−T1T0)πR2l)dT0=−m0.354pAπR2T1⋅rAl=k2rAl
(11)
将式(11)代入式(6), 可得电弧电阻 r
A
的微分方程:
drAdt=(U2−k1rβ+1Al)k2ldrAdt=(U2−k1rAβ+1l)k2l
(12)
其中
k2=−m0.354pT1πR2k2=−m0.354pT1πR2
(13)
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