精煉爐電極智能控制系統的研究

彭俊

摘 要：精煉爐是鋁熱法合金生產的重要設施，其運行質量及效率可直接影響到合金制品生產水平，需相關部門在原有基礎上設計出專項可行的智能控制系統，對精煉爐電極進行合理管控。本文就針對此，分析精煉爐電極管控現狀，設計出精煉爐電極智能控制系統方案，以供參考。

關鍵詞：精煉爐電極;智能控制系統;設計

前言：在精煉爐實際運行期間，電極是主要控制對象，可直接影響到爐身整體運行效果。為從根本上提升精煉爐電極控制水平，需應用更加成熟的智能控制系統，建立起基于能量守恒原理的模型，利用精煉爐內熱量以及電流，形成相對固定的函數關系，確保精煉爐內溫度與電極變化能夠得到合理調整。

1 精煉爐發展現狀

相較于發達國家而言，我國精煉技術起步較晚，20世紀70年代才開始自主設計精煉爐。隨后期鋼鐵制造行業日漸成熟，精煉爐結構與功能也得到不斷完善，各類先進的神經網絡控制系統、專家系統被廣泛應用在精煉爐智能控制過程中，獲得了極為顯著的運行效果。

雖然精煉爐技術已經獲得巨大成就，但因當前鋼鐵行業生產過剩，合金需求量降低，此方面研究工作投入力度不足，精煉爐內部電極控制依然以可編程邏輯控制系統與人工操作為主，實際控制效果與預期目標存在較大差異。

在精煉爐實際環境極為惡劣，需要從外界向爐內添加合金渣料，在遇到不穩定因素時，經常會出現安全隱患問題，導致精煉爐實際運行質量與效率受到嚴重影響。

2 精煉爐電極調節方式

現階段精煉爐主要通過調節電極位置方式改變電弧長度，確保精煉爐升溫速率能夠得到根本上管控，實現高質快速的脫硫脫碳生產目標[1]。精煉爐電弧長度對電弧電流大小具有直接影響，因此需要對爐內電極進行合理管控。

舉例而言，在合金精煉處理期間，由于加入輔料與合金渣料，合金液表面會發生不同程度波動，合金液面與電極距離發生明顯改變。引發精煉爐電弧長度改變的因素多種，如合金與渣料加入情況、精煉爐內反應接觸面積、電極損耗量等。

由于電極位置對精煉爐加熱電流的影響較為復雜，僅采用三相電極獨立控制無法達到滿足實際要求的效果。如果精煉爐內電極升壓范圍超出預設額度，則會出現三項失衡、諧波干擾等情況，使其他設備運行效果受到不利影響。現階段應用于精煉爐電極調節中的方式較多，主要為以下幾種：

第一，恒功率調節方式。設定精煉爐運行期間的功率，測量電弧電流與電弧電壓值，計算出輸入爐內的實際功率，最后得出功率偏差值[2]。此種方式可以使精煉爐內加熱功率不會受到外界不良因素影響。但由于只保障了爐內輸入功率不變，導致控制效果與其目標存在較大差異;

第二，恒電流調節方式。要求將精煉爐電弧電流控制在合理范圍之內，設定電弧給定電流值、電弧電流測定值，計算出電流偏差量。在電流偏差量趨于0的情況下，精煉爐可滿足恒電流控制條件。在單獨使用此種控制方式期間，自動化與智能化水平較低。雖然精煉爐內位置沒有發生明顯改變，但弧柱上的電流會發生明顯變化，導致顱內工作環境受到不利影響;

第三，恒阻抗調節方式。在精煉爐電極恒阻抗調節過程中，需要根據變壓器母線的電壓與電流。雖然與前兩種控制方式相比，恒阻抗調節方法具有明顯優勢，但三相電極之間的耦合作用也會作用于精煉爐運行效果，難以實現運行控制最優化目標。

3 精煉爐電極智能控制系統設計

3.1建立精煉爐電極電氣模型

為從根本上提升精煉爐電極智能控制系統設計效果，需要建立起適宜的電極電氣數學模型，更好理解精煉爐三相電極的電氣特征。計算出精煉爐二次測給定電壓值，細致分析精煉爐三項電極之間的相互作用，確保電極控制效果能夠達到預期目標[3]。由于精煉爐采用三相電極加熱方式，且電極之間的耦合作用較為明顯，難以進行精準管控，因此需要首先表明各項弧長變化的規律，繪制出三相電極等效電路圖。

3.2分析精煉爐液壓傳動系統模型

在精煉爐內，液壓傳動系統肩負起控制電極的重要職責，需要該系統具備較為控制速度與精準性。液壓傳動系統性能可直接影響到精煉爐升溫效果、溫度精度等指標，因此需要計算出液壓式電極調節系統的傳遞函數。

3.3精煉爐電極智能控制系統結構

精煉爐電極智能控制系統可切實保障精煉爐運行效果。在外界過流、短路等干擾下，需要對爐內運行效果進行全方位管控與及時補償。本文精煉爐電極智能控制系統主要由上位工控機與下位可編程邏輯控制系統共同組成，借助MPI通訊協議，連接精煉爐電極輔助控制可編程邏輯控制器與畫面控制系統，實現電極全面管控目標。

3.4上位機配置與功能

注重合理配置精煉爐電極智能控制系統上位機軟件與硬件，確保上位機各控制功能能夠與實際設計要求相符。選擇合理的組態軟件，要求該軟件能夠滿足不同精煉爐運行要求，提升軟件運行期間的操作友好性與運行穩定性[4]。借助編輯畫面模擬精煉爐運行情況，高質高效完成精煉爐電極控制任務。

3.5電極自動調節上位監控系統軟件設計

做好精煉爐電極自動調節上位監控系統軟件設計工作，要求電極調節界面包括電極示意圖、電弧電流、電壓數據與柱狀圖。輸入電弧電流、電壓檢測信號，利用控制器對控制信號與液壓閥開度進行管控，用以完成電極自動調節工作。為從根本上提升電極自動調節上位機控制系統的可操作性能，還需要對原有二次儀表顯示內容進行完善，提升系統的可操作性。

在監控系統中雖然運用了組態王軟件輔助設計，但由于精煉爐運行期間的變量較多，該軟件運算速度與精度仍需要不斷優化，對監控系統內部功能進行適當調整。

4總結

總而言之，為保障精煉爐安全可靠運行，需要對運行期間的電極進行合理管控。設計出功能完善的智能控制系統，從根本上提高精煉爐運行期間的質量與效率。注重將溫度預報理論應用在智能控制系統模型建立過程中，最后借助仿真驗證方式驗證智能控制系統運行可行性。

參考文獻：

[1]姚震宇.鋼包精煉爐電極監控系統的設計[D].內蒙古科技大學，2020.

[2]胡貴妹.基于RBF神經網絡逆辨識的電弧爐電極控制系統研究[D].安徽工業大學，2018.

[3]張祝威.基于神經網絡的電弧爐電極系統自適應PID控制[D].安徽工業大學，2019.

[4]劉強，閆志國.LF精煉爐智能數字電極控制系統性能分析[J].包鋼科技，2016，42（03）：68-71.

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