LF精炼炉底吹氩过程的氩气流量控制

摘要：通过对LF精炼炉底吹氩工艺过程的研究，分析了氩气流量难以控制的原因，针对整个被控系统的特点，选用具有分级结构的模糊自适应控制对氩气流量进行控制，并通过仿真实验证明此方法较PID控制抗干扰能力强，取得较好的精炼效果。 关键词：LF精炼炉；底吹氩；分级的模糊自适应控制 The Argon Flow Control in The Process of LF Bottom Blowing Argon Abstract: By LF bottom argon blowing process of research, analysis of argon gas flow is difficult to control, charged at the whole system, the use of a hierarchical structure with fuzzy adaptive control of argon gas flow control, and simulation experiments to prove this PID control over anti-jamming capability. Refining achieved better results. keywords : Ladle Furnace; bottom argon blowing; hierarchical structure with fuzzy adaptive control 0.引言 随着科技的发展,用户对钢材的质量提出了越来越高的要求。因此炉外精炼已成为现代化钢厂的重要组成部分，它是生产纯净钢保证连铸顺利进行的重要手段。其中LF(Lade Furnace)精炼炉是应用最广、数量最多的精炼炉，而氩气流量控制是LF精炼炉中的一个重要环节。目前LF炉吹氩控制系统一般都是采用手动或流量负反馈PID方式。但是从系统的观点看，在精炼炉底吹氩过程中，由于被控对象的非线性、数学模型的不确定性及系统工作点的剧烈变化等因素，要采用常规的控制策略难以实现对被控量—氩气流量进行精确控制。为此我们采用分级的模糊自适应对其进行控制取得了较好的效果。 1.精炼炉底吹氩系统 1.1精炼炉底吹氩的原理 如图1所示，钢水进入钢包后，将Ar气通过钢包底部的透气砖不断吹入钢液中，形成大量的小氩气泡，这些小气泡对于钢水中的有害气体N2，O2，H2等来说，相当于一个个小“真空室”，这些小“真空室”内其它气体的分压力几乎为零，于是溶解在钢液中的其它气体不断向氩气泡中扩散；扩散过程中，氢和氮在氩气泡中的分压力随着气泡上长而增加，但气泡在钢液中受热膨胀，因而氢和氮的分压力仍能保持较低的水平，故上浮过程中继续吸收氢和氮，最后随着氩气泡上浮而逸出钢液。另外，氩气上浮时引起的钢液搅动，提供了气相成核和夹杂颗粒碰撞的机会，有利于气体及夹杂的排除。因此，采用钢包底吹Ar精炼法，可以显著减少钢水中有害气体的含量，明显提高钢水质量，并且还具有设备简单、工艺操作方便、投资少、见效快的特点，特别适合“初炼—精炼—连铸”的快工艺节奏。 1.2 精炼炉底吹氩系统的分析 在实际生产中，当采用底装透气砖的整体吹氩搅拌结构时，随着氩气流量的增大，而氩气压力也增大，容易造成钢液面的裸露，钢水二次氧化，导致钢水中的氧和氧化夹杂物增加，从而限制了搅拌强度的进一步增大；而当搅拌能量太小时，则起不到吹氩搅拌去除夹杂物的作用。当氩气源以一定的压力经钢包底部透气砖进入钢包时，钢包系统中的液体在力作用区被加速，由于氩气的搅拌，钢包中形成上升的气泡拄，被加速的液体离开力作用区，象射流一样喷射到系统的共它部分。射流离开力作用区在表面产生直接折射，并向钢包壁作径向传布，而钢包壁处射流再次折射向下移动。对这个封闭系统讲，为加速力作用区的液体，液体必须引入到流体中去，而这种液体只有来自回流区才形成系统“环流”。 生产实践中，控制“环流”的关键主要以氩气的搅拌能量（钢渣的隆起）来衡量，其搅拌模型如下： 式中 －搅拌能量， －氩气流速， －气体常数， －氩气入口温度， －钢熔池温度， －氩气入口点压力， －钢水顶表面压力； 一般对于同一个炼钢厂，钢包的设计参数是不变的，出钢量波动范围也不会太大，可认为氩气入口点压力 值趋于常值，钢水顶表面压力 ，如未采用LF钢包真空处理条件下， 近似认为是个常值，所以 的值对于同一LF钢包炉不同炉次之间，认为是波动范围很小的数值。 即钢包内钢水的温差，接近一个常值。因此直接影响氩的搅拌能量 的关键因素是钢水的温度 和氩气流量 。因此底吹氩的搅拌效果可以间接地以吹入的氩气量来衡量。 通过对LF精炼炉底吹氩过程控制系统的分析，发现对于吹入氩气流量影响较大的是气源压力、钢液高度、透气面积、钢渣高度等，但它们都属于不确定量，往往不可控，只能通过控制算法上的调整减小它们对氩气流量的干扰。 2．具有分级结构的模糊自适应控制 其设计思想是将整个控制系统构成三级控制结构，如图2所示：（1）基本模糊控制级。为了满足系统实时控制要求，基本模糊控制级采用模糊逻辑控制方式。 （2）自适应调整级。为了适应被控系统参数时变情况，采用自适应控制方式，定时在线调整模糊控制器参数。 （3）过程状态判别级。为了克服过程状态变化（或不同实际工况）的影响，提高控制系统的鲁棒性能，将过程状态判断作为辅助输入量，根据系统所处过程状态，采用相应的控制参数集。 3．精炼炉底吹氩过程的氩气流量控制 通过对比分析LF炉底吹氩的现有工艺过程,发现以前通常采用恒压定流量(PAr为0.3MPa左右,QAr为100L/min左右)操作，经生产实践探索和钢包底吹氩水力模拟实验发现：工艺改进为根据不同时期的特定目的而采用恒压变流量和搅拌能,可以达到更好的“环流”搅拌效果。从而可将整个LF炉底吹氩过程根据不同时期的目的可分为以下三段： ①加合金微调搅拌时，氩气流量为 200L/min; ②加热提温时为150L/min; ③软吹除杂为40L/min。 此外为了保证氩气流量的稳定，防止氩气倒流，需在流量阀后增加一个0.05 的稳流包和一个逆止阀。对被控对象稳流包、逆止阀及输送管道建模得到数学模型为 针对以上对LF炉底吹氩工艺过程的分析，根据整个被控系统的特点，选用具有分级结构的模糊自适应算法，如图3所示。 过程状态判断级需要判断的主要过程状态是处于以上三个阶段的哪个阶段，分别以钢水温度、钢水成分、杂质含量是否符合要求作为状态判断的依据，然后根据系统所处过程状态，采用相应的模糊控制器参数集。加热提温时的氩气流量设定值是150L/min，模糊控制器输入设为温度的误差 和误差的变化率 ，误差 的实际变化范围为－300~300 L/min，误差的变化率 的变化范围-300~300 L/min。误差 和误差的变化率 以及控制量u的论域都取为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，其模糊集合都为：[NB, NM, NS, ZO, PS, PM, PB]，隶属度函数取正态分布函数，对于模糊变量中的7个语言变量值，a和b的取值分别如下：PB：a＝6，b＝2.1；NB：a＝－6，b＝2.1；PM：a＝4，b＝1.67；NM：a＝－4，b＝1.67；PS：a＝2，b＝1.2；NS：a＝－2，b＝1.2；ZO：a＝0，b＝1.4；通过控制试验得到一系列的经验规则，归纳如下模糊控制规则： 自适应调整级采用调整模糊控制规则的方法得出： －自调整模糊控制量； －常规模糊控制量； －系数为0.8； －某误差范围内时间段个数。 4.仿真结果与结论 常规PID控制曲线开始上升时间很快，但有超调且超调量很大，进入稳态后幅度波动较大，而模糊自适应控制过渡时间短，上升时间快，很快地达到流量给定值，且无超调。 当控制的流量进入稳态后，分别对两种控制做了模拟对氩气流量的干扰实验，从图中的扰动曲线对比来看，模糊自适应控制很快地通过自适应调整级调整到流量设定值,且无超调。而常规PID控制曲线经过较长时间振荡后才能恢复到设定值,且有超调。由此我们可知，模糊自适应控制比常规PID控制抗干扰能力强，优于常规PID控制。 参考文献 1 高泽平.钢水精炼吹氩搅拌机理的研究.湖南冶金.2000 (7) 2 吴学礼.两类非线性过程的智能控制方法及其应用研究.[华中科技大学博士论文].2005 3 李树江、高宪文、柴天佑.模糊串级控制及其在精炼炉吹氢系统中应用.信息与控制.1998 (2) 4 李国勇编著．智能控制及其MATLAB实现．北京：电子工业出版社，2005 5 李军.武钢第二炼钢厂转炉底吹控制系统.冶金自动化.1999 (1) 作者简介：牛辉（1982.11— ），男，硕士研究生，从事复杂工业过程智能控制方面的研究 通信地址：河北省石家庄市新华路505号河北科技大学电气信息学院 邮编：050054 电话：13673211591