電弧爐煉鋼電極控制和二次燃燒的現(xiàn)狀與發(fā)展

1、電弧爐煉鋼電極控制和二次燃燒的現(xiàn)狀與發(fā)展李亮姜周華王文忠Actuality and Evolution of Electrode Control and Post-Combustion in EAF SteelmakingLi Liang, Jiang Zhouhua and Wang Wenzhong(Northeastern University,Shenyang 110006)現(xiàn)代較先進(jìn)的典型電弧爐中，主要的能量來源1是電弧 (65%)，此外還有氧燃燒嘴(6%)以及其它化學(xué)放熱反應(yīng)(29%)。輸入的能量中，約60%用于加熱、熔化廢鋼，約22%由尾氣帶走，約8%損失在渣的蓄熱，約10%為冷

2、卻水帶走熱量及其它熱損失。其中尾氣帶走的熱量包括高溫廢氣帶走的顯熱和沒有完全燃燒的CO、H2帶走的化學(xué)潛熱。從優(yōu)化能量的角度考慮，優(yōu)化供電制度、優(yōu)化電極控制和充分利用尾氣潛熱是值得進(jìn)行深入研究的幾個(gè)問題。1電極控制實(shí)際應(yīng)用的幾個(gè)模型從70年代起，國(guó)外一些學(xué)者就對(duì)電極控制進(jìn)行了大量研究，提出了一些控制算法，但多數(shù)都限于理論分析和仿真研究，在實(shí)際過程中得到應(yīng)用的幾乎沒有2。傳統(tǒng)控制方法都假設(shè)相地電壓測(cè)量值與相零線電壓測(cè)量值相同，并將三相電弧爐的電極電流看作是三個(gè)相互獨(dú)立的單相系統(tǒng)來模型化，這是傳統(tǒng)的電弧爐調(diào)節(jié)系統(tǒng)不理想的主要原因?，F(xiàn)代的電弧爐工作者都認(rèn)識(shí)到三相不平衡是客觀存在的，三個(gè)電極之間的關(guān)系

3、是非線性的，且由變壓器上取出的電流、電壓信號(hào)由于二次回路的存在而不可能得到準(zhǔn)確的弧電壓、弧電流，亦造成偏離工作點(diǎn)，三相不平衡3。將電能傳入熔池的效率主要依賴于廢鋼的密實(shí)度、爐內(nèi)溫度分布以及電弧的穩(wěn)定性，最大功率輸入并不一定帶來最優(yōu)的效果4。目前應(yīng)用于電弧爐的電極控制模型主要有PID控制、數(shù)學(xué)模型、專家系統(tǒng)及近年來興起的神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。文獻(xiàn)56提供了一種校正三相不平衡的方法應(yīng)用PID調(diào)節(jié)器對(duì)每個(gè)相進(jìn)行控制。也就是說，每個(gè)電極各由一個(gè)PID調(diào)節(jié)器控制，且每個(gè)PID調(diào)節(jié)器有自己的工作點(diǎn)。為了快速地降低過高電流，當(dāng)電流超過設(shè)定值40%時(shí)，PID調(diào)節(jié)器停止調(diào)節(jié)，此時(shí)電極以最大速度提升，直到電流達(dá)到超過設(shè)

4、定值25%時(shí)，PID調(diào)節(jié)器重新開始工作。據(jù)稱，應(yīng)用這種方法，三相不平衡的情況得到較好的改善。王順晃等人7針對(duì)電弧爐不同冶煉階段的特點(diǎn)不同，提出了一種基于快速性和靈敏性相結(jié)合的智能復(fù)合控制方案。方案總的設(shè)計(jì)思路是：在熔化期，擾動(dòng)大，弧長(zhǎng)變化大和偏差大，希望電極升降控制系統(tǒng)能無超調(diào)地快速調(diào)整，而對(duì)控制精度要求相對(duì)較低，所以采用快速最優(yōu)(Bang-Bang)控制方案；氧化期擾動(dòng)相對(duì)減小，弧長(zhǎng)變化也較穩(wěn)定，偏差不太大，希望兼顧速度和精度，所以采用模糊控制方案；在還原期，爐況相對(duì)平穩(wěn)，希望有較高控制精度，因此采用PID控制方案。美國(guó)Standford大學(xué)神經(jīng)應(yīng)用公司Staib等人與北星鋼鐵公司合作，于1

5、990年開發(fā)的“智能電弧爐IAF”是目前比較先進(jìn)的電弧爐電極控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在線調(diào)節(jié)電弧爐電極位置，以減少電極和電能消耗，提高產(chǎn)量。這一系統(tǒng)已推廣應(yīng)用于美國(guó)、新加坡等10多家鋼鐵公司，我國(guó)廣州鋼鐵公司和天津鋼管公司分別于1994年和1996年引進(jìn)了這一系統(tǒng)?！癐AF”8、9主要包括一個(gè)每秒4 00050 000個(gè)采樣值的數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理系統(tǒng)以及二個(gè)3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：一個(gè)電極調(diào)節(jié)器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)和一個(gè)電路仿真器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FENN)。RNN用以提供調(diào)節(jié)電極豎直位置的信號(hào)，使電爐操作盡可能好地沿設(shè)定點(diǎn)運(yùn)行。RNN接受目前的爐況信號(hào)和期望的爐況信號(hào)(即設(shè)定點(diǎn))，并結(jié)合前兩個(gè)采樣期間

6、的爐況信號(hào)和調(diào)節(jié)器信號(hào)，輸出對(duì)電極位置的控制信號(hào)。FENN用來仿真電弧爐的操作，F(xiàn)ENN接受目前的爐況信號(hào)和RNN的輸出信號(hào)，結(jié)合以前存儲(chǔ)的記錄，預(yù)測(cè)未來100300 ms爐況變化。數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理系統(tǒng)所采集的原始數(shù)據(jù)包括：一次相電壓和相電流，二次相電壓和相電流，二次相對(duì)地電壓，現(xiàn)有調(diào)節(jié)器信號(hào)(上/下)，調(diào)節(jié)器自動(dòng)/手動(dòng)信號(hào)等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算所得數(shù)據(jù)包括：一次和二次瞬時(shí)功率，三相一次和二次瞬時(shí)總功率，瞬時(shí)相電壓，在指定采樣周期(160 Hz)內(nèi)的一次和二次平均功率，平均功率因素，測(cè)量的相位延遲，波形畸變百分?jǐn)?shù)等。伯明翰鋼廠于1992年在1座90 t高阻抗電弧爐上安裝了“IAF”控制器后，電極消耗

7、降低了8.5%，電能消耗降低了3.9%，生產(chǎn)率提高了2.5%10。2二次燃燒二次燃燒提供了一個(gè)穩(wěn)定、價(jià)廉的能量來源，CO與O2燃燒生成CO2所放出的熱量遠(yuǎn)大于C與O2燃燒生成CO所放出的熱量。2.1研究現(xiàn)狀二次燃燒成功的關(guān)鍵不僅包括怎樣控制吹入的O2使之能夠在爐內(nèi)與CO盡可能充分燃燒的同時(shí)，對(duì)廢鋼和電極的氧化盡可能地小，還包括怎樣將燃燒產(chǎn)生的熱量最大限度地傳遞給熔池。二次燃燒所吹入O2的控制策略主要由電弧爐尾氣濃度決定。而電弧爐的尾氣由于其溫度高、攜帶灰塵和渣塵，測(cè)量各成分的濃度十分困難，當(dāng)今見于報(bào)道的尾氣測(cè)量系統(tǒng)都是各公司的專利技術(shù)，還遠(yuǎn)未普及應(yīng)用。并且各廠由于對(duì)吹入氧氣的控制不同(包括吹入

8、時(shí)間、吹入位置和氧氣流量等)，所得結(jié)果也不盡相同。Peasleed等人先后開發(fā)了二次燃燒的穩(wěn)態(tài)仿真模型11和動(dòng)態(tài)仿真模型12，模型將電弧爐自下而上分成3個(gè)區(qū)域，分別是熔化區(qū)、泡沫渣區(qū)和二次燃燒區(qū)，加熱過程被分為5個(gè)時(shí)間段(相對(duì)于每爐鋼加2籃料的情況)。對(duì)每個(gè)時(shí)間段用Pyrosim仿真軟件處理，計(jì)算各個(gè)區(qū)域的質(zhì)量平衡和能量平衡并推算爐氣流量和成分。研究發(fā)現(xiàn)，在加熱初期，廢鋼還未完全熔化時(shí)，泡沫渣區(qū)的CO和H2含量達(dá)到最高值，此時(shí)正確地控制O2的吹入可以顯著提高二次燃燒效率。Mathur13、14和其他一些人研究了在泡沫渣中進(jìn)行二次燃燒和在熔池上方進(jìn)行二次燃燒的情況。研究發(fā)現(xiàn)，在熔化第1籃廢鋼時(shí)，

9、兩種二次燃燒的傳熱效率都達(dá)到70%以上，這時(shí)，輻射是主要的傳熱方式。但是在加入第2籃廢鋼后，在泡沫渣中進(jìn)行的二次燃燒的熱效率為72%左右，而在熔池上方進(jìn)行二次燃燒的熱效率僅為13%左右，且造成尾氣溫度升高195 左右，水冷爐壁和爐頂帶走的熱損失明顯增加。另外的二次燃燒專利技術(shù)還有PC-ALARCTM系統(tǒng)15。研究發(fā)現(xiàn)二次燃燒反應(yīng)的限制環(huán)節(jié)主要在氣液或氣固界面上。二次燃燒的傳熱效率和溫度差(T)成比例(當(dāng)二次燃燒在渣中進(jìn)行時(shí)，T為渣-鋼之間的溫度差；當(dāng)二次燃燒在熔池上方進(jìn)行時(shí)，T為尾氣-鋼液之間的溫度差)。因此在廢鋼熔化初期就應(yīng)該進(jìn)行二次燃燒。在渣層中進(jìn)行的二次燃燒能夠改變?cè)男阅?，?duì)渣的粘度和

10、表面張力產(chǎn)生有害影響，在降低了渣的性能的同時(shí)，也降低了二次燃燒的傳熱效率。其它使二次燃燒在渣中難以進(jìn)行的因素還有氧槍位置、渣的性能變化難以確定等，因此，Air Liquide公司選擇在熔池上方空間里進(jìn)行二次燃燒。二次燃燒所用氧氣的吹入方法是決定燃燒效率的關(guān)鍵因素。當(dāng)氧氣被高速吹入熔池時(shí)，二次燃燒的效果反而不好。這時(shí)主要進(jìn)行的是氧化或去碳反應(yīng)，并導(dǎo)致渣的過熱。Gregory等人還研究了二次燃燒對(duì)用電操作的影響，結(jié)果表明，二次燃燒使廢鋼更加快速、穩(wěn)定地熔化，降低了塌料的次數(shù)和規(guī)模，電弧變得更穩(wěn)定，使電效率增加。另外由于廢鋼的熔化速度加快，可以更早地造泡沫渣，也使電效率增加，有功功率增加。2.2實(shí)際

11、應(yīng)用Nucor鋼廠16于1993年夏開始在2座60 t電弧爐上應(yīng)用二次燃燒技術(shù)， 二次燃燒是通過在熔池上方吹氧實(shí)現(xiàn)的。Nucor鋼廠首先用已存在的氧-燃燒嘴對(duì)二次燃燒進(jìn)行了嘗試，但效果沒有預(yù)期中的好，分析其原因，主要是缺少追加的氧和爐內(nèi)燒嘴的位置相對(duì)較高。第2階段的試驗(yàn)使用了可消耗的手動(dòng)P-C氧槍，從渣門插入爐內(nèi)，這次試驗(yàn)測(cè)量了尾氣CO和CO2含量并依此決定O2的吹入量。O2從緊貼鋼水的渣層吹入，并且在加入每籃料后盡可能快地將氧槍插入爐內(nèi)，一直持續(xù)到精煉。Nucor鋼廠通過應(yīng)用二次燃燒技術(shù)，電能消耗降低了40 kWh/t，出鋼-出鋼時(shí)間也縮短了4 min。Goodfellow 公司17、18開

12、發(fā)了電弧爐過程優(yōu)化專家系統(tǒng)(EFSOP)?？刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)分析尾氣各組分的濃度，并根據(jù)熱化學(xué)平衡計(jì)算和能量平衡計(jì)算來決定氧氣吹入量，從而達(dá)到控制電弧爐的燃燒環(huán)境，優(yōu)化冶煉過程的目的。從尾氣分析系統(tǒng)分析出尾氣中CO、CO2、H2、O2的濃度并將數(shù)據(jù)傳到控制系統(tǒng)有1015 s 的時(shí)間延遲，造成了控制系統(tǒng)的反應(yīng)總是滯后于爐內(nèi)氣體分布。因此，開發(fā)了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)尾氣濃度，并用分析系統(tǒng)的分析值進(jìn)行校正。所開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測(cè)未來30120 s的尾氣濃度，實(shí)際操作表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度達(dá)到85%90%以上?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)結(jié)果，更準(zhǔn)確地控制了氧氣操作。Goodfellow公司在1座150 t電

13、弧爐上進(jìn)行了試驗(yàn)，這座電弧爐在爐墻上安裝有3個(gè)燒嘴，試驗(yàn)中，將燒嘴安置在渣線以上大約1米的位置，通過將燃燒比從31提高到81，得到了節(jié)電15 kWh/t，通電時(shí)間縮短166 s的效果19。3未來展望(1) 優(yōu)化供電對(duì)于電弧爐的能量?jī)?yōu)化有著非常重要的作用，采用智能技術(shù)對(duì)電弧爐供電的優(yōu)化是一個(gè)非常有意義的工作。(2) 提高鋼水溫度和成分終點(diǎn)的雙命中率一直是一個(gè)技術(shù)難題?？梢圆捎蒙窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與自適應(yīng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)煉鋼過程的終點(diǎn)預(yù)報(bào)。這同時(shí)也對(duì)檢測(cè)手段等相關(guān)技術(shù)提出進(jìn)一步要求。(3) 隨著智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)電弧爐內(nèi)全部能量(包括電能、氧燃燒嘴、噴吹碳粉及噴吹氧)進(jìn)行整體優(yōu)化也必將成為一個(gè)重要的發(fā)展

14、方向。美國(guó)的神經(jīng)應(yīng)用公司已開始進(jìn)行了這方面的研究20。作者簡(jiǎn)介：李亮，男，27歲，東北大學(xué)鋼鐵冶金系博士研究生。作者單位：李亮(東北大學(xué)，沈陽110006)姜周華(東北大學(xué)，沈陽110006)王文忠(東北大學(xué)，沈陽110006)參考文獻(xiàn)：1李士琦.我國(guó)電爐煉鋼工序能耗現(xiàn)狀和供電制度優(yōu)化.煉鋼，1998，(4)：402高憲文，李樹江，柴天佑，張莉，宋海濤.超高功率電弧爐煉鋼過程自動(dòng)化的現(xiàn)狀與展望.冶金自動(dòng)化，1997，(5)：13汪周勛.100 t LF-VD鋼包精煉爐設(shè)計(jì)特點(diǎn)的研討.煉鋼，1999，(1)：364Rainer Kuhn. Steel Times International, 1

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17、ceedings (Vol 56)，New Orleans. Iron & Steel Society, 1998,40513Sama B, Mathur P C et al. Steel Times, 1997,(3):10014Sama B, Mathur P C et al. 55th Electric Furnace Conference Proceedings(Vol.55), Chicago, Iron & Steel Society, 1997:30515Gregory D S,et al. Iron and Steel Make, 1996,(3):4916Dafghtridge G and Mather P. Iron and Steel Maker, 1995,(2):2917Evenson E J and Kempe M J. 16th Process Technology Conference Proceedings, New Orleans. Iron & Steel Society, 1998:67518Evenson E J,et al. Energy Optimization and Continuous Furnace System Optimization