[发明专利]基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法

摘要

基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法涉及用AOD炉精炼低碳铬铁合金的技术领域，该方法在建立内模控制模型时，明确给定滤波器的形式，并将其串联到内模控制模型中，还具体给定了一种滤波器时间常数专家控制系统的建立方法，该滤波器时间常数专家控制系统可用于构建和评价出性能最优的滤波器时间常数，将用于实现内模控制器中滤波器时间常数在整个冶炼过程中的自动优化和调整。本发明有效克服外在不可测扰动对整个冶炼过程的影响，实现终点碳含量稳态无偏差的精确控制；能够更为准确地建立AOD炉冶炼过程中热平衡方程，且获得更精确的熔池温度变化速率和气体供给速度之间的关系，提高了氩氧精炼低碳铬铁合金的冶炼效率。

主权项

1.基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：步骤一：求出参与铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si化学反应气体组分含量，其具体包括如下子步骤：步骤1.1：在铁水入炉前，测量总入炉铁水质量W_m，且根据其中包含碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的质量百分含量，计算出碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe各自对应的摩尔浓度值；步骤1.1.1：利用LIBS技术对入炉铁水进行碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的成份检测，从而获得碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的质量百分比浓度，将碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe所对应的质量百分比浓度乘以总入炉铁水质量W_m，再将其乘积结果除以对应的碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔质量，进而得到入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔数；步骤1.1.2：将步骤1.1.1所得的入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔数求和，得到入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe四种元素总的摩尔数，再分别将入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe的摩尔数除以铁水中四种元素总的摩尔数，获得入炉铁水中碳元素C、铬元素Cr、硅元素Si及铁元素Fe各自的摩尔浓度数值；步骤1.2：假定冶炼产渣率数值，并确定期望生成的炉渣成份中三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的质量百分比，求出反应所生成的氧化亚铁FeO、三氧化二铬Cr₂O₃以及二氧化硅SiO₂核心炉渣成份的摩尔浓度；步骤1.2.1：将步骤1.1.1所述的总入炉铁水质量乘以步骤1.2中所假定的产渣率数值，求得预计总炉渣生成质量W_s，将三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的质量百分比分别乘以总炉渣生成质量W_s，获得炉渣中三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的质量m_MgO、m_FeO、m_CaO；步骤1.2.2：将步骤1.2.1中所得的炉渣中三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的质量m_MgO、m_FeO、m_CaO分别除以三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的摩尔质量，得到炉渣中三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的摩尔数n_MgO、n_FeO、n_CaO；步骤1.2.3：将步骤1.2.1中得到的炉渣中三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO对应的摩尔数n_MgO、n_FeO、n_CaO求和，得到炉渣中三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的总摩尔数n_总；步骤1.2.4：将炉渣中三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化亚铁FeO对应的摩尔数以及n_FeO除以炉渣中三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化铝Al₂O₃、氧化镁MgO、氧化亚铁FeO、氧化钙CaO的总摩尔数n_总，得到三氧化二铬Cr₂O₃、二氧化硅SiO₂、氧化亚铁FeO核心炉渣成份对应的摩尔浓度X_FeO；步骤1.3：设定反应过程中CO气体摩尔浓度值为1；步骤1.4：为求解参与铁水中碳元素C化学反应的气体组分含量P_C、参与铬元素Cr化学反应的气体组分含量P_Cr以及参与硅元素Si化学反应的气体组分含量P_Si，而引入并求解碳元素辅助算子S_C、铬元素辅助算子S_Cr和硅元素辅助算子S_Si；步骤1.4.1：将铁水中的化学反应方程式(1)至(3)中各成份的配平系数作为摩尔浓度求解方程取对数后，其配平时所需乘以的各成份的摩尔量配平系数；步骤1.4.2：各元素辅助算子求解方法如下：碳元素辅助算子S_C＝(lnX_Fe+lnX_CO)‑(lnX_C+lnX_FeO)……(9)铬元素辅助算子硅元素辅助算子式(9)中，计算因子lnX_Fe为铁元素Fe的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数后所得的结果，从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，铁元素Fe的摩尔量配平系数为1；计算因子lnX_CO为一氧化碳CO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果；从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，一氧化碳CO的摩尔量配平系数为1；计算因子lnX_C为碳元素C的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果；从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，碳元素C的摩尔量配平系数为1；计算因子lnX_FeO为氧化亚铁FeO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果；从铁水中的化学反应方程式(1)中可知，氧化亚铁FeO的摩尔量配平系数为1，被减数(lnX_Fe+lnX_CO)为化学反应式方程(1)中方程等式右边生成物计算因子的加和，而减数(lnX_C+lnX_FeO)为化学反应式方程(1)中，方程等式左边反应物计算因子的加和；式(10)中，计算因子为三氧化二铬Cr₂O₃的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，三氧化二铬Cr₂O₃的摩尔量配平系数为1；计算因子lnX_Fe为铁元素Fe的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，铁元素Fe的摩尔量配平系数为3；计算因子lnX_Cr为铬元素Cr的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，铬元素Cr的摩尔量配平系数为2；计算因子lnX_FeO为氧化亚铁FeO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(2)中可知，氧化亚铁FeO的摩尔量配平系数为3；被减数均为化学反应式方程(2)中方程等式右边生成物计算因子的加和，而减数2lnX_Cr+3lnX_FeO为化学反应式方程(2)中，方程等式左边反应物计算因子的加和；式(11)中，计算因子为二氧化硅SiO₂的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，二氧化硅SiO₂的摩尔量配平系数为1，计算因子lnX_Fe为铁元素Fe的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，铁元素Fe的摩尔量配平系数为2，计算因子lnX_Si为硅元素Si的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，硅元素Si的摩尔量配平系数为1，计算因子lnX_FeO为氧化亚铁FeO的摩尔浓度取对数且乘以步骤1.4.1所述各成份的摩尔量配平系数所得结果，从铁水中的化学反应方程式(3)中可知，氧化亚铁FeO的摩尔量配平系数为2，被减数均为化学反应式方程(3)中方程等式右边生成物计算因子的加和，而减数lnX_Si+2lnX_FeO为化学反应式方程(3)中，方程等式左边反应物计算因子的加和；步骤1.5：计算参与铁水中碳元素C化学反应的气体组分含量P_C、参与铬元素Cr化学反应的气体组分含量P_Cr以及参与硅元素Si化学反应的气体组分含量P_Si的具体数值；式(12)、式(13)和式(14)中，S_C为碳元素辅助算子，S_Cr为铬元素辅助算子，S_Si为硅元素辅助算子，均由步骤1.4.2求得；步骤二：建立包含辅助算子的内模控制模型，其具体包括如下子步骤：步骤2.1：将步骤1.5求得的P_C值代入到公知的脱碳公式(5)和式(8)中，求解出氩氧精炼低碳铬铁合金整个冶炼过程中脱碳速率与氧气供给速率之间的数学机理模型：式(15)中，为脱碳速率，Q为氧气供给速率，参数h求解公式为：式(16)中，参与铁水中碳元素C化学反应的气体组分含量P_C由前述步骤1.5求得，总入炉铁水质量W_m由前述步骤1.1求得，M_C为查元素摩尔质量表所获得的碳元素C的摩尔质量，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；步骤2.2：对步骤2.1所求出的数学机理模型做拉普拉斯变换，解出碳含量与氧气供给速度之间的传递函数；式(17)中，s为拉普拉斯算子，参数h由式(16)计算求得；步骤2.3：将步骤2.2中求得的传递函数代入到传统内模控制模型中的控制对象模型和对象模型中，从而得到包含碳元素辅助算子S_C、铬元素辅助算子S_Cr和硅元素辅助算子S_Si的内模控制模型；步骤三：设计基于专家系统实现滤波器时间常数T_f选取的内模控制器，其具体包括如下子步骤：步骤3.1：对步骤2.3中控制对象模型传递函数取倒数，然后将形式的滤波器与其串联，从而获得一个未进行滤波器时间常数选取的且包含辅助算子的内模控制器：式(18)中，s为拉普拉斯算子，参数h由式(16)计算求得，T_f为滤波器时间常数；步骤3.2：建立滤波器时间常数专家系统，对步骤3.1中所述的未进行滤波器时间常数选取的且包含辅助算子的内模控制器中的滤波器时间常数T_f进行选取；步骤3.2.1：将氩氧精炼低碳铬铁合金的过程分为三个大阶段，分别为高碳冶炼、中碳冶炼以及低碳冶炼，第一阶段高碳冶炼所对应的碳含量范围为a％‑4％，第二阶段中碳冶炼所对应的碳含量范围是4％‑1％，第三阶段低碳冶炼所对应的碳含量范围是1％‑b％，其中，a为冶炼初始碳含量，a≥8；b为目标碳含量，0＜b≤0.25；步骤3.2.2：将步骤3.2.1所述碳含量范围进一步细化为五个具体的子区间，即：初始碳含量冶炼阶段(a,6]、次高碳含量冶炼阶段(6,4]、中等碳含量冶炼阶段(4,2]、次低碳含量冶炼阶段(2,1]和目标碳含量冶炼阶段(1,b]，其中初始碳含量冶炼阶段和次高碳含量冶炼阶段对应着传统的高碳冶炼阶段，使用顶枪与底枪复合吹入混合气体包；中等碳含量冶炼阶段和次低碳含量冶炼阶段对应着传统的中碳冶炼阶段，仅使用顶枪吹混合气体包；目标碳含量冶炼阶段对应着传统的低碳冶炼阶段，仅使用底枪吹混合气体包；步骤3.2.3：设步骤3.2.2给定的初始碳含量冶炼阶段，使用顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为1:6；设次高碳含量冶炼阶段，使用顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为1:3；设中等碳含量冶炼阶段，使用顶枪吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为1:1；设次低碳含量冶炼阶段，使用顶枪吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为3:1；并设目标碳含量冶炼阶段，使用底枪吹入混合气体包吹入的氩(氮)/氧气混合气体比例为6:1；步骤3.2.4：结合实际AOD炉氧枪的尺寸及流体力学与管径参数公知的选取方法进行分析，按照步骤3.2.3中所述的初始碳含量冶炼阶段顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入1:6比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出初始碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率A；按照步骤3.2.3中所述的次高碳含量冶炼阶段顶枪与底枪复合吹入混合气体包吹入1:3比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出次高碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率B；按照步骤3.2.3中所述的中等碳含量冶炼阶段顶枪复合吹入混合气体包吹入1:1比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出中等碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率C；按照步骤3.2.3中所述的次低碳含量冶炼阶段顶枪复合吹入混合气体包吹入3:1比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出次低碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率D；按照步骤3.2.3中所述的目标碳含量冶炼阶段底枪复合吹入混合气体包吹入6:1比例的氩(氮)/氧气混合气体为前提，计算出目标碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率E；步骤3.2.5：建立滤波器时间常数专家系统求解公式如下：式(19)至式(23)中，A为初始碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，B为次高碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，C为中等碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，D为次低碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，E为目标碳含量冶炼阶段对应的最大供氧速率，a为冶炼初始碳含量，b为目标碳含量，h为步骤2.2中所述传递函数中的参数；步骤3.2.6：将步骤3.2.5中所求出的五个滤波器时间常数T_f与步骤3.2.4中五个碳含量阶段以及各阶段所分别对应的最大供氧速率汇总成专家系统表格，并将其作为内模控制器中滤波器时间常数T_f选取的参数表表1，构建基于专家系统实现滤波器时间常数T_f选取的内模控制器；表1滤波器时间常数T_f选取参数表步骤3.2.7：利用LIBS技术对冶炼过程中碳含量进行实时检测，且将碳含量检测结果的实时检测值作为步骤3.1中所述内模控制器的反馈信号，用于内模控制器中所串联的滤波器进行滤波器时间常数Tf选取的条件，从而实现内模控制器中所串联滤波器的滤波器时间常数Tf的优化；步骤四：以防止AOD炉发生喷溅现象为前提条件对步骤三所设计的内模控制器做进一步的优化，其具体包括如下子步骤：步骤4.1：建立包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉冶炼过程的热平衡方程；步骤4.1.1：按照公知技术，建立不包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉传统热平衡方程；步骤4.1.2：建立AOD炉与外界产生热交换的方程；式(24)中，S为AOD炉炉壁与底面的总面积，Δu为AOD炉炉体的厚度，ΔT为AOD炉内温度与室温之差，ρ是AOD炉炉壁材料的传热能力系数；步骤4.1.3：将步骤4.1.2所述的AOD炉与外界产生热交换的方程加入到步骤4.1.1所述的AOD炉传统热平衡方程中，作为炉体热量散失的一部分，测量AOD炉炉壁与底面的总面积S，AOD炉炉体的厚度Δu，预设AOD炉内温度与室温之差ΔT，并根据AOD炉的炉壁材料类型查材料导热系数表，获取其对应的传热能力系数ρ，建立新的包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉冶炼过程的热平衡方程；步骤4.2：通过步骤4.1.3所述新的包含与外界室温环境发生热交换的AOD炉冶炼过程的热平衡方程，对温度求微分，建立熔池钢液温度变化速率与氧气供给速率之间的关系；式(25)中：W_m为总入炉铁水质量，W_s为总炉渣生成质量，Q为供氧速率；Q_sub为惰性气体供给速率；ΔH_i为组分元素i的熔化焓；T为钢液温度；T₀，T_d为气体温度(室温)及其最终温度；ρ_i为i物质的密度；熔渣的比热容l_s、铁水熔液的比热容l_m、氧气的比热容l_O和一氧化碳的比热容l_CO均可通过公知的比热容表查表获得；M_i为i物质摩尔质量；步骤4.3：根据公知技术式(6)至式(8)，建立铬元素Cr和硅元素Si脱除速率与氧气供给速率Q之间的关系；式(26)中，参数g求解公式为：式(28)中，参与铬元素Cr化学反应的气体组分含量P_Cr由前述步骤1.5求得，总入炉铁水质量W_m由前述步骤1.1求得，M_Cr为查元素摩尔质量表所获得的铬元素Cr的摩尔质量，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；式(27)中，参数f求解公式为：式(29)中，参与硅元素Si化学反应的气体组分含量P_Si由前述步骤1.5求得，总入炉铁水质量W_m由前述步骤1.1求得，M_Si为查元素摩尔质量表所获得的硅元素Si的摩尔质量，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；步骤4.4：分别测量并获得AOD炉初始入炉铁水温度、室温、氧枪气体初始温度，查物质密度表、元素比热容表以及物质摩尔质量表，分别获得各物质密度、比热容以及物质摩尔质量，并根据公知技术求解各元素对应的熔化焓；步骤4.5：将步骤4.3与步骤4.4中的各参量均代入式(25)，解出AOD炉熔池温度变化速率与氧气供给速率之间的关系，并将其做拉普拉斯变换，获得温度与供氧速率之间的传递函数：式(30)中，s为拉普拉斯算子，参数d的求解公式为：式(31)中，总入炉铁水质量W_m由前述步骤1.1求得，总炉渣生成质量W_s由前述步骤1.2.1求得，熔渣的比热容l_s、铁水熔液的比热容l_m、氧气的比热容l_O、一氧化碳的比热容l_CO、硅元素Si的摩尔质量M_Si、三氧化硅Cr₂O₃的摩尔质量二氧化硅氧化硅SiO₂的摩尔质量铬元素Cr的摩尔质量M_Cr、氧气元素密度ρ_O、气体温度(室温)T₀以及气体最终温度T_d由前述步骤4.4求得，参数h由前述步骤2.1求得，参数g、参数f由前述步骤4.4求得，碳元素熔化焓ΔH_C、铬元素熔化焓ΔH_Cr、硅元素熔化焓ΔH_Si由文献七获得，ξ为氧气利用率，与其在式(8)中的含义相同；式(30)中，参数e的求解公式为：式(32)中，总入炉铁水质量W_m由前述步骤1.1求得，总炉渣生成质量W_s由前述步骤1.2.1求得，熔渣的比热容l_s、铁水熔液的比热容由前述步骤4.4求得，AOD炉炉壁与底面的总面积S，AOD炉炉体的厚度Δu，AOD炉炉壁材料的传热能力系数ρ由前述步骤4.1.3求得；步骤4.6：将步骤三中所得基于专家系统的内模控制器的输出作为步骤4.5中所述温度与供氧速率之间的传递函数的输入，判断输出温度的情况是否符合预期，若输出温度值高于期望值，则需重新执行步骤三基于专家系统的内模控制器的建立过程；若输出温度值未曾高于期望值，则完成了基于专家内模控制的氩氧精炼铬铁碳含量的控制方法的建模过程。