[发明专利]一种LF精炼炉最优经济配料和智能控制模型

摘要

本发明涉及一种LF精炼炉最优经济配料和智能控制模型，包括LF炉最优经济配料模型和LF炉钢水温度预报和最优供电模型；克服现有LF控制技术的缺陷和不足，结合LF炉的特点，推导出LF炉最优经济配料数学模型和钢水温度预报数学模型及以电耗最低为目标的电极智能调节数学模型，通过编制VBS脚本程序嵌入到WINCC，即可实现LF钢包精炼炉最优经济配料和智能控制。用于在线预报钢水温度、自动获得最优经济配料、在满足工艺要求的条件下使吨钢电耗达到最低。

主权项

1.一种LF精炼炉最优经济配料和智能控制模型，其特征在于，包括LF炉最优经济配料模型和LF炉钢水温度预报和最优供电模型；一、所述LF炉最优经济配料模型过程如下：首先，将公式中用到的参数进行说明：LF炉渣料化学成分和价格及加入量见表1；其中渣料化学成分和价格为已知量，加入量为待求未知量；表1渣料化学成分和价格LF炉合金化学成分和价格及加入量见表2；其中合金化学成分和价格为已知量，加入量为待求未知量；表2合金化学成分和价格注：合金中含喂丝；合金中化学元素收得率见表3；收得率为已知量；表3合金中化学元素收得率  成分1 成分2 ... 成分m 收得率 η₁η₂... η_m目标钢水化学成分见表4；化学成分上下限为已知量；表4目标钢水标准和初始钢水化学成分  成分1 成分2 ... 成分m 标准下限 c_L,1c_L,2... c_L,m标准上限 c_H,1c_H,2... c_H,m初始钢水 c₁c₂... c_m钢包几何参数：D—钢包底部外径，md—钢包底部内径，mH‑‑钢包外部高度，mh—钢包内部深度，mθ—钢包侧面半锥角，弧度；1.1模型简化(1)由转炉来的钢包，钢包中的钢渣渣层厚度忽略不计；(2)合金中元素除标明的收得率外，其它元素均全部进入钢相中；1.2建模1.2.1约束条件1.2.1.1熔渣碱度约束为保障炉渣流动性，熔渣碱度的二元碱度CaO/SiO2应该控制在一定范围内；式中：RH、RL‑‑熔渣碱度上、下限；1.2.1.2熔渣中MgO含量约束熔渣中合适的MgO含量是提高钢包炉衬耐火材料寿命的保证；式中：aM,H、aM,L‑‑渣中MgO含量上、下限；1.2.1.3熔渣层厚度约束钢水重量Mg对应的渣线直径dz则Mg‑‑钢水质量，kgρg‑‑钢水密度，kg/m3ρg＝7138由上式解出dZ为保证埋弧操作，熔渣线上部渣层厚度不低于hz式中ρa,j‑‑j＝1,2,3,4分别为CaO、SiO2、MgO、Al2O3密度，kg/m3ρa,1＝3350，ρa,2＝2600，ρa,3＝3580，ρa,4＝3960；1.2.1.4钢水合金元素化学成分约束LF目标钢水成分需满足国标要求；式中：cH,j、cL,j‑‑合金元素化学成分j国家标准上、下限；1.2.2目标函数总配料成本最低1.3模型求解式(1)～(5)可以分解为2个独立的线性规划问题分别求解；1.3.1渣料最优经济配料模型s.t.xa,i≥0(i＝1,2,...,k)变量个数k，约束条件个数5，用两阶段单纯形法可求出最优解；1.3.2合金最优经济配料模型s.t.xb,i≥0(i＝1,2,...,n)变量个数n，约束条件个数2m，用两阶段单纯形法可求出最优解；目标钢水化学成分见表4；化学成分上下限为已知量；二、所述LF炉钢水温度预报和最优供电模型过程如下：根据LF系统能量平衡，确定钢水当前温度与实时输入的有功电功率的函数关系；2.1模型简化(1)电极形成电弧无电抗，仅等效为电阻；(2)三相平衡，即变压器负载侧ABC三相内阻、内抗相同、空载电压相同，ABC三相短网内阻、内抗相同；(3)冶炼时间仅从电极通电开始计算，中间断电不计入冶炼时间，忽略断电期间的LF炉热损；(4)忽略熔渣化学反应生成热；(5)忽略合金熔化潜热；2.2供电策略(1)输入LF炉内的三相电功率平衡；(2)满足供电制度条件下，总电耗最低；RB、XB为变压器负载侧单相电阻(Ω)、电抗(Ω)，随变压器电压档位变化，RD、XD为LF炉单相短网电阻(Ω)、电抗(Ω)，R为电弧等效电阻(Ω)，I为单相有效电流(A)，Ub为变压器负载侧空载电压(V)；Ub与LF当前温度T有关，即不同的升温阶段选择不同的电压等级；上式中：R0＝RB(Ub)+RDX0＝XB(Ub)+XD2.3建模2.3.1钢水温度预报模型2.3.1.1能量收入(1)输入电能Q1,JQ1＝NI2Rdt   (7)式中：N—电极根数，交流LF炉，N＝3，直流LF炉N＝1I—负载侧单相电流，AR—单相电弧等效电阻，Ωdt—微元时间，s(2)电极燃烧放热Q2,JQ2＝N[‑ΔHC(T)]DCdt   (8)式中：DC—单根电极平均消耗速度，kg/sΔHC(T)‑‑石墨燃烧生成CO的热效应，J/kgΔHC(T)为温度T(K)的函数；aC＝‑9.15×106，bC＝‑310.8，cC＝0.3817，dC＝‑9.642×1072.3.1.2能量支出(1)钢水升温显热Q1’,J式中：Cg‑‑钢水平均比热，J/(kgK)Cg＝1.046×106dT—钢水微升温，K(2)渣料升温显热Q2’,J式中：Cz(T)—熔渣比热，J/(kgK)Cz(T)为温度T(K)的函数；aa,1＝886.0，ba,1＝0.0807，ca,1＝‑1.241×107aa,2＝732.0，ba,2＝0.6468，ca,2＝‑1.133×107aa,3＝1224.5，ba,2＝0.0785，ca,3＝‑2.860×107aa,4＝1125.2，ba,2＝0.1255，ca,3＝‑3.475×107(3)LF炉衬耐火材料升温显热Q3’,JQ3'＝(CcMc+CdMd)dT   (11)式中：Mc—钢包衬侧面耐火材料质量，kgCc—钢包衬侧面耐火材料比热，J/(kgK)Md—钢包衬底部耐火材料质量，kgCd—钢包衬底部耐火材料比热，J/(kgK)ρc—钢包衬侧面耐火材料密度，kg/m3ρd—钢包衬底部耐火材料密度，kg/m3(4)氩气带走显热Q4’,JQ4'＝FArCAr(T‑T0)dt   (12)式中：CA—氩气比热，J/(m3K)CAr＝928.1FAr—氩气流量，m3/sT0—环境温度，K(5)冷却水带走显热Q5’,JQ5'＝FH2OCH2O(TH2O1‑TH2O0)dt   (13)式中：CH2O—水比热，J/(kgK)CH2O＝4962FH2O—LF炉冷却水流量，kg/sTH2O0—冷却水入口温度，KTH2O1—冷却水出口温度，K(6)LF炉表面辐射和对流热损Q6’,JQ6'＝qrdt   (14)式中：qr—单位时间表面辐射和对流热损，Wqr通常为一常数，通过历史数据统计得到；2.3.1.3 能量平衡LF炉能量收入＝LF炉能量支出LF炉能量收入＝输入电能+电极燃烧放热LF炉能量支出＝钢水升温显热+渣料升温显热+LF炉衬耐火材料升温显热+氩气带走显热+冷却水带走显热+LF表面辐射和对流热损式(7)～(14)代入式(15)：FH2OCH2O(TH2O1‑TH2O0)dt+qrdt整理上式得到：式中：q(T)＝NΔHC(T)DC+FArCAr(T‑T0)+FH2OCH2O(TH2O1‑TH2O0)+qrq(T)为各项与时间无关的热损失速度之和,是温度T的函数；C(T)为各项与质量有关的热容之和,是温度T的函数；式(16)为钢水升温速度与供电功率和钢水温度的函数关系式；如果考虑三相不平衡，根据式(16)的意义，并用式(6)的R代入得到：式中：Tt—t时刻的钢水温度，KTt+ΔT—t+Δt时刻的钢水温度，K式(17)即为钢水温度预报数学模型，只要给定初始钢水温度，经过迭代计算即可达到当前时刻钢水温度；其中Ii为实测得到的各单相电流值，R0,i、X0,i分别为变压器内阻与短网电阻之和、变压器内抗与短网电抗之和；2.3.2最优供电模型根据供电策略，输入LF炉三相功率相同，LF炉总电耗为：式(16)代入上式中，并用式(6)的I代入得到：式中：T1—加热开始温度，KT2—加热结束温度，K当时，式(18)取得极值；求出极值点等效电阻R*：式(19)代入式(6)中，求出极值点单相电流I*：在极值点：由式(21)可知，在极值点处，说明式(18)恒存在极小值；式(20)即为LF炉最优供电模型，最佳设定电流是钢水温度T单调函数，按照设定的最佳电流冶炼，可以得到最低的电耗；但LF精炼过程必须按照供电制度U(T)满足工艺升温要求，即钢水升温速度不低于工艺设定值；由式(16)可知，钢水升温速度要求满足：式中：δ(T)—由精炼工艺确定的升温速度，不同温度区间升温速度不同，K/sImin—满足精炼工艺要求的单相最小电流，A式(6)中的R代入上式，解出关于Imin的方程：式中：为单相电弧最小功率；由式(20)、(22)，得到LF炉最佳设定电流为：I0＝Min[Imax,Max(I*,Imin)]I0＝Min(Imax,Max(I*,Imin))其中：Imax‑‑为变压器相应电压Ub(T)下的额定电流，A功率因数：式(19)代入上式中，求出最优功率因数：上述LF炉最优供电模型是针对三相交流LF炉导出的，导出的结果也适用于直流LF炉，用于直流LF炉时，只需令电极根数N＝1，并且R0＝3RB+RD，X0＝3XB；2.4控制策略电弧电压与电弧长度关系：U＝α+βL   (24)式中：U—电弧电压，Vα—阴极区和阳极区电压降之和，Vβ—弧柱中的电位梯度，V/mL—电弧长度，m由于电弧等效电阻：R带入式(6)，得到：由式(24)和式(25)，得到：由式(26)可见，在特定电压下，电弧长度L只是单相电流I的单调函数，最佳电流I0对应的电弧长度L(I0)；电极的升降运动是通过比例阀控制液压传动系统实现的，比例阀通过控制液压介质的流量改变电极升降速度，与电极升降直接关联的被控参数是电弧长度，而电弧电压又与电弧长度成线性关系，因而通过电极升降即可直接控制电弧电压，给定电流最佳设定值I0，最佳电弧电压设定值U0由式(25)得到；采用PID控制电极升降，以U0作为被控参数，通过适当选取比例值、积分时间、微分时间，可以达到快速达到稳态。