一种基于物料熔化模型的电弧炉的供电控制方法技术

本发明专利技术揭示了一种基于物料熔化模型的电弧炉的供电控制方法，该方法将表征各种废钢熔化特征的物料熔化模型所提供的炉况信息与所述电弧炉的电气特性相结合，在线动态调整电弧炉冶炼过程的供电参数，在基于物料熔化模型计算得到的当前多个工作点中选取ηａＰａ值最大的工作点或者选取有功功率最小的工作点执行冶炼过程，以精确地判定电弧炉的冶炼终点。采用本发明专利技术的供电控制方法，能够连续定量地跟踪预报炉况变化，以达到提高电能效率、减少电能损耗、减小钢液温度波动和防止钢液过热，在保证实现冶炼任务的前提下缩短冶炼时间，并能够提高冶炼终点控制能力和冶炼终点判定的准确性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及冶金工艺过程的控制技术，尤其涉及电弧炉炼钢生产过程的基于物料 熔化模型的电弧炉的供电控制方法。
技术介绍
电能是电弧炉冶炼的基本能源，并且电弧炉正是通过对电弧电流、电压和功率的 控制，才满足不同冶炼阶段的不同需求。具体来说，当前的电弧炉供电操作一般在许可范围 内尽可能采用大功率输入，以加速熔化、缩短冶炼时间，与此同时也降低了热传递中的热量 损耗。按照供电方式来分，用于冶炼的电弧炉包括直流电弧炉和交流电弧炉。因其各自 具有不同的电气特性，因而对于供电参数的控制方法也不尽相同，即，直流电弧炉的电弧电 压和电流可以独立控制；而交流电弧炉的电弧电压和电流间的关系依赖于其特定的电气特 性曲线。图1示出了现有技术中交流电弧炉的某一电压档位的电气特性曲线示意图。当 前，电弧炉通常采用模式化的供电参数输入，而这种模式通常与冶炼钢种和配料模式密切 相关。对于交流电弧炉来说，基于不同冶炼阶段的电能需求，相应的电气特性曲线如图1所 示。更为详细地，图1中示出了电参数S、P、Q、Pa、PpEjn COSCj5关于电弧电流I的曲线关 系图。其中S表示视载功率(表观功率)，P表示有功功率，Q表示无功功率，Pa为电弧功 率，&为电路损耗功率，Ea为电弧电压，以及cos Φ为功率因数。在满足表观功率不超过变 压器许用容量和工作电流不超过变压器许用电流的前提条件下，可以相应地确定工作点。 通常，较普遍的工程分析方法是根据已知的二次分接线电压(各相线间电压)、操作电抗和 线路电阻，设定功率因数Coscj5。有关变量满足式(1)和式(2)cos φ = φ-( Χ/υ)2( 1 )Pa = 3UIcos<j5_3I2R (2)则设定功率因数cos Φ，满足cos Φ 彡(Pa+3I2R)/Se (3)0. 86 ^ cos Φ 彡 0. 65其中，Se为变压器许用容量。由此可知，交流电弧炉供电操作中为了减小电路损耗，常采用高功率因数、低电流 操作，这会使得电弧长度增加，但通过泡沫渣的操作可以大大减小电弧的辐射损失，即，长 弧泡沫渣操作。而对于难以形成泡沫渣的情况，比如不锈钢冶炼电炉，则适宜采用低功率因 数、大电流操作，即，短弧操作。虽然电流增大使得电路损耗有所增加，但可以减少电弧的辐 射损耗，也减小了对于耐材的辐射。以下简要介绍一下电弧炉炼钢的相关技术。电弧炉炼钢是我国可持续发展经济在 冶金领域的重要体现，随着循环经济的发展，炼钢过程中的废钢日益增多，而电力供应充沛 且价格稳定，这样就为电弧炉冶炼废钢提供了充分的条件。该电弧炉的冶炼原料可以是，废钢、合金、铁水、铬铁水等，由于原料种类多、来源广、成分和状态多变，使得材料的物理特性 差别很大，这样电弧炉的装料模式也随之而变。例如，可以采用多料篮分阶段的加料，也可 以采用连续加料的方式加料；可以配加不同重量比例的铁水进行冶炼，也可以采用全固体 料进行冶炼。即使同一电弧炉，也可以采用不同的装料模式。电弧炉冶炼过程的物料可以 从全固态直至转变为全液态。电弧炉冶炼过程基本上在一个封闭的空间内进行，只能从炉门口观察到局部区域 的变化，且目前国际上电弧炉的相关检测技术，如炉气检测技术尚未成熟，这都使得电弧炉 的控制决策困难。虽然对于严格采用模式化操作的电炉可以按照经验模式来控制，但是在 模式化操作难以严格执行，比如因物料供应或使用受限使得装料模式与预设模式发生较大 偏差或改变的情况下，能否快速调整控制参数显得尤为重要。因此，固定模式结合人工经验 调整的控制方法常常显得力不从心，冶炼指标和炉况控制不稳定。例如，电弧炉冶炼的终点 控制以测温作为判据，而在实际过程中因物料的变化大、或者不恰当的功率输入、或者钢液 局部过热等，也会影响到测温判定的准确性。国际公布号为 TO2006131464，专利技术名称为 “METHOD FOR RE⑶LATING THEMELTING PROCESS IN AN ELECTRIC-ARC FURNACE”的专利技术专利申请，采用热力学模型对钢液、炉渣及 固相的成分和温度进行预测，在大部分物料熔化时按照已知操作的温降，计算供电量和供 电时间，甚至还能提前计算冶炼所需的时间。但是，该专利技术专利申请仅仅只是控制供电量和 供电时间，并没有对工作点(如功率输入、电弧电压和电流等)进行优化
技术实现思路
针对现有技术中交流电弧炉进行供电控制所存在的上述缺陷，本专利技术提供了一种 基于物料熔化模型的电弧炉控制方法。使用该物料熔化模型，能够连续定量地跟踪预报炉 况变化，以达到提高电能效率、减少电能损耗、减小钢液温度波动和防止钢液过热，在保证 实现冶炼任务的前提下缩短冶炼时间，并能够提高冶炼终点控制能力和冶炼终点判定的准 确性。此外，该物料熔化模型也可用于新供电模式设计和对已有模式进行优化，辅助电弧炉 装料模式的优化和设计。根据本专利技术的一个方面，提供了一种电弧炉的供电控制方法，具体来说，将表征各 种废钢熔化特征的物料熔化模型所提供的炉况信息与所述电弧炉的电气特性相结合，在线 动态调整电弧炉冶炼过程的供电参数，以判定电弧炉的冶炼终点。优选地，供电参数至少包括电弧的输入功率、电弧电压和电弧电流。优选地，当电弧炉为直流电弧炉时，通过控制电弧的长度来控制电弧电压，并使用 公式h+Dp^Cpj’ T1 < TmmPe=VaPa=\Xzm ’κ—来控制电弧电流的数值，其中，Pe为有效电弧功率，η a为电弧对物料的传热效率，Pa为电弧功率，qi为钢液对物 料i的传热功率，Qr为化学反应热量，Qelse为钢液的其他传热量，T1为钢液温度，Hi1为钢液 重量，为允许的钢液升温速率，Tfflax为允许的钢液温度上限，Cpil为钢液的比热容。优选地，当电弧炉为交流电弧炉时，其电弧电压和电流取决于公式⑴至⑶的电 气特性曲线，使用公式<formula>formula see original document page 6</formula>计算确定多个工作点，并选取所述多个工作点中有功功率最小的工作点，其中公 式(1)至⑶分别为<formula>formula see original document page 6</formula>Pa = 3UIcos<j5-3I2Rcos<j5 ≥(Pa+3I2R)/Se0. 86 ≥ cos 小≥0. 65其中，为有效电弧功率，na为电弧对物料的传热效率，Pa为电弧功率，1为钢液 对物料i的传热功率，qr为化学反应热量，qelse为钢液的其他传热量，Tx为钢液温度，为钢 液重量，力为允许的钢液升温速率，Tfflax为允许的钢液温度上限，Cpa为钢液的比热容，cos小 为功率因数，Se为变压器许用容量。优选地，物料熔化模型包括物料的特征尺寸、物料的传热面积、电弧传热效率、物 料重量、物料温度和钢液温度的计算公式，进一步描述为，物料的特征尺寸表示为Z, =-2mlL,/(F,mi)物料的传热面积表示为Aj = Fiiiii/ ( P jLJ)电弧传热效率表示为n a = CfCa (cos 小—cos / (cos 小 2_cos 小+ (C3+C2 (cos 小-cos <i&本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于物料熔化模型的电弧炉的供电控制方法，其特征在于，该方法将表征各种废钢熔化特征的物料熔化模型所提供的炉况信息与所述电弧炉的电气特性相结合，在线动态调整电弧炉冶炼过程的供电参数，以判定电弧炉的冶炼终点。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李青，郭亚芬，郑皓宇，施允，
申请(专利权)人：宝山钢铁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]