炼钢电弧炉全程动态模型与仿真分析

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1、上海大学博士学位论文摘要中国在新世纪中的一项重要任务是用信息化带动工业化，用高新技术改造传统产业，其中包括以计算机和信息技术为基础的过程模型和控制技术的应用。钢铁≯j金是典型的传统工业，但在历经了近四十年脱胎换骨般的变革与发展之后，钢铁业已发生了巨大的进步，其中之一就是以高效节能为特征的炼钢短流程的兴起，现代电弧炉炼钢已成为世界公认的两大炼钢方法之一。随着电弧炉炼钢技术迅速发展的步伐，围绕电弧炉过程各环节的数学模型及模拟仿真技术的开发和应用研究也在不断深入和完善。现代电弧炉炼钢过程可抽象地描述为多变量、非线性、动态

2、的、耦合系统。本文在分析各类模型特点的基础上，选定与过程操作变量及过程特征变化相适应的动态模型作为研究目标，并依据国内大型电弧炉操作的基本状况和对冶炼过程特征分析的需要，选定了模型主要的输入、输出变量和参数。数学建模中，将实际电弧炉的冶炼过程概括地划分为几个主要的反应区域——氧流冲击凹坑处的气一液界面反应区、钢．渣界面反应区、熔池中固一液界面反应区、炉渣中碳粉．炉渣反应区以及炉气反应区。在已有的各类单元模型基础上，通过借鉴、修正和转化将各反应区描述纳入本模型系统，并依据冶金反应热、动力学原理，开发电弧炉冶炼过程所特

3、有的反应模型。作者参加了重点实验室与宝钢合作研究项目中电弧炉渣况音平监测和运行数据采集系统的研制、现场安装、调试运行等工作。基于电弧炉渣况音平监测系统，结合已有电弧炉过程预测和诊断程序对电弧传热特性和音平检测信息间的相关性进行研究，获取定量的关系式，从而为过程模拟提供了重要的输入参数。数据采集系统动态地记录操作过程的主要参数，为模型的计算、调试与验证提供必要的基础和依据。本文首先以国内100T超高功率交流电弧炉在热调试中典型炉次的中后期反应过程作为对象进行了模拟计算，对模型相关参数进行了初步验证和调整，并以此为基础

4、扩展到对国内150T超高功率直流电弧炉在热装铁水冶炼模式下的全过程进行数值模拟。计算结果表明：上述模型既可应用于全废钢操作模式下的后期过程，也可模拟高铁水比、留钢操作模式下的全过程。当以成分相对误差绝对值≤30％，温度误差的绝对值一<25K为命中的评判依据时，模型对终点钢液成分中碳、锰、磷、硫及钢液温度的预报命中率分别为44％、61％、44％、78％和37％。由于采用了简化的废钢熔化模型，使钢液温度的变化过程与实际还存在某些偏差。为此，作者对电弧加热下废钢的熔化过程作了进一步研究。摘要根据实际电弧炉废钢熔化过程难于

5、观察的特点，在建模之前首先进行了物理模拟研究，为建模和模型的检验提供必要的信息和依据。依据几何相似和比功率相近的原则，通过特制的小型电弧炉和电极移动控制装置，以金属锡块作为废钢的模拟替代物，以直流弧焊电源作为模拟电源，对直流电弧加热下废钢料堆形态和分布变化过程进行再现和观察分析。在直流电弧炉操作现场的观察研究和实验室热态模拟实验的基础上，对电弧加热的废钢熔化过程中进行了描述，对电弧为核心的加热体的传热、废钢熔化过程的潜热效应、穿井及电极的移动、塌料以及熔化的钢液对废钢的填充等过程作了特定的假设和处理，建立了圆柱坐标

6、下二维轴对称非稳态传热过程的废钢熔化模型。采用控制容积积分法获得传热控制方程的求解代数方程，并通过交替方向线迭代的Gauss．Seidel算法进行求解。模型计算表明：电弧区温度分布特征与已有的研究结果接近，废钢中井区边界尺寸变化和穿井时间与设定值基本一致。炉内温度分布特征，尤其是金属物料区温度分布的变化能与熔化过程的变化相符。在不同炉渣遮蔽效果下，废钢的熔化过程及电弧对钢液的加热效率能与已有的研究结果相一致。在上述工作的基础上，进一步将两维非稳态的废钢熔化模型和过程动态模型进行了耦合。计算表明：耦合的模型对终点钢液

7、温度的预报命中率由37％提高到83％，获得显著改善。现阶段的模型在离线的条件下，已能达到对冶炼的全过程进行动态仿真和预报的目的，从而为过程分析和技术经济评估以及操作流程的优化提供了理论依据。该模型稍加完善也可用于过程实时在线分析预报和过程自动控制。关键词：炼钢过程电弧炉动态模型数学模拟过程预报废钢熔化上海大学博士学位论文ABSTRACTOneoftheimportanttaskswhichChinaconfronted、^，ithinthenewcenturyistobringalongitsindustriali

8、zationandtoreformthetraditionalindustrywithnewandhi啦technology,includingtheapplicationofprocessmodelandcontroltechniquebasedoncomputerandinformationtechnology．Withnearly40yearstrem