氩氧精炼铁合金过程炉内碳含量控制方法研究

作     者：魏丙坤 

作者单位：长春工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尤文;孟凡姿;褚忠彪

授予年度：2021年

学科分类：080602[工学-钢铁冶金] 08[工学] 0806[工学-冶金工程] 

主      题：氩氧精炼 低碳铬铁 数学模型 内模控制 

摘      要：本文以氩氧精炼低碳铬铁合金过程为研究对象,分析了冶炼过程机理,利用冶金热力学与动力学的知识,建立了氩氧精炼低碳铬铁合金过程数学模型,并在其基础上运用过程控制模型与策略,为氩氧精炼低碳铬铁合金的工艺提供一定的理论支持。基于以上目标本文完成的主要研究内容如下:1.通过对冶炼过程的机理进行分析和研究,给出了氧气、氩气供给速率和AOD炉内碳含量变化速率的关系,求得了氧气、氩气供给速率和AOD炉内温度变化速率间的关系,并建立了氧气供给速率与炉内脱碳速率、氧气供给速率与炉内温度、氩气供给速率与炉内脱碳速率以及氩气供给速率与炉内温度之间的数学模型。2.传统冶炼过程中,炉内碳含量的检测工作往往需要停炉进行,针对这一情况,基于模型,选择炉内温度作为二次输出量,炉内碳含量作为主要输出量,设计对应的PID控制器,构造了氩氧精炼低碳铬铁合金的碳含量经典控制方法,由于该方法最终碳含量输出往往较预期存在一定的误差,不能准确得到要求的碳含量目标。3.针对上述问题,研究了基于内模控制的氩氧精炼低碳铬铁合金碳含量控制方法。通过内部模型取倒数,串联滤波器,构建相应的内模控制器,可以有效解决外在扰动不可测的问题,实现稳态无误差,通过此方法控制氩氧精炼低碳铬铁合金的过程,最终得到的炉内碳含量能够达到预期的冶炼目标,但其冶炼时间受到内模控制器中滤波器时间常数的制约,导致冶炼时间较长,使冶炼效率不高。4.为提高冶炼效率,给出了专家控制与内模控制相结合的控制方法,依据实际工业生产条件,将整个冶炼过程划分成五个阶段,并求取每个阶段所对应的滤波器时间常数,进而建立滤波器时间常数专家系统表,从而调整不同冶炼阶段的内模控制器,相较于传统的内模控制方法,该方法能够使系统具有更快的动态响应,有效缩短冶炼时长,但牺牲了传统内模控制方法稳态无差的特点,难以达到预期的冶炼目标。5.针对专家内模控制系统存在的冶炼精度问题,设计了改进的内模控制方法,通过对内模控制器进行抗饱和设计,将其分解为一个前馈控制器和一个反馈控制器,以此达到饱和补偿的目的。同时,还在此前专家内模控制的基础上建立抗饱和控制器的专家系统表,使系统控制器在不同的碳含量阶段均能得到有效的饱和补偿。相较于传统内模控制方法和专家内模控制方法,该方法具有动态响应快,冶炼时间短,冶炼效率高,稳态误差小等特点。最后以此搭建了氩氧精炼低碳铬铁合金DCS系统,仿真和运行结果表明,系统达到了冶炼时间65分钟、碳含量0.25%的预期冶炼目标。