【正文】 動(dòng)化和過(guò)程自動(dòng)化。隨著電力工業(yè)的進(jìn)步，大型超高功率電爐技術(shù)的發(fā)展以及爐外精煉技術(shù)的采用，使電弧爐煉鋼技術(shù)有了很大的進(jìn)步。但傳統(tǒng)的以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)的經(jīng)典控制框架顯然已不能適應(yīng)這一要求。 電弧爐系統(tǒng) 電弧爐煉鋼發(fā)展概況 近現(xiàn)代煉鋼方法主要有轉(zhuǎn)爐煉鋼法，平爐煉鋼法和電爐煉鋼法。電弧爐煉鋼是靠電極和爐料間放點(diǎn)產(chǎn)生的電弧，使電能在弧光中轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并借助輻射和電弧的直接作用加熱加熱并融化金屬和爐渣，冶煉出各種成分的鋼和合金的一種冶煉方法 [1]。雖然始終面臨著其他煉鋼方法的挑戰(zhàn)和競(jìng)爭(zhēng)，特別是高效率的氧氣轉(zhuǎn)爐煉鋼的沖擊，但是電弧爐鋼產(chǎn)量在世界鋼總產(chǎn)量的比例仍然逐年上升。19 世紀(jì)中葉以后，各種大規(guī)模實(shí)現(xiàn)電－熱轉(zhuǎn)換的冶煉裝置陸續(xù)出現(xiàn)：1879 年西門(mén)子（William Siemens）首先進(jìn)行了使用電能熔化鋼鐵爐料的研究，1889 年出現(xiàn)了普通感應(yīng)煉鋼爐，1900 年法國(guó)人赫洛爾特（Paul Heroult）設(shè)計(jì)的第一臺(tái)煉鋼電弧爐投入生產(chǎn)。20 世紀(jì)以來(lái)世界總鋼產(chǎn)量、電爐鋼產(chǎn)量和電爐鋼所占百分比（表 ,）的變化可以看出 [2]：（1）五十年代前電爐鋼占百分比很低，是一類(lèi)特殊的煉鋼方法。％％。電弧爐煉鋼發(fā)展過(guò)程中，經(jīng)歷了普通功率電弧爐→高功率電弧爐→超高功率電弧爐。 世界歷年來(lái)電爐鋼占鋼總產(chǎn)量的比例年代 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2022 2022電爐鋼量比% 表 我國(guó)歷年來(lái)電爐鋼占鋼總產(chǎn)量的比例年代 1950 1960 1970 1980 1985 1988 1993 2022 2022 2022電爐鋼量比% 電弧爐煉鋼的特點(diǎn)電弧爐煉鋼是以電能為熱源，利用電極與爐料間生產(chǎn)的電弧高溫來(lái)加熱和熔化爐料。相當(dāng)于是鋼鐵工業(yè)和社會(huì)廢鋼的回收工具。廢鋼如得不到有效的回收和利用，將成為巨大的潛在環(huán)境污染源，有些甚至可能對(duì)水質(zhì)、土壤等構(gòu)成嚴(yán)重威脅。廢鋼的堆積本身也給環(huán)境帶來(lái)不利影響。鋼鐵工業(yè)產(chǎn)生的大量固體鋼制品若不認(rèn)真對(duì)待，將是巨大的潛在環(huán)境污染源，有些甚至可能對(duì)水質(zhì)、土壤等構(gòu)成嚴(yán)重威脅。相對(duì)于鋼鐵聯(lián)合企業(yè)中以高爐—轉(zhuǎn)爐煉鋼為代表的常規(guī)流程而言，以廢鋼為主要原料的電弧爐煉鋼生產(chǎn)線具有工序少、投資低和建設(shè)周期短的特點(diǎn)，因而被稱(chēng)為短流程。由最近的統(tǒng)計(jì)將兩種流程作一比較()，可見(jiàn)在投資、效率和環(huán)保等方面, 以電弧爐為代表的短流程煉鋼具有明顯的優(yōu)越性。 電弧爐煉鋼計(jì)算機(jī)控制發(fā)展概況隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化技術(shù)已成為電爐鋼廠的重要生產(chǎn)工具，其應(yīng)用程度從只能完成比較簡(jiǎn)單的熔煉控制和電極升降控制，到對(duì)整個(gè)煉鋼廠的控制和管理。在發(fā)達(dá)國(guó)家的電爐生產(chǎn)中，計(jì)算機(jī)的應(yīng)用己相當(dāng)普及，并已研制出系列化的硬、軟件系統(tǒng)，如Danieli公司的Process control system, ABB公司的Master melter system, Krupp公司的Geisweid model, Mannesmann Demag公司的Process control system, Proces公司的Production management system等。由于煉鋼技術(shù)上的復(fù)雜性，首先工藝上對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有一嚴(yán)格的時(shí)序要求。 電弧爐煉鋼設(shè)備概括 電弧爐煉鋼的機(jī)械設(shè)備電弧爐的構(gòu)造主要由煉鋼工藝決定，同時(shí)與電弧爐的容量大小、裝料方式、傳動(dòng)方式等有關(guān) [4]。電弧爐的主要機(jī)械設(shè)備由爐體、電極夾持器、電極升降裝置、爐體傾動(dòng)裝置、爐蓋提升、旋轉(zhuǎn)裝置和爐頂裝料系統(tǒng)等以及液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)組成。電弧爐的爐體由金屬構(gòu)件和耐火材料砌筑成的爐襯兩部分組成。爐殼由鋼板焊成，上部有加固圈。爐殼的上部、爐蓋和電極密封圈都通水冷卻，爐殼內(nèi)部、爐蓋及出鋼槽內(nèi)部都是用耐火磚砌成的。在熔煉過(guò)程中，由于爐料不斷熔化，不同的熔煉階段要求給出不同的電能。因此，需要隨時(shí)升降電極以調(diào)整電弧的長(zhǎng)度。電極升降裝置由導(dǎo)電橫臂、立柱和傳動(dòng)裝置組成。立柱和導(dǎo)電橫臂連接成“Г”形支架，一起在固定的框架內(nèi)升降，框架固定在爐體的搖架上，框架內(nèi)裝有滾輪，立柱沿滾輪升降。傳動(dòng)方一式為液壓傳動(dòng)。爐體傾動(dòng)裝置:為底傾機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)形式為液壓傳動(dòng)。傾動(dòng)時(shí)工作液進(jìn)入液壓缸，使液壓活塞桿推動(dòng)搖架，搖架沿水平底座滾動(dòng)，帶動(dòng)爐體傾動(dòng)，為防止搖架和水平底座發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，在它們的整個(gè)接觸面上，分別加工上導(dǎo)釘孔和導(dǎo)釘。傾動(dòng)搖架下部為弧形結(jié)構(gòu)，在軌道平面上進(jìn)行滾動(dòng)，定位準(zhǔn)確、可靠。上支座固定在搖架平臺(tái)的底部。水平支撐狀態(tài)，不得向出渣側(cè)傾動(dòng)。旋轉(zhuǎn)架通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸承連接在傾動(dòng)搖架平臺(tái)上。液壓缸活塞桿縮回時(shí)，爐蓋即可復(fù)位。液壓系統(tǒng):液壓系統(tǒng)包括液壓源、控制閥門(mén)、蓄液箱、蓄能器等。以保證事故狀態(tài)的應(yīng)急操作。爐體傾動(dòng)采用比例閥，使傾動(dòng)速度在03/s之間隨意控制，以滿足出鋼和快速回傾的要求。水冷系統(tǒng):為了延長(zhǎng)電弧爐的使用壽命以及改善爐前操作條件，電弧爐的許多部位通水冷卻，如前所述的爐蓋、爐殼等、水冷系統(tǒng)主要包括三部分:水冷爐壁、水冷爐蓋和水冷導(dǎo)電橫臂、爐體為雙層結(jié)構(gòu)，中間為水冷夾層，爐壁匕有入水口和出水口，冷卻水不斷從夾層中流過(guò)，使?fàn)t壁冷卻。電爐主體的水冷系統(tǒng)供給水冷爐壁、水冷爐蓋、爐門(mén)、爐門(mén)框、導(dǎo)電橫臂電極夾頭、電極噴林水冷電纜和銅管等。 電弧爐煉鋼的電氣設(shè)備電弧爐的電氣設(shè)備主要分為主電路和電極升降自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。電弧，主要由高壓斷電器、電抗器、電爐變壓器及低壓短網(wǎng)等組成 [5]。高壓系統(tǒng):一股由35Kv電，經(jīng)高壓隔離開(kāi)關(guān)、高壓真空斷路器、電抗器送至電弧爐變壓器，在高壓供電系統(tǒng)中設(shè)有氧化鋅避雷器、阻容吸收器，作為電壓吸收裝置，吸收操作過(guò)電壓和浪涌過(guò)電壓，以保證變壓器正常運(yùn)行。電爐變壓器：采用高阻抗電弧爐專(zhuān)用變壓器，變壓器采用有載電動(dòng)調(diào)壓，低壓二次側(cè)采用銅管側(cè)出線、內(nèi)封口，采用強(qiáng)油循環(huán)水冷卻器進(jìn)行冷卻。電抗器:電抗器為外附電抗器，無(wú)載調(diào)節(jié)可連續(xù)過(guò)載20%，配有隔離開(kāi)關(guān)，接地開(kāi)關(guān)。電流經(jīng)短網(wǎng)送入爐內(nèi)，產(chǎn)生電流，將電能變成熱能，把爐料熔化。主要是給液壓站、高壓泵、加熱器、閘整流電源、電爐變壓器調(diào)壓控制器、油水冷卻器、儀表電源、控制電源、穩(wěn)壓電源等供電。 電弧爐煉鋼過(guò)程及工藝簡(jiǎn)介 電弧爐煉鋼過(guò)程電弧爐是以電弧為主要熱源的電爐，分為直流電弧爐和交流電弧爐兩種。電弧爐是繼轉(zhuǎn)爐、平爐之后出現(xiàn)的又一種煉鋼方法，已有百年歷史。如圖 三相電弧爐構(gòu)造簡(jiǎn)圖。圖 三相電弧爐構(gòu)造簡(jiǎn)圖1爐底；2鋼液；3渣層；4流鋼嘴；5爐頂；6電極；7電極夾持器；8短網(wǎng)；9電爐變壓器；10爐門(mén)。熔化期的任務(wù)是將固體爐料熔化為鋼液，這個(gè)時(shí)期要求盡可能地向爐內(nèi)輸入最大電功率以保證爐料在最短的時(shí)間內(nèi)熔為金屬液。還原期的主要任務(wù)是:(l)使鋼和爐渣還原；(2)去除鋼液中的氧和硫，使其含量達(dá)到規(guī)定的要求；(3)調(diào)整鋼液的化學(xué)成分，使其達(dá)到要求；(4)加熱鋼液至正常出鋼溫度。熔化期裝料 氧化期 除渣 還原期補(bǔ)料出鋼白云石或鎂粉通電廢鋼吹氧助熔熔渣吹氧 加合金塊取樣廢鋼（ 二次加料 ）取樣 加礦石 取樣化驗(yàn) 造渣劑圖 電弧爐煉鋼工藝過(guò)程 電弧爐煉鋼工藝簡(jiǎn)述電弧爐煉鋼的工藝方法歸納起來(lái)有三種，即氧化法、不氧化法和返回吹氧法。傳統(tǒng)的氧化法冶煉工藝由補(bǔ)爐、裝料、熔化期、氧化期、還原期和出鋼六個(gè)階段組成。這即難保證對(duì)鋼材越來(lái)越嚴(yán)格的質(zhì)量要求，又限制了電弧爐生產(chǎn)率的提高。并且越來(lái)越完善的電弧技術(shù)能進(jìn)一步滿足鋼液純度和嚴(yán)格的成分、溫度控制的要求。補(bǔ)爐:補(bǔ)爐是指當(dāng)上爐出鋼完后，需要迅速將爐體損壞的部位進(jìn)行維修，以保證下一爐鋼的正常冶煉。目前多數(shù)電弧爐采用爐蓋上升，爐體開(kāi)出，或者爐蓋升起旋開(kāi)，用吊車(chē)吊起爐料一次加入爐膛內(nèi)。熔氧期的主要任務(wù)是迅速熔化全部爐料，去除鋼液中的磷、氣體和夾雜物，將鋼液溫度加熱到高于出鋼溫度1020℃。出鋼:鋼液脫碳、脫磷良好，化學(xué)成分符合要求，溫度達(dá)到出鋼要求，爐渣合乎出鋼要求，即可出鋼。例如在電弧爐上采用吹氧技術(shù)之后，對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的要求是:在煉鋼過(guò)程中如何達(dá)到最佳的脫碳效果，同時(shí)要控制化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的一氧化碳在爐內(nèi)進(jìn)行充分二次燃燒。綜合各種因素的控制，達(dá)到最大功率的冶煉效果 [8]。在起弧熔化冷料時(shí)，長(zhǎng)度為數(shù)毫米的電弧在不甚大的范圍內(nèi)，就能產(chǎn)生數(shù)千千瓦的功率，此時(shí)電弧溫度高達(dá)數(shù)千度，被熔料在電極下面迅速而激烈的熔化、飛濺，時(shí)有短路和斷弧現(xiàn)象發(fā)生，因此弧長(zhǎng)、輸入功率不斷變化。而當(dāng)電流非常大時(shí)，雖僅數(shù)秒鐘，就能使線路損耗大大增加，導(dǎo)致輸入電弧爐內(nèi)的電能減少，降低設(shè)備的各項(xiàng)指標(biāo)，此時(shí)電弧長(zhǎng)度非常短，特別使當(dāng)電極同熾熱或液態(tài)熔液接觸時(shí)，會(huì)使熔液遭受增碳的危險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可折斷電極。具體的說(shuō)，40噸電弧爐對(duì)自動(dòng)調(diào)節(jié)器的要求如下:（1）高靈敏度。非靈敏區(qū)指當(dāng)電極調(diào)節(jié)被控量偏差發(fā)生變化時(shí)，電極仍保持靜止的整個(gè)區(qū)間。執(zhí)行機(jī)構(gòu)在開(kāi)始向兩個(gè)方向動(dòng)作時(shí)的被調(diào)量之差與其算術(shù)平均值之比的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為不感系數(shù)。電極提升速度要快，否則容易造成短路而使高壓斷路器自動(dòng)跳閘；下降要慢，以免電極碰撞爐料而折斷或插入熔液中。（3）保證電弧電流能在額定值的30125%的范圍內(nèi)平滑的整定。（5）保證電極升降控制能迅速的從自動(dòng)切換為手動(dòng)，或由手動(dòng)切換為自動(dòng)。（7）調(diào)節(jié)器應(yīng)能保證調(diào)節(jié)工作高度可靠，操作簡(jiǎn)單。調(diào)節(jié)器的快速作用能夠提高電弧功率平均值、功率因數(shù)COSΦ和電效率η，改善電氣設(shè)備的工作條件，同時(shí)有利于減少電極對(duì)熔液增碳。如電弧功率平均值、功率因數(shù)COSΦ和電效率η。高靈敏度、快速性和整個(gè)系統(tǒng)的超調(diào)量控制之間的正確配合是設(shè)計(jì)性能優(yōu)越調(diào)節(jié)器的決定性條件。在深入了解電弧爐煉鋼的工藝過(guò)程，以及國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，討論了在未來(lái)的電弧爐發(fā)展中計(jì)算機(jī)控制將起到的決定性作用。（3）首先研究了電弧的特性，并建立了電弧弧長(zhǎng)與電流及電壓的關(guān)系，并通過(guò)理論與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算，確定了主要參數(shù)的大小，通過(guò)大量數(shù)據(jù)的計(jì)算及仿真，驗(yàn)證了所提出方法的可行性和適用性。在電極控制及調(diào)節(jié)方法研究的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了單相電極由于其電弧電阻的變化而引起其電弧電壓、電流變化的理論關(guān)系，以及三相電極電弧電壓和電流變化互擾之間的理論關(guān)系。（5）在分析了控制系統(tǒng)工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，對(duì)電弧爐煉鋼的電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，包括電氣部分的建模和控制部分的建模。第二章 電弧爐控制系統(tǒng) 電極升降自動(dòng)控制系統(tǒng)電弧爐煉鋼應(yīng)遵循高產(chǎn)，優(yōu)質(zhì)，低消耗的原則。，變壓器容量為5500kVA的電力曲線控制實(shí)例。變壓器容量16MAV的供電制度。在通電起弧510min內(nèi)，為了避免弧光損壞爐蓋，此階段輸入中級(jí)電壓，中級(jí)電流；10min后，熔煉進(jìn)入穿井和電極回升階段，為促使?fàn)t料快速熔化，此階段輸入最大電壓和最大電流，直到爐料熔化掉80%以上，熔池面逐漸上升平展，只剩下?tīng)t坡，渣線處和低溫區(qū)附近的一些爐料。（2） 氧化期。與熔化期相比，輸入功率可適當(dāng)減少，一般采用中級(jí)電壓和中級(jí)電流送電。加入稀薄渣料后，為了減少脫氧劑燒損及維護(hù)爐襯，應(yīng)立即轉(zhuǎn)為低級(jí)電壓供電。電極自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)必須適應(yīng)煉鋼的合理供電規(guī)則，使?fàn)t料熔化時(shí)間最短、電能消耗最小。0E式中說(shuō)明 ：煉鋼時(shí)間取決于輸入爐膛的平均功率和煉鋼中散熱損失的功率。 液壓、水冷、氣動(dòng)控制系統(tǒng) 液壓控制系統(tǒng) 電弧爐電極升降機(jī)構(gòu)采用液壓傳動(dòng)方式控制的，稱(chēng)為全液壓傳動(dòng)電弧爐。而一般液壓傳動(dòng)的電弧爐，其電極升降機(jī)構(gòu)作為機(jī)械傳動(dòng)，在電爐冶煉工作時(shí)，只要其他機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，液壓系統(tǒng)的油泵可以停止工作，也不需要蓄勢(shì)器，液壓系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單 [9]。（2） 執(zhí)行部分：即油缸，它的作用是將壓力液體的壓力能轉(zhuǎn)換為工作部件運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。它的作用是滿足執(zhí)行部件提出的推動(dòng)要求、動(dòng)作方向要求和動(dòng)作速度要求等。它的作用是將驅(qū)動(dòng)部分、控制部分和執(zhí)行部分連成一個(gè)系統(tǒng)，并具有連接、測(cè)量、貯液、蓄能和過(guò)濾等功能。水冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)部分為冷循環(huán)水泵，它的作用是使冷卻水循環(huán)并帶走以上所述電弧爐各部分設(shè)備的熱量，延長(zhǎng)電爐設(shè)備的使用壽命，改善現(xiàn)場(chǎng)的工作環(huán)境。水冷控制系統(tǒng)還設(shè)有事故報(bào)警裝置，爐門(mén)、爐門(mén)框、爐蓋圈、上爐體水冷塊、旋轉(zhuǎn)架、合金加料裝置、水冷電纜、短網(wǎng)銅管、導(dǎo)電橫臂各部件溫度，總進(jìn)水溫度和壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，則溫度傳感、壓力傳感部件的開(kāi)關(guān)量閉合，并輸入給PLC系統(tǒng)進(jìn)行“或”操作，使故障報(bào)警輸出繼電器動(dòng)作，發(fā)出音響和燈光報(bào)警。其驅(qū)動(dòng)部分由空氣壓縮機(jī)組成；執(zhí)行部分為氣缸；控制部分分空壓機(jī)的控制和氣動(dòng)閥的控制兩部分。其控制原理與冷卻水泵控制原理相同。其。其控制系統(tǒng)可分為順序邏輯控制和過(guò)程控制。順序邏輯控制的應(yīng)用取代了傳統(tǒng)的繼電器控制線路，過(guò)程控制的應(yīng)用是用作過(guò)程調(diào)節(jié)器，可在工業(yè)環(huán)境下控制開(kāi)關(guān)量和模擬量，具有可靠性高，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，使用方便等特點(diǎn)。 計(jì)算機(jī)在電弧煉鋼中的應(yīng)用隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化技術(shù)已成為電爐鋼廠的重要生產(chǎn)工具。目前計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的趨勢(shì)是發(fā)展分級(jí)式集散控制系統(tǒng)。、應(yīng)用及層次。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)極可由計(jì)算機(jī)承擔(dān)，也可由可編程序控制器來(lái)承擔(dān)，或由計(jì)算機(jī)和可編程序控制器共同承擔(dān)。PLC系統(tǒng)同電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、儀表檢測(cè)系統(tǒng)共同構(gòu)成電氣自動(dòng)化系統(tǒng)。 電弧爐計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各級(jí)別的功能、應(yīng)用及層次級(jí)別 功能 在電弧煉鋼中的應(yīng)用 層次 自動(dòng)調(diào)節(jié) 電爐本體操作、電極升降系統(tǒng) 過(guò)程自動(dòng)控制 供電曲線自動(dòng)程序控制 生產(chǎn)裝置自動(dòng)操作 煉鋼生產(chǎn)過(guò)程中計(jì)算機(jī)控制 生產(chǎn)過(guò)程的控制與管理 電弧爐煉鋼車(chē)間的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 生產(chǎn)系統(tǒng)的控制與管理 電弧爐煉鋼廠的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)低?高電弧爐工藝過(guò)程控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)物料指標(biāo)能量指標(biāo)鋼水 生產(chǎn)生產(chǎn)信息記錄 、 報(bào)告 、警告 、生產(chǎn)指導(dǎo)管理指標(biāo)過(guò)程信息過(guò)程控制 電