科 学 研 究 基 金 项 目 申 请 书

河河 北北 师师 范范 大大 学学 科科 学学 研研 究究 基基 金金 项项 目目 申申 请请 书书 自然科学 课题名称 精炼炉智能底吹氩工艺优化与智能控制研究 类 别 应用 申 请 者 杜文霞 所在单位 职业技术学院电子系 申请日期 2007 年 12 月 10 日 河 北 师 范 大 学 科 技 处 制 项项 目目 类类 别别 博 士 基 金 重 点 基 金 一 般 基 金 青 年 基 金 姓 名杜文霞性 别女出生年月 1973 年 2 月 从事专业电气技术专业技术职务讲师 大 学 1998 年 6 月毕业于河北师范大学 硕 士 2001 年 3 月毕业于燕山大学 申 请 者 学 历 博 士 年 月毕业于 科研成果 主要研究成果及发表的论文 论著和发表处 技术鉴定情况 及 获奖情况等 1 基于 BP 神经网络的电力变压器故障诊断 变压器 2007 年第 3 期 二 研究课题的科学依据 意义 目的 国内外研究概况 水平 发展趋 势和应用前景 请列出部分参考文献 随着科技的发展 用户对钢材的质量提出了越来越高的要求 转炉是目前国内外主要的 炼钢设备之一 然而转炉炼钢过程中存在一个不足之处是熔池内部及钢渣之间的搅拌作用 差 致使传质 传热速率低 从而带来熔化速度和氧化反应速度慢 钢液成分和温度不均 匀 脱硫 脱磷速度低 工人劳动强度大 能耗高 冶炼时间长等一系列问题 从技术上 看 钢材的质量主要表现在其纯洁度高 各相异性小 合金成分偏差范围小等方面 钢中 杂质含量高 加上钢的各相异性差别大 必然导致钢材的力学性能在不同的方向上有较大 差异 传统的炼钢工艺和装备难以满足高质量要求 必须采用炉外精炼技术 近年来炉外精炼技术的不断发展 要求炉外精炼的效果要好 时间要短 要具备能够 和转炉匹配的快工艺节奏 精炼炉底吹氩炼钢技术具有成本低 操作方便 搅拌效果好的 优点 并由此产生了一系列有益的冶金效果 它可以明显缩短冶炼时间 降低能耗 提高 脱硫脱磷能力 促进合金均匀化 冶炼不锈钢时可促进去碳保铬 增加合金收得率 并且 可大大降低工人的劳动强度 早在 70 年代末 80 年代初日本等国就开始研究底吹氩气搅拌技术 到 80 年代中后期 由于技术上可行 特别是在冶金和经济上获得了较大的效果 80 年代以后 由于引进一批 二次精炼装置以极其先进的自动化系统与 PCL DCS 硬件等 从而使我国二次精炼装置自动 化水平大大提高 国内大对数厂家基本上采用人工直接操作的控制方法这种方法虽然实现 了底吹氩的基本目的 搅拌作用 但由于自动化程度低 无法实现脱氮 脱磷的作用 而且耗氩量和耗电量高 包龄短 并易造成钢水二次氧化等 因此 与国外相比有相当大 的差距 底吹氩技术被国内的大多数精炼炉所采用 但是由于该过程的不仅涉及到气体与高温 液体间的传热 传质及动量的传递 而且还涉及到钢液的湍流流动与混合 合金添加剂的 熔化和钢渣化学反应的热力学与动力学等 因此 从系统的观点看 在精炼炉底吹氩过程 中 由于被控对象的非线性 数学模型的不确定性及系统工作点的剧烈变化等因素 要采 用常规的控制策略难以实现对氩气流量进行精确控制 有必要采用智能控制方法实现底吹 氩的工艺优化 课题采用智能底吹氩工艺优化技术对精炼炉底吹氩工艺所进行的改造和完善 可以实 现吹氩的自动控制 该技术不仅可提高品种钢的质量 而且对国内冶金企业的生产指导也 能起到促进作用 本课题的成功 不仅对提高我国钢材的品种和而且能提高炼钢的机械化 和自动化水平 而且还可以促进国有冶金企业的技术改造 1 董锋斌 蒋军 钢包精炼炉智能底吹氩控制系统 机床与液压 2006 NO 3 2 李树江 高宪文 柴天佑模糊串级控制及其在精炼炉吹氩系统中应用 信息与控制 1998 第27卷第1期 3 王海兵 提高钢包底吹氩畅通率的实践 湖南冶金 2004年7月 第32卷第4 期 4 颜慧成 钢包弱搅拌水模拟实验研究钢铁研究学报 2006年2月第18 卷第2 期 5 A Quteishat C P Lim A modified fuzzy min max neural network with rule extraction and its application to fault detection and classification App Soft Comput J 2007 6 H Liu L Yu Toward integrating feature selection algorithms for classification and clustering IEEE Trans Knowl Data Eng 17 4 2005 7 Liang G C He Y G A fault identification approach for analog circuits using fuzzy neural networkmixed with genetic algorithms J IEEEProc Intelligent Systems and Signal Processing 2003 2 1267 1272 三 课题研究的主要内容 从系统观点看精炼炉底吹氩过程由于受到被控对象的非线性 数学模型的不确定性 及系统工作点的剧烈变化等因素的影响 要采用常规的控制策略难以实现对氩气流量进行 精确控制 因此 本项目采用智能控制方法 实现了精炼炉底吹氩的工艺优化工作与吹氩 流量的精确控制 针对现场震动较强的情况 采用具有抗震能力的流量计测量氩气流量 保证了测量结果的精度 通过流量闭环自动控制系统 在操作人员控制经验的基础上 运 用模糊控制理论以及过程控制策略来实现对氩气流量的精确控制 采用模糊自适应控制方 法保证了氩气流量的稳定性 本项目的完成 可以降低工人劳动强度 提高熔池搅拌效果 可以明显缩短冶炼时间 降低能耗 提高脱硫脱磷能力 促进合金均匀化 提高钢种质量 具有良好的经济效益 四 取得成果后的应用推广计划 前景及年经济效益或社会效益 节能降耗明显 改善了工人的工作环境 确保工人身体健康 提高脱硫 脱磷能力 促进合金均匀化 提高产品钢质量 五 实验研究的依据及拟采取的研究方法 工艺技术路线和创新点 实施方案 1 根据现场实际工作情况 建立三条基本流量曲线段 即软吹曲线段 正常精炼曲线段 和大流量搅拌工艺曲线段 压力可调范围 0 1 1 6Mpa 流量可调范围 0 600NL min 2 改进管路通经 使其变小 以适合小流量喷吹要求 3 选用高可靠性能的检测及电气执行元件 4 采用流量 压力闭环自动控制和模糊自适应控制等合理的控制模式 工艺技术路线 1 为实现整体工艺要求 根据压力的实际工作范围 确定氩气流量所处软吹 正常精炼 和大流量搅拌工艺曲线段 从而选择合适的闭环控制系统中压力与流量的设定值 2 为保证氩气流量的稳定性 在控制系统中设计了流量闭环自动控制系统 系统以氩气 流量 直接参数 为被调参数 调节阀改变开度后 流量会立即变化 调节灵敏 系统改 变传统的 PCM 即脉冲编码控制 采用电动调节阀对流量进行连续控制 3 精炼炉底吹氩过程中 由于被控对象的非线性 数学模型的不确定性及系统工作点 的剧烈变化等因素 要采用常规的控制策略难以实现对氩气流量进行精确控制 因此 采 用智能控制方法实现底吹氩的工艺优化 技术关键 1 根据冶炼周期的变化来调整氩气流量的工作点 使之达到最佳搅拌效果 氩气流量最佳值的设定 氩气流量过大 会吹穿液面 甚至激烈喷溅 夹杂增加 氩气流 量过小 不能满足化学反应热力学要求 物料均匀时间加长 同时 由于温度及钢包底部 透气性不同 氩气流量的最佳工作点是变化的 2 底吹氩系统的建模不仅涉及到炼钢过程的一系列物化反映 而且涉及选用电气执行元 件 比如减压阀 流量压板调节 电磁阀 各类保险等 以及电信号反馈效果与寿命 因 此采用合适的控制模式是本系统设计和分析的难点 3 由于现场的条件较为恶劣 传统的控制方法难以取得满意的控制效果 需要采用更为 高级的智能控制方法 一种新的模糊自适应控制方法 创新点 1 确定生产过程中三条基本的吹氩流量曲线与吹氩流量最佳值 为实现吹氩流量的自动 控制提供了前提条件 2 针对传统控制方法不能取得满意效果的问题 提出具有分级结构的模糊自适应控制方 法 具有分级结构的模糊自适应控制方法设计思想是将整个控制系统构成三级控制结构 基本模糊控制级 满足系统实时控制要求 自适应调整级 适应被控系统参数时变情况 定时在线调整模糊控制器参数 过程状态判别级 采用相应的控制参数集克服由于工况变化带来的影响 3 设计流量闭环自动控制系统 保证氩气流量的稳定 六 准备工作情况 研究工作基础 条件等 及研究进度安排 第一阶段 调研论证 拟制方案 2008 1 2008 12 通过搜集资料与现场调研的方式 提出系统控制方案和整体工作计划 同时筹建实验室底 吹氩实验装置 第二阶段 实验室仿真试验阶段 2009 1 2009 12 系统控制方案确定后 进入实验室仿真试验阶段 软 硬件系统同时展开 第三阶段 验收 鉴定 2010 1 2010 6 七 申请者和项目组主要成员及分工 姓 名 性 别 年 龄 专 业 技术职 称 单 位分工 杜文霞 邸敏艳 杨俊华 句希源 辛涛 杜海莲 女 女 女 男 男 女 34 45 46 45 36 29 控制理论与控制工 程 电气技术 电气技术 电气技术 电气自动化 控制理论与控制工 程 讲师 副教授 副教授 讲师 讲师 助教 河北师范大学 河北师范大学 河北师范大学 河北师范大学 河北师范大学 河北师范大学 理论研究 应用研究 理论研究 应用研究 应用研究 理论研究 八 申请项目经费预算 年 度用 途金 额 2008调研经费 2000 2