科 學 研 究 基 金 項 目 申 請 書

河河 北北 師師 范范 大大 學學 科科 學學 研研 究究 基基 金金 項項 目目 申申 請請 書書 自然科學 課題名稱 精煉爐智能底吹氬工藝優(yōu)化與智能控制研究 類 別 應用 申 請 者 杜文霞 所在單位 職業(yè)技術學院電子系 申請日期 2007 年 12 月 10 日 河 北 師 范 大 學 科 技 處 制 項項 目目 類類 別別 博 士 基 金 重 點 基 金 一 般 基 金 青 年 基 金 姓 名杜文霞性 別女出生年月 1973 年 2 月 從事專業(yè)電氣技術專業(yè)技術職務講師 大 學 1998 年 6 月畢業(yè)于河北師范大學 碩 士 2001 年 3 月畢業(yè)于燕山大學 申 請 者 學 歷 博 士 年 月畢業(yè)于 科研成果 主要研究成果及發(fā)表的論文 論著和發(fā)表處 技術鑒定情況 及 獲獎情況等 1 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡的電力變壓器故障診斷 變壓器 2007 年第 3 期 二 研究課題的科學依據(jù) 意義 目的 國內(nèi)外研究概況 水平 發(fā)展趨 勢和應用前景 請列出部分參考文獻 隨著科技的發(fā)展 用戶對鋼材的質(zhì)量提出了越來越高的要求 轉(zhuǎn)爐是目前國內(nèi)外主要的 煉鋼設備之一 然而轉(zhuǎn)爐煉鋼過程中存在一個不足之處是熔池內(nèi)部及鋼渣之間的攪拌作用 差 致使傳質(zhì) 傳熱速率低 從而帶來熔化速度和氧化反應速度慢 鋼液成分和溫度不均 勻 脫硫 脫磷速度低 工人勞動強度大 能耗高 冶煉時間長等一系列問題 從技術上 看 鋼材的質(zhì)量主要表現(xiàn)在其純潔度高 各相異性小 合金成分偏差范圍小等方面 鋼中 雜質(zhì)含量高 加上鋼的各相異性差別大 必然導致鋼材的力學性能在不同的方向上有較大 差異 傳統(tǒng)的煉鋼工藝和裝備難以滿足高質(zhì)量要求 必須采用爐外精煉技術 近年來爐外精煉技術的不斷發(fā)展 要求爐外精煉的效果要好 時間要短 要具備能夠 和轉(zhuǎn)爐匹配的快工藝節(jié)奏 精煉爐底吹氬煉鋼技術具有成本低 操作方便 攪拌效果好的 優(yōu)點 并由此產(chǎn)生了一系列有益的冶金效果 它可以明顯縮短冶煉時間 降低能耗 提高 脫硫脫磷能力 促進合金均勻化 冶煉不銹鋼時可促進去碳保鉻 增加合金收得率 并且 可大大降低工人的勞動強度 早在 70 年代末 80 年代初日本等國就開始研究底吹氬氣攪拌技術 到 80 年代中后期 由于技術上可行 特別是在冶金和經(jīng)濟上獲得了較大的效果 80 年代以后 由于引進一批 二次精煉裝置以極其先進的自動化系統(tǒng)與 PCL DCS 硬件等 從而使我國二次精煉裝置自動 化水平大大提高 國內(nèi)大對數(shù)廠家基本上采用人工直接操作的控制方法這種方法雖然實現(xiàn) 了底吹氬的基本目的 攪拌作用 但由于自動化程度低 無法實現(xiàn)脫氮 脫磷的作用 而且耗氬量和耗電量高 包齡短 并易造成鋼水二次氧化等 因此 與國外相比有相當大 的差距 底吹氬技術被國內(nèi)的大多數(shù)精煉爐所采用 但是由于該過程的不僅涉及到氣體與高溫 液體間的傳熱 傳質(zhì)及動量的傳遞 而且還涉及到鋼液的湍流流動與混合 合金添加劑的 熔化和鋼渣化學反應的熱力學與動力學等 因此 從系統(tǒng)的觀點看 在精煉爐底吹氬過程 中 由于被控對象的非線性 數(shù)學模型的不確定性及系統(tǒng)工作點的劇烈變化等因素 要采 用常規(guī)的控制策略難以實現(xiàn)對氬氣流量進行精確控制 有必要采用智能控制方法實現(xiàn)底吹 氬的工藝優(yōu)化 課題采用智能底吹氬工藝優(yōu)化技術對精煉爐底吹氬工藝所進行的改造和完善 可以實 現(xiàn)吹氬的自動控制 該技術不僅可提高品種鋼的質(zhì)量 而且對國內(nèi)冶金企業(yè)的生產(chǎn)指導也 能起到促進作用 本課題的成功 不僅對提高我國鋼材的品種和而且能提高煉鋼的機械化 和自動化水平 而且還可以促進國有冶金企業(yè)的技術改造 1 董鋒斌 蔣軍 鋼包精煉爐智能底吹氬控制系統(tǒng) 機床與液壓 2006 NO 3 2 李樹江 高憲文 柴天佑模糊串級控制及其在精煉爐吹氬系統(tǒng)中應用 信息與控制 1998 第27卷第1期 3 王海兵 提高鋼包底吹氬暢通率的實踐 湖南冶金 2004年7月 第32卷第4 期 4 顏慧成 鋼包弱攪拌水模擬實驗研究鋼鐵研究學報 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 課題研究的主要內(nèi)容 從系統(tǒng)觀點看精煉爐底吹氬過程由于受到被控對象的非線性 數(shù)學模型的不確定性 及系統(tǒng)工作點的劇烈變化等因素的影響 要采用常規(guī)的控制策略難以實現(xiàn)對氬氣流量進行 精確控制 因此 本項目采用智能控制方法 實現(xiàn)了精煉爐底吹氬的工藝優(yōu)化工作與吹氬 流量的精確控制 針對現(xiàn)場震動較強的情況 采用具有抗震能力的流量計測量氬氣流量 保證了測量結果的精度 通過流量閉環(huán)自動控制系統(tǒng) 在操作人員控制經(jīng)驗的基礎上 運 用模糊控制理論以及過程控制策略來實現(xiàn)對氬氣流量的精確控制 采用模糊自適應控制方 法保證了氬氣流量的穩(wěn)定性 本項目的完成 可以降低工人勞動強度 提高熔池攪拌效果 可以明顯縮短冶煉時間 降低能耗 提高脫硫脫磷能力 促進合金均勻化 提高鋼種質(zhì)量 具有良好的經(jīng)濟效益 四 取得成果后的應用推廣計劃 前景及年經(jīng)濟效益或社會效益 節(jié)能降耗明顯 改善了工人的工作環(huán)境 確保工人身體健康 提高脫硫 脫磷能力 促進合金均勻化 提高產(chǎn)品鋼質(zhì)量 五 實驗研究的依據(jù)及擬采取的研究方法 工藝技術路線和創(chuàng)新點 實施方案 1 根據(jù)現(xiàn)場實際工作情況 建立三條基本流量曲線段 即軟吹曲線段 正常精煉曲線段 和大流量攪拌工藝曲線段 壓力可調(diào)范圍 0 1 1 6Mpa 流量可調(diào)范圍 0 600NL min 2 改進管路通經(jīng) 使其變小 以適合小流量噴吹要求 3 選用高可靠性能的檢測及電氣執(zhí)行元件 4 采用流量 壓力閉環(huán)自動控制和模糊自適應控制等合理的控制模式 工藝技術路線 1 為實現(xiàn)整體工藝要求 根據(jù)壓力的實際工作范圍 確定氬氣流量所處軟吹 正常精煉 和大流量攪拌工藝曲線段 從而選擇合適的閉環(huán)控制系統(tǒng)中壓力與流量的設定值 2 為保證氬氣流量的穩(wěn)定性 在控制系統(tǒng)中設計了流量閉環(huán)自動控制系統(tǒng) 系統(tǒng)以氬氣 流量 直接參數(shù) 為被調(diào)參數(shù) 調(diào)節(jié)閥改變開度后 流量會立即變化 調(diào)節(jié)靈敏 系統(tǒng)改 變傳統(tǒng)的 PCM 即脈沖編碼控制 采用電動調(diào)節(jié)閥對流量進行連續(xù)控制 3 精煉爐底吹氬過程中 由于被控對象的非線性 數(shù)學模型的不確定性及系統(tǒng)工作點 的劇烈變化等因素 要采用常規(guī)的控制策略難以實現(xiàn)對氬氣流量進行精確控制 因此 采 用智能控制方法實現(xiàn)底吹氬的工藝優(yōu)化 技術關鍵 1 根據(jù)冶煉周期的變化來調(diào)整氬氣流量的工作點 使之達到最佳攪拌效果 氬氣流量最佳值的設定 氬氣流量過大 會吹穿液面 甚至激烈噴濺 夾雜增加 氬氣流 量過小 不能滿足化學反應熱力學要求 物料均勻時間加長 同時 由于溫度及鋼包底部 透氣性不同 氬氣流量的最佳工作點是變化的 2 底吹氬系統(tǒng)的建模不僅涉及到煉鋼過程的一系列物化反映 而且涉及選用電氣執(zhí)行元 件 比如減壓閥 流量壓板調(diào)節(jié) 電磁閥 各類保險等 以及電信號反饋效果與壽命 因 此采用合適的控制模式是本系統(tǒng)設計和分析的難點 3 由于現(xiàn)場的條件較為惡劣 傳統(tǒng)的控制方法難以取得滿意的控制效果 需要采用更為 高級的智能控制方法 一種新的模糊自適應控制方法 創(chuàng)新點 1 確定生產(chǎn)過程中三條基本的吹氬流量曲線與吹氬流量最佳值 為實現(xiàn)吹氬流量的自動 控制提供了前提條件 2 針對傳統(tǒng)控制方法不能取得滿意效果的問題 提出具有分級結構的模糊自適應控制方 法 具有分級結構的模糊自適應控制方法設計思想是將整個控制系統(tǒng)構成三級控制結構 基本模糊控制級 滿足系統(tǒng)實時控制要求 自適應調(diào)整級 適應被控系統(tǒng)參數(shù)時變情況 定時在線調(diào)整模糊控制器參數(shù) 過程狀態(tài)判別級 采用相應的控制參數(shù)集克服由于工況變化帶來的影響 3 設計流量閉環(huán)自動控制系統(tǒng) 保證氬氣流量的穩(wěn)定 六 準備工作情況 研究工作基礎 條件等 及研究進度安排 第一階段 調(diào)研論證 擬制方案 2008 1 2008 12 通過搜集資料與現(xiàn)場調(diào)研的方式 提出系統(tǒng)控制方案和整體工作計劃 同時籌建實驗室底 吹氬實驗裝置 第二階段 實驗室仿真試驗階段 2009 1 2009 12 系統(tǒng)控制方案確定后 進入實驗室仿真試驗階段 軟 硬件系統(tǒng)同時展開 第三階段 驗收 鑒定 2010 1 2010 6 七 申請者和項目組主要成員及分工 姓 名 性 別 年 齡 專 業(yè) 技術職 稱 單 位分工 杜文霞 邸敏艷 楊俊華 句希源 辛濤 杜海蓮 女 女 女 男 男 女 34 45 46 45 36 29 控制理論與控制工 程 電氣技術 電氣技術 電氣技術 電氣自動化 控制理論與控制工 程 講師 副教授 副教授 講師 講師 助教 河北師范大學 河北師范大學 河北師范大學 河北師范大學 河北師范大學 河北師范大學 理論研究 應用研究 理論研究 應用研究 應用研究 理論研究 八 申請項目經(jīng)費預算 年 度用 途金 額 2008調(diào)研經(jīng)費 2000 2