双极串联电渣炉的建模与仿真

论文摘要

电渣重熔是特种冶金的主要手段之一,作为一项二次精炼冶金技术,双极串联技术应用在电渣重熔冶金中具有了新的特点。其独特的供电方式,使电渣炉的功率因素可以提高到0.9以上,在很大程度上减少了电耗并带来了实际的经济效益。本文以中国第一重型机械有限公司30吨双臂熔铸电渣炉项目为背景,以双极串联式电渣炉为研究对象,通过分析电极浸入渣池深度、电磁场、温度场、电极熔速对于电渣重熔过程的影响,结合传热学理论和热平衡积分法,研究电极熔化的热平衡过程、渣池内部的热传递过程、渣池与电极之间的热传递平衡过程,建立了伺服阀、阀控缸、电极位置、渣阻、渣池温度和电极熔速的电渣重熔过程集总模型。根据电渣冶金工艺和前人在电渣冶金实验所得到的数据及本文详细的计算、推导,确定所建模型各个参数的值。在Matlab/Simulink环境下搭建系统模型仿真平台,并对其进行仿真分析,与实际工况进行比较,验证了所建模型的有效性。为研究、验证该系统的时变性、干扰性、非线性,以模拟实际生产过程,本文对于电渣重熔过程特性进行仿真分析。针对短网电阻变化、负载力变化、系统输入量变化、电极出现偏析现象及冷却水冷却效果变差情况,采用在Matlab/Simulink环境下编写程序方法,分别进行仿真实现。通过仿真结果表明：改变短网阻抗会使系统输出在重熔过程的初始和结束阶段波动较大,但在中间阶段影响较小,从而验证系统具有非线性；外负载力的变化影响电极进给速度,进而影响电极熔速,负载干扰对系统有一定影响；系统输入量的小幅度变化会引起输出量很大的变化；当电极出现偏析现象时,电极热传导会受阻,电极熔速就会相应发生变化；实际的重熔过程是时变的,主要体现在冷却水冷却效果随熔炼的进行不断变差,电极熔速慢慢增加,所以需要降熔速控制,以确保钢锭的品质。对过程特性的仿真研究不但进一步验证模型的有效性,而且清楚地知道各个参量在重熔过程中的影响程度。本文所建模型是有效的,为过程控制、优化以及故障诊断方面的研究提供了实验对象,具有实际应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 电渣重熔技术简介
• 1.1.1 电渣重熔过程的基本原理
• 1.1.2 电渣重熔技术的特点
• 1.1.3 电渣重熔技术的发展过程及现状
• 1.2 电渣重熔系统建模研究现状
• 1.2.1 电渣重熔体系热分布数学模型发展
• 1.2.2 电渣重熔系统被控对象的建模
• 1.3 选题背景、课题研究的目的和理论意义
• 1.3.1 选题背景
• 1.3.2 课题研究的目的和理论意义
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 电渣重熔过程影响因素的研究
• 2.1 电极浸入渣池深度对重熔过程的影响分析
• 2.1.1 渣池发热分布的数学模型
• 2.1.2 电极浸入渣池深度对渣池热电场的影响
• 2.1.3 电极浸入渣池深度对渣阻的影响
• 2.2 电磁场对电渣重熔过程的影响分析
• 2.2.1 数学模型
• 2.2.2 模型参数
• 2.2.3 计算方法与结论
• 2.3 温度场对电渣重熔过程的影响分析
• 2.3.1 渣池温度场分布
• 2.3.2 热量传输方程
• 2.3.3 对电渣熔铸热传递模型求解
• 2.3.4 计算结果与讨论
• 2.4 电极熔速对电渣重熔过程的影响分析
• 2.4.1 熔速与枝晶间距的关系
• 2.4.2 晶轴间距与钢锭结构的关系
• 2.4.3 熔化速度对电耗的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 双极串联式电渣重熔过程数学模型的建立
• 3.1 双极串联式电渣冶金简介
• 3.2 双极串联电渣炉供电环节建模
• 3.2.1 供电特点
• 3.2.2 供电回路等效分析
• 3.2.3 供电环节建模分析
• 3.3 伺服阀控缸位置控制系统建模
• 3.3.1 伺服比例放大器
• 3.3.2 电液伺服阀
• 3.3.3 阀控液压缸
• 3.3.4 负载环节
• 3.3.5 阀控缸系统模型
• 3.4 电极浸入渣池深度建模
• 3.5 渣阻环节建模
• 3.5.1 电极轴心间距
• 3.5.2 渣阻计算
• 3.6 渣池温度建模
• 3.7 电极熔速建模
• 3.7.1 电渣重熔过程物理模型
• 3.7.2 电极熔化数学模型
• 3.8 电渣重熔过程集总模型
• 3.9 本章小结
• 第4章 电渣重熔过程的仿真研究
• 4.1 系统仿真概述
• 4.1.1 仿真简介
• 4.1.2 MATLAB仿真软件简介
• 4.2 电渣重熔过程数学模型参数确定
• 4.2.1 液压系统数学模型参数确定
• 4.2.2 电极进入渣池深度模型参数的确定
• 4.2.3 渣阻环节模型参数的确定
• 4.2.4 渣池温度模型参数的确定
• 4.2.5 电极熔化模型参数的确定
• 4.3 电渣重熔过程模型仿真分析
• 4.3.1 系统集总模型
• 4.3.2 系统仿真模型的建立与仿真结果分析
• 4.4 电渣重熔过程特性分析
• 4.4.1 短网阻抗变化的仿真分析
• 4.4.2 负载力变化的仿真分析
• 4.4.3 系统输入量变化的仿真分析
• 4.4.4 电极出现偏析现象的仿真分析
• 4.4.5 冷却效果变差的仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢