于歡歡， 許紅巖， 張 洋， 隋添翼

(長春工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，吉林長春 130012)

0 引 言

噴濺是冶金行業(yè)經(jīng)常發(fā)生的事故。即在冶煉過程中溶液與渣兩相間發(fā)生激烈的氧化反應(yīng)，爐膛內(nèi)瞬間產(chǎn)生大量CO氣體，熔池內(nèi)產(chǎn)生大沸騰，大量的含有粒狀的渣從爐口溢出[1]。爐渣噴濺會威協(xié)生產(chǎn)安全，惡化多項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因噴濺損失的鋼鐵料占總鋼鐵料的0.5%～5%，惡性噴濺時損失的鋼鐵料占總鋼鐵料的10%以上[2]。

由于鐵合金冶煉過程的溫度要比煉鋼溫度高，更容易發(fā)生噴濺[3]，所以把模糊控制技術(shù)應(yīng)用到冶煉低碳鉻鐵合金中是十分必要的，實(shí)現(xiàn)智能控制以降低噴濺的發(fā)生率。

1 系統(tǒng)分析

1.1 AOD爐冶煉鉻鐵合金發(fā)生噴濺的原理

AOD爐精煉鉻鐵合金過程中，鉻鐵合金熔體內(nèi)及其熔體液面會發(fā)生3個化學(xué)反應(yīng)[4-5]。

其中:反應(yīng)(1)和反應(yīng)(2)是放熱反應(yīng);反應(yīng)(3)是吸熱反應(yīng)。其反應(yīng)速度受供氧量、熔池碳含量、CO含量、渣中Cr2O3含量和溫度的共同影響。如果冶煉過程中熔池驟然受到冷卻，抑制了正在激烈進(jìn)行的反應(yīng)(3)，供入的氧氣生成了大量Cr2O3并聚積;當(dāng)熔池溫度再度升高到一定程度，反應(yīng)(3)重新快速進(jìn)行，在反應(yīng)(1)和反應(yīng)(3)的共同作用下，瞬間產(chǎn)生大量的CO氣體，由于Cr2O3含量較高，渣液張力較小、渣液泡沫化程度較高且渣層較厚，致使CO逸出困難，導(dǎo)致AOD爐噴濺的發(fā)生。

綜上所述，渣中Cr2O3的含量可以表征噴濺的發(fā)生情況。但目前無法實(shí)現(xiàn)∑(C r2O3)含量的在線測量，所以要選出一種能在線監(jiān)測且能表征噴濺發(fā)生的信號。研究表明，如果熔渣中Cr2 O3含量變多，熔渣將會發(fā)泡，渣層由于膨脹厚度增加，其表面張力下降，阻礙渣液與鋼水的熱交換過程，導(dǎo)致爐內(nèi)下層鋼水與渣液上層表面的溫差隨Cr2 O3含量的增加而增大;反之，當(dāng)渣中Cr2O3含量下降，爐內(nèi)下層鋼水與渣液上層表面的溫差隨Cr2 O3含量的減少而降低。所以，表征噴濺發(fā)生的信號可選溫差信號，最終利用溫差實(shí)現(xiàn)抑制AOD爐噴濺的發(fā)生。

1.2 抑制AOD爐噴濺系統(tǒng)的硬件配置

該噴濺控制系統(tǒng)的輸入量是爐內(nèi)下層鋼水與渣液上層表面的溫差，輸出量是槍位、氧氣、氮?dú)饬髁俊姙R抑制劑加入量。整個系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC進(jìn)行控制。

渣液與鐵水溫度分別由安裝在頂槍和底槍上的紅外測溫裝置按采樣周期在線完成，通過頂槍和底槍上的特殊結(jié)構(gòu)在槍管內(nèi)孔引出紅外光信號，非接觸測取爐內(nèi)漂浮在鐵水上面的渣液溫度和鐵水溫度，溫度測量的同步及溫差的計(jì)算由PLC中的軟件自動實(shí)現(xiàn);槍位升降由變頻器控制，根據(jù)PLC的輸出指令控制氧槍升降系統(tǒng)到指定位置;氧氣、氮?dú)獾牧髁糠謩e通過流量調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制式恒流量控制;通過控制電磁振動給料機(jī)添加噴濺抑制劑。

抑制AOD爐噴濺系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

圖1 抑制AOD爐噴濺系統(tǒng)框圖

2 抑制AOD爐噴濺的模糊控制器的設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制特點(diǎn)

模糊控制是一種基于啟發(fā)性知識及語言決策規(guī)則設(shè)計(jì)，模仿人的思維方式和人的控制經(jīng)驗(yàn)的智能先進(jìn)控制方法。它的出發(fā)點(diǎn)是現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)專家的知識，直接采用語言型控制規(guī)則，在設(shè)計(jì)中不需要建立被控對象的精確模型，從而基本上擺脫了對控制對象數(shù)學(xué)模型的嚴(yán)重依賴性。模糊控制規(guī)則易于軟件實(shí)現(xiàn)，無論被控對象是線性的還是非線性的，都能執(zhí)行有效的控制，具有良好的魯棒性和適應(yīng)性。冶金行業(yè)的工作制度具有時變、分布參數(shù)非線性和時滯的特點(diǎn)，所以可以利用模糊控制來抑制AOD爐噴濺的發(fā)生。

2.2 分層多規(guī)則庫的模糊控制策略

目前為止，經(jīng)典模糊控制系統(tǒng)所控制的對象通常是單輸入、單輸出系統(tǒng)，對多輸入、多輸出模糊控制系統(tǒng)的研究還并不完善。AOD爐抑制噴濺的模糊控制閉環(huán)框圖如圖2所示。

圖2 AOD爐抑制噴濺的模糊控制閉環(huán)框圖

該系統(tǒng)屬于單輸入、多輸出系統(tǒng)?？梢愿鶕?jù)多變量分層模糊控制的思想，簡化其模糊關(guān)系。由上述AOD爐噴濺控制系統(tǒng)模型可以確定輸入量為下層鐵水和上層渣的溫差。此時可將溫差做為高層，不同溫差段所對應(yīng)的控制規(guī)則集作為低層。然后將不同溫差段再根據(jù)模糊控制思想細(xì)化，對應(yīng)不同的輸出控制量。分層多規(guī)則集結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 分層多規(guī)則集結(jié)構(gòu)圖

把正常冶煉時C r2O3含量對應(yīng)的溫差稱為標(biāo)準(zhǔn)溫差，用T表示，由于物料成分及計(jì)算誤差，該標(biāo)準(zhǔn)溫差不是一個常數(shù)，而是一個區(qū)間，稱為等標(biāo)準(zhǔn)溫差帶，記為(T-Δ，T+Δ)，把Cr2O3含量過高導(dǎo)致即將發(fā)生泡沫性噴濺時刻對應(yīng)的溫差記為T max，把Cr2O3含量過低導(dǎo)致即將發(fā)生金屬噴濺所對應(yīng)的溫差記為T min，將溫差變化區(qū)間分為5段，即(0，Tmin]，(Tmin，T-Δ]，(T-Δ，T+Δ)，[T+Δ，T max)和[T max，∞)[6]。首先判別溫差落入哪個區(qū)間，5個溫差區(qū)間對應(yīng)5個不同控制規(guī)則集Q1～Q5。即:

由整體工藝分析可知，被控制量為氧槍、氧氣流量、氮?dú)饬髁俊⑽锪贤斗?。則低層的5個控制規(guī)則集就是4個被控量的不同狀態(tài)。根據(jù)冶煉過程的各種動態(tài)方程及專家的經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)溫差小于，應(yīng)降低供氧量，減弱碳氧反應(yīng)速度，來抑制噴濺發(fā)生;當(dāng)溫差落入(，T-Δ]區(qū)間時，應(yīng)適當(dāng)提高氧槍，增加Cr2O3含量;當(dāng)溫差落入(T-Δ，T+Δ)時，轉(zhuǎn)正常工藝;當(dāng)溫差落入[T+ Δ，T max)范圍時，要快速降低供氮強(qiáng)度，減弱碳氧反應(yīng)速度，避免噴濺;當(dāng)溫差落入[Tmax，∞)時，通過加料系統(tǒng)快速添加泡沫抑制劑來壓噴。

2.3 模糊控制器的設(shè)計(jì)

步驟1:變量的模糊化。本系統(tǒng)將下層鋼水與渣液上層表面的溫差 T作為模糊控制器的輸入語言變量。氧槍高度U、氧氣流量O2、氮?dú)饬髁縉2、泡沫抑制劑W分別為輸出語言變量。語言變量模糊論域都定義為:

溫差落入(0，T min]時，T1的模糊集合定義為

溫差落入(Tmin，T-Δ]時，T2的模糊集合定義為

溫差落入[T+Δ，Tmax)時，T3的模糊集合定義為

氧氣流量O2的模糊集合定義為

氧槍高度U的模糊集合定義為

氮?dú)饬髁縉2的模糊集合定義為

泡沫抑制劑投放W 1的模糊集合定義為

采用三角形函數(shù)作為控制系統(tǒng)語言變量的模糊集合隸屬函數(shù)，易于得到T，O2，U，N2，W的隸屬函數(shù)。設(shè)它們分別為μ(T1 i)，μ(T2i)，μ(T3i)，μ(T4i)，μ(O2j)，μ(Um)，μ(N2n)，μ(Wk)。其中i，j，m，n，k分別取溫差T、氧槍高度U、氧氣流量O2、氮?dú)饬髁縉2、泡沫抑制劑W 1的模糊分割數(shù)，i=1～5，j=1～5，m=1～5，n=1～5，k=1～5。

步驟2:模糊推理。根據(jù)控制系統(tǒng)的輸入、輸出特性，制訂模糊控制規(guī)則表。當(dāng)溫差小于T m in時，溫差與氧氣流量的控制規(guī)則見表1。

表1 T與O2的控制規(guī)則Q1

當(dāng)溫差落入(T min，T-Δ]區(qū)間時，溫差與氧槍高度的控制規(guī)則見表2。

表2 T與U的控制規(guī)則Q 2

當(dāng)溫差落入(T-Δ，T+Δ)區(qū)間時，轉(zhuǎn)正常工藝Q3。

當(dāng)溫差落入[T+Δ，T max)區(qū)間時，溫差與氮?dú)饬髁康目刂埔?guī)則見表3。

表3 T與N 2的控制規(guī)則Q4

當(dāng)溫差大于T max時，溫差與泡沫抑制劑的控制規(guī)則見表4。

表4 T與W的控制規(guī)則Q5

上述模糊控制規(guī)則是5個多重模糊條件語句，它們可以用溫差論域T分別到控制量論域O2，U，N2，W的模糊關(guān)系R1，R2，R3，R4來表示。當(dāng)論域有限時，可以用矩陣來表示這種模糊關(guān)系，可以寫成如下模糊關(guān)系:

模糊控制器的輸出控制量是由溫差模糊矢量T與模糊關(guān)系R 1～R5分別按推理合成推理規(guī)則來求得的。各輸出量為有限個點(diǎn)的離散模糊集。則有:

式中:?——sup-min合成推理，整個過程也被稱為模糊決策。

步驟3:解模糊化。即從輸出的模糊子集中判決出一個精確的控制量的過程。輸出信息的判決可以采用加權(quán)平均法解模糊判決策略。該方法較合理，在模糊控制系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛[7]。

求得控制量氧氣流量O2的清晰值為:

式中:μ(O2j)——輸出模糊量O2的隸屬函數(shù)。

將式(8)計(jì)算所得結(jié)果依次代入式(12)中，可求得輸出量O2流量的實(shí)時查詢的控制表。

求得氧槍高度U的清晰值為:

式中:μ(Um)——輸出模糊量U的隸屬函數(shù)。

將式(9)計(jì)算所得結(jié)果依次代入式(13)中，可求得輸出量制動位移的實(shí)時查詢的控制表。

求得控制量氮?dú)饬髁縉2的清晰值為:

式中:μ(N 2n)——輸出模糊量N2的隸屬函數(shù)。

將式(10)計(jì)算所得結(jié)果依次代入式(16)中，可求得輸出量N2流量的實(shí)時查詢的控制表。

求得控制量泡沫抑制劑W的清晰值為:

式中:μ(Wk)——輸出模糊量W的隸屬函數(shù)。

將式(11)計(jì)算所得結(jié)果依次代入式(15)中，可求得輸出量W投放量的實(shí)時查詢的控制表。

3 系統(tǒng)的仿真

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中檢驗(yàn)?zāi)芊襁_(dá)到預(yù)期效果很重要。由于檢驗(yàn)實(shí)際系統(tǒng)需要花費(fèi)大量的資金和時間，所以經(jīng)常利用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)模擬實(shí)際運(yùn)行情況，從而檢驗(yàn)其可靠性及有效性。MATLAB的模糊邏輯工具箱提供了與Simulink的無縫連接功能。Simulink中有相應(yīng)的模糊邏輯控制器方框圖，在模糊邏輯工具箱中建立模糊推理系統(tǒng)后，可以在Simulink仿真環(huán)境中對其進(jìn)行仿真分析[8]。結(jié)合模糊控制器給出本系統(tǒng)的總體仿真模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真框圖

我們假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)溫差帶范圍為10～14℃，假設(shè)正常冶煉過程中氧氣流量為600 cm3/s，槍位高度為1m，氮?dú)饬髁繛?00 cm3/s，仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5 時間與溫度曲線

圖6 時間與氧氣流量曲線

圖7 時間與氧槍高度曲線

圖8 時間與氮?dú)饬髁壳€

由圖5～圖8可以看出，當(dāng)溫差落入非標(biāo)準(zhǔn)溫差帶時，通過在不同溫差帶分別調(diào)節(jié)氧氣流量、氧槍高度、氮?dú)饬髁?，系統(tǒng)穩(wěn)定時間在105 s之內(nèi)，溫差穩(wěn)定在12℃，溫度控制精度為7%是極為穩(wěn)定的系統(tǒng)，從而抑制噴濺的發(fā)生。所以在以后的生產(chǎn)過程中，結(jié)合實(shí)際情況，根據(jù)不同材料、不同爐型號設(shè)置不同的標(biāo)準(zhǔn)溫差帶，把噴濺的發(fā)生率控制在最低。

4 結(jié) 語

模糊控制應(yīng)用于AOD爐噴濺的控制，突破了傳統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的局限性，實(shí)現(xiàn)了噴濺的動態(tài)控制，可降低噴濺事故的發(fā)生率。將AOD爐冶煉鉻鐵合金時對噴濺的控制轉(zhuǎn)化為對Cr2 O3含量的控制，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為對爐內(nèi)下層鐵水與渣液上層表面溫差的控制。利用分層多規(guī)則庫模糊控制策略將多變量模糊控制簡化，減弱變量間的耦合，從而自由地自動控制槍位高低、氧氣流量、氮?dú)饬髁?、泡沫抑制劑入量，使其在冶煉正常工藝范圍?nèi)，以避免AOD爐噴濺的發(fā)生。

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