科 學(xué) 研 究 基 金 項(xiàng) 目 申 請(qǐng) 書(shū)

河河 北北 師師 范范 大大 學(xué)學(xué) 科科 學(xué)學(xué) 研研 究究 基基 金金 項(xiàng)項(xiàng) 目目 申申 請(qǐng)請(qǐng) 書(shū)書(shū) 自然科學(xué) 課題名稱(chēng) 精煉爐智能底吹氬工藝優(yōu)化與智能控制研究 類(lèi) 別 應(yīng)用 申 請(qǐng) 者 杜文霞 所在單位 職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系 申請(qǐng)日期 2007 年 12 月 10 日 河 北 師 范 大 學(xué) 科 技 處 制 項(xiàng)項(xiàng) 目目 類(lèi)類(lèi) 別別 博 士 基 金 重 點(diǎn) 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(zhuān)業(yè)電氣技術(shù)專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù)講師 大 學(xué) 1998 年 6 月畢業(yè)于河北師范大學(xué) 碩 士 2001 年 3 月畢業(yè)于燕山大學(xué) 申 請(qǐng) 者 學(xué) 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(shù)鑒定情況 及 獲獎(jiǎng)情況等 1 基于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(xué)依據(jù) 意義 目的 國(guó)內(nèi)外研究概況 水平 發(fā)展趨 勢(shì)和應(yīng)用前景 請(qǐng)列出部分參考文獻(xiàn) 隨著科技的發(fā)展 用戶(hù)對(duì)鋼材的質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求 轉(zhuǎn)爐是目前國(guó)內(nèi)外主要的 煉鋼設(shè)備之一 然而轉(zhuǎn)爐煉鋼過(guò)程中存在一個(gè)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(lái)熔化速度和氧化反應(yīng)速度慢 鋼液成分和溫度不均 勻 脫硫 脫磷速度低 工人勞動(dòng)強(qiáng)度大 能耗高 冶煉時(shí)間長(zhǎng)等一系列問(wèn)題 從技術(shù)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(dǎo)致鋼材的力學(xué)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(mǎn)足高質(zhì)量要求 必須采用爐外精煉技術(shù) 近年來(lái)爐外精煉技術(shù)的不斷發(fā)展 要求爐外精煉的效果要好 時(shí)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(shù)具有成本低 操作方便 攪拌效果好的 優(yōu)點(diǎn) 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(shí)間 降低能耗 提高 脫硫脫磷能力 促進(jìn)合金均勻化 冶煉不銹鋼時(shí)可促進(jìn)去碳保鉻 增加合金收得率 并且 可大大降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 早在 70 年代末 80 年代初日本等國(guó)就開(kāi)始研究底吹氬氣攪拌技術(shù) 到 80 年代中后期 由于技術(shù)上可行 特別是在冶金和經(jīng)濟(jì)上獲得了較大的效果 80 年代以后 由于引進(jìn)一批 二次精煉裝置以極其先進(jìn)的自動(dòng)化系統(tǒng)與 PCL DCS 硬件等 從而使我國(guó)二次精煉裝置自動(dòng) 化水平大大提高 國(guó)內(nèi)大對(duì)數(shù)廠(chǎng)家基本上采用人工直接操作的控制方法這種方法雖然實(shí)現(xiàn) 了底吹氬的基本目的 攪拌作用 但由于自動(dòng)化程度低 無(wú)法實(shí)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(guó)外相比有相當(dāng)大 的差距 底吹氬技術(shù)被國(guó)內(nèi)的大多數(shù)精煉爐所采用 但是由于該過(guò)程的不僅涉及到氣體與高溫 液體間的傳熱 傳質(zhì)及動(dòng)量的傳遞 而且還涉及到鋼液的湍流流動(dòng)與混合 合金添加劑的 熔化和鋼渣化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)與動(dòng)力學(xué)等 因此 從系統(tǒng)的觀(guān)點(diǎn)看 在精煉爐底吹氬過(guò)程 中 由于被控對(duì)象的非線(xiàn)性 數(shù)學(xué)模型的不確定性及系統(tǒng)工作點(diǎn)的劇烈變化等因素 要采 用常規(guī)的控制策略難以實(shí)現(xiàn)對(duì)氬氣流量進(jìn)行精確控制 有必要采用智能控制方法實(shí)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(shù)對(duì)精煉爐底吹氬工藝所進(jìn)行的改造和完善 可以實(shí) 現(xiàn)吹氬的自動(dòng)控制 該技術(shù)不僅可提高品種鋼的質(zhì)量 而且對(duì)國(guó)內(nèi)冶金企業(yè)的生產(chǎn)指導(dǎo)也 能起到促進(jìn)作用 本課題的成功 不僅對(duì)提高我國(guó)鋼材的品種和而且能提高煉鋼的機(jī)械化 和自動(dòng)化水平 而且還可以促進(jìn)國(guó)有冶金企業(yè)的技術(shù)改造 1 董鋒斌 蔣軍 鋼包精煉爐智能底吹氬控制系統(tǒng) 機(jī)床與液壓 2006 NO 3 2 李樹(shù)江 高憲文 柴天佑模糊串級(jí)控制及其在精煉爐吹氬系統(tǒng)中應(yīng)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(shí)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(shí)驗(yàn)研究鋼鐵研究學(xué)報(bào) 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(guān)點(diǎn)看精煉爐底吹氬過(guò)程由于受到被控對(duì)象的非線(xiàn)性 數(shù)學(xué)模型的不確定性 及系統(tǒng)工作點(diǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)氬氣流量進(jìn)行 精確控制 因此 本項(xiàng)目采用智能控制方法 實(shí)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)震動(dòng)較強(qiáng)的情況 采用具有抗震能力的流量計(jì)測(cè)量氬氣流量 保證了測(cè)量結(jié)果的精度 通過(guò)流量閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng) 在操作人員控制經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 運(yùn) 用模糊控制理論以及過(guò)程控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)氬氣流量的精確控制 采用模糊自適應(yīng)控制方 法保證了氬氣流量的穩(wěn)定性 本項(xiàng)目的完成 可以降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度 提高熔池?cái)嚢栊Ч?可以明顯縮短冶煉時(shí)間 降低能耗 提高脫硫脫磷能力 促進(jìn)合金均勻化 提高鋼種質(zhì)量 具有良好的經(jīng)濟(jì)效益 四 取得成果后的應(yīng)用推廣計(jì)劃 前景及年經(jīng)濟(jì)效益或社會(huì)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(jìn)合金均勻化 提高產(chǎn)品鋼質(zhì)量 五 實(shí)驗(yàn)研究的依據(jù)及擬采取的研究方法 工藝技術(shù)路線(xiàn)和創(chuàng)新點(diǎn) 實(shí)施方案 1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工作情況 建立三條基本流量曲線(xiàn)段 即軟吹曲線(xiàn)段 正常精煉曲線(xiàn)段 和大流量攪拌工藝曲線(xiàn)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(jìn)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(cè)及電氣執(zhí)行元件 4 采用流量 壓力閉環(huán)自動(dòng)控制和模糊自適應(yīng)控制等合理的控制模式 工藝技術(shù)路線(xiàn) 1 為實(shí)現(xiàn)整體工藝要求 根據(jù)壓力的實(shí)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(xiàn)段 從而選擇合適的閉環(huán)控制系統(tǒng)中壓力與流量的設(shè)定值 2 為保證氬氣流量的穩(wěn)定性 在控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了流量閉環(huán)自動(dòng)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(kāi)度后 流量會(huì)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(dòng)調(diào)節(jié)閥對(duì)流量進(jìn)行連續(xù)控制 3 精煉爐底吹氬過(guò)程中 由于被控對(duì)象的非線(xiàn)性 數(shù)學(xué)模型的不確定性及系統(tǒng)工作點(diǎn) 的劇烈變化等因素 要采用常規(guī)的控制策略難以實(shí)現(xiàn)對(duì)氬氣流量進(jìn)行精確控制 因此 采 用智能控制方法實(shí)現(xiàn)底吹氬的工藝優(yōu)化 技術(shù)關(guān)鍵 1 根據(jù)冶煉周期的變化來(lái)調(diào)整氬氣流量的工作點(diǎn) 使之達(dá)到最佳攪拌效果 氬氣流量最佳值的設(shè)定 氬氣流量過(guò)大 會(huì)吹穿液面 甚至激烈噴濺 夾雜增加 氬氣流 量過(guò)小 不能滿(mǎn)足化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)要求 物料均勻時(shí)間加長(zhǎng) 同時(shí) 由于溫度及鋼包底部 透氣性不同 氬氣流量的最佳工作點(diǎn)是變化的 2 底吹氬系統(tǒng)的建模不僅涉及到煉鋼過(guò)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(lèi)保險(xiǎn)等 以及電信號(hào)反饋效果與壽命 因 此采用合適的控制模式是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析的難點(diǎn) 3 由于現(xiàn)場(chǎng)的條件較為惡劣 傳統(tǒng)的控制方法難以取得滿(mǎn)意的控制效果 需要采用更為 高級(jí)的智能控制方法 一種新的模糊自適應(yīng)控制方法 創(chuàng)新點(diǎn) 1 確定生產(chǎn)過(guò)程中三條基本的吹氬流量曲線(xiàn)與吹氬流量最佳值 為實(shí)現(xiàn)吹氬流量的自動(dòng) 控制提供了前提條件 2 針對(duì)傳統(tǒng)控制方法不能取得滿(mǎn)意效果的問(wèn)題 提出具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的模糊自適應(yīng)控制方 法 具有分級(jí)結(jié)構(gòu)的模糊自適應(yīng)控制方法設(shè)計(jì)思想是將整個(gè)控制系統(tǒng)構(gòu)成三級(jí)控制結(jié)構(gòu) 基本模糊控制級(jí) 滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制要求 自適應(yīng)調(diào)整級(jí) 適應(yīng)被控系統(tǒng)參數(shù)時(shí)變情況 定時(shí)在線(xiàn)調(diào)整模糊控制器參數(shù) 過(guò)程狀態(tài)判別級(jí) 采用相應(yīng)的控制參數(shù)集克服由于工況變化帶來(lái)的影響 3 設(shè)計(jì)流量閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng) 保證氬氣流量的穩(wěn)定 六 準(zhǔn)備工作情況 研究工作基礎(chǔ) 條件等 及研究進(jìn)度安排 第一階段 調(diào)研論證 擬制方案 2008 1 2008 12 通過(guò)搜集資料與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的方式 提出系統(tǒng)控制方案和整體工作計(jì)劃 同時(shí)籌建實(shí)驗(yàn)室底 吹氬實(shí)驗(yàn)裝置 第二階段 實(shí)驗(yàn)室仿真試驗(yàn)階段 2009 1 2009 12 系統(tǒng)控制方案確定后 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室仿真試驗(yàn)階段 軟 硬件系統(tǒng)同時(shí)展開(kāi) 第三階段 驗(yàn)收 鑒定 2010 1 2010 6 七 申請(qǐng)者和項(xiàng)目組主要成員及分工 姓 名 性 別 年 齡 專(zhuān) 業(yè) 技術(shù)職 稱(chēng) 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(shù) 電氣技術(shù) 電氣技術(shù) 電氣自動(dòng)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(xué) 河北師范大學(xué) 河北師范大學(xué) 河北師范大學(xué) 河北師范大學(xué) 河北師范大學(xué) 理論研究 應(yīng)用研究 理論研究 應(yīng)用研究 應(yīng)用研究 理論研究 八 申請(qǐng)項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)預(yù)算 年 度用 途金 額 2008調(diào)研經(jīng)費(fèi) 2000 2