硅锰铁合金埋弧炉供电系统建模分析与工艺指标预测

摘要

硅锰铁合金埋弧炉将高压电能通过供电系统转换为熔池电弧热能和炉料电阻热能，以满足铁合金熔炼需要的热量。供电系统由电炉变压器、短网、三相电极、熔池电弧和炉料电阻等组成。由于电弧与炉料电阻呈现非线性和时变性，三相电极位置调整、电极消耗和负载耦合引起电弧和炉料电阻变化，使供电系统模型具有非线性、时变性、强耦合和不确定性的特点，导致供电系统精确建模非常困难。
　　 论文首先建立了硅锰铁合金埋弧炉供电系统主回路计算模型，分析了不同电极控制策略下电炉的不对称负载特性和三相熔池有功功率不平衡的原因，提出了基于电源中心点和熔池中心点的三相电极有功功率在线估计算法。然后，通过对铁合金埋弧炉熔炼工艺机理的分析，研究了基于最小二乘支持向量机的工艺指标预测方法，并以12500KVA硅锰铁合金埋弧炉为对象进行了实验验证。论文主要研究工作及创新性成果如下:
　　 (1)针对埋弧炉三相负载不对称、采用恒电流控制策略无法保证三相电极有功功率平衡的问题，提出了基于电极电流比的三相电极有功功率平衡控制策略。首先通过对硅锰铁合金埋弧炉供电系统主回路参数计算，建立了硅锰铁合金埋弧炉供电系统等效电路模型，采用牛顿法求解非线性方程组得到了埋弧炉等效电路参数，通过调节电极电流比实现了三相电极有功功率平衡控制。实验结果表明，该方法保证三相电极功率平衡精度达到±3％以内。
　　 (2)针对埋弧炉三相电极有功功率不可测、难以实现三相熔池有功功率平衡的问题，提出了基于电源中心点和熔池中心点的三相电极功率在线估计方法。通过人造电源中心点，实现了电炉变压器高压侧各相电压、电流和相有功功率的在线测量。通过人造熔池中心点，实现了变压器低压侧三相熔池电压的在线测量，并基于能量守恒原理建立了硅锰铁合金埋弧炉电极有功功率机理模型。考虑到建模过程中各种假设引起的估计误差较大，采用改进BP神经网络对机理模型的误差进行在线修正。仿真结果表明，基于改进BP神经网络修正的电极功率机理模型相对误差为±5.71％，具有较高的精度。
　　 (3)针对硅锰铁合金埋弧炉熔炼环境恶劣、合金成分难以实时检测的问题，提出了基于自适应递推最小二乘支持向量机的硅锰合金成分预测方法，建立了硅锰合金成分预测模型，采用增长记忆递推算法、限定记忆递推算法和缩减记忆递推算法对模型进行在线训练，以最小化LSSVM目标损失函数为准则自适应调整预测模型的输出，动态调整模型的结构和参数，提高了模型的训练速度和预测精度。仿真结果表明该预测方法是有效的。
　　 (4)针对硅锰铁合金埋弧炉熔炼过程中炉渣成分检测滞后大、难以根据冶炼工况优化操作参数的问题，提出了基于最小二乘支持向量机的炉渣成分预测方法。首先基于物料平衡原理建立了理想工况和特定化学反应条件下硅锰铁合金炉渣成分机理模型，反映了炉渣成分的变化规律。由于机理建模是对熔炼工况进行了一定简化和假设，模型预测精度不能完全满足工业现场对炉渣成分的检测要求。然后，基于数据驱动的思想建立了约简最小二乘支持向量机炉渣成分预测模型和核主元分析与最小二乘支持向量机相结合的炉渣碱度预测模型。约简最小二乘支持向量机合金成分预测模型通过施密特正交变换获得高维特征空间核矩阵的基，用自适应差分进化算法优化最小二乘支持向量机核函数参数，提高模型的鲁棒性和预测精度。核主元分析与最小二乘支持向量机相结合的炉渣碱度预测模型利用核主元分析对输入样本数据进行降噪处理和特征提取，提高模型的抗噪性能和训练速度。仿真结果表明，模型的预测精度可以满足生产现场对炉渣成分检测的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 铁合金埋弧炉供电系统建模分析研究现状

1．2．2 硅锰铁合金熔炼过程机理及模型

1．2．3 铁合金埋弧炉冶炼过程控制研究现状

1．3 论文的主要研究内容和结构安排

第二章 硅锰铁合金埋弧炉熔炼工艺分析

2．1 硅锰铁合金埋弧炉熔炼过程概述

2．1．1 埋弧炉生产系统组成

2．1．2 硅锰铁合金冶炼工艺流程

2．1．3 硅锰铁合金冶炼原理

2．2 硅锰铁合金熔炼过程工艺指标检测

2．2．1 硅锰铁合金成分检测

2．2．2 硅锰铁合金炉渣成分检测

2．3 硅锰铁合金埋弧炉供电系统控制

2．4 铁合金埋弧炉供电系统建模分析与指标预测研究思路

2．5 本章小结

第三章 硅锰铁合金埋弧炉供电系统建模分析

3．1 硅锰铁合金埋弧炉供电系统组成

3．2 埋弧炉供电系统等效电路

3．2．1 电炉变压器等效电路

3．2．2 短网等效电路

3．2．3 硅锰铁合金埋弧炉负载电阻

3．3 埋弧炉供电系统主回路计算模型

3．3．1 几个假设

3．3．2 埋弧炉供电系统主回路计算模型

3．4 硅锰铁合金埋弧炉供电系统建模分析

3．4．1 埋弧炉负载不对称运行分析

3．4．2 阻抗不对称、电流平衡时埋弧炉的电气特性

3．4．3 阻抗不对称、电流不平衡时埋弧炉的电气特性

3．5 本章小结

第四章 硅锰铁合金埋弧炉三相电极功率在线估计模型

4．1 硅锰铁合金埋弧炉人造中心点电路

4．1．1 埋弧炉人造熔池中心点电路

4．1．2 埋弧炉人造电源中心点电路

4．2 基于人造中心点的硅锰铁合金埋弧炉电极功率估计模型

4．2．1 埋弧炉电极电流估计

4．2．2 基于人造中心点的三相电极功率机理模型

4．2．3 实验结果与分析

4．3 基于改进BP神经网络的三相电极功率机理模型在线修正

4．4 仿真结果及分析

4．5 本章小结

第五章 硅锰铁合金埋弧炉熔炼过程合金成分预测

5．1 影响硅锰铁合金成分的主要因素分析

5．1．1 硅锰铁合金的牌号与等级

5．1．2 影响硅锰合金埋弧冶炼过程的主要因素分析

5．2 样本数据的预处理

5．2．1 不完整数据与异常数据的处理

5．2．2 数据标准化处理

5．2．3 数据相关性分析

5．3 基于自适应递推最小二乘支持向量机合金成份预测

5．3．1 最小支持向量机回归算法

5．3．2 递推最小二乘支持向量机回归算法

5．3．3 自适应递推最小二乘支持向量机回归算法

5．4 实验结果与分析

5．5 本章小结

第六章 硅锰铁合金埋弧炉熔炼过程炉渣成分预测

6．1 炉渣成分及其对炉况的影响

6．2 基于物料平衡的炉渣成分与碱度机理模型

6．3 基于约简最小二乘支持向量机的炉渣成分预测

6．3．1 基于施密特正交化的最小二乘支持向量机核矩阵约简

6．3．2 约简最小二乘支持向量机参数辨识

6．3．3 约简最小二乘支持向量机预测模型核参数优化

6．3．4 工业生产数据仿真与分析

6．4 基于KPCA与LSSVM的炉渣碱度预测

6．4．1 基于核主元分析的数据降噪与特征提取

6．4．2 基于LSSVM的硅锰铁合金炉渣碱度预测模型

6．4．3 工业生产数据仿真分析

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表及完成论文情况