智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用研究

王彥姣

（承德鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北 承德 067000）

智能自動(dòng)化作為一種不需要人工參與的機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域。其中，以工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，已經(jīng)完成了從最初的機(jī)械自動(dòng)化向著智能自動(dòng)化發(fā)展過(guò)程[1]。

智能自動(dòng)化技術(shù)特點(diǎn)，很好符合了金屬冶煉技術(shù)需求。金屬冶煉工藝主要根據(jù)金屬特有沸點(diǎn)將所需金屬?gòu)暮辖鹬刑崛〕鰜?lái)，整個(gè)處理過(guò)程中對(duì)溫度的合理控制是冶煉的關(guān)鍵[2]。相對(duì)于人工溫度調(diào)節(jié)，智能自動(dòng)化技術(shù)能夠有效減少人為控制中的不穩(wěn)定因素，不僅降低了人工成本，同時(shí)增加了施工安全性。

使用智能自動(dòng)化技術(shù)取代人工操控是金屬冶煉最為科學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，為此提出智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用研究[3]。智能自動(dòng)化在金屬冶煉溫度控制中除必要的配備溫度傳感器設(shè)備等，能夠通過(guò)控制溫度設(shè)備調(diào)節(jié)至所需溫度，完成精準(zhǔn)冶煉溫度控制。

1 智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用

1.1 金屬冶煉爐溫控制

金屬冶煉過(guò)程中存在諸多影響因素，其中以爐溫影響最大，其溫度控制直接影響了金屬冶煉品質(zhì)[4]。在金屬冶煉過(guò)程中，需要對(duì)爐缸時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)觀測(cè)熱流強(qiáng)度與冷卻壁水情況，檢測(cè)爐缸及冷卻壁反應(yīng)。金屬冶煉過(guò)程中，熱流強(qiáng)度為：

其中，v為冷卻水流速；T為水溫差；c為水比熱；S為冷卻壁面積。

同時(shí)設(shè)1m3的冶煉爐每天燃燒焦炭量為冶煉爐冶煉強(qiáng)度，記為1。根據(jù)公式（1），得到：

其中，JT為每天燃燒焦炭量；D為天數(shù)；V為高爐容積。

冷卻措施控制與冶煉過(guò)程強(qiáng)度相關(guān)，需要在達(dá)到合理冷卻溫度的同時(shí)保證最佳冶煉強(qiáng)度，因此得到多目標(biāo)函數(shù)：

其中，x為包括風(fēng)量、配料、冷卻水流等在內(nèi)的參數(shù)集。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，完成冶煉溫度有效控制。

1.2 金屬冶煉影響權(quán)重控制

影響金屬冶煉因素除爐溫外，同樣需要對(duì)相關(guān)影響權(quán)重控制，在對(duì)料速指數(shù)、風(fēng)溫、透氣性指數(shù)等以小時(shí)為單位進(jìn)行平滑尺度處理后，得到：

其中，F(xiàn)I為相關(guān)控制指數(shù)；N為單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)溫記錄總量。

利用卷積函數(shù)對(duì)公式（4）進(jìn)行處理后，得到加權(quán)平均處理時(shí)效數(shù)據(jù)：

其中，X為爐級(jí)數(shù)據(jù)值；xi為冶煉過(guò)程中第一個(gè)時(shí)間單位數(shù)據(jù)值；wi為數(shù)據(jù)對(duì)金屬含量影響權(quán)重，其取值如表1所示：

表1 wi取值表

根據(jù)計(jì)算結(jié)果與wi取值，完成金屬冶煉影響權(quán)重控制[5]。

1.3 冶煉金屬分解控制

目前金屬冶煉過(guò)程中，在保證金屬電解產(chǎn)量與質(zhì)量的前提下，同樣需要考慮企業(yè)金屬冶煉直流電費(fèi)最低。金屬分解供電以全天直流耗電為目標(biāo)函數(shù)，得到不同時(shí)段優(yōu)化電流密度，其目標(biāo)函數(shù)為：

其中，pi為不同時(shí)段實(shí)時(shí)電價(jià)；h為第i時(shí)段電耗；Vi為電解槽的槽電壓；Dk為電流密度；S為電流通過(guò)面積；n為電解槽的槽數(shù)；ti為不同時(shí)段電解時(shí)間。

根據(jù)實(shí)際冶煉生產(chǎn)情況，槽電壓與電流密度關(guān)系為：

其中，a0與a1為多項(xiàng)式系數(shù)在不同金屬比下取值。

為保證金屬冶煉智聯(lián)，設(shè)定日產(chǎn)量與產(chǎn)品質(zhì)量約束目標(biāo)函數(shù)為：

金屬反應(yīng)過(guò)程中，每一溫度下只產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)分解點(diǎn)，在初始溫度下分解的初始狀態(tài)，在一定程度上決定了分解速度，一般取值較大，以便能有一個(gè)較大的分解范圍。在常數(shù)范圍內(nèi)，分解速度與搜索范圍也有著一定影響，在分解處理跳出局部解的時(shí)間閾值比，以最大分解時(shí)間為基準(zhǔn)，避免陷入局部分解而達(dá)不到理想效果。后期分解突變決定后期分解溫度突變間隔時(shí)間，初始分解時(shí)間突變率與最大分解時(shí)間配合選取，保證了分解時(shí)間的增加遠(yuǎn)大于初始分解溫度增加。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為分析智能自動(dòng)化在金屬冶煉中應(yīng)用的實(shí)際性能，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)通過(guò)在同一模擬環(huán)境下，對(duì)比智能自動(dòng)化金屬冶煉方法與傳統(tǒng)金屬冶煉方法對(duì)同一金屬冶煉成分控制。實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)冶煉方法采用人工控制；智能自動(dòng)冶煉方法采用多臺(tái)不同功能下位機(jī)與一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制，每臺(tái)電爐有兩臺(tái)控制機(jī)互相輔助。采用WINDOWS NT 2000控制軟件、CLIENT/SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)以及WINCC組態(tài)軟件。兩組實(shí)驗(yàn)中，對(duì)同一金屬完成冶煉過(guò)程。兩組溫度、取樣、電源分合、添加脫氧劑、添加合金物料、處理結(jié)果等都采用同一標(biāo)準(zhǔn)。加料過(guò)程智能自動(dòng)化冶煉方法借助加料系統(tǒng)，而傳統(tǒng)冶煉方法采用人工填加。抽取兩組冶煉方法中隨機(jī)15組樣本，測(cè)試其中金屬成分與預(yù)測(cè)誤差。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

兩組金屬冶煉方法金屬成分預(yù)測(cè)結(jié)果，如表2所示：

表2 兩種冶煉方法金屬成分預(yù)測(cè)結(jié)果

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，智能自動(dòng)化金屬冶煉方法能夠較好對(duì)金屬成分結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，其預(yù)測(cè)誤差值及相對(duì)誤差值，相對(duì)于傳統(tǒng)冶煉方法來(lái)說(shuō)都較小，能夠完成更好的冶煉結(jié)果控制，提升冶煉質(zhì)量。

智能自動(dòng)化冶煉方法主要采用微調(diào)控制溫度，能夠根據(jù)料速指數(shù)與透氣狀態(tài)不斷做出調(diào)整，將爐溫控制在最佳范圍內(nèi)，有效提高冶煉精準(zhǔn)度。

3 結(jié)語(yǔ)

智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用主要以解決企業(yè)連續(xù)生產(chǎn)中問(wèn)題為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)效益。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)，確保生產(chǎn)過(guò)程最優(yōu)狀態(tài)。在切實(shí)提高企業(yè)冶煉經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。由于金屬冶煉中的復(fù)雜反應(yīng)，建立生產(chǎn)目標(biāo)與冶煉參數(shù)間關(guān)系，影響了冶煉過(guò)程優(yōu)化控制的實(shí)現(xiàn)。針對(duì)金屬冶煉的特點(diǎn)及控制要求，提出不需先預(yù)測(cè)的實(shí)施冶煉預(yù)測(cè)能力。這一方法具有預(yù)測(cè)精度高、收斂速度快，且適合于非線性嚴(yán)重，特別是輸入變量較多的金屬冶煉。智能自動(dòng)化在金屬冶煉中的應(yīng)用研究中，有效解決了金屬冶煉工藝在連續(xù)生產(chǎn)環(huán)境下對(duì)冶煉各項(xiàng)影響因素的精準(zhǔn)控制。改善了傳統(tǒng)冶煉技術(shù)消耗成本高且污染嚴(yán)重的問(wèn)題。