邹刚
（江阴兴澄特种钢铁有限公司 江苏江阴 214400）
在现代社会发展的过程中，各种科学技术给人们的生活带来了巨大的改变，尤其是在工业生产当中，为了保证其自动化水平比较高，有效地降低成本，提高工作效率，人们对于各种控制理论进行深入研究，逐渐取代了传统的人工控制方法，能够通过更加精准的控制策略，保证被控系统得到更好的应用。而精炼炉则是十分重要的被控设备，在使用的过程中，对于电极控制系统进行设计，能够保证精炼炉的功能更加稳定，在正常使用的过程中，给炼钢工作带来新的途径，能够有效地降低成本。在分析的过程中，对于钢包精炼炉的电极调节方式进行分析，选择更加科学的方案，确定更加完善的数学模型及控制系统，保证精炼炉得到更好的应用。
1.1 LF精炼炉的主要功能
在长期发展的过程中，精炼炉炼钢主要是进行过程控制，但由于自动化水平比较低，大多数都是进行手动调节。而在后续发展的过程中，随着PLC 技术及DCS技术的大量应用，生产效率得到了有效的提升，同时也降低了成本。而在目前的发展过程中，由于计算机技术及相应的优化管理等技术都得到了有效的提升，也给精炼炉的使用带来了更多的帮助。钢包精炼炉的具体结构如图1所示，是现阶段比较常见的真空型钢包精炼炉，其中，1为真空罐，2为钢水的钢包，3为用于抽取罐内空气的抽真空管线，4 为吹氧枪，5 为用于加料的真空加料斗，6 为用于观察精炼情况的观察孔，20为钢包盖，22为吹氩口，24为浇铸口。
图1 钢包精炼炉具体结构
在目前的精炼炉当中，主要的生产工艺环节可以简化为修补精炼炉、装入废钢石灰、钢水融化和出钢4个阶段。而整个精炼炉的组成包括电气设备、机械设备及动力设备等，共同使用的过程中完成炼钢工作。在具体的系统中还可以包括控制系统、升降系统、供电系统、吹氩搅拌系统及喂丝系统等［1］。当然，在具体的生产工艺当中，还可能包括加料系统、取样系统、温度提升系统、除尘系统等，这在目前的精炼炉当中都是比较常见的。从其具体作用来看，电气设备主要是用来完成控制环节的，通过对于控制算法的应用，保证其自动化水平比较高。机械设备主要用来完成执行相关的工作，完成炼钢等环节；
动力设备主要是用来供能，其主要任务是提供气体能源。在现代社会发展的过程中，整个系统的流程比较完善，基本不需要进行人工处理便能够完成炼钢工作。由此可以看出，精炼炉的主要功能是完成炼钢工作，其具体的系统环境中存在一定的区别，主要完成不同的工作，以此来形成较完善的自动化流程［2］。
1.2 LF精炼炉的电极调节
在整个精炼炉控制系统中，对于电极进行调节是十分重要的，有效地保证电极调节效果，能够减少生产周期，同时也能够降低成本，提高工作效率。在现代社会的电极控制系统中，多数是采用控制理论进行分析，希望能够将先进的控制算法应用其中，保证其自动化水平比较高。在早期发展的过程中，由于自动化水平较低，往往都是根据实时参数变化进行手动控制的，在进行电极调节的过程中出现了一定的问题，尤其是电极的升降过程中很难达到更高的精度。所以，在后续发展的过程中，由于自动化水平比较高，可以通过控制策略进行研究，以反馈控制系统完成电极的调节。直到后续发展的过程中，神经网络等人工智能技术的有效应用也给电极的调节带来了一定的帮助，在整个精炼炉控制系统中发挥出了更多的作用。而且电极调节器在使用的过程中可以分为机械式、液压式、液压驱动混合式，都在不同场合当中发挥出一定的作用，给电极的调节带来帮助，更给整个精炼炉的控制系统研究及其使用带来了一定的帮助［3］。
2.1 钢包精炼炉的电极结构
首先，从精炼炉的整体结构角度进行分析，其是由各个子系统所组成的，其中包括加热系统、喂丝系统、取样系统、供电系统等，当然也包括一些搅拌系统，在使用的过程中组成了精炼炉的重要成分。而电极作为精炼炉的关键环节，对于加热及调节整个精炼炉都起到了十分重要的作用，对其电极结构进行分析，也能够很好地研究其电极结构的组成，为后续的电极调节奠定良好的基础。从其整体结构来看，电极部分包括金属片和电阻，在使用的过程中，通过结构设计的方法，能够给精炼炉的正常使用带来一定的帮助，同时，对其进行有效的调节，可以为精炼炉的炼钢工作带来帮助。
2.2 钢包精炼炉的调节方式
对于精炼炉调节方式进行分析时，从宏观角度来看，包括机械式和液压式两种模式。机械式的由于其自身体积比较大，同时比较笨重，在现代社会应用的过程中已经出现了许多不适应之处，逐渐被淘汰；
液压式的由于调节比较简单，精度比较高，在具体应用场合当中发挥出了各自的作用。具体来看，机械式的主要是依靠差值放大进行调节，在使用的过程中相对来说精度不够高，在调节的过程中也需要大量的人力；
而液压式能够结合各种智能控制算法，在精炼炉的调节中还是比较常见的［4］。
至于具体的调节方式中，包括恒电流调节方式、恒功率调节方式及恒阻调节方式。从恒功率调节方式角度来看，主要指的是保持功率不变，确定其输入功率的值，能够确保其调节效果比较好。但在具体应用的过程中，不可否认的是，恒功率调节方式还是比较困难的，一方面是对于精度要求比较高，另一方面是调节过程中对于技术人员的经验要求也是比较高的。而恒电流的调节方式主要是保证电流不变，通过其来控制整个电极，但由于横电流的调节方式同样是精度比较高，在具体应用中也带来了严重的成本问题，也可能带来参数上的变化，可能影响正常使用。至于恒阻的调节方式，主要是通过同时调节电压和电流的方式，确保其电阻值不变，以此来进行调节。由于精度比较高且调节起来比较方便，所带来的直接效果也是比较好的，使得整个精炼炉的电极调节工作更加科学，因此，在使用的过程中得到了一定的青睐。
2.3 各调节方式的优缺点
通过对不同调节方式的优缺点进行研究，能够更好地分析其自身的作用，在后续应用的过程中取长补短，研究出更好的调节方式，以此来给精炼炉的电极控制系统带来更多的帮助［5］。总结来看，恒功率的调节方式主要是对输入功率进行控制，避免出现偏差，但相同功率的条件下却很难保证自身的状态是一致的，也很难保证其工作状态能够达到最佳的标准，因此，在恒功率调节方式中仍存在一定的困难，给工作人员带来了很多不便之处。而恒电流调节的方式虽然灵敏度比较高，但同时也存在一些缺点，主要是电流容易发生改变，导致参数上的变化，属于电流调节的固有问题。而恒阻抗的调节方式则是通过同时控制电压和电流的方式来维持其值保持在固定的数值。通常来讲，恒阻抗的调节方式比较先进，精度也比较高，同时控制电压和电流能够减少损耗，对于降低成本、保证工作效率是有很多帮助的。因此，在未来发展的过程中，还需主要研究恒阻抗的调节方式，尽可能发挥其长处，以此来保证其电极升降效果更好，为精炼炉的控制系统设计带来更好的帮助。
3.1 电极数学模型的分析
在电极自动调节系统模型分析过程中，首先应当建立其电极数学模型，通过对数学模型分析的方法，能够为后续的控制策略研究及控制系统的设计奠定良好的基础。在整个电气数学模型分析的过程中，分为以下两个部分：第一是电极电气的数学模型建立，由简单模型入手，深入分析其三相电极的具体电气特性，以此来设计整体的结构；
第二是对于三相电极数学模型进行分析，在三相电极模型中可以看作是一个多变量的控制系统，而且具有强耦合的问题，同时也伴随着大滞后问题，属于较为典型的非线性复杂系统。在分析的过程中，需要同时推导电压电流等变量，并根据阻抗的关系来进行相互分析，以此来设计出更加科学的数学模型，进行控制系统的研究工作。
3.2 液压传动系统
在液压传动系统模型进行分析的过程中，首先对其功能及具体的作用进行研究。精炼炉的液压传动系统在使用的过程中，首先要保证其反应速度比较快，精度比较高。在具体应用的过程中，先是对于电机的启动和停止进行有效的控制，能够发挥出自身的作用［6］；
同时，需要对炉盖的升降进行合理地控制，保证自身的稳定性。当然，在电极的夹具进行使用的过程中，夹紧或者松开属于比较常用的两个动作，需要液压传动系统进行更加敏捷的控制。最后，在电极旋转的过程中，也需要保证其灵敏度比较高。由此可以看出，整个液压传动系统的稳定性、快速性及准确性决定了升温效果，也决定了整个精炼炉的使用。在对其指标进行分析的过程中，首先对其传递函数进行研究，得出三阶系统的阶跃响应，并根据此判断其为欠阻尼的过程，具有较强的滞后性。
3.3 温升模型
在上文分析的过程中，了解到现有的电极调节方式各有优缺点。为了进一步提高其模型的水平，还需基于能量守恒原理进行温升模型的分析，建立起对应的函数关系，能够提高其工作效率，以此来降低能源的损耗。另外，钢包精炼炉的电极加热系统如图2所示，具体展示了其加热结构，其中，1为钢包，2为电极，3为横臂，4为除尘轨道，5为除尘罩，6为水冷电缆，7为立柱，8为建筑体，9为升降缸。
图2 钢包精炼炉的电极加热系统
从控制原理角度进行分析，在整个炼钢的过程中，需要保证其电极电流的稳定性，同时，需要根据温升曲线进行合理的设计，采用反馈控制系统的方式，尽可能地减少偏差。基于温度的预测模型进行控制，首先要对电加热对于钢水温度的影响进行研究，获得有关的数据，以此来绘制电气特性曲线图，才能够为后续工作带来帮助。
上述公式为X和R的具体计算方法。如表1所示，根据上述分析可知，在整个三相电机数学模型等中，通过液压传动系统的数学模型，能够分析出控制系统的具体优缺点。在进行模型设计的过程中，一是要考虑到自身的精度，二是要考虑到能量守恒问题，对温升曲线进行深入研究，才能够进行更好的设计工作。
表1 X 和R 计算结果
综上所述，在现阶段的精炼炉电极控制系统中仍然存在一些问题，各种不同的调节方式有各自相应的优缺点。简单的调节方式往往能够降低其工程门槛，但相对应的控制精度及其控制效率都存在一定的问题；
而复杂的控制方式往往因为数学模型要求较高，同时对于设备的要求也比较高，在精炼炉的电极控制系统中难以正常应用。在未来发展的过程中，还需对精炼炉的主要功能及电极调节方式进行深入探索，结合多种先进的控制策略，并对其数学模型进行有效的完善，能够保证精炼炉的电极控制系统更加科学，为炼钢带来更好的帮助。