电弧炉建模研究及其应用

论文摘要

由于在技术和经济上的优越性,电弧炉炼钢技术在国内外钢铁行业得到了日益广泛的应用。随着直流电弧炉炼钢技术的方兴未艾和交流电弧炉炼钢技术的稳步发展,进一步提高电弧炉冶炼效率和改善由此所引发的电能质量问题是一项具有重要现实意义的课题。所有这些都要求对电弧炉内部的物理现象和电弧炉的阻抗特性有更为深入的了解,这也是改善和优化电弧炉冶炼过程、对电弧炉系统进行动态补偿和提高供电质量的基础。针对这些问题,本论文展开了相应的研究。基于大电弧电流行为在电弧炉冶炼过程中的重要性,本文首先对直流电弧炉内电弧射流部分的二维稳态磁流体力学模型进行了数值模拟。分析了电弧射流部分的电磁现象和传热过程,研究了过程参数和外部电参数对炉内电弧特性的影响和外部端口特性的影响。仿真计算结果进一步证实了前人关于电弧射流物理特性的研究结论,同时发现电弧炉负载伏安特性曲线的变化规律与电弧温度的变化情况密切相关,呈现出十分复杂的变化趋势。另外,阳极表面电流密度、热量分布和剪切力等量的计算结果是对直流电弧炉熔池部分进行数值模拟的基础。在对直流电弧炉的电弧射流部分进行数值模拟的基础上,考虑炉内电磁力、浮力和表面剪切力等作用力的影响,使用一个二维瞬变磁流体力学模型对电弧炉处于精炼期时熔池内的流场、温度场和电磁场分布进行了数值模拟。分析了熔池部分的电磁现象和流场特性,研究了熔池表面电弧射流的径向剪切力、浮力和电磁力单独作用和共同作用时及底电极直径大小对熔池部分搅拌特性的影响。仿真计算结果表明,电磁力在熔池部分的搅拌过程中起主导作用;底电极半径较大时对熔池的搅拌效果更有利。用该方法对熔池部分进行数值模拟更加符合实际情况,对实际操作过程具有直接的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 电弧炉的炼钢原理和工作特点
• 1.3 电弧炉物理－数学模型的研究概况
• 1.3.1 直流电弧炉电弧射流区域的数值模拟
• 1.3.2 直流电弧炉熔池部分的数值模拟
• 1.4 电弧炉黑盒模型的研究概况
• 1.5 本论文的主要工作
• 第二章 直流电弧炉内电弧射流的数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 基本假定
• 2.2.2 控制方程组
• 2.2.3 边值条件
• 2.2.4 阳极处的热量分布和剪切力
• 2.2.5 求解方法
• 2.3 模型验证
• 2.4 结果和讨论
• 2.4.1 网格敏感性分析
• 2.4.2 电弧物理特性分析
• 2.4.3 过程参数对电弧特性的影响分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 直流电弧炉内熔池部分的数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 控制方程组
• 3.2.3 边值条件
• 3.3 模型验证
• 3.4 结果和讨论
• 3.4.1 网格敏感性分析
• 3.4.2 熔池部分物理特性分析
• 3.4.3 阳极尺寸对熔池搅拌特性的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 直流电弧炉内电弧射流和熔池部分作为一个整体时的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 数学模型
• 4.3 边值条件
• 4.4 计算方法
• 4.5 典型的计算结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 直流电弧炉电气特性的建模研究
• 5.1 引言
• 5.2 电弧电压时间序列的相空间重构
• 5.2.1 相空间重构理论概述
• 5.2.2 相空间重构参数的确定方法
• 5.2.3 电弧电压时间序列混沌特性的识别
• 5.3 基于径向基函数神经网络的电弧电压时间序列的建模和预测
• 5.4 结果与分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 交流电弧炉电气特性的建模与仿真
• 6.1 引言
• 6.2 交流电弧炉的系统构成
• 6.3 交流电弧炉模型的推导
• 6.3.1 交流电弧的物理特性
• 6.3.2 建立交流电弧炉时变电弧电阻模型的若干假设
• 6.3.3 交流电弧炉时变电弧电阻模型的推导
• 6.3.4 交流电弧炉时变电弧模型参数的估算方法
• 6.4 交流电弧炉电气系统的仿真研究
• 6.5 结果分析
• 6.5.1 仿真结果分析
• 6.5.2 谐波分析结果
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结、创新点与研究展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 创新点
• 7.3 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表或录用的学术论文和参加的科研项目