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基于电弧声信号的电熔镁炉喷炉抑制及熔透特征识别研究

付友  
【摘要】:电熔氧化镁是一种性能优良的耐火材料,使用三相交流电熔镁炉冶炼菱镁矿石可以大规模地生产电熔氧化镁。电熔氧化镁的冶炼是一个高能耗、高排放的行业,实现其节能减排是氧化镁产业发展的重大需求。降低电熔镁炉冶炼的单吨能耗,对氧化镁冶炼工艺的优化具有重要的指导作用,对实现冶金行业的低碳生产也有重要的意义。传统的电熔镁炉冶炼测控系统仅以三相电流、电压作为输入参量和控制依据,无法有效地跟踪电弧的燃烧状态和氧化镁熔池的熔透程度。研究表明,电弧声信号作为一种重要的电弧燃烧过程中的信息伴生信号,可以采用非接触性的测量手段获取,并且能较好地反映电弧的燃烧状态和熔池的熔透程度。电弧声信号中包含大量与电弧炉冶炼状态相关的信息,特别是在喷炉之前,电弧信号的特征会发生明显的变化。鉴于此,本文根据电熔镁炉工作过程中所伴随着的声音信号的特征,采用时频分析和语音识别手段对电弧炉的喷炉抑制和熔池熔透特征识别进行了系统性地研究,旨在优化现有的电熔镁炉控制系统,实现氧化镁冶炼单吨能耗的降低和高纯度氧化镁晶体产量的提高,从而为电熔镁炉的冶炼工艺提升提供重要的理论指导和实验借鉴,对氧化镁产业实现节能减排、降低生产成本具有重大的实际意义。主要研究内容和结果如下:(1)根据电熔镁炉发声的原理,将电熔镁炉声信号的建模问题归结为以电弧为声源的声波传输问题,提出了一种基于功率的电弧声学数学模型。借助该模型推算了交流电弧炉声信号的特征频率,表明用声信号频率的分布可以监测电弧的燃烧状态,并利用该模型计算了炉体内部频率为100 Hz的电弧声信号分量强度的空间分布。鉴于声道模型在语音信号识别中所表现出的优越特性,进而提出了采用电弧炉的声道模型来跟踪氧化镁熔池熔透状态的方法。(2)采用虚拟仪器技术构建了采集电弧声信号的硬件系统及软件系统,并分析了图形化编程技术中数据类型和程序结构在数据采集应用上的特点,设计了电熔镁炉声信号的采集流程,并且确定了电弧声信号测量点的空间位置。在此基础上,针对电熔镁炉不同运行状态的识别问题,采集了不同冶炼状态的声信号,并比较其平均声强的特征和时频图的特征,同时结合三相电流有效值的波动趋势,归纳出起炉阶段、平稳运行阶段、喷炉状态和投料过程等几种不同冶炼状态的判据。研究结果表明,频率为100 Hz的声信号能够准确地反映电弧的燃烧状态,频率为200 Hz的声信号可作为判断电熔镁炉是否处于喷炉状态的有效判据。(3)针对氧化镁冶炼过程中电弧炉的喷炉问题,采集了喷炉现象发生前后的声信号和图像信号,根据喷炉状态下频率为200 Hz声信号的表现特征,发现了喷炉前期电弧声信号的变化规律,开发了基于声信号的喷炉抑制系统。将该喷炉抑制系统嵌入到电熔镁炉原有的控制系统之中,对国内某氧化镁冶炼车间的一台5000 kVA电熔镁炉进行了实验性生产,有效地抑制了喷炉现象的发生,降低了冶炼氧化镁的单吨能耗,平均单吨能耗比部署喷炉抑制系统前降低了 445.5 kW·h/t。(4)基于每个投料周期中电熔镁炉熔池熔透状态的变化特征,利用电弧的声道模型,采用基于线性预测编码的波形重构方法,提取了表征电弧炉熔池熔透状态的10维熔透状态特征向量。在此基础上,进一步采用主成分分析的方法将熔透状态特征向量的维数降至2维,将熔池的四种不同熔透状态映射到熔透状态图中,实现了熔透状态的实时识别,设计了熔透状态识别程序,借助该程序,通过调整熔透状态图中各个状态圆的位置和半径可提高熔透状态识别的精度。根据识别的结果优化了矿石投放工艺以及电流的注入工艺,将冶炼的平均单吨能耗降低了 82.0 kW·h/t,同时将高纯度晶体的产率提升了 2%。


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