基于電弧聲信號的電熔鎂爐噴爐抑制及熔透特征識別研究.pdf

1、電熔氧化鎂是一種性能優(yōu)良的耐火材料，使用三相交流電熔鎂爐冶煉菱鎂礦石可以大規(guī)模地生產(chǎn)電熔氧化鎂。電熔氧化鎂的冶煉是一個高能耗、高排放的行業(yè)，實現(xiàn)其節(jié)能減排是氧化鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大需求。降低電熔鎂爐冶煉的單噸能耗，對氧化鎂冶煉工藝的優(yōu)化具有重要的指導(dǎo)作用，對實現(xiàn)冶金行業(yè)的低碳生產(chǎn)也有重要的意義。傳統(tǒng)的電熔鎂爐冶煉測控系統(tǒng)僅以三相電流、電壓作為輸入?yún)⒘亢涂刂埔罁?jù)，無法有效地跟蹤電弧的燃燒狀態(tài)和氧化鎂熔池的熔透程度。研究表明，電弧聲信號作為一種

2、重要的電弧燃燒過程中的信息伴生信號，可以采用非接觸性的測量手段獲取，并且能較好地反映電弧的燃燒狀態(tài)和熔池的熔透程度。電弧聲信號中包含大量與電弧爐冶煉狀態(tài)相關(guān)的信息，特別是在噴爐之前，電弧信號的特征會發(fā)生明顯的變化。鑒于此，本文根據(jù)電熔鎂爐工作過程中所伴隨著的聲音信號的特征，采用時頻分析和語音識別手段對電弧爐的噴爐抑制和熔池熔透特征識別進(jìn)行了系統(tǒng)性地研究，旨在優(yōu)化現(xiàn)有的電熔鎂爐控制系統(tǒng)，實現(xiàn)氧化鎂冶煉單噸能耗的降低和高純度氧化鎂晶體產(chǎn)量的

3、提高，從而為電熔鎂爐的冶煉工藝提升提供重要的理論指導(dǎo)和實驗借鑒，對氧化鎂產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)節(jié)能減排、降低生產(chǎn)成本具有重大的實際意義。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　(1)根據(jù)電熔鎂爐發(fā)聲的原理，將電熔鎂爐聲信號的建模問題歸結(jié)為以電弧為聲源的聲波傳輸問題，提出了一種基于功率的電弧聲學(xué)數(shù)學(xué)模型。借助該模型推算了交流電弧爐聲信號的特征頻率，表明用聲信號頻率的分布可以監(jiān)測電弧的燃燒狀態(tài)，并利用該模型計算了爐體內(nèi)部頻率為100Hz的電弧聲信號分量強度的

4、空間分布。鑒于聲道模型在語音信號識別中所表現(xiàn)出的優(yōu)越特性，進(jìn)而提出了采用電弧爐的聲道模型來跟蹤氧化鎂熔池熔透狀態(tài)的方法。
　　(2)采用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建了采集電弧聲信號的硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)，并分析了圖形化編程技術(shù)中數(shù)據(jù)類型和程序結(jié)構(gòu)在數(shù)據(jù)采集應(yīng)用上的特點，設(shè)計了電熔鎂爐聲信號的采集流程，并且確定了電弧聲信號測量點的空間位置。在此基礎(chǔ)上，針對電熔鎂爐不同運行狀態(tài)的識別問題，采集了不同冶煉狀態(tài)的聲信號，并比較其平均聲強的特征和時頻圖的

5、特征，同時結(jié)合三相電流有效值的波動趨勢，歸納出起爐階段、平穩(wěn)運行階段、噴爐狀態(tài)和投料過程等幾種不同冶煉狀態(tài)的判據(jù)。研究結(jié)果表明，頻率為100Hz的聲信號能夠準(zhǔn)確地反映電弧的燃燒狀態(tài)，頻率為200Hz的聲信號可作為判斷電熔鎂爐是否處于噴爐狀態(tài)的有效判據(jù)。
　　(3)針對氧化鎂冶煉過程中電弧爐的噴爐問題，采集了噴爐現(xiàn)象發(fā)生前后的聲信號和圖像信號，根據(jù)噴爐狀態(tài)下頻率為200Hz聲信號的表現(xiàn)特征，發(fā)現(xiàn)了噴爐前期電弧聲信號的變化規(guī)律，開發(fā)了

6、基于聲信號的噴爐抑制系統(tǒng)。將該噴爐抑制系統(tǒng)嵌入到電熔鎂爐原有的控制系統(tǒng)之中，對國內(nèi)某氧化鎂冶煉車間的一臺5000kVA電熔鎂爐進(jìn)行了實驗性生產(chǎn)，有效地抑制了噴爐現(xiàn)象的發(fā)生，降低了冶煉氧化鎂的單噸能耗，平均單噸能耗比部署噴爐抑制系統(tǒng)前降低了445.5kW·h/t。
　　(4)基于每個投料周期中電熔鎂爐熔池熔透狀態(tài)的變化特征，利用電弧的聲道模型，采用基于線性預(yù)測編碼的波形重構(gòu)方法，提取了表征電弧爐熔池熔透狀態(tài)的10維熔透狀態(tài)特征向量。