直流电弧炉电弧加热废钢熔化过程数学模型及其数值模拟

摘 要论文题目：直流电弧负载模拟及其控制方法研究学科：电力电子与电力传动作者姓名：导师姓名：答辩日期：摘 要　电弧炉负载数学模型是研究和设计电弧炉控制的前提和基础。

本文针对目前电弧炉负载数学模型存在的适用范围有限、特性不连续等缺点，在建立了分别适合大、小电流区域运行特性的数学模型的基础上，引入状态连续转换因子，将分别适合大、小电流区域运行特性的数学模型有机结合为一个整体，建立了适合全范围的数学模型，解决了目前数学模型存在的问题。

并且应用一些实际运行数据与曲线，验证了数学模型的正确性，对直流电弧炉的研究与设计具有一定的应用参考意义。

　在此基础上，应用ＭＡＴＬＡＢ软件对电弧炉的电极与电流调节控制系统进行了仿真。

通过对ＰＩＤ、模糊、单神经元等控制策略的分析比较，将单神经元增益与权值的自适应调节、抗积分饱和等控制策略相结合，改进了单神经元控制器算法，可以有效抑制扰动，减少断弧、短路等现象的发生，使系统的控制效果和鲁棒性都得到增强，对电弧炉控制系统的设计也具有一定的应用参考价值。

　关键词：直流电弧炉数学模型单神经元控制西安理工大学硕士学位论文　Ｔｉｔｌｅ：　Ｔｈｅ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＤＣ－ＥＡＦ　ｌｏａｄ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　Ｉｔｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　Ａｕｔｈｏｒ：　Ｔｕｔｏｒ：　ＡＢＳＴＲＡＣＴ　Ｔｈｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ＤＣ　ＡＲＣ　ｌｏａｄ　ｉｓ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍｉｓｅ　ａｎｄ　ｂａｓｅ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ．　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｆａｕｌｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｍｉｔｅｄ　ｖａｌｉｄ　ｓｃｏｐｅ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ，　ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ　ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ　ｇｅｎｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　ｌｏｗ　ａｎｄ　ｍａｇｎｉｔｕｄｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｓｃｏｐｅ，　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｍ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ　ｔｈｅｎ　ｈａｖｉｎｇ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｗｈｏｌｅ　ｓｃｏｐｅ　ａｎｄ　ｈａｖｉｎｇ　ｓｏｌｖｅｄ　ｐｒｅｓｅｎｔ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ　ｅｘｉｓｔｅｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ．　Ａｐｐｌｙ　ｓｏｍｅ　ａｃｔｕａｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｄａｔａ　ａｎｄ　ｃｕｒｖｅ，　ｈａｖｅ　ｖｅｒｉｆｉｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ　ｏｆ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ，　ｈａｖｅ　ｃｅｒｔａｉｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｍｅａｎｉｎｇ　ｆｏｒ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＣ　ＡＲＣ　Ｆｕｒｎａｃｅ． Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｂｏｖｅ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ，　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ　ｏｆ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ＭＡＴＬＡＢ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ＤＣ　ＡＲＣ　Ｆｕｒｎａｃｅ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ．　Ａｎａｌｙｚｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅ　ＰＩＤ　ａｎｄ　ｖａｇｕｅ，　ｓｉｎｇｌｅ　Ｎｅｕｒｏｎ　ｅｔｃ．　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ，　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｅ　ｗｉｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ　Ｎｅｕｒｏｎ　ｓｅｌｆ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｇａｉｎ，　ｓｅｌｆ　ａｄａｐｔｉｖｅ　ｒｉｇｈｔ　ｖａｌｕｅ　ａｎｄ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｅｔｃ．　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ．　Ｈａｖｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｉｎｇｌｅ　Ｎｅｕｒｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，　ｍａｙ　ｒｅｓｔｒａｉｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ　ｔｏ　ｄｉｓｔｕｒｂ，　ｒｅｄｕｃｅ　ｂｒｏｋｅｎ　ａｒｃ　ａｎｄ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｅｔｃ．　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ，　ｍａｋｅ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ　ｇｅｔ　ｔｏ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ，　ａｌｓｏ　ｈａｖｅ　ｃｅｒｔａｉｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｖａｌｕｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＤＣ　ＡＲＣ　Ｆｕｒｎａｃｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄ： Ｄｃ　ａｒｃ　ｆｕｒｎａｃｅ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ　ｍｏｄｅｌ Ｓｉｎｇｌｅ　Ｎｅｕｒｏｎ　ｃｏｎｔｒｌ第１章 绪论第１章绪论１．１　引言　电弧炉炼钢具有一系列优点：（１）能灵活掌握温度。

低压直流电弧焊接过程中温度场与应力场的数值模拟在工业生产中，低压直流电弧焊接已成为常用的一种焊接方式。

在焊接过程中，温度场和应力场是非常重要的参数。

通过数值模拟可以对这些参数进行预测和优化，在提高焊接质量和效率方面有着重要的作用。

首先，我们来了解一下低压直流电弧焊接的基本原理。

低压直流电弧焊接是在电流作用下将物体熔化并焊接在一起的一种方式。

电弧产生时，焊接区域温度迅速升高，形成一个高温区。

高温区内的金属熔化并与周围的金属融合，从而实现焊接目的。

在这个过程中，温度场和应力场是密切关联的。

温度场的变化会导致物体中的应力分布发生改变。

应力场的分布又会影响温度场的分布。

因此，在进行低压直流电弧焊接时，需要综合考虑温度场和应力场的影响。

数值模拟是对焊接过程中温度场和应力场进行预测和优化的常用方法。

数值模拟可以通过计算物体内部的温度和应力分布，提前判断焊接过程中可能出现的问题，并优化焊接参数，以达到最优的焊接效果。

一般来说，数值模拟有两种方法：有限元法和边界积分法。

有限元法通过将较复杂的物体划分为许多小的单元，对每个单元内部的温度和应力进行计算，再将单元之间的影响整合起来，得到整体的温度场和应力场分布。

边界积分法则先对物体表面和焊接区域的边界进行计算，再通过整合边界处的影响，计算出整体的温度场和应力场分布。

数值模拟的结果可以用来优化焊接参数，例如选择合适的焊接电流、焊接速度和焊接角度等，以减小应力集中和裂纹产生的风险。

对于焊接过程中可能出现的变形问题，也可以通过数值模拟来预测和优化。

这些预测和优化操作可以帮助人们在焊接过程中取得更好的效果。

综上所述，低压直流电弧焊接中温度场和应力场是焊接质量和效率的重要参数。

通过数值模拟，可以提前预测和优化这些参数，从而提高焊接质量和效率。

各种数值模拟方法都有其优点和适用范围。

在具体的生产中，需要综合考虑工艺条件和需求，选取合适的数值模拟方法和参数，以达到最佳效果。

磁控高效MIG焊电弧-熔滴-熔池耦合行为数值模拟研究磁控高效MIG焊电弧-熔滴-熔池耦合行为数值模拟研究随着工业领域的发展，对焊接技术的要求也越来越高。

在焊接过程中，电弧-熔滴-熔池三者之间的耦合行为对焊接质量和效率有着重要影响。

因此，研究电弧-熔滴-熔池之间的耦合行为对于优化焊接工艺具有重要意义。

为了深入了解磁控高效MIG焊中电弧-熔滴-熔池之间的相互作用，我们进行了数值模拟研究。

本研究基于计算流体力学（CFD）方法，采用了OpenFOAM软件进行数值模拟，并结合了磁流体力学（MHD）模型和多相流模型，对电弧-熔滴-熔池的行为进行了细致分析。

首先，我们从电弧的形成开始。

电弧是焊接过程中产生的高温等离子体，它是通过两个电极之间的电流放电产生的。

在磁控高效MIG焊中，强磁场的作用会对电弧产生显著影响。

我们通过模拟研究了磁场对电弧的形态和稳定性的影响。

结果表明，磁场的存在可以改善电弧的稳定性，并能够控制电弧的沿焊丝流动的方向。

接下来我们研究了熔滴脱落的过程。

熔滴是由焊丝在电弧作用下熔化而形成的液态金属滴，它的脱落对焊接质量有着重要影响。

通过数值模拟，我们探究了熔滴脱落的机理和影响因素。

研究结果表明，在磁场的作用下，熔滴的脱落更加稳定，并且可以控制脱落角度和速度，从而提高焊接效率和质量。

最后，我们对熔池的行为进行了分析。

熔池是焊接过程中形成的液态金属池，它对焊接接头的形成和稳定性有着重要的影响。

我们通过模拟研究了熔池的形状、尺寸和温度分布，并探讨了磁场对熔池行为的影响。

结果表明，在磁场的作用下，熔池形状更加稳定，温度分布更加均匀，从而提高焊接质量。

总之，本研究通过数值模拟研究了磁控高效MIG焊中电弧-熔滴-熔池之间的耦合行为。

结果表明，磁场的存在可以改善电弧的稳定性、控制熔滴脱落和熔池形状，从而提高焊接质量和效率。

本研究对于优化磁控高效MIG焊的工艺参数具有重要的借鉴意义，为进一步提升焊接技术水平提供了理论依据综上所述，本研究通过模拟研究了磁场对电弧、熔滴和熔池行为的影响，并发现磁场的存在可以显著改善焊接过程中的稳定性和控制性。

H型钢坯加热炉加热过程数学模型建模方法引言在钢铁生产过程中，钢坯的加热过程是非常重要的一步。

H型钢坯作为一种重要的结构钢材，在加热过程中的温度控制对最终产品的质量和性能有着重要影响。

为了实现更有效的温度控制，数学模型的建立在工程实践中发挥着关键作用。

本文将介绍H型钢坯加热炉加热过程数学模型的建模方法。

一、加热过程的基本原理H型钢坯在加热过程中的温度变化受多种因素的影响，包括初始温度、环境温度、加热炉工艺参数（如加热功率、加热时间等）、传热方式等。

其中，传热方式可以分为传导、对流和辐射传热。

1. 传导传热H型钢坯在加热过程中，与加热炉炉墙和其他钢坯之间通过接触面进行热传导。

传导传热的速度与接触面积、接触面温度差、导热系数等有关。

2. 对流传热在加热炉内，空气对钢坯进行对流传热。

对流传热的速度与气流速度、空气密度、炉内温度差等有关。

3. 辐射传热加热炉内的燃烧产生高温气体，通过辐射传热直接向钢坯表面传递能量。

二、数学模型的建立为了描述H型钢坯在加热炉中的温度变化，可以建立数学模型。

数学模型是通过建立各种物理参数之间的关系，以数学方式表达出加热过程中的各个变量之间的关系。

1. 能量守恒方程H型钢坯在加热过程中的能量变化满足能量守恒定律。

能量守恒方程可以表示为：\[ Q_{in} - Q_{out} = mc\frac{{dT}}{{dt}} \]其中，\( Q_{in} \)表示进入钢坯的热量，\( Q_{out} \)表示从钢坯中输出的热量，\( m \)表示钢坯的质量，\( c \)表示钢坯的比热容，\( \frac{{dT}}{{dt}} \)表示钢坯的温度变化率。

2. 传热方程传热方程描述了钢坯与周围环境之间的传热过程。

传热方程可以表示为：\[ Q_{conduction} + Q_{convection} + Q_{radiation} = 0 \]其中，\( Q_{conduction} \)、\( Q_{convection} \)和\( Q_{radiation} \)分别表示通过传导、对流和辐射传热进入钢坯的热量，它们之和应该为零。

科技成果——电炉过程控制模型成果简介电炉过程控制模型是指导电炉冶炼过程中工艺操作的控制依据，目的在于监视、预测并控制冶炼过程，以保证在最佳时间内完成炉次过程并获得目标钢水量、目标温度和目标成分。

同时为了实现随着生产过程不断逼近实际工艺，本模型能对已生产的数据进行统计优化从而不断修正模型参数，使模型系统具有一定的自学习和自辩识功能。

电炉过程控制模型包括冶金模型、热模型和统计模型。

冶金模型以物料平衡为基础，主要确定电炉冶炼过程与质量平衡相关的熔池状态和过程控制变量，内容涉及：辅材用量计算、钢水量计算、补吹氧量计算与合金加入量计算等。

热模型以热平衡为基础，主要确定当前原料条件和操作条件下，电炉炉内各种类型的物料（包括固态物料和液体物料）当前已经获得的热焓状态和熔池温度状态。

统计模型通过收集电炉生产的各类数据，主要实现如下功能：1、对各种常用的数据进行处理和分析；2、对参数或系数的统计估计，对生产操作和运行状态的评估；3、对工艺参数、过程数据的小时、天、月变化趋势进行跟踪；4、模型预报数据与实际检测值对比，自动评价、考核相关模型的计算准确率及使用效果。

成熟程度和所需建设条件项目成熟度高，已在宝钢150吨电弧炉上成功应用；项目可移植程度高，可以根据实际生产情况，针对电弧炉类型和冶炼钢种情况，进行修正。

技术指标模型人-机接口的画面响应时间：数据刷新时间≤1秒；画面响应时间≤2秒；运行率考核：连续30天系统运行率≥99.6%；模型精度：温度预报命中率>80%；成分预报命中率>80%。

市场分析本项目适用于各类型电弧炉工艺操作的自动化改造、升级。

社会经济效益分析电弧炉工艺模型是指导电弧炉冶炼过程中工艺操作的控制依据，对提高电弧炉生产效率、缩短冶炼时间，降低吨钢电耗和过程操作成本具有重大的意义。

与转炉炼钢过程的控制模型相比，电弧炉过程控制模型的实现难度较大。

本模型通过理论研究和现场实践，获得了良好的精度，能给应用企业带来了显著的经济效益。

热处理过程中相变动力学的数值模拟研究热处理是一种常用的金属材料加工方法，通过控制材料的加热和冷却过程，可以改变其组织结构和性能，从而提高材料的力学性能和耐腐蚀性能。

在热处理过程中，相变动力学是一个关键的研究领域，它可以帮助我们深入了解材料的相变行为和相变机制，并且为优化热处理工艺提供指导。

近些年来，随着数值模拟技术的快速发展，越来越多的研究者开始应用数值模拟方法来研究热处理过程中的相变动力学现象。

数值模拟是利用计算机和数值计算方法对实际物理过程进行模拟和计算的一种方法。

在热处理过程中，数值模拟可以通过建立热传导方程、质量守恒方程和能量守恒方程等数学模型，来模拟材料的加热和冷却过程，并预测材料的相变行为。

首先，数值模拟可以帮助我们研究材料的加热过程。

在热处理过程中，材料通常需要在高温环境下进行加热，以改变其组织结构。

数值模拟可以通过求解热传导方程，来模拟材料的温度分布和温度变化过程。

通过数值模拟，我们可以了解材料的加热速度、温度分布和热传导性能等因素对相变行为的影响，从而优化加热工艺，提高相变效率。

其次，数值模拟还可以帮助我们研究材料的冷却过程。

在热处理过程中，材料通常需要在适当的冷却速率下进行冷却，以稳定和固定其新的组织结构。

数值模拟可以通过求解热传导方程和质量守恒方程，来模拟材料的冷却过程和相变行为。

通过数值模拟，我们可以了解不同冷却速率对相变产物和组织结构的影响，从而选择合适的冷却条件，使得材料的性能得到最优化。

此外，数值模拟还可以帮助我们研究材料的相变动力学行为。

相变动力学是研究材料相变速率与温度、时间和组织结构之间关系的学科。

数值模拟可以通过建立热传导方程、质量守恒方程和能量守恒方程等数学模型，来模拟材料的相变过程和相变动力学行为。

通过数值模拟，我们可以了解相变的起始温度、相变速率和相变路径等关键参数，从而指导热处理工艺的优化和相变行为的控制。

在进行热处理过程中的数值模拟研究时，我们需要考虑以下几个关键因素。

电弧炉氧化法炼钢基本工艺过程电弧炉氧化法炼钢基本工艺过程一、引言电弧炉氧化法炼钢是一种常见的钢铁冶炼工艺，通过高温电弧和氧化反应，将生铁或废钢中的杂质氧化除去，从而得到高质量的钢铁产品。

本文将深入探讨电弧炉氧化法炼钢的基本工艺过程，以便读者更全面地了解这一重要的工业技术。

二、电弧炉氧化法炼钢的基本工艺过程1. 原料准备在进行电弧炉氧化法炼钢之前，首先需要准备原料。

通常情况下，原料包括废钢、生铁、废钢与生铁的混合物等。

这些原料需要经过严格的筛选和清洗，以去除杂质，并保证原料的质量达到工艺要求。

2. 熔化过程将准备好的原料装入电弧炉中，通过电弧加热原料，使之达到熔化状态。

在此过程中，控制炉温、电极位置和电弧强度等参数非常关键，以确保原料充分熔化，同时避免过度燃烧和能量损失。

3. 氧化反应一旦原料达到熔化状态，需要向炉内注入氧气。

氧气与炉内的杂质和有害物质发生氧化反应，将它们转化为气态或固态氧化物，然后通过炉顶排放出去。

这个过程是电弧炉氧化法炼钢的核心步骤，能够有效去除硫、磷等有害元素，提高钢铁的质量。

4. 合金添加根据产品要求，可以向炉内添加合金元素，如锰、铬、镍等，以调整钢的成分和性能，并提高其品质。

5. 流化处理经过氧化反应和合金添加后，需要对炉内的钢液进行流化处理。

这一步骤可以通过机械振动或气体吹扫等方式实现，有助于去除气泡和夹杂物，提高钢液的纯度和均匀度。

6. 浇铸成型在钢液达到理想状态后，可以进行浇铸成型。

将钢液倒入模具中，凝固成型，得到成品钢铁产品，如钢板、钢管等。

三、总结与回顾电弧炉氧化法炼钢是一种高效、灵活的冶炼工艺，能够通过氧化反应和流化处理等步骤，有效去除杂质，提高钢的质量。

该工艺还可以利用废钢资源，实现循环利用，对环保具有重要意义。

然而，电弧炉氧化法炼钢也面临能耗高、设备投资大的挑战，需要不断优化工艺流程，降低生产成本。

四、个人观点与理解电弧炉氧化法炼钢是一种技术含量较高的工艺，对操作者的经验和技能要求较高。

直流等离子电弧炉工作原理
直流等离子电弧炉是一种利用高温等离子体加热和熔化金属的设备。

其工作原理如下：
1. 电弧放电：通过电极引出的电流在两极之间形成电弧，电弧产生的高温等离子体加热和熔化了金属。

2. 等离子体形成：电弧放电产生的高温等离子体在炉膛内形成，等离子体的温度可达到几千度甚至更高。

3. 等离子体传热：等离子体通过辐射、对流和传导等方式将热量传递给金属，使金属加热和熔化。

4. 金属熔化：金属在高温等离子体的作用下逐渐熔化，形成液态金属。

5. 熔池混合：炉膛内的液态金属在等离子体的作用下不断混合，使金属成分均匀。

6. 熔池升降：炉膛内的熔池通过升降机构控制其高度，以便进行不同的处理和操作。

7. 熔池冷却：炉膛内的熔池通过冷却系统进行冷却，使其凝固成所需的形状和尺寸。

总之，直流等离子电弧炉利用电弧放电产生高温等离子体，通过等离子体传热和熔池混合等过程使金属加热和熔化，从而实现金属加工和冶炼。