连铸坯内部质量裂纹和缩孔协调优化方法的研究

摘要

连铸坯内部质量是影响最终产品质量的重要因素，影响产品的加工和使用性能。铸坯内部质量缺陷包括裂纹、偏析、缩孔和缩松等，其中裂纹和缩孔是最常见的质量缺陷。铸坯内部质量缺陷通常有互相伴生的特点，而常规的质量控制往往只针对解决某一特定种类的质量缺陷，综合质量难以统筹兼顾。针对以上问题，本课题以连铸生产中的裂纹和缩孔质量问题为研究对象，以协调裂纹和缩孔为目标，提出了基于质量模型的裂纹和缩孔协调优化的解决方法。主要研究内容如下：
　　首先，分析裂纹和缩孔形成的过程，建立裂纹和缩孔的质量模型。根据凝固前沿的临界应力原理，将凝固前沿的等效应力与临界应力的比值大于1作为铸坯裂纹质量缺陷产生的判据;根据铸坯凝固末端钢液的固相率大于临界流动固相率后将失去补缩能力而导致铸坯产生收缩量，将这部分的收缩量作为铸坯缩孔质量缺陷大小的判据。结合应力场和凝固传热模型，引入裂纹和缩孔的判据构成裂纹和缩孔的质量模型;
　　其次，在质量模型的基础上建立裂纹和缩孔协调优化模型。确定裂纹和缩孔协调优化的目标函数、约束条件和控制变量和优化方法。本文采用协同优化方法，针对协同优化方法系统级一致性约束导致计算困难的问题，提出基于动态惩罚因子的改进方法。使用粒子群算法作为协同优化各级的优化器，针对粒子群算法易陷入局部最优的问题，提出基于稳定二阶系统来自适应更新粒子群算法的惯性权重，增强了算法优化效率。
　　最后，针对某钢厂Q235钢实际生产中存在中间裂纹和中心缩孔的问题，利用校正后的质量模型和协同优化系统对其裂纹和缩孔质量进行协调优化。调整不同拉速和过热度分别进行优化，将获得的二冷水量利用线性回归构建了二冷水模型，并与现场冶金专家调整后的水量进行对比，模型优化后足辊段和一段水量与实际调整的水量基本相符，二段的水量比实际调整水量大，最大相差了实际水量的6.2％，得出模型优化出的水量基本符合实际。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的意义

1．2 铸坯内部裂纹和缩孔的形成及影响因素

1．2．1 连铸坯裂纹形成的原因和影响因素

1．2．2 连铸坯缩孔形成的原因和影响因素

1．3 多目标优化的发展

1．4 课题研究的内容

第2章 裂纹与缩孔质量模型的建立

2．1 缩孔质量模型的建立

2．1．1 连铸坯凝固传热特性

2．1．2 凝固传热微分方程的建立

2．1．3 模型的初始条件和边界条件

2．1．4 模型的物性参数

2．1．5 基于凝固传热缩孔半径的计算

2．2 裂纹质量模型的建立

2．2．1 应力场模型的假设条件

2．2．2 位移函数的选取

2．2．3 单元应变和应力

2．2．4 整体分析

2．2．5 单元等效应变和等效应力

2．2．6 铸坯高温力学性能及边界条件

2．2．7 基于应力场裂纹指数的计算

2．3 质量模型的验证

2．4 本章小结

第3章 裂纹和缩孔多目标优化策略

3．1 裂纹和缩孔协调优化目标函数的研究

3．1．1 目标函数的确定

3．1．2 权重的确定

3．2 约束条件的研究

3．2．1 冶金准则

3．2．2 约束条件的处理方法

3．3 控制变量的确定

3．3．1 控制变量的确定

3．3．2 控制变量对铸坯质量的影响

3．4 多目标协调优化策略

3．4．1 二冷模型的建立

3．4．2 系数的确定方法

3．5 本章小结

第4章 基于协同优化方法的裂纹与缩孔指标的协调优化

4．1 协同优化算法的描述

4．1．1 CO的数学描述

4．1．2 CO的基本流程

4．2 协同优化算法的不足及改进

4．2．1 基于动态惩罚因子的改进CO算法

4．2．2 铸坯裂纹和缩孔多目标协同优化的结构

4．3 粒子群算法作为优化器

4．3．1 粒子群算法原理

4．3．2 算法流程

4．4 粒子群算法改进

4．4．1 MPSO算法

4．4．2 粒子群混动初始化

4．5 本章小结

第5章 裂纹和缩孔协调优化的应用和验证

5．1 铸机设备参数与Q235的质量问题

5．1．1 连铸机设备参数

5．1．2 铸机的二冷配水参数

5．1．3 Q235存在的质量问题

5．2 模型的校正参数与Q235质量问题的分析

5．2．1 校正之后的模型参数

5．2．2 模型计算分析Q235质量问题

5．3 裂纹和缩孔协调优化的应用

5．3．1 Q235铸坯冶金准则的确定

5．3．2 调整后的二冷区各段水量

5．4 优化前后应力场、温度场和质量指标的对比

5．5 与现场调整结果的对比

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢