双辊铸轧薄带钢液位控制、铸轧力模型及工艺优化的研究

摘要

近年来，双辊铸轧薄带钢技术作为钢铁工业发展方向的一项新技术，得到了世界钢铁界的广泛重视，但仍需要不断完善以尽快实现工业化生产。在我国虽然双辊铸轧薄带钢技术已经研究很多年，但与国外先进技术水平存在很大的差距。在双辊铸轧薄带钢过程中，液态钢水在很短时间内完成从凝固到成形的过程，工艺参数的可控范围非常窄，工艺参数的微小变化会导致铸带出现严重缺陷，甚至出现轧卡或漏钢事故。所以在双辊铸轧薄带钢过程中若不对相关的工艺参数进行检测和控制，很难保持工艺的稳定，更加不会铸出质量良好的薄带。因此高精度的检测与控制技术是双辊铸轧薄带钢技术能否真正走向产业化的关键。本文对双辊铸轧薄带钢过程中监测系统、熔池液位控制方法、铸轧力模型开发以及工艺参数优化方法进行了研究。研究结果对于双辊铸轧机的过程控制系统的建立具有重要的理论意义和实用价值。
　　 本文首先分析和研究了双辊铸轧薄带钢工艺参数的检测方法，然后利用西门子工控设备，并结合相关的检测仪表和设备，建立了双辊薄带铸轧机工艺参数监测系统。并对实验数据进行了系统分析，从而为研究双辊铸轧薄带钢的规律性提供可靠的数据。本文的创新点和主要研究内容如下：
　　 1．在分析了熔池钢水液位系统干扰因素和控制难点的基础上，建立了熔池液位被控对象模型。研究采用主副回路PID控制器、在副回路提出采用微分先行PID控制器控制塞棒液压伺服系统，减少了塞棒的频繁移动。主回路上给出一种适用于熔池液位控制的模糊自适应控制器的设计方法。仿真结果表明，采用上述控制策略时系统响应速度快、鲁棒性强。
　　 2．根据铸轧实验、通过热平衡计算和模拟相结合的反向方法分段建立了凝固过程中凝壳与铸辊之间热传导系数与铸轧速度、熔池位置之间的关系模型，并根据三维热流耦合有限元分析理论对双辊铸轧薄带钢凝固过程中流场和温度场进行了数值模拟。给出了浇注温度、铸轧速度、熔池液位高度等参数对熔池内流场和温度场的影响规律，为铸轧工艺参数的确定奠定一定的理论基础，并在此基础上提出了一种凝固终点位置控制策略。
　　 3．在对熔池内金属凝固和变形的机理分析的基础上，以凝固终点为分界点将铸轧区域分为两个求解区域。在液相区、糊状区引入流体力学中Navier-Stokes方程和流函数，分析其流变特性并推导出单位压力分布解析式，在固相区仍沿用热轧模型。在凝固终点位置计算模型中，采用基于贝叶斯方法的前向训练算法建立凝固终点位置计算模型，避免了网络过训练，提高网络的泛化能力。实验表明将上述模型应用于铸轧力计算，具有很高的计算精度。
　　 4．针对双辊铸轧薄带钢过程中凝固终点位置这一关键参数，在上述建立的凝固终点位置计算模型和化学成份、工艺约束已知的条件下，采用粒子群优化算法对双辊铸轧薄带钢过程中相应的工艺参数进行优化，通过调整相应参数到优化值以达到稳定凝固终点位置的目的，从而为提高双辊铸轧板形和板厚的控制精度，改善铸带表面质量提供条件，同时优化结果得到实验室铸轧实验的验证。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 双辊铸轧薄带钢的工艺简介

1.2 双辊铸轧薄带钢的发展概况

1.2.1 国外双辊铸轧薄带钢的发展状况

1.2.2 国内双辊铸轧薄带钢的发展状况

1.2.3双辊铸轧薄带钢工艺存在的问题

1.3 双辊铸轧监测系统现状

1.3.1 工艺参数检测仪表

1.3.2 自动检测和数据采集、监测技术的发展

1.4 双辊铸轧过程控制模型的发展现状

1.5 双辊铸轧控制策略的发展现状

1.5.1 熔池液位控制策略

1.5.2 铸带厚度控制策略

1.6 双辊铸轧过程的数值模拟

1.7 工艺优化设计

1.8 本研究的目的、意义和主要内容

1.8.1 本研究的目的、意义

1.8.2 本研究的主要内容

第2章 双辊铸轧机工艺参数监测系统

2.1 引言

2.2 双辊铸轧薄带钢系统的构成、技术参数及其参数信号特点

2.3 双辊铸轧薄带钢过程监测系统设计方案

2.3.1 监测量及测量方案

2.3.2 监测系统的结构

2.3.3 监测系统的硬件构成

2.3.4 监测系统的软件选择

2.3.5 系统抗干扰措施

2.4 双辊铸轧薄带钢监测系统功能

2.4.1 通讯模块

2.4.2 参数显示及状态显示模块

2.4.3 数据采集及分析模块

2.4.4 故障及报警显示

2.4.5 数据库管理模块

2.5 双辊铸轧不锈钢实验结果及分析

2.5.1 铸轧工艺参数的影响分析

2.6 本章小结

第3章 双辊铸轧薄带钢熔池液位控制系统的研究

3.1 引言

3.2 熔池液位控制系统机理建模

3.2.1 液压系统建模

3.2.2 塞棒流量模型

3.2.3 熔池液位模型

3.3 熔池液位控制器设计

3.3.1 塞棒位置控制器设计

3.3.2 熔池液位控制器设计

3.4 仿真实验

3.4.1 常规PID控制系统仿真

3.4.2 模糊自适应PID控制系统仿真

3.4.3 常规PID控制和模糊自适应PID控制动态效果比较

3.5 本章小结

第4章 双辊铸轧薄带钢过程的数值模拟

4.1 引言

4.2 双辊铸轧薄带钢过程流热耦合的基本假设与控制方程

4.2.1 基本假设

4.2.2 连续方程和动量方程

4.2.3 能量方程

4.2.4 湍流模型

4.3 模拟过程中相关物理模型的选用

4.3.1 固相率与温度的关系

4.3.2 凝固潜热（内热源项Qv）的处理

4.3.3 有效粘度模型的处理

4.3.4 近壁面处湍流问题的处理

4.4 计算区域与网格划分

4.5 边界条件的处理

4.6 模拟条件

4.7 工艺参数对熔池内流场和温度场的影响

4.7.1 浇注温度对熔池内流场和温度场的影响

4.7.2 铸轧速度对熔池内流场和温度场的影响

4.7.3 熔池液位高度对熔池内流场和温度场的影响

4.8 模拟结果实验验证

4.9 数值模拟确定凝固终点位置

4.9.1 凝固终点位置模型理论推导

4.9.2 凝固终点位置控制策略

4.10 本章小结

第5章 双辊铸轧薄带钢过程铸轧力计算模型的开发

5.1 引言

5.2 液相区和糊状区铸轧力建模

5.2.1 基本假设

5.2.2 速度场的建立

5.2.3 速度边界条件

5.2.4 单位压力分布解析式

5.2.5 固相率模型

5.2.6 粘度计算模型

5.2.7 温度场分布回归模型

5.2.8 铸轧力的计算

5.3 固相区轧制力建模

5.3.1 金属变形抗力

5.3.2 应力状态的影响系数

5.4 凝固终点位置建模

5.5 铸轧力模型验证

5.6 基于人工神经网络的凝固终点位置计算模型

5.6.1 人工神经网络的引入

5.6.2 人工神经网络训练算法的改进

5.6.3 人工神经网络模型的建立

5.7 铸轧力模型验证

5.8 本章小结

第6章 双辊铸轧薄带钢过程工艺优化方法的研究

6.1 引言

6.2 双辊铸轧薄带钢工艺优化思路

6.3 正向建模

6.4 凝固终点位置影响因素分析

6.5 优化算法选取

6.5.1 粒子群优化算法的起源

6.5.2 粒子群优化算法原理

6.5.3 粒子群优化算法的优点

6.5.4 粒子群优化算法的改进

6.6 工艺的反向优化设计

6.6.1 优化设计流程

6.6.2 算法优化效率的影响因素分析

6.6.3 优化结果及实验室验证

6.7 本章小结

第7章 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢

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