方坯连铸二冷动态凝固模型和水量优化控制的研究与应用

摘要

二冷控制技术是连铸生产的关键技术之一，是决定铸坯质量的重要环节。对于稳定的生产过程，采用静态控制方法即可满足铸坯质量的要求。然而在实际的连铸生产过程中，受设备、流程和节奏等因素的影响，方坯的过热度和拉速等工艺参数经常变化，使连铸生产过程不平稳，多处于动态。截至到2005年，我国方坯铸机数量约为284台(占各类铸机总数的41％左右)。因此，方坯二冷动态凝固模型及优化控制的研究对我国铸坯质量的提高有实际意义。 本文以方坯凝固过程为研究对象，以提高铸坯质量为目标，系统地研究了方坯动态凝固传热模型和拉速与二冷优化动态控制模型，并在南钢、三钢等现场进行了应用研究。主要研究内容与创新如下： (1)首次建立三维动态凝固传热模型并用于铸坯温度场动态特性的分析推导建立了有限单元格式的三维动态凝固传热模型，并进行了数值计算。将三维动态模型作为标准，对人们通常所用的简化的二维模型的准确性进行了验证。 采用建立的动态模型系统地分析了方坯温度场的动态特性。指出在决定动态特性的两个参数——拉速和二冷水量中，水量变化对铸坯表面温度影响的效果先于拉速的影响。拉速和水量呈阶跃变化时，铸机表面温度呈现“波峰”变化的特性；与最终的稳态二冷各段表面的回温相比，过渡过程的回温产生了变化，其增减与拉速变化呈相反的特性。为二冷动态控制模型的研究奠定了理论基础。 (2)建立了二冷配水优化模型传统的优化方法对于铸坯凝固过程具有相变、非线性、不可解析表达特点的二冷水优化问题求解一直是个难点，本文引入了粒子群优化算法求解该问题。 提出了一种基于混沌序列的粒子群改进算法。针对粒子群早熟特性，引入了混沌序列改善局部搜索能力；考虑到收敛速度，增加了选择机制。测试结果表明，改进算法在保持计算简洁特点的同时，对于单极值目标函数的二冷优化问题具有较好的收敛性能。 建立了基于冶金准则的二冷配水优化模型。从冶金工艺和铸坯质量的要求出发，以限制最大液芯长度、表面温度最大回升和冷却速率、保证矫直点的表面温度等冶金准则作为优化目标函数，对二冷各段水量用改进的粒子群算法求解。优化后的表面温度曲线显示，二冷各段的配水量分布能够满足上述提高铸坯质量要求的冶金准则。 (3)建立了基于中包过热度的拉速优化和二冷水控制模型结晶器液位控制分为塞棒控制和拉速控制两种方式，不同的方式影响拉速和二冷水控制。 针对结晶器液位由塞棒控制的模式，本文首次将中包钢水温度的连续测量值引入到拉速的控制模型，实现了拉速与过热度匹配的自动调节。在过热度10℃～60℃范围内，按照所建立的拉速优化模型确定的V-△T最佳关系进行阶梯控制，实现了对铸坯凝固过程的控制。某钢厂3个月应用结果表明：拉速由2.2m/min提高到2.4m/min，产量由投入前的6.6万吨/月提高到7.2万吨/月，铸坯的内部缺陷率下降30％。 针对结晶器液位由拉速控制的模式，将中包连续测温信号引入到二冷的控制模型，实现了二冷水的拉速和过热度的二元控制。考虑对该控制模式的实用性、可操作性及改进铸坯质量的综合要求，对二冷各段过热度补偿配水系数进行回归简化。应用结果表明，建立的该模型由于实现了对过热度变化的实时水量补偿，改善了铸坯内部质量。 (4)二冷优化和动态配水控制模型的应用研究对某钢厂的Q235和L1008钢种进行应用研究。在模型校正的基础上，从试验和模型计算分析指出，过热度、拉速和二冷水量是影响Q235和L1008钢种内部裂纹的主要因素。不合理的二冷配水会导致二冷二段回温过高，是引起Q235钢种在距离铸坯表面30～35mm出现中间裂纹的主要原因；过热度偏高和拉速频繁波动又促进了裂纹的扩展。对于L1008钢种出现的内部裂纹则是由于二冷各段的高回温产生较大的热应力以及中心部位撕裂；另外，由于高过热度及其与拉速的不匹配，加剧了内部裂纹的生长。 利用二冷水优化模型对Q235和L1008钢种进行水量优化，获取二冷各段水量关于拉速和过热度的配水系数，设计基于中包连续测温的二冷动态配水控制系统。该系统应用后，对三个月统计的232块低倍铸坯试样进行分析，结果表明：其内部裂纹的缺陷等级控制在1.5级以下的占92.72％，中心缩孔1.5级以下的占94.3％。其缺陷等级基本上控制在要求的1.5级以下，轧制现场由优化前的80吨/月的退废降至优化后的20吨/月，铸坯的质量得到明显提高。该系统自投入一直运行至今。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究的意义

1.2连铸二冷凝固传热与优化配水控制模型研究现状

1.2.1连铸二次冷却对铸坯质量的影响

1.2.2连铸二冷配水控制技术的发展与应用现状

1.2.3连铸凝固传热模型的国内外研究现状

1.2.4连铸二冷优化模型的研究及应用现状

1.3课题的提出、研究内容及论文结构

1.3.1课题的提出

1.3.2研究内容及论文结构

1.3.3本论文研究创新点和特点

第二章方坯动态凝固传热模型

2.1方坯连铸凝固传热和生产工艺参数变化特点分析

2.1.1凝固过程传热分析

2.1.2生产工艺参数变化特点

2.2方坯凝固热传输数学模型的建立与求解

2.2.1凝固传热数学模型的建立

2.2.2传热模型数值求解的原理

2.2.3稳态凝固传热模型求解有限元格式的推导和建立

2.2.4动态凝固传热模型求解有限元格式的推导和建立

2.3模型的校正与结果分析

2.3.1模型校正方案

2.3.2模型准确性的校正

2.3.3模型动态特性的验证

2.3.4三维和二维模型计算结果对比

2.4本章小结

第三章方坯温度场动态特性分析及研究

3.1稳态控制模型存在问题

3.2动态条件下的温度场特性

3.2.1水量突变时铸坯表面温度动态特性

3.2.2拉速和水量同时突变时的铸坯表面温度动态特性

3.3本章小结

第四章基于改进粒子群优化算法的方坯连铸二冷水量优化模型

4.1方坯连铸二冷配水优化的特性分析

4.2方坯连铸二冷水量的优化模型

4.2.1控制变量

4.2.2目标和约束函数

4.3基于混沌序列的改进粒子群优化算法

4.3.1基本的粒子群优化算法

4.3.2基于混沌序列的粒子群优化算法

4.3.3算例与算法性能分析

4.4基于改进粒子群算法的二冷水优化模型求解及分析

4.4.1二冷水优化模型的求解

4.4.2二冷水优化模型计算结果分析

4.5本章小结

第五章基于中包钢水连续测温的拉速优化和二冷配水控制模型

5.1工艺参数对铸坯凝固过程的影响

5.1.1模型计算工艺参数对铸坯凝固的影响

5.1.2现场试验工艺参数对铸坯凝固的影响

5.2黑体空腔式中间包连续测温系统

5.2.1测温系统结构原理

5.2.2中间包温度变化规律

5.2.3引入控制系统的连续测温可靠性设计

5.3基于中包连续测温的拉速优化控制模型

5.3.1拉速优化模型建立

5.3.2拉速优化模型的应用实例

5.3.3拉速自动控制系统的设计

5.3.4现场控制效果

5.4基于中包连续测温的二冷动态配水控制模型

5.4.1引入中包温度的二冷配水动态控制模型的建立

5.4.2二冷动态配水控制模型参数的确定

5.4.3二冷动态配水控制模型实施方案

5.5本章小结

第六章二冷优化及动态控制模型的应用研究

6.1现场铸机设备与质量问题分析

6.1.1铸机设备参数

6.1.2铸坯质量问题分析

6.2二冷优化及动态控制系统的设计

6.2.1二冷优化及动态控制模型的实施方案

6.2.2控制系统设计

6.3模型校正

6.3.1 Q235钢种的模型校正

6.3.2 L1008钢种的模型校正

6.4模型计算分析二冷水存在的问题

6.4.1 Q235钢种二冷水存在的问题分析

6.4.2 L1008钢种二冷水存在的问题分析

6.5现场配水调试

6.5.1 Q235钢种二冷配水参数的现场调试

6.5.2 L1008钢种二冷配水参数的现场调试

6.6应用效果总结及进一步提高的措施

6.7本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间的工作