方坯铸机二冷配水控制模型与优化研究及应用

摘要

冶金工业是国民经济的支柱产业之一，连铸是其生产流程的重要环节，其铸坯质量一直是人们关注的重点。连铸二冷配水是影响连铸的内部质量主要因素之一，因此建立可靠、实用、优化的二冷配水控制模型是提高连铸方坯内部质量的关键。 高温方坯连铸凝固过程出现的合金相变、非线性、复杂的换热边界条件以及优化求解的不可微特性，给该过程的建模、验证以及优化带来困难。本文针对这些难点，在模型建立，模型可靠性研究，优化控制模型，应用研究这四个方面系统地作了如下的研究工作： 一.连铸方坯二冷区配水控制模型的建立 (1)国内首次实现基于中间包过热度和拉速的二元配水由于浇注过程中出现浇注温度不能保持恒定，而长期以来浇注温度连续测量困难，只能引入浇注速度一元进行配水，引起冷却不均对铸坯内部质量产生影响。本文在已开发的中间包连续测温技术及系统的基础上，将中间包连续测量的温度信号引入到连铸二冷水量的控制模型中，实现基于拉速和中间包温度的二元配水模式。 (2)基于控制容积方法与源项法的二冷区方坯传热模型建立首先对伴有合金相变的连铸过程进行分析简化，运用控制容积法对其控制方程进行积分离散化求解，用源项法处理相变过程求解二冷凝固过程温度场。 (3)基于射钉硫印法坯壳测厚的模型验证连铸过程模型的检验是一项难题。本研究运用射钉硫印法对20CrMnMo，65Mn，45＃等钢种的试验结果进行检测，并对凝固模型的准确性进行了验证。 二.模型参数对模型可靠性影响分析为确定参数的影响，基于数值凝固模型，作了如下的分析研究工作： (1)对维数、网格，时间步长等模型主要计算参数进行分析； (2)对导热、比热、密度等模型热物性参数进行分析； (3)对换热系数参数主要包括拉速、冷却水的冲击速度，以及冷却水水质等的影响进行分析； (4)基于粒子群算法的换热系数参数确定；对现场换热系数经验公式，通过现场射钉硫印检测不同位置的坯壳厚度，在此基础上采用粒子群智能优化方法进行换热系数参数的确定。 (5)对钢种成分控制限内成分变化，浇注温度信号变化，拉速信号变化等对模型的影响进行分析；通过上述的参数分析确定主要参数的范围，确定模型的可靠性。 三.方坯连铸二冷配水优化控制模型的研究 (1)对裂纹缩孔等缺陷形成及影响因素进行分析研究，提出基于凝固前沿裂纹诱发理论与冶金准则相结合的优化控制策略首先，对钢的高温属性，连铸过程出现的裂纹和缩孔等内部质量原因，以及拉速、水量等过程参数对缺陷的影响进行分析。 其次，对传统冶金准则不同钢种给定相同的温升温降控制限的弊端，对不可微、非线性连铸过程，根据凝固前沿诱发裂纹位置理论，提出依据凝固前沿凝固分率为0.8至0.99之间出现的初始裂纹诱发位置，确定不同钢种冷却过程的回温和温降控制限，提出它与冶金准则相结合的中间包温度、拉速和水量之间的优化控制策略。 最后，先优化拉速与水量的关系，该拉速对应的浇注温度为该拉速恒定下中间包过热度变化域内的子域平衡点，然后在该子域内拉速保持不变，进行水量随过热度变化的优化调节。 (2)基于微分进化操作改进粒子群算法(DE-PSO)，提出基于DE-PSO的连铸过程中间包温度、拉速和水量的优化方法对粒子群(PSO)算法优化过程中出现的粒子早熟现象，在局部早熟过程中引入微分进化操作，通过该操作的变异增加粒子的多样性，有效避免粒子的早熟，通过算例分析证明该改进算法的有效性。并将其运用到伴有相变、不可微，非线性的连铸过程中间包温度、拉速和水量的优化中来。 四.应用研究通过在A电炉厂合金钢连铸机和B钢铁公司转炉厂普碳钢连铸机上的运用表明： (1)2002年10月9日开始三个月内的抽样检验，45＃钢缺陷率(主要是裂纹和缩孔)较使用该系统之前减少了30％，缩孔由原来的二级以上占31.4％降为7.6％，裂纹由原来的一级以上9.37％降到3.2％；中心等轴晶区能够达到所要求的2类钢45％的要求。 (2)2004年5月运行一个月内的抽样检验，Q235钢种裂纹和缩孔缺陷下降，裂纹控制在一级之内，缩孔控制在二级之内，铸坯的等轴晶率上升，晶区直径由原来的28mm提高到40mm左右。

目录

文摘

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第1章绪论

1.1连铸技术发展

1.1.1连铸的发展

1.1.2连铸自动化的发展

1.2方坯连铸二冷模型及二冷动态控制研究发展

1.2.1连铸二冷模型的研究

1.2.2连铸二冷优化模型及控制的研究

1.3本文研究内容的提出、意义、研究路线及创新

第2章连铸二冷温度场模型的研究

2.1连铸凝固过程的热传输特性

2.2连铸过程凝固方程及边界条件

2.3相变过程数值求解方法

2.4控制方程的离散化及求解

2.5热物性参数选择处理

2.6换热关键参数确定

2.6.1结晶器换热系数

2.6.2二冷换热系数

2.7模型的校验

2.7.1射钉硫印试验

2.7.2模型的计算校核

2.8本章小结

第3章模型参数可靠性研究

3.1数学处理

3.1.1维数影响

3.1.2网格影响

3.1.3时间步长影响

3.2物性参数的影响分析

3.2.1导热系数

3.2.2密度

3.2.3比热

3.3其他关键参数的影响因素

3.3.1结晶器换热

3.3.2二冷区对流换热系数

3.4模型的可靠性

3.5本章小结

第4章连铸二冷优化控制策略研究

4.1钢的高温力学性能

4.2连铸过程内部质量分析研究

4.2.1内部裂纹成因及主要影响因素分析

4.2.2中心疏松和缩孔成因及主要影响因素分析

4.3二冷过程参数的影响

4.3.1拉速对铸坯温度和坯壳厚度的影响

4.3.2拉速对裂纹和缩孔的影响

4.3.3浇注温度变化对铸坯温度以及坯壳厚度的影响

4.3.4浇注温度对裂纹和缩孔的影响

4.4二冷区冷却优化策略

4.4.1钢的连铸冷却过程遵守的准则

4.4.2连铸水量优化过程组成

4.5本章小结

第5章基于粒子群算法的连铸二冷水量优化研究

5.1二冷配水优化的现状分析

5.2二冷优化目标函数及约束的研究

5.2.1目标函数及约束条件分析

5.2.2处理约束方法介绍

5.2.3连铸优化过程约束的处理

5.3粒子群优化方法

5.3.1粒子群算法的原理

5.3.2粒子群算法的参数选择

5.3.3算法的早熟

5.4基于微分进化的改进粒子群算法

5.4.1微分进化算法原理

5.4.2基于微分进化操作的改进PSO算法

5.5不同算法比较及其参数选择

5.5.1测试函数

5.5.2结果分析与对比

5.5.3算法参数的选择

5.6改进算法在连铸二冷水量优化中的应用

5.7本章小结

第6章二冷动态配水控制的现场应用研究

6.1系统的组成

6.1.1黑体空腔中间包钢水连续测温系统

6.1.2二冷动态配水控制系统的组成及实现

6.2在某电炉炼钢厂合金钢连铸机上的应用

6.2.1合金钢连铸机概况

6.2.2控制系统组成

6.2.3 45#钢的水量优化

6.2.4优化及现场应用结果

6.3在某转炉炼钢厂普碳钢连铸机上的运用

6.3.1普碳钢连铸机概况

6.3.2控制系统组成

6.3.3 Q235钢种水量优化

6.3.4优化及现场应用结果

6.4本章小结

第7章主要研究结论和展望

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士学位期间的工作