方坯鑄機二冷配水控制模型與優(yōu)化研究及應(yīng)用.pdf

1、冶金工業(yè)是國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)之一，連鑄是其生產(chǎn)流程的重要環(huán)節(jié)，其鑄坯質(zhì)量一直是人們關(guān)注的重點。連鑄二冷配水是影響連鑄的內(nèi)部質(zhì)量主要因素之一，因此建立可靠、實用、優(yōu)化的二冷配水控制模型是提高連鑄方坯內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵。 高溫方坯連鑄凝固過程出現(xiàn)的合金相變、非線性、復(fù)雜的換熱邊界條件以及優(yōu)化求解的不可微特性，給該過程的建模、驗證以及優(yōu)化帶來困難。本文針對這些難點，在模型建立，模型可靠性研究，優(yōu)化控制模型，應(yīng)用研究這四個方面系統(tǒng)地作了如下

2、的研究工作： 一.連鑄方坯二冷區(qū)配水控制模型的建立 (1)國內(nèi)首次實現(xiàn)基于中間包過熱度和拉速的二元配水由于澆注過程中出現(xiàn)澆注溫度不能保持恒定，而長期以來澆注溫度連續(xù)測量困難，只能引入澆注速度一元進行配水，引起冷卻不均對鑄坯內(nèi)部質(zhì)量產(chǎn)生影響。本文在已開發(fā)的中間包連續(xù)測溫技術(shù)及系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將中間包連續(xù)測量的溫度信號引入到連鑄二冷水量的控制模型中，實現(xiàn)基于拉速和中間包溫度的二元配水模式。 (2)基于控制容積方法與源項

3、法的二冷區(qū)方坯傳熱模型建立首先對伴有合金相變的連鑄過程進行分析簡化，運用控制容積法對其控制方程進行積分離散化求解，用源項法處理相變過程求解二冷凝固過程溫度場。 (3)基于射釘硫印法坯殼測厚的模型驗證連鑄過程模型的檢驗是一項難題。本研究運用射釘硫印法對20CrMnMo，65Mn，45＃等鋼種的試驗結(jié)果進行檢測，并對凝固模型的準(zhǔn)確性進行了驗證。 二.模型參數(shù)對模型可靠性影響分析為確定參數(shù)的影響，基于數(shù)值凝固模型，作了如下的分

4、析研究工作： (1)對維數(shù)、網(wǎng)格，時間步長等模型主要計算參數(shù)進行分析； (2)對導(dǎo)熱、比熱、密度等模型熱物性參數(shù)進行分析； (3)對換熱系數(shù)參數(shù)主要包括拉速、冷卻水的沖擊速度，以及冷卻水水質(zhì)等的影響進行分析； (4)基于粒子群算法的換熱系數(shù)參數(shù)確定；對現(xiàn)場換熱系數(shù)經(jīng)驗公式，通過現(xiàn)場射釘硫印檢測不同位置的坯殼厚度，在此基礎(chǔ)上采用粒子群智能優(yōu)化方法進行換熱系數(shù)參數(shù)的確定。 (5)對鋼種成分控制限內(nèi)成分

5、變化，澆注溫度信號變化，拉速信號變化等對模型的影響進行分析；通過上述的參數(shù)分析確定主要參數(shù)的范圍，確定模型的可靠性。 三.方坯連鑄二冷配水優(yōu)化控制模型的研究 (1)對裂紋縮孔等缺陷形成及影響因素進行分析研究，提出基于凝固前沿裂紋誘發(fā)理論與冶金準(zhǔn)則相結(jié)合的優(yōu)化控制策略首先，對鋼的高溫屬性，連鑄過程出現(xiàn)的裂紋和縮孔等內(nèi)部質(zhì)量原因，以及拉速、水量等過程參數(shù)對缺陷的影響進行分析。 其次，對傳統(tǒng)冶金準(zhǔn)則不同鋼種給定相同的溫

6、升溫降控制限的弊端，對不可微、非線性連鑄過程，根據(jù)凝固前沿誘發(fā)裂紋位置理論，提出依據(jù)凝固前沿凝固分率為0.8至0.99之間出現(xiàn)的初始裂紋誘發(fā)位置，確定不同鋼種冷卻過程的回溫和溫降控制限，提出它與冶金準(zhǔn)則相結(jié)合的中間包溫度、拉速和水量之間的優(yōu)化控制策略。 最后，先優(yōu)化拉速與水量的關(guān)系，該拉速對應(yīng)的澆注溫度為該拉速恒定下中間包過熱度變化域內(nèi)的子域平衡點，然后在該子域內(nèi)拉速保持不變，進行水量隨過熱度變化的優(yōu)化調(diào)節(jié)。 (2)基于

7、微分進化操作改進粒子群算法(DE-PSO)，提出基于DE-PSO的連鑄過程中間包溫度、拉速和水量的優(yōu)化方法對粒子群(PSO)算法優(yōu)化過程中出現(xiàn)的粒子早熟現(xiàn)象，在局部早熟過程中引入微分進化操作，通過該操作的變異增加粒子的多樣性，有效避免粒子的早熟，通過算例分析證明該改進算法的有效性。并將其運用到伴有相變、不可微，非線性的連鑄過程中間包溫度、拉速和水量的優(yōu)化中來。 四.應(yīng)用研究通過在A電爐廠合金鋼連鑄機和B鋼鐵公司轉(zhuǎn)爐廠普碳鋼連鑄機

8、上的運用表明： (1)2002年10月9日開始三個月內(nèi)的抽樣檢驗，45＃鋼缺陷率(主要是裂紋和縮孔)較使用該系統(tǒng)之前減少了30％，縮孔由原來的二級以上占31.4％降為7.6％，裂紋由原來的一級以上9.37％降到3.2％；中心等軸晶區(qū)能夠達到所要求的2類鋼45％的要求。 (2)2004年5月運行一個月內(nèi)的抽樣檢驗，Q235鋼種裂紋和縮孔缺陷下降，裂紋控制在一級之內(nèi)，縮孔控制在二級之內(nèi)，鑄坯的等軸晶率上升，晶區(qū)直徑由原來的2