鋼包精煉過程的建模與優(yōu)化.pdf

1、鋼包爐(LF)精煉法作為主要的爐外精煉手段，在煉鋼流程中發(fā)揮著緩沖器的作用，其主要任務(wù)包括對(duì)鋼水溫度和成分進(jìn)行精確調(diào)整、去除鋼液中的夾雜物和協(xié)調(diào)煉鋼-連鑄流程的生產(chǎn)節(jié)奏。由于LF爐具有精煉效果好和運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因此在我國鋼鐵企業(yè)中得到了較為廣泛的應(yīng)用。目前我國LF精煉過程的控制普遍還停留在離線分析、經(jīng)驗(yàn)調(diào)整、手動(dòng)控制的水平，導(dǎo)致精煉過程的溫度和成分終點(diǎn)控制精度低、物耗能耗大和鋼材產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，這些問題已經(jīng)成為制約我國煉鋼技術(shù)發(fā)展

2、的瓶頸。
　　鋼水溫度和硫含量是LF精煉過程終點(diǎn)控制任務(wù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，為了提高其終點(diǎn)控制精度、降低精煉過程的處理成本，本文首先對(duì)LF鋼水溫度和硫含量的在線預(yù)報(bào)問題進(jìn)行了研究，隨后，以鋼水溫度和硫含量預(yù)報(bào)模型為基礎(chǔ)，本文對(duì)鋼水溫度和硫含量終點(diǎn)控制過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究。本文的主要研究工作歸納如下：
　　1.對(duì)LF鋼水溫度預(yù)報(bào)模型的建模方法進(jìn)行了研究。本文從LF精煉過程的基本原理出發(fā)，分析了過程中影響鋼水溫度的主要因素，結(jié)

3、合現(xiàn)場的工藝條件和實(shí)際情況，提出了機(jī)理和數(shù)據(jù)建模方法相結(jié)合的LF鋼水溫度混合預(yù)報(bào)模型，該模型采用機(jī)理方法對(duì)LF溫度行為的可描述部分進(jìn)行建模，采用數(shù)據(jù)建模方法對(duì)機(jī)理行為未知部分的未知函數(shù)和機(jī)理行為已知部分的未知參數(shù)進(jìn)行逼近和估計(jì)，因此能夠充分利用機(jī)理方法和數(shù)據(jù)建模方法各自的優(yōu)勢(shì)，既解決了機(jī)理模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建模困難和參數(shù)難確定等問題，又能夠克服單純數(shù)據(jù)模型對(duì)數(shù)據(jù)的過度依賴和泛化性能差等問題。此外，為了保證對(duì)混合模型中未知函數(shù)和未知參數(shù)的逼近

4、精度和估計(jì)精度，本文對(duì)LF鋼水溫度混合預(yù)報(bào)模型的實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行了研究，分別提出了基于部分線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合模型實(shí)現(xiàn)算法和基于部分線性正則化網(wǎng)絡(luò)的混合模型實(shí)現(xiàn)算法。隨后，針對(duì)建模數(shù)據(jù)中存在噪聲和離群點(diǎn)時(shí)帶來的不穩(wěn)定問題和大數(shù)據(jù)建模時(shí)的難建模問題，本文分別對(duì)這兩種混合模型實(shí)現(xiàn)算法進(jìn)行了必要的改進(jìn)。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了上述混合建模方法的有效性。
　　2.對(duì)LF鋼水硫含量預(yù)報(bào)模型的建模方法進(jìn)行了研究。本文從LF精煉過程脫硫反應(yīng)的熱力學(xué)

5、和動(dòng)力學(xué)原理出發(fā)，以現(xiàn)有的基于經(jīng)驗(yàn)脫硫速率方程的硫含量機(jī)理預(yù)報(bào)模型為基礎(chǔ)，采用數(shù)據(jù)建模方法對(duì)機(jī)理模型中未知參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，形成了串聯(lián)結(jié)構(gòu)的硫含量混合預(yù)報(bào)模型。此外，本文還將待估計(jì)參數(shù)的先驗(yàn)知識(shí)引入了進(jìn)來，以線性約束的形式結(jié)合到混合模型中，從而有效地克服了數(shù)據(jù)建模方法的過擬合問題、保證了待估計(jì)參數(shù)的工藝合理性、改善了混合模型的預(yù)測性能。隨后，針對(duì)實(shí)際LF精煉過程脫硫行為在前期造渣階段和中后期脫硫階段表現(xiàn)出的不同的、分階段的動(dòng)態(tài)特性，本文設(shè)計(jì)

6、了分階段的硫含量預(yù)報(bào)方法，分階段預(yù)報(bào)模型能夠很好地捕捉不同階段脫硫動(dòng)態(tài)特性的差異，從而進(jìn)一步提高了硫含量的預(yù)報(bào)精度。
　　3.以國內(nèi)某鋼廠100tLF爐為研究對(duì)象，以LF鋼水溫度和硫含量預(yù)報(bào)模型為基礎(chǔ)，對(duì)鋼水溫度和硫含量終點(diǎn)控制過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了研究。供電、吹氬和造渣是進(jìn)行LF鋼水溫度和硫含量終點(diǎn)控制的三個(gè)精煉手段，所以本文優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的研究內(nèi)容為供電曲線、吹氬曲線和造渣量的優(yōu)化設(shè)計(jì)三部分。前人在研究供電曲線、吹氬曲線和造渣

7、量的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題時(shí)，采用獨(dú)立的單體優(yōu)化方式，這種方式難以考慮脫硫過程和升溫過程的耦合關(guān)系，因此可能得不到經(jīng)濟(jì)、合理的優(yōu)化方案。針對(duì)該問題，本文在設(shè)計(jì)優(yōu)化方案時(shí)，充分考慮了二者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，引入了對(duì)鋼水溫度和硫含量進(jìn)行同步控制的思想。此外，針對(duì)LF精煉過程的升溫壓力、脫硫壓力和精煉周期等因素在爐次之間存在著較大差異的問題，本文的優(yōu)化方案引入了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)思想，使其能夠根據(jù)具體爐次情況對(duì)過程控制變量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本文