方坯鑄機(jī)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(guó)民經(jīng)濟(jì)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(diǎn)。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(shí)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(guò)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(guò)程的建模、驗(yàn)證以及優(yōu)化帶來(lái)困難。本文針對(duì)這些難點(diǎn)，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(gè)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(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)基于中間包過(guò)熱度和拉速的二元配水由于澆注過(guò)程中出現(xiàn)澆注溫度不能保持恒定，而長(zhǎng)期以來(lái)澆注溫度連續(xù)測(cè)量困難，只能引入澆注速度一元進(jìn)行配水，引起冷卻不均對(duì)鑄坯內(nèi)部質(zhì)量產(chǎn)生影響。本文在已開(kāi)發(fā)的中間包連續(xù)測(cè)溫技術(shù)及系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將中間包連續(xù)測(cè)量的溫度信號(hào)引入到連鑄二冷水量的控制模型中，實(shí)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(xiàng)

3、法的二冷區(qū)方坯傳熱模型建立首先對(duì)伴有合金相變的連鑄過(guò)程進(jìn)行分析簡(jiǎn)化，運(yùn)用控制容積法對(duì)其控制方程進(jìn)行積分離散化求解，用源項(xiàng)法處理相變過(guò)程求解二冷凝固過(guò)程溫度場(chǎng)。 (3)基于射釘硫印法坯殼測(cè)厚的模型驗(yàn)證連鑄過(guò)程模型的檢驗(yàn)是一項(xiàng)難題。本研究運(yùn)用射釘硫印法對(duì)20CrMnMo，65Mn，45＃等鋼種的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)凝固模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 二.模型參數(shù)對(duì)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(duì)維數(shù)、網(wǎng)格，時(shí)間步長(zhǎng)等模型主要計(jì)算參數(shù)進(jìn)行分析； (2)對(duì)導(dǎo)熱、比熱、密度等模型熱物性參數(shù)進(jìn)行分析； (3)對(duì)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(jìn)行分析； (4)基于粒子群算法的換熱系數(shù)參數(shù)確定；對(duì)現(xiàn)場(chǎng)換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)射釘硫印檢測(cè)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(jìn)行換熱系數(shù)參數(shù)的確定。 (5)對(duì)鋼種成分控制限內(nèi)成分

5、變化，澆注溫度信號(hào)變化，拉速信號(hào)變化等對(duì)模型的影響進(jìn)行分析；通過(guò)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(duì)裂紋縮孔等缺陷形成及影響因素進(jìn)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(duì)鋼的高溫屬性，連鑄過(guò)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(guò)程參數(shù)對(duì)缺陷的影響進(jìn)行分析。 其次，對(duì)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(duì)不可微、非線性連鑄過(guò)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(guò)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(duì)應(yīng)的澆注溫度為該拉速恒定下中間包過(guò)熱度變化域內(nèi)的子域平衡點(diǎn)，然后在該子域內(nèi)拉速保持不變，進(jìn)行水量隨過(guò)熱度變化的優(yōu)化調(diào)節(jié)。 (2)基于

7、微分進(jìn)化操作改進(jìn)粒子群算法(DE-PSO)，提出基于DE-PSO的連鑄過(guò)程中間包溫度、拉速和水量的優(yōu)化方法對(duì)粒子群(PSO)算法優(yōu)化過(guò)程中出現(xiàn)的粒子早熟現(xiàn)象，在局部早熟過(guò)程中引入微分進(jìn)化操作，通過(guò)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(guò)算例分析證明該改進(jìn)算法的有效性。并將其運(yùn)用到伴有相變、不可微，非線性的連鑄過(guò)程中間包溫度、拉速和水量的優(yōu)化中來(lái)。 四.應(yīng)用研究通過(guò)在A電爐廠合金鋼連鑄機(jī)和B鋼鐵公司轉(zhuǎn)爐廠普碳鋼連鑄機(jī)

8、上的運(yùn)用表明： (1)2002年10月9日開(kāi)始三個(gè)月內(nèi)的抽樣檢驗(yàn)，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(lái)的二級(jí)以上占31.4％降為7.6％，裂紋由原來(lái)的一級(jí)以上9.37％降到3.2％；中心等軸晶區(qū)能夠達(dá)到所要求的2類鋼45％的要求。 (2)2004年5月運(yùn)行一個(gè)月內(nèi)的抽樣檢驗(yàn)，Q235鋼種裂紋和縮孔缺陷下降，裂紋控制在一級(jí)之內(nèi)，縮孔控制在二級(jí)之內(nèi)，鑄坯的等軸晶率上升，晶區(qū)直徑由原來(lái)的2