方坯連鑄二冷動(dòng)態(tài)凝固模型和水量?jī)?yōu)化控制的研究與應(yīng)用.pdf

1、二冷控制技術(shù)是連鑄生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是決定鑄坯質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。對(duì)于穩(wěn)定的生產(chǎn)過(guò)程，采用靜態(tài)控制方法即可滿足鑄坯質(zhì)量的要求。然而在實(shí)際的連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，受設(shè)備、流程和節(jié)奏等因素的影響，方坯的過(guò)熱度和拉速等工藝參數(shù)經(jīng)常變化，使連鑄生產(chǎn)過(guò)程不平穩(wěn)，多處于動(dòng)態(tài)。截至到2005年，我國(guó)方坯鑄機(jī)數(shù)量約為284臺(tái)(占各類鑄機(jī)總數(shù)的41％左右)。因此，方坯二冷動(dòng)態(tài)凝固模型及優(yōu)化控制的研究對(duì)我國(guó)鑄坯質(zhì)量的提高有實(shí)際意義。 本文以方坯凝固過(guò)程為研

2、究對(duì)象，以提高鑄坯質(zhì)量為目標(biāo)，系統(tǒng)地研究了方坯動(dòng)態(tài)凝固傳熱模型和拉速與二冷優(yōu)化動(dòng)態(tài)控制模型，并在南鋼、三鋼等現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了應(yīng)用研究。主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新如下： (1)首次建立三維動(dòng)態(tài)凝固傳熱模型并用于鑄坯溫度場(chǎng)動(dòng)態(tài)特性的分析推導(dǎo)建立了有限單元格式的三維動(dòng)態(tài)凝固傳熱模型，并進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。將三維動(dòng)態(tài)模型作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)人們通常所用的簡(jiǎn)化的二維模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。 采用建立的動(dòng)態(tài)模型系統(tǒng)地分析了方坯溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特性。指出在決定動(dòng)態(tài)

3、特性的兩個(gè)參數(shù)——拉速和二冷水量中，水量變化對(duì)鑄坯表面溫度影響的效果先于拉速的影響。拉速和水量呈階躍變化時(shí)，鑄機(jī)表面溫度呈現(xiàn)“波峰”變化的特性；與最終的穩(wěn)態(tài)二冷各段表面的回溫相比，過(guò)渡過(guò)程的回溫產(chǎn)生了變化，其增減與拉速變化呈相反的特性。為二冷動(dòng)態(tài)控制模型的研究奠定了理論基礎(chǔ)。 (2)建立了二冷配水優(yōu)化模型傳統(tǒng)的優(yōu)化方法對(duì)于鑄坯凝固過(guò)程具有相變、非線性、不可解析表達(dá)特點(diǎn)的二冷水優(yōu)化問(wèn)題求解一直是個(gè)難點(diǎn)，本文引入了粒子群優(yōu)化算法求解

4、該問(wèn)題。 提出了一種基于混沌序列的粒子群改進(jìn)算法。針對(duì)粒子群早熟特性，引入了混沌序列改善局部搜索能力；考慮到收斂速度，增加了選擇機(jī)制。測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)算法在保持計(jì)算簡(jiǎn)潔特點(diǎn)的同時(shí)，對(duì)于單極值目標(biāo)函數(shù)的二冷優(yōu)化問(wèn)題具有較好的收斂性能。 建立了基于冶金準(zhǔn)則的二冷配水優(yōu)化模型。從冶金工藝和鑄坯質(zhì)量的要求出發(fā)，以限制最大液芯長(zhǎng)度、表面溫度最大回升和冷卻速率、保證矯直點(diǎn)的表面溫度等冶金準(zhǔn)則作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對(duì)二冷各段水量用改進(jìn)的

5、粒子群算法求解。優(yōu)化后的表面溫度曲線顯示，二冷各段的配水量分布能夠滿足上述提高鑄坯質(zhì)量要求的冶金準(zhǔn)則。 (3)建立了基于中包過(guò)熱度的拉速優(yōu)化和二冷水控制模型結(jié)晶器液位控制分為塞棒控制和拉速控制兩種方式，不同的方式影響拉速和二冷水控制。 針對(duì)結(jié)晶器液位由塞棒控制的模式，本文首次將中包鋼水溫度的連續(xù)測(cè)量值引入到拉速的控制模型，實(shí)現(xiàn)了拉速與過(guò)熱度匹配的自動(dòng)調(diào)節(jié)。在過(guò)熱度10℃～60℃范圍內(nèi)，按照所建立的拉速優(yōu)化模型確定的V-△

6、T最佳關(guān)系進(jìn)行階梯控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鑄坯凝固過(guò)程的控制。某鋼廠3個(gè)月應(yīng)用結(jié)果表明：拉速由2.2m/min提高到2.4m/min，產(chǎn)量由投入前的6.6萬(wàn)噸/月提高到7.2萬(wàn)噸/月，鑄坯的內(nèi)部缺陷率下降30％。 針對(duì)結(jié)晶器液位由拉速控制的模式，將中包連續(xù)測(cè)溫信號(hào)引入到二冷的控制模型，實(shí)現(xiàn)了二冷水的拉速和過(guò)熱度的二元控制。考慮對(duì)該控制模式的實(shí)用性、可操作性及改進(jìn)鑄坯質(zhì)量的綜合要求，對(duì)二冷各段過(guò)熱度補(bǔ)償配水系數(shù)進(jìn)行回歸簡(jiǎn)化。應(yīng)用結(jié)果表明，建

7、立的該模型由于實(shí)現(xiàn)了對(duì)過(guò)熱度變化的實(shí)時(shí)水量補(bǔ)償，改善了鑄坯內(nèi)部質(zhì)量。 (4)二冷優(yōu)化和動(dòng)態(tài)配水控制模型的應(yīng)用研究對(duì)某鋼廠的Q235和L1008鋼種進(jìn)行應(yīng)用研究。在模型校正的基礎(chǔ)上，從試驗(yàn)和模型計(jì)算分析指出，過(guò)熱度、拉速和二冷水量是影響Q235和L1008鋼種內(nèi)部裂紋的主要因素。不合理的二冷配水會(huì)導(dǎo)致二冷二段回溫過(guò)高，是引起Q235鋼種在距離鑄坯表面30～35mm出現(xiàn)中間裂紋的主要原因；過(guò)熱度偏高和拉速頻繁波動(dòng)又促進(jìn)了裂紋的擴(kuò)展。

8、對(duì)于L1008鋼種出現(xiàn)的內(nèi)部裂紋則是由于二冷各段的高回溫產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力以及中心部位撕裂；另外，由于高過(guò)熱度及其與拉速的不匹配，加劇了內(nèi)部裂紋的生長(zhǎng)。 利用二冷水優(yōu)化模型對(duì)Q235和L1008鋼種進(jìn)行水量?jī)?yōu)化，獲取二冷各段水量關(guān)于拉速和過(guò)熱度的配水系數(shù)，設(shè)計(jì)基于中包連續(xù)測(cè)溫的二冷動(dòng)態(tài)配水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用后，對(duì)三個(gè)月統(tǒng)計(jì)的232塊低倍鑄坯試樣進(jìn)行分析，結(jié)果表明：其內(nèi)部裂紋的缺陷等級(jí)控制在1.5級(jí)以下的占92.72％，中心縮孔1