（控制理论与控制工程专业论文）真空感应炉终点预报方法的研究.pdf

东 北大学b f 士学位论又摘要 真空感应炉终点预报方法的研究 摘要 真空感应炉是生产超纯净钢及冶炼镍基高温合金、 特种合金材料的重要设备， 在航天、 航空、 军工， 化工等领域的材料生产中起着重要作用。 在真空感应炉冶炼 生产过程中，钢水的出钢温度和碳含量等终点参数直接影响到后续生产工艺甚至 出钢的质量，关系到真空感应炉能否高效、低消耗地运行。然而，由于炼钢过程 是高温、强腐蚀的过程，使得钢水温度和成分的测量比较困难，这对保证炼钢过 程高效率、高质量运行是非常不利的。因而终点预报在炼钢过程中起到非常重要 的作用。 本文在查阅了大量国内外相关文献的基础上，首先综述了终点预报的方法及 其研究 现状。 然后通过对真空感应冶炼工艺机理的深入分析以及对神经网络算法 的研究，建立了基于r b f 神经网络的终点预报模型。 文中分别对终点温度及终点碳含量预报模型的建立及网络的训练作了详细的 介绍。在此基础上给出了可以 进行误差校正的二次预报方法。采用该方法，可在 第一次预报时初步计算出冶炼到达炼终点的时间及终点的温度或碳含量。再经过 二次预报， 进行校正误差，使结果更加精确。结合现场 1 2 0组数据对终点 温度及 碳含量值分别进行了学习和预报，预报命中率都较高，实验结果表明采用该方法 预报终点参数可以取得良好的效果， 对实际生产具有一定的指导意义。 关键词:真空感应炉神经网络终点预报误差校i f 东 北大学硕士学 位论文 t h e r e s e a r c h o f e n d - p o i n t p r e d i c t i o n me t h o d t o v a c u u m i n d u c t i o n f u rna c e abs t r a c t v a c u u m i n d u c t i o n f u rn a c e s w h ic h a r e m o s t l y u s e d t o p r o d u c e s u p e r c l e a n s t e e l a n d a l l o y m a t e r i a l s h a v e b e e n f o u n d n u m e r o u s a p p l i c a t i o n s i n a v i a t i o n , n a v i g a t i o n , n u c l e a r p o w e r , m i l it a ry a n d c h e m i c a l e n g i n e e r i n g . d u r i n g t h e p r o c e s s o f s t e e l - s m e l t i n g i n v a c u u m i n d u c t i o n f u r n a c e s , e n d - p o i n t p a r a m e t e r s s u c h a s t a p p i n g t e m p e r a t u r e a n d c a r b o n c o n t e n t i n m o l t e n h a v e b a d l y a f f e c t e d th e q u a l i t y o f t h e in g o t s t e e l s . t h e r e i s a c l o s e r e l a t i o n o f t h e p a r a m e t e r s a n d t h e p e r f o r m a n c e o f v a c u u m i n d u c t i o n fu rn a c e s w it h h i g h e ff i c i e n t l y a n d l o w c o n s u m p t i o n . h o w e v e r , i t i s d i ffi c u lt t o m e a s u r e t h e t e m p e r a t u r e a n d t h e c a r b o n c o n t e n t d u ri n g t h e s t e e l - s m e lt i n g b e c a u s e i t i s a h i g h - t e m p e r a t u r e a n d s tr o n g l y c o r r o s i v e p r o c e s s . a s a r e s u l t , t h e e n d - p o i n t p r e d i c t io n i s v e ry i m p o r ta n t d u r i n g t h e s t e e l - s m e l t i n g p r o c e s s . b a s e d o n t h e r e s e a r c h o f a l o t o f c o r r e l a t i v e l i t e r a tu r e , t h e e x i s t i n g p r e d i c t i o n m e t h o d a n d t h e e x i s t i n g s t a t e h a v e b e e n p r o p o s e d f i r s t ly , t h e n a n e n d - p o i n t f o r e c a s t m o d e l w a s b u i l t b a s e d o n t h e r b f n e u r a l n e t w o r k b y a n a l y z i n g t h e m e lt i n g t e c h n o l o g y a n d t h e r b f t r a i n i n g a l g o r i t h m . t h e b u i l d i n g o f t h e p r e d ic t i o n m o d e l f o r e n d - p o in t t e m p e r a t u r e a n d e n d - p o i n t c a r b o n c o n t e n t h a s b e e n d e t a i l e d i n t ro d u c e d . a t w o - r o u n d p re d ic t i o n m e t h o d w h i c h c a n g i v e e r r o r c o r r e c t i o n h a s p r o p o s e d b a s e d o n t h e n e u r a l n e t w o r k p r e d i c t i o n m o d e l i t c a n g i v e r e l i a b l e p r e d i c t io n s o f e n d - p o i n t t i m e a n d c a r b o n c o n t e n t o f m o l t e n s t e e l i n t h e f ir s t - r o u n d p r e d i c t i o n . a n d t h e p r e d i c t i o n a c c u r a c y c a n b e i m p r o v e d b y t h e e r r o r c o r r e c t i o n i n t h e s e c o n d - r o u n d p r e d i c t i o n - t o t a l 1 2 0 s e t o f d a t a a r e u s e d f o r t h e t w o m o d e l t r a i n i n g a n d v a li d a t i o n , r e s p e c t i v e ly . t h e p r e d i c t e d h itt in g r a t i o i s h i g h . t h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r o p o s e d m e t h o d i s e ff e c t i v e , i n d i c a t i n g t h e p o t e n t i a l s f o r r e a l - w o r l d a p p l i c a t i o n . k eyerro r wo 川 ， :v a c u u m i n d u c t i o n f u r n a c e ; n e u r a l n e t w o r k ; e n d - p o i n t p r e d i c t i o n ; 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的口 论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外， 不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 储签 名 : 4 吓 日期: a rv j 、 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了 解东北大学有关保留、 使用学 位论文的规定: 即学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。 本人授权东北大学可以将学 位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名;否则视为不同 意。 ) 学 位 论 文 作 者 签 名 : 鲜 签字日 期: 夕 ov l , ) 导 师 签 “ : l l 签 字日 期 ， b l o t r , , 东能大学硕士学位论文 第一章 引言 竿 - 吝日! 亩 二 月 ，二 不 二j . 习 随着现代工业科学技术的飞速发展，工业金属材料得到了广泛的应用。特别 是许多具有特殊性能的特殊钢及金属材料倍受市场的青睐，并在高精尖科学技术 领域得到了充分的展示，需求量也日 趋增多。真空感应炉是生产超纯净钢及冶炼 镍基高温合金、 特种合金材料的重要设备， 在 航天、 航空、 军工、 核电、能 源、 化 工、电子、通讯技术等领域的材料生产中起着重要作用。尤其在航空、航天和国 防军工方面，一个国 家拥有真空感应炉的容量、数量和装备水平直接标志和影响 着这个国家在这个领域的发展水平。真空感应炉的任务主要是为重熔提供纯净的 自 耗电 极和精密铸造零件( 包括母合金的熔炼) 。 这些材料大部分都必须经过真空感 应炉初次冶炼，浇注成电极，然后经过电渣炉或真空电弧炉重熔成锭子，再锻轧 成材。真空感应炉生产的产品的用途就决定了它的冶炼过程需要对产品的质量要 求十分严格。 1 . 1 研究的目的及意义 钢水的终点参数，即出钢温度以及成分含量，直接关系到后续生产工艺，甚 至影响产品质量。例如就温度来说，真空感应炉在出钢浇注时，为了保证钢锭的 质量，钢液必须达到一定的温度 ( 一般比合金熔点高 7 0 - 9 0 c )。出钢温度过低 会超成浇注不成或钢锭疏松和产生表面缺陷;而出钢温度过高，则会损坏柑锅， 导致金属二次氧化严重，且合金中杂质增加，金属偏析严重，甚至产生内裂，严 重影响合金质量。同样，由于钢中的各种成分能影响和规定钢的各种物理性能及 化学性能，也必须准确的控制在一定范围内。 因此终点参数的控制就变得十分重要，是炼钢的重要控制目 标。准确控制终 点碳含量、温度的意义在于: ( 1 ) 提高冶炼终点 命中率、缩短冶炼时间 ( 与 冶金操作条件有关) ， 从而提高生 产效率，降低成本。 ( 2 ) 由于精确了 解钢水碳含量和温度的全部变化过程，避免了常常需要的重复 的人工测温及取样操作，保证了钢的质量。 ( 3 ) 可实现终点自 动控制， 减轻炼钢工人的劳动强度， 提高炼钢的白 动化水平。 然而，由于炼钢过程的高温、强腐蚀性，再加上测试手段和成木的限制，使 东能大学硕士学位论文 第一章 引言 竿 - 吝日! 亩 二 月 ，二 不 二j . 习 随着现代工业科学技术的飞速发展，工业金属材料得到了广泛的应用。特别 是许多具有特殊性能的特殊钢及金属材料倍受市场的青睐，并在高精尖科学技术 领域得到了充分的展示，需求量也日 趋增多。真空感应炉是生产超纯净钢及冶炼 镍基高温合金、 特种合金材料的重要设备， 在 航天、 航空、 军工、 核电、能 源、 化 工、电子、通讯技术等领域的材料生产中起着重要作用。尤其在航空、航天和国 防军工方面，一个国 家拥有真空感应炉的容量、数量和装备水平直接标志和影响 着这个国家在这个领域的发展水平。真空感应炉的任务主要是为重熔提供纯净的 自 耗电 极和精密铸造零件( 包括母合金的熔炼) 。 这些材料大部分都必须经过真空感 应炉初次冶炼，浇注成电极，然后经过电渣炉或真空电弧炉重熔成锭子，再锻轧 成材。真空感应炉生产的产品的用途就决定了它的冶炼过程需要对产品的质量要 求十分严格。 1 . 1 研究的目的及意义 钢水的终点参数，即出钢温度以及成分含量，直接关系到后续生产工艺，甚 至影响产品质量。例如就温度来说，真空感应炉在出钢浇注时，为了保证钢锭的 质量，钢液必须达到一定的温度 ( 一般比合金熔点高 7 0 - 9 0 c )。出钢温度过低 会超成浇注不成或钢锭疏松和产生表面缺陷;而出钢温度过高，则会损坏柑锅， 导致金属二次氧化严重，且合金中杂质增加，金属偏析严重，甚至产生内裂，严 重影响合金质量。同样，由于钢中的各种成分能影响和规定钢的各种物理性能及 化学性能，也必须准确的控制在一定范围内。 因此终点参数的控制就变得十分重要，是炼钢的重要控制目 标。准确控制终 点碳含量、温度的意义在于: ( 1 ) 提高冶炼终点 命中率、缩短冶炼时间 ( 与 冶金操作条件有关) ， 从而提高生 产效率，降低成本。 ( 2 ) 由于精确了 解钢水碳含量和温度的全部变化过程，避免了常常需要的重复 的人工测温及取样操作，保证了钢的质量。 ( 3 ) 可实现终点自 动控制， 减轻炼钢工人的劳动强度， 提高炼钢的白 动化水平。 然而，由于炼钢过程的高温、强腐蚀性，再加上测试手段和成木的限制，使 东 北大学硕士学位论文 第一章 引言 得钢水终点参数的测量比 较困难。 1 . 1 . l 温度的测量 就温度而言，目前，国内外真空感应熔炉的主要测温方法有热电偶测温及辐 射测温两种。这两种测温方法各有利弊，但是都达不到生产所希望的最佳测量要 求。 ( 1 ) 热电偶温度计 2 0 世纪6 0 年代前后一次性使用的快速微型热电 偶探头逐渐完善并成为测量钢 水温度的标准技术。但是该测量方法测量钢水温度时需要人工往电炉或中间包内 插入一支热电偶，热电偶温度计在每次插入钢液前都要更换石英保护套管。 采用 该方法存在如下不足: 劳动强度变大，工作环境恶劣，操作人员容易因钢水飞溅而 受伤;快速偶头的制作质量和插入深浅不同会使测量结果波动较大，影响测温的 准确性和稳定性;侮次只能测定间隔一定时间的温度，无法给出温度连续变化的 数据。 为了力求接近连续变化的过程，只能频繁地利用快速热电偶进行多次测量， 这样不但测温费用高，劳动强度大，即使是多次测量也不能真正反映 连续变化，. ( 2 ) 射测温方法 因为钢水在不同温度下，辐射的热量有差异。可以通过对不同差异值的处理 来预报钢水温度，此种测温方法可以实现在线测温。但由于辐射测温是非接触式 的，它无法适应现场恶劣的生产环境，对被测温环境中的烟尘、水汽、电磁场的 干扰无处理能力，这样会存在着各种误差，造成测量温度的精度无法满足要求。 以上所阐述的两种方法，均是通过硬件设备实钢水温度的硬测量，硬件设备 的消耗，必然造成生产成本提高，增加工人的劳动强度等不利因素。 . 1 . 2成分的测量 钢水成分的在线直接分析是钢铁界长期追求的目 标。目前形成的钢水成分直 接 分 析 技 术 有以 下 几 种 l l a . 钢水表面直接发光法 该技术利用氢气放电的方法使炉内金属发光，经光纤将发光信号送往光谱分 析仪进行化学元素分析，从而可得出钢水中的c , s i , p , mn , s 等成分的含量口 东 北大学硕士学位论文 第一章 引言 得钢水终点参数的测量比 较困难。 1 . 1 . l 温度的测量 就温度而言，目前，国内外真空感应熔炉的主要测温方法有热电偶测温及辐 射测温两种。这两种测温方法各有利弊，但是都达不到生产所希望的最佳测量要 求。 ( 1 ) 热电偶温度计 2 0 世纪6 0 年代前后一次性使用的快速微型热电 偶探头逐渐完善并成为测量钢 水温度的标准技术。但是该测量方法测量钢水温度时需要人工往电炉或中间包内 插入一支热电偶，热电偶温度计在每次插入钢液前都要更换石英保护套管。 采用 该方法存在如下不足: 劳动强度变大，工作环境恶劣，操作人员容易因钢水飞溅而 受伤;快速偶头的制作质量和插入深浅不同会使测量结果波动较大，影响测温的 准确性和稳定性;侮次只能测定间隔一定时间的温度，无法给出温度连续变化的 数据。 为了力求接近连续变化的过程，只能频繁地利用快速热电偶进行多次测量， 这样不但测温费用高，劳动强度大，即使是多次测量也不能真正反映 连续变化，. ( 2 ) 射测温方法 因为钢水在不同温度下，辐射的热量有差异。可以通过对不同差异值的处理 来预报钢水温度，此种测温方法可以实现在线测温。但由于辐射测温是非接触式 的，它无法适应现场恶劣的生产环境，对被测温环境中的烟尘、水汽、电磁场的 干扰无处理能力，这样会存在着各种误差，造成测量温度的精度无法满足要求。 以上所阐述的两种方法，均是通过硬件设备实钢水温度的硬测量，硬件设备 的消耗，必然造成生产成本提高，增加工人的劳动强度等不利因素。 . 1 . 2成分的测量 钢水成分的在线直接分析是钢铁界长期追求的目 标。目前形成的钢水成分直 接 分 析 技 术 有以 下 几 种 l l a . 钢水表面直接发光法 该技术利用氢气放电的方法使炉内金属发光，经光纤将发光信号送往光谱分 析仪进行化学元素分析，从而可得出钢水中的c , s i , p , mn , s 等成分的含量口 东 北大学硕士学位论文 第一章 引言 得钢水终点参数的测量比 较困难。 1 . 1 . l 温度的测量 就温度而言，目前，国内外真空感应熔炉的主要测温方法有热电偶测温及辐 射测温两种。这两种测温方法各有利弊，但是都达不到生产所希望的最佳测量要 求。 ( 1 ) 热电偶温度计 2 0 世纪6 0 年代前后一次性使用的快速微型热电 偶探头逐渐完善并成为测量钢 水温度的标准技术。但是该测量方法测量钢水温度时需要人工往电炉或中间包内 插入一支热电偶，热电偶温度计在每次插入钢液前都要更换石英保护套管。 采用 该方法存在如下不足: 劳动强度变大，工作环境恶劣，操作人员容易因钢水飞溅而 受伤;快速偶头的制作质量和插入深浅不同会使测量结果波动较大，影响测温的 准确性和稳定性;侮次只能测定间隔一定时间的温度，无法给出温度连续变化的 数据。 为了力求接近连续变化的过程，只能频繁地利用快速热电偶进行多次测量， 这样不但测温费用高，劳动强度大，即使是多次测量也不能真正反映 连续变化，. ( 2 ) 射测温方法 因为钢水在不同温度下，辐射的热量有差异。可以通过对不同差异值的处理 来预报钢水温度，此种测温方法可以实现在线测温。但由于辐射测温是非接触式 的，它无法适应现场恶劣的生产环境，对被测温环境中的烟尘、水汽、电磁场的 干扰无处理能力，这样会存在着各种误差，造成测量温度的精度无法满足要求。 以上所阐述的两种方法，均是通过硬件设备实钢水温度的硬测量，硬件设备 的消耗，必然造成生产成本提高，增加工人的劳动强度等不利因素。 . 1 . 2成分的测量 钢水成分的在线直接分析是钢铁界长期追求的目 标。目前形成的钢水成分直 接 分 析 技 术 有以 下 几 种 l l a . 钢水表面直接发光法 该技术利用氢气放电的方法使炉内金属发光，经光纤将发光信号送往光谱分 析仪进行化学元素分析，从而可得出钢水中的c , s i , p , mn , s 等成分的含量口 东 北大 学硕士 学位论文第一章 引言 b 微粒子生成传送等离子发光法 利用激光照射，氢气吹入，火花放电 等技术来产生微粒子，将生成的微粒子 传至高频感应等离子发光光谱分析仪中，即可分析出钢液中的各种化学成分含量。 除此之外还有气体平衡分压测定法、化合物粒子生成传送离子发光光谱法和 废弃粉尘分析法等，这里就不再一一介绍。 上述这些方法的成本消耗很高，实际生产中很少用到。在真空感应炉中，由 于炼钢过程特定的条件， 钢液中的含量都不能直接测定与估算，实际应用过程中 是通过取样再送到化验室去分析来确定的， 一般每炉只能测量2 - 3 次。 其结果常常 导 致现场操作人员必须等待取样分析的结果，以 确定熔池中含量是否达到标准可 以出钢. 这对保证炼钢过程高效率、高质量运行是非常不利的。 综上所述，由于冶炼过程中温度及成分的测量存在着种种不足，因而终点预 报在炼钢过程中起到非常重要的作用。准确预报炼钢终点的钢水温度及含量，可 以 及时调整冶炼功率以及加入的原材料和辅助材料等，从而提高终点命中率。 1 .2炼钢终点预报方法的研究现状 炼钢终点预报即在给出炼钢生产的原料和操作条件后，能够及时预测出终点 成 份( 如终点 碳含量、 磷含量等) 和终点 温度， 使预报的 命中率达到一定要求。 到目 前为止，各国学者研究出来的作为炼钢终点预报的方法己经有很多了， 但这些方法大多应用于高炉、转炉及电 弧炉中，应用到真空感应炉中的实例还很 少。下面介绍一些常见的预报方法: 1 .2 . 1 基干机理模型的方法 该方法是通过分析炼钢过程的化学反应和传热传质过程，列出反应方程和物 质能量平衡方程， 从而描述电 炉的内 在规律12 1 。 如东北大学武拥军等人13 1 基于l f 炉精练过程，以 钢水和炉渣为研究体系，通过对其能量收入和损失的系统分析与 计算，利用热平衡规律，详细推导并建立了钢水升温速率模型，并以此模型预报 钢水终点 温 度。 其中 钢包包壁的 传热 机制 ( 包 括包佃 壁和包底) 分别 采用圆 柱坐 标下 和直角坐标下的一维非稳态导热微分方程及其初始条件和第三类边界条件来描 述，以有限差分方法求解。编制成计算机程序对实际过程模拟仿真，仿真结果与 东 北大 学硕士 学位论文第一章 引言 b 微粒子生成传送等离子发光法 利用激光照射，氢气吹入，火花放电 等技术来产生微粒子，将生成的微粒子 传至高频感应等离子发光光谱分析仪中，即可分析出钢液中的各种化学成分含量。 除此之外还有气体平衡分压测定法、化合物粒子生成传送离子发光光谱法和 废弃粉尘分析法等，这里就不再一一介绍。 上述这些方法的成本消耗很高，实际生产中很少用到。在真空感应炉中，由 于炼钢过程特定的条件， 钢液中的含量都不能直接测定与估算，实际应用过程中 是通过取样再送到化验室去分析来确定的， 一般每炉只能测量2 - 3 次。 其结果常常 导 致现场操作人员必须等待取样分析的结果，以 确定熔池中含量是否达到标准可 以出钢. 这对保证炼钢过程高效率、高质量运行是非常不利的。 综上所述，由于冶炼过程中温度及成分的测量存在着种种不足，因而终点预 报在炼钢过程中起到非常重要的作用。准确预报炼钢终点的钢水温度及含量，可 以 及时调整冶炼功率以及加入的原材料和辅助材料等，从而提高终点命中率。 1 .2炼钢终点预报方法的研究现状 炼钢终点预报即在给出炼钢生产的原料和操作条件后，能够及时预测出终点 成 份( 如终点 碳含量、 磷含量等) 和终点 温度， 使预报的 命中率达到一定要求。 到目 前为止，各国学者研究出来的作为炼钢终点预报的方法己经有很多了， 但这些方法大多应用于高炉、转炉及电 弧炉中，应用到真空感应炉中的实例还很 少。下面介绍一些常见的预报方法: 1 .2 . 1 基干机理模型的方法 该方法是通过分析炼钢过程的化学反应和传热传质过程，列出反应方程和物 质能量平衡方程， 从而描述电 炉的内 在规律12 1 。 如东北大学武拥军等人13 1 基于l f 炉精练过程，以 钢水和炉渣为研究体系，通过对其能量收入和损失的系统分析与 计算，利用热平衡规律，详细推导并建立了钢水升温速率模型，并以此模型预报 钢水终点 温 度。 其中 钢包包壁的 传热 机制 ( 包 括包佃 壁和包底) 分别 采用圆 柱坐 标下 和直角坐标下的一维非稳态导热微分方程及其初始条件和第三类边界条件来描 述，以有限差分方法求解。编制成计算机程序对实际过程模拟仿真，仿真结果与 东 北大 学硕士 学位论文第一章 引言 b 微粒子生成传送等离子发光法 利用激光照射，氢气吹入，火花放电 等技术来产生微粒子，将生成的微粒子 传至高频感应等离子发光光谱分析仪中，即可分析出钢液中的各种化学成分含量。 除此之外还有气体平衡分压测定法、化合物粒子生成传送离子发光光谱法和 废弃粉尘分析法等，这里就不再一一介绍。 上述这些方法的成本消耗很高，实际生产中很少用到。在真空感应炉中，由 于炼钢过程特定的条件， 钢液中的含量都不能直接测定与估算，实际应用过程中 是通过取样再送到化验室去分析来确定的， 一般每炉只能测量2 - 3 次。 其结果常常 导 致现场操作人员必须等待取样分析的结果，以 确定熔池中含量是否达到标准可 以出钢. 这对保证炼钢过程高效率、高质量运行是非常不利的。 综上所述，由于冶炼过程中温度及成分的测量存在着种种不足，因而终点预 报在炼钢过程中起到非常重要的作用。准确预报炼钢终点的钢水温度及含量，可 以 及时调整冶炼功率以及加入的原材料和辅助材料等，从而提高终点命中率。 1 .2炼钢终点预报方法的研究现状 炼钢终点预报即在给出炼钢生产的原料和操作条件后，能够及时预测出终点 成 份( 如终点 碳含量、 磷含量等) 和终点 温度， 使预报的 命中率达到一定要求。 到目 前为止，各国学者研究出来的作为炼钢终点预报的方法己经有很多了， 但这些方法大多应用于高炉、转炉及电 弧炉中，应用到真空感应炉中的实例还很 少。下面介绍一些常见的预报方法: 1 .2 . 1 基干机理模型的方法 该方法是通过分析炼钢过程的化学反应和传热传质过程，列出反应方程和物 质能量平衡方程， 从而描述电 炉的内 在规律12 1 。 如东北大学武拥军等人13 1 基于l f 炉精练过程，以 钢水和炉渣为研究体系，通过对其能量收入和损失的系统分析与 计算，利用热平衡规律，详细推导并建立了钢水升温速率模型，并以此模型预报 钢水终点 温 度。 其中 钢包包壁的 传热 机制 ( 包 括包佃 壁和包底) 分别 采用圆 柱坐 标下 和直角坐标下的一维非稳态导热微分方程及其初始条件和第三类边界条件来描 述，以有限差分方法求解。编制成计算机程序对实际过程模拟仿真，仿真结果与 东 北大 学硕士学位论文 实际的误差均在满足工艺要求的范围内 第一 章 引言 由于是从冶金理论出发，因而这类模型的开发相对复杂，周期较长，同时由 于炼钢过程反应过于复杂，其中有许多不可测干扰的影响，这类模型都对实际过 程进行了一定的假设或简化，因此，单纯的 机理模型常常难以 满足现场的要求。 1 . 2 . 2 基于统计的方法 此类方法是依据黑箱原理，不考虑炼钢过程中的各种物理化学规律，单纯采 用统计的方法，通过现场数据的收集、整理与统计分析，从输入输出数据关系中 寻找统计规律，确立模型的建模方法。常见的是用一些回归方法如逐步回归法对 现场的 生 产数 据进行回归， 寻找 最 优的回 归方 程， 得出 预测模型。 在文献 【 4 中 运 用 这 释 统 计 方 法 使 终 点 碳 含 童 的 控 制 合 格 率 达 到7 7 % ， 终 点 温 度 的 合 格 率 达 到 6 5 %a 这类模型能较好的校正各种系统误差，实用性强。该方法过程相对简单，但 由于冶炼过程机理复杂，干扰因素众多，目 前，统计模型还不能有效地覆盖各种 冶炼模式，因而其适用范围受到很大限制。 1 .2 .3基于灰色系统理论的灰色预测方法 1 9 8 2 年， 邓聚 龙 提出 灰 色系 统建 模方 法15 1 ， 将原 始数据进 行累 加处理， 使原 来离乱 的数 列 ( 灰色 数列 ) 变得比 较有 规律， 然后 建立系统的 模型。 灰色系 统建模 不 需要大i的数据， 计算盆小，尤其适合各种预报，因而得到了非常广泛的应用。 与 通常的 建模方法不同， 灰色模型不是利用给定的数据( 非负数据) 直接建立模 型， 而是通过累加生成( a g o ) 将原来无规律的数据变成单调递增有规律的数据后建 立模型，要检验模型对原始数据的拟合程度或要得到对未来预报的结果，需要通 过累 减生 成 ( i a g o ) 的 模型 计算出 结果。 根据灰色系统建 模方 法建立炼 钢终点 温度 和 碳含t的g m模型。 通过该 模型 可以 计 算出 终点 温 度和碳含 量 ( i 5 n 拟合值; i n 为 对未 来炉次的 预报旬。 g m模型 在 一定 程度上反映了 定 量因素对终点 影响的 一 种趋势，而无法反映非定t因素的影响。 东 北大 学硕士学位论文 实际的误差均在满足工艺要求的范围内 第一 章 引言 由于是从冶金理论出发，因而这类模型的开发相对复杂，周期较长，同时由 于炼钢过程反应过于复杂，其中有许多不可测干扰的影响，这类模型都对实际过 程进行了一定的假设或简化，因此，单纯的 机理模型常常难以 满足现场的要求。 1 . 2 . 2 基于统计的方法 此类方法是依据黑箱原理，不考虑炼钢过程中的各种物理化学规律，单纯采 用统计的方法，通过现场数据的收集、整理与统计分析，从输入输出数据关系中 寻找统计规律，确立模型的建模方法。常见的是用一些回归方法如逐步回归法对 现场的 生 产数 据进行回归， 寻找 最 优的回 归方 程， 得出 预测模型。 在文献 【 4 中 运 用 这 释 统 计 方 法 使 终 点 碳 含 童 的 控 制 合 格 率 达 到7 7 % ， 终 点 温 度 的 合 格 率 达 到 6 5 %a 这类模型能较好的校正各种系统误差，实用性强。该方法过程相对简单，但 由于冶炼过程机理复杂，干扰因素众多，目 前，统计模型还不能有效地覆盖各种 冶炼模式，因而其适用范围受到很大限制。 1 .2 .3基于灰色系统理论的灰色预测方法 1 9 8 2 年， 邓聚 龙 提出 灰 色系 统建 模方 法15 1 ， 将原 始数据进 行累 加处理， 使原 来离乱 的数 列 ( 灰色 数列 ) 变得比 较有 规律， 然后 建立系统的 模型。 灰色系 统建模 不 需要大i的数据， 计算盆小，尤其适合各种预报，因而得到了非常广泛的应用。 与 通常的 建模方法不同， 灰色模型不是利用给定的数据( 非负数据) 直接建立模 型， 而是通过累加生成( a g o ) 将原来无规律的数据变成单调递增有规律的数据后建 立模型，要检验模型对原始数据的拟合程度或要得到对未来预报的结果，需要通 过累 减生 成 ( i a g o ) 的 模型 计算出 结果。 根据灰色系统建 模方 法建立炼 钢终点 温度 和 碳含t的g m模型。 通过该 模型 可以 计 算出 终点 温 度和碳含 量 ( i 5 n 拟合值; i n 为 对未 来炉次的 预报旬。 g m模型 在 一定 程度上反映了 定 量因素对终点 影响的 一 种趋势，而无法反映非定t因素的影响。 东北大学硕士学位论文第一章 引言 1 .2 .4基于智能理论的方法 随着人工智能技术的发展， 其在炼钢过程的应用也取得了重大突破，从而为 炼钢控制提供了新途径。人工智能方法也是应用较为广泛的炼钢终点预报及终点 控制方法， 它常用的 方法包含专家系统、 模糊技术、 神经网 络和遗传算法等6 。 运 用的方法集中体现在符号处理方法、遗传进化方法、自 适应方法以及人工神经网 络方法。尤其是遗传算法和神经网络的结合在钢铁工业上的应用正日趋加大。对 炼钢工艺进行优化， 基于对象影响因素多，过程复杂多变的原因，要想借助符号 处理的 难度非常 大，使用遗传算法和人工神经网 络则是一个较好的选择7 1 .2 .4 . 1专家系统 在人工神经网络的应用之前，曾经用专家系统来对转炉炼钢作优化和预测， 专家系统模拟了人类专家的思维与决策过程，它可以引进人类经验并提高模型弹 性，从而弥补传统控制模型的部分缺陷和不足。但是专家系统和神经网络相比自 学习功能较弱.因此在对复杂炼钢工艺的优化和预测上处于劣势。 1 .2 .4 .2神经网络 近些年来， 神经网络技术的 研究和应用得到了 迅速的发展。 如b p网络和r b f 网络模型均是一种比较成熟而且应用广泛的神经网络模型。它具有自 学习、自 组 织和鲁棒性的特点，适于处理和分析复杂的非线性系统。对于炼钢这种影响因素 众多且各因素之间相互影响，存在复杂的非线性关系的过程，更适合用神经网络 建模。当炼钢工况变化大，影响预报精度时，采用对非线性系统具有很强逼近能 力的 神 经网 络对 炼 钢终点 温度 及 碳 含量 预 报 4 ,8 ,9 ， 可 提高 其预 报 精 度。 目 前， 国内外已经有人将人工神经网络b p 模型成功地应用到转炉计算机控制 上来。 武钢采用b p 神经网络计算机静态控制以来， 在终点c = 0 .0 6 %士0 .0 2 % 和终 点 温 度1 6 6 0 士1 2 0 c 的 条件下， 碳温同 时 命中 率 达到7 3 .0 % : 文献 1 0 采用收 敛速 度快、 逼近能力强的r b f 三层前馈网络，建立转炉炼钢终点温度及碳含量预报模 型 ， 进 一 步 提 高 了 预 测 精 度 。 当 预 报 误 差 要 求 e r l 频率1 8 0 h z 。此后的三年间， 变频发电 机组和静止变频器共存， 交 替 过 渡 . 到 1 9 7 0 年 后 ， 所 有 真 空 感 应 炉 都 配 置 可 控 硅 静 止 变 频 电 源 。 经 过 近 元年 的发展， 可控硅静止变频电 源技术己 经非常成熟。在整个冶炼周期中， 功率从1 % 一1 0 0 % 的 平 滑 调节，使 操 作 极 其 灵 活，准 确，无 波 动; 变 频电 源的 频率 在一 定的范围内 是变化的， 能自 动跟踪适应炉料的变化， 无需大电 流接触器来开关 电 容器， 调节炉子的功率因数; 效率高， 三相对称电网负荷， 工作状态非常优 越。变频电源的功率已 达1 0 0 0 0 k w o 东 北大学硕士学位论文第二章 真空感 应炉概述 2 ) p l c控制 可编程序控制技术， 使得真空熔炼设备的自 动化和半自 动化运行成为可能。 设备严格按用户设置的程序运行， 工艺技术条件得以 严格控制， 可重复性强。 对设备运行和工艺过程实施高度控制。例如， 真空机组的开关、监测， 真空阀 门的开闭、联锁、切换，故障的识别， 报警， 预防误操作等等都由p l c控制。 3 ) 计算机辅助监控 根据实践所积累的丰富经验数据， 编制成计算机软件， 计算机通过对实测的 温度与软件给定的工艺曲线进行比较， 调整电 源功率输出， 从而控制钢液的温 度， 防止精炼期熔液的温度过热和过低， 实现经济运行。熔池的实际温度是通 过扫描式光学高温计连续测定的。在测量过程中， 熔池表面的渣子， 添加合金 元素 修正 ，光学玻璃的污染等等原因都会影响被测数据的准确性， 计算机将自 动进行 4 ) 计算机辅助计算合金元素的添加量 精炼后期， 取样分析后一般要调整合金成分。在中间分析的基础上， 按合 金成分的 要求， 补加入合金元素的数量由计算机计算决定， 并由 打印 机记录存 档。 5 ) 计算机控制的质谱仪 由于 对材料质量要求越来越高，所以感应炉生产工艺过程要求有高度的稳定 性和可重复性. 国外发明了 用于v i i 的气体分压力分析的质谱控制仪，使v i m工 艺实 现最佳化选择， 从而实现经济运行。 通过对炉内 残余气体含量的 连续测定分 析，以 测定添加活性元素的 最有利时间 和加入的顺序; 测定工艺过程的进展阶段， 如精炼期的终结，出 钢时间等; 及时发现炉子的 漏气，冷却水和液压管线的泄漏 等等。 6 ) 真空感应炉和其他设备的 组合功能 东北大学 硕士学位论文 紧凑型真空感应炉( v i d p ) 在与其他浇注系统组合方面， 第二章 真空 感应炉概述 有很强的适应性， 从而扩展了真空感应炉的功能， 实现了一机多用， 提高了综合经济效益。 主要的组合有以下三种: ( 1 ) v id p与粉末雾化工艺的组合。 ( 2 ) v i d p与铸锭/电极铸造/ 垂直连铸渤末雾化的多重组合。 ( 3 ) v i d p与 铸锭/ 电 极铸造和水平连铸的组合。 东北大学硕士学位论文第三幸 r b f 神经网 络原理及其应用 第三章 r b f 神经网络原理及其应用 人工神经网 络( a r t i fi c a l n e u r a l n e t w o r k s ， 简称a n n s ) 是四 十年代提出、 八十年 代复兴的一门交叉学科。该项技术以生物大脑的结构和功能为基础、以网络结点 模仿大脑的神经细胞、以网 络连接权模仿大脑的 激励电平、以 简单的数学方法完 成复杂的智能分析，能有效的处理问题的非线性、模糊性和不确定性关系。人工 神经网络技术以其大规模并行处理、分布式存储、自 适应性、容错性等优点吸引 了众多领域科学家的广泛关注，已成为人工智能研究和应用的热点之一。它的应 用渗透到自 动控制领域的各个方面，包括系统辨识、系统控制、优化计算以 及控 制系统的故障诊断与容错控制等。 3 . 1神经网络的发展及典型模型 人工神经网络的研究始于2 0 世纪4 0 年代。下面将对人工神经网络发展的历史 和 著 名 学 者 作 一 简 单 的 介 绍 12 1112 2 1 ( 1 ) 1 9 4 3 年，由 心 理学家 m c c u ll o c h 和 数理 逻辑学 家 w.p i tt s 首 次提出了 模仿人 类 大脑中的神经元与连接方式以构成并行算术和逻辑运算的人工神经网络模型 ( a n n ) ， 简称m - p 模型， 如图 3 . 1 所示。 此模型一直沿用至今， 他们是人工神经 网 络 研究 的 开 先 河者 【2 3 1 图 3 . 1神经元m - p 模型 f i g .3 . 1 m- p m o d e l o f n e r v e c e l l ( 2 ) 计 算机专家v o n n e u m a n n 于19 4 8 年提出了 简单神经元构成的自 动机网 络结 构，可惜这个设想并没有变成现实。但是， 他仍然是人工神经网络研究的先4v者 之一。 东北大学硕士学位论文第三幸 r b f 神经网 络原理及其应用 第三章 r b f 神经网络原理及其应用 人工神经网 络( a r t i fi c a l n e u r a l n e t w o r k s ， 简称a n n s ) 是四 十年代提出、 八十年 代复兴的一门交叉学科。该项技术以生物大脑的结构和功能为基础、以网络结点 模仿大脑的神经细胞、以网 络连接权模仿大脑的 激励电平、以 简单的数学方法完 成复杂的智能分析，能有效的处理问题的非线性、模糊性和不确定性关系。人工 神经网络技术以其大规模并行处理、分布式存储、自 适应性、容错性等优点吸引 了众多领域科学家的广泛关注，已成为人工智能研究和应用的热点之一。它的应 用渗透到自 动控制领域的各个方面，