（机械电子工程专业论文）ecr长材连铸连轧生产线连铸过程优化控制的研究.pdf

上海大学博士论文摘要 摘要 本文是国家科技部重大专项课题“长材连铸连轧生产线”( 课题号： 2 0 0 l b a 3 0 6 8 0 3 ) 的一部分。以国外某钢铁厂长材连铸连轧生产线为背景，针对长 材连铸连轧生产线中e c r 连铸机过程控制的若干关键技术做了以下研究工作。 1 、以实际连铸机为研究背景，建立了结晶器液位控制对象的数学模型，模型 包括了钢包对中间包液位的影响，考虑了中间包多水口的相互影响。 2 、对结晶器钢水液位控制采用了基于专家知识的智能p i d 模糊复合控制策略。 智能p i d 模糊控制系统继承了p i d 控制的优点，增加了人工智能的经验。仿真实 验结果表明，p i d 模糊复合控制策略可以实现稳态、非稳态工况下的结晶器液位稳 定控制，控制系统对塞棒、水口结瘤、结瘤脱落等干扰具有很好的抑制作用。模糊 控制规则可以在生产实践中不断积累、修改完善。p i d 模糊复合控制器设计、调试 简单，易于工程应用。 采用智能p i d 模糊控制的结晶器液位控制系统在实际连铸机上进行了生产现 场试验，试验结果验证了仿真实验结果，结晶器液位控制精度3 m m ，达到了引进 设备的控制效果。 3 、结合e c r 连铸机工艺特点，对一次冷却、二次冷却的影响因素、控制准则 进行分析与研究。建立了连铸坯温度场数学模型，用有限差分法对温度场数学模型 求解，对连铸坯凝固过程进行仿真。为e c r 连铸机工艺设计，实现连铸坯过程温 度控制，作了基础性的准备工作。 运用仿真技术研究了高拉速条件下钢水在结晶器内的凝固特性，提出了结晶器 热流密度分布的设计准则，为高拉速条件下的结晶器设计提供理论基础。 4 、在冶金冷却约束条件的指导下，利用g a 全局优化能力，提出一种启发式 g a 优化连铸矩形坯冷却条件的方法，用尽可能少的冷却水量得到尽可能接近期望 的目标温度，为e c r 连铸机冷却水量控制提供一个初始设计准则。 5 、针对连铸二冷动态配水中在拉速变化范围大的情况下，系统不稳定，水量 计算偏差大等实际应用中存在的问题，提出了一种连铸二次冷却动态控制方法。 二次冷却动态控制方法改变传统的单一目标温度的方法，采用冶金约束条件允 许下的变氆且梅强度，变化盈鏖控制精度，变毽鲤盆水量的方法。采用神经网络模 型( t t a n n ) 实现铸坯表面目标温度及控制精度的动态设定，采用神经网络模型 上海大学博：f 二论文 ( i w a n n ) 实现铸坯温度控制初始水量的动态设定，构造智能p i d 控制器。由上 述控制模块与连铸温度场计算模块构成连铸二冷动态控制系统，实现了连铸二冷动 态优化控制。 关键词：连铸连轧、结晶器液位控制、智能p i d 控制、模糊控制、二次冷却控 制、遗传算法、神经网络 上海大学博士论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sap a r to ft h ei m p o r t a n ta n ds p e c i a lp r o j e c t l o n gp r o d u c t s c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n gl i n e ( i t e mn o ：2 0 0 1b a 3 0 6 8 0 3 ) s p o n s o r e db y m i n i s t r yo fn a t i o n a ls c i e n c ea n dt e c h n i q u e b a s e do n al o n gp r o d u c t sc o n t i n u o u sc a s t i n g a n dr o l l i n gl i n ea b o a r d ，a n df o c u s e do ns o m ek e yp r o b l e m so f p r o c e s sc o n t r o l ，f o l l o w i n g r e s e a r c hw o r k sh a v eb e e nd o n e 1i nt h eb a c k g r o u n do far e a lc o n t i n u o u sc a s t i n gm a c h i n e ，m a t h e m a t i c a lm o d e l so f m o l dl e v e lc o n t r o la r es e tu p ，w h i c hi n c l u d ee f f e c t so fl a d l eo nt u n d i s ha n dm u t u a l e f f e c t so f m u l t i p l en o z z l e s 2c o m p a r i s o na n dr e s e a r c ho ns t r a t e g yo fm o l dl e v e lc o n t r o la r em a d e i n t e l l i g e n t h y b r i dp i da n df u z z yc o n t r o li sak i n do fc o n t r o lb a s e do ne x p e r tk n o w l e d g ew h i c h i n h e r i t st h ea d v a n t a g eo fp i da n dg e t se x p e r i e n c eo fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e s i m u l a t i o n t e s t ss h o wt h a ti n t e l l i g e n th y b r i dp i da n df u z z yc o n t r o l l e rc a nc a r r yo u tm o l dl e v e l c o n t r o la ts t e a d ya n du n s t e a d ys i t u a t i o n t h es y s t e mw i t hi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e rc a nw o r k v e r yw e l la tt u r b u l e n c eo fc l o g g i n ga n du n c l o g g i n g r u l e so ff u z z yc o n t r o lc a nb ea d d e d a n di m p r o v e di np r a c t i c ec o n t i n u o u s l y d e s i g na n di m p l e m e n to ff u z z yc o n t r o li ss i m p l e a n de a s y t h ef i e l dt e s to f t h em o l dl e v e lc o n t r o ls y s t e mw i t hi n t e l l i g e n th y b r i dp i da n df u z z y c o n t r o lh a sb e e nd o n e t h er e s u l to ft e s ts h o w st h a tt h ea c c u r a c yo fs y s t e mc o n t r o lc a n r e a c hl e s st h a n3 m m ，e q u a l st ot h er e s u l to f a ni m p o r t e dd e v i c e 3f r o mt h ev i e wp o i n to fc o n t r o l ，a n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nh e a te x c h a n g ea n d t h e r m a lb a l a n c e ，e f f e c t so ft h ef i r s tc o o l i n g ，t h es e c o n d a r yc o o l i n g ，r u l e so fc o n t r o la r e m a d e t h i si se s s e n t i a lp r e p a r a t i o nf o re c rc a s t e rd e s i g na n dt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fe c rc a s t e r , m a t h e m a t i c a lm o d e lo fb l o o m t e m p e r a t u r ef i e l di ss e tu p a n dt h ee q u a t i o n sa r es o l v e dw i mf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o dt o s i m u l a t et h ep r o c e s so f b l o o ms o l i d i f i c a t i o n s o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co f l i q u i ds t e e li nm o l da th i g hc a s t i n gs p e e di ss t u d i e d w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dr u l eo f h e a tf l u xd i s t r i b u t i o ni nm o l di sp r o p o s e d 4i ng u i d eo f t e c h n o l o g i c a la n dm e t a l l u r g i c a lc o n s t r a i n t st ob l o o mc o o l i n g ，u s i n gt h e a b i l i t yo fg at oo p t i m i z ei nw h o l er a n g e ，h e u r i s t i cg am e t h o dt oo p t i m i z ec o o l i n g p a r a m e t e r si nb l o o mc a s t i n gi ss e tu pt or e a c hs e t t i n gt a r g e tt e m p e r a t u r ea sc l o s e l ya s p o s s i b l ew i t ht h em o s tm i n i m u mw a t e rf l o wr a t e t h i sw o r ks e t su pi n i t i a lr u l e sf o re c r 上海大学博士论文摘要 c a s t e rd e s i g no fc o o l i n gw a t e rc o n t r 0 1 5am e t h o do f d y n a m i cs e c o n d a r yc o o l i n gc o n t r o li nc o n t i n u o u sc a s t i n gi sp r o p o s e d a ip i dc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d ，w h i c ha d o p t st h em o d e lo fn e u r a ln e t w o r k s ( t t a n n ) t o r e a l i z ed y n a m i cs e t t i n go fa i m e db l o o ms u r f a c et e m p e r a t u r ea n dc o n t r o la c c u r a c y ，a n d i n t r o d u c e st h em o d e lo fn e u r a ln e t w o r k s ( i w a n n ) t or e a l i z ed y n a m i cs e t t i n go fi n i t i a l w a t e rf l o wr a t ef u rt e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 o p t i m a la n dd y n a m i cc o n t r o lo ft e m p e r a t u r ei s i m p l e m e n t e di ns e c o n d a r yc o o l i n gs y s t e mo f c o n t i n u o u sc a s t i n g k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sc a s t i n ga n dr o l l i n g ，m o l dl e v e lc o n t r o l ，i n t e l l i g e n tp i d c o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，s e c o n d a r yc o o l i n gc o n t r o l ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，n e u r a ln e t w o r k s 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在沦文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：譬比日期竺生：星：l 箩 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：粤互堑基 导师签名 妇 、7 蝤 上海大学博士论文第一章绪论 第一章绪论 1 1e c r 长材连铸连轧生产线连铸工艺简介 1 1 1e c r 长材连铸连轧工艺特点 十几年来薄板坯连铸连轧、铸坯热送、热装技术使连铸成为最活跃的领域，这些 技术的发展与实践大幅度地降低了设备投入及生产成本，提高了产品的竞争力。同板 材相比，长材生产在这些方面的进展则没有板坯那么明显。长材产品在钢材的总产量 中占有相当的比重，长材生产推广高效连铸、铸坯热送、热装技术以及连铸连轧技术 潜力巨大。2 0 0 0 年8 月，世界上第一台e c r 无头连铸连轧生产线在意大利a b s 厂 投产。e c r 无头连铸连轧工艺是小型钢厂生产特钢和普钢长材产品的一项创新技术。 方坯生产方面的现代连铸技术在e c r 生产线上得到了充分体现。 e c r 无头连铸连轧工艺生产实践表明，采用先进合理的连铸工艺及其配套的装 备，浇注1 6 0 x 2 0 0 m m 规格的连铸坯，普碳钢浇铸速度最大可以达到6 米分钟，合金 钢浇铸速度最大可以达到3 5 米分钟以上，实了无漏钢连铸。经连铸机生产的连铸坯 通过隧道式加热炉直接供给轧机，不间断地直接轧制。 同现有的其它生产工艺相比，e c r 无头连铸连轧生产线特殊钢生产成本平均降 低4 4 5 0 美元吨，普通钢生产成本平均降低1 2 1 4 美元屯。 e c r 无头连铸连轧生产线提高了生产的灵活性，缩短供货周期，可以按用户订 单需求仅用数天时间完成交货。 棒线材实现无头连铸连轧的优点是：能源消耗下降；原料收得率提高；工艺流程 简化，生产费用下降；由于减少了工序，缩短了生产周期，设备生产率和设备利用率 更高；在线采用无缺陷铸坯轧制，提高了产品质量，产品的力学性能、尺寸公差、表 面质量更佳；节约生产厂房面积和劳动力。 1 1 2e c r 长材连铸连轧工艺中高效连铸的核心技术 e c r 无头连铸连轧工艺实现的核心是高效连铸机的工艺革新和先进设计。 ( 1 ) e c r 连铸机基本参数 e c r 无头连铸连轧生产线的高速连铸机基本弧半径为9 米，2 流。结晶器采用直 弧形，上段为直段，下段为半径很大的弧形段。由于高拉速连铸机冶金长度较长，采 用多点弯曲、带液心的多点矫直。 上海大学博士论文第一章绪论 ( 2 ) 结晶器技术 e c r 连铸机为了适应高拉速需要，采用长结晶器。结晶器内腔形状设计是将铜 管设计成倒锥度，补偿铸坯凝固收缩，减少气隙。结晶器锥度是按照浇注的主要钢种 凝固收缩数据设计的。 连铸机漏钢预报系统实时监控坯壳在结晶器内的状态，根据情况自动采取措施， 实现了“零漏钢率”。 ( 3 ) 结晶器液面控制技术 e c r 高速连铸机液面控制的特点是可以通过控制钢水微小流量来保证很高的液 位控制精度。塞棒以适当的频率振动，通过振动避免水口区域结瘤，保证钢水流的正 常。机构设计保证设备维修量最低。当出现事故时，即使没有动力的情况下，塞棒自 动复位，关闭水口。 ( 4 ) 结晶器振动 结晶器振动装置采用液压伺服驱动，振动波形、振幅、频率可以在线调整。可以 在线实现正弦、非正弦振动。 ( 5 ) 支撑导向及二次冷却 e c r 连铸机的特点是扇形段可以自动离开铸流位置，便于例行和非正常检修和 维护，不影响车间吊车的正常工作。二次冷却区分成l1 个区域，每个区域由自动控 制系统独立控制。这样设计目的是使铸坯通过二冷达到理想的冷却效果，其特点是传 热系数从结晶器到二冷末端逐渐减小，使得铸坯机械应力最小。喷淋系统的设计是以 凝固和传热数学模型为基础完成的。以设定的理论温度分布曲线为基准，通过计算对 喷嘴的布置进行评价。二冷区的优化设计提供了快速、合理的凝固速度，避免产生表 面和内部缺陷。 ( 6 ) 铸坯热装及淬火水箱 使用淬火水箱的e c r 工艺解决了“热脆性”问题，节约能源，保持了铸机与加 热炉之间的灵活性，工艺平面布置简单。 ( 7 ) 全程温度控制技术 全程温度控制的基础是基于凝固传热建立的连铸过程数学模型的精确性，以及计 算机仿真的准确性。e c r 连铸、连轧工艺使用的经过现场标定的数学模型以及计算 机仿真技术是实现连铸连轧全程自动控制的关键。 ( 8 ) 在线仿真技术( g h o s tc a s t i n g ) 上海大学博士论文第一章绪论 在线仿真技术可以对连铸工艺过程进行在线模拟。通过模拟可以显示连铸过程的 主要参数并可以在线调整。这样在没有实际钢水浇注的情况下可以显示并观察浇注的 有关参数。在线仿真可以对操作人员进行实际操作的培训，预先检查设备的运行情况， 为实际浇注做准备。 连铸控制技术是e c r 长材连铸连轧生产线的关键技术之一，是先进的连铸工艺 技术在生产线上的最终体现。连铸关键控制技术以钢水流控制、铸坯凝固与温度控制 工艺关键技术为核心，主要体现在如下几个方面：钢水液位控制、结晶器液压非正弦 振动、结晶器内钢水一次冷却控制、二冷动态控制、漏钢预报与铸坯质量控制 2 1 9 1 。 1 2 连铸控制技术的现状与发展 1 2 1 结晶器钢水液位控制 1 2 1 1 液位检测装置与执行器 结晶器液面检测常用的方法有：电涡流法、热电偶法、红外线法、射源法等。目 前，方坯连铸机多采用c s 一1 3 7 或c o 一6 0 为放射源的射源法。射源法精度高、稳定 性强，但要求严格管理，保证使用安全。但由于放射性造成的心理恐慌，往往不受现 场欢迎。国内、外方坯连铸机基本多使用射源法。板坯连铸机多采用电涡流法”。 液位控制机构有滑动水口和塞棒控制机构两种形式。本课题研究以塞棒控制机构 为研究对象，但同样适应滑动水口控制，两者的控制方式相同。 在结晶器液位控制系统中，执行器是很关键的一环。液位控制系统的执行器国外 及国内进口的液位控制系统中多采用伺服液压缸，多数关于结晶器液位控制系统的算 法是基于伺服液压缸为执行器研究的。近几年，国内几家公司及法国s e r t 等专业开 发结晶器液位控制系统的公司开发研制了数字电动缸作为执行器，在生产中得到应 用。数字电动缸具有控制精度高、维护工作量小、成本低、性能可靠等优点，有取代 伺服液压缸的趋势。 1 2 1 2 控制系统及控制策略”1 ( 1 ) p i d 控制策略 目前，国内外连铸机生产中使用的结晶器液位控制系统多使用p i d 方式控制策 略。传统的结晶器液位控制系统原理如图1 1 。 上海大学博士论文笫一章绪论 图1 1 结晶器液位控制原理图 生产实践证明，在拉速等工况条件稳定的情况下，p i d 算法是可靠与可行的。但 由于中间包塞棒在浇注过程中受钢水侵蚀，中间包液位变化，拉钢速度突变，喷嘴堵 塞等因素影响，塞棒位置与钢水流量的特性关系发生变化，这时p i d 就使得控制液 位变得十分困难。p i d 控制策略是基于常规的p i d 算法进行的改良。如自动调整p i d 参数、带死区变增益的非线性控制、非线性串联补偿、高频抖动补偿( 如引入振动信 号并自动调整其振幅和周期，以消除塞棒或滑动水口的摩擦与死区等) 。 ( 2 ) 基于现代控制理论的控制策略 采用现代控制理论的算法。如基于零极点配置的液位控制策略( 相角超前、滞后 补偿控制，扰动补偿控制) ，主体回路自校正控制器，预测控制，自适应控制，h o o 控制，状态观察器等。 日本川崎钢铁公司使用状态观察器控制策略设计的结晶器液位控制系统在该厂 的拉速为2 5 m m i n 的连铸机上使用，液面波动比常规的波动峰值小。 日本钢管公司使用h 。控制策略设计了一套结晶器液位控制系统，在1 5 5 0 m m 2 7 0 m m ，拉速为1 4 m m i n 的板坯连铸机上使用。为了抑制由于凝固坯壳局部变形， 水口堵塞，水口开度与钢流量非线性，液位传感器噪声以及拉速波等干扰，系统设计 使h 。判据最小。还使h o o 半f 据 1 ，使控制系统高度稳定而达到鲁棒控制系统。控 制精度达+ 2 r a m ，比常规p i d 控制系统控制波幅降低3 0 以上。 ( 3 ) 智能化液位控制策略 智能化控制策略主要有专家系统和模糊控制。日本住友金属工业公司采用专家系 统方法实现结晶器液位控制。根据各传感器采集的工艺数据，如浇注速度、结晶器钢 水液位、水口的状态、中间包钢水重量等对整个操作过程的状态、原因以及各参数进 行评定与推理，同时确定哪一个参数对液位波动产生的影响，从而确定所需采取的对 策，并及时调整，使p i d 控制参数最佳，整个系统约有3 0 0 条规则。该系统实现液 位控制波动在圭垒= m m 。 4 上海大学博士论文第一章绪论 结晶器模糊控制策略综合起来分三种方式。一种是建立模糊控制规则，完全取带 p i d ，用建立的模糊控制规则控制塞棒或水口开度，实现液位控制。周铁梁、刘清等 用这种方法代替常规的增量式p i d 控制，设计了结晶器液位控制器并进行了仿真试 验，试验结果表明构造的模糊控制器对克服干扰的响应能力强于p i d 控制，但这种 方法未见实际应用的报道。第二种方式是采用自适应、模糊控制修正p i d 控制器的 控制参数。m a r t i nn i e m a n n 等介绍了用这种方法构造的修正补偿模块设计的结晶器液 位控制系统，在德国蒂森钢公司及曼内斯曼冶金厂得到了应用。萧文栋、王克明等构 造了p i p d 型混杂模糊控制器，进行了仿真试验。仿真试验对周期扰动、水口阻塞及 阻塞物突然脱落的情况进行了研究，仿真试验结果表明该方法具有很好的扰动抑制及 鲁棒性。第三种方式是采用模糊、p i d 复合式控制器。郑周太等对包钢引进的结晶器 液位控制系统进行研究，研究结果表明，采用模糊、p i d 复合式控制器设计的结晶器 液位控制系统继承了p i d 控制的优点的同时系统具有很好的抗干扰能力及快速响应 能力，满足了生产工艺要求。 1 2 1 3 液位控制技术面临的问题及发展川 随着连铸技术的发展，结晶器液位控制技术在连铸生产中得到了越来越多的应 用，对提高连铸坯质量起到了重要作用。国内目前已有专业生产结晶器液位控制系统 的公司，打破了完全依赖进口的局面。但从国内外连铸生产中使用结晶器液位控制系 统的使用情况看，多数的液位控制系统及控制模型适用于稳定浇注过程，但连铸过程 是变化的，一系列无法测量的干扰因素给结晶器液位控制带来困难。液位控制技术面 临如下主要问题。 ( 1 ) 执行机构的磨损与松动 由于现场高温、粉尘的工作环境，执行机构长期使用会产生磨损，产生空行程。 空行程影响控制精度，甚至会使系统发生振荡直至崩溃。 、( 2 ) 塞棒及水口的烧损、结瘤与结瘤脱落 由于塞棒及水口在使用过程中烧损，结瘤与结瘤脱落导致中间包流入结晶器的钢 水流动不规则，即使塞棒停留在同一位置，流量特性也会发生变化。流量特性与塞棒 位置成非线性关系。 、1 3 ) 拉速波动的影响 当连铸机出现异常或设备故障，连铸坯出现缺陷时，或更换中间包时会改变拉速。 拉速波动的影响会产生液位波动。 上海大学博一l 论文 第一章绪论 a 4 ) 钢种不同的影响 不同钢种的粘度不同，会影响钢水的流动特性，进而影响塞棒的特征曲线，影响 控制对象的受控性能。钢种不同对塞棒、水口的结瘤程度会产生不同的影响，如a l 含量高的钢种会容易结瘤。 - 。( 5 ) 结晶器内钢水的紊流与波动 浸入式水口出口的钢水会对结晶器内的钢水产生冲击，甚至产生紊流。钢水的波 动可以从结晶器壁反射回来形成驻波。紊流和波动都会使结晶器液面产生波动。 、6 ) 结晶器内钢液面的振荡 生产中发现，结晶器液位在设定值周围存在周期性的波动，即理堑匡罗振荡”。 对这种现象的解释目前没有十分明确的理论。一般认为是连铸坯在夹辊之间会产生鼓 肚，又在通过夹辊时压回。铸坯在夹辊之间周期性的鼓出、压回，形成了铸坯内液芯 的振荡，这就是结品器液位的振荡。 ( 7 ) 结晶器振动 结晶器振动对液位会产生影响。 针对液位控制存在的上述问题，一系列模块式控制器应运而生。用各种功能模块 消除结晶器液位的各种干扰因素的影响，保证了在不同的连铸机上液位控制系统的正 常使用。但这种多模块式控制器使系统变得复杂，成本增加。 近几年的发展，特别是随着智能控制技术的不断发展与应用，结晶器液位控制技 术向着以p i d 控制为基础，与智能控制技术结合的控制策略方向发展。 1 2 2 冷却控制 1 2 2 1 二次冷却控制策略【2 3 【2 4 】 z 4 1 2 5 】【2 6 】 连铸机钢水过热度的影响一般为了控制方便都折算到拉坯速度考虑。二冷控制 模型体现在拉速v 与水量q 的影射关系。目前，二次冷却的控制方法，有如下几 种。 1 人工配水。制定出配水表，生产时根据拉速人工调整水量。 2 比例控制。根据工艺参数仿真结果，最小二乘法得出二冷各段水量q i = a i v + b i 的控制方程。用p l c 控制水阀门的开度，使水量控制在设定值上。这种方法在小方 坯上应用比较广泛。 3 参数控制。根据浇注的钢种，设定目标温度曲线。找出使铸坯表面实际温度符 合目标温度曲线的二冷各段水量控制参数a 、b 、c ，制定出q i = a i v 2 + b i v + c i 的各 6 上海_ 人学博士论文第一章绪论 段水量控制关系。将控制参数a 、b 、c 储存在计算机或智能仪表内，浇注时选取对 应钢种的控制参数，根据拉速自动配置各回路配水。这种方法在拉速不高，拉速变化 范围不大的大方坯、板坯上应用比较广泛。参数控制中控制参数a 、b 、c 为恒定常 数，不能保证实际铸坯的表面温度与目标温度完全符合，对生产条件变化的应变能力 较差。 4 目标表面温度动态控制法。 考虑到钢种、拉速及浇注状态，由计算机对二冷配水的控制数学模型，按设定的 时间间隔时实计算铸坯表面温度，与设定的目标温度比较，根据差值修正各段水量控 制参数a 、b 、c ，动态控带i j _ t 冷各段水量。a i 、b i 、c i 动态变化，可以保证铸坯表 面温度与目标温度相一致。 目标表面温度动态控制法考虑的因素多，对变化的生产过程适应性强，但实现起 来比较复杂，投资大。 4 智能控制 由于水蒸汽及氧化铁皮等不利因素的影响，连铸坯的表面温度无法准确测量，连 铸机的二冷配水多采用模型控制方式。以凝固传热学为基础的数学模型建模复杂，计 算量大，时挟性不高。采用智能控制预测模型实现连铸机二冷控制可以提高控制精度。 有资料介绍采用模糊逻辑控制方法引进拉矫区铸坯实际温度参j j h - - 冷控制。神经网络 气 预测模型逼近凝固传热学为基础的数学模型提高模型胀性。 l 一 1 2 2 2 数值模拟技术在冷却控制中的应用m 1 卅1 经过世界各国科学工作者不断的努力，目前对连续铸钢基本过程形成了较为普遍 接受的理论。这些理论对连铸坯凝固传热特点，凝固过程，凝固与铸坯质量的关系进 = = 一j “一。 行了合理的分析，对深刻认识连铸过程，连铸机设计提供了理论依据。连铸过程的数 值模拟技术，特别是以计算机技术为依托的数值模拟及仿真技术的开发和应用，为连 铸技术的发展起到了巨大的促进作用。目前，世界各国新型连铸工艺与设备的开发与 研究，都运用了数值模拟仿真技术。薄板坯连铸连轧技术，薄带连铸技术等新工艺与 设备的出现，都成功应用了数值模拟仿真技术。高效连铸过程的数值模拟技术在连铸 机技术改造，提高控制水平，改善产品质量方面发挥了重要作用。 ( 1 ) 数值模拟技术现状【4 3 】 连铸过程数值模拟技术主要体现在几个方面。 上海大学博：i ：论文第一章绪论 1 连铸热过程的数值模拟仿真。主要是通过温度场计算，模拟仿真钢水的凝固 过程。通过数值模拟研究钢水在结晶器内的凝固、热交换，开发出适合不同机型连铸 机生产不同钢种的结晶器。如适用于方坯的抛物线结晶器，钻石结晶器等。运用数值 模拟仿真技术对连铸工艺参数进行验证，优化设计结晶器。结晶器内钢水的凝固传热 控制方程为： p c p 鲁：岳( 尼鲁) + 苦( 后哥) + 鲁( 尼卺) + q ， 连铸热过程的数值模拟技术还应用于铸坯在二冷区的凝固控制。通过温度场的数 值模拟研究铸坯在二冷区的凝固、热交换，优化二冷配水，实现二冷动态控制。 连铸坯的连铸过程受钢水流动的影响很大。钢液的流动影响着温度的分布，同时 温度场的分布又影响钢液的流动。耦合场的研究使数值模拟技术更能准确描述铸坯的 凝固过程。 2 连铸工艺中的钢液流动过程的数值模拟。主要研究中间包内注流特征，结晶 器内钢液流动，铸坯的液芯流动。用数值模拟方法研究中间包内钢液传输过程的方程 包括连续性方程、动量传输方程( 简称n s 方程) 、能量传输方程、质量传输方程以 。5 4 一 及描述湍流流动的k e 双方程模型。 连续性方程 n s 方程： k - e 双方程模型 塑+ 型：o o t a 对 丝+丛辔一瓦op+面o岬r(瓦au,ot+ 堕o x i 】0 x j瓠。x j 。“a 砖) 1 塑+ 0 ( p l k ) ：旦f 丝丝1 + g 一 o ta x ia x j o ka x | 1 掣+ 掣= 未( 尝嘉卜( c l g 喝，瓜a ta x te x 瓯瓠i1 结晶器内钢液流动属湍流流动，描述流动过程的n s 方程被雷诺方程所代替。 较为常用的方程有混合长度模型与k e 模型。 3 连铸坯壳的应力一应变模型。 4 热过程、流场、应力场藕合模型的数值分析。建立温度场、流场、应力场藕 合模型，对模型进行数值分析。如铸轧技术，轻压下技术，辊列设计等应用了藕合模 型。 连铸过程的数值解法主要应用差分法、有限元法、边界元法。差分法解法比较简 上海大学博士论文第一章绪论 短，得到了广泛的应用。边界元法的特点是适合于几何边界条件复杂的导热区域，可 以应用商业化软件。有限元法适合分析几何边界条件复杂的情况，可以利用商业化软 件。 由于连铸过程的复杂性，钢水凝固过程影响因素多且互相影响，钢种覆盖范围广， 连铸过程的数值模拟只能部分反映工程的实际情况，许多边界条件参数的设定要在生 产实际中逐渐摸索，数值模拟技术在实际工程设计中的应用还有很长的路。 ( 2 ) 连铸过程的数值模拟技术的发展1 邛 以计算传热学等为主体的数值模拟技术的一个重要的发展方向就是现代控制理 论、人工智能技术与数值模拟技术的结合。现代控制理论、人工智能技术的应用本无 行业限制，然而在具体应用中，控制理论、人工智能技术和应用的实体所属的学科之左 间，在理论上应建立某种联系，但在这种联系建立之前，所存在的面萄是某种空白或是一j i 7 7 i 距离。在连铸过程中，数值模拟技术是实现这种联系的桥梁。这一点从具有代表意义 的薄板坯连铸连轧技术的实践中可以得到验证。 1 2 3 优化控制在连铸过程中的应用 优化技术是以数学为基础，用于求解各种工程问题优化解的应用技术。最优化方 法及智能优化在连铸过程中也得到了应用。主要在几个方面”一5 ： ( 1 ) 机构设计、结构设计优化。如中间包设计，通过对中间包流场的讨算与仿 真，优化中间包，使钢水流更加符合工艺要求，注流平稳，减少结晶器液面波动，同 时有利于夹杂物上浮，提高产品质量。 ( 2 ) 结晶器振动装置及振动优化，通过优化技术对结晶器振动装置的机构进行 优化设计，使其误差最小。振动参数优化使振动波形、负滑脱时间等参数对铸坯质量 最优。 ( 3 ) 工艺参数优化。工艺参数优化的目标是提高产品质量和设备生产率。 连铸过程中优化方法应用最为活跃的领域是二冷区配水的动态控制。近年来国内 外都对通过凝固数学模型的数值模拟的方法寻求优化工艺参数进行了相关的研究： n c h e u n g 【5 9 1 、g a r c i a 1 和h i l l s 1 用解析法求解凝固模型来寻求优化的工艺参数； b r i m a c o m b e 、l a i t 、l a i t i n e n 、l a l l y 、l u g e r 等用数值法进行同样的研 究。b r i m a e o m b e 和他们的同事对铸坯质量和连铸冷却条件的关系进行了卓有成效的 研究，并开发了板坯质量分析专家系统：f i l i p i c ，b ”“把g a 用于连铸工艺参数寻优； 9 l 海大学博二l 论文 第一章绪论 n c h e u n g p l 提出了一种基于规则库指导下的波束寻优冷却条件。国内闫小林教授m 1 等和干勇教授 3 3 1 等对连铸过程数值模拟进行比较细致的研究。n c h e u n g 【5 9 1 等应用启 发搜索法，通过建立连铸坯质量控制规则，建立连铸坯数值传热模型与智能搜索法之 间的联系，对方坯连铸机工艺参数进行优化，给出了在最小冶金长度下满足铸坯质量 的结晶器、二冷区三个冷却段的最佳导热系数。n c h a k r a b o r t i ”等以拉坯速度为目标 函数，建立了连铸工艺参数与拉坯速度、结晶器振动参数与拉坯速度的多目标优化数 学模型，应用遗传算法对方坯连铸机拉坯速度进行优化，提出了方坯连铸机最大拉坯 速度的参考值。 由于连铸机设备情况各异，各生产厂情况差异很大。 1 2 2 4 连铸温度场智能化模型的研究 连铸坯的质量在很大程度上取决于对铸坯冷却的控制精度。由于水蒸气及氧化铁 、一一一。 皮等不利因素的影响，连铸坯的表面温度无法准确测定。因此，目前连铸冷却多采用 模型控制方式。其特点是：数学模型根据已知条件估算出铸坯的表面温度，此温度与 目标温度比较，用二者的偏差来计算应调节的配水量。由此可见，逗鏖觋型携型的准 确性对整个冷却水量的控制系统至关重要，其估计值应该尽量与实际温度相符。目前， 一 、。， 温度预测模型大多采用机理模型( 即数值模型) ，即根据连铸坯凝固传热原理，建立 动态传热偏微分方程及其相应的边界条件构成的连铸传热数学模型，用差分方法计算 在所给定的冷却条件和拉速下，铸坯的温度场，并由此而得到铸坯的表面温度。这种 模型建模复杂，计算量大，实时性不高，且没有自学功能，在连铸这种非线性、多因 素的复杂系统中，该模型的精度是很难提高的，因而在一定程度上制约了系统的控制 效果。运用人工智能技术，丌发智能化模型，实现温度预测是连铸冷却控制技术的发 展的未来。 神经网络具有很强的集体计算能力，而且具有分布式信息存储、自组织、自学习 等优点，如果训练一一个神经网络去逼近己知的机理模型，经离线学习，那么，模型的 预测精度就会大大提高，这对改善连铸冷却控制系统的整体效果及铸坯的质量无疑是 一个很好的途径。 对于在连铸中智能方法的研究，国内外并不多见。国内的徐国林”采用b p 算法 对连铸二冷控制的神经网络预测模型进行了研究，孙韶元”采用人工神经网络和模 糊控制方法对板坯连铸二冷区进行了计算机仿真。但是没有在生产中应用的先例。 l 海大学博士论文 第一章绪论 1 3e c r 连铸过程控制系统中需要解决的问题 长材连铸连轧工艺过程中高效连铸过程控制是现代冶金技术与控制技术紧密结 合的产物。以冶金效果为目标的优化控制是长材连铸连轧生产线需要解决的难题。主 要有下列问题。 q 结晶器液位控制技术 常规连铸机上的结晶器液位控制技术面临的非稳态情况下的控制问题在e c r 连 铸机上更加突出。 ， 心) 结晶器非正弦振动技术 包括： 艺波形的优化及振动技术的实现。 +v 3 ) 全程温度控制 、一 全程温度控制技术是e c r 工艺技术的核心。体现在e c r 连铸机上是连铸坯的温 度控制，特别是二冷控制。 1 4 本文的主要内容 本文是科技部重大专项课题“长材连铸连轧生产线”( 课题号：2 0 0 1 b a 3 0 6 8 0 3 ) 的一部分。以国外某钢铁厂长材连铸连轧生产线为背景，针对长材连铸连轧生产线中 e c r 连铸机过程控制的若干关键技术特点进行以下研究工作。 ( 1 ) 以实际连铸机为研究背景，建立结晶器液位控制对象的数学模型，模型包 括钢包对中间包液位的影响，考虑中间包多水口的相互影响。 ( 2 ) 对智能p i d 模糊控制复合策略进行了研究，对干扰情况进行了仿真实验。 设计采用智能p i d 模糊控制系统的结晶器液位控制系统并进行工业试验。 ( 3 ) 从控制角度对一次冷却、二次冷却的影响因素、控制准则进行研究、