（机械电子工程专业论文）连铸温度场数值模拟及冷却水智能控制研究.pdf

! 生i 兰! 生主堡塞 垫蔓 摘要 本文在科技部重大专项课题“长材连铸连轧生产线”的资助下，针对难以用 实验来研究工艺参数对铸坯温度场影响的情况，对连铸连轧生产线中从结晶器到 铸坯矫直区的凝固传热采用数值模拟方法进行对温度场的仿真研究。把连铸坯的 三维不稳定凝固传热数学模型简化为二维凝固传热数学模型，采用差分法进行求 解。为求解庞大的方程组，借助了m a t l a b 软件包强大的计算功能进行温度场 的计算。在冶金冷却条件指导下，提出了启发式遗传算法数值模拟方法优化温度 场，使冷却边界条件和拉速得到了优化，同时因为采用启发式搜索方式，加快了 计算速度。可为钢厂连铸线的冷却系统控制模式的改进和提高拉速以增加产量提 供理论依据。 利用神经网络( a n n ) 很强的并行计算能力，分布式信息存储、自组织、自学 习等优点，训练一个径向基神经网络去逼近已知的连铸温度场的数值模型。把此 神经网络模型与p i d 控制相结合，实现二次冷却配水优化控制。这对实现连铸控 制的智能化有很大的实际意义。 通过在v b 中搭建用户界面，并打通与m a t l a b 的联系，实现可视化计算，便 于工程技术人员用于分析连铸工艺参数对铸坯温度场的影响，有工程实用价值。 关键词：二次冷却，有限差分法，启发式遗传算法，神经网络 海人学硕士论空 a b s t r a c t a b s t r a c t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fi n f l u e n c e so ft e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so n c o n t i n u o u sc a s t i n gt e m p e r a t u r ef i e l db ye x p e r i m e n t ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yd e a l s w i t ht h et e m p e r a t u r ef i e l dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o n t i n u o u sc a s t i n gb y u s i n g m a t l a bt o o l s b a s e do nt h ec h a r a c t e ro f h e a tt r a n s f e r r i n gi np r a c t i c e ，a3 du n s t e a d y s o l i d i f i c a t i o na n dh e a tt r a n s f e rm a t h e m a t i c a im o d e li st a k e na sa2 dm o d e la n dm a d e d i s c r e t ea tt h et w od i m e n s i o n a l l ys p a c e dg r i dp o i n t su ym e a n so ft h ef i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d i no r d e rt os o l v ea l lo ft h ee q u a t i o n s ，t h es t r o n gc a l c u l a t i o nt o o lo fm a t l a b i si n v o l v e d t h i sw o r kp u t sf o r w a r dah e u r i s t i cg e n e t i ca l g o r i t h mo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o ng u i d e db ym e t a l l u r g i c a lc o n s t r a i n t st oo p t i m i z et h ec o o l i n gb o u n d a r y c o n d i t i o n sa n dt h ep u l l i n gr a t eo f t e m p e r a t u r ef i e l d t h i ss e a r c hm e t h o dc a na c c e l e r a t e t h ec o m p u t e r sc o m p u t i n gt i m e a d o p t i n g a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ( a n n ) t ot r a i nan e u r a ln e t w o r kt o a p p r o a c ht h ec a s t i n gt e m p e r a t u r ef i e l du s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h i sm e t h o di s c o m b i n e dw i t hp i d ( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d e r i v a t i v e ) t oc o n t r o lt h es e c o n d a r yp i p i n g w a t e lt h i sr e s e a r c hh a sas i g n i f i c a n te f f e c to nr e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n t i z e dc o n t r o lo f c o n t i n u o u sc a s t i n go fb i l l e t t h r o u g hb u i l d i n gt h ev i s u a l i n t e r f a c eo f t h ec o n t i n u o u sc a s t i n gt e m p e r a t u r ef i e l d ， t h em a t l a bp r o g r a m sc a r lb ec a l l e df r o mv bi n t e r f a c e a c t i v e xi su s e dt ob u i l dt h e r e l a t i o no fm a t l a ba n dv b t h i si sg o o df o re n g i n e e rt oa n a l y s i st h et e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s o fc o n t i n u o u sc a s t i n gi n f l u e n c i n go nt h et e m p e r a t u r ef i e l da n dh a s e n g i n e e r i n gu s ev a l u e k e yw o r d s ：s e c o n d a r yc o o l i n g ，f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，h e u r i s t i cg e n e t i ca l g o r i t h m ， a r t i f l c i a in 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己发表 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：垒盔丝日期塑正i ：! ! 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) 酶查茎孙雌名：避胁鲨玉u 堂堕兰鎏主笙! l 笙= 主竺堡 1 1 连铸技术发展概况 1 1 1 连铸工艺流程简述 第一章绪论 连铸是将高温钢水连续不断地浇注到一个或一组实行强制冷却的带有“活 底”的铜模内，待钢水凝固成具有一定厚度的坯壳后，从铜模的另一端拉出。这 样铸坯就会连续不断地从铜模内拉出，这种高温钢水直接浇注成钢坯的新工艺 叫“连铸”【“。 一台连铸祝主要是由盛镪桶运载装置、中闯包、中间包车、结晶器、结晶器 震动装置、二次冷却装置、拉坯( 矫直) 装置、切割装置和铸坯运载装置等部分 组成的。图1 1 为带有直线段弧形连铸机。浇钢时把装有钢水的盛钢桶，通过盛 钢桶运载装置，运送到连铸机上方，经盛钢桶底部的流钢孔把钢水注入到中间包 内。打丌中间包塞棒( 或滑动水口) 后，钢水流入到下口用引锭杆头堵塞并能上 下震动的结晶器中。钢液沿着结晶器周边冷凝成坯壳。当结晶器下端出口处坯壳 、“ 、 。 抖蟊 中静乜 十，s j ，1 4 埔胃rk l ：1 i 图1 1 弧形连铸机 有一定的厚度时，带有 液芯并和引锭秆装置连 在起的铸坯在拉坯机 驱动下，离开结晶器沿 着由弧形排列的夹辊支 撑下移。与此同时，铸 坯被二次冷却装置进一 步冷却并继续凝固。当 引锭杆装置拉矫机后脱 去引锭杆装置，铸坯在 ( 1i 【_ 。训 全部凝固或带有液心状 态下被矫直。随后在水 平位置被切害4 成定尺 海大学颤i ：论文 第一章结论 长度，放置于运坯装置上运送到规定的地点。上述过程是连续进行的。 1 1 2 连铸技术的优越性 连铸技术的发展是当代钢铁工业发展的一个非常引人注目的动向。连铸之所 以发展迅速，主要是它与传统的钢锭模浇铸相比具有较大的技术经济优越性，主 要表现在以下几个方面2 1 ： 简化生产工序。连铸可以省去初轧开坯工序，不仅节约了均热炉的能耗， 而且也缩短了从钢水到成坯的周期时间。随着近终形连铸的发展，将会更加简化 轧钢的工序。 提高金属收得率。采用模铸从钢水到成坯的收得大约是8 4 8 5 ，而连铸 约为9 5 9 6 。 节约能量消耗。据有关资料介绍，生产i t 连铸坯比模铸开坯省能 6 2 7 1 0 4 6 k j ，相当于2 1 4 3 5 7 k g 标准煤，再加上提高成材率所节约的能耗就大 于1 0 0 k g 标准煤。 改善劳动条件，易于实现自动化。随着科学技术的发展，自动化水平的提 高，电子计算机用于连铸生产的控制。目前，有些厂一台连铸机只有7 名技术 工人，除浇钢操作外，全部都由计算机控制。 铸坯质量好。由于连铸冷却速度快、连铸拉坯、浇注条件可控且稳定，因 此铸坯内部组织均匀、致密、偏析少，性能稳定。用连铸坯扎成的钢材，横向性 能优于模铸，深冲性能也好。 1 1 3 连铸技术国内夕 发展概况 1 0 0 年前，英国的b e s s e m e r h 发明道路连续铸钢技术，但只能用于铝和铜 等低熔点有色金属的连铸。直到1 9 3 3 年，j u n h a n ss 开发了结晶器振动系统， 才为工业上大规模采用连铸技术奠定了基础i ”。钢的连铸始于二十世纪4 0 年 代，到5 0 年代才开始用于工业生产，7 0 年代以后钢的连铸技术迅速发展，8 0 年 代连铸技术日趋完善，并涌现出如德国的德马克、奥地利的奥钢联、瑞士的康喀 斯特公司、日本的日立造船公司等一大批从事连铸技术的开发与设计工作的集 嗨大学碰上论文 第一章绪论 长度，放置于运坯装置上运送到规定的地点。上述过程是连续进行的。 1 1 2 连铸技术的优越性 连铸技术的发展是当代钢铁工业发展的一个非常引人注目的动向。连铸之所 以发展迅速主要是它与传统的钢锭模浇铸相比具有较大的技术经济优越性主 要表现在以下几个方面i 2 1 ： 简化生产工序。连铸可以省去初轧开坯工序，不仅节约了均热炉的能耗， 而且也缩短了从钢水到成坯的周期时间。随着近终形连铸的发展将会更加简化 轧钢的工序。 提高金属收得率。采用模铸从钢水到成坯的收得大约是8 4 8 5 ，而连铸 约为9 5 9 6 。 节约能量消耗。据有关资料介绍，生产i t 连铸坯比模铸开坯省能 6 2 7 - 1 0 4 6 k j ，相当于2 1 4 - 3 5 7 k g 标准煤。再加上提高成材率所节约的能耗就大 于i o o k g 标准煤。 改善劳动条件，易于实现自动化。随着科学技术的发展，自动化水平的提 高，电子计算机用于连铸生产的控制。目前，有些厂一台连铸机只有7 名技术 工人，除浇钢操作外，全部都由计算机控制。 铸坯质量好。由于连铸冷却速度快、连铸拉坯、浇注条件可控且稳定，因 此铸坯内部组织均匀、致密、偏析少，性能稳定。用连铸坯扎成的钢材横向性 能优于模铸，深冲性能也好。 1 1 3 连铸技术国内外发展概况 1 0 0 年前，英国的b e s s e m e rf i 发明道路连续铸钢技术，但只能用于铝和铜 等低熔点有色金属的连铸。宜到1 9 3 3 年，j u n h a n ss 开发了结晶器振动系统， 才为工业上大规模采用连铸技术奠定了基础i “。钢的连铸始于二十世纪4 0 年 代，到5 0 年代才开始用于工业生产，7 0 年代以后钢的连铸技术迅速发展，b 0 年 代连铸技术日趋完善，并涌现出如德国的德马克、奥地利的奥钢联、瑞士的康喀 斯特公司、日本的日立造船公司等一大批从事连铸技术的开发与设计工作的集 斯特公司、日本的目立造船公司等一大批从事连铸技术的开发与设计工作的集 海人学颤i ：论文 第一章绪论 团。世界平均连铸比在跨入9 0 年代后已超过6 0 。目前，发达国家的平均连 铸比已超过9 0 。连铸机机型大致经历了立式立弯式弧形椭圆四 个发展阶段，而弧形和超低头连铸机有优先发展的势头，并且近终型连铸、连铸 连扎技术也获得了相当的发展。 中国是世界上研究和应用连铸技术较早的国家之一。二十世纪5 0 年代中期 就开始了连铸技术的研究。6 0 年代初与工业发达国同时进入连铸技术应用阶段。 但从6 0 年代末到7 0 年代初，连铸技术发展缓慢。1 9 8 2 年世界平均连铸比已 达到3 0 ，而我国只有6 2 ，8 0 年代以后，我国连铸技术进入新的发展时期。 引进了一批代表8 0 年代先进水平的小方坯、板坯和水平连铸机。8 0 年代中期 我国有了第一个全连铸钢厂武汉第二炼钢厂，到2 0 0 0 年来，我国共拥有连 铸机3 0 0 多台删，已实现全连铸的工厂有5 2 家，连铸比达9 0 以上的有7 3 家。1 9 9 4 年连铸比才4 0 ，2 0 0 0 年达到8 5 7 3 ，2 0 0 1 年，我国的连铸比已达 到9 5 3 1 【4 l 。 1 1 4 长材连铸连轧技术国内、外现状及发展 小型型钢在我国轧钢行业占有重要位置，市场覆盖面广，市场容量大，这是 小型型钢生产连续化的市场动力。目前，小型型钢韵生产工艺流程仍然是连铸坯 经冷却、冷检查修磨合格后进入加热炉加热再进行轧制的工艺。为了节约能源， 有的厂采用连铸坯热送热装即连铸坯经保温热态运输迸加热炉。国内没有实现棒 材连铸连轧。在技术方面，连轧技术同连铸相比取得了较大进展，在现有加热炉 后对钢坯进行首尾焊接，然后进行连续轧制即无头轧制技术在轧钢生产中得以应 用。把扁平材生产中连铸连轧的先进理念应用到长材生产中，已成为工业发达国 家追求的目标。经过大量前期开发，幻0 0 年秋，世界上第一台采用连铸连轧技 术的棒线材生产在意大利达涅利公司的a b s 厂投入使用。经过近2 年的生产使用， 达到了预期效果，设计的所有钢种全部生产出合格产品。采用无头连铸连轧技术 生产特殊钢棒线材与传统棒线材生产工艺相比，平均节省成本总额为5 2 美元 吨。普通钢棒线材与传统棒线材生产工艺相比，平均节省成本总额为1 4 3 美元 吨。连铸连乳技术已显示出明显的优势。 j ：晦人学彤! i j 论文 第一章绪论 为满足国内长材产品的生产需求和产品更新换代的需要，开发研究连铸连轧 技术是很有必要的。 1 2 数值模拟技术在连续铸钢过程研究中的应用 1 2 1 应用情况 对物理过程和现象进行研究，就其研究方法而言，有四种方法【5 l ：模型试验、 现场测试、理论分析和数学模拟。其中最可靠的数据往往要由实验测试得到，采 用全比例设备进行研究，可以预测由它完全复制的同类设备在相同条件下运行的 情况。但在大多数情况下，这种全比例试验是极其昂贵的，特别是冶金过程，原 料条件复杂，装置庞大，过程在高温条件下进行，全比例试验往往是不可能的。 因此，人们通常采用模拟方法进行研究。 所谓模拟( 也称仿真) ，使之不直接研究现象及过程本身，而是用与这些现 象和过程相似的模型来进行研究的一种方法。模拟可分为物理模拟和数学模拟两 类。 物理模拟是在不同规模上再现某个现象，分析其物理特性和线性尺度的影 响，可对所研究的过程进行直接的实验。物理模拟多在按相似准则构成的实验室 设备或中间设备上进行，即所谓相似模拟。 数值模拟是指用数学模型来使现象或过程重现。因此，从广义上讲，表达现 象中的部分或全部的基本方程和表示自然规律的数学模型等都是数学模拟。从狭 义上讲，数学模拟主要是指数字模拟，即把所研究的现象用数学模型表示出来， 然后在数字计算机上对模型进行数值实验。 连铸过程是包括流动、传质、传热等复杂现象的液态金属凝固成形的过程， 流动、传质、传热过程相互交互，相互影响，采用实物研究十分困难，几乎是不 可行的。为此，广大科技工作者对其过程现象进行了大量模拟研究。 目前采用的主要方法包括： 水力学模型试验法，如结晶器流场、中间包流场、大包流场的水力学模拟； 低熔点合金模拟法，如电磁制动、电磁软接触等； 计算机仿真实验法，如凝固过程传热及应力仿真，液芯压下过程的仿真等。 4 海人学硕 论文 第一奄绪论 由于数学模型不直接使用物理实体 型便可以让计算机方便地进行计算分析 数值模拟具有一系列优点： 只需考虑输入、输出变量，通过数学模 因此，数学模型已被人们广泛地采用。 可以大幅度地改变各种参数的取值范围，对新工艺与新设备的设计是非常 理想的。可以使新设计的效果与优缺点在实施之前被充分预演，从而可以扬长避 短，获得最理想的方案。 给定一批原始数据以后，数学模拟所进行的一次计算就相当于物理模拟中 的一次试验。因此，数学模拟可使试验时间大为缩短，人力、物力大为节省。 一套成熟的模拟程序可适用于一类工艺过程。 工程问题的数学模拟必须具有能够正确描述其物理本质的数学模型。园此。 建立与选取能真实反映连续铸钢过程且具有足够计算精度的数学模型，是连续铸 钢过程数学模拟的关键。 1 , 2 。2 数学模型的验证与应用 根据所建立的数学模型，模拟计算铸坯的凝固过程，以决定影响凝固壳厚度、 液相穴深度和表面温度分布的工艺操作参数，这已经成为铸机设计、工艺分析和 过程控制的重要手段。在国外己引起了广泛的重视并在生产上得到了应用。为验 证数学模型的计算结果，其方法有以下几种。 刺穿坯壳法。铸坯出结晶器后，把凝固壳刺穿使液体钢水流出来，然后测 定凝固壳厚度，并求出k ( 凝固系数) 值。 同位素示踪法。在某一时刻随注流加入放射性同位索( 如a u ”8 ) 到结晶 器内，注流的运动把同位素带到液相穴深处，含有元素a u ”8 的钢液凝固带有放 射性，而加入a u 那一时刻已经凝固的金属不含放射性元素，这样就可以在不 同位置上切取铸坯试片做自射线照相，就可以分辨出凝固壳厚度。 打钉法。铸坯出结晶器后，在某一位置射入钢钉，钢钉的液相线温度低于 钢种的液相线温度，在液相区钉子完全熔化，在两相区部分熔化，在固相区钉子 未熔化，这样取试片就能直接分辨出凝固壳厚度。 测定铸坯鼓肚以决定液相穴位置。在接近矫煮点前菜一位置，把支承辊的 塑尘兰塑型型翌巳一 一 苎= 童堕笙 开口度适当放大，如铸坯内部还有液相，则就有鼓肚。用此法可以粗略估计液相 穴长度，但不太精确。 从结晶器上方放入比重大、包有放射性元素的球( 如钨球) ，此球以相当 大的速度下降到液相穴的底部，然后用盖格( g e i g e r ) 计数器测定出现放射性时 铸坯所在位置，以决定液相穴长度。 测定铸坯表面温度。在二冷区的不同冷却段直到拉矫辊处，选出几个测温 点，用温度计测定不同时刻铸坯表面温度，得出曲线，并与模型计算的表面温度 分布对比。 1 3 凝固数值模拟国内外发展现状 用计算机模拟铸坯凝固传热过程，也就是利用数值模型在计算机上模拟真实 连铸过程及各工艺参数之间的关系，在今天已成为铸机设计、工艺分析及开发工 作中的重要手段。 早在7 0 年代，k e i t hb r i m a c o m b e 和他的学生首次采用有限差分法建立了 合理的传热模型和应力模型州，成为连铸数值模拟第一入。随后，欧美一些学者 开始开发钢连铸过程分析的数学模型，并发表了许多有参考价值的成果。 l o u h e n k i l p is 开发了在线和离线传热数学模型并用于铸坯表面温度和坯壳厚度 的模拟，c h a v e z j f , c e l a y aa 应用数值模型计算结晶器和钢液温度场，分析钢 液流动对热物性值的影响【”，h a r d i nr a 通过建立动态模型分析变拉速下铸坯温 度与环境温度、材料成分、厚度、喷水速度等对温度和液穴的影响并以该模型在 线控制二冷喷水p i 。近些年来，各国连铸技术研究学者都对钢的连铸过程进行了 许多典型的数值模拟，算法各异，模拟的重点与范围也不一样。如f a nc h i h m i n g 对中间包钢水的流场模拟呷1b o e h m e rj u e r g e nr 通过对连铸过程中温度和压力 的模拟来预测铸坯质量、控制工艺参数1 ，k a n gc g 用有限元法对连铸辊带的 热分析模拟 1 2 1 。二冷区冷却水量控制模拟m 1 ，结晶器内凝固坯壳厚度分布规律 的测量，t o z a k o g l o u 对结晶器温度、电磁场和速度场的模拟与验证1 ，等等。 查尘兰堡兰坠 墨二童些笙 k r i z m a nd f 建立了计算连铸坯温度场的数值模型，以图象显示温度场数值模拟 结果并以此反求其工艺参数，以用于小型连铸机自主开发6 j ，b i a l e c k ir 等用边 界元法模拟了铸坯的直角坐标系下的稳定温度场，并用插值法平滑方程的非线性 用b e z i e r 样条近似表示固液界面的形状j ，以边界热流为控制参数实现对二冷 水的优化配置i ”l 。 国内也掀起了对连铸模拟的小高潮，结晶器内流场数值模拟、结晶器内传热、 流动、凝固过程的耦合模拟、弯月面区域传热数学模拟、液芯压下过程连铸坯传 热应力变形有限元模型：包括铸坯的凝固及温度场、应力场，薄板坯结晶器内流 动数值模拟，薄带连铸过程数值模拟，加电磁制动钢液温度场的数值模拟，但在 对温度场模拟的研究中，控制模型为一维二维非稳态传热模型，用差分方程或有 限元求解。王玉的板坯连铸凝固数学模型中1 1 9 】，推导出铸坯温度场显式、隐式 差分公式，并采取等价比热法及温度回复法处理潜热。蔡开科、倪满森、干勇等 更是在连铸数学模拟领域做了大量的研究和应用，建立了连铸各个区段的控制数 学模型，在线控制工艺过程及参数优化等等 2 , 3 , 5 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 1 。 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。高效连铸过程的数值模拟技术主要体现在几个方面： 第一，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。通过数值模 拟技术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； 第二，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；第三，连铸坯壳的应力一应变；第四，热过 程、流场、应力场耦合模型的数值分析。如铸轧技术，轻压下技术，辊列设计等 应用了耦合模型。 上姆人学硕士论文 第一章绪论 1 4 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： ( 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计算 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。 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 | 2 4 】、g a r c i a 2 5 1 和h i l l s 【2 6 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 2 ”、l a i r | 2 8 】、l a i t i n e n 2 ”、l a l l v f 3 0 】、 l u g e r 【3 ”等用数值法进行同样的研究。b r i m a c 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 【3 2 1 把g a 用于连铸工艺参数寻优；n c h e u n g “1 提出了一种基于规则库 指导下的波束寻优冷却条件。国内闰小林教授i 等和干勇教授 5 , 2 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 “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 1 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。 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。板坯连 铸机、大方坯连铸机都使用二冷区配水的动态控制。目前应用较为普遍的方法是 先确立浇注钢种的各冷却区的目标温度，应用数值模拟技术工艺参数对应下的温 度分布，根据目标温度与计算出温度分布的偏差调整配水量。应用统计方法给出 堂型苎垡生竺丝 塑二兰塑笙 指定钢种的拉速与配水量的二冷区配水模型，开浇后，根据实际测量的温度制调 整配水量，再由计算机按拉速与配水量的二冷区配水模型实行动态控制。由于连 铸机设备情况各异，各生产厂情况差异很大。 1 5 连铸温度场神经网络模型的研究 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，有二者的偏差来计算应调节的配水量。由此可见， 温度预测模型的准确性对整个冷却水量的控系统至关重要，其估计值应该尽量与 实际温度相符。目前，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。 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，如果训练一个神经网络去逼近已知的机理模型，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”8 i 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。但是国内外对温度场 进行神经网络辨识及仿真的却很少见。本文将采用神经网络( a n n ) 径向基函数 ( r b f ) 算法在数值仿真的基础上对连铸温度场模型进行训练和辨识。 1 6 本课题的主要研究内容 本课题是科技部重大专项课题“长材连铸连轧生产线”( 课题号 9 堡查兰堡主丝苎 丝二皇竺兰 2 0 0 1 b a 3 0 6 8 0 3 ) 的一部分。本人在此项目中所作的工作如下： 1 选取一种浇注钢种，给定浇注温度、冷却条件、拉速，进行连铸温度场的数 值仿真。采用启发式遗传算法对连铸温度场进行优化，得到较优的连铸参数 和温度场。 2 在对温度场数值仿真的基础上进行对连铸温度场的神经网络( a n n ) 训练与辨 识，建立一个神经网络温度场模型。 3 在对温度场仿真的基础上，以优化得到的参数为目标参数，结合神经网络。 采用多输入多输出比例积分微分( m i m o - p i d ) 控制器对连铸二冷区的冷却水量 进行优化控制。 上海大学硕士论文 第二章连铸过程中的热交换 第二章连铸过程中的热交换 2 1 连铸凝固传热的特点 凝固传热在整个连铸过程中贯彻始终。由钢液转变为连铸坯要通过钢包、中 间包、结晶器和二冷装置等设备放出大量的热。其中包括铸坯液相区内的过热、 两相区内的结晶潜热和固相区内的显热。据测算，( 1 8 0 x1 0 0 0 ) 哪2 的板坯以 1 2 m m i n 的拉速连铸时，大约要向外放出7 1x1 0 7 k j h 的热量，相当于一座 2 0 t 转炉的平均热负荷。由于这种放热是伴随着凝固进行的，所以凝固传热比一 般传热问题要复杂。 凝固过程中的传热强度，直接决定了凝固速度，制约着铸坯的形成过程和物 理化学性质的均匀程度，同时还影响着连铸设备的使用寿命。认识和掌握连铸凝 固传热的规律性，对于连铸机的设计，连铸工艺制定和铸坯质量的控制都有很重 要的意义。连铸凝固传热的特点主要表现在以下三个方面。 2 1 1 大传热量 根据连铸过程的热平衡，钢液凝固和冷却所放出的热量是很a 大的。单位质量 钢液放出的热量包括： ( 1 ) 过热量，即钢液由浇铸温度冷却到波相线温度时放出的热量： 吼= c l ( 一瓦) ( 2 - 1 ) 式中：q 过热量，k j k g ； c l 液态钢比热，k j ( k g ) ； t ，浇铸温度，； t 。液相线温度，。 ( 2 ) 结晶潜热量，即钢液结晶时放出的热量，以l 表示，单位为k j k g 。 ( 3 ) 显热量，即铸坯从液相线温度冷却到室温时放出的热量： 上海人学硕士论文 第二章连铸过程中的热交换 幺= c “( 瓦一疋) + g ( 瓦+ r o ) ( 2 2 ) 式中：q 。显热量，k j k g ； c 两相区钢比热，k j ( k g ) ； t s 固相线温度，； c ，固态钢比热，k j ( k g ) ； to 室温，。 所以，铸坯在凝固期间，每千克钢液放出的总热量为： q = 矾+ l + 幺 ( 2 - 3 ) 式中：卜总热量，k s k g 。 温度确定以后，上述各部分热量占总热量的比例要受到钢比热值和潜热值的 制约，而比热和潜热的大小将受到钢化学成分的影响，其中影响较大的是钢的含 碳量。一般来说，比热随钢含碳量增加而增加，而潜热则随钢含碳量增加而减少， 但也不尽然。 连铸热平衡实验表明：由结晶器一二冷区一空冷辐射区一切割放出的热量占 铸坯总放热量的5 0 以下，这部分热量的放出过程将影响铸坯的组织结构、质量 和连铸机的生产率。因此，了解和控制该过程热量的放出规律是非常重要的。铸 坯切割后冷却到室温放出的热量占铸坯总放热量的一半以上，并且这部分热量的 比例随拉坯速度的提高而增加。从能量的角度来说，应充分重视这部分热量的回 收，所以应在提高操作水平、保证铸坯质量的前提下，尽量采取铸坯热送工艺节 约能源。 2 1 2 复杂的传热机制 连铸凝固传热的机制比较复杂。其中传导、对流和辐射三种基本传热方式并 存，属于综合传热。图2 1 给出了铸坯在结晶器内的传热机制及温度分布示意图。 在铸坯的凝固过程中，由于钢液不断的传热降温，当温度降低到凝固温度后， 开始在传热面处形成薄的凝固层。继续传热冷却，凝固层将不断加厚，直到全部 凝固为止。所以，铸坯内部的传热是由于在不断加厚的凝固层中传导传热和在不 上海大学硕士论_ 文 第二章连铸过程中的热交换 断减薄的液相中的传导与对流传热所组成的，并且在固、液交错的两相区内不断 的释放出结晶器潜热。 在凝固过程中的初期，由于浇铸时钢液的强制流动，钢液本身温度还比较高， 流动也比较好，因而内部对流传热就比较强：随着钢液本身温度的不断下降，流 动性逐渐变差，其中对流传热方式就会逐渐减弱。 钢 匿 两相区l 坯丧 气静结晶器壁水 空气 群热方式 ( 温度方式 口一辐射。一对流二；一传导 l 一坯壳表面温度ti 一结晶器内、外壁温度 圈2 1 连铸凝固传热方式及温度分布 连铸凝固传热属于冶金熔体中凝固前沿推移动力学的研究范畴。由于传热结 构和钢液流动的复杂性，目前对铸坯内部封闭体系中存在的钢紊流和层流运动以 及两相区中两相流的重力迁移等所产生的传热、传质过程研究的还不够充分，很 多问题只是达到定性研究的地步，进行定量计算时，往往需要对实际凝固情况作 一定的简化处理。 2 1 3 在运动中传热 由于连铸坯总要以一定的拉速运动，所以其向外传热的边界条件总是变化 的，总要经历诸如结晶器壁冷、二冷区水冷和辊冷以及空冷区气冷等不同的冷却 区域。由于冷却方式、冷却介质的不同，铸坯表面散热热流的变化相当剧烈，从 而使铸坯各部位，特别是外层坯壳区域的温度变化也很剧烈。据测定，小方坯连 铸机中铸坯在结晶器入口处表面热流密度可达4 0 0 0 k w m2 ，而经过1 5 s 运动后， 表面热流密度就可降为1 0 0 0 k w m2 左右。同时，坯壳表面温度降落可达 鲎型苎垡生堕鱼l 笙三童堡箜苎堡主塑垫奎垫 4 0 0 c 5 0 0 。c ，如此大的变化幅度和变化速度是其他传热问题中所少见的。 2 2 连铸工艺中冷却热交换过程 由连铸工艺所决定，自钢包至切割机范围之内，由钢液铸成坯所经历的热交 换过程般可划分为三个阶段：即钢包与中间包热损失阶段，结晶器热交换阶段， 还有二冷区热交换阶段。各阶段的传热机构都比较复杂，而每个阶段的传热机构 又有自己的特殊性，下面分别进行讨论。 2 2 1 钢包与中间包的热损失 铸钢时要求钢液有一定的过热度，而连铸钢液过热度要比模铸高一些，以便 补偿出钢后从钢包到中间包以及由于中间包水口直径小和浇铸时间较长造成的 热损失所导致的温度降落。钢液由出钢口到中间包水口范围内的热损失主要来自 以下三个方面： ( 1 ) 钢液表面散热损失，即在下渣之前，从钢流表面和钢包内钢液表面向外 散发的热量。此热损失数量随出钢温度、出钢时间、钢流和钢包内钢液的表面积 而变，其中辐射散热方式占很大比重，同时对流散热也起着重要作用，其散热强 度取决于钢流注入高度和角度。 ( 2 ) 包体蓄热及散热损失，即由钢包内衬和中间包内衬对钢液吸热并蓄积起 来的热量和包外壁向外界散发的热量。此热损失的大小随钢液温度、包衬预热温 度、包衬热物理性质和质量、传热面积等的变化而变化。 ( 3 ) 添加剂吸热损失，即加入钢包的合金与脱氧剂等在高温下的物理变化或 化学反应造成的热损失。此热损失主要取决于添加齐i j 的成分和数量。 2 2 2 结晶器热交换 在连铸设备中，结晶器是一个非常重要的部件，被称为是连铸机的心脏。从 中间包注入结晶器内的钢液，通过结晶器壁散热冷却，初步凝固，形成一定厚度 的坯壳。这个过程是在钢液( 铸坯) 与结晶器之间具有连续的相对运动的情况下 进行的，因而结晶器内铸坯的冷却凝固比较复杂，因此要求结晶器具有良好的冷 上海大学顾。 ：论立 第二章连铸过程中的热交换 却效果，保证铸坯出结晶器时，形成厚度均匀而强度足够的坯壳，以保证在正常 拉速条件下，能抵抗钢液静压力和拉坯力，不发生胀裂或拉漏等事故。 钢液在结晶器内的凝固传热可分为拉坯方向传热和垂直于拉坯方向传热两 部分。拉坯方向的传热包括结晶器内弯月面上钢液表面辐射散热和铸坯本身沿拉 坯方向的传热，这部分热量相对来说是很小的，仅占总传热量的3 6 。在结 晶器内，钢液和坯壳的绝大部分热量是通过垂直于拉坯方向传走的，钢水沿结晶 器壁传给冷却水的热量可以表示为1 2 1 ： q = ( r o 一巧) f ( 2 - 4 ) 式中h 传热系数： l 钢水温度； 乃冷却水温度； f 结晶器有效传热面积。 结晶器内钢水热量传给冷却水经过以下步骤： ( 1 ) 铸坯液芯与坯壳间的传热。由于从中间包水口注入结晶器的钢流造成 了钢液的复杂运动，使过热的液芯与坯壳之间产生对流交换，不断地把过热量传 给坯壳。 由实测可知，液芯与坯壳之间热流密度随钢液过热度的增高而加大，当钢液 过热度为3 0 c 时，二者的热流密度为3 0 w c m 2 。由于钢液的热对流，保证了从 液芯向坯壳传热的均匀性，可使钢液的过热度很快消失。实验指出，这部分熟交 换对结晶器总热流的影响并不大，当某方坯连铸机注温为1 5 7 7 c 、1 5 9 3 c 和1 6 2 2 c 时，结晶器总热流差别不大，出结晶器铸坯四个面的中部坯壳厚度基本相同， 但铸坯角部坯壳厚度随注温增高而减薄，增加了拉漏的危险性。因此，虽然可以 忽略过热度对结晶器总热流的影响，但把过热度限制在一定范围内是很必要的。 对于方坯，钢水过热度在2 0 c 3 0 。c 为宜。 法国钢铁研究院等单位曾研究过这种热交换过程，并给出了计算液芯与坯壳 之间传热系数的经验式3 3 】： ：i 2 肛，l _ c u ) 一j 2 ( 业) ( 2 - 5 ) 上海人学预 ：论文第- 二章连铸过程中的热交换 式中：h 一液芯与坯壳间的传热系数，w ( c m 2 一c ) ； p 一钢液密度，r d c m 3 ： w 一钢液流速，c m s ； c 一钢的比热，j ( g ，c ) ： “一钢液粘度，( s c m ) ； 一钢液导热系数，w ( c m ，c ) ； l 一传热处的结晶器高度，c m 。 ( 2 ) 坯壳内的导热。在忽略了沿拉坯方向的传热之后，可以认为在凝固坯 壳内的传热是单方向的，并且是垂直于拉坯方向的单纯导热过程，所以坯壳对液 芯过热量特别是两相区的凝固潜热向外传递构成了很大热阻。若坯壳厚度为 1 c m ，就可以构成大约3 3 c m 2 c w 的热阻。 ( 3 ) 坯壳与结晶器壁间的传热。当钢液注 入结晶器时，除了在弯月面附近有很小面积的 结晶器壁表面与过热钢液直接接触进行对流热 交换之外，其余绝大部分结晶器壁表面是与凝 固坯壳之问进行的固一固表面之间的熟交换。 根据接触条件的不同，可以把铸坯与结晶器表 面接触的区域划分为三个不同的区域，如图 2 2 。 弯月面区，钢液与铜壁直接接触时，热 流密度相当大，高达1 5 0 2 0 0 w c m 2 , 可使钢液 迅速凝固成坯壳，冷却速度达1 0 0 s 。图2 z 铸坯与铜蹙间的接触情况 紧密接触区，在钢水静压力作用下，坯壳与铜壁紧密接触，二者以无界面 热阻的方式进行导热热交换。在这个区域里导热效果比较好。 气隙区，当坯壳凝固到一定厚度时，其外表面温度的降低使坯壳开始收缩， 因而在坯壳与铜壁之间形成充有气体的缝称为气隙。由于坯壳与铜壁紧密接触 时，结晶器角部冷却最快，所以首先常在角部出现气隙，随后再向中部扩展。在 气隙中，坯壳与铜壁之间的热交换以辐射和对流方式进行。由于气隙造成了很大 的界面热阻，降低了热交换速率，所以坯壳在气隙处可出现回温膨胀，或抵抗不 海入学硕j j 论文第一二章连铸过程中的热交换 住钢水静压力而重新紧贴到铜壁之上使气隙很快消失。气隙消失后，界面热阻也 随之消失，导热量增加会使坯壳再度降温收缩而重新形成气隙，然后再消失，再 形成，如此循环不已，所以在结晶器内，坯壳与铜壁的接触表现为时断时续。 实验表明，气隙一般都是以小面积而不连续的形式散布在铜壁与坯壳之问，气隙 出现的位景具有随机性，并没有固定的空间位置。但统计结果表明，距弯月面越 远，气隙出现得越多，厚度也就越大。所以使结晶器具有一定锥度，对于减少气 隙的存在，增强结晶器冷却效果是行之有效的个必要措施， 由于坯壳角部的刚度较大，所以出现在角部的气隙厚于出现在坯壳表面中部 的气隙，因此角部气隙的界面热阻也比中部的大，故当气隙存在时，从中部至角 部的坯壳与铜壁间的热流密度是逐渐减小的。这说明沿结晶器横断面上的冷却强 度是不均匀的。由于气隙的存在和坯壳表面温度的变化，沿结晶器长度方向上坯 壳与铜壁间的热流密度也是变化的。 ( 4 ) 结晶器铜壁内的导热，由于铜壁的导热性能很好，并且一般铜壁都比 较薄，所以它的热阻很低。决定铜壁散热量大小的主要因素是铜壁两表面的温度 分布。而影响铜壁温度分布的主要因素是冷却水流速、结晶器壁厚和钢液含碳量。 ( 5 ) 结晶器壁与冷却水间的传热，在结晶器水缝中，强制流动的冷却水迅 速将结晶器铜壁散发的热量带走，保证铜壁处于再结晶滠度之下，不发生晶粒粗 化和永久变形。铜壁与冷却水之间传热有三种不同情况，如图2 _ 3 。在图2 3 的 左半部，热流密度与结晶器壁温差呈线