（控制理论与控制工程专业论文）基于虚拟仪器的结晶器漏钢预报系统研究.pdf

论文题目： 鼎瓣 内蒙古科技大学硕士学位论文 基于虚拟仪器的结晶器漏钢预报系统研究 作者：奎塑 指导教师： 协助指导教师： 李文涛 论文提交日期：2 0 1 0 年0 6 月1 1 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位： 单位： ， 基于虚拟仪器的结晶器漏钢预报系统研究 r e s e a r c ho fm o u l db r e a k o u tp r e d i c t i o ns y s t e mb a s eo n v i r t u a li n s t r u m e n t 研究生姓名：李扬 指导教师姓名：李文涛 内蒙古科技大学信息工程学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：l i y a n g s c h o o lo f l n f o r m m i o ne n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h 呵a 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并 表示了谢意。 签名：害扬日期：沙f ，多， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：生缅 导师签名： 垄童! 羞 日期： 兰21 旦：五：! 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 漏钢是连铸生产中的灾难性事故，对铸坯质量和生产安全影响极大，研究漏钢 事故的形成机理进而开发出能准确预报漏钢事故的关键技术对避免或减少此类事件 的发生具有重要意义。 本论文提出了一种基于虚拟仪器技术的结晶器漏钢预报系统设计方案。利用 p x i 1 0 3 1 机箱、嵌入式控制器p x i 8 1 0 6 、m 系列多功能数据采集模块p x i 6 2 2 1 、8 通道1 3 位模拟输出模块p x i 6 7 2 2 、s c x i 信号调理模块以及工控机组成漏钢预报系 统。 论文从研究漏钢形成机理出发，寻找能够有效反映漏钢事故的连铸过程变量； 分析了结晶器摩擦力用作漏钢判断的可行性并探讨了其在线应用方法；对比正常与 漏钢时结晶器四壁埋设热电偶所测温度值变化特征，建立了横向温度判断模型；通 过研究神经网络理论及其在故障识别中的应用，利用m a t l a b 建立了b p 神经网络 及动态模糊神经网络，并结合横向温度判断结果确认漏钢现象；最后，鉴于以上理 论基础，建立了漏钢预报系统并进行相关测试。系统分上位机和下位机两个主要部 分，下位机功能在n il a b v i e wr e a l - t i m e 操作系统上实现，涵盖全部漏钢现象识别 算法；上位机监控系统在w i n d o w s 平台上，由图形化编程语言l a b v i e w 和 m a t l a b 开发，系统可视化界面实现了热电偶温度及结晶器摩擦力曲线等相关信息 的动态显示，能及时给出报警并生成报表。 关键词：连铸；结晶器；热电偶；虚拟仪器；神经网络 内蒙古科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r e a k o u ti sac a t a s t r o p h i ca c c i d e n t , w h i c hh a v et r e m e n d o u si m p a c tf o rs l a bq u a l i t ya n d p r o d u c t i o ns a f e t y ，s t u d y i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h eb r e a k o u t a c e i d e n ta n d d e v e l o p i n gt h ek e yt e c h n o l o g yt ob r e a k o u tp r e d i c t i o nh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et oa v o i do r r e d u c et h et h i so c c u r r e n c e t h i sp a p e rp r e s e n t sam e t h o do fp r e d i c t i n gb r e a k o u ta c c i d e n tb a s e do l lv i r t u a l i n s t r u m e n t s u s i n gt h ee m b e d d e dc o n t r o l l e rn ip x i - 8 10 6 ，ms e r i e sm u l t i f u n c t i o nd a qn i p x i - 6 2 2 1 ，8 c h , 1 3 - b i ta on ip x i 一6 7 2 2 ，n ip x i 一1 0 3 1c h a s s i sa n dp ce t c t oa c h i e v e b r e a k o u tp r e d i c t i o ns y s t e m t h ep a p e r , s t a r t i n gf r o ms t u d y i n gt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo fb r e a k o u t , l o o k i n gf o r t h ec a s t i n gp r o c e s sv a r i a b l e st o e f f e c t i v e l y r e f l e c tb r e a k o u ta c c i d e n t ；a n g l i c i z i n gt h e f e a s i b i l i t yo fm o u l df r i c t i o nu s e dt ob ei d e n t i f i e db r e a k o u ta n dp r o b i n g i t so n - l i n ea p p l i c a t i o n m e t h o d ；c o n t r a s t i n gt e m p e r a t u r ev a r i a t i o nw h i c hh a v eb e e nm e a s u r e db yt h e r m o c o u p l ei n m o u l dw a l l so nn o r m a la n da b n o r m a ls t a t e ，c r e a t i n gt h et e m p e r a t u r ei d e n t i f i c a t i o nm o d e l b a s e do n xa x i s ；b ys t u d y i n gt h en e u r a ln e t w o r kt h e o r ya n di t sa p p l i c a t i o ni nr e s p e c to ft h e a p p l i c a t i o no ff a u l ti d e n t i f i c a t i o n , c r e a t i n gb pn e u r a ln e t w o r ka n dd y n a m i cf u z z yn e u r a l n e t w o r k , s i m u l t a n e o u s l y , u s i n gi t sa n dc o m b i n i n g t h et e m p e r a t u r ej u d g i n gm o d e lb a s e do nx a x i st oc 0 幽t h eb r e a k o u tp h e n o m e n o n ；f i i l a l l y w ec o n s t r u c t e dt h eb r e a k o u tp r e d i c t i o n s y s t e m t h es y s t e mi n c l u d e st w om a i np a r t so f t h es u b - h o s tc o m p u t e ra n dt h en e x tc r e w t h e l o w e rm a c h i n e f u n c t i o nh a sb e e na c h i e v e do nl a b v i e wr e a l - t i m eo p e r a t i n g s y s t e m , i n c l u d i n ga l lo f t h eb r e a k o u td i s t i n g u i s ha r i t h m e t i c ；h o s tc o m p u t e rs y s t e ma saw h o l ei nt h e w i n d o w sp l a t f o r mw a sd e v e l o p e db yt h em a t l a ba n dg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g e l a b v i e w s y s t e mi n t e r f a c ec o u l dd y n a m i cs h o w st h et h e r m o c o u p l et e m p e r a t u r e ，m o l d f r i c t i o n , t i m e l yw a m i n g , c a s t i n gr e l a t e dp a r a m e t e r sa n dg e n e r a t er e p o r t s k e yw o r d s ：c a s t i n g ；m o u l d ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ；n e u r a ln e t w o r k ；t h e r m o c o u p l e 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 弓i言l 1 绪论2 1 1 课题背景及研究意义2 1 2 连铸工艺简介2 1 3 常见的铸坯质量缺陷及弯月面对铸坯质量的影响3 1 4 国内外漏钢事故检测方式及发展趋势7 1 5 本论文主要内容8 2 液压振动下漏钢现象在线检测方法9 2 1 结晶器液压振动系统简介9 2 2 结晶器摩擦力用于漏钢判断的可行性9 2 3 热电偶温度预报方法1o 2 4 用于识别漏钢现象的连铸过程变量选取1 l 2 5 漏钢现象在线识别方法1 2 2 6 本章小节1 3 3 结晶器摩擦力在线检测方法1 4 3 1 结晶器摩擦力数学模型的建立1 4 3 1 1 结晶器运动受力分析1 4 3 1 2 液压缸消耗功率1 5 3 1 3 液压缸消耗的功率和结晶器摩擦力之间的关系1 5 3 2 结晶器摩擦力异常数据分析1 7 3 2 1 工艺条件变动对结晶器摩擦力的影响1 7 3 2 2 异常情况对结晶器摩擦力的影响18 3 3 结晶器摩擦力异常特征提取方法2 0 3 3 1 突变和连续尖脉冲信号的提取方法2 l 3 3 2 斜坡信号提取方法2 l 3 3 3 工艺条件变动对结晶器摩擦力判断漏钢现象的影响2 2 3 4 结晶器摩擦力异常特征提取方法验证2 3 3 5 本章小结。2 5 4 基于人工神经网络的预报模型2 6 4 1 预报模型的组成。2 6 4 2b p 神经网络在漏钢预报中的应用2 8 4 2 1b p 神经网络简介2 8 内蒙古科技大学硕士学位论文 4 2 2 单偶温度模式识别3 0 4 2 3 热电偶组判断模型3 6 4 3 动态模糊神经网络在漏钢预报中的应用3 9 4 3 1 动态模糊神经网络简介3 9 4 3 2 网络模型的建立4 0 4 3 3 网络测试4 4 4 3 4 讨论4 5 4 4 本章小结4 6 5 基于虚拟仪器技术的漏钢预报系统开发4 7 5 1 虚拟仪器技术简介4 7 5 1 1 虚拟仪器技术的组成4 7 5 1 2 图形化编程语言l a b v i e w 4 8 5 2 漏钢预报系统开发4 8 5 2 1 硬件平台搭建4 8 5 2 2l a b v i e w 开发环境和m a t l a b 软件通信51 5 2 3 系统功能5 2 5 2 4 系统界面。5 2 5 3 漏钢预报系统仿真实例5 4 5 4 本章小结5 7 结论5 8 参考文献6 0 附录a 模糊神经网络算法程序代码6 3 附录b 结晶器摩擦力数据( 部分) 7 1 在学研究成果7 3 致谢7 4 内蒙古科技大学硕士学位论文 引言 在连铸生产中，最典型、破坏最大的便是浇注过程中的漏钢事故。目前，国内外许 多炼钢厂都为连铸机建立了相应的漏钢预报系统，其预报准确率多少存在不同的差异， 这些系统每天接受大量关于连铸生产的基础数据信息，日积月累，使得漏钢预报数据库 中保存了大量的历史数据，其中蕴含着连铸漏钢的潜在规律。但由于数据量大且时间序 列特征变化多种多样，如何充分利用好这些数据，是企业迫切需要解决的问题。 l a b v i e w 是美国n i 公司推出的图形化软件开发环境，与其他软件平台相比，最大 优势在于测控系统的开发，因为其不仅提供了几乎所有经典的信号处理函数和大量现代 的高级信号分析工具，而且可以和多种主流的工业现场总线通讯以及与大多数通用标准 的仪器和实时数据库链接。过去的3 0 年里，n i 通过虚拟仪器技术为测试测量和自动化领 域带来了一场革新，虚拟仪器技术把现成即用的商业技术与创新的软硬件平台相集成， 从而为嵌入式设计、工业控制以及测试和测量提供了一种独特的解决方案。8 5 的财富 5 0 0 强制造型企业已经选择了虚拟仪器技术，n i 提供的1 0 0 0 多款软硬件产品应用遍布电 子、机械、通信、生物医药、科研、教育等各个行业领域。从日本的h o n d a 汽车测试、 澳洲的心脏起搏器设计验证到英国电信电话线路性能测试，全世界数以万计的工程师和 科学家们都在使用虚拟仪器技术来达到他们共同的目的更高的性价比和更快的开发 周期。 鉴于虚拟仪器技术的优越性，本文提出了一种基于虚拟仪器技术的结晶器漏钢预报 系统设计方案。利用嵌入式控制器p x i 8 1 0 6 、m 系列多功能数据采集模块p x i - 6 2 2 1 ( 若干块) 、8 通道1 3 位模拟输出模块p x i 6 7 2 2 、p x i 1 0 3 1 机箱以及s c x i 信号调理模 块等虚拟仪器设备和工控机构建了漏钢预报系统。从研究漏钢形成机理出发，寻找能够 有效反映漏钢事故的连铸过程变量；分析了液压振动下结晶器摩擦力数学模型建立过程 及其在正常与漏钢时的表现形式；设计并实现了结晶器摩擦力在线应用方法；研究了结 晶器四壁埋设热电偶所测温度值变化特征，通过研究神经网络理论及其在故障识别方面 的有关应用，利用m a t l a b 完成了b p 神经网络模型和模糊神经网络模型的创建并将 其用于识别漏钢现象，从而实现了漏钢预报系统的设计。系统分上位机和下位机两个主 要部分，下位机功能在n il a b v i e wr e a l - t i m e 操作系统上实现，包含全部漏钢识别算 法；上位机监控系统在w i n d o w s 平台上，由图形化编程语言l a b v 匝w 和m a t l a b 开 发，系统可视化界面实现了热电偶温度及结晶器摩擦力等相关信息的动态显示，能及时 给出报警并生成报表。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景及研究意义 液态金属连续铸锭的概念早在1 9 世纪中期就已经提出【i 】。1 8 4 0 年美国塞斯勒 ( s e l l e r s ) 获得连铸铅管专利。1 8 8 6 - - 1 8 8 9 年提出垂直浇铸的立式连铸机的设计。1 9 2 1 年皮尔逊提出结晶器振动的概念，使铸坯与结晶器之间做连续相对振动 2 1 。 经过几十年的发展，连铸生产技术已发展成为一项重要的钢铁冶金技术，其不但能 够简化工艺流程、还提高了金属收得率和产品质量，同时也降低了能耗和生产成本，因 而得到迅猛发展，目前已成为钢铁工业的重要组成部分。连铸机按照机型分为立式、立 弯式、垂直多点弯曲式、弧形以及水平型等，其中弧形连铸机占多数。 随着自动化技术和计算机技术的迅猛发展及其在连铸生产中的应用，加之电磁搅 拌、铸坯轻压下等技术的不断涌现，使得连铸开始向多炉连浇、热送热轧的方向发展， 同时，围绕改善铸坯质量、提高拉速和浇铸率以及自动控制等方面进行了很多研究，取 得了可观的进展。随着市场经济的深入发展，添加高经济效益这项最直接指标成为人们 最关注的焦点【3 j 。高效连铸以其提高金属收得率、降低能耗、优化铸坯质量、改善劳动 条件以及易于实现自动化技术等优点引起世界各国钢铁行业的高度重视。 在连铸生产中，最典型、破坏最大的便是浇注过程中的漏钢事故。据报道，一次漏 钢事故的损失高达几百万人民币【4 】。漏钢现象的产生是由多种工艺因素偏离稳定状态并 相互作用的结果，形成机理较为复杂。为防止此类事故频繁发生，人们已经做了大量的 实验研究工作，并有针对性的在设备和工艺上采取相应措施，但漏钢事故仍时有发生， 这说明需要对漏钢事故做深层次的分析研究，并迫切需要开发高效率的漏钢预报系统。 国外研制漏钢预报系统起步较早，已达到较高的预报水平，近年来陆续可见一些大 型钢铁公司成功运用这类系统使漏钢发生率大大下降。我国此类系统的研制和开发工作 起步相对较晚，与国外先进水平存在较大差距。国内一些钢铁公司从国外引进漏钢预报 系统投入运营，但随着生产工艺的变化及钢铁行业的发展，这些预报系统很快已不能满 足生产需求，误报较多，漏报也时有发生，因此开发出适合我国钢铁行业发展现状的漏 钢预报系统将有非常重要的意义。 1 2 连铸工艺简介 连铸机主要由钢包运输装置、钢包( l a d l e ) 、中间包( t l m d j s h ) 、结晶器( m o u l d ) 、二 次冷却装置( s e c o n d a r yc o o l i n gz o n e ) 、拉坯矫直装置( f l a t t e n i n gm a c h i n e ) ，切割装置 ( c u t t i n gm a c h i n e ) 等部分组成，如图1 1 所示。将炼出的合格钢水装入钢包，经运输装置 内蒙古科技大学硕士学位论文 运送到浇注位置，然后，通过中间包注入无底水冷铜模一结晶器内。在注入钢水前， 必须先为结晶器装上所谓的“活底 ，它同时也起引出铸坯的作用，这个“活底 被称 作引锭杆。注入结晶器的钢水在冷却水的作用下凝固成形，并与结晶器底部的引锭杆头 部凝结在一起。而引锭杆的尾部则夹持在拉坯矫直机的拉辊中，当结晶器内钢水液位升 到要求的高度后，启动拉坯机，以一定的速度把引锭杆( 牵着铸坯) 从结晶器中拉出。 为了防止铸坯被拉断以及减少结晶器中的摩擦阻力，在浇铸的同时，既要对结晶器内壁 进行润滑又要它做上下往复运动。当初步凝固的铸坯( 表面凝固而内部仍为钢液) 被拉 出结晶器后，为使其更快的散热凝固，需进行喷水冷却，此过程称为二次冷却，通过二 冷装置的铸坯已完全凝固。这样，钢坯不断被拉出，钢水从结晶器上面不断注入便形成 了连续铸钢，当铸坯通过拉坯矫直机( 立式和水平式连铸机不需要矫直) 后，脱去引锭 杆。完全凝固的铸坯由切割设备以定尺切割，再经运输轨道进入后续工序旧。 图1 1 板坯连铸机 1 3 常见的铸坯质量缺陷及弯月面对铸坯质量的影响 实际生产中，由于操作、设备和工艺条件等原因，生产出的铸坯常伴有质量缺陷问 题，严重影响钢材质量。本部分将粘结现象一同归结到铸坯质量缺陷中进行探讨。 菱变是坯壳扭曲的结果，常出现在距弯月面1 0 0 1 5 0 m m 处，这是由于处于与结晶 器铜板未接触的钝角区中的坯壳比在已接触的锐角区中以更低的速度凝固而引发的。在 这种情况下，坯壳出结晶器前都会保持这种形变状态，因此在其他条件相同的情况下， 结晶器越长，铸坯菱变越严重。进入二冷区的前几分钟，菱变程度会显著增强，当坯壳 厚度沿横断面均匀之后，菱变扩大的趋势被终止。在结晶器下安装足辊是防止菱变发展 的有效方法。 内蒙古科技大学硕士学位论文 横断面形状畸变是在浇注过程中由于某一棱角区与成形坯壳接触中断致使结晶器内 散热中断引发的。其成因可能是：润滑不均匀或结晶器工作空间的不适当而导致坯壳和 结晶器的接触中断。 铸坯界面凹度( 凸度) 是由于铸坯的不正确二次冷却或不恰当的支撑系统造成的。 弯曲( 新月形弯曲) 是指在铸坯定尺切割后冷却失调或矫直机矫正不当等情况下发 生的变形。 结晶器在使用过程中，由于长时间受热应力和外力的作用，促使宽面足辊弯曲变 形，坯壳出结晶器后，得不到宽面足辊的支撑作用，这时的坯壳受钢水重力的作用而变 形，若坯壳的强度不能承受钢水的重力作用，将会在坯壳的最薄弱处破裂，形成裂纹， 严重时造成漏钢事故。 在结晶器使用前的调整过程中，未将侧面铜板和窄面足辊调整到一个垂直面上，使 得铸坯出结晶器后得不到有效支撑，或足辊对坯壳严重挤压，导致坯壳受力不均衡而产 生变形或裂纹，当缺陷部位承受不住钢水静压力作用时，便产生漏钢事故。 由于侵入式水口形状设计问题，在钢水流出侧孔后，结晶器内钢水的流场分布不均 匀，导致结晶器液面波动，使得部分保护渣来不及熔化而被卷入初生坯壳内，形成夹 渣，此种情况会引发初生坯壳凝固速度减慢、所受结晶器摩擦力增大，坯壳强度较弱等 问题，由于凝固收缩力和热应力的作用，在坯壳强度最弱处出现裂纹，严重时造成角裂 漏钢。 结晶器侧面倒锥度或冷却强度过小会引起铸坯严重鼓肚变形。钢水在结晶器凝固成 坯壳后呈蠕动前进，若此时结晶器倒锥度合适，则坯壳紧贴铜板，热阻小，热量能及时 传导，坯壳厚度逐渐增加，这样，坯壳出结晶器后就不会出现凹陷；反之，边部坯壳厚 度相对较薄，出结晶器后不能抵挡钢水静压力作用，坯壳会在薄弱处裂开而形成裂纹， 严重时引起边裂漏钢。该事故较为常见。若结晶器侧面倒锥度过大，虽能避免铸坯边裂 和鼓肚，但坯壳在结晶器内运动时所受摩擦力增大，易引起角部横向裂纹1 7 j 。 连铸生产中，由于钢液表面传热的不稳定、结晶器液位波动及其他若干原因的相互 作用，使弯月面处的初生坯壳会在结晶器铜板上形成粘结点，如果不进行适当的热处 理，随着铸坯不断被拉出结晶器，粘结点会不断被撕裂，从而形成裂口并且随铸坯一同 向结晶器底部移动。铸坯出结晶器时，钢液从裂口处流出，这种现象被称为粘结性漏钢 ( s t i c k i n g - t y p eb r e a k o u t ) ，是连铸过程中最严重的生产事故也是铸坯质量中的最坏形 式，其不仅极大的影响正常生产，还会造成人员伤亡和设备损坏。具体形成过程如图 1 2 所示。 内蒙古科技大学硕士学位论文 图1 2 粘结性漏钢形成机理 通过对实际出现漏钢现象的板坯的观测，见图1 3 ，可以发现以下几点特征：在破 裂点处，坯壳厚度向弯月面处递增，与正常坯壳恰好相反；裂痕呈v 字形并且从粘结 点处呈扇形展开；裂痕与水平方向的夹角在2 0 - - 4 5 。之间。 。 图1 3 出现粘结性漏钢的板坯 铸坯的表面质量与铸坯初始凝固时的状态密切相关，而钢液注入结晶器时，弯月面 的性能又对坯壳初始凝固状态有决定性的影响。因此浇注时弯月面的性能，对于减少漏 钢事故有重要意义。有关弯月面的研究尚处在理论阶段，许多问题仍未研究透彻。有些 人利用水模实验，以及电脑成像技术，在实验室里对结晶器内钢水弯月面形状的变化及 其与铸坯质量的关系进行了研究，并利用实验结果对弯月面行为进行了数值模拟 8 1 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 有关研究表明p 】，连铸质量缺陷绝大部分起源于结晶器内的动力学和热力学过 程，铸坯表面质量的好坏与结晶器内钢液的传质、传热以及保护渣的润滑效果密切相 关。各类漏钢事故的形成多少都带有粘结性漏钢的特征。有文献将短边鼓肚，熔融保护 渣卷入及坯壳纵向裂纹都归结为粘结性漏钢【1 2 1 。连铸生产过程中，钢液与保护渣及结晶 器铜板相接触，形成一个半径很小的弧面区域( 称为弯月面) ，在钢液表面张力的作用 下，弯月面具有弹性薄膜的性能，能抵抗剪切力，同时在结晶器往复振动过程中传递钢 液内部热量，形成具有一定厚度的坯壳。此边界具有重要作用：由于其具有表面张力和 弹性势能，可以防止保护渣与钢液直接接触，避免卷渣和夹渣：弯月面将上浮的夹杂物 传递给保护渣吸收，避免钢液表面性能的恶化。 所以，从某种程度上说，弯月面是坯壳初始凝固的起点，其性能直接决定了铸坯质 量的好坏，尤其是弯月面的弹性势能。在敞开式浇注中，弯月面的弹性势能主要取决于 其表面张力。 通常情况下，弯月面的形状比较复杂，目前，对其进行数学描述，使用较多的是 b i k e r m a n 方程【1 3 】，但在进行计算时，可将弯月面看作弧形，即仅由弯月面半径的大小 来描述其形状，如图1 4 所示。 结晶器 渣膑 坯壳 图1 4 钢液形成的弯月面 简化后的弯月面半径计算公式为： ，= 5 4 3 x 1 0 5 ( c r 。p 肼) 刈2 粉渣层 一_ 一熔融层 一液渣层 _ 一铜液 ( 式1 1 ) 式中：o m 为钢液表面张力，单位是n h ，p 。为钢水密度，单位是k g m 2 。 般来说，钢液的表面张力与弯月面性能密切相关，钢液的表面张力越大，弯月面 的半径越大。弯月面面积越大，弹性就越好。弯月面的弹性薄膜弹性越强，对初生坯壳 的形成和表面质量越有利【1 4 】i 。 、粘结漏钢。其 只要按设计条件 细心操作，均可杜绝。而粘结性漏钢的起因较为复杂，且往往反映在热传递上，所以目 前发展的若干种漏钢预报系统多侧重于这个方面。以下介绍几种检测方式及其工作原理 翻 1 热交换分析法 结晶器的热传递直接影响着铸坯的表面质量，热传递不均匀则导致铸坯坯壳厚度不 均匀，极易产生拉漏。检测结晶器热传递的方法是测量结晶器冷却水的出水温度和进水 温度，以其温度差作为漏钢判断依据。这种方法的缺点是对拉速，钢水温度及结晶器液 位考虑不足，因此常常产生误导，目前应用较少。 2 利用热电偶测温进行漏钢预报 随着计算机数据处理技术的不断完善，使得利用热电偶测温法实现漏钢预报成为可 能。其工作原理是在结晶器铜板上的一点或多点安装热电偶，将热电偶测量的温度值传 递到计算机处理系统分析后，若出现异常则发出报警信号。热电偶监测法的优点是可以 实时测量，实时报警，以便操作者采取有效措施。 3 监测摩擦力进行漏钢预报 结晶器壁与铸坯之间由于相对运动而产生摩擦力，其大小受诸多工艺参数的影响， 如：保护渣性能、钢种、拉速、结晶器振频等。摩擦力较大时势必造成铸坯与结晶器间 有较强的附着力而使它们产生粘结性焊合，严重时则会导致漏钢。为了防止由于摩擦力 而引起的漏钢事故，就需要对其进行监测。目前常用的方法是在结晶器上安装加速计和 测力计或在振动装置上安装变形测定器来检测摩擦力。虽然近年来计算机数据处理技术 得到广泛应用，增大了利用摩擦力预报漏钢的可靠性，但误报率仍然较高，有时可作为 漏钢预报的辅助方法。 以上介绍了几种国内外现有的漏钢预报方法，其中研究和应用最多的就是热电偶测 温法。对热电偶信号的分析方法主要有逻辑判断和神经元网络两种，前者只能针对具体 设备和工艺进行漏钢数据分析，从中获得漏钢预报逻辑条件，预报准确率不高。后者特 别适于处理诸多因素起作用但尚无确定性结论的系统，是近年来漏钢预报系统的发展趋 势。目前，基于b p 网络的神经元网络漏钢预报系统已进入实用阶段，但由于b p 网络存 在识别动态模式的局限性，因而进一步研究利用雪崩网络和递归网络的神经元网络技术 进行预报漏钢是国内外学者最新的研究方向。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 5 本论文主要内容 本文利用虚拟仪器软硬件平台构建了漏钢预报系统，主要研究工作包括以下几个部 分： ( 1 ) 研究铸坯质量缺陷及漏钢形成机理；对比结晶器摩擦力及热电偶测温法在漏钢 预报应用中的优缺点，探讨较好的漏钢现象识别方法，同时，寻找能够有效反映漏钢事 故的连铸过程变量。由于漏钢事故中多以粘结性漏钢为主，所以主要针对粘结性漏钢预 报方法进行研究。 ( 2 ) 建立结晶器摩擦力数学模型并设计在线应用方法。介绍了结晶器液压振动系统 中应用功率法计算结晶器摩擦力原理；分析了结晶器摩擦力正常和异常时在时域上的表 现形式，并针对不同的表现形式设计了对应的异常特征提取方法。 ( 3 ) 研究了b p 神经网络和动态模糊神经网络在漏钢现象判断中的应用。包括神经 网络的相关知识、单偶温度模式识别网络、b p 神经网络和动态模糊神经网络的建模、 训练和网络性能的改进以及漏钢现象确认模型的组成及实现。 ( 4 ) 利用嵌入式控制器n ip x i 8 1 0 6 、2 块m 系列多功能数据采集模块p x i 6 2 2 1 、8 通道1 3 位模拟输出模块p x i 一6 7 2 2 、p x i 1 0 31 机箱以及s c x i 信号调理模块等虚拟仪器 设备和工控机构建并实现漏钢预报系统，详细阐述了具体实现过程，包括硬件平台的搭 建、虚拟仪器软件平台l a b v i e w 与m a t l a b 软件的通信、监控系统功能、在线识别 漏钢现象流程、远程监控等。 围绕这几个部分，论文从第二章至第四章做了详细的阐述。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 液压振动下漏钢现象在线检测方法 2 1 结晶器液压振动系统简介 结晶器液压振动系统通常由阀控系统、液压供油系统、泵站控制系统和计算机控制 系统等部分组成。液压振动系统的动力装置为液压动力站，它作为动力源向液压缸提供 稳定压力和流量的油液。液压动力站的信号由主站室内的计算机通过p l c 来控制。液 压振动系统的核心控制装置是振动伺服阀。振动伺服阀灵敏度极高，如果液压动力站提 供的油液有波动，伺服阀动作就会失真，导致振动不平稳及波形失真。为此，要在系统 中设置蓄能器以吸收各种冲击和波动，保证整个系统处于稳定状态。 正弦和非正弦振动曲线由振动伺服阀控制，其控制信号来自曲线生成器。主控室计 算机通过p l c 控制曲线生成器设定振动曲线类型( 同时也设定振幅和频率) ，同时采 集液压缸压力信号和位置反馈信号来修正振幅和频率，此后，将修正好的振动曲线转换 成电信号用以控制振动伺服阀，再由伺服阀控制液压缸按设定好的曲线振动。这种在线 任意调整振动波形是机械振动系统所实现不了的。 与机械振动相比，液压振动系统还具有以下优点：振动力由两点传入结晶器鞍座， 传力均匀、振动平稳、不失真且振动导向准确度高；结构紧凑简单，传递环节少，与结 晶器对中调整方便；采用高抗干扰能力和高可靠性的p l c 控制，可长期保证稳定的振 动曲线；在线设定振幅和频率等参数，用以适应连铸机浇注的钢种；改善铸坯与结晶器 铜板的接触状态，提高了铸坯表面质量的同时，也减少了粘结性漏钢的发生。 液压振动装置最先应用在板坯连铸机上，随后又开发了用于方坯连铸机上的液压振 动系统。液压振动系统在近十年才开始应用于连铸生产中，而且对液压振动系统下结晶 器摩擦力在线检测方面的研究起步较晚，是一项较为复杂的、涵盖多学科的工程理论与 应用研究。因此，液压振动下结晶器摩擦力在线检测技术已成为一个新的研究课题。目 前，国外除奥钢联在宣传其“结晶器专家系统”( m o l de ，e r t ) 时曾就该技术做过 简要介绍外，未见实质性和更多的报道。因此，开展液压振动下结晶器摩擦力在线检测 及其应用研究，开发出与液压振动技术相适应的结晶器摩擦力检测实用新技术，将在稳 定和优化连铸工艺，新品种开发，保护渣润滑效果评价等方面有重要作用。同时对实现 铸坯质量在线诊断和提高连铸过程自动控制水平有重要意义。 2 2 结晶器摩擦力用于漏钢判断的可行性 结晶器摩擦力是连续向下运动的铸坯与不断振动的结晶器之间由于相对运动而产生 的摩擦力。它反映了坯壳与结晶器间的力学作用。在线检测此数据，可以量化保护渣性 内蒙古科技大学硕士学位论文 能并反映操作状况等信息，还与铸坯质量、裂纹和漏钢有密切联系【l 列，对优化和开发 新连铸工艺有重要作用。 近年来随着信号分析和神经网络技术的发展，通过监测结晶器摩擦力来实现漏钢预 报的技术已成功应用于连铸生产。粘结漏钢与结晶器和铸坯之间的润滑不良密切相关， 而检测结晶器摩擦力几乎是铸坯润滑状态最直接最有效的测量手段。结晶器摩擦力是一 个敏感的物理量，能有效反应大部分漏钢事故，还可表征铸坯质量缺附例。已有研究证 明刚，结晶器摩擦力对异常情况，如水口断裂、漏钢、液位波动、拉速、在线调宽和中 间包吨位变动等有明显反映，而且在大多数漏钢现象出现前的几分钟内，已呈现出明显 的异常波动，因此，结晶器摩擦力可以成为一个用于漏钢预报的变量。 连铸监控目标应该是确保稳定浇铸和表面质量的最优控制，将结晶器摩擦力融入漏 钢预报系统中可更好地实现这一目标。另一方面，从对铸坯质量的反映上来看，结晶器 摩擦力对铸坯表面缺陷有高响应，并在评价和优选保护渣、铸坯质量预测、结晶器锥度 设计、浇注工艺优化、结晶器振动方式以及参数优化方面显示出应用潜力【1 9 】。 2 3 热电偶温度预报方法 目前大多数漏钢预报系统都是利用埋设在结晶器壁上的热电偶所测温度值进行漏钢 判断的。当出现漏钢现象或表面质量缺陷时，坯壳与结晶器壁间的传热变化，相应范围 内的热电偶检测点所测温度也会有所变化，这就是利用热电偶检测漏钢现象的基本原 理。除了热电偶所测温度值外，系统还结合铸造速度、结晶器冷却水进出水温差以及结 晶器液面波动状况等参数共同判断，若数据处理得当，预报准确率较高。但是，热电偶 测温法也有其先天性的不足。首先，从热电偶测温法的基本原理来看，其只对粘结性漏 钢敏感；其次，由于温度存在滞后性，不能在粘结现象形成初期给出相应的报警，这尤 其表现在高拉速的情况下；第三，若结晶器液位过低，漏钢处超出结晶器最下排热电偶 反应敏感区，此时温度报警系统完全失效；第四，其很难用于铸坯的质量预报和控制。 而这些缺点恰恰可以通过检测结晶器摩擦力进行弥补。基于温度监测的预报方法不能有 效解决所有问题，同时，还存在着漏报和误报，连铸漏钢预报方法还有待于进一步地深 入研究。 通过对现场工艺资料和报警数据分析后发现，漏钢发生的影响因素有很多，如铸造 速度、结晶器液位、结晶器冷却水管道水垢厚度、保护渣性能等。拉速的提高导致铸坯 散热量减小。液位波动导致保护渣流入不均或出现夹渣现象，造成钢液与铜板粘结，最 终出现漏钢。结晶器冷却水管道中的水垢会导致冷却系统热传导率下降，其厚度对铜板 表面温度有相当大的影响。所以热电偶的温度变化模式只可当作漏钢判断的一个条件， 而不能当作绝对依据。将结晶器摩擦力、热电偶温度和其他重要工艺参数相结合建立更 内蒙古科技大学硕士学位论文 为准确的判据，有可能进一步提高漏钢预报的准确性。因此，开发一种高效、准确、适 应现场恶劣条件的预报系统具有重要的理论和实际意义。 2 4 用于识别漏钢现象的连铸过程变量选取 选择合适的连铸过程变量对于漏钢预报是一个至关重要的阶段，在大多数仿真研究 中极易忽视这一过程。实际连铸生产线上，结晶器周围大量的过程变量( 包括连续的和 离散的) 以一定的采样率被测量，如表2 1 所示。纵观国内外大型钢铁厂( 如 d o f a s c o 、p o s c o 、宝钢等) 所应用的漏钢预报系统，不是所有的过程变量都对漏钢预 报有价值，甚至在某些情况下，一些过程变量会降低漏钢预报系统的性能。对于过程变 量的选取，有一些较成熟的工业指导方针【2 0 l ： ( 1 ) 要选取与漏钢现象至关重要的变量。 ( 2 ) 要选取连铸过程中揭示动态转变的变量。 ( 3 ) 不要选取丢失数据多于2 0 或者差异很小的变量。 ( 4 ) 一些过程变量可能涵盖非常有价值的连铸过程信息，然而，它们不能被直接测 量，但这些变量可通过工程学或者推理计算而来，应当选取这些变量。 应用这些工业指导方针并结合现有漏钢预报系统参数选取原则，本设计选取以下过 程变量用于漏钢现象识别，它们是：拉坯速度；结晶器四壁埋设热电偶所测温度值；结 晶器振动位移；液压缸出油口压力；冷却水进出口温度；大包吨位；中间包液位高度： 结晶器液位变化量；结晶器摩擦力等。其中，结晶器摩擦力是根据液压缸压力及结晶器 振动位移间接计算而来的。 表2 1 连铸机部分设备过程变量概要 设备名称过程变量 大钢包 中间包 结晶器 吨位 中问包重量 包内钢液温度 浇注温度 四擘热电偶温度 结晶器液位 结晶器振动位移 结晶器摩擦力 凝固坯壳厚度 结晶器壁形变状况 保护渣熔化状况 冷却水流量及进出口温度 拉坯速度 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 5 漏钢现象在线识别方法 鉴于本章2 、3 、4 节所述，本着尽可能准确识别漏钢现象的原则，利用结晶器摩擦 力、热电偶温度及现场工艺条件共同完成漏钢现象的识别。 由于拉速及结晶器液位变化量等工艺参数存在一定的模糊性，有时很难确切表达出 来，而且，某个操作量的具体表述形式也不是非高即低，很可能处于某个中间状态，具 有所谓的低与高之间的一个或几个“真度”。因此，设计中采用模糊理论对这些存在模 糊性的过程变量进行处理。另一方面，经验知识中包含的一些数量，位置等关系概念是 模糊性的，例如，“液面波动大，则漏钢的可能性大 ，这里的液面波动程度和漏钢可 能性大小之间没有明确的关系，而是模糊的。这就有必要运用模糊数学等方法来描述各 知识源中概念的模糊性和不确定性 2 1 。逻辑判断方法和神经网络在这方面就显得力不从 心了，而模糊神经网络的出现正好弥补了这一不足之处，所以，设计引入动态模糊神经 网络动态创建模糊知识。 热电偶测温法在漏钢识别中有其不可忽视的作用，相邻热电偶温度变化模式直接反 映了坯壳是否处于粘结一撕裂一扩展的变化模式中，是粘结现象最直接的反映量。因此， 设计中采用b p 神经网络对单个热电偶温度变化模式进行识别，同时，构建了组