（机械设计及理论专业论文）热物性参数bp网络模型及其在钢坯加热温度预报中的应用.pdf

摘要 摘要 在轧制生产过程中，加热炉出炉钢坯温度及其分布是影响轧制质量的 重要因素，也是加热炉自动控制的主要目标。但是由于目前测试技术的限 制以及加热炉内热工状况的复杂性，使得直接、准确地测量加热过程中钢 坯的实时温度分布存在较大的困难，因此建立数学模型来准确、及时地预 报钢坯加热过程中的温度分布，并以此为基础优化控制策略，是保证轧制 质量且降低能源消耗的一条重要途径。 该项目以石家庄钢铁有限公司第一轧钢厂推钢式连续加热炉为研究对 象，以实现炉内钢坯温度场的实时监测预报为目标，根据一轧厂加热炉结 构特点及加热制度，建立了炉内钢坯加热一维数学模型，确定初始条件和 边界条件：考虑到开发系统在线性的特点，采用全隐式有限差分法，对数 学模型进行数值求解：利用v i s u a lb a s i c 语言编制了钢坯加热过程的数值模 拟软件，分别对不同种类钢坯进行了数值模拟计算。对于模拟所涉及到的 热物性参数，通过神经网络建模方法建立了钢坯热物性参数预报模型，并 用v b 开发了相应算法。利用有限元计算软件a n s y s 对钢坯温度场进行模 拟计算，并将所建模型计算数据与现场测试的试验数据及通过a n s y s 得到 数据进行了对比验证，结果表明：所建模型是正确可靠的，模型能够较为 准确地预报钢坯温度场分布状况。设计并通过v i s u a lb a s i c 语言实现了界面 友好、操作方便、功能齐全的实时监测预报软件系统，实现了高速实时的 监测计算及显示；将所有数据都输入s q ls e r v e r2 0 0 0 数据库，使该系统具 有较高的通用性，所得数据能为企业内部共享，并应用于控制系统。 用于炉内坯温实时跟踪预报系统软件已开发完毕，现在正被成功应用 于石钢一轧厂钢坯加热现场。 关键词钢坯温度场；实时监测；数学模型；有限差分；b p 神经网络 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t e m p e r a t u r ef i e l do fg o i n g - o u tb i l l e t si sn o to n l yt h ei m p o r t a n tg i s to f q u a l i t yb yh e a t i n g ，b u ta l s ot h ep r i m a r ya i mi nar o l l i n gp r o c e s s b u tr e f e rt o b i l l e tt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h ei n n e rt e m p e r a t u r eo fb i l l e tn o wc a l l tb er e a c h e do r m e a s u r e db yu s i n gs o m ei n s t r u m e n t se a s i l y , s ob u i l d i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l f o rt h et e m p e r a t u r e sd i s t r i b u t i o na n dc o n t r o l l i n gt h eg o i n g o u t t e m p e r a t u r e r a t i o n a l l yc a nl e a dt ob e t t e rr o l l i n gq u a l i t ya n dl e s se n e r g yc o n s u m p t i o n o b j e c t e dw i t ht h ep u s h e r - t y p ec o n t i n u o u sr e h e a t i n gf u r n a c ei nt h ef i r s t p l a t e r o l l i n gp l a n to fs h i j i a z h u a n gi r o na n ds t e e lc o l t di nt h i sp a p e r , a n d w i t h t h el a s tg o a lo fr e a l i z i n gt h er e a l t i m em o n i t o ra n dp r e d i c t i o no ft h et e m p e r a t u r e f i e l di nt h ec o u r s eo fh e a t i n gt h eb i l l e t s ，t h eo n e d i m e n s i o n a lu n s t e a d y m a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h et e m p e r a t u r e sd i s t r i b u t i o no fb i l l e ti naf u r n a c ew a s b u i l ta f t e rt h i n k i n go ft h ef u r n a c e sc o n f i g u r a t i o na n dh e a t e ds y s t e ma n dt h ef i r s t c o n d i t i o na n db o u n d a r yc o n d i t i o nw e r ep r o v i d e d i t lv i e wo ft h es y s t e m s o n - l i n ec h a r a c t e r i s t i c ，w eu s e dt h em e t h o do fa l l h i d d e nf i n i t el i m i t e dd i f f e r e n c e ， b e f o r et h ec o m p u t a t i o n a ls o f t w a r ef o rs t u d y i n gt h eh e a t i n g u pp r o c e s so fb i l l e t w a sd e v e l o p e db yu s i n gv i s u a lb a s i cl a n g u a g e t h e nt h em a t h e m a t i c sm o d e l w a sv e r i f i e db yt h ed a t a , w h i c hh a db e e no b m i n e db yt e s t i n go nt h es p o ta n db y s i m u l a t i n gt h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r eo fa n s y s ，a n dt h er e s u l tw a s v e r i f i e dt h a tt h em o d e lw a sc o r r e c ta n dc o u l dp r e d i c tt h et e m p e r a t u r ec o r r e c t l y a tl a s t t h er e a l t i m em o n i t o rs y s t e m ，w h i c hw a sf r i e n d ，c o n v e n i e n ta n d c o m p l e t e ，w a sd e s i g n e da n dr e a l i z e db yv bl a n g u a g e f o rt h ec u r r e n c yo ft h e s y s t e m ，a l ld a t aw a si n p u tt ot h es q ls e r v e r2 0 0 0d a t a i a s ea n di t c o u l db e s h a r e di nt h ec o m p a n ya n dc o u l db eu s e db yt h em o n i t o rs y s t e m t h es o f t w a r es y s t e mo fb i l l e ti nf u m a c eh a db e e nd e v e l o p e da n da p p l i e da t t h ef i r s tp l a t e r o l l i n gp l a n ts u c c e s s f u l l y k e y w o r d sb i l l e tt e m p e r a t u r e ；r e a l t i m em o n i t o r ；m a t h e m a t i c a lm o d e l ；f i n i t e d i f f e r e n c e ；b pn e u r a ln e t w o r k 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文热物性参数b p 网络模型 及其在钢坯加热温度预报中的应用，是本人在导师指导下，在燕山大学攻 读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除 已注明部分外不包含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作 做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式注明。本声明的法律 结果将完全由本人承担。 燕山大学硕士学位论文使用授权书 热物性参数b p 网络模型及其在钢坯加热温度预报中的应用系本 人在燕山大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论 文的研究成果归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成 单位及相关人员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查 阅和借阅。本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存 论文，可以公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密切。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名 日期：加占年中月彤日 日期：纱红x 月百 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题提出的背景及意义 1 1 1 研究背景 钢铁工业是能源消耗大户，其中钢坯加热炉的能耗就占钢铁工业总能 耗的2 5 。随着我国能源问题日趋严重，提高加热炉的热效率，降低能耗， 对整个钢铁工业乃至整个国民经济的节能工作，都具有重要的意义。同时， 随着现代轧机向连续、高速、大型、高精度、多品种方向发展，对轧钢钢 坯的加热质量提出了越来越高的要求。提高钢坯加热质量，只有通过加热 炉高精度的控制才能实现【2 ，3 1 ，而准确掌握钢坯加热过程中的温度场分布又 是实现高精度控制的必要前提。 加热炉是热轧生产线的重要设备，其加热过程是一个复杂的热工过程， 传统的p i d 控制系统由于本身的局限性，很难达到满意的控制效果，往往会 出现超调大、调整时间长等现象。因此这类复杂对象的控制研究是当前控 制研究领域的一个热点【4 】。实践证明，对加热炉应用计算机优化控制系统可 以达到以下效果【”： ( 1 ) 节能5 8 ； ( 2 ) 氧化烧损的结果将大约减少1 5 4 0 ； ( 3 ) 提高炉温控制精度，改善产品质量： ( 4 ) 加热炉维修次数减少，加热炉寿命延长，产量增加； ( 5 ) 可减少环境污染； ( 6 ) 提高操作和管理水平，减轻劳动强度，实现加热炉生产的自动化。 加热炉加热钢坯的直接目的是获得工艺规定的钢坯加热温度以保证良 好的轧制性能，并在此前提下力求使加热过程的能量消耗最小。因此，加 热炉内钢坯的温度分布状况是加热过程中我们最为关心的问题，尤其是在 控制系统中，钢坯的温度将是控制系统进行判断和调节的依据。然而，由 于目前测试技术的限制以及加热炉内热工状况的复杂性，使得直接、准确 地测量加热过程中钢坯的实时温度分布存在较大的困难，这种状况使得在 然1 1 1 人学i 学坝。l 学位沦文 ：j i i 热过程中，操作人员对钢坯的加热情况不甚了解。对此，采川其它测f 1 i ：= 参数通过训算得到比较准确的加热钢坯的温度，为智能控制的i 焚训； | 1 现 场人必操作捉 i 参考，就成了进行加热炉控制系统研究的重点之- 1 6 - i o l 。 1 1 2 加热炉控制系统国内外研究状况 随着冶金生产技术和： 艺设备的刁i 断发展，以及微型电子i , 1 1 算机、可 编程控制器的出现和迅速的改进更新，工业炉的计算机控制电得到了f 18 & 广泛的应用，借助于现代控制理论的指导，向过程和系统的优化控制方向 迅述发展。从发展顺序和控制水平两个方而进行归纳总结，连续加热炉的 计算机控制大体上可以划分为如下三个层次： ( 1 ) 以提高燃料利用率、维持合理空燃比为目的，实现燃烧过程的撼砌 自动化控制( 以炉温为控制对象) ； ( 2 ) 以优化倒坯加热过程本身为日标，实现炉温或燃耗量的过程自动 控制( 以钢温为控制对象) ： ( 3 ) 在6 “后工序实现自动化的基础上，以踟渊优化整个生产系统为1 _ = _ i 标，实现加热工段的计算机自动化调节管理( 以系统为控制对象) 。 在每个层次中存在着不同水平的工程实践，而且在以某层次为主 的控制系统中，【 i 会具有另一层次的某些功能。因此，层次划分并不是r 分严格的，只是控制水平的相对反映。 国际上，在二十世纪七十年代以前，关于加热炉自动控制的研究工作 主要集中在燃烧过程基础自动化控制层次上。七十年代后，燃烧控制已经 摹本成熟，控制研究的重点转移到以追求某种性能指标的优化控制方而， 炉内加热过程的数学模型被广泛应用到计算机控制上。欧美、f | 本、苏联 等田桐继丌发了钢坯何胃跟踪、钢坏温度跟踪、装m 灯i 自动化控制、终轧 温度控制等功能的优化控制系统。近年来，一些带有整个生产线物料跟踪 的高度自动化的连续加热炉自动控制系统的研究和实践也已经逐渐深入和 提高，这标志着加热炉控制已经进入自动控制的第三个层次水平【l 2 ”j 。 我国在加热炉计算机控制系统方面的研究起步较晚，始于上世纪八十 年代初期。但以后的十多年里随着计算机技术以及智能控制技术的迅速发 第1 章绪论 展，加热炉计算机控制的应用变得r 益广泛，控制水平有了明显提高，并 取得了一些应用成果，到上世纪九十年代末我国约有3 0 的加热炉采用了 计算机优化控制技术。表1 1 和表1 2 分别介绍了上世纪九十年代末期国内 和国外加热炉控制的状况。 表1 1 加热炉计算机控制在国内应用的状况 t a b 1 1t h ei n t e r i o ra p p l i c a t i o na b o mc o m p u t e rc o n t r o la th e a t i n gf u r n a c e 厂名应用状况 大连钢厂初轧分厂油风自动配比、残氧闭环控制、炉温炉雎控制 攀制初* l i 一烧钢过程控制、钢锭烧好预报、事故处理、炉温显示、打印等功能 d d c 、s p c 级控制采用白寻优技术并按照数学模型烧钢。均热期采用脉动 莱钢轧钢厂 供热技术，并计划投入s c c 控制 马钢初轧厂过程控制与监视，残氧闭环控制、按加热曲线烧钢 煤气、空气流量以及炉压的p i d 控制、自寻优及专家控制算法、温度检测 太钢初轧厂 及越限警报 首铡初轧厂炉温、炉压、空气流量、煤气流量控制 沣：d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) n j 豆接数字控制：s p c ( s t a t i s t i c a lp r o c e s sc o n t m l l 为统计过程控制 s c cf c o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m ) l j 燃烧控制系统。 表1 2 加热炉计算机控制在国外应用的状况 t a b 1 - 2t h eo v e r s c a sa p p l i c a t i o na b o u tc o m p u t e rc o n t r o la th e a t i n gf u r n a c e 国家及j 名 应用状况 川奉钢坯目标炉温度计算、铡温预报、出料周期预报、钢温预报、模型修正、 k 觚h i m a i j 9 厂空燃比拄制。具有第一层次和第二层次控制水平 瑞典 确定躁佳加热曲线和炉温控制。属于第二层次 d o m n n a r v e t 厂 新西兰 采用热传导微分方程进行钢温预报、炉温优化控制、窄燃比拄制。主要属于 h o o g o v e n 2 司 第二层次 羹罔守燃比控制、炉温拄制、坯剁跟踪、钢温预报、炉温设定值调节。具有第一 d o f a s c o 公司层次功能，主要属于第二层次 w k i l 人。学i 学f 磺| r ! ；俯论文 从表1 一l 和表1 2 可以看，发达闻家的钢铁食、i k 已经扣l 钏温预报作为 j 燃炉控制的一1 个基本组成部分，并已经丌发蹦基于钢温预报的控制。衙 钏铁位也m 然近儿年束的加热炉控制技术有了较大发展，似雨i 吲外 例铁食、i 嗍| 【l 还有不小差距，除了几家大型铡铁企业外，其他国内钢铁企 业的加热炉控；f i l l , l 乎没有基于钢温预报的控制，控制范围仅仅停剐在燃 烧摔f | j i jh ，而从k 钢、前钢等儿家大型企、l k 实际 - k i “中装备的挪分加热炉 锏温预报模型看，几下全部足从国外引进的工程化模型，模型的维护及移 植都有较大凼难，成术也非常高”、”1 。生产实践表明，基于钢温预报的控 制系统和传统的燃烧控制相比钢坯加热更合理、节能效果更明显。 1 1 3 加热炉钢坯温度场研究状况及意义 札i 二n j 知，我国的加热炉自动控制系统普遍落后，加热炉的热效率，f f | 利牢较低，这种：扶况远远落后于发达同家的水平；同时，i f i 于原材利羽i 能源价格地不断上涨，以及生产发展的需要列钢坯加热质量的要求越来越 商，准确掌握钢坯在m l 热过程中的非稳念温度场分椰是确定最佳加热制度、 n i 计钢坯的加热时n q 及没汁最佳控制系统的前提，也是提高铡坯加热质量 的必要环节。 然而轧钢加热炉中钢坯温度的检测是一类典型的工业过程质量参数难 测量问题。以| j i 的研究。p ，楚将加热炉。p 的钢坯看作一个集。p 参数刈象来 处理，其温度用一个简单的经验公式来计算。当铡坯的体积、形状、装料 方式等特性发生变化时，计算误差较大，不能满足实际生产过程的需要。 近年来，一些研究人员丌始进行拖偶实验，采用热电偶对钢坯加热过程的 温度分布进行测定。但是该研究工作实现起来比较困难，它要求测定过程 中，热电偶必须固定在钢坯上，并且接触良好，然后穿过炉膛连接到温度 记录仪上，不能出现短路、断路和烧坏现象，而且费用比较高，因此该方 法不能满足生产过程的需要1 1 6 - 1 8 j 。 为解决以上加热炉内钢坯加热质量不可直接检测的问题，人们提出了 通过合理的加热炉运行数学模型来在线预测炉内钢坯温度的方法。钢坯加 热过程是一个非稳态的传热过程，炉膛内的传热状况是相当复杂的，且其 4 第1 章绪论 | - 刚还存在着相变过程，对如此复杂的传热问题，传统的求解方法已无能为 力。随着计算机技术的蓬勃发展，将计算机广泛应用于传热问题的数值模 拟计算，为解决此类问题创造了极好的条件，并可以应用到实际中来 】”“。 目前的建模方法可分为以下几类【2 3 j ：基于传热机理的钢坯温度分布模 型；基于状态估计和辨识的钢坯温度场模型；基于人工神经网络的钢坯温 度场模型：基于多元统计回归原理的钢坯温度分布模型等。在上述数学模 型中，对于热物性参数的确定，或采用常值或采用经验公式进行几种钢坯 的热物性参数值计算。但是由于石钢一轧厂钢坯种类繁多且不确定，上述 热物性参数确定方法将不再适用。为了解决这个问题，本文中将建立基于 b p 神经网络的热物性参数预报模型，并首次将该模型应用到钢坯温度场计 算中。 对钢坯温度场进行实时监测以及以此为依据进行的数据分析，将为加 热工艺的改进、加热炉的节能和加热车间的自动控制打下坚实的基础。对 企业产品生产减少能耗，节约能源并提高产品质量，有着重大的意义。 1 2 神经网络简介 1 2 1 人工神经网络的概念 人工神经网络是简化、模拟生理学上的真实人脑神经网络的结构、功 能对其若干基本特征进行某种理论抽象、简化、模拟，从而构成的一种 信息处理系统 2 4 1 。人工神经网络模型是用人工方法模拟神经元，采取某种 方式连接而成的网络模型。它的基本单元是人工神经元，有接收输入，对 输入值进行处理，计算输出等功能。 神经元根据其功能可分为：输入神经元，感觉与其相联系的其它系统 的输入；输出神经元，向神经网络模型外部发出信号；隐层神经元，输入 输出都建立在神经网络内部的单元。 1 2 2 神经网络的学习方式 通过向环境学习获取知识并改进自身性能是神经网络的一个重要特 点。在一般情况下，性能的改善是按某种预定的度量通过调解自身参数( 如 热l ij 人学l ：学坝i 学何沦文 权值) 逐步达到的。学习方式有三种【”i ： ( i ) 蛳督学刊这利学爿方式需要外界存在个“教师”，他1 1 1 刈给定 纰输入提供应自的输出结果，这组已知的输入输出数据成为训练样本集， 学习系统( 神经网络) 可根据已知输入与实际输出之蚓的差值( 误差信号) 水渊1 ，系统参数。 ( 2 ) 一删“督学划非监督学习时不存在外部教帅，学习系统完全按j ! i 环境 提供数挑的某些统计规律来调节自身参数或结构( 这是一科自组纵过程) ， 以表示外部输入的某种吲有特性( 如聚类或某种统计上的分确j 特征) 。 ( 3 ) 再励学习这种学习介于上述两种情况之问，外部环境对系统输出结 果只给出评价信息( 奖或惩) 而不是给出正确答案。学习系统通过强化那 螋受奖的动作柬改善自身的性能。 1 2 3 神经网络的特点 ( 1 ) 具有分柿存储和容错功能。一个信息按内容分布在整个网络上，每 个神经元存储多种信息的部分内容，若部分信息不完全( 丢失、损坏或有 错误的信息) ，神经网络仍能恢复原来正确完整的信息，系统仍能运行。 ( 2 ) 可实现大规模并行处理。人工神经网络在结构上是并行的，而且网 络的各个单元可以进行类似的处理过程，因此，网络中的信息处理是在火 帚单元中平行而又有层次的进行，运算速度高。 ( 3 ) 具有自学习、自组织和自适应性。神经元网络是一种变结构系统， 能完成对环境的适应和对外界事物的学习。神经元之间的连接强度具有一 定的可塑性，因此，网络可以通过学习和训练进行自组织以适应不同信息 处删的要求。 ( 4 ) 可以处理一些环境信息十分复杂，知识背景不清楚和推理规则不明 确的问题。可以通过神经元网络的学习，从典型事例中学会处理具体事例， 给出比较满意的解答。 ( 5 ) 神经元网络是大量神经元的集体行为，并不是各单元行为的简单的 相加。 第1 章绪论 1 2 4 人工神经网络的研究与应用 迄今为止的神经网络研究，大体上可分为三个大的方向； ( 1 ) 探求人脑神经系统的生物结构和机制，这实际上是神经网络理论的 初衷。 ( 2 ) 用微电子学或光学器件形成特殊功能网络，这主要是新一代计算机 制造领域所关注的问题1 2 。 ( 3 ) 将神经网络理论作为一种解决某些问题的方法和手段，这些问题在 利用传统方法时或者无法解决或者在具体处理技术上尚存困难 2 7 - 2 9 】。第三 种研究方向己成为其中最主要的发展方向。 目前，国内外非常重视神经网络理论和应用基础的研究，每年发表的 神经网络理论研究成果论文数干篇，神经网络应用成果己渗入到许多领域， 并己走向商品化，兴起了神经网络的新产业，研制出了各种神经网络计算 智能软件和硬件，提供了新型智能信息处理系统的初始化产品 3 0 , 3 l 】。 神经网络的应用取得了令人瞩目的进展，它的主要应用领域有：模式 识别和图像处理、控制和优化、预报和智能信息管理、空间科学等。早在 八十年代末，美国军方在海湾战争中就已经利用神经网络作决策控制；联 邦航空管理局利用它进行机场行李炸弹的自动检验。尤其是最近几年，神 经网络技术发展很快，各个国家尤其是西方发达国家更注重对其进行研究 开发，并取得了一定的成果。其应用领域达到了前所未有的广度，在工业 方面，可以进行玻璃缺陷的生产监控、管道故障诊断、识别结构系统的内 力、统计质量控制等等。同时，在邮电通讯、军事、支票及收据验收等方 面，神经网络也已经或多或少的渗透进来，并出理论向实用化、商品化方 向发展。 我国对人工神经网络的研究虽然起步较迟，但进步很快，很多研究成 果已经走在了世界前列。东北大学自动化研究中心的郭戈等在连续铸造中 采用神经网络进行模式识别和预测拉漏事故，能够更快速准确的检测出铸 坯粘结和裂缝等缺陷【3 ”。吉林工业大学与中国一汽集团公司合作开发的“基 于人工神经网络的点焊工艺参数选择和质量预测”模型，不仅与试验结果 较好吻合。而且在技术性和实用性方面都与国外开发的同类神经网络性能 7 燕d i 人学i ：学顺十学位沦文 川“1 ，| ! ，l ；伞诬仃所突破m i 。l 司时，丰 i l 经网络在热处翌i ! 质量控制、敞障f 内以 ! j | j 剁畛断、轧铡、冶金等方词的应八1 均有较大突破。 1 2 5 传统建模方法和神经网络建模方法的比较 1 2 5 1 传统建模方法传统建模算法的基本原理是通过建立系统依赖于参 数的模型，把辨以问题转化为对模型参数n 勺估计问题。这类算法能较为成 j 力地j 越川j ：线+ 既：系统或i l j 。线性化的对象，就其撼本原理来说，有以下j 种 小川类犁： ( 1 ) 最小一：乘法它利用晟小二乘原理，通过极小化广义误差的_ 二次方 雨i 函数水确定模型的参数。 ( 2 ) 梯度校正法它利用最速下降原理，沿着误差准则函数关于模型参 数的负梯度方向，逐步修改模型的参数估计值直至误差函数达到最小值。 【3 ) 板人似然法根据极大似然原理，通过极大化似然函数来确定模型 参数。 1 2 5 2 神经网络建模方法对于本质非线性系统，传统的建模方法很难实 现，而使用神经网络进行系统模型的建立，不需要预先知道实际系统的模 型结构，从而，使非线性的建模成为可能。神经网络的系统建模就是通过 直接学习系统的输入输出数据，学习的目的是使所要求的误差函数达到最 小，从而归纳出隐含在系统输入输出数据中的关系。与传统的建模方法相 比，基j 二神经网络的建模方法具有以下几个特点： ( 1 ) 不要求建立实际系统的辨泌格式，即i - 省去系统结构建模这一步。 这是因为神经网络本身已作为一种辨识模型，其可调参数反映在网络内部 的各个权值上。 ( 2 ) 可对本质非线性系统进行辨识。辨识是非算法式的，由神经网络本 身体现。辨识的结果为网络外部特性拟合系统的输入( 输出) 特性，网络 的内部特性归纳隐含在系统输入( 输出) 数据中的系统特性中。 ( 3 ) 辨识的收敛速度不依赖于待辨识系统的维数，只与神经网络本身及 其所采用的学习算法有关，而传统的辨识算法随模型参数维数的增加变得 很复杂。 第1 章绪论 ( 4 ) 神经网络作为实际系统的辨识模型，实际上也是系统的一个物理实 现，可以用于在线控制。 1 3 论文的研究方法 ( 1 ) 利用全隐式有限差分法，对炉内钢坯的一维非稳态温度场进行计算。 ( 2 ) 为更好地反映炉膛的温度状况及适应实时性的需要，在了解加热炉 内炉温分布的前提下，利用一轧厂加热炉内有限的热电偶测得的温度值， 应用分段三次埃尔米特插值法拟合加热炉炉温曲线，并将不同位置的炉温 曲线对应温度值作为钢坯在炉内传热计算的基准温度。 ( 3 ) 组织热物性参数样本数据，进行神经网络训练，建立基于b p 神经网 络的热物性参数预报模型，并首次将b p 神经网络的热物性参数预报模型应 用到加热炉内钢坯温度场模拟计算中。 ( 4 ) 用v b 语言编制b p 神经网络的热物性参数预报程序及钢坯温度场数 值计算程序，提供总开发系统应用。 ( 5 ) 用有限元分析软件a n s y s 对加热钢坯进行的一维温度场模拟计算， 将所得数据和现场测得数据一起对所建模型进行验证。 热山人学i ：学倾”k 学位沧文 第2 章钢坯温度场数学模型 本章将根据石钢轧厂加热炉的具体情况，建立钢坯温度场求觯的数学 微型，并进一步确定一些相关参数值。 。 2 1 加热炉生产工艺及石钢一轧厂加热炉简介 2 1 1 连续加热炉的分类 一股的加热炉都由炉膛系统、燃料系统、供风系统、排烟系统、冷却 系统和余热利用装置等部分组成。它们由于各自承担的功能不一样，其形 式也有所不同。加热炉大体可分为周期式加热# , l r i 连续式加热炉两种。周 期式加1 热炉一股用于加热特殊形状、特殊材质、极厚、单重很大的坯料， 在轧钢车间中只起到辅助加热的作用。连续加热炉电称为在线加热炉，在 冶会企_ q k q i 应用最普遍。连续加热炉的工作是连续性的，钢坯不断地进入， 加热后不断地排出。 具有连续式加热炉热工特性的炉子有很多，其分类特征电有许多。按 物料在加热炉内运动的方式不同，我, f i t t r 以将其分为：推钢式连续加热炉、 步进式加热炉、辊底式7 j f i 热炉、转底式加热炉和链式加热炉。按加热制度 的不同，可分为：两段式加热炉、三段式加l 热炉、多段式加热炉和强化式 加热炉。 2 1 2 连续加热炉的加热制度 f 确选择钢坯的加热工艺，不但要考虑加热钢的出炉温度是否达到要 求，而且要考虑钢坯断面上的温度差，即温度的均匀性。钢在压力加工前 和热处理时的加热制度，按炉内温度的变化，可以分为一段式加热制度、 二段式加热制度、三段式加热制度和多段式加热制度。石钢一轧厂的加热 炉采用的是四段式加热制度，属于多段式加热制度。多段式加热制度就其 温度制度的实质来说，仍然是二段制度或三段制度，只是为了满足生产能 力大的需要，又增加了几个加热段。 第2 章钢坯温度场数学模刑 2 1 3 加热炉加热钢坯的目的 钢坯在轧制之前的加热，是钢的加工过程中一个必要的环节，因为钢 坯加热的质量直接影响到钢材的质量、产量、能源消耗以及轧机寿命。加 热炉加热钢坯的目的可归纳为： ( 1 ) 提高金属的塑性一般蜕来，钢的热加工温度越高，钢的可塑性越 好。比如高碳钢在常温下的变形抗力约为5 8 8 m p a ，这样在轧制时就需要很 大的轧制压力、消耗很大的能量。如果将它加热到1 2 0 0 ，这时的变形抗 力降低到大约2 9 4 m p a ，比常温下的变形抗力降低2 0 倍。所以钢的温度越 低，加工所消耗的能量越大，轧机的磨损也越快，而且温度不足时还容易 发生断辊事故。 r 2 ) 使钢坯内外温度均匀通过均热使断面上温差缩小，避免出现危险的 温度应力。 ( 3 ) 改变金属的结晶组织有时钢坯中存在钢锭浇铸过程中带来的一些 组织缺陷，通过在高温下长时间保温，可以消除或减轻这类缺陷的危害。 2 1 4 钢坯加热时易产生的加工缺陷 钢在加热过程中，炉子的温度和气氛必须调整得当，如果操作不当，会 出现各种加热缺陷，如氧化、脱碳、过热、过烧等。这些缺陷轻则影响钢 的加热质量，重则造成废品，所以加热过程中应尽力避免。下面对各种缺 陷作一简单介绍。 ( 1 ) 钢的氧化钢在高温炉内加热时，由于炉气中含有大量的氧化性气体 ( o ，、c o ，、h ，o 和s o ，) ，使钢锭或钢坯的表面层发生氧化而形成氧化铁 皮。氧化会造成钢的直接损失，堆积在炉底上的氧化铁皮还会侵蚀耐热材 料，影响炉体寿命，增加清除工序。同时，氧化铁皮还会影响钢的质量， 它在轧制过程中压在钢的表面上，就会使表面产生麻点，损害表面质量。 如果氧化层过深，会使钢锭的皮下气泡暴露，轧后造成废品。氧化铁皮的 导热系数比纯金属低，钢坯表面覆盖了氧化铁皮，则其传热条件被恶化。 热f 人学i ：导：坝十学位沦文 ( 2 ) 1 1 x l 的脱臌碳住俐l l t 以f e ，c | 勺j l j 三式存在，它是商接决定钏的机械t l - 质| q 成分。i i 钢在加热过程中，炉气叶，氧化气体与表面上的碳发生反应， 使表嘶层禽缓量减少，从i 珂明显地造成钢材表面硬度下降。 ( 3 ) 铡的过热钢过热的主要特征足晶粒粗化。加热温度超过临界温度 州，俐的i ；! | 粒丌始 垂大，品粒过分长大，会使钢的机械性能下降，加下寸 窬易5j “：_ i 裂纹。 ( 4 ) 钢的过烧钢加热到比过热更高的温度时发生过烧。这时品粒周围品 界处的熔点物质y l ：始熔化：同时，炉气侵入晶界使会属发生氧化，促进了 它的熔化，导致品粒m 结台力大为降低。所以其塑性变坏，进行压力) 3 1 1 _ = j ： 时容易丌裂。过烧的钢用退火的方法无法挽救，只有送l 亘i 重新熔炼。 以上几种缺陷，都与铡坯在炉内的加热温度和加热时问等因素有关， 因此，及时的预报出钢坯内温度场的分巾情况，是避免产牛缺i ；i 与的种柏 效手段l ”1 。 2 1 5 加热炉炉体介绍 一轧厂加热炉的炉型为单排端进端出推钢式连续加热炉，沿炉长方向分 为预热段、加热l 段、加热2 段、均热段四段。均热段、加热l 段和加热2 段均 在侧墙安装烧嘴。均热段和加热2 段配置蓄热式烧嘴，加热l 段配置普通烧 嘴，布置烧嘴的供热段为平直炉顶，预热段不安装烧嘴部分炉顶压低、炉 底招高，炉型曲线见图2 一l 所示f 3 5 】。 jl 灭面沲n 丕压臃ii o o o o 囚匠压匠压口 厂r r r f 了、厂 厂t 厂厂 l 一尸f _ 预热段 j 力热1 段 f 加热2 段 均热段； 图2 1 推钢式连续加热炉简图 f i g 2 - 1t h ep u s h e r - t y p ec o n t i n u o u sr e h e a t i n gf u r n a c ed i a g r a m 预热段是炉子的非供热段，在该段内利用燃烧产物的废热升温。一般 第2 章钢坯温度场数学模型 情况下，钢坯在预热以后温度可达到4 0 0 。c 。而加热段则是供热段，具有燃 烧区或高温火焰区。为了避免物料与炉底耐火材料直接磨擦而损耗炉底与 金属表面，在炉底上装有金属滑轨。均热段为温度相对恒定的高温区，增 _ f j | 1 了实炉底，会属也由前面两段的上下双面加热改为单面加热，从而使金 属内温度的不均匀分布趋向均匀分布，同时消除前面水冷管产生的黑印。 炉子燃料采用高炉煤气气体燃烧，主要技术参数如下：( 单位：m m ) ( 1 ) 加热钢坯规格： 断面尺寸：1 5 0 1 5 0 、1 5 0 x 2 2 0 、3 0 0 x 2 2 0 、1 8 0 ) ( 2 2 0 氏度：3 0 0 0 ( 2 ) 加热钢种：碳素结构钢，优质碳素结构钢，合会结构钢，弹簧钢， 轴承钢，非调质钢，低合金钢，保淬透性钢。典型钢种为q 2 1 5 q 2 3 5 、4 5 、 4 0 c t 、2 0 c r m n t i 、6 0 s i 2 m n 等 ( 3 ) 钢坯装炉温度：常温 ( 4 ) 钢坯出炉温度：1 1 5 0 1 1 8 0 0 c f 5 ) 钢坯装、出炉方式：端进端出 ( 6 ) 炉子有效长度：3 2 8 2 8 f 7 ) 炉子砌砖总长：3 5 0 3 2 ( 8 ) 炉膛内宽：3 5 9 6 ( 9 ) 炉子砌体外宽：4 5 6 4 f 10 1 炉底管冷却方式：水冷却 f 1 】) 空气预热方式：金属换热器预热 ( 1 2 ) 排烟方式：换热器后设余热锅炉，引风机排烟，烟囱高度5 0 m ，出 口直径2 m 。 2 1 6 加热炉生产状况 钢坯加热过程可以简述如下：钢坯由吊车吊至炉尾上料辊道，由上料 辊道把钢坯运到炉前上料台架上，在炉前上料台架上定位后，由推钢机将 坯料整齐推入炉内边前进边加热。首先进入预热段缓慢升温，出炉烟气温 度约为8 0 0 。c 左右，对铜坯进行预热。然后钢坯进入加热1 段和加热2 段进 热山人学i 。学顾十学位沦文 行强化加热，表面温度迅速上升至出炉所要求的温度。允l ：铡坯内外有较 人的温建。最后，钢坯进入温度稍低的均热段进行均热，表i _ c 温度不阿上 乃，_ j i j 使断耐上的温度逐渐趋于均匀。当钢坯内外温度均匀后u | j 可 ：| ：j ， 例坯被推到辊道上后，由辊道传送给轧机进行轧制。 h 前轧车间处于稳定性较差及商能耗的运行状况。其原凼为： ( 1 ) 加热炉燃烧系统是一大滞后热工系统，系统运行中稳定性较差，濉 ，! ：l ：榆测垌i 流量控制滞后严重，造成炉子运行工况波动较大，能耗较高。 ( 2 ) 加热炉的生产节奏从原理上必须服从于轧机的生产安排，它应按轧 机的要求实时地提供加热温度适合的铡坯，所以燃烧控制系统应根据4 a l ；l ；0 生产情况控制燃烧过程，而原系统无此方面的考虑，导致经常的停机等待。 2 2 钢坯温度场数学模型的建立 划传热问题进行数值汁算耵i 用其它理沦求解方法一样，只有当实际的 传热问题可以给出数学捌i 述时，爿。可能进行理论预测。因此，对给定的传 热问题，首先是要写出它的控制方程和定解条件，有了这个的提，才能利 用j f 确的数值方法，借助于计算机，得到反映传热过程情况的数值结果， 获得系统内部的温度分布及其变化规律。 2 2 1 数值传热学的基本理论 要在物体内部产生热传导过程，必须在物体内部存在温度箍，电就是 况传热和温度的分布( 温度场) 密切相关。一般来况，温度分机是坐标和 时问的函数，它的数学表达形式为 t = f ( x ，y ，z ，t ) 式中r 表示温度 j f ，j ，z 空间坐标 f 时间 物体温度场内任何一点的温度不随时间变化时，这种温度场称为稳定温 度场，这时温度分布仅是空间坐标的函数，即 1 4 第2 章钢坯温度场数学模型 i t = f ( x ，y ，z ) 塑：o la f 连续工作的加热炉，在正常工作条件下，炉子砌体的温度场属于稳定温 度场。如果物体的温度场内各点的温度随时问变化，这种温度场称为不稳 定温度场，即_ a t 0 ，如加热炉内的钢坯在加热过程中的温度分布就属于 d f 不稳定温度场。 温度分布可以是一个坐标方向、两个坐标方向或三个坐标方向的函数， 即温度场可以分为一维、二维或三维，即 t = ，( x ) 把物体上只有相同温度的各点连接起来称为等温面。因为在同一点上 不可能存在两个不同的温度，所以温度不同的等温面不会相交。只有穿过 等温面的方向才能观察到温度的变化，最显著的温度变化方向是在沿等温 面的法线方向上。温度差对于沿法线方向两个等温面之间距离的比值的极 限，称为温度梯度，故z 方向的温度梯度为 1 i m f 坚 ：l _ r ( 2 - 1 ) n “la x 彘 温度梯度为一个沿等温面法线方向的矢量，它的正方向朝着温度升高 的一面，则热量传播的方向和温度梯度的正方向相反。 钢坯的加热过程是一个非稳态的传热过程，这个传热过程包括了三种 最基本的传热方式：热传导、热对流及热辐射。而钢坯在炉内与周围环境 的换热过程又分为两部分：一部分是钢坯表面与环境的换热，此热交换过 程基本上为剥流换热和辐射换热；另一部分是钢坯内部的换热，这种换热 主要以导热方式进行。下面对此三个过程分别进行简单的讨论。 热山人学i ：学颁十学竹论文 ( 1 ) 热躲 肘热辐射是依靠物体表面剥外发射的j u 磁波i yj v # 逝热吐| ：| 勺毗 象，实验则：物体辐射的热量口与物体绝对温度r 的四次方成l 眦e ，其数 学钳j 述为 q 。贸。( 志) 4 z j 巾 c 0 绝对黑体的辐射系数，i 跌值为5 6 7 一k f 物体的黑度，通常在0 1 之问i 跌值 d t i t 4 l , 炉内大部分的热量传递是通过热辐射进行的。其中包括炉子砌体 的固体辐射，燃烧生成物的气体辐射，火焰的亮焰辐射，不完全燃烧的吲 体颗粒的固体辐射等。要详细确定每一项辐射的热传递是非常困难的，需 要预先确定加热炉砌体的温度、燃烧产物的温度等诸多参数。为了简化汁 算，通常是把以上；l k * l 辐射方式综合n - - 起，用一个导来辐射系数衡量综 合辐射的效果。常用的计算公式如下 佛，。惴一( 酬 式中l 燃烧物的温度，( 单位：k ) 巧金属的温度，( 单位：k ) c 。导来辐射系数 ( 2 ) 对流传热对流传热是依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处 的现象。对流换热量的大小与流体的下列物理性质有关：导热系数、定压 比热、动力粘度系数、密度等，固体壁与流体的温度差是引起对流换热的 主要原因，温差愈大，对流换热量越大。由此建立了牛顿冷却定律：对流 换热量q 与固体壁和流体间的温度差( l l ) 成正比，与固体的放热表面 积f 成正比，其数学表达式为 g = a f ( t 。一巧) 在高温情况下，传向金属的热量基本上是辐射，而对流给热部分仅占 1 6 第2 章钢坯温度场数学模型 2 1 0 ；又由于炉子形状复杂、温度不均匀、炉内气体的运动方式等均 具有极其复杂的特点，对流给热系数的确定是颇为困难的。因此通常不单 独考虑对流，而是通过将辐射给热系数加以修正，或者对辐射传热可能的 非准确性采用增加裕量的方法来考虑对流给热的影响。 ( 3 ) 热传导导热是指物体各部分无相对位移或不同物体接触时，物体进 行的热传递现象。傅立叶研究了固体的导热现象，于18 8 2 年提出：在纯导 热现象中，单位时间内通过给定面积的热量，正比于该处的温度梯度及垂 商于导热方向的截面面积，其数学表达式为 匀，r 0 = 一a f = 二 一a玎 上式就是导热的基本定律，通称傅立叶定律。式中五表示导热系数，负号 表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。单位时间内通过单位面积的 热量称为热流密度，用g 表示，即 玑：盟：一 堡 2 2 2 模型的假设 钢坯在炉内加热过程是一个复杂的物理化学过程【3 6 】，与许多影响钢坯 加热质量和加热