300tLF炉温度预报模型研究

1、amx业尢学毕业设计(论文)任务书课题名称300tlf炉温度预报模型研究题目性质研究学院冶金工程学院专业at级再生资源科学与技术111班姓名李柱学号119014312毕业设计(论文)的主要内容及要求：(1) 通过该课题的研究，要求学生明确课题目的和意义；(2) 通过文献调研，对研究方案进行论证；要求根据毕业论文的规范撰写合格的毕业论文1篇；(4) 要求5篇以上相关英文文献，并能够自主将1篇英文文献翻译成中文；(5) 能够运用计算机进行电子文献检索，相关数学软件(origin)进行数据处理, 利用word字处理软件进行毕业论文录入和编排等。指导教师签字:摘要连铸为保证好的铸坏质量及稳定的工艺过程

2、，对钢水温度提岀了更为苟刻 的要求。如何建立合理的温度制度、精确控制钢液温度，是一个迫切需耍解决 的课题。而对lf炉钢水温度的准确预测，是合理组织生产、提高钢水质量、 降低炼钢成本、实现钢水温度控制的重耍前提。以钢水和炉渣为研究体系，通过对lf炉精炼过程中能量收入和损失的系 统分析。根据体系的能量平衡规律推导出lf炉精炼过程钢水的升温速率数学 模型，其中包壁的传热（包括侧壁和包底）分别采用圆柱坐标下和育角坐标下的 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。用有限差分 方法求解，并编制成计算机模型。关键词：lf炉；精炼；模型abstractin order to stabiliz

3、e production process and guarantee strand quality, the temperature of the molten steel is required more strictly in continuous casting of steel. it becomes a very urgent problem to control temperature of molten steel accurately through establish an appropriate temperature schedule. and, the accurate

4、 forecasting ofniolten steel in lf is an important precondition to organizing production, improvingsteel quality, reducing cost and controlling temperature of molten steela new mathematical model used for forecasting molten steel temperature during lf refining process was established on the basis of

5、 heat transfer principle with theoretical analysis. the heat transfer in ladle refractories (including side and bottom) was described with non-stcady differential difference equations under onc-dimcnsion cylindrical coordinates and rectangular coordinates.key words； ladle fiirnace； refining； molten第

6、ii页摘要iabstractii1文献综述11.1lf炉介绍11.1.1 lf的生产与发展11.1.2 lf炉主要任务21.1.3 lf炉解决的问题21.1.4 lf炉的冶金功能21.1.5 lf炉精炼工艺31.1.6 lf炉的用途61.2 lf炉钢水温度预报技术71.2.1机理模型介绍81.2.2黑箱模型介绍151.2.3灰箱模型介绍191.2.4三种模型对比191.3研究背景及意义201.4研究方法及内容222研究方案与研究内容232.1建模方法介绍232.1.1机理建模介绍232.1.2数据冋归分析介绍232.2传热机理232.2.1 导热232.2.2 对流292.2.3 辐射332.

7、3 lf炉热量传递分析362.2.1热量收入项分析36第iii页2.2.2热量输出项分析363数学建模过程373.1机理模型的建立373.1.1体系的输入能量373.1.2体系的热损383.1.3加合金及渣料时的热效应413.1.4熔池表面（渣面）热损失423.1.5烟尘气带走热量433.1.6喂线带走的热量433.1.7吹氟对钢水温度的影响443.2体系内能变化453.3温度预报与结果分析473.4模型流程图494计算机软件编制504.1软件界面504.1.1数据处理界面与数据输入界面504.1.2输出界而介绍514.2主要程序代码52结论55参考文献56第iv页1文献综述1.1 lf炉介绍

8、1.1.1 lf的生产与发展随着各行业对钢材质量要求的不断提高，对钢的成分控制和洁净度要求愈來 愈严格，再加上钢铁工业提高效率、降低能耗的需耍，促成了炉外精炼技术的发 展。各种炉外精炼设备应运而生，lf就是其中之一，它是1971年日本大同钢铁 公司大森钢厂所开发的。由于它投资费用低、设备简单、操作灵活和精炼效果好 而成为冶金精炼设备的后起之秀，近儿i-年来在世界各国得到了广泛应用。尤以 fi本最为突岀。在我国随着连铸比的大幅度提高，lf炉也已在生产上得到了广泛的应用。lf炉精炼技术发展很快，过去主耍应用于电炉炼钢车间，现在转炉车间也相继 采用，我国钢铁企业曾于20世纪70年代初研制过钢包精炼炉

9、，但我国真止拥 有钢包精炼技术是从1975年引进瑞典两台asea-skf型钢包精炼炉开始的。1979年我国设计了第一台40 t lf/vd型钢包精炼炉，其配套用的200kg/n六级 蒸汽喷射泵也是由国内设计制造。从此，50t以下的钢包精炼炉纷纷被各个钢厂 使用，但是大容量的钢包炉仍然依靠进口。在1996年宝钢集团上海浦钢公司建 成了一台三相三臂式100tlf/vd钢包精炼炉，说明我国已具备了设计制造大型 钢包精炼炉的能力，一年后宝钢集团上海五钢公司投产了一台三相电缆吊挂式 100tlf/vd炉，这是没冇横臂结构的新型导电结构方式的炉子，并在计算机应用 和三相电极自动控制等方而冇新的进步。199

10、9年武钢公司一炼厂建成了一台三 相单臂式100tlf/vd炉，这样我国的钢包炉设计的技术和装备水平可以基本替 代进口技术。据不完全统计，我国已拥有大小钢包精炼炉约180台左右2】。实践 表明，lf炉可以冇效的改善钢的内在质量和控制钢水温度，在转炉和连铸之间 起到了良好的缓冲调节作用，稳定了生产，提高了生产效率1.1.2 lf炉主要任务lf（ladle furnace）炉即钢包精炼炉，是钢铁生产中主要的炉外精炼设 备。lf炉一般指钢铁行业屮的精炼炉。实际就是电弧炉的一种特殊形式。其 主要任务如下： 脱硫； 温度调节； 精确的成分微调； 改善钢水纯净度； 造渣。1.1.3 lf炉解决的问题 实时接

11、收生产计划，按照计划动态组织生产。 按照炉次对lf炉生产进行实时的数据跟踪。 通过冶金模型的计算，实现作业过程的优化，同吋并向操作人员提供操作指导。 向下工序提供lf炉作业数据。 向工艺人员捉供生产数据的历史追溯。1.1.4 lf炉的冶金功能lf炉精炼主要靠桶内的白渣，在低氧的气氛屮（氧含量为5%）,向桶内吹 氟气进行搅拌并由右墨电极对经过初炼炉的钢水加热而精炼。由于蹴气搅拌加 速了渣钢z间的化学反应，用电弧加热进行温度补偿，可以保证较长时间的 精炼时间，从而可使钢小的氧、硫含量降低，夹杂物按astm评级为00.1 级。lf炉可以与屯炉配合，以取代电炉的还原期，还可以与氧气转炉配合， 生产优质

12、合金钢。此外，lf炉还是连铸车间，特别是合金钢连铸生产线上不 口j缺少的控制成分、温度及保存钢水的设备。因此lf炉的出现形成了 ld-lf-rh-cc（连铸）新的生产优质钢的联合生产线。在这种联合生产线上钢的 还原精炼主要是靠lf炉来完成的。lf炉所处理的钢种儿乎涉及从特钢到普钢 的所有钢种，生产中可视质量控制的需要，采用不同的工艺操作制度。在各种 第2页二次精炼设备屮，lf炉的综合性价比高。1.1.5 lf炉精炼工艺lf钢包炉不仅可以电炉配合，述可以与氧气转炉配合，生产各种优质钢 种。此外，lf钢包炉述是连铸车间，特别是合金钢连铸生产线上不可缺少的 控制成分、温度及保存钢水的设备。因此，lf

13、炉的出现形成了 ldlfrhcc 或eac-lf-vd-cc新的生产优质钢的联合生产线。lf炉精炼钢水的基本原理如图11所示，lf炉主要曲装有底吹歳搅拌装 置的钢包、水冷炉盖、屯极加热系统、合金加料系统及除尘等装置组成。在保 持钢包内还原性气氛条件下，用电弧加热高碱度炉渣，边造渣边完成脱氧、脱 硫等一系列炉渣精炼，该工艺不仅能精确地控制化学成分和温度，而h通过合 成渣精炼具有脱硫、脱氧及夹杂物变性等功能。lf炉配以真空系统时，还具 有较好的去氢作用。另外，通过采用埋弧造渣加热的方法，在提供最佳热效率 的基础上，有效地阻止了电极弧光对钢包壁的强辐射，对钢包渣线部分耐材起 到很大的保护作用，从而捉

14、高了 lf钢包的使用寿命。图1-1 lf炉操作图1.1.5.1 lf炉独特的工艺特点 炉内还原性气氛lf炉本身一般不具备真空系统，通常在大气压下进行精炼，主要靠钢包 包沿与水冷炉盖间的密封气幕起到隔离空气的密封作用，再加上在造还原渣过 程中，渣料中的c及加热时的石墨电极与炉渣中的feo. mno、cuch等氧化 物作用生成co气体，增加了炉气的还原性，并保持炉内微正压，使lf炉内气 氛中的氧含量减为0.5%左右，阻止了外界及炉气中的氧向钢液传递，保证了 精炼时炉内的还原性气氛。钢液在还原条件下精炼，可以进一步脱氧、脱硫及 去除非金属夹杂物，有利于钢液质量的提高。 氨气搅拌良好的氮气搅拌是lf炉

15、精炼的又一特点。氨气搅拌有利于钢渣间的化学反应, 它可以加速钢渣z间的物质传递，有利于钢液的脱氧、脱硫反应的进行。吹 氮搅拌还可以去除非金属夹朵物，特别是对ai2o3类型的夹杂物上浮去除更为 有利。值得提出的是lf炉的吹氮搅拌是在排除了大气密封还原气氛下进行的， 因此可以适当加大吹氮流量，通常吹氮搅拌处理15min后,可使钢屮大于20（im 的ai2o3夹杂基木全部去除，残留钢小的只是小颗粒的ai2o3夹杂。吹氮搅拌的另一作用是可以加速钢液屮的温度与成分均匀，快速精确地调整复 杂的化学组成，而这对优质钢來说乂是必不可少的要求。 电极埋弧加热lf精炼炉采用三根右墨电极进行加热，加热时电弧插入渣层

16、屮采用埋弧加热， 这种方法的辐射热小，对炉衬冇很大的保护作用，与此同时加热的热效率较高， 热利用率好，通常升温幅度能达到35 °c/min,可以大大降低初炼炉的出钢温 度，同时考虑到lf炉进行的是屯极物理升温，避免了如rh-ob升温所产生 人量a12o3夹杂对钢内在质量的影响。c与渣中氧化物主要发生如下反应：c+feo>fe+coc+mno>mn+co其结果不仅使渣屮不稳定的氧化物减少，提高了炉渣的述原性，而且述可 提高合金元索的收得率，合金元索的收得率都较电炉单独冶炼冇了较大程度的 提高。碳与氧化物作用的另一结果是生成co气体，co的生成使lf炉内气 氛具有还原性，钢液

17、在还原性气氛下精炼，可进一步提高质量。 白渣精炼lf炉是利用口渣进行精炼的，它不同于主要靠真空脱气的其它精炼方法。 白渣在lf炉内具有很强的还原性，这是lf炉内良好的还原气氛和氮气搅拌 互相作用的结果。通过白渣的精炼作用可以降低钢中氧、硫及夹杂物的含量。1.1.5.2 lf炉工艺流程根据钢种、脱氧方法及初炼炉类型的不同,可采用不同的lf炉操作工艺， 几种典型的lf炉操作程序如图12所示。lf基本工艺为：将转炉或电炉氧化 末期的钢水，经过扒渣，去除5090%的氧化性渣，并在lf炉加入合成渣料 及脱氧剂，在还原性气氛下，通过电极埋弧造渣，完成钢液的脱硫、脱氧、合 金化、温度及夹杂物的控制。安徽工业

18、大学毕业设计(论文)2b1a(1)1a(2)1a1r2a脱ew 熔齐勺 冷却拥合金迢扈刻合金电狙炉熔炼氧化迂；炼“16。分艸)取样图12lf炉工艺流程1.1.6 lf炉的用途lf炉是70年代初期出现的新型精炼设备，它具有下列用途：(1) lf炉与电炉相连，加快了电炉的生产周期并提高电炉钢质量。(2) lf炉与ld转炉相连，可以对转炉钢还原精炼，因此能提高钢质量并 可生产出新钢种。(3) lf炉能严格调节钢液的成分和温度，对钢的淬透性和特殊钢的连铸有 利。(4) lf炉能加热和对钢液保温并能长时间的存放钢液，可以保证连铸的顺 利进行，因此是连铸车间不可缺少的设备。(5) lf炉具有保温钢液的性能

19、，可以利用小炉子生产大钢锭，或将一炉钢液浇铸成数个成分不同的锭子。1.2 lf炉钢水温度预报技术lf炉具冇电弧加热、去除夹杂、脱硫等功能，能精确调整钢液成分和温 度，在以往精炼过程屮，温度的控制基本依靠操作工的经验，精炼时间长、测 量次数多、耗能大、不利于钢水质量的稳定性和成本降低，影响后续连铸的浇 注。鉴于以上状况，仅仅凭借检验炼钢已经不能达到高效炼钢的耍求，因此， 对于lf炉的钢液温度预报提出了要求。lf炉温度预报模型种类可以分为机理模型、黑箱模型（采用线性回归或者 人工智能神经网络建立的模型）和灰箱模型（机理模型与黑箱模型有机的混合 而成）三种，口前，以机理模型和黑箱模型为主。机理模型是

20、建立在热力学基础上的，是利用lf炉在精炼过程中的能量守 恒而对能量得失进行的预估，从而实时预报钢液温度。根据已有的热力学知识， 对于机理模型的研究已经较为成熟，但机理模型设计的变量多且不易准确测量, 故其对于温度预测冇较大的误差（一般在0-7°c,已满足工艺要求）。黑箱模型主要利用线性回归分析或者计算机神经网络，对现有的数据进行 分析，从而得到输入与输出数据间的复杂函数，并建立模型用于温度预报用于 生产指导。灰箱模型是利用现冇的传热理论基础与计算机黑箱处理相结合的一 种混 合模型。该模型依据现有理论基础，在处理难以确定的影响因素吋采用灰箱处 理，其透明度黑箱模型。随着传热理论的完善，

21、未知的影响因素将会越來越少， 即需要计算机黑箱处理的因素也就越來越少，各种影响因素将会更易于预测与 控制。目前国内外均对这三种模型进行不懈的研究，但对于每个实际钢铁企业， 其lf炉在精炼过程屮所受的影响因素有较大的不同。付国庆等对方大特钢炼钢厂精炼工艺进行了分析如图13所示。该炼钢厂 lf精炼周期为30-60min不等。从生产工艺路线图可以看出：测温、取样操作过 于频繁，尤其在测温过程，导致一次性热电偶使用数目增多，不但增加操作复杂 度，而且増加了生产成本。若能根据生产工艺参数很好的预测终点钢水温度，那 么对于实际生产将会有重要的意义。图1-3方大特钢炼钢厂lf炉的生产工艺简图1.2.1机理模

22、型介绍所谓机理模型就是指利用尽可能准确表述过程机理的一些数学控制方程建 立的模型。在lf炉精炼过程屮，主要采用能量守恒方程、传热基木方程、质量 守恒方程等来建立相关的机理模型，然后通过控制不同的边界条件和初始条件, 采用有限差分法或者有限元法等方法求解模型，从而得到钢包内的温度情况。1992年，澳大利亚的austin等人研究了普通钢包的热模型，为模拟钢包 的循环，模型屮使用柱坐标下的二维非稳态传热方程，可计算钢包包衬的温度分 布和钢水热损失，从而得知钢液温度。由于许多诸如对流传热系数、发射率等参 数都是未知的，所以模型需要加以校准，宜到计算所得温度分布与所埋的热电偶 测得的温度相差很小为止。模

23、型考虑了钢包在干燥、烘烤阶段的操作、盛钢阶段 是否加盖操作、渣层厚度、钢渣性质、包衬耐材类型和包衬浸蚀程度等因索。1993年，英国不列颠公司研究了一种实吋在线的钢液温度控制模型忙该系第8页统可以在线对钢包热状态进行跟踪，并能够对钢包和屮间包屮的钢水作出计算和 预报。该模型使用有限差分方法来求解多层包衬的导热方程，进而计算出钢水温 度。其中主要考虑的因索冇:钢水对炉衬的传导热、体系上部的对流辐射散热、 空包时间、合金添加的冷却作用以及二次冶金的处理方式。据作者撰文介绍，此 模型在预测钢包内部温度时，冇86%的预测数据与实际值的误差在士 5°c内。1996年,gaston和medina结

24、合具体材质的钢包（镁质和镁碳质）作了数值模 拟。他们把模型模块化，结合工序分为以下5个子块：预热、冷却、出钢、钢水 在钢包的驻留期及浇注。这些子块可以单独使用，亦可以结合起来对钢包整个工 作周期内的清况加以模拟。钢包工作周期中影响参数比较多，且因厂而杲，因此， 建模时考虑了模型使用的广泛性，诸如：耐材结构、钢包吨位、工序流程安排、 合金添加、吹氢搅拌、是否用钢包盖和覆盖绝热渣层等因素都加以考虑，并且列 出了热平衡方程并利用有限元法來求解。1997年,castillejos等人结合薄板坯连铸设备，用数值方法对钢水热状态， 钢包衬、中间包衬热状态进行了跟踪计算。他们列出了钢水的质量守恒和能量守 恒

25、方程，然后与包衬的导热方程耦合在一起，通过数值计算得出钢包的温度状态 分布。1998年,torrkulla等人对钢包的热状态进行了描述：当钢包屮盛有钢水吋， 包衬吸收热量，渣层也吸收能量；当浇注完毕后，空包必须等待一段时间，直到 下一次出钢，这一段时间内，耐材的“热而”部分会损失相当一部分热量。正是 由丁钢包的循环性操作，所以其热状态是随时间变化而变化的，为了对钢水温度 作出预测，需要对上述过程进行模拟。在求解传热方程时作者用了冇限元法，通 过改变相应的边界条件来模拟处于不同循环阶段的钢包，通过实测结果表明该模 型能很好地模拟预测钢包的热状态。1999年，fredman等人何也提出了研究钢包热

26、状态的二维模型，用來指导 在钢包设计阶段的包衬材质选择和钢包在工作周期内的工序安排等。他们列出了 总体的热平衡式，包括由于炉衬热传导和渣表面辐射散热引起的热损失的方程式, 经过离散化以后进行数值求解。国内方面，东北大学的武拥军利用整体热平衡的方法对钢水温度预报模型作了研究。作者以钢水和炉渣为研究体系，通过对lf炉精炼过程中能量收人 和损失的系统分析，根据体系的能量平衡规律推导岀lf炉精炼过程钢水的升温 速率数学模型，并编制成计算机模型，用于精炼过程钢水温度和出钢温度的预报。 应用结果表明，该模型预报结果与实测值误差小于±5°c,可完全满足lf炉生 产过程中钢水温度在线预报的

27、要求。总结来看机理模型无非就是先通过热力学理论得到数学模型，再取边界条件。 最后利用有限差分或有限元法求得钢水温度的分布，实现钢水温度的预报。具休 如下图说所示有限差分有限元厂方程 （ 能量守恒 量守恒厂边界条件 初始条件图14机理模型简要概述1.2.1.1机理模型的建立本研究所基于的机理模型，是根据lf炉精炼过程中的传热基本方程、能量守恒方程和质量守恒方程等來建立的。并运用有限差分法和有限元法等，通过控制初始条件和边界条件来对模型进行求解，得到钢包内的温度情况。吸热与散热:精炼过程中，钢水热量的来源与去向大致如图15所示。炉壁及炉底散热渣面及炉盖散热加渣及合金影响图15热量的來源9去向将钢水

28、和炉渣作为一个系统，来推导吸热和散热与其温度变化的关系。由于 系统在加热与散热的过程小，其内能变化都体现在温度的变化上，所以系统实际 吸收的热量为通过电弧加热所吸收的热量与冶炼过程中散去的热量之差，w：©% +c肿对）at = qe -qsa -qch qis（11）式屮，j、c”为钢水和渣的比热容，叫、叫为钢水和渣的重量，2为系 统总的温度变化，2、qsa > qis、q%分别代表通过电弧加热所吸收的热量，和 通过渣面及炉盖散热、炉壁及炉底散热、加渣料及加合金影响所损失的热量。为 最终求岀温度随时间变化的曲线，可对式（1）两端对时间取微分。由此，对每个 温度的影响因索进行分析

29、与建模，分别求解它们的热量变化速率，再将模型综合 后求积分，即可得出温度随时间变化规律的曲线，温度的计算公式为：一如处一型）©% +q皿）力（1.2）dtdt dt（1）电弧加热模型系统所吸收的热量应与总的耗电量相关，二者间是一个乘系数的关系，即:qe = arcqall（期）其中0为该次冶炼过程中的总耗电量,而叱是系统的能量吸收系数，即电弧效率。（2）渣面及炉盖散热模型lf精炼过程中，通过渣面损失的热量包括通过渣面的辐射和对流的热损失q.,还包括吹氨带走的热量即：qsa = qsr + 幺（1 4）渣而及炉盖散热的近似计算方法，是将渣而散热和炉盖散热视为一个整体,通过计算水冷炉盖小

30、冷却水带走的热量，来确定渣而及炉盖的散热量，即有：c wpauwout一 g”）（l5）式屮，j、久分别为冷却水的比热容和密度，久,为冷却水流量，其单位为m3/h； tall为冶炼时间，单位为方；twoui 几初分别为冷却水的出口、入口 温度。而计算高温气体带走热量的经验计算方法为:对小于120t吨位的钢包炉， 气体带走热量约占有功功率的5%-6%；而对于大于120t吨位的钢包炉，气体 带走的热量大约占有功功率的7%-9%0因此有：qg=/jgp（l.6）其中仏为气体带走热量占有功功率的百分数，户为有功功率。将0和0综合 考虑，并考虑精炼时间和吹氮时间，以冷却水流量、冷却水出入口温度，以及 有

31、功功率作为输入，以么为模型待确定参数，即可搭建该部分模型。（3）炉壁及炉底散热模型炉壁散热可当作一维非稳态导热问题建模，利用其初始条件和边界条件来求 解。为简化问题，将炉壁的倾斜度忽略不计，将其视为岡柱体，并且将炉壁材料 的导热系数和比热容取平均值，视为常量。计算时，可将炉舉视为无限长圆筒壁， 在柱坐标下求解。就炉壁而言，其导热微分方程式为：加”譽=2”（爭+警）（"）上式中，pp、cp、%分别为钢包材料的密度、比热容和导热系数；t（为 炉壁径向上某点的温度，尸为该点距钢包屮轴线的距离（即半径）；f为时间，单第12页安徽工业大学毕业设计(论文)位是s。式(1.7)的初始条件(20)为

32、:tc-tls() ln(r2/r)(1 8) 几0-no ln(r2 /)式中，几()、。分别为首次测温时钢水温度和钢包外壁的温度；勺分别为钢包的内径和外径。式(1.8)的边界条件是，在心“时有：7几(1.9)在尸=勺右：p计鳥2 =饥-彳)(l1。)以上两式中，几、7；为钢水和环境的实吋温度;hac为钢包侧壁的综合对 流换热系数，其单位为©/(/.七)。运用冇限差分的方法，可对该微分方程 进行求解。同理，对于炉底散热问题，也可用同样的方法进行讨论，这里不再 赘述。(4) 加渣料与合金的影响加料是lf的精炼流程屮的一个重要环节，不同渣料的熔化热不同，因此加 渣料对丁钢水温度的影响取

33、决丁不同渣料的热物性参数和加入量的多少；与加渣 料类似，不同合金的熔化热、熔解热以及化学反应吸收或放岀的热量都不同。根 据大量的实际数据统计，以下给出一些常见渣料、合金的温降系数值，如表1所 示。其中，加渣料、合金对钢水的平均温降系数勺，单位为r/iooe需耍注意的是，上表屮的负值表示降温。于是，加渣料与合金的热效应可由 下式计算。dqch = y kimi曲一乙100滋安徽工业大学毕业设计(论文)其中“为加某种渣料或合金的重量(kg),怙为熔化时间。1.2.1.2机理模型仿真依据各部分机理模型，以英所冇输出与钢水、渣的重量及比热容作为总模 型输入，最终通过仿真输出钢水温度。该模型的simul

34、ink框图及仿真结果如下所示。scope图16总机理模simulink仿真框图上图中，横坐标表示时间，纵坐标表示钢水温度（°c）,该图显示了一个 精炼周期内（约45min）钢水温度的变化情况。显然，在电弧加热的时间段内， 钢水温度显著上升，在其它时段，由于散热，钢水温度有缓慢下降的趋势，而 且在一个精炼周期内，钢水大约升温70°c,基本符合实际情况。然而，由于电 弧效率、钢包材料的导热系数与比热容等参数很难准确得知，机理模型中只能 大致在一定范围内取值，因此机理模型仅能准确反映温度变化趋势，难以达到 精确预测温度的效杲。因此，本研究将利用遗传算法来对这些难以准确获得的 参数

35、进行辨识与优化。1.2.2黑箱模型介绍与完全采用数学控制方程的机理模型相比，黑箱模型则采用一定的数学方 法（比如冋归算法以及人工神经元网络法），结合试验数据或者实际生产数据生成 的只有输人和输出的模型。这种模型曲于只右输人和输出，完全不考虑过程机理, 所以称为黑箱模型。在lf炉精炼温度的模型屮，黑箱模型主要是将与终点温度 变化有关的量作为输入，采用回归算法或者神经网络等智能算法形成“黑箱"从而 得到终点温度。安徽工业大学毕业设计(论文)图18人工神经网络模型人工神经网络(ann)是基于对人脑组织结构、活动机制的初步认识提出的一 种新型信息处理体系，它是由大量的处理单兀(人工神经元)互

36、相连接而成的网络。 人工神经元模型是生物神经元的模拟与抽象，相当于一个多输人单输出的非线性 阀值器件如图1-813o图18中的xi.x2.xn表示它的n个输人；w】，w2.wn,表示与它相连 的n个突触的连接强度，其值称为权值；lwjxi称为激活值，表示这个人工神经 元的输人总和，对应于生物神经细胞的膜电位；0表示这个人工神经元的输出； 0表示这个人工神经元的阀值。如果输人信号的加权和超过日，则人工神经元被 激活。这样，人工神经元网络可描述为：0 =范w兀-0)基于人工神经元网络的智能算法的lf炉温度预报和控制模型主要有基于 bp网络网和基于信息融合问两种算法。t = 1. 125方 x (1

37、50 + 曰血严4马汗超研究了利用lf炉内烟气温度预报钢水温度。根据武钢第一炼钢厂 250t lf炉及所配除尘器的运行参数，一系列加热时钢水温度及烟气温度数据统 计，冋归分析得到烟气温度与钢水温度的函数如下所示。需要指出的是，不同的 lf炉该函数形式会有所不同。式屮，w为烟气温度，°c； a为烟气初始温度，°c； t为钢水温度，°c； b为钢水初始温度，c o该模型可起到指导工艺操作的口的,其预报谋差小于10°c的准确率为85%。北京科技人学杨遴杰等与天津钢管公司合作利用神经网络方法开发了 lf-vd-cc钢液温度预报模型。生产现场实时预报检验结果表明，

38、85%的炉次预 报值与实测值的误差在07°c,最人误差不超过10 °c,可以满足生产操作的要 求。程序中的数据更新功能，可使预报精度不受渐变因数的影响。刘晓等人阴总结了宝钢电炉炼钢厂lf炉的温度行为，通过对大量数据的统 计分析，得到钢包在不同状态下的钢水降温速率与钢水浸泡时间及钢水温度的冋 归关系，考察了不同通电级数下钢水的升温速率及相应的加热效率，获得了加人 渣料、铁合金及喂丝时的温降系数，给出基于温度分析的lf炉合适的工艺过程 曲线。他们回归的温度变化表达式为：dt 人 b 厂dr t式中，t为钢水温度，°c； t为钢水浸泡时间，s； a、b、c为和钢包状态

39、有关的常数。吴晓东等对宝钢炼钢厂300 t整体钢包的整个周转过程热状态进行了跟 踪测试，对各阶段的测试结果进行了分析，并得出了周转过程各阶段钢包包衬温 度变化规律。涟源钢铁集团公司三炼钢厂的龙和平对涟钢20t转炉出钢过程钢液温降规 律进行了研究，统计分析了涟钢20t氧气顶吹转炉的出钢温度、出钢过程钢水温 降、出钢过程钢水温降速率等的分布状况，研究了影响出钢过程钢水温降的因素, 建立了岀钢过程钢水温度变化数学模型2叫过程中物理化学反应过程和传热过 程的复杂性，将传统的机理建模思想和单纯的“黑箱”建模思想结合，在传统机理 模型的基础上提岀的一种lf终点温度软测量的混合建模方法。由以上文献可知：虽然

40、建立的模型不各部相同，求解的结果也因人而异，但 都采取了相同的思路，把影响钢包终点温度的齐个因素作为输入条件，通过人工 神经元网络或回归算法，从而输出钢包终点温度。黑箱模型的示意图如图19所示。图1-9bp网络结构示意图黑箱模型拟要解决的是问题也是考虑lf精炼过程屮影响钢水温度的各种因 素预报钢水升温情况以达到精炼终点温度的要求。而与机理模型不同的是黑箱模 型不考虑传热机理中间过程，仅仅考虑输人（影响钢包终点温度的i大i素）和输出（钢 包的终点温度）。其中影响钢包终点温度的因索主要冇:电弧加热（供电电流、电压、 功率、供电时间）、精炼渣埋呱情况、钢包散热、精炼进站温度、添加合金料和 渣料的情况

41、、出钢时间、钢水在钢包驻留时间、吹氮搅拌等。得到的预报结果与 实测结果相并一般在8°c以内，最大温菲不超过10°c。123灰箱模型介绍灰箱模型也称为混合模型，它是针对lf精炼过程中物理化学反应过程和传 热过程的复杂性，将传统的机理建模思想和单纯的“黑箱”建模思想结合，在传统 机理模型的基础上提出的一种lf终点温度软测量的混合建模方法。田慧欣、毛志忠等人0,针对lf精炼炉冶炼过程中物理化学反应过程及 传热过程的复杂性，采用混合模型对钢水温度进行软测量，将传统的机理模型与 智能方法相结合，并采用elm新方法作为智能模型部分校正机理模型中难以准 确获得的参数，再用机理模型进行预测

42、。实验结果表明，此混合模型具有较好的 预测结果，终点温度预测误差不大于±5°c的炉次大t 90% o混合建模的方法如图1-10,将机理模型与智能算法结合起来实现钢水温度 的软测量，先用智能算法确定钢水能量的吸收系数、渣面与炉盖的热损失系数等, 在将得到的参数送到机理模型计算岀预测温度，并将此预测温度与实际温度比较 得到误差，利用该误差对智能算法进行修止，即对机理模型参数进行调整，从而 得到更准确的模世。图110灰箱模型温度1.2.4三种模型对比机理建模的方法可以直观地反应冶炼过程屮钢液能量的变化，但是由于lf炉精炼过程是一个过程复杂，因素多变且伴随有多种物理化学反应的复杂的

43、系统过程。甚至牛产因素、设备状态、管理水平等都会对钢水温度的预报和控制造成 第19页安徽工业大学毕业设计(论文)彩响，因此许多参数在实际生产过程屮是无法准确得到的，这使机理模型的预测 精度得不到保障。黑箱模型中的智能算法包括两个基本算法：回归公式和人工神经元网络。通 过建立回归数学模型，可以改变、优化冶金过程，但是也存在着以下几方面的局 限性： 建模复杂、预报精度低、不能适应炉况的变化、移植性不好； 不同的人利用不同的冋归方法对应不同的经验公式，导致经验公式的繁多 和不一致性； 无法实现再现试验数拯，且无法处理离散的数拯； 当变量多，作用复杂时，回归公式建立比较困难。而人工神经元网络可以模拟人

44、脑的记忆和联想功能，不需耍了解输人和输出 参数间的变化规律，可以对给定的样本进行学习，以一组权重的形式形成一种网 络的稳定状态，这种状态与人脑对数据的记忆和规律的总结相似。这样可以克服 冋归公式的不足。但是，不论冋归公式还是人工神经元网络形成的“黑箱"模型都过分的依赖数 据，缺乏工艺指导。前文屮3个模型的预报精度是不同的研究人员在不同的实际操作条件下得 到的，并不能因此而断定3个模型的优劣，为了对比3个模型在预报精度上的区 别，冇的文献22釆用3种模型对宝钢300 t lf炉生产数据进行了试验统计，结果 表明，机理模型、“黑箱”模型、“灰箱”模型的预报精度分别为：82%, 86%和9

45、2%o 因此，“灰箱”模型在捉高预报精度的同时使得机理模型与“黑箱”模型冇机结合, 克服单纯机理模型参数获得不够准确和“黑箱”模型过分依赖数据、缺乏工艺指导 的不足。1.3研究背景及意义在我国，随着钢产量的逐年提高，钢材市场由原来的卖方市场向买方市场转 变，用户对钢材质量提出了越來越高的耍求，再加上中国加入世贸组织(wto) 后，国际国内钢材帀场竞争加剧，各钢厂为达到占领市场的目的，纷纷采用新技 第20页术、新工艺来捉高产品的竞争力，以目前国际上公认的现代炼钢工艺路线（铁水 预处理-炼钢-炉外精炼-连铸-钢坯热送或直接扎制）为主线，钢铁冶金新技术、 新工艺得到了长足的发展。炉外精炼作为其中重要

46、一-环，不仅在产品质量、优化 工艺和产品结构、开发高附加值产品、节能降耗、降低成本增加效益方面起到重 要作用，而且还能稳定地匹配炼钢炉和连铸机,促进连铸和热轧的高温直接连接, 以及促进近终形连铸和高效连铸的发展纲。在各种炉外精炼设备中，lf钢包精 炼炉因投资少，精炼效果明显，发展相当迅速24。lf炉处理过程中，温度及成分控制始终是两条主线。市场对钢材质量愈来 愈高的要求，首先导致了愈来愈窄的成分范围，而连铸为保证好的铸坏质量及稳 定的工艺过程，乂对钢水温度提出更为苛刻的要求绚钢水温度是炼钢过程中需耍重点控制的工艺参数在由模铸变为连铸，尤其 是全连铸以后，钢水温度对保证连铸生产过程顺行、降低原材

47、料和能量消耗、提 高铸坯质量均有很大影响。过高的温度不仅易造成拉漏、溢钢等事故，而且会增 加钢包的热负荷，降低炉龄，增加成本，进而影响铸坯质量;温度过低的钢水流 动性差，易堵水口，冋炉率高。口前，国内大部分企业为了保证连铸机的正常运 转和多炉连浇所采取的高温出钢法是极不合理的，为确保炼钢浇注过程屮的钢水 温度合适，钢包钢水加热、屮间包钢水加热等调温技术应运而生，在一定程度 上缓解了出钢温度高，钢水温度命中率低的孑盾。因而，建立合理的温度制度是 冇效地控制钢水温度的基本对策。英屮对过程钢水温度值进行预报是首先要做的 基础工作。从出钢至浇毕，容纳钢水的是钢包和屮间包两容器，包温盲接影响钢水的温 度

48、，其中，大包温度述影响小间包的钢水温度命屮率。连铸比的提高，炉外精炼 技术的广泛在线应用，延长了钢水在包内的停留时间，从而人人加强了钢包对钢 水温度的影响程度，通过研究钢包热行为来预报钢水温度变得愈加重要a】。在lf炉精炼过程中，实现对温度的控制是非常重要的一个方面。连铸和转 炉都对吋间有一定的要求，这就需耍lf炉在精炼中很好的掌握吋间，实现对温 度的准确控制，就可以减少一些不必妾的时间浪费，节省人力、物力。国外已经 对这方面进行了大量深入的研究，取得了很好的效果，国内对该课题也做了大量 第21页的研究和有益的探索，实现lf炉精炼过程温度预报无疑具冇重要的现实意义。本课题以某钢厂300t lf

49、炉为研究对彖，根据对钢包温度场和钢水温度影响 因索的研究及现冇的工艺条件，建立钢包和钢水温度预报模型，并为建模和求解 过程编制计算机程序，进一步使钢包钢水温度预报模型融入炼钢生产调度系统, 实现对操作过程的冇效指导。1.4研究方法及内容钢水温度的冇效控制是保证炼钢生产节奏通畅冇序的关键。钢水经初炼炉完 成脱碳升温等操作，后续的各种精炼过程则均在钢包中进行，因而钢包的热状态 成为影响钢水温度的主耍因素。以钢包运行的实际情况为研究对象，进行钢包循 环过程热行为的研究，弄清钢包热状态对钢水温度变化的影响，为lf智能控制 技术提供理论支撑，从而加强和完善钢包在生产运行过程中的管理和调度，保证 炉外精炼

50、及浇注顺行具有非常大的指导作用。本课题的研究内容有： 通过对钢包热行为的分析研究，建立钢包热模拟物理数学模型。 建立从转炉出钢到回转台浇注整个周转过程的钢水温度数学模型，研究各因素 对钢包热状态及对钢水温度变化的影响。 编制模拟计算程序，用来求解钢包模拟差分方程组和建立钢水温度计算机预报 系统，进一步使钢包钢水温度预报模型融入炼钢生产调度系统，并发挥一定的作 用。2研究方案与研究内容2.1建模方法介绍2.1.1机理建模介绍根据系统的机理，如物理或化学的变化规律进行建立系统模型的方法称之为 机理建模方法，建模的过程叫做机理建模，所建模型叫做机理模型。2.1.2数据回归分析介绍一元线性回归是一个主

51、要影响因索作为自变量来解释因变量的变化，在现 实问题研究中，因变量的变化往往受几个重要因素的影响，此吋就需耍用两个或 两个以上的影响因素作为自变量来解释因变量的变化，这就是多元冋归亦称多重 冋归。当多个自变量与因变量之间是线性关系时，所进行的冋归分析就是多元性 回归。2.2传热机理理论表明热量传递分为导热、对流、辐射。221导热传导传热也称热传导，简称导热。导热是依靠物质微粒的热振动而实现的。 产生导热的必要条件是物体的内部存在温度井，因而热量由高温部分向低温部分 传递。热量的传递过程通称热流。发生导热时，沿热流方向上物体各点的温度是 不相同的，呈现岀一种温度场，对丁稳定导热，温度场是稳定温度

52、场，也就是各 点的温度不随时间的变化而变化。本课程所讨论的导热，都是在稳定温度场的情 况下进行的。 传导传热的基本方程式-傅立叶定律在一质量均匀的平板内，当t!>t2热量以导热方式通过物体，从t|向t2方向传 递，如图2-1所示。安徽工业大学毕业设计(论文)取热流方向微分长度dm在dt的瞬时传递的热量为q,实验证明，单位吋 间内通过平板传导的热量与温度梯度和传热面积成正比，即：dqxdfdt/dn写成等式为：dq=-xda'dt/dn(2-1)式屮q导热速率，w；a导热面积，m2；dt/d温度梯度，k/m；九比例系数，称为导热系数，w/m-k；由于温度梯度的方向指向温度升高的方向

53、，而热流方向与之相反，故在式(21) 乘一负号，式(21)称为导热基木方程式，也称为傅立叶定律，对于稳定导热和不 稳定导热均适用。 导热系数x导热系数是物质导热性能的标志，是物质的物理性质之一。导热系数入的值 越大，表示其导热性能越好。物质的导热性能，也就是入数值的大小与物质的组 成、结构、密度、温度以及压力等有关。x的物理意义为：当温度梯度为lk/m 时，每秒钟通过in?的导热而积而传导的热量，其单位为w/nrk或w/m °co各 种物质的入可用实验的方法测定。一般來说，金屈的九值最大，固体非金属的入 值较小，液体更小，而气体的九值最小。各种物质的导热系数的人致范围如下：金属 2.

54、3420 w/m-k建筑材料0.25 3 w/m-k绝缘材料0.0250.25w/mk液体 0.090.6 w/m-k7 （，体 0.0060.4 w/m-k 平面壁稳定热传导a.单层平面壁设有一均质的面积很大的单层平面壁，厚度为b,平壁内的温度只沿垂直于壁 面的x轴方向变化，如图38所示。图2-2单层平壁稳定热传导在稳定导热时，导热速率q不随时间变化，传热面积a和导热系数入也是常量，则傅立叶公式可简化为：将此式积分,当x=0, t=t|；x=b时,t=t2,积分结果为:若改写成传热速率方程的一般形式，则有：u (2.2)式中b-平面壁厚度，m；t-平壁两侧温度差，即导热推动力，k；只=1）/

55、九人-导热热阻，k/wo此式说明，单层平面讎的导热速率，与推动力at成正比，与热阻成反比。 b多层平面壁在工业主产上常见的是多层平壁，如锅炉的炉墙。现以一个三层平壁为例, 说明多层平面壁稳定热传导的计算。bj b ?b 吉x图2-3多层平而壁的热传导设各层壁厚及导热系数分别为b1?b2,b3及山人2入3内表而温度为h,外表而温 度为t4,中间两分界而的温度分别为t2和t3。对于稳定导热过程，各层的导热速率必然相等。即厶t1=q1r1(a)鸟令弘-qj即厶t2=q2r2(b)q 含他-g 学 即zt3=q3r3(c)(a)+(b)+(c)有:ati+at2+at3=qiri+q2r2+q3r3稳

56、定热传导吋：q1+q2+q3二q故：(2-3)屮舄4尽艺7总粗力将式(23)推广到一个层数为n的多层平壁，有:(2.4)由于 q=at/r=at2/r2=at3/r3,可得:t： t2： t3=ri ： r2： r3(2.5)式(2.5)说明，多层平壁内各层的温度降与热阻成止比。式(2.4)说明，多层平壁内各层的温度降与热阻成止比。 圆筒壁稳定热传导化工生产中常用的容器、管道一般是圆筒形的，经过岡筒壁的稳定热传导与 平而壁的区别在于圆筒壁的内外表而积不等。热流穿过圆筒壁的传热而积不彖平 而壁那样是固定不变的，而是随圆半径而改变。a.单层圆筒壁设有一圆筒壁。图2-4圆筒壁的热传导圆筒的内半径为口

57、,外半径为辽,长度为l。若在半径为1处取一微分厚度dr,则传热而积a=2kfl可以看成是常数。由傅立叶定律，通过这一微分厚度击的圆筒壁的导热速率为:<2-活-a(2«rl)宁 drdr分腋珂：q -2nrlldt将入作常数处理，则可积分:整理后得:此式即为单层圆筒壁的导热速率方程式。若将此式改写成与平壁导热速率方 程式类似的形式，则将分子、分母同乘以(r2-n),有：式中b=r2-ri圆筒壁的壁厚，m；对数平均面积，m2o对数平均值是化学工程中经常采用的一种方法，用此法计算结果较准确，但 其计算比较繁杂,因此，当a2 /a !<2时，可用算术平均值代替,这时:am=(l/2)-(a1+a2)安徽工业大学毕业设计（论文）当a2/a1=