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连铸二冷过程建模及配水的智能优化研究

作　者: 郑鹏
导　师: 谢植
学　校: 东北大学
专　业: 检测技术及自动化装置
关键词: 连铸传热模型有限单元法二冷优化粒子群优化算法动态控制
分类号: TF777
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
下　载: 555次
引　用: 12次
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内容摘要

随着连铸技术的发展,提高连铸坯产量和质量成为连铸技术研究的主要问题之一。由于铸坯产品的质量与铸坯凝固过程密切相关,而连铸坯的凝固基本上是在二次冷却区内完成的,所以研究二冷热传输过程对了解铸坯凝固行为和保证铸坯质量具有重要的意义。多年来,人们对铸坯内部质量的研究主要通过各种试验、检测手段以及数值模拟技术完成。随着计算机技术的发展,数值模拟技术已成为研究连铸二冷过程的一种重要手段。首先,本文针对连铸小方坯的凝固热传输过程,结合南钢公司的生产实际进行了机理模型的研究,建立了方坯凝固传热的二维移动薄片模型。在此基础上采用有限单元方法数值求解模型,并运用热焓法处理凝固潜热,得到了一定工艺条件下的稳态凝固温度场。利用南钢现场对三种不同钢种的射钉试验数据,对比模型计算的数据验证了数值模型的准确性和有效性。此外还分析了拉速、过热度和冷却水量等因素对稳态温度场的影响。其次,通过建立和求解三维瞬态热传输模型来研究铸坯凝固温度场的瞬态特性。实际生产中的铸坯温度场总是处于一个较长过渡的过程,这说明了铸坯凝固系统是一个大惯性的系统。以往的研究很少考虑凝固温度场的瞬态调节过程,而忽略温场瞬态特性的配水控制方法显然不能保证铸坯的产品质量。特别是生产条件变化频繁的时候,铸坯表面温度将发生较大的波动,甚至产生温度“尖峰”,这在一定程度上影响了铸坯产品的质量。本文通过大量的仿真研究了当拉速、过热度和冷却水量发生突变时,铸坯凝固温度场的动态响应过程。并通过引入“有效拉速”的处理方法对实测拉速值进行滤波处理,很大程度上避免了由于生产条件变化而造成的铸坯表面温度的“尖峰”波动,减少了对铸坯质量的不利影响。第三,针对二冷制度的定量优化问题,研究了二冷冶金准则函数优化法,通过多目标准则函数之间的相互关系建立了二冷制度优化总体目标函数。研究了基于群智能的搜索算法——粒子群算法,并采用嵌入局部搜索策略的手段提出了一种改进的混合粒子群算法,以此来提高连铸二冷配水的函数优化搜索效率,增强优化的实时性。在实现二冷水量离线优化的基础上,分析了钢水过热度对铸坯凝固过程的影响,并通过数据拟合的方法得到了一种基于拉速—过热度—水量最优关系方程的动态控制模型。最后,本文采用Matlab和C语言混合编程的方法开发了连铸坯二维和二维传热模型的求解程序。在此基础上结合优化算法程序建立了二冷配水优化仿真平台,该平台通过友好的人机界面实现模型参数的输入、温度场数据图形表示和优化结果显示等功能。

全文目录

独创性声明  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-15
  1．1 连续铸钢工艺概况  10-11
  1．2 连铸凝固传热模型研究的发展概况  11-12
  1．3 连铸二冷配水控制技术的发展与现状  12-13
  1．4 本课题的研究内容和意义  13-15
第二章方坯凝固热传输数学模型  15-35
  2．1 连铸坯凝固过程的传热特点  15
  2．2 连铸小方坯凝固热传输数学模型的建立  15-22
    2．2．1 坐标系的建立  16
    2．2．2 连铸小方坯凝固传热微分方程的建立  16-17
    2．2．3 微分方程初始条件和边界条件  17-19
    2．2．4 物性参数的选择及处理  19-20
    2．2．5 凝固潜热的处理  20-22
  2．3 传热模型数值求解的原理  22-24
    2．3．1 数值求解方法的确定  22
    2．3．2 有限单元方法  22-24
  2．4 二维传热模型有限元格式的推导和建立  24-29
    2．4．1 计算域网格划分和单元插值函数  24-25
    2．4．2 三角形单元的变分处理  25-28
    2．4．3 时间离散格式  28-29
  2．5 二维传热模型有限元格式的推导和建立  29-35
    2．5．1 三维计算域网格单元划分  29-30
    2．5．2 三维传热方程的变分处理  30-33
    2．5．3 三维模型程序编制的难点处理  33-35
第三章传热模型的验证与结果分析  35-50
  3．1 模型的验证  35-39
    3．1．1 射钉实验参数和条件  35-36
    3．1．2 模型计算结果及温度场特征  36-37
    3．1．3 计算结果和射钉数据的对比  37-39
  3．2 二维模型计算结果分析  39-42
    3．2．1 过热度对铸坯温度场影响分析  39-40
    3．2．2 拉速对铸坯温度场影响分析  40-41
    3．2．3 水量变化时温度场祸合关系的分析  41-42
  3．3 三维模型和二维模型计算结果的比较  42-44
  3．4 三维模型计算结果分析  44-50
    3．4．1 过热度突变下的铸坯表面温度瞬态响应分析  44-45
    3．4．2 水量突变下的铸坯表面温度瞬态响应分析  45-46
    3．4．3 拉速和水量同时突变下的铸坯表面温度瞬态响应分析  46-47
    3．4．4 引入有效拉速后的表面温度瞬态过程分析  47-50
第四章连铸二冷制度智能优化设计及应用  50-66
  4．1 二冷制度优化方法的分析与选择  50-53
  4．2 二冷函数优化的搜索策略  53-60
    4．2．1 二冷配水优化的特点  53
    4．2．2 智能优化方法介绍  53-54
    4．2．3 粒子群优化算法及其改进  54-60
  4．3 二冷制度的智能优化与应用  60-66
    4．3．1 基于改进粒子群算法的二冷水量优化  60-62
    4．3．2 拉速、过热度与二冷最优水量关系的建立  62-64
    4．3．3 基于最优Q-V-T关系的二冷配水前馈控制策略  64-66
第五章连铸二冷模型与优化仿真平台  66-72
  5．1 仿真平台软件的功能模块  66-68
  5．2 仿真软件的模块结构和流程  68-72
第六章结束语  72-73
参考文献  73-76
致谢  76

连铸二冷过程建模及配水的智能优化研究

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