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方坯连铸数学模型及质量控制研究

李东辉  
【摘要】:本文以东北大学与首钢的合作研究课题“全自动高效小方坯连铸机关键技术与设备的研究与开发”为背景,以提高连铸坯质量为目标,针对方坯连铸机过程级控制系统中的主要控制模块进行研究与开发,主要工作如下: (1)针对首钢小方坯连铸机实际情况,进行连铸计算机控制系统的软、硬件构成整体设计;建立了三类数据库,即历史数据库、实时数据库、管理数据库,共57个表,1000多个数据项,编制了人机交互界面,为方坯连铸的过程控制模块提供数据基础。 (2)研究了小方坯连铸过程中的自动开浇和结晶器液位控制方法,构建了用于控制液位的PID控制方法,并通过生产实验对其进行了验证。介绍了弧形小方坯连铸机塞棒全自动开浇系统,系统模仿人工开浇过程,设定自动开浇动作,并通过生产实验优化开浇参数。 (3)开展了方坯连铸温度场软件的算法研究与程序开发工作,并将软件应用于小方坯连铸机,对模型的准确性进行了校核。该模型考虑了由于结晶器部位气隙的形成,横、纵向热流密度变化具有不均匀性,给出了与气隙有关的结晶器传热模型。同时软件还具有二冷区各冷却回路目标水量的反算功能。该模型可用来优化连铸工艺参数,为进一步开发在线控制模型(例如二冷水在线控制模型、在线质量预报模型)提供了基础。实例计算表明,计算结果与生产实测数据吻合较好,证明了理论模型是实用可靠的。 (4)针对方坯连铸机,开展了基于热传输理论的方坯连铸二次冷却区各冷却段水量控制方法的研究与程序开发工作,对于不同的生产条件,给出了拉速、过热度的水量调节法(经验模型法)、带水量补偿的动态调节法等在线控制方法。实例计算表明,采用水量补偿的控制法会获得比经验模型法更好的控制效果,表面温度的波动明显减小。 (5)通过在二冷数据库中添加新案例,提出一种智能配置二冷水量的方法,该方法克服了二冷控制过程中存在的非线性、参数时变、大滞后等因素带来的困难,案例库中的数据来源于热传输模型的离线计算。如果案例库中没有检索到有效参考案例,在线采用经验模型法进行二冷水量的计算,经离线温度模型的计算后,将新案例录入案例库中,以实现离线模型的在线控制。实验结果表明,该智能配水法控制效果优于经验模型法,并有效克服计算结果滞后等的控制难题,表明所提出的连铸二冷智能配水方法的有效性。 (6)结合小方坯经常出现的内裂纹缺陷,分析了缺陷成因及对铸坯质量的影响,确定内裂纹缺陷评判函数,针对不同钢种对不同质量缺陷等级的要求制定出生产规则。收集连铸生产工艺参数,对小方坯内部裂纹判定结果进行离线验证,结果表明:系统最终判定结果与传热模型的计算结果基本吻合。采用该质量评定系统对生产厂小方坯内部裂纹缺陷进行质量预报,产品质量的预报值与实际值符合良好,预报的准确率达到83.3%。 上述研究成果可为方坯连铸机过程控制系统改造及方坯连铸工艺参数设定、新型连铸机的设计等提供理论指导和参考数据。


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