连铸结晶器热、力在线检测技术及其应用基础研究

论文摘要

结晶器是钢水凝固成型的核心设备,承担着导热、支撑、约束、润滑和脱模等作用,其内部的传热和摩擦直接决定铸坯的表面裂纹和漏钢,是实现高效连铸的关键因素。促进结晶器与铸坯间形成良好、稳定的传热和润滑条件,对钢水的初期凝固和摩擦行为进行在线调控,是保证铸坯质量的工艺要求,同时也是保障连铸机稳定运行、高效生产的前提。今后连铸技术的发展,将更加依赖于生产过程的自动控制水平,因此,开发结晶器热学、力学行为在线检测的新技术、新方法,研究结晶器在线监控的基础理论及其实现途径,对进一步丰富、发展结晶器过程的基础理论及其监控实践,均有重要意义。本文以连铸结晶器为研究对象,围绕结晶器热、力在线监控技术的应用基础问题,对结晶器传热和摩擦行为的在线检测、数值计算及其应用方法进行研究。首先,基于结晶器液压振动装置,从理论分析和实验研究两方面入手,研究开发液压振动条件下摩擦力检测的理论模型和检测方法,设计相关的软件和硬件,开发适于现场应用的摩擦力在线检测系统;其次,以实测的结晶器摩擦力数据为基础,探索结晶器摩擦力的应用方法,开发针对摩擦力异常预报的模型及相应软件;最后,依据圆坯连铸结晶器实测的温度和热流数据,借助结晶器传热反问题模型,同时结合人工神经元网络技术,建立符合实际工况条件下的结晶器传热耦合计算模型,研究开发基于实测温度数据的结晶器传热计算方法。基于板坯连铸结晶器液压振动装置,从分析结晶器振动的受力状态入手,建立了结晶器振动的受力模型,结合现场具体的检测条件和环境,确立摩擦力在线检测的理论基础和总体思路。运用粒子群优化方法,建立了振动系统空振参数的实时优化模型。针对本文研究的问题,研究了算法的具体实现及收敛性能,并对算法的优化结果进行了测试和评价。以上述工作为基础,自行设计、构建摩擦力检测系统的硬件和软件,开发出适于在线应用的摩擦力在线检测系统,实现了瞬态结晶器摩擦力的在线连续、稳定、自动检测。以现场实测的摩擦力数据为基础,研究了不同参数与振动方式下的摩擦力周期变化行为、特征值、负滑脱等参数的变化规律;同时分析了非正弦振动波形的特点,并对液压振动装置的工作特性及振动状态的评价方法进行了初步探讨。基于功率法测得的板坯连铸结晶器摩擦力数据,结合生产现场的异常记录,对各类异常发生时摩擦力的反应及特征进行分析和统计,结果显示,摩擦力能够对漏钢、水口断裂及液位剧烈波动等异常作出反应,其均方根在0.8～4kN范围内变化。以此为基础,采用人工神经元网络技术,并对摩擦力信号的典型特征进行模式识别,建立了摩擦力异常预报模型,开发出摩擦力异常预报软件。对应连铸现场的异常记录,利用软件对各类结晶器异常进行离线预报,结果表明:软件能够对结晶器液位波动、漏钢、水口断裂及其他异常做出预报,并具有一定的提前量,运行速度满足在线预报的要求。基于圆坯连铸结晶器温度和热流在线实测数据,开发针对实测数据的结晶器传热计算方法。利用传热反问题模型模拟实际条件下结晶器内部的传热行为,同时采用神经元网络求解结晶器传热反问题,建立了传热反问题—神经网—正问题的结晶器传热计算耦合模型。利用模型对在线检测的连续瞬时数据进行计算,表明将神经元网络与传热数值计算结合的方法可用于结晶器传热计算,能够真实反映圆坯结晶器传热的非均匀特性,计算的精度与速度基本满足在线实时计算的要求。正常工况下,在工艺参数稳定时,圆坯周向的局部热流和坯壳厚度并不恒定,周向导热决定坯壳的厚度分布,结晶器热流与坯壳厚度沿周向呈不均匀分布。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 结晶器/铸坯传热与摩擦行为概述
• 1.2.1 结晶器传热的特点及影响因素
• 1.2.2 结晶器与铸坯间的润滑和摩擦
• 1.3 结晶器传热的在线检测与数值模拟
• 1.3.1 结晶器传热在线检测
• 1.3.2 基于实测的结晶器传热数值模拟
• 1.4 结晶器润滑与摩擦行为研究
• 1.4.1 结晶器摩擦力的在线检测与应用
• 1.4.2 润滑与摩擦行为的数值模拟研究
• 1.5 结晶器在线监控技术的发展趋势及存在的主要问题
• 1.6 论文题目的确定及主要研究内容
• 2 结晶器摩擦力检测方法的理论基础
• 2.1 结晶器液压振动系统简介
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 振动系统组成
• 2.1.3 工作原理
• 2.2 检测方法数学模型的建立
• 2.2.1 模型的描述和假设
• 2.2.2 结晶器振动受力分析
• 2.2.3 检测方法的总体思路
• 2.3 现场试验验证
• 2.3.1 检测条件与参数计算方法
• 2.3.2 模型验证
• 2.4 空振参数的检测与计算
• 2.4.1 计算参数的确定
• 2.4.2 系统综合刚度的变化规律
• 2.4.3 等效阻尼的变化规律
• 2.5 振动系统的动态特性
• 2.5.1 数据的复现性
• 2.5.2 振动零位的输出力
• 2.5.3 安装状态对刚度和阻尼的影响
• 2.6 本章小结
• 3 基于粒子群算法的振动系统空振参数优化
• 3.1 优化问题
• 3.2 粒子群优化算法
• 3.2.1 算法简介
• 3.2.2 基本原理
• 3.2.3 计算流程
• 3.3 适应值的定义
• 3.3.1 刚度、阻尼的反算
• 3.3.2 刚度与振频的计算公式
• 3.3.3 阻尼与振频、振幅的计算公式
• 3.4 空振参数的计算结果与讨论
• 3.4.1 粒子收敛行为
• 3.4.2 优化结果
• 3.4.3 计算时间
• 3.5 本章小结
• 4 结晶器摩擦力在线检测系统的建立
• 4.1 系统的硬件设计
• 4.1.1 计算机部分
• 4.1.2 数据的采集和转换
• 4.2 检测系统软件开发
• 4.2.1 摩擦力检测软件的编制和主要功能
• 4.2.2 数据采集
• 4.2.3 滤波算法
• 4.2.4 摩擦力计算
• 4.2.5 空振输出力的拟合
• 4.2.6 振动状态自动识别
• 4.2.7 实时显示
• 4.2.8 数据存储
• 4.3 检测系统的现场实现
• 4.4 检测实例与分析
• 4.4.1 空振参数的实时确定
• 4.4.2 瞬态摩擦力
• 4.4.3 摩擦力特征值
• 4.5 摩擦力检测的精度
• 4.6 本章小结
• 5 结晶器摩擦力检测结果与分析
• 5.1 瞬态结晶器摩擦力
• 5.1.1 摩擦力的周期变化与相位
• 5.1.2 拉速变化对瞬态摩擦力的影响
• 5.1.3 正弦振动与非正弦振动
• 5.2 摩擦力特征值
• 5.2.1 特征值的定义方法
• 5.2.2 摩擦力（压力）作用时间与负滑脱时间
• 5.2.3 摩擦力的最值和均值
• 5.2.4 拉速变化过程中摩擦力特征值的变化趋势
• 5.2.5 振动方式对摩擦力的影响
• 5.3 结晶器振动状态检测结果与讨论
• 5.3.1 波形失真率
• 5.3.2 不同偏斜度下位移与速度波形特征
• 5.3.3 位移偏差
• 5.3.4 相位差
• 5.3.5 两侧液压缸输出力的同步性
• 5.4 本章小结
• 6 结晶器摩擦力异常预报方法
• 6.1 摩擦力对各类异常的反应
• 6.1.1 功率法原理
• 6.1.2 异常数据分析
• 6.2 基于人工神经元网络的异常预报模型
• 6.2.1 BP神经元网络
• 6.2.2 网络结构的确定
• 6.2.3 其他参数的确定
• 6.2.4 异常阈值的选取
• 6.3 基于时域分析的异常特征提取
• 6.3.1 脉冲信号
• 6.3.2 斜坡信号
• 6.3.3 工艺操作影响的滤除
• 6.3.4 延时开关
• 6.4 摩擦力异常预报软件的开发
• 6.5 仿真预报结果
• 6.5.1 液位波动
• 6.5.2 水口断裂
• 6.5.3 漏钢
• 6.5.4 其他异常
• 6.6 本章小结
• 7 基于实测的结晶器传热计算方法研究
• 7.1 实验描述
• 7.2 结晶器传热数学模型
• 7.2.1 二维传热数学模型
• 7.2.2 初始条件和边界条件
• 7.2.3 传热反问题
• 7.2.4 相关参数的选择
• 7.2.5 计算结果验证
• 7.3 神经网求解传热反问题
• 7.3.1 求解的思路和步骤
• 7.3.2 网络参数的确定
• 7.3.3 预测结果评价
• 7.4 结晶器传热耦合计算模型
• 7.5 结晶器传热计算结果与讨论
• 7.5.1 温度场计算结果与验证
• 7.5.2 结晶器内坯壳厚度分布
• 7.7 本章小结
• 结论
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢