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LF钢水温度预报模型的研究.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.54M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    分类号 密 级 U D C 学 位 论 文 LF 钢水温度预报模型的研究 作 者 姓 名 ： 高燕 指 导 教 师 ： 毛志忠 教授 东北大学自动化研究所 申请学位级别： 硕士 学 科 类 别 ：工学 学科专业名称： 控制理论与控制工程 论文提交日期： 2008 年 1 月 20 日 论文答辩日期：2008 年 2 月 29 日 学位授予日期： 答辩委员会主席：王建辉 评 阅 人 ： 李鸿儒 宗鸣 东 北 大 学 2008 年 1 月
    A Thesis for the Degree of Master in Control Theory and Control Engineering Research on Temperature Prediction Model of Molten Steel in LF by Gao Yan Supervisor : Professor Mao Zhizhong Northeastern University January 2008
    独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名 ： 签 字 日 期 ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查-阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 （如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意） 学位论文作者签名 ： 导 师 签 名 ： 签 字 日 期 ： 签 字 日 期 ： －I－
    东北大学硕士学位论文 摘 要 LF 钢水温度预报模型的研究 摘 要 近年来，随着纯净钢生产技术的进步和连铸技术的发展，炉外精炼工艺与设备迅速 普及。其中 LF 以其优异的综合性能，在实际生产中得到了广泛应用。 钢水温度是LF精炼过程中的一个非常重要的工艺参数，LF的钢水温度控制对钢的 质量和连铸操作的顺利进行都十分重要，而对LF钢水温度的预报是控制LF钢水温度的 先决条件，是实现精炼过程计算机自动控制的重要基础。然而在LF实际精炼过程中，钢 水温度之高，检测环境之恶劣使钢水温度测量成为炼钢工业中的一个难题。尤其是钢水 连续测温。所以精确连续的预报钢水温度，具有重要的实际意义。 本文以 LF 钢水和炉渣为研究体系，由热力学第一定律，建立整体热平衡。其中， 炉衬的传热（包括钢包侧壁和包底）分别采用圆柱坐标下和直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，以有限差分方法求解。然后，根据 整体热平衡，推导出 LF 钢水温度预报模型，预报整个精炼过程中从第一次测温时刻以 后的钢水温度。 针对模型在实际生产条件下运行时所需要的钢包包衬各层材料的热物性参数（导热 系数和比热容）难以精确测定的不足，从整个模型出发，利用遗传算法的全局搜索能力 和良好的全局优化性能，对模型中难以确定的热物性参数进行辨识，得到实际生产条件 下模型中所需的热物性参数值。 通过对实际精炼过程的模拟来验证模型的预报精度，结果表明，模型正确地反应了 LF精炼过程的传热规律，预报结果较为真实、可靠。最后，采用滚动校正技术对LF钢 水温度预报模型进行了在线校正，以保证模型能够适应不同的工况。 关键词：LF；钢水温度预报；参数辨识；遗传算法；在线校正 －II－
    东北大学硕士学位论文 Abstract Research on Temperature Prediction Model of Molten Steel in LF Abstract With the progress of the clean steel smelting technique and the development of continuous casting, the technology of secondary refining has a rapid popularization. As a kind of secondary refining equipment, LF (Ladle Furnace) which has excellent synthesized functions is widely applied on the steelmaking process. The temperature of molten steel is one of the most universal and important technical parameters during LF refining process, it is important to control the molten steel temperature of LF for the quality of steel and the operation of continuous casting, and the accurate forecasting of molten steel in LF is an important precondition for controlling temperature of molten steel and the base to realize the automatic control by computer. However, with the high temperature of molten steel and the bad condition under which the temperature is measured, it is difficult to get the accurate numerical results of the molten steel temperature. In a word, there is important practical meaning to predict the molten steel temperature of LF. On the basis of energy-balance principle with theoretical analysis, a mathematical model used for forecasting molten steel temperature after measuring the temperature of molten steel for the first time during LF refining process is established in this paper. The heat transfer in ladle refractories (including side and bottom) is described with non-steady differential equations under one-dimension cylindrical coordinates and rectangular coordinates. In order to improve the accuracy of the thermophsical parameter identification, the genetic algorithm is applied. With the results of the parameter identification, a complete temperature prediction model of molten steel in LF is presented. The computer simulation results show that the steel temperature predicted by this model is in good agreement with the real measured data. It means that the model can be used to describe the heat transfer behavior in LF process, and it can be applied for steel temperature automatic control program during the LF refining process. Furthermore, the on-line tuning of the temperature prediction model of molten steel in LF is implemented, so that the model could be used accurately under different conditions. Keywords：ladle furnace；temperature prediction of molten steel；parameter identification； genetic algorithm；on-line tuning －III－
    东北大学硕士学位论文 目 录 目 录 独创性声明.................................................................................................................................I 摘 要....................................................................................................................................... II ABSTRACT............................................................................................................................. III 第一章 绪 论............................................................................................................................ 1 1.1 LF 简介 ................................................................................................................................ 1 1.1.1 LF 的发展 ................................................................................................................. 1 1.1.2 LF 的功能 ................................................................................................................. 2 1.1.3 LF 的优点 ................................................................................................................. 2 1.2 LF 钢水温度的测量方法 .................................................................................................... 3 1.2.1 间断法...................................................................................................................... 3 1.2.2 连续法...................................................................................................................... 4 1.3 LF 钢水温度预报模型的研究 ............................................................................................ 5 1.3.1 国外研究成果.......................................................................................................... 6 1.3.2 国内研究成果........................................................................................................ 10 1.3.3 存在的问题和不足................................................................................................ 11 1.4 本文的主要工作............................................................................................................... 12 第二章 LF 钢水温度预报模型 .............................................................................................. 13 2.1 LF 能量传递过程分析 ...................................................................................................... 13 2.2 LF 钢水温度预报模型的建立 .......................................................................................... 13 2.2.1 建模总体思路........................................................................................................ 13 2.2.2 体系能量平衡分析................................................................................................ 15 2.2.3 LF 钢水温度变化速率模型 ................................................................................... 20 2.3 LF 钢水温度变化速率模型的求解 .................................................................................. 21 2.3.1 模型求解的总体思路............................................................................................ 21 2.3.2 炉衬损失热量的求解............................................................................................ 21 2.3.3 整个模型的求解.................................................................................................... 27 2.4 模型中重要工艺参数的确定........................................................................................... 27 2.4.1 电弧传热效率........................................................................................................ 28 2.4.2 综合换热系数........................................................................................................ 32 －IV－
    东北大学硕士学位论文 目 录 2.4.3 钢包包衬各层材料的热物性参数........................................................................ 33 2.5 本章小结........................................................................................................................... 34 第三章 基于遗传算法的热物性参数辨识............................................................................ 35 3.1 导热系数和比热容的基本概念....................................................................................... 35 3.2 导热系数和比热容的确定方法....................................................................................... 36 3.3 遗传算法简介................................................................................................................... 37 3.3.1 遗传算法中的基本概念........................................................................................ 38 3.3.2 遗传算法基本操作................................................................................................ 39 3.3.3 遗传算法的实现技术............................................................................................ 40 3.4 导热系数和比热容的辨识............................................................................................... 44 3.4.1 遗传算法在热物性参数辨识中应用的基本思想................................................ 44 3.4.2 遗传算法辨识导热系数和比热容的具体步骤.................................................... 45 3.4.3 算法流程图............................................................................................................ 45 3.5 本章小结........................................................................................................................... 46 第四章 模型的仿真及在线校正............................................................................................ 47 4.1 模型的仿真验证............................................................................................................... 47 4.1.1 仿真程序框图........................................................................................................ 47 4.1.2 导热系数和比热容的辨识结果............................................................................ 48 4.1.3 模型的仿真结果.................................................................................................... 48 4.1.4 模型预报误差综合分析........................................................................................ 49 4.1.5 LF 钢水温度预报模型的具体应用 ....................................................................... 49 4.2 模型的在线校正............................................................................................................... 51 4.2.1 研究背景................................................................................................................ 51 4.2.2 在线滚动校正技术................................................................................................ 52 4.2.3 模型在线校正的效果............................................................................................ 53 4.3 本章小结........................................................................................................................... 54 第五章 结论与展望................................................................................................................ 55 参考文献.................................................................................................................................. 57 致 谢...................................................................................................................................... 61 －V－
    东北大学硕士学位论文 第一章 绪 论 第一章 绪 论 1.1 LF 简介 炉外精炼是近年来发展起来的一项炼钢技术。转炉、电炉和平炉都可以配合各种各 样的炉外精炼方法。所谓炉外精炼，就是按照传统工艺，将在常规炼钢炉中完成的精炼 任务，如去除杂质（包括不需要的元素、气体和杂质）、成分和温度的调整及均匀化等 任务，部分或全部地移到钢包或是其它容器中进行。因此，炉外精炼也称为二次精炼或 是钢包冶金[1]。 从钢铁冶金技术发展和现状来看，炉外精炼技术已经成为优化的现代炼钢系统工程 的必要保证，是洁净钢生产的必要前提，是提高劳动生产率、开发新产品、协调生产工 艺流程的重要手段，特别是随着连铸技术的发展，随着用户对产品质量要求的不断提高， 炉外精炼的作用就更加明显。电弧炉－炉外精炼－连铸的短流程炼钢生产线已成为新建 电弧炉炼钢厂的首选[2]。而炉外精炼技术作为其中重要的一环，以及它对提高钢的内在 质量，改善钢材的化学、力学性能，在转炉与连铸之间起到的缓冲调节作用，已经越来 越引起人们的重视。其中 LF 钢包精炼炉因其设备投资少，精炼效果明显而发展非常迅 速[3]。 1.1.1 LF 的发展 LF 是日本大同特殊钢公司于 1971 年开发的，具有电弧加热、去除夹杂、脱硫、吹 氩搅拌等功能，开始主要建于电弧炉炼钢车间，用于冶炼高级优质钢，其后逐步应用于 转炉冶炼车间。 由于 LF 具有加热功能，且能精确调整钢液成分和温度，从而可保证浇铸前钢水适 当的过热度，对提高铸坯质量十分有利。另外，连铸生产工艺钢水温度要求比模铸高 30 ℃左右，高温钢水将给转炉脱磷带来一定困难，当采用 LF 后，可适当降低出钢温度， 从而有利于降低磷含量。车间内设置 LF 对冶炼钢种的适应性也大为增强，如 1999 年宝 钢建设的 300t 大型 LF 已成为生产低硫管线钢的重要手段。又如宝钢集团五钢公司，自 1982 年建成 LF 以来，该公司的 15 个国家级、部级获奖产品中，有 7 个经过 LF 处理[4]。 总之由于 LF 设备结构简单，投资小，精炼效果显著，所处理的钢种几乎涉及到从 特钢到普钢的所有钢种，生产中可根据质量控制的需要，采用不同的工艺操作制度。因 此在各种二次精炼设备中，LF 得到了广泛的应用。 －1－
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