连铸板坯质量判定专家系统应用及原理分析.docx

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连铸板坯质量判定专家系统应用及原理分析

连铸板坯质量判定专家系统应用及原理分析

2OO6年6月

第14卷第3期

河南冶金

}ⅡANM田^IIJ瓜GY

Jun.2OO6

V01.14No.3

连铸板坯质量判定专家系统应用及原理分析

王志政张慧

（1.安徽工业大学;

那贤昭王雪松

2.钢铁研究总院）

摘要介绍了几种类型连铸坯质量判定专家系统的应用及原理,并对目前正在开发的基于神经元网络的连铸坯质

量判定专家系统作出分析.

关键词连铸坯质量判定专家系统

APPLICATIONANDPRINCIPI~ANALYSISOFQUALrrYEVALUATION

EⅪTSY=IEM■DR0D】【0IIsCAr1NGs1.JAB

WangHui2NaXiand~2WangXuesongl

（1.山】llIliUniversityofTechnology;2.CentralIronandS~eelResearchInstitute）

ABSII~CTThispaperintroducestIleipkandapp~cafionofsomequalityevalua~onexl~rtsysten~forcontinuouscasting

slab,andanalyzestheql呦evalua~onexl~rtsystembasedonartificialneundneworksforcontinuouscas血lgslabwhichison

theprocessofexploration.

KEYWORDScontinuousrlgslabq啪山tyevalua~onexpertsystem

在连铸生产中,及时在线预报和检测铸坯质量,

对确保生产的连续性,提高产品质量及降低生产成

本具有重要的意义.连铸坯质量判定专家系统就是

为解决连铸生产过程中连铸坯质量问题而专门设计

的计算机判定系统.连铸生产过程中需要在线判定

连铸坯质量情况,以便解决不同铸坯的不同处理走

向,即:

对质量合格的连铸坯直接热送以有效节能;

对表面有缺陷的连铸坯离线修磨清理后再加热轧制

以减少钢材废品率,提高成材率;对内部缺陷严重的

1国内外连铸坯质量判定系统方面的进展

近十多年,国内外在连铸坯质量预报专家系统

的研究取得了很大的进步,许多钢铁公司开发了较

完善的专家系统,并实际应用于连铸生产,取得了显

着的效益.比较成功的系统有:

宝钢的板坯品质异

常把握模型和漏钢预报系统,奥地利Linz钢厂的计

算机辅助质量控制系统（）,英国BritishSteel的

结晶器热监控系统（砌[M）,德国MannesmanDemag

公司的质量评估专家系统（XQE）等J,国外典型的

连铸坯直接判废以减少进一步再加工成本.连铸坯质量判定专家系统各自的特点见表1.:

表1国外典型连铸坯质量判定系统特点

从表1中可以看出,国外典型的铸坯计算机质

量判定系统的应用都存在一定的局限性.一方面表

现在系统中对铸坯质量的因素影响规律利用了冶金

函数或数学模型的方法进行处理,冶金函数和数学

模型是有限的,复杂的连铸生产工艺过程中的众多

铸坯质量影响因素及影响规律并不都能够用冶金函

数和数学模型来描述,使得判定表现出了一定的局

限性;另一方面,系统只是对一些主要的影响因素及

联系人:

张慧,常务副主任,高级工程师,北京（100嘴1）,钢铁研究总院连铸中心;收稿日期:

2o十5

2OO6年第3期河南冶金?

7?

影响规律进行了推理和判定（如德马克公司,英国钢

铁公司和新日铁公司）,考虑因素有限,从而影响了

系统判断准确度J.

在国内,上海宝钢（集团）公司板坯连铸机上的

计算机辅助判定（CAQJ）系统,它要求收集28个参

数【7圳,其中包括三个方面【10]:

第一是来自炼钢计算

机传过来的炼钢异常信息,如钢水成分及再吹炼等;

第二是由连铸离散控制系统采集的信息,如拉速及

结晶器液面波动等;第三是由操作工输入的有害于

铸坯质量的信息.事实上,该系统是使用了这些异

常信息来预测铸坯表面质量及内部质量的等级,经

过等级分析,自动判定铸坯的处置方式,它只是一个

过程异常型质量诊断系统,并没有影响铸坯质量各

种缺陷的详细的知识库及相应的推理机制,根据专

家系统的定义,它并不是真正意义上的连铸坯质量

判定专家系统.天津钢管公司圆坯连铸机的质量评

估系统,该系统收集26个参数,根据参数的异常信

息（超过限定值范围）来预测圆坯质量,如外来夹杂

物,内生夹杂物,皮下偏析裂纹,中间裂纹,中心偏析

裂纹,表面裂纹,其它表面裂纹或几何缺陷.用

FORTRAN语言编制,由于种种原因,未进行热试,亦

未在线使用.

2连铸坯质量判定专家系统模型

对国内外比较成功的连铸坯质量判定专家系统

分析,主要有以下四种类型:

1）连铸坯质量预测专家系统;

2）连铸坯质量在线判定专家系统;

3）基于内部核心趋势分析模型的连铸坯质量判

定专家系统;

4）基于神经元网络的连铸坯质量判定专家系

统.

2.1连铸坯质量预测专家系统

连铸坯质量预测专家系统主要是结晶器热监控

系统（MTM）,国外有许多钢铁公司开发应用此系统,

主要有英国钢铁公司,韩国浦项公司,美国A—L公

司Brackenridge厂,南非ColumbusStainlessSoutll厂,

英国AvestaShifield厂,美国IAlkn~Steel厂以及意大

利ILVATerra厂等.

基于MTM连铸坯质量预测专家系统的原理基

本相同.以美国A—L公司Brackenridge厂为例:

该

公司通过热电偶测定结晶器铜板温度场,不仅可用

于漏钢预报,还可以研究坯壳撕裂与结晶器内传热

的关系,保护渣性能与结晶器内传热的关系.该系

统已应用于以下三个方面:

1））对连铸坯表面纵裂报警;

2）选择适合不同钢种和不同拉速条件下的保护

渣;

3）对相关数据进行集中可视化显示.

2.1.1系统组成及原理u¨

'

1）硬件组成.MTM系统热电偶布置状况如图1

所示.宽面分为两排,上9根,下17根,对称分布;

窄面分为两排,上下各两根,对称分布.其他硬件包

括:

6根电缆线,用于连接热电偶与PIG模块,以及

PC机,用于进行数据处理.

202

一目图1美国A—L公司BfacI【锄d萨厂的MTM系统热电偶布置图

2）系统工作软件.系统工作软件分为在线工作

软件和离线工作软件.在线工作软件以友好的界面

将测得温度实时输出,输出温度每秒更新1次.同

时画面上还能显示如下一些工作数据.包括:

炉号,

结晶器宽度,中间包温度,浇铸长度,拉速和结晶器

液面波动等.该也能软件对异常浇铸情况发出报

警,包括:

粘结漏钢,结疤,角部裂纹;此外,系统可以

对质量有关的因素发出警报,如保护渣报警和铸坯

表面裂纹预报.离线工作软件主要是为冶金工程师

对存储的数据进行分析提供便利.

2.1.2质量预报原理

当发生异常浇注情况,如板坯质量问题时,系统

将从异常的温度曲线上找到原因.以表面裂纹为

例:

在这种情况下,底排的热电偶温度高于顶排的温

度,其原因是结晶器顶部熔渣较少,使得导热状况特

别差,从而导致顶部温度的降低.当出现上述情况

时,多半会出现裂纹.

2.2连铸坯质量在线判定专家系统

所谓连铸坯质量在线判定专家系统,就是根据

计算机在线收集到的（自动或手动收集）生产过程

（炼钢,二次精炼和连铸）数据,利用专家系统原理,

对铸坯质量作出评判.其功能是通过在线矫正过程

参数确保所生产的板坯尽可能多地符合热装和直接

轧制的要求,并且及时,迅速地判断所生产的板坯是

否适合热装或直接轧制J.

连铸坯质量在线判定专家系统包括三大部分,

第一部分是过程监控和数据采集,第二部分是缺陷

预报,第三部分是知识获取和知识库的维护,连铸坯

质量在线判定专家系统结构如图2所示.此系统跟

踪给出的生产工艺数据可判断分析在线连铸坯生产

过程情况,然后根据质量缺陷专家规则判定（与连铸

?

8?

河南冶金咖6年第3期

坯的缺陷直接相关,比如表面纵裂纹,表面横裂,中

心偏析,中心裂纹以及夹杂等）铸坯质量.

图2连铸坯质量在线判定专家系统原理图

由图2可见:

此系统可以获得全线跟踪数据满

足离线研究所需,具有可输入异常定义,质量缺陷预

报专家规则的框架,具备相当地灵活性,需要经验丰

富专家输入具体的异常定义及质量缺陷预报专家规

则.

2.3基于内部核心趋势分析模型的连铸坯质量判

定专家系统

基于内部核心趋势分析模型的连铸坯质量判定

专家系统是在连铸坯质量在线判定专家系统的基础

上增加了判断的另一种手段——内部核心趋势分析

模型（如图3所示）.此模型能预报出最严重缺陷,

故有利于用户对最富含信息的区段做采样分析,从

而找到引起质量缺陷的主要问题.此模型还具有随

着生产质量水平的提高,将预报出新水平下的最严

重缺陷铸坯的动态适应特点.

一国/\一l常l—l陷l:

l台ll处ll判ll处ll理ll断l———]l理l

f『f『譬

图3基于内部核心趋势分析模型的连铸坯质量

判定专家系统原理图

由图3可见此系统的特点:

此系统除了具有与

连铸坯质量在线判定专家系统相同的特点外,只需

要一般经验专家,但对预报的有最严重缺陷的铸坯,

要求用户检验并输入其他实际质量检测结果,以便

内部模型完善自己的趋势分析.

2.4基于神经元网络的连铸坯质量判定专家系统

此类型连铸坯质量判定专家系统也是在在线质

量判定专家系统的基础上增加了判断地另一手段

——

神经元网络预报功能（如图4所示）.

由图4可见此系统的特点:

此系统除具有与在

线质量判定专家系统相同的特点外,它只需要用户

有质量缺陷检验的设备能提供大量的实际质量信

一图誊

图4基于神经元网络的连铸坯质量判定专家系统原理图

息,供神经元网络学习.目前此类型连铸坯质量判

定专家系统正在研究开发中,受到了冶金领域专家

系统开发者的重视.

3结语

分析以上几种连铸坯质量判定专家系统有以下

共同特点:

1）能实现质量数据全线跟踪功能.此功能可以

使连铸生产工艺数据得到有机的组织,即可对每一

块铸坯了解其生产浇次,生产炉次,生产的所有生产

工艺数据.为对特殊区段的重点研究提供了条件,

为生产标准的修改,生产工艺的改进等长期研究课

题提供了条件.

2）在线异常监视功能.利用此功能可了解发生

在线异常生产情况,并对此情况作出相应措施.

3）在线质量缺陷判定功能.利用此功能可以在

线及时了解铸坯质量情况,并对铸坯不同的质量缺

陷作出相应的措施.

4）输入异常定义功能.实现了用户超标准异常

生产定义,免除了随着工艺上研究的深入或对标准

的提高或新钢种的投人生产,引起生产标准的变化

（即异常定义的变化）,进而需对程序代码做维护的

工作.

5）输入质量缺陷预报专家规则功能.实现了用

户的质量缺陷预报专家规则,免除了随着专家经验

的积累或对产品质量要求标准的提高或新钢种的投

人生产的变化,引起质量缺陷预报专家规则的变化,

进而需对程序原代码做出维护的工作.

4参考文献

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讨[J].钢铁研究,20b3,

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[4]IrviIlgW.R.On—linequalityo∞brnIfloro∞tilm帆lslyca或畿mis,

ibid.

[5]BroceholfR.In—linequalitycontroldeterminationofcontinuously

（下转第18页）

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河南冶金2OO6年第3期

音奠不涪铝放电只有奠*帽的放电

}}『f}ll…l{……l}}lI时问

（a）时间与强度关系

藏

醇

茁

光谱强度

（b）强度与出现次数关系

圈1PDA法测定原理

奠涪●B化学分析值

（c）浓度与强度关系

为横坐标,以强度比为纵坐标,绘制Als的工作曲表2:

线.Als的分析线就是的分析线为394.4nm,由衰2精密度实验结果%

于光栅分辨能力很强,铝不受邻近元素干扰,不需要

进行干扰校正,经线性回归比较,可见Als曲线采用

二次方进行线性回归,陡度较好,其曲线如图2所

示:

ffl/''

圈2Ah的工作曲线

2.3不同的研磨设备对试样分析的影响

研磨设备可采用砂轮机,砂纸磨盘或砂带研磨

机（砂纸材质为（）3）,亦可采用铣床加工.对三个

试样用不同的研磨设备研磨后分析,得Als结果见

表1:

衰1不同的研磨设鲁分析结果%

试验证明不同设备研磨的试样对Als（含量大

于0.005%）的分析没有影响.

2.4样品分析

从生产试样中选出五块Als含量不同的样品在

光谱仪上连续激发l1次,统计出相对标准偏差.从

统计值来看,分析结果重现性较好,其对照结果见

然后,采用化学法对样品进行定值,并与光谱分

析比较,其对照结果见表3:

衰3样品结果化学和光谱对比%

从光谱PDA法与化学法分析值相比,光谱法的

结果较化学法略偏高,其分析允差满足GB223.37—

89规定的允差范围.

3结论

1）m光谱仪分析钢中Als,具有分析速度快,

重现性好,准确度高,检测直观灵敏等特点,适合于

炉前生产工艺控制;

2）该方法投入使用后,为炉前冶炼提供了准确

可靠的信息,对生产起到了指导作用;

3）试验表明,该方法在冶金分析中具有广泛的

推广应用价值.

4参考文献

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（上接第8页）

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