鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)的研究

葉瑞海

【摘 要】本文針對(duì)一煉鋼廠連鑄機(jī)鑄坯質(zhì)量判定的系統(tǒng)進(jìn)行介紹，詳細(xì)介紹了該廠在質(zhì)量判定系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程，完善質(zhì)量判定系統(tǒng)，對(duì)鑄坯質(zhì)量預(yù)測(cè)取得了滿意的效果，減少了不合格坯子流入下道工序，為邯鋼的穩(wěn)定運(yùn)行以及眾多新產(chǎn)品的快速開發(fā)，提供了堅(jiān)實(shí)的質(zhì)量保障，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】連鑄機(jī)；質(zhì)量判定；預(yù)測(cè)

0.前言

隨著連鑄生產(chǎn)線在國(guó)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)的普及，我國(guó)的鋼鐵企業(yè)也在不斷的走向成熟。樹立企業(yè)形象，建立企業(yè)產(chǎn)品品牌的信譽(yù)度，已經(jīng)成為目前鋼鐵企業(yè)面臨的首要問(wèn)題。在連鑄生產(chǎn)中，鑄坯質(zhì)量判定已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)的迫切需要。在鑄坯生產(chǎn)的同時(shí)對(duì)鑄坯質(zhì)量實(shí)時(shí)在線預(yù)報(bào)，對(duì)確保生產(chǎn)的連續(xù)性、提高產(chǎn)品質(zhì)量及降低生產(chǎn)成本具有重要意義。

在大量現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本課題針對(duì)邯鋼一煉鋼廠中冶連鑄設(shè)計(jì)的連鑄機(jī)的實(shí)際特點(diǎn)，該系統(tǒng)是基于BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)，使用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模塊和邏輯模塊對(duì)結(jié)晶器熱電偶溫度模式進(jìn)行識(shí)別，以現(xiàn)場(chǎng)采集的工藝參數(shù)作為輸入，鑄坯質(zhì)量缺陷作為輸出，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)與調(diào)整功能，對(duì)發(fā)生鑄坯表面質(zhì)量的可能性給出判定。

1.研究對(duì)象

該系統(tǒng)研究的對(duì)象包括150*150和200*200連鑄機(jī)目前生產(chǎn)的產(chǎn)品主要有：

（1）低碳鋼。該類產(chǎn)品的最終成品的厚度較薄，表面質(zhì)量要求極高，所以連鑄坯缺陷在冷軋加工后必然會(huì)導(dǎo)致最終產(chǎn)品報(bào)廢。對(duì)于鍍鋅類成品還有極高的si含量要求，所以該類鋼種的連鑄坯屬于鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)的重點(diǎn)監(jiān)控對(duì)象。

（2）普碳鋼。如該類產(chǎn)品的最終成品的厚度較厚，表面質(zhì)量要求極低，產(chǎn)品缺陷主要包括：成分偏差、大塊夾渣和夾雜、表面缺陷三種，其中后兩種通?？梢杂萌庋壑苯影l(fā)現(xiàn)。

（3）電學(xué)硅鋼。為保證該類產(chǎn)品的電學(xué)性能，對(duì)連鑄坯的C含量有極高的要求，通常以ppm來(lái)表示，但在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于連鑄過(guò)程性增碳，導(dǎo)致鑄坯C含量超標(biāo)是此類鋼種的常見缺陷。

以上三種產(chǎn)品是目前多數(shù)方坯連鑄機(jī)產(chǎn)品的典型代表，其產(chǎn)品質(zhì)量要求包括

了大多數(shù)鋼種的普遍要求。能準(zhǔn)確判定出以上三類產(chǎn)品的質(zhì)量，是對(duì)連鑄方坯質(zhì)量判定的最基本要求，所以，本課題將選取這三類鋼種為研究的對(duì)象。

2.鑄坯質(zhì)量判定的提出

研究表明，影響鑄坯質(zhì)量的因素很多，如：拉速、結(jié)晶器內(nèi)液面波動(dòng)與擾動(dòng)、偏流、大包燒氧及無(wú)保護(hù)澆注等等。連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，存在各種缺陷，如表面缺陷、內(nèi)部裂紋等，導(dǎo)致鑄坯質(zhì)量不符合后段工序生產(chǎn)需要，必須加以辨別，將不合格產(chǎn)品分揀出來(lái)。鑄坯缺陷不能完全避免，但可以根據(jù)缺陷產(chǎn)生的條件進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)，利用預(yù)測(cè)的結(jié)果判定鑄坯質(zhì)量是否滿足要求，必要時(shí)將缺陷鑄坯下線，防止損失擴(kuò)大是完全可行的。因此，為了更加準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)鑄坯質(zhì)量，引入鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)是完全有必要的。

3.鑄坯質(zhì)量判定的工作原理

本課題研究的鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)由以下四個(gè)模塊組成：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊。

（2）BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模模塊。

（3）質(zhì)量判定模塊，其中包括內(nèi)部質(zhì)量判定和表面質(zhì)量判定。

（4）數(shù)據(jù)查詢和存儲(chǔ)模塊，主要是查詢和保存在線產(chǎn)生的預(yù)報(bào)結(jié)果。

其中質(zhì)量判定模塊是該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的核心功能，也是本系統(tǒng)的最終目的。鑄坯判定的實(shí)質(zhì)就是將連鑄生產(chǎn)過(guò)程中采集的各種工藝參數(shù)送入網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)輸入單元中，利用訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前向計(jì)算得到鑄坯缺陷的產(chǎn)生情況。

4.鑄坯質(zhì)量數(shù)據(jù)加工

本課題提出的鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)避開復(fù)雜的連鑄凝固機(jī)理的研究，依靠連鑄生產(chǎn)過(guò)程中大量傳感器采集的海量的工藝數(shù)據(jù)，借助適合復(fù)雜系統(tǒng)過(guò)程分析的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)利用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)對(duì)鑄坯質(zhì)量的在線預(yù)報(bào)。

4.1數(shù)據(jù)分析

在連鑄生產(chǎn)過(guò)程中，每個(gè)與質(zhì)量有關(guān)的工藝參數(shù)（如拉速，二冷區(qū)各段水量等）都會(huì)在不同的位置或區(qū)域、以不同的方式對(duì)鑄坯的質(zhì)量造成不同的影響（即每個(gè)過(guò)程參數(shù)都有一個(gè)影響區(qū)）。例如，拉速和中包溫度會(huì)對(duì)鑄流中的整個(gè)鑄坯質(zhì)量有影響，而二冷區(qū)各段水量只會(huì)對(duì)在各扇形段長(zhǎng)度內(nèi)的鑄坯質(zhì)量造成影響。該質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)將每流中的鑄坯（從結(jié)晶器彎月面到切割點(diǎn)）分成很多切片（每片長(zhǎng)約100㎜）并一一編號(hào)。澆注開始后，系統(tǒng)追隨物流跟蹤，從切片在彎月面產(chǎn)生開始一直到切割點(diǎn)，將每個(gè)過(guò)程參數(shù)分配到各自發(fā)生作用的部位并詳細(xì)記載，這樣切割結(jié)束后，定尺鑄坯就包含有其開始和結(jié)束的切片范圍內(nèi)的所有切片的工藝數(shù)據(jù)。這些工藝數(shù)據(jù)中有的是依靠現(xiàn)場(chǎng)傳感器以一定采樣周期自動(dòng)采集的（如拉速5秒/次），有的是過(guò)程控制機(jī)的二級(jí)模型計(jì)算出來(lái)的（如鑄坯表面溫度），有的是現(xiàn)場(chǎng)操作工通過(guò)控制板的按鈕手工輸入的以及還有前面工序如精煉、化驗(yàn)室傳遞過(guò)的如化學(xué)成份等等。

4.2數(shù)據(jù)處理

從一個(gè)切片在彎月面產(chǎn)生開始跟蹤直到達(dá)到切割點(diǎn)，切片依次連續(xù)經(jīng)過(guò)結(jié)晶器、足輥段以及二冷區(qū)各段等，在這個(gè)過(guò)程中，不同區(qū)域的傳感器不斷的按采樣周期對(duì)過(guò)程參數(shù)進(jìn)行采集。在得到切片的與質(zhì)量有關(guān)的所有過(guò)程參數(shù)后，我們不能把這些數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單地作為輸入向量直接傳入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，而必須從這些時(shí)間序列的數(shù)據(jù)中提取出符合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入特征矢量要求的樣本數(shù)據(jù)，這就需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的預(yù)處理了。

（1）空值處理?？罩导慈笔е?，比如傳感器的偶發(fā)性故障、數(shù)據(jù)傳輸失敗、數(shù)據(jù)庫(kù)存貯錯(cuò)誤等造成的數(shù)據(jù)缺失。在本系統(tǒng)中，我們采用的是用平均值替換缺失值。

（2）噪聲值處理。對(duì)采集的工藝參數(shù)設(shè)置有效值范圍，當(dāng)傳感器采集的數(shù)據(jù)超出該有效值范圍，就視為噪聲信號(hào)，就直接將其刪除，不予采用。

（3）歸一化處理。采集的各特征參數(shù)原始數(shù)據(jù)具有不同的量綱、大小差別很大、數(shù)據(jù)分布范圍也不同，如果將其直接送入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，可能由于數(shù)據(jù)平均值和方差不一樣會(huì)產(chǎn)生夸大某些變量影響輸出目標(biāo)的作用或掩蓋某些變量的貢獻(xiàn)的不良后果。為了消除這種不良后果，訓(xùn)練前必須對(duì)樣本集中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。歸一化有很多方法，主要有最大最小值標(biāo)準(zhǔn)化方法和平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)化方法。

本文選用最大最小值標(biāo)準(zhǔn)化方法，公式如下：

xi'=（xi-xmin）（xmax-xmin）

式中，xi為原始輸入數(shù)據(jù)，xmax為該組變量數(shù)據(jù)的最大值，xmin為最小值，而xi'為歸一后的原始輸入數(shù)據(jù)。結(jié)果使得輸入輸出數(shù)據(jù)都為介于（0-1）之間的數(shù)據(jù)。

5.鑄坯質(zhì)量系統(tǒng)的使用

5.1鑄坯質(zhì)量判定的操作

根據(jù)圖1，可以看到當(dāng)前各個(gè)爐次的鑄坯信息，如C、S、P等含量及結(jié)晶器

溫度和液面、中包重量、中包溫度和設(shè)備的使用狀態(tài)，這些信息供現(xiàn)場(chǎng)的工作人員參考。

圖1 鑄坯生產(chǎn)信息

5.2鑄坯質(zhì)量判定的運(yùn)行

該系統(tǒng)利用現(xiàn)場(chǎng)采集的各項(xiàng)工藝參數(shù)作為輸入，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)與調(diào)整功能，運(yùn)行結(jié)果如圖2所示。

圖2 鑄坯質(zhì)量判定的運(yùn)行結(jié)果

6.效果

鑄坯質(zhì)量判定系統(tǒng)的建立需要大量有效的現(xiàn)場(chǎng)記錄數(shù)據(jù)作為支撐，系統(tǒng)建立后，只要跟蹤并采集設(shè)備和工藝的數(shù)據(jù)，就可以判定鑄坯質(zhì)量的好壞，從而達(dá)到分揀鑄坯的目的。該系統(tǒng)利用采集的與質(zhì)量有關(guān)的工藝參數(shù)對(duì)鑄坯質(zhì)量進(jìn)行在線預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)了連鑄“按坯管理”，提高了連鑄坯質(zhì)量管理的可追溯性和規(guī)范性，便于工程技術(shù)人員對(duì)鑄坯進(jìn)行質(zhì)量分析。

【參考文獻(xiàn)】

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