【正文】 本科畢業(yè)設計外文翻譯 外文譯文題目 ： 斯太爾摩線冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應用 學 院 : 信息科學與工程學院 專 業(yè) : 自動化 學 號 : 202109154012 學生姓名 : 彭紅 指導教師 : 梁開 日 期 : 二 ○ 一二 年六月 斯太爾摩線冷卻監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與應用 摘要 :斯太爾摩控制冷卻系統(tǒng)已經(jīng)成功應用在斯太爾摩生產(chǎn)線，它通過本地網(wǎng)絡將材料流體管理系統(tǒng)與 PLC 自動控制系統(tǒng)聯(lián)系起來。在生產(chǎn)過程中 以及預測最終屬性，這種在線模型采用有限元時域微分法去計算溫度的變化和相的轉變。因為不同鋼材的連續(xù)冷卻溫度線在這個模型中是耦合的，所以它可以預測不同鋼材的熱變化和相轉變。也可以為新鋼材的生產(chǎn)和優(yōu)化提供直接的指導。這種在線冷卻系統(tǒng)已經(jīng)被安裝在三個斯太爾摩生產(chǎn)線，并取得好的效果。 關鍵詞 :冷卻控制模型、斯太爾摩、線材生產(chǎn)線、質量預估 1． 介紹 隨著鋼鐵行業(yè)競爭的加劇，如何生產(chǎn)穩(wěn)定質量新形鋼材成為鋼鐵產(chǎn)業(yè)的重點，在冷卻過程中，斯太爾摩生產(chǎn)線中也需要更可靠預測控制技術。 由于斯太爾摩生產(chǎn)線高效的生產(chǎn)率以及以及產(chǎn)品良好 的機械性能，斯太爾摩成為最流行的控制冷卻系統(tǒng)。如圖 1，斯太爾摩冷卻控制系統(tǒng)， 1000 度的線材快速通過幾個冷水槽，到達吐絲機，以重疊的方式存儲在存放容器中。它的冷卻速率靠打開一下一系列的風扇來控制。 鋼材最終的機械屬性主要取決于在相轉換前的鋼材化學組成和冷卻速度。由于在生產(chǎn)過程中無法直接觀察冷卻速率和相轉變，那就非常需要去發(fā)展一個在線模型去預測最終的機械屬性和相轉變。盡管有過類似的研究報告，但是為斯太爾摩生產(chǎn)在線預測的模型尚沒有人研究。采用有限元時域分析方法，這種在線控制冷卻模型已經(jīng)安裝在實際生產(chǎn)過程中了。這 篇論文介紹它的基本原理和控制方法。這很有利于生產(chǎn)產(chǎn)品的穩(wěn)定性。目前，這種在線模型已經(jīng)應用在三個斯太爾摩生產(chǎn)線，并取得滿意效果。 數(shù)學模型 熱力學模型 在斯太爾摩生產(chǎn)線中，由于無線長鋼條高速移動，軸向熱傳導可以忽略。這種系統(tǒng)可以根據(jù)以下假設公式化，解決一維熱傳導： (1)軸對稱 (2)橫截面處處相同 (3)相同的初始溫度，這些和現(xiàn)實非常接近。 解決線材熱流體的基本方程如下 注意 g(T)是線材由于熱導性和相轉變而引起的體積變化率。 ρ 是材料密度， cp 熱容量，k導熱系數(shù)。 為了減少計算中丟失材料信息，實際的 實驗數(shù)據(jù) ρ ， k 和 cp可以在系統(tǒng)接口中直接輸入，與傳統(tǒng)的回歸分析方法。 我們用 FDTD cranknicolson 方法解上面方程，因為它的快速性和無條件穩(wěn)定性。這可以滿足在線實時系統(tǒng)的需要。為了保持系統(tǒng)速度和準確性的平衡，通過反復實驗，我們選擇 20 個數(shù)據(jù)。通常，大量的數(shù)據(jù)能夠保證系統(tǒng)的準確性，但是會降低系統(tǒng)的速度。這在在線實時系統(tǒng)中是不實際的。因為實際的生產(chǎn)過程中，一個線材通過吐絲機的時間不會超過 2 秒。 我們采用下面的邊界條件： ● 在中心線 ● 在線材表面 這兒初始條件是： 這里 t 是時間，單位 秒， r0是線材半徑， h 是熱轉換常數(shù)， t0是線材表面溫度， ta是周圍空氣和水的溫度。 當系統(tǒng)運行時， tin是來自高溫計測量的溫度。 這個系統(tǒng)將斯太爾摩生產(chǎn)線劃分為幾個部分。每個部分有它的熱轉換常數(shù)值 h，它可以自適應來自高溫計的實際值，一個常量 h 對應每一個風扇控制臺，它可以通過以下方程自適應系統(tǒng)： 這里 hold 是原始的熱轉換常數(shù)， tc 是系統(tǒng)預測的溫度， tm 是高溫計測量的溫度， tair是空氣溫度。 這個計算系統(tǒng)通過 FDTD 系統(tǒng)和 FEF系統(tǒng)在同樣條件下的比較，并得到相同的結果。 作為一個實時在線系統(tǒng)，它需要通過 本地網(wǎng)絡將材料流和 PLC 自動控制系統(tǒng)聯(lián)系起來。這個系統(tǒng)需要輸入兩組數(shù)據(jù)，一組是來自高溫計的實際溫度，另外一組是線材的基本信息。八個高溫計已經(jīng)安裝在生產(chǎn)線去提供實際溫度數(shù)據(jù)便于系統(tǒng)去計算比較。這些溫度首先被生產(chǎn)線高溫計測量，直接傳送給特定的 PLC，然后保存在數(shù)據(jù)庫，最后系統(tǒng)可以以沒每 300毫秒的速度從數(shù)據(jù)庫中讀出數(shù)據(jù)，另外一組數(shù)據(jù)例如線材組成成分等也是系 統(tǒng)所需要的，當鋼板一旦從火爐中出來時，這些數(shù)據(jù)被傳送給特定的數(shù)據(jù)庫。 相轉換系統(tǒng) 如何為相轉換過程建模是至關重要的，因為在相轉換時不同的冷卻速度決定 了鋼材最終的微觀結構。這個系統(tǒng)通過聯(lián)系熱傳導分析和相轉換以及微觀結構變化解決了這個問題。并且都符合現(xiàn)在的微觀工程學。 相轉換過程可以通過下面的阿夫拉米方程描述： 這里 x是分式變換式， b(t)， n(t)是隨著溫度，成分而變化的參數(shù)。用戶可以依據(jù)他們的實驗數(shù)據(jù)直接在系統(tǒng)中輸入這些參數(shù)。 一個需要決定的重要參數(shù)是奧氏體但到珠光體轉換時的起始溫度。這個系統(tǒng)可以提供用戶接口去輸入特定鋼材的實驗數(shù)據(jù)，然后系統(tǒng)可以通過下面方程計算溫度 [8]： 這里 a 和 m 可以通過回歸得到， ta1 是 TTC 實驗的保持溫度，可以直接在系 統(tǒng)中輸入。在連續(xù)冷卻臺上，之前的相轉換次數(shù)可以被轉換與虛擬時間保持一致 [7]： 在第 j步，轉換次數(shù)可以用以下方程描述： 在這段時間，轉換次數(shù)可以描述為： 相變熱 g(t)可以按照下面方程計算： 這里 h(t)體積變化率，對于高碳剛，它可以按照如下公式計算： 屬性預測系統(tǒng) 隨著極限抗拉強度系統(tǒng)的發(fā)展，使預測線材的微觀結構成為可能。這種預測的微觀結構可以和機構 屬性關系系統(tǒng)結合去計算機械屬性，有很多因素決定鋼材的強度。例如鋼材的含碳量。按照 mclvor 和他的同事的研究，有兩個最主要的因素影 響了鋼材的極限抗拉強度，一個是相變前的冷卻速度，另一個是鋼材化學組成。這些可以通過下面的方程描述： 這涉及到 mclvor 和他同事的研究成果， cr 在 700 度時的冷卻速度，這簡單的代表了相變前的冷去速度，因為對于高含量碳的鋼材，相變總發(fā)生在剛好 700 度以后。在 CSSC系統(tǒng)中， cr按照鋼材從奧氏體到珠光體轉換的起始溫度到 700 度的范圍修改，這是由上述方程決定的。 通過以上。我們可以看到，在相變前，加快冷卻速度可以提高鋼材極限抗拉強度。盡管其它一些元素也能提高極限抗拉強度，但是會降低鋼材的延展性。由于 cr 可以通過熱力學模型直接計算獲得，化學成分也可以很容易獲得，因此我們在生產(chǎn)過程可以預測鋼材的機械性能。抗拉屈服強度可以根據(jù)以下關系計算： YTS=AUTS 這兒 A是常量 。 系統(tǒng)穩(wěn)定性 準確性和穩(wěn)定性系統(tǒng)的兩個基本要求。我們期望系統(tǒng)能夠連續(xù)不斷的運行，同時，輸出結果應當正確便于指導生產(chǎn)。第一個問題是如何通過其它條件如高溫計來直接獲得所需參數(shù)。經(jīng)過反復實驗，我們找到了合適的解決方法正如圖 5 所描述。 目前，三條生產(chǎn)線已經(jīng)采用了這種系統(tǒng)去傳送數(shù)據(jù)給 SCCS，并且沒有出現(xiàn)任何問題，SCCS 可以 以 300 毫秒為周期正常運行。在每一個周期中， SCCS 系統(tǒng)為預測了鋼材各處的溫度，因此任何時間點的溫度是知道的并且可以被控制。所有的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫便于以后核查。 熱力學模型的準確性 經(jīng)過三年的努力工作和反復實驗，這種在線系統(tǒng)已經(jīng)安裝在江蘇省寶鋼的斯太爾摩 生產(chǎn)線上，經(jīng)過幾次版本的修改，這種系統(tǒng)可以正常的運行了，八個線上高溫計也已經(jīng)安裝了去監(jiān)測實際溫度，一個高溫計被用來測量起始溫度，另一個安裝與吐絲機，用來測量水箱對溫度的影響。其它六個被安裝在風扇冷卻臺，用來檢測溫度的變化并和系統(tǒng)預測值進行比較。在線系統(tǒng) 會計算每點處的溫度值，然后自動按照真實值和系統(tǒng)預測值的比較進行改變熱傳導常數(shù)。所有這些都是在 300 毫秒的周期中完成的。這可以滿足在線實時系統(tǒng)的處理能力要求。此系統(tǒng)能很好的學習熱傳導常數(shù)的變化規(guī)律。這就可以正確預測相變和機械屬性了。圖 6 比較了實際測量值和系統(tǒng)預測值的比較。 、 圖 6 表明，實際值和預測值的偏差不超過 20度。相轉換的效果在溫度變化曲線上看的很清楚，它在相變時引起了略微的上升，然后就是逐漸的下降。這個系統(tǒng)能夠預測相轉變的時機，這可以給技術人員提供指導去控制風扇的開度。通常，我們期望相變在短時間里以 同樣的溫度進行。這保證了鋼材微觀結構的一致性。就像索氏體化鋼絲。 機械屬性 機械屬性的預測是鋼鐵公司的重要問題。如果系統(tǒng)足夠的準確，公司會減少樣本的核查數(shù)量，這樣可以節(jié)約大量時間和金錢。在寶鋼， SWRH82B 被選擇去驗證系統(tǒng)的準確性。首先，例子 11 被選擇在 sccs 系統(tǒng)中去預測最終的抗拉強度，在檢查 400個樣本后，我們發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)預測值是比實際值略高的，如圖 7。 數(shù)據(jù)分析表明，強度平均值在 30Mpa，與標準值相差 37Mpa。所有的樣本顯示出類似的趨勢，這表明系統(tǒng)的準確性還可以進一步提高。 為了進一步提高 系統(tǒng)的準確性，我們采用多元回歸的方法去修改化學成分、冷卻速度等方面的一些系數(shù)。新的方程如下： 通過比較例子 11 和下面的 13，我們可以發(fā)現(xiàn)，二者幾乎相同。唯一的不同是各種參數(shù)的系數(shù)，這些數(shù)據(jù)我們可以從實際生產(chǎn)獲得，根據(jù) 13，系統(tǒng)的穩(wěn)定性已經(jīng)提高，統(tǒng)計分析表明，平均值差都是 ，標準差 。我們可以從圖 7發(fā)現(xiàn)基本一致，這提供了系統(tǒng)的可靠性的保障。 至于其它組成不同的高碳鋼，實驗與 SWRH82B 類似。首先，例子 11 被用來預測 UTS，并與真實值比較，然后按照多元回歸的結果修改它的相對系數(shù)。 生產(chǎn)中在線系統(tǒng)的應用 需要指出的是，由于各種因素的影響，在大量生產(chǎn)中可能導致 UTS 差異。合理的在線預測能夠提醒工人把注意力集中在一些關鍵因素上，例如每個點的溫度和冷卻速度。目前，在線 Sccs 系統(tǒng)已經(jīng)安裝在斯太爾摩生產(chǎn)線超過一年。并顯示出它強大的優(yōu)勢。在安裝之前，工人不能直接觀察出每一點的相變和溫度，這往往會導致嚴重的產(chǎn)品質量問題。安裝此系統(tǒng)后，工人可以直接得到生產(chǎn)進度通過友好的界面，并據(jù)此調節(jié)風扇開度，控制各處溫度在合理范圍。并且使相變發(fā)生在設定的區(qū)域。根據(jù)來自生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)。安裝此系統(tǒng)后的生產(chǎn)效率 大大提高，產(chǎn)品質量也大大改善。 一個特殊的在線預測系統(tǒng)在斯太爾摩生產(chǎn)線成功實現(xiàn)。下面的總結包含了基本的工作經(jīng)驗： 1，系統(tǒng)模型分三個部分：通過 FDTD 實現(xiàn)的熱力學模型，通過根據(jù)實驗數(shù)據(jù)解 Avrami方程實現(xiàn)相變模型，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)的回歸計算實現(xiàn)的物理機械屬性模型。三個模型有著深刻的內在關系。 2，這個在線系統(tǒng)是開放的。以便得到生產(chǎn)過程的生產(chǎn)信息。這樣就可以將材料流體和PLC 自動控制通過本地網(wǎng)絡相結合。 3，沒有任何系統(tǒng)是完美無缺和絕對準確的，因此，我們設計了自適應功能去根據(jù)系統(tǒng)運行時的參數(shù)自動調整各 種系數(shù)，目前的結果顯示，系統(tǒng)是能夠在誤差允許范圍正確預測最終鋼材的機械性能 。 Development and application of online Stelmor Controlled Cooling System Abstract： An online Stelmor Controlled Cooling System (SCCS) has been developed successfully for the Stelmor production line, which can municate with the material ?ow managem