炼钢厂连铸钢水温度预报模型

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1997.02.001 第19卷第2期 北京科技大学学报 Vol.19 No.2 1997年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.1997 炼钢厂连铸钢水温度预报模型 曹永国杨守礼李顶宜 1)北京科技大学冶金学院，北京1000832)钢铁研究总院，北京100081 摘要应用神经网络建立连铸钢水温度预报模型，重点研究了转炉出钢到中间包浇铸区间的温度 变化，确定钢水温降与其影响因素之间的非线性映射关系本模型能较准确地预报连铸钢水温度. 关键词钢水温度，神经网络，预报 中图分类号TF777.1 在连铸过程中，保持钢水温度稳定，降低出钢温度，在较低的过热度条件下浇注，是浇注 过程顺利进行和保证铸坯质量的重要手段.唐钢一炼钢厂的转炉容量小(6)，使用小钢包 (15),温度波动范围大.该厂为了防止连铸钢水温度过低，普遍采用了高温出钢，出钢温度大 都在1700℃以上，造成了大量的能源浪费，且使得中包钢水过热度过大，常出现拉漏、跑钢 等事故，本文针对一炼钢厂的情况，利用神经网络建立了连铸钢水温度预报模型. 1建模原理 1.1BP人工神经网络算法 BP神经网络是一种前向多层神经网络，有输人层节点，输出层节点和隐含层节点，当信 号输入时，首先传到隐节点，经过作用函数后，再把隐节点的输出信号传播到输出层节点，经 过处理后给出输出结果.节点的作用函数选用S型函数，如： fx)=l/1+e-9 具体算法如下： (1)初始化权值W和阀值日，把所有权值和阀值都设成较小的随机数. (2)提供输人输出样本对，用输人值进行网络的正向计算，比较计算结果与期望输出值， 直到两者的误差小于规定值为止 (3)设隐层单元n,个，输人层n个，输出层m个，用S型函数计算各隐层的输出X和输 出层的值，则X和Y分别表示为： X,=f∑w+9,0≤j≤n,-1 =0 ”一1 Y=∑W,X-,0≤k≤m-I 1996-03-25收稿 第一作者男30岁硕士

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 反 炼钢厂 连铸钢水温度预报模 型 曹永 国 杨 守礼 李顶 宜 北京科技 大学冶金 学院 ， 北京 钢铁研 究总 院 ， 北 京 摘要 应用 神经 网络建立 连 铸钢水温度 预报模 型 ， 重 点研究 了转炉 出钢 到 中间包浇铸 区 间的温 度 变化 ， 确定 钢水温降与其影 响 因 素之 间的 非线性 映射关 系 本模 型 能较准确地 预报连铸钢水温度 关健词 钢水温度 ， 神经 网络 ， 预报 中图分类号 在连铸过程 中 ， 保持钢水温 度 稳定 ， 降低出钢 温 度 ， 在 较 低 的过 热度条件下 浇 注 ， 是 浇 注 过 程 顺 利 进 行 和 保 证 铸 坯 质 量 的 重 要 手 段 唐 钢 一 炼 钢 厂 的 转 炉 容 量 小 ， 使 用 小 钢 包 ， 温度波 动范 围大 该 厂 为 了 防止 连铸钢 水温 度 过低 ， 普遍 采 用 了高温 出钢 ， 出钢温 度大 都 在 一 ℃ 以 上 ， 造 成 了大 量 的 能 源 浪 费 ， 且 使 得 中包 钢 水 过 热 度 过 大 ， 常 出现 拉 漏 、 跑 钢 等事 故 本 文针 对一炼钢 厂 的情况 ， 利 用神经 网 络建 立 了 连铸钢 水温度 预 报模 型 建模原理 人工神经 网络算法 神经 网络是 一 种 前 向多层 神 经 网 络 ， 有 输人 层 节 点 ， 输 出层 节 点 和 隐含层 节 点 当信 号输人 时 ， 首 先传到 隐节 点 ， 经 过 作 用 函数后 ， 再 把 隐节 点 的输 出信 号传播 到 输 出层 节 点 ， 经 过处理 后 给 出输 出结 果 节点 的作 用 函 数 选 用 型 函 数 ， 如 一 一 今 具体算法 如下 初 始 化权值 和 阀值 ， 把 所有 权值 和 阀值都设成较小 的 随机数 提供输人 输 出样 本 对 ， 用 输人值进 行 网络 的正 向计算 ， 比较 计算 结果 与期望 输 出值 ， 直到 两 者 的误差小 于 规定 值 为止 设 隐层 单元 。 ，个 ， 输人 层 。 个 ， 输 出层 个 ， 用 型 函数计算各 隐层 的输 出 和输 出层 的值 长 · 则 戈和 长分别 表示 为 气 一 关一 瓦叽若 ”户 ” ‘ ‘ ” ， 一 ’ 一 一 ‘瓦代 一 “， ‘ “ ‘ 一 ’ 一 一 收稿 第一作者 男 岁 硕 士 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1997．02．001

·126· 北京科技大学学报 1997年第2期 (4)权值修正用下式： W(I+1)W④)+òX+a[W,(0-W(t-1小，0≤a≤1 其中，7和α是预先设定的，处于0和1之间；W,是在时间1时由隐含（或输人）节点i到输出 (或隐含)节点j的权值；X是节点i的输出；δ是节点j的误差项， 若节点j是输出节点，则： ò，=1-(d-,) 其中，d是节点j的期望输出，y为实际计算的输出值. 若节点j是内部隐含节点，则： ò，=(I-x)∑òW, 其中，k是遍取节点j前层中的结点. 1.2影响连铸钢水温度的因素 影响钢水温度的因素有许多，不同的工况条件有不同的影响因素，根据其他研究者的研 究成果及唐钢一炼钢厂的实际情况，可把钢水出钢到中间包浇注分为3个阶段，并确定各阶 段影响钢水温度的因素， ()出钢阶段温降影响因素.该阶段影响因素有：①出钢温度；②出钢持续时间；③钢水 量；④出钢后至炉后测温间静置时间；⑤钢包状态（量化为1,2,3,4，分别表示新包第1包，第 2包，第3包和周转热包). (2)静置阶段温降影响因素.该阶段影响因素有：①炉后钢水温度：②静置时间，③钢水 量；④钢包状态（同(1）④)；⑤保温剂情况（量化为0和1，分别表示无和有保温剂）. (3)浇注阶段温降影响因素.该阶段影响因素有：①回转台前钢水温度；②浇铸持续时 间；③中包测温与回转台前测温的时间间隔；④钢包状态（同(1）④)；⑤中包状态（量化为1， 2,3,4,分别表示中包第1包，第2包，第3包和旧包)：⑥保温剂情况（量化为1,2，·，6，分别 表示所加保温剂的袋数)；⑦钢水量， 在建模时未考虑添加合金和废钢的影响，可以单独计算， 2模型的建立 2.1数据采集、分析及整理 数据采集是在唐钢一炼钢厂实地进行的，记录了近600组数据，剔除了一些明显不合理 数据，如炉后温度1680℃、回转台前温度1690℃这样的数据，最后把数据整理换算成模型 所需要的数据格式， 2.2数据的选择及归一化处理 为了减小模型的计算量，应用正交化试验的设计思想，去除了一些重复数据，最后得到 300多组学习样本.数据的归一化处理选择了线性变换法，即(x一xn)/(-),把样本 变换到0~1之间

· · 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 权值修 正 用 下 式 叽 ‘ 叽 。 。 ，税 叽 ‘ 一 叽 ‘ 一 ， ‘ ‘ 其 中 ， 。 和 是 预先 设 定 的 ， 处于 和 之 间 叽是 在 时 间 ‘ 时 由隐含 或 输 人 节点 到 输 出 或 隐含 节 点 的权值 戈是 节 点 的输 出 。 是 节 点 的误 差项 · 若 节点 是 输 出节 点 ， 则 ， 一 ， ’ ， 一 ，专弓 一 ， ’ ， 其 中 ， 弓是 节 点 的期望 输 出 ， 耳为实 际计算 的输 出值 · 若节 点 是 内部 隐含 节 点 ， 则 “ ， 一 ，一 冬 、 叽 其 中 ， 是遍 取 节 点 前层 中的结 点 影 响连铸钢 水温度 的 因素 影 响钢 水 温 度 的 因 素有 许 多 ， 不 同的工 况 条件有 不 同的影 响 因 素 根 据 其他 研 究 者 的研 究 成 果 及 唐钢 一 炼 钢 厂 的实 际情 况 ， 可 把 钢 水 出钢 到 中 间包浇注分 为 个 阶段 ， 并 确定 各 阶 段影 响钢 水 温 度 的 因素 出钢 阶段 温 降影 响 因 素 该 阶段 影 响 因 素有 ① 出钢温 度 ② 出钢持续 时 间 ③ 钢 水 量 ④ 出钢 后 至 炉 后 测 温 间静 置 时 间 ⑤ 钢 包状 态 量 化 为 ， ， ， ， 分 别 表示 新 包第 包 ， 第 包 ， 第 包和 周 转 热 包 静 置 阶段 温 降影 响 因 素 该 阶段 影 响 因 素有 ① 炉 后 钢 水温 度 ② 静 置 时 间 ③ 钢 水 量 ④ 钢 包状态 同 ④ ⑤ 保 温 剂情 况 量 化 为 。 和 ， 分 别 表示 无 和 有保温 剂 浇 注 阶段 温 降影 响 因 素 该 阶段 影 响 因 素有 ① 回 转 台 前 钢 水 温 度 ② 浇 铸 持 续 时 间 ③ 中包测 温 与 回转 台 前测 温 的 时 间 间隔 ④ 钢 包状态 同 ④ ⑤ 中包状态 量 化 为 ， ， ， ， 分别表 示 中包第 包 ， 第 包 ， 第 包和 旧 包 ⑥ 保温 剂情 况 量 化 为 ， ， … ， ， 分别 表示 所 加 保 温 剂 的袋 数 ⑦ 钢 水量 在建模 时未 考 虑 添加 合金 和 废 钢 的影 响 ， 可 以 单独 计算 模型 的建立 数据采 集 、 分析及整理 数 据采 集是 在 唐 钢 一 炼钢 厂 实 地 进 行 的 ， 记 录 了 近 组 数 据 ， 剔 除 了 一 些 明显 不 合理 数 据 ， 如 炉 后 温 度 ℃ 、 回 转 台 前温 度 ℃ 这 样 的数 据 ， 最 后 把 数 据 整 理 换 算 成 模 型 所需 要 的数据格 式 数据 的选择及 归一化 处 理 为 了 减 小 模 型 的计 算 量 ， 应 用 正 交 化 试验 的 设计 思 想 ， 去 除 了 一 些 重 复 数 据 ， 最 后 得 到 多 组 学 习样 本 数 据 的 归 一 化 处理 选 择 了 线性 变换 法 ， 即 一 ， 编 、 一 气 ， 把 样 本 变换 到 一 之 间

Vol.19 No.2 曹永国等：炼钢厂连铸钢水温度预报模型 ·127· 2.3网络结构的选定 以浇注阶段为例，建立以(A)回转台前温度：(B)浇注持续时间；(C)回转台测温至中包测温 的间隔时间：(D)钢水量；(E)钢包状态；（中包状态；(G)中包加保温剂情况等7个影响因素为输 人单元，t时刻的中包钢水温度为输出单元，隐含层取19个单元的3层BP网络结构. 网络结构如图1所示： 中包钢水温度 图1浇铸阶段网络结构示意图 3模型的离线应用 3.1检验网络预报钢水温度精确度 利用50组未投人训练的数据对模型的温度预报结果进行检验，结果如图2所示.可见， 预报值与实测值大致相符，误差在15℃以内，精确度为94%；误差在10℃以内，精确度为 65%.唐钢一炼钢厂的小钢包内钢水温度波动较快，能达到这样的精确度基本满足了现场生 产的要求， 3.2模型的应用 应用本模型，可以得到单因素对钢水温度变化的影响规律 图3表示出钢温度及钢包加保温剂影响钢水温度的规律.它的作图条件是：出钢持续时 1570 1600 预报值 1560 1580 实际值 1550 1540 1560 1530 1540 a钢水表面加保温剂 1520 1520 b钢水表面不加保温剂 1510L 1640166016801700172017401760 1640166016801700172017401760 B(出锅)/℃ 8(出钢)/℃ 图2模型预报温度和实测温度比较 图3出钢温度对中包内钢水温度的影响规律

曹永 国等 炼钢 厂 连 铸钢水温度 预报模 型 网络 结构 的选定 以 浇 注 阶段 为 例 ， 建 立 以 回 转台 前 温 度 浇 注持 续 时 间 回 转 台测 温 至 中包测温 的 间隔 时 间 钢 水量 钢 包状态 中包状态 中包加保温 剂情 况等 个影 响 因素 为输 人 单元 ， 时刻 的 中包钢水温度 为输 出单元 ， 隐含 层取 个 单元 的 层 网络结构 网络结 构如 图 所 示 图 浇铸阶段 网络结构示意图 模型 的离线应用 检验网络预报钢水温度精确度 利 用 组 未 投 人 训 练的数据对模 型 的温 度 预 报结果 进 行检 验 ， 结 果 如 图 所 示 可 见 ， 预 报 值 与 实 测 值 大 致 相 符 ， 误 差 在 ℃ 以 内 ， 精 确 度 为 误 差 在 ℃ 以 内 ， 精 确 度 为 唐 钢 一炼 钢 厂 的小 钢包 内钢水温 度波 动较快 ， 能 达到 这 样 的精确 度基 本满 足 了现 场 生 产 的要 求 模型 的应 用 应 用 本模 型 ， 可 以得 到单 因素对钢水 温 度 变 化 的影 响规律 图 表 示 出钢 温 度 及 钢 包加保温 剂 影 响钢 水温 度 的规律 它 的 作 图条件 是 出钢 持续 时 ﹃、，︸、 书笨理回于尸、︵︶ 卜钢水 表 面 不 加保温 剂 了气︺只︸、‘︸ 妇书条理团任、︵︶ 图 出钢 ℃ 模型预报温度和 实测温度比较 出钢 ℃ 图 出钢温度对 中包 内钢水温度的影晌规律

·128· 北京科技大学学报 1997年第2期 间2min;钢水质量12t出钢后至炉后测温静置时间为1min;旧钢包；静置传运时间为5min; 大包浇注时间为10min;旧钢包；中包加保温剂2袋；中包测温时间为开浇后I0min. 由图3可知，中包钢水温度随出钢温度的升高而升高.出钢温度在1650~1700℃之间 时，出钢温度每升高10℃，中包钢温上升7℃左右；当出钢温度达到1700℃以上时，出钢温 度每升高10℃，中包钢温上升1℃左右.由图还可知，钢包中加保温剂可以提高钢水温度，使 温度降至10℃左右， 图4表示在不同的中包状态下，钢水从大包到中包温度随时间的变化曲线.作图条件为： 1660 a-中包第I次使用 1640 1750 a-新钢包第1包b新钢包第2包 D b中包第2次使用 c新钢包第3包d旧包 1620 c中包第3次使用 1700 中包内钢水 1600 d.中包第4次使用 1650 1580 1600 1560 ah/c/d/ I550 1540 0 10 152025 2 46 8101214 0 t/min tmin 图4中包内钢水温度随时间的变化规律 图5钢水温度随时间的变化曲线 大包温度1650℃；钢水质量12t大包浇注时间10mi;中包加保温剂2袋，大包状态为旧. 由图可看出中包状态对其内的钢水温度的影响，新包第1包比旧包温降要大18℃左右. 图5表示在不同的钢包状态下，钢水温度随时间的变化曲线.作图条件为：出钢温度1750℃： 出钢持续时间2min;钢水质量12t出钢后至炉后测温静置时间1min;静置传运时间I5min: 旧钢包：中包加保温剂2袋.可见新钢包第一包的过程温降比旧包大30℃， 3.3合适的出钢温度 根据唐钢的生产经验，中包钢水温度在1530℃左右时，连铸效率和铸坯质量最佳，由图 可知，与其相对应的出钢温度为1660℃左右（加保温剂）和1675℃（不加保温剂），从而选定 合适的出钢温度为1670℃左右. 4结论 ()通过研究从转炉出钢至中间包浇注过程中影响钢水温降的因素人手，结合前人的 工作，运用BP神经网络的知识建立了钢水温度预报模型， (2)本文所建立的模型，通过对现场采集数据的学习，可以预报任意时刻钢包和中间包 内的钢水温度，预报值与实测值基本相符， (3)利用本模型可获得不同钢包状态、加保温剂情况、中包状态对钢水温度的影响规律， 提出了合适的出钢温度， 参考文献 1李顶宜，王志道.钢铁，1990,25(2)：13

· 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 间 钢 水 质量 仁出钢 后 至 炉 后 测 温 静 置 时 间为 旧 钢 包 静置 传运 时 间 为 而 大 包浇 注 时 间为 旧 钢 包 中包加保温 剂 袋 中包测 温 时 间为开 浇后 而 由图 可 知 ， 中包钢 水 温 度 随 出钢 温 度 的 升高而 升 高 出钢温 度在 一 ℃ 之 间 时 ， 出钢 温 度每 升 高 ℃ ， 中包钢 温 上 升 ℃ 左 右 当出钢温 度达到 ℃ 以上 时 ， 出钢温 度每 升 高 ℃ ， 中包钢 温 上 升 ℃ 左 右 由图还 可 知 ， 钢 包 中加 保温 剂 可 以提高钢 水温度 ， 使 温度 降至 ℃ 左右 图 表 示 在 不 同 的 中包状态下 ， 钢 水从大 包到 中包温 度 随 时 间 的变 化 曲线 作 图条件为 中包第 次使用 卜 中包第 次使用 中包第 次使用 一 中包第 次使用 尸 二 节 基 勺 鱿卜韶一习‘ ‘ 二立二二， 立一‘ 一 一一 一 ‘一甘气 书塞仗切于︵、︶ 刀 图 中包 内钢水温度随时间的变化规律 图 钢水温度随时间的变化 曲线 大包温度 ℃ 钢水质量 仁大 包浇注 时 间 中包加保温 剂 袋 大 包状 态 为 旧 由 图可 看 出 中包状态 对其 内的钢 水温 度 的影 响 ， 新 包第 包 比 旧 包温 降要 大 ℃ 左 右 图 表示 在 不 同 的钢 包状态下 ， 钢 水温 度 随 时 间 的变化 曲线 作 图条 件 为 出钢 温 度 ℃ 出钢持续 时间 钢 水质量 仁出钢 后 至 炉 后 测 温 静 置 时 间 。 静置传运 时 间 旧 钢包 中包加保温 剂 袋 可 见新 钢 包第 一 包 的过 程 温 降 比 旧 包大 ℃ 合 适 的 出钢温度 根 据唐钢 的生 产 经验 ， 中包钢 水温 度在 ℃ 左 右 时 ， 连铸效率 和铸 坯 质量 最 佳 ， 由图 可 知 ， 与其相 对应 的 出钢温度 为 ℃ 左 右 加保温 剂 和 ℃ 不 加 保温 剂 ， 从而 选定 合适 的 出钢 温度 为 ℃ 左 右 结论 通 过 研 究 从转炉 出钢 至 中 间包 浇注 过 程 中影 响钢水 温 降的 因素人 手 ， 结 合 前 人 的 工 作 ， 运 用 神经 网络 的知 识建 立 了钢水温 度 预报模 型 本 文 所 建 立 的模 型 ， 通 过 对现 场采 集数据 的学 习 ， 可 以 预 报任 意 时 刻钢 包和 中间 包 内的钢 水温度 ， 预 报值 与实测值基 本相符 利 用本模 型 可 获得 不 同钢 包状态 、 加 保温 剂情 况 、 中包状态 对钢 水温 度 的影 响规律 ， 提 出 了合适 的 出钢 温 度 参 考 文 献 李顶宜 ， 王 志 道 钢铁 ，

Vol.19 No.2 曹永国等：炼钢厂连铸钢水温度预报模型 ·129· 2沈钢.连铸，1992(4)：6 3 Gaston A.Laura R.Ironmakein and Steelmaking,1991.18(5):370 4史忠植.神经计算，北京：电子工业出版社，1993 Mathematical Model for Forecasting Temperature of Molten Steel during the Continuous Casting Process Cao Yongguo Yang Shouli Li Dingyi 1)Metallurgy School.UST Beijing,Beijing 100083.China 2)Central Institute of Iron and Steel Research ABSTRACT The regularity of liquid steel temperature during BOF tapping to the tundish process was studied.With the neural network theory,a mathematical model for forecasting the temperature change of molten steel and its non-lineal functional relations with the influencing factors during CC have been established.With this model,the steel temperature in the CC process can be predicted more correctly. KEY WORDS liquid steel temperature,neural network,forecast 《北京科技大学学报》（中文版） 荣获国家优秀科技期刊评比一等奖 由国家科委、中宣部、新闻出版署联合举办的第二届全国优秀期刊评比工作已 于1996年11月圆满结束.1973年3月在北京科技会堂举行隆重表彰大会.我校学 报编辑部作为一等奖单位应邀出席表彰大会， 中宣部副部长龚心瀚、国家科委副主任惠永正，新闻出版署副署长梁衡，在会上 分别作了重要讲话， 我校学报（中文版）继1996年年中被冶金部评为一等奖（第一名）后，这次又荣 获第二届国家优秀期刊评比一等奖 全国现有公开出版的科技期刊4400多种.这次评比先由国务院各部门、全国性 科技协会、中国科学院、中国人民解放军总政治部和各省、市、自治区、直辖市经初评 后，按其所属科技期刊总量的15%推荐参加全国评比.这届获奖期刊共417种，占 科技期刊总量的9%.其中一等奖60种，二等奖119种，三等奖238种 获一等奖的冶金、材料学科的学术期刊有《金属学报》、《中南工业大学学报》和 《北京科技大学学报》；技术类期刊有《稀有金属材料与工程》. (学报编辑部)

曹永 国等 炼钢厂 连铸钢水温度 预 报模 型 沈钢 连铸 ， ， 比 ， ， 史 忠植 神经计算 北京 电子工 业 出版社 ， 肠 百 飞 ， ， ， 斑 ， 服 一 ， 叶 饭 ， ， 《 北京科技大学学报》 中文版 荣获国家优秀科技期刊评 比一等奖 由国家科 委 、 中宣 部 、 新 闻 出版署 联 合 举 办 的第二 届 全 国 优 秀期 刊评 比工作 已 于 年 月 圆满结束 年 月 在 北 京 科 技 会堂 举行 隆重 表 彰 大 会 我 校 学 报编 辑部作 为一等 奖单位应邀 出席表 彰大 会 中宣 部 副部 长 龚心 瀚 、 国家科 委 副主任 惠永 正 、 新 闻 出版署 副署 长梁衡 ， 在 会上 分 别 作 了重要 讲话 我 校 学 报 中文 版 继 年 年 中被 冶 金 部评 为一 等 奖 第 一 名 后 ， 这 次 又 荣 获第二 届 国家优 秀期 刊评 比一等奖 全 国现有 公 开 出版 的科技 期 刊 多 种 这 次评 比先 由国务 院各部 门 、 全 国性 科技协会 、 中国科学 院 、 中国人 民解 放军 总政 治部和 各省 、 市 、 自治 区 、 直辖市经 初评 后 ， 按 其 所 属科技 期 刊 总 量 的 巧 推荐参加 全 国评 比 这 届 获奖 期 刊 共 种 ， 占 科 技期 刊总量 的 其 中一等奖 种 ， 二 等奖 种 ， 三 等奖 种 获 一 等 奖 的冶 金 、 材 料 学科 的学 术 期 刊有《 金 属 学 报》 、 《 中南 工 业 大 学 学 报》 和 《 北 京科技 大 学 学 报》 技 术类期 刊有《 稀 有 金 属 材料 与 工 程》 学 报编辑部