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基于机器学习的连铸漏钢及纵裂纹预报方法研究

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基于机器学习的连铸漏钢及纵裂纹预报方法研究

作者：张赫大连理工大学

学位级别：硕士

高拉速连铸技术发展过程中,高的通钢量造成结晶器热负荷显著增加,高负荷浇铸引发的漏钢和纵裂等各类缺陷和异常层出不穷,成为影响连铸顺行和铸坯质量的瓶颈性因素。高效连铸技术的发展对铸坯质量和过程控制提出了更高的要求,迫切需要发... 详细信息

高拉速连铸技术发展过程中,高的通钢量造成结晶器热负荷显著增加,高负荷浇铸引发的漏钢和纵裂等各类缺陷和异常层出不穷,成为影响连铸顺行和铸坯质量的瓶颈性因素。高效连铸技术的发展对铸坯质量和过程控制提出了更高的要求,迫切需要发展与之相适应的检测技术和集成装备。近些年,连铸过程的系统规模随检测技术的发展迅速膨胀,运用传统方法对缺陷和异常进行监控变得愈发困难,因此,有必要将适用于海量数据的机器学习（Machine Learning）和价值挖掘方法引入连铸过程,为掌控复杂的连铸过程寻找适宜的应对策略和手段。本文基于国内某钢厂连铸生产过程中实测的数据和过程参数,以黏结漏钢和铸坯表面纵裂纹为对象,综合运用聚类、降维及分类等机器学习方法,围绕黏结漏钢和纵裂的检测和预报方法进行研究,探索和构建针对特定缺陷的算法组合与实现方法,为开发连铸过程检测技术的开发和应用提供参考。主要研究内容包括:（1）基于实测的漏钢及纵裂纹影响因素分析。基于国内某钢厂弧形板坯连铸机的生产浇铸数据,对黏结漏钢、结晶器铜板热电偶温度以及浇铸工艺进行统计和分析,考察板坯黏结时工艺因素的变化特征,从铸坯尺寸、拉速、结晶器摩擦力以及热流等方面分析影响黏结漏钢的主要因素。此外,调查和分析铸坯表面纵裂纹记录,结合实测的结晶器铜板热电偶温度检测数据,重点考察纵裂发生及其扩展时热电偶温度典型变化趋势和特征,为铸坯黏结漏钢和表面纵裂纹的预报方法开发提供基础。（2）基于层次聚类的黏结漏钢预报方法研究。黏结漏钢发生时结晶器内摩擦力通常都能够做出及时反映,提取了包括结晶器摩擦压力均值、摩擦拉力均值、摩擦压力最大值、摩擦拉力最大值4个主要特征,运用机器学习中的层次聚类（Hierarchical Clustering）方法,对正常工况和黏结漏钢样本进行识别,在此基础上开发出基于层次聚类的黏结漏钢预报方法。利用生产过程中检测的摩擦力数据对模型进行训练和测试,模型对黏结识别的准确率为100%,证实了结晶器摩擦力应用于黏结漏钢预报的可行性。（3）基于随机森林和K均值聚类的铸坯表面纵裂纹预报方法研究。针对铸坯表面纵裂纹形成和扩展过程中的一维传播特性,梳理和提取了描述纵裂纹温度“下降-回升”变化趋势的16维特征,通过随机森林特征重要度计算及特征相关性分析,将特征降至6维,去除特征间的冗余信息,减小纵裂纹检测模型输入的数据体量。采用机器学习中的K均值聚类算法,对降维后的纵裂和正常工况温度特征进行训练,计算样本与类簇质心间的欧氏距离,在此基础上提出了基于随机森林和K均值聚类的纵裂纹检测模型。对由20例纵裂和20例正常工况构成的样本集进行测试,模型对于纵裂识别的准确率为100%,为铸坯表面纵裂预报方法开发提供了新的思路。

关键词：黏结漏钢纵裂纹机器学习预报方法连铸

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马钢重型异形坯纵裂纹处理优化研究

江西冶金 2022年第5期42卷 76-82页

作者：王金坤王勇牛金印杨利彬戴雨翔马鞍山钢铁股份有限公司第一钢轧总厂安徽马鞍山243000 钢铁研究总院冶金工艺研究所北京100081

异形坯的横断面形状不规则,有些部位存在应力集中的问题,导致在连铸生产中易产生裂纹等缺陷。针对异形坯出现的纵裂纹的问题,研究了锰硫比、拉速、一冷水量及钢水过热度等因素对纵裂纹发生率的影响。结果表明,适宜的锰硫比、拉速、一冷... 详细信息

异形坯的横断面形状不规则,有些部位存在应力集中的问题,导致在连铸生产中易产生裂纹等缺陷。针对异形坯出现的纵裂纹的问题,研究了锰硫比、拉速、一冷水量及钢水过热度等因素对纵裂纹发生率的影响。结果表明,适宜的锰硫比、拉速、一冷水量和过热度可明显降低纵裂纹发生率。通过工艺优化,裂纹废品率有所下降,总裂纹废品率降到了7.8 kg/t。

关键词：异形坯纵裂纹控制措施

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基于随机森林和聚类的连铸坯纵裂纹预报方法

连铸 2022年第6期 21-28,44页

作者：张赫段海洋王旭东姚曼大连理工大学材料科学与工程学院辽宁大连116024 辽宁省凝固控制与数字化制备技术重点实验室辽宁大连116024

纵裂纹是一种常见的铸坯表面缺陷,准确预测铸坯表面纵裂对于提高铸坯质量有着重要意义。针对纵裂纹形成与扩展过程中结晶器热电偶温度在时间、空间上的变化趋势,捕获和提取了热电偶时序温度的典型变化特征,采用随机森林(Random Forest, ... 详细信息

纵裂纹是一种常见的铸坯表面缺陷,准确预测铸坯表面纵裂对于提高铸坯质量有着重要意义。针对纵裂纹形成与扩展过程中结晶器热电偶温度在时间、空间上的变化趋势,捕获和提取了热电偶时序温度的典型变化特征,采用随机森林(Random Forest, RF)对捕捉到的特征进行降维,筛选出与纵裂联系密切的相关特征,在此基础上建立了基于K均值(K Means)聚类的纵裂检测模型。结果表明,提出的基于温度时序特征和聚类算法的纵裂预测模型能够正确区分和识别纵裂纹和正常工况样本,将机器学习方法引入连铸过程异常监控提供了新的思路。

关键词：纵裂纹随机森林 K均值聚类特征降维结晶器连铸板坯

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DP700双相钢铸坯纵裂纹控制研究

DP700双相钢铸坯纵裂纹控制研究

作者：李国强华北理工大学

学位级别：硕士

近年来国内汽车的消费和产量大幅增长,对高强度汽车用钢需求加大,对其成形性能也提出更高的要求。双相钢以其高强度和高成形性能,应用于制造汽车业。然而DP700双相钢纵裂纹会严重影响铸坯质量,给生产带来了极大不便。因此,主要研究双相... 详细信息

近年来国内汽车的消费和产量大幅增长,对高强度汽车用钢需求加大,对其成形性能也提出更高的要求。双相钢以其高强度和高成形性能,应用于制造汽车业。然而DP700双相钢纵裂纹会严重影响铸坯质量,给生产带来了极大不便。因此,主要研究双相钢铸坯纵向裂纹形态及其成因和双相钢保护渣物化性能。针对首钢京唐实际生产工艺参数和钢种成分等数据进行评估,对缺陷铸坯进行数据分析,经过分析得出降低碳含量浮动下限、降低钢中硫含量,优化保护渣理化性能、调整结晶器工艺参数等措施,在理论上改善双相钢铸坯裂纹的情况。调查铸坯纵裂纹缺陷状况,分析铸坯纵裂纹宏观特征,利用金相显微镜对裂纹附近位置的组织进行观察,统计分析马氏体晶粒尺寸及铁素体数量变化规律。对纵裂纹进行SEM分析,检测裂纹内部及附近析出粒子的存在特征。通过实验研究表明,裂纹周围铁素体含量偏高于基体,铁素体含量偏高的位置易产生裂纹;裂纹周围脱碳层的存在导致裂纹产生;通过SEM检测,可清晰的看出裂纹周围存在大量的缩孔,推断出缩孔多的地方易产生裂纹;裂纹周围存在大量Si、Mn等氧化物夹杂,夹杂物的存在导致裂纹产生。对双相钢保护渣进行研究测定出保护渣的熔点为1004℃,熔速为27s,1300℃测定黏度为0.31Pa·S,在1050～1500℃的模拟范围内,随着保护渣碱度由0.6%～1.4%,渣系黏度呈下降趋势。在1050～1500℃的模拟范围内,随着Mg O由2%～6%,保护渣黏度值呈现先下降后上升再下降的趋势。在1050～1500℃的模拟范围内,随着AlO由2%～6%,保护渣黏度值呈升高趋势。在1050～1500℃范围内,Ca F由4%～8%时,渣系黏度值呈下降趋势。图44幅;表10个;参54篇。

关键词： DP700双相钢纵裂纹工艺参数保护渣物化性能

基于双次归一化算法的连铸坯表面纵裂纹BP神经网络

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热加工工艺 2017年第11期46卷 78-80,84页

作者：班泽宇米进周彭世恒施哲昆明理工大学冶金与能源学院云南昆明650093 钢铁研究总院国家连铸技术中心北京100081 中国重型机械研究院股份公司陕西西安710032

通过对板坯表面纵裂纹的机理研究,确定板坯表面纵裂纹的主要影响因素。用这些影响因素作为输入量,对某钢厂现场样本数据进行了采集、归一化处理,确定BP神经网络算法的学习速率、隐藏层神经元个数。以归一化数据作为训练样本,进行训练和... 详细信息

通过对板坯表面纵裂纹的机理研究,确定板坯表面纵裂纹的主要影响因素。用这些影响因素作为输入量,对某钢厂现场样本数据进行了采集、归一化处理,确定BP神经网络算法的学习速率、隐藏层神经元个数。以归一化数据作为训练样本,进行训练和仿真,使神经网络提高了命中率。d_(sin)函数是根据相关冶金原理提出的一种非线性函数,d_(sin)+Premnmx双次归一化算法使神经网络准确率明显提高。

关键词：连铸坯纵裂纹 BP神经网络 dsin函数 Premnmx函数

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大方坯含硫钢表面纵裂纹成因分析与控制

连铸 2022年第3期47卷 51-55页

作者：刘亮湖南华菱湘潭钢铁有限公司五米宽厚板厂湖南湘潭411101

针对大方坯含硫钢表面纵裂纹问题,对裂纹缺陷进行了金相、能谱观察,发现纵裂纹在铸坯出结晶器后发生;通过高温热塑性测试和组织析出区间的确定,分析了硫加入对钢的高温热塑性和组织析出区间的影响,确认在900℃以下第三脆性区间,奥氏体... 详细信息

针对大方坯含硫钢表面纵裂纹问题,对裂纹缺陷进行了金相、能谱观察,发现纵裂纹在铸坯出结晶器后发生;通过高温热塑性测试和组织析出区间的确定,分析了硫加入对钢的高温热塑性和组织析出区间的影响,确认在900℃以下第三脆性区间,奥氏体晶界形成的先共析铁素体弱化了晶界强度,在热应力、组织应力、机械矫直应力的作用下发生晶界开裂是导致含硫钢表面纵裂纹的根本原因。在此基础上开展了保护渣优化、二冷区改造、铸坯加热和堆冷过程保温等工艺研究。研究结果表明,提高保护渣碱度、降低保护渣熔点和黏度、延长二冷区长度、规范加热和堆冷工艺,大方坯含硫钢铸坯表面纵裂纹得到了较好控制,因纵裂纹导致的圆钢钢质原因修磨率从20%降低到5%以下。

关键词：含硫钢纵裂纹黏渣铸坯回温堆冷加热

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连铸板坯表面纵裂纹预测模型智能化定制方法

连铸 2022年第6期 16-20页

作者：杨立安米进周李涛从俊强邓爱军日照钢铁控股集团有限公司电控处山东日照276800 中国重型机械研究院股份公司炼钢工程事业部陕西西安710032 安徽工业大学冶金工程学院安徽马鞍山243002

钢铁产品制造过程中,在线预测铸坯质量缺陷产生位置,并对存在缺陷的铸坯及时下线清理有助于提升连铸连轧生产稳定性,实现钢铁企业节能减排、绿色化生产。然而,连铸生产过程具有多变量、时变性和多态性等特点,必须结合设备、钢种、缺陷... 详细信息

钢铁产品制造过程中,在线预测铸坯质量缺陷产生位置,并对存在缺陷的铸坯及时下线清理有助于提升连铸连轧生产稳定性,实现钢铁企业节能减排、绿色化生产。然而,连铸生产过程具有多变量、时变性和多态性等特点,必须结合设备、钢种、缺陷的特性,定制铸坯质量缺陷预测模型,才能够准确预测铸坯质量缺陷。因此,将数据通信技术、人工智能技术、C#与Matlab混合编程技术等相结合,建立了智能化铸坯质量在线判定系统,研究了铸坯质量预测模型智能化定制方法,并以板坯纵裂纹预测模型为例,介绍模型定制过程。研究结果表明,该方法能够辅助工艺工程师针对钢种及缺陷智能化定制预测模型,降低模型开发及优化难度,提高铸坯质量预测模型的可靠性。

关键词：连铸坯预测纵裂纹定制混合编程

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优碳钢板坯表面纵裂纹的形成与控制

福建冶金 2023年第5期52卷 31-33,30页

作者：李承虎福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂福建三明365000

福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂板坯连铸生产的优碳钢铸坯因表面纵裂纹造成铸坯非计划落地修磨及轧材报废等情况时有发生,经过对连铸工序生产工艺的对比分析发现,导致铸坯表面纵裂纹主要与钢水的成分及温度、浇注过程的冷却强度、保护... 详细信息

福建三钢闽光股份有限公司炼钢厂板坯连铸生产的优碳钢铸坯因表面纵裂纹造成铸坯非计划落地修磨及轧材报废等情况时有发生,经过对连铸工序生产工艺的对比分析发现,导致铸坯表面纵裂纹主要与钢水的成分及温度、浇注过程的冷却强度、保护渣性能、拉速的稳定性及浸入式水口插入深度等因素有关。通过控制钢水中[S]含量小于0.015%、钢水到站温度控制在14℃~28℃范围内、稳定生产节奏控制250断面拉速在0.75~0.80m/min之间、优化浇注过程的冷却强度、跟踪保护渣使用效果等措施,优碳钢铸坯表面纵裂纹发生率得到明显改善,纵裂纹率由原来的0.23%降到现在的0.08%。

关键词：板坯连铸优碳钢纵裂纹冷却强度保护渣钢水质量

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中碳合金钢板纵裂纹研究

中碳合金钢板纵裂纹研究

作者：张新理郑州大学

学位级别：硕士

随着经济的发展,钢在建筑、船舶、输油等行业发挥着越来越重要的作用,但钢板在生产过程中,有些批次表面出现纵裂纹缺陷,纵裂纹使钢板不合格率升高。钢板裂纹是生产过程中最难解决的质量问题之一。对于微小的裂纹,工业上可以通过修磨的... 详细信息

随着经济的发展,钢在建筑、船舶、输油等行业发挥着越来越重要的作用,但钢板在生产过程中,有些批次表面出现纵裂纹缺陷,纵裂纹使钢板不合格率升高。钢板裂纹是生产过程中最难解决的质量问题之一。对于微小的裂纹,工业上可以通过修磨的方法进行消除,但修磨量的增加严重降低了生产效率,同时也增加了经济成本,降低了最终产品的质量。某钢厂中碳合金钢板纵裂纹问题比较严重,近年来该厂对纵裂纹控制进行了多方面的研究,取得了一定的效果,但是并没有从根本上降低表面裂纹率,本文针对中碳合金钢钢板表面出现的纵裂纹缺陷问题,结合生产线的工艺技术、生产流程,对中碳钢板裂纹的产生原因、影响因素及控制措施等方面进行了系统的研究。研究结果如下:对大量Q345钢板缺陷进行统计对比研究发现,钢板缺陷主要为表面小纵裂纹,利用金相显微镜、扫描电镜SEM及EDS能谱对Q345钢板纵裂纹的横截面进行研究表明,裂纹附近都发现了大量的氧化圆点,这些氧化物圆点是内氧化的结果。氧化圆点颗粒较大,数目较多,氧化层较厚,所以这些氧化圆点应该在轧制前铸坯在加热炉中加热和保温过程中形成的。两条裂纹附近都发生了不同程度的脱碳。说明铸坯裂纹在进入加热炉之后又发生氧化和脱碳,从而形成氧化圆点和脱碳。采用金相显微镜和扫描电镜对Q345铸坯进行研究,研究发现Q345铸坯激冷层厚度较薄,并且只有部分区域存在激冷层,且分布非常不均匀,裂纹易在激冷层薄弱处产生。该铸坯样品魏氏组织比较严重,降低了钢的塑性,在铸坯矫直等过程中受到应力作用很容易产生裂纹。另外,在铸坯表面附近发现微裂纹,这些缺陷会在在后续的加工过程中进一步扩展,从而确定了裂纹是在连铸过程产生的。为了改善铸坯组织,减少铸坯裂纹,首先对结晶器水量进行优化,通过对优化后铸坯宏观组织和微观组织研究发现,改变结晶器水量并没有促进铸坯表层激冷层的形成。6100L/min、6800L/min、7500L/min三种水量条件下Q345铸坯表面附近都无激冷层组织。随着结晶器水量的增加,魏氏组织级别有增加趋势,在水量为6100L/min时魏氏组织级别最低,组织也最均匀。说明结晶器传热还存在问题,改变水量并不能改善结晶器的传热,促进激冷层的形成,减轻魏氏组织。为了从根本上改善结晶器的传热问题,改善铸坯组织,对结晶器内保护渣的理化性能进行优化。采用新型结晶器保护渣的板坯,距内弧5mm内为细小均匀的组织,表面附近魏氏组织级别明显降低,这种组织有利于减少裂纹的产生。批量更换新型保护渣,并对板坯进行批量轧制,对轧制钢板进行裂纹率统计分析发现,使用新型保护渣保护渣后钢板裂纹率明显降低。

关键词：中碳合金钢连铸纵裂纹激冷层保护渣魏氏组织