东北大学秦皇岛分校数学建模赛题

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线连续铸造工艺中的模型建立与求解
钢铁以其低廉的原材料成本，较好的加工性能及优秀的可回收性，成为全球主要的基础
0 ~8 d. D" A) D" k6 X4 Z原材料。随着社会、经济的不断发展，在钢铁工业方面，无论是理论基础，还是技术工艺，
* J5 E. E) W1 K, P. Y/ X8 ]都取得了长足的进步。尤其连续铸造的出现，使钢铁厂的工艺流程产生了深刻的变化，整体
/ s2 j8 w8 I/ G. L系统的优化和智能控制的重要性逐渐凸显，尤其通过对具体工艺采用建模、大数据等先进手
段，能更为精确优化生产工艺，提高产品质量，降低成本。
% {! D- C1 w! D2 W连续铸造工艺流程是将钢水先从钢包（或称“大包”）内流入中间包（或称“中包”）进
0 M3 T3 d5 S7 o. |1 {6 ~. {0 L* @行缓冲，再从中间包向下流出，经由冷却设备逐渐降温凝固，形成固态铸坯。不断的有钢水
从中间包向下流出，也会有钢液从上方流入。在钢水流动的过程中，有一重要流程叫做混钢，
即前后两炉成分不同的钢水相混合。中间包内已经存在一定体积的钢水，其成分和即将流入
9 D% m- H/ N# r中间包的钢水有较大的区别，两种不同成分的钢水混合凝固后形成的钢材称为混钢段。混钢
段的成分既不符合之前产品的要求，也不符合之后产品的要求，造成了大量的浪费。在工业
' B5 S6 {0 g1 s) `" [生产中，我们需要较为精确的定位此段钢材的位置，尽可能少的切除不符合产品要求的钢材，
2 ]1 j5 N4 t- V9 ?9 E$ G以节约成本，提高效益。
根据上述背景，提出以下问题：由于中间包内流场、化学成分的变化无法直接观测，请
以所给中间包尺寸（见图1）和连铸参数为例，应用现代数学、统计及数据分析方法，对该
3 s: y2 `8 \2 C$ w$ z$ t3 ?. X5 v混钢过程进行模拟和预测。具体要求如下：
0 u. ^) H7 c- g7 [7 ]3 p（1）模拟前后两种钢水的混合过程，并建立中间包水口附近钢水的成分（即中间包流出
2 y2 D! f' o. z6 O; ~5 R; S钢水的成分）随着注入下一炉钢水而发生的变化规律模型；
# Y& D5 m4 b/ t' g, l9 S（2）模拟计算混钢段的体积及混钢铸坯的长度；
（3）模拟计算混钢过程的持续时间(即水口附近钢水成分超出两种钢种规定成分要求持
续的时间)。
# S- u! z1 ^9 M, g) Z$ `/ b图1 中间包尺寸
+ h4 l- Y2 L2 A# b连铸参数：
' @4 @, }8 H4 V% ^7 J6 U  p7 Q下一炉大包钢水开始注入中包时，中包剩余钢水20 吨。注入钢水速度6 吨/分钟，目标
5 T, z8 t4 c% U5 l" V钢水重量30 吨。铸机拉速每分钟4.5 米，铸坯断面72*1550 毫米。热态钢水比重7.6 吨/立
方米。热态铸坯比重7.6 吨/立方米。当前炉次与下一炉次的成分见下表。
# A+ ~2 v/ a. \7 }3 c) o' {当前炉次成分重量百分含量
元素上限目标（钢种1） 下限实际
C 0.018 0.220 0.200 0.200
SI 0.200 0.350 0.275 0.290
MN 0.350 0.600 0.475 0.510
6 z/ p# ?' n$ ]. o6 e0 c, e2 P- X2 qP 0.025 0.020 0.000 0.015
2 C2 d/ R# h8 h" e/ d# NS 0.012 0.008 0.000 0.006
8 H3 d2 K" j& h1 I0 g5 c下一炉次成分重量百分含量
元素上限目标（钢种2） 下限实际
C 0.430 0.480 0.455 0.455
SI 0.200 0.350 0.265 0.265
MN 0.550 0.750 0.650 0.650
9 f3 g0 V9 v# aP 0.025 0.020 0.000 0.019
: O( Y2 i$ n9 w( N. \9 n/ ]1 N2 yS 0.012 0.008 0.000 0.007
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程有意

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