一种双权重的空间插值法预测熔渣物化性质的方法与流程

1.本发明涉及熔体性质模型预报领域。更具体地说，本发明涉及一种双权重的空间插值法预测熔渣物化性质的方法。


背景技术：

2.冶金和材料是工业发展的重要基础，对保持国民经济健康发展和维护国家安全具有战略意义。冶金过程通常需要将原料加热至高温熔融态来加速反应，以达到金属提炼的目的，这个过程中，和液态金属接触并发生化学冶金反应的除了气体介质之外，还有高温下熔融的液态熔渣。熔渣的物化性质，如粘度、电导率、密度和表面张力等，对冶炼工艺的优化及冶金产品质量的控制有重要影响。因此如何获取准确的熔渣物化性质数据，对现代冶金工艺具有重大意义。实验是获取多元系物理化学性质数据的基本方法，但是，对于冶金熔体而言，尤其是熔渣体系，熔点一般较高，因此导致两方面的问题：1)升温耗时，实验周期较长；2)熔体对坩埚材料的高温侵蚀作用明显，影响实验的准确度，增加了测试成本。此外，冶金熔体体系庞杂，单凭实验的方法来获取可靠的熔体物化性质数据是远远不够的。这些因素都导致了熔渣性质实验数据的匮乏。
3.因此，有必要在有限的实验数据基础上，通过模型预报的方法，去预测未知成分点的性质。基于物质的微观结构基础上的第一原理的计算方法，可获取物理化学性质。它的最大优点在于其物理意义清晰，考虑因素全面。但这种方法的缺点是：它对每一个个别体系的处理结果只能适用于该体系，不具有普遍性。即考虑的因素多会使应用的范围窄。此外，这种从头计算法，依然有很多参数是未知的，它们仍需要从下一步的实验或理论结果中用回归方法获取。这里存在一定的误差，而这种误差发生在计算的源头上，所得到的最终计算结果会使误差放大，以致根本无法应用。这种方法作为理论分析和讨论还有一定的价值，想靠它解决实际数据问题，大概还需要有一段时日。而直接从实用数据基础上归纳的“经验模型”的最大优点是，所得数据较为可靠，因为它们是从体系所用数据的基础上直接回归而得到的，误差不会很大，同时它们也有一定的适用范围的限制。它的缺点是这种模型的物理意义不明确，对深入理解物理本质没有帮助，而且，如前所述，适用体系大多是那些提供实验结果的体系，应用范围仍然有一定的局限性。
[0004]“半经验半理论”的方法能博取上述二者之长。它以直接应用的实验数据为基础，结合理论对其模型加以修正，由此使预报的结果更准确，而应用范围更广泛。这是一种十分有效的方法，它已在很多实际问题的处理中得到了广泛的应用。半经验半理论的“几何模型”就属此类。还有一类半经验半理论模型是依靠已知的数据点，结合一定程度的熔体结构信息，通过数学处理手段得出性质与成分、温度以及压强的关系式的。空间插值方法常用于将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，以便与其他空间现象的分布模式进行比较，如果把多元熔渣的各组元的摩尔分数想象成空间坐标，因为属性是连续的，所以空间中紧密聚集的位置的值更有可能与彼此的值相似，也就是说，它们在某种程度上是相互依赖的。空间数据的这个非常重要的特征为插值提供了基础。如反距离权重法、普通克里金法的空
间插值方法充分考虑到这种空间自相关性，将其用于未知点性质的预报。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的是提供一种双权重的空间插值法预测熔渣物化性质的方法，从已知的熔体成分空间特征出发，依据各成分点性质之间的空间关联性构建模型，推求未知成分点连续要素的特征性质。
[0006]
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种双权重的空间插值法预测熔渣物化性质的方法，包括以下步骤：
[0007]
s1、基于空间插值法，将熔渣内任一成分点处的各组元的摩尔分数转换为其空间坐标；
[0008]
s2、加入氧化物的性质权重值，对熔渣内任意两个成分点之间的距离进行修正：
[0009]
s3、将样本点i与插值点之间修正后的距离转变成实际权重值wi，并根据wi计算插值点处的任一物化性质的计算值：
[0010][0011][0012]
其中，为插值点处的任一物化性质的计算值；为样本点i处的对应的物化性质的计算值；n为样本点的总数。
[0013]
优选的是，所述的一种双权重的空间插值法预测熔渣物化性质的方法中，s2中对熔渣内任意两个成分点之间的距离进行修正的方法如下：
[0014][0015]
其中，d为熔渣内任意两个成分点之间距离的修正值；d0为熔渣内任意两个成分点之间距离的计算值；为i组分的纯物质的性质权重值；为组成多元熔渣的各组分纯物质性质权重值的平均值。
[0016]
优选的是，所述的一种双权重的空间插值法预测熔渣物化性质的方法中，s2中采用欧式距离计算法计算熔渣内任意两个成分点之间距离的计算值d0。
[0017]
本发明的基于空间插值法的熔渣物化性质预测方法首次将地理学中的空间插值法引入到多组分熔渣理化性质的预测中。此外，通过引入性质权重修正样本点间空间距离的方法，不仅可以减小样本性质数据波动较大时的预报误差，而且可以修正某些由于空间位向关系相差较大的异常点的预测精度，从而准确、自动、快速地预测熔体的连续物理化学性质。
[0018]
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
[0019]
图1为本发明一实施例双权重克里金插值流程图；
[0020]
图2为本发明一实施例cao-al2o3-sio2渣系在1773k时计算值与实验数据的比较；
[0021]
图3为本发明一实施例cao-al2o-caf2渣系计算值与实验数据对比。
具体实施方式
[0022]
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0023]
《实施例》
[0024]
本发明的实施例提供一种双权重的空间插值法预测熔渣物化性质的方法，包括以下步骤：
[0025]
s1、基于空间插值法，将熔渣内任一成分点处的各组元的摩尔分数转换为其空间坐标；把多元熔渣的各组元的摩尔分数想象成空间坐标，以此来计算两成分点间距离，空间插值法将离散点的测量数据转换为连续的数据曲面，这与熔渣性质的连续性一致。
[0026]
s2、为了量化不同氧化物对性质的影响程度，在计算两成分点间距离时加入性质权重值作为氧化物的性质权重，赋予该方法识别不同熔渣组成的能力，以提高计算预报的准确性。此处可结合克里金插值的进行计算，为现有计算方法可轻松实现的问题，本处不再展开说明。
[0027]
其中加入氧化物的性质权重值，对熔渣内任意两个成分点之间的距离进行修正，具体方法如下：
[0028][0029]
其中，d为熔渣内任意两个成分点之间距离的修正值；d0为熔渣内任意两个成分点之间距离的计算值；为i组分的纯物质的性质权重值；为组成多元熔渣的各组分纯物质性质权重值的平均值。
[0030]
上式中，采用欧式距离计算法计算熔渣内任意两个成分点之间距离的计算值d0，则：
[0031]
s3、将样本点i与插值点之间修正后的距离转变成实际权重值wi，并根据wi计算插值点处的任一物化性质的计算值：
[0032][0033]
其中，为插值点处的任一物化性质的计算值；为样本点i处的对应的物化性质的计算值；n为样本点的总数。
[0034]
《试验例1》
[0035]
采用光学碱度值修正的双权重克里金插值预测cao-al2o
3-sio2基三元至五元渣系的粘度。
[0036]
克里金插值是以变异函数理论和结构分析为基础，在有限的区域对区域化变量进行无偏最优估计的一种方法，是空间插值的代表方法之一。南非矿产工程师krige在寻找金矿时首次运用这种方法，法国著名统计学家matheron随后将该方法理论化、系统化，并命名为kriging，即克里金方法。克里金法有很多种，本实施例中主要用的是普通克里金法(ordinary kriging，ok)，因为它是最简单最常用的方法，克里金插值的流程图如图1所示。
[0037]
已有报道表明光学碱度与熔渣粘度有着很好的对应关系。为了量化不同氧化物对粘度的影响程度，修正的克里金法在计算两点间距离时加入光学碱度作为氧化物的粘度性质权重，以下简称dwk方法。
[0038][0039]
式中，λi为i组分的纯物质的光学碱度值，为组成多元熔渣的各组分纯物质光学碱度值的平均值；下表1为不同氧化物的光学碱度值：
[0040]
表1不同氧化物的光学碱度值
[0041][0042]
通过调研文献，收集了大量三元cas、四元cams、五元camsc渣系的粘度数据，用于空间插值方法在多元冶金熔体物化性质预报方面的可行性。尝试将普通克里金法用于熔体粘度性质的预报，并将结果与ray模型、urbain模型、mqsv模型、npl模型、iida模型这些常用的经验模型的预报结果进行比较。在下面的计算中，为了更好地验证模型的预报效果，用平均偏差δ将预测值与实验值进行比较，其定义如下：
[0043][0044]
上式中，p
cal
.和p
exp
.分别表示计算值和实验值，n表示数据总量。
[0045]
(1)cao-al2o
3-sio2体系
[0046]
j.s.machin和m.j.toplis等人分别通过震动法和旋转法测定了cao-al2o
3-sio2熔体在1773k下的多个成分点的粘度值。cao-al2o
3-sio2体系的粘度数据和结果比较情况如表2和图2所示。可以发现，上述方法的预报误差(δ＝9.3％)明显小于ray模型(δ＝72.8％)、urbain模型(δ＝51.0％)、npl模型(δ＝75.8％)和mqsv模型(δ＝19.9％)。
[0047]
表2 cao-al2o
3-sio2体系在1773k的粘度数据
[0048][0049]
cao-al2o
3-caf2熔渣是电渣重熔领域最常用的三元基础渣系，其物化性质对高品质钢和特种合金的质量控制至关重要。其中，除caf2以外，另外两种氧化物组元的熔点都很高，即其在实际应用范围内，存在较大局部互溶区域。通常的几何模型难以计算该区域，因此通常采用经验模型进行预报。povolotskii等人测量了cao-al2o
3-caf2渣在1873k温度下局部互溶区域内的粘度，其实验成分范围分布较广，相关数据收录于slag altas之中。具体数值见表3，计算结果和不同模型预测的对比见图3。
[0050]
表3 cao-al2o
3-caf2渣在不同温度下的粘度数据
[0051][0052]
从图3中可以看出，在数据点稀少的情况下，dwk方法对于局部互溶区域的预测精度也最好(δ＝11.3％)。mqsv模型，factsage软件内置的粘度计算模型，也是最常用的一种。它的预测误差是dwk方法的两倍以上，并且大多数点的预测值都在25％的误差范围之外，而dwk方法的预测在25％的范围内是可控的。
[0053]
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实施例。