Prediction Model of End-point Phosphorus Content in Converter Based on UMAP-GWO-DNN

Wang Xueyuan; Zhang Libin; Zhou Chunfang

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00142

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Prediction Model of End-point Phosphorus Content in Converter Based on UMAP-GWO-DNN

Smelting and Solidification | 更新时间：2026-03-03

- Prediction Model of End-point Phosphorus Content in Converter Based on UMAP-GWO-DNN
- Special Steel Vol. 47, Issue 2, Pages: 41-50(2026)
- 作者机构：
  
  1.承德建龙特殊钢有限公司，承德 067201
  2.河北省半钢水冶炼高洁净高品质特殊钢重点实验室，承德 067201
  3.河北省发展和改革委员会产业转型升级服务中心，石家庄 050000
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00142
  CLC： TF711
- Received：23 May 2025，
  
  Published：30 March 2026
- 稿件说明：
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王雪原,张力彬,周春芳.基于UMAP-GWO-DNN的转炉终点磷含量预测模型[J].特殊钢,2026,47(02):41-50.

Wang Xueyuan,Zhang Libin,Zhou Chunfang.Prediction Model of End-point Phosphorus Content in Converter Based on UMAP-GWO-DNN[J].Special Steel,2026,47(02):41-50.
王雪原,张力彬,周春芳.基于UMAP-GWO-DNN的转炉终点磷含量预测模型[J].特殊钢,2026,47(02):41-50. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00142.

Wang Xueyuan,Zhang Libin,Zhou Chunfang.Prediction Model of End-point Phosphorus Content in Converter Based on UMAP-GWO-DNN[J].Special Steel,2026,47(02):41-50. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00142.

摘要

转炉终点磷含量的精准控制是提升钢材质量和冶炼效率的核心环节。本研究针对42CrMo钢种，创新性地融合统一流形逼近与投影（UMAP）、灰狼优化算法（GWO）和深度神经网络（DNN）技术，构建了多模态智能预测模型。通过UMAP算法对高维冶炼参数（如温度、氧枪高度、渣碱度等）进行非线性降维，有效提取关键特征；采用GWO优化DNN的初始权重和超参数，显著提升模型收敛速度与稳定性。实验基于钢厂200炉次实际生产数据，对比BP神经网络、标准DNN及GWO-DNN模型，UMAP-GWO-DNN模型在±0.001%和±0.002%误差区间的命中率分别达到86.7%和95.4%，均方根误差（RMSE）降低23.6%。工业验证表明，该模型使终点磷含量波动标准差减少41%，平均值从0.001 2%稳定至0.000 9%，成功实现"窄窗口"控制目标。本研究为转炉冶炼过程的数字化升级提供了可推广的技术路径。

Abstract

Precise control of the endpoint phosphorus content in converter steelmaking is a core aspect for enhancing steel quality and smelting efficiency. This study innovatively integrates Uniform Manifold Approximation and Projection （UMAP）， Grey Wolf Optimization （GWO）， and Deep Neural Network （DNN） technologies to construct a multimodal intelligent prediction model for 42CrMo steel. The UMAP algorithm is employed to perform nonlinear dimensionality reduction on high-dimensional smelting parameters （such as temperature， oxygen lance height， slag basicity， etc.）， effectively extracting key features. The GWO algorithm is used to optimize the initial weights and hyperparameters of the DNN， significantly improving the model's convergence speed and stability. The experiments are conducted based on actual production data from 20eats in a steel plant. Compared with the BP neural network， standard DNN， and GWO-DNN models， the UMAP-GWO-DNN model achieves hit rates of 86.7% and 95.4% in error ranges of ±0.001% and ±0.002%， respectively， and the root mean square error （RMSE） is reduced by 23.6%.Industrial validation shows that this model reduces the standard deviation of endpoint phosphorus content fluctuations by 41%， stabilizing the mean value from 0.001 2% to 0.000 9%， successfully achieving the "narrow window" control target. This study provides a scalable technical path for the digital upgrade of converter smelting processes.

关键词

Keywords

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