酸液濃度控制系統(tǒng)解析與應(yīng)用

劉天浩　張立欣　宮永鳳　石　巖　劉兆月　郝曉鵬

(北京首鋼股份有限公司硅鋼事業(yè)部1，河北 遷安　064400;北京首鋼自動化信息技術(shù)有限公司首遷運(yùn)行事業(yè)部2，河北 遷安　064400)

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酸液濃度控制系統(tǒng)解析與應(yīng)用

劉天浩1張立欣1宮永鳳2石巖1劉兆月1郝曉鵬1

(北京首鋼股份有限公司硅鋼事業(yè)部1，河北 遷安064400;北京首鋼自動化信息技術(shù)有限公司首遷運(yùn)行事業(yè)部2，河北 遷安064400)

為調(diào)整深槽酸洗工藝模式下的酸液濃度，構(gòu)建了一種酸液濃度控制系統(tǒng)。在分析酸洗化學(xué)工藝原理的基礎(chǔ)上，合理簡化了工藝控制參數(shù)，詳細(xì)分析了酸液濃度控制結(jié)構(gòu)，描述了酸液檢測系統(tǒng)的配置，展現(xiàn)了檢測到的電導(dǎo)率和密度轉(zhuǎn)換為酸液濃度的過程。串級PID控制系統(tǒng)依據(jù)檢測到的酸液濃度和介質(zhì)流量，在酸洗生產(chǎn)過程中存在擾動信號的情況下，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)酸液系統(tǒng)濃度的自動調(diào)節(jié)。根據(jù)酸洗模型和實(shí)際生產(chǎn)需要，對控制系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)設(shè)定，并對不同鋼種的酸液狀態(tài)進(jìn)行預(yù)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)酸液狀態(tài)的精準(zhǔn)控制，降低了酸耗，提高了機(jī)組的生產(chǎn)效能。

酸洗控制檢測電導(dǎo)率密度濃度PID調(diào)節(jié)

0　引言

硅鋼是帶鋼中最難酸洗的一種，對酸洗機(jī)組的配置要求比普碳鋼高。某鋼廠酸軋機(jī)組的酸洗段采用深槽酸洗來酸洗硅鋼，經(jīng)過生產(chǎn)和運(yùn)行的檢驗(yàn)，這種機(jī)型完全滿足帶鋼酸洗表面質(zhì)量高且機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定的要求。與紊流酸洗相比，深槽酸洗工藝對酸液狀態(tài)控制手段比較單一，能進(jìn)行調(diào)節(jié)的參數(shù)僅為酸液溫度和酸液濃度。為確保機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，酸液的溫度穩(wěn)定在75 ℃左右，可調(diào)性差，不便于根據(jù)生產(chǎn)的不同鋼種進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此，調(diào)整酸液濃度已成為這種深槽酸洗工藝模式的唯一有效調(diào)節(jié)手段。

酸液濃度包括酸液中亞鐵離子濃度、氫離子濃度和總酸濃度。本文將根據(jù)酸洗工藝段自動控制系統(tǒng)的配置和實(shí)際運(yùn)行情況，解讀外方酸液濃度的控制結(jié)構(gòu)，深度解析酸液狀態(tài)檢測的機(jī)理，推導(dǎo)出酸液濃度控制相關(guān)參數(shù)的數(shù)學(xué)控制模型，為現(xiàn)場技術(shù)人員掌握酸液濃度的調(diào)節(jié)方法提供技術(shù)支撐。

1　酸液工藝狀態(tài)控制機(jī)理

一般來說，熱軋帶鋼表面氧化鐵皮的物質(zhì)結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外為：FeO、Fe3O4、Fe2O3[1]。這三種氧化物中，F(xiàn)eO相對于Fe3O4和Fe2O3來說，在酸中的溶解度更大。由于氧化鐵皮在拉矯的過程中會出現(xiàn)大量裂紋，酸液透過裂紋滲透到氧化鐵皮內(nèi)部后，會與易于溶解的FeO和金屬鐵相接觸并發(fā)生反應(yīng)；并且，酸與金屬鐵接觸后生成氫氣，將進(jìn)一步促進(jìn)酸洗過程的發(fā)生，這一過程的機(jī)理可以認(rèn)為是化學(xué)溶解和“剝離”的結(jié)合[2]。而氧化鐵皮中的Fe3O4和Fe2O3，在酸中發(fā)生溶解的同時(shí)，被鐵與酸液反應(yīng)生成的高活性氫原子所還原，反應(yīng)生成易溶于酸液的FeO。其反應(yīng)為：

Fe2O3+2[H]=2FeO+H2O

Fe3O4+2[H]=3FeO+H2O

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果可知，溶液中三價(jià)鐵離子濃度為二價(jià)鐵離子濃度的1%～2%，可以忽略不計(jì)。這是因?yàn)樗嵯磿r(shí)生成的高還原性氫原子使生成的三價(jià)鐵鹽還原成亞鐵鹽。

FeCl3+[H]=FeCl2+HCl

因上述反應(yīng)的發(fā)生，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，酸洗溶液的主成分為FeCl2和游離態(tài)的鹽酸。為了降低系統(tǒng)控制難度、便于工程應(yīng)用，整個(gè)系統(tǒng)對三個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行了有效控制：亞鐵離子濃度、鹽酸濃度以及通過檢測到的鹽酸濃度和氯化亞鐵濃度計(jì)算得出的總酸濃度。將這三個(gè)參數(shù)控制在設(shè)定工藝要求的范圍內(nèi)，可確保硅鋼表面的酸洗質(zhì)量。

2　酸洗系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

由于酸洗槽和循環(huán)罐的體積很大，實(shí)際機(jī)組生產(chǎn)時(shí)，每個(gè)酸洗槽和對應(yīng)的循環(huán)罐內(nèi)所需要的酸大約為70m3。為了確保供應(yīng)新酸和脫鹽水以及廢酸排放的管道調(diào)節(jié)精度要求，需選擇合適的管道，因此介質(zhì)的輸入和排放并不能迅速改變介質(zhì)的濃度。依據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)特性分析，該控制系統(tǒng)存在著大慣性、大遲延、慢時(shí)變、擾動因素較多、動態(tài)特性隨負(fù)荷變化而變化等問題。如果采用普通的控制模式，系統(tǒng)很難保證將酸液濃度穩(wěn)定在工藝所要求的設(shè)定值上[3]。酸溶液濃度調(diào)整系統(tǒng)采用了串級PID控制模式，使整個(gè)系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、魯棒性和抗干擾能力，提高了控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性，縮短了過渡時(shí)間，減少了超調(diào)量和震蕩次數(shù)，確保系統(tǒng)能適應(yīng)控制對象參數(shù)的變化[4-5]。整個(gè)控制回路由控制濃度的主回路PID1和控制流量的副回路PID2組成。這種控制的優(yōu)點(diǎn)在于：由于硅鋼進(jìn)行酸洗而產(chǎn)生的對酸液濃度的擾動可以迅速被工藝數(shù)學(xué)模型控制的介質(zhì)流量調(diào)整，消除了一部分系統(tǒng)慣性；主回路的濃度檢測反饋能夠及時(shí)地減小流量控制調(diào)節(jié)的誤差，確保酸液濃度狀態(tài)的控制精度。酸液濃度串級控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　酸液濃度串級控制系統(tǒng)框圖Fig.1　Block diagram of acid concentrationcascade control system

3　FeCl2和HCl的濃度測量

對FeCl2和HCl的濃度檢測，大多采用軟測量的方法。軟測量是指檢測酸洗生產(chǎn)過程中的酸液溫度、酸液電導(dǎo)率和酸液的密度，利用統(tǒng)計(jì)建模方法建立這幾個(gè)參數(shù)和酸液濃度的回歸數(shù)學(xué)模型，通過模型預(yù)測得到酸液濃度的方法[6]。這種方法具有變量可測、模型可控以及實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)，故被國內(nèi)大多數(shù)酸洗線所采用。

3.1酸液濃度控制系統(tǒng)配置

酸液濃度在線控制系統(tǒng)采用日本橫河(YOKOGAWA)FCN控制系統(tǒng)。PLC作為FCN的子系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與FCN的數(shù)據(jù)交換?，F(xiàn)場采用電導(dǎo)率計(jì)、密度計(jì)、溫度計(jì)共同構(gòu)成循環(huán)酸測量采樣單元，由FCN酸濃度控制柜對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，最終計(jì)算出實(shí)際的酸液濃度和亞鐵離子濃度，并將其傳送給日立PLC。PLC系統(tǒng)在對數(shù)據(jù)作進(jìn)一步測量轉(zhuǎn)換后，通過PID控制器實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場介質(zhì)(脫鹽水或新鹽酸)添加量的實(shí)時(shí)控制。

3.2電導(dǎo)率計(jì)

兩線制電磁式電導(dǎo)率測量儀(MODELMDM-160)是DKK-TOA公司的產(chǎn)品。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，隨著酸液的化學(xué)消耗，HCl濃度不斷降低，F(xiàn)eCl2濃度不斷上升,相應(yīng)的酸液電導(dǎo)率也隨之下降。電導(dǎo)率為電阻率的倒數(shù)，單位為S/m，現(xiàn)場使用的單位為mS/cm,電導(dǎo)率與HCl濃度成反比例關(guān)系。測量得到的電導(dǎo)率值被傳輸?shù)诫姎馐覂?nèi)的酸濃度控制柜，參與相關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)算。

酸液濃度控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　酸液濃度控制系統(tǒng)圖Fig.2　Control system of acid concentration

3.3密度計(jì)

智能差壓變送器采用KEISO公司的MODELCP-22-100-2B。將兩根管子下端管口齊平，沒入酸洗槽酸液中一段長度，上端管口高度差為400mm。在兩個(gè)管道內(nèi)通入相同流量和壓力的壓縮空氣，每個(gè)管道上的三通閥將兩個(gè)管子上的壓力導(dǎo)入壓差變送器的高低口，通過比例計(jì)算得到實(shí)際酸液的密度。此測量系統(tǒng)在使用前需要使用密度為1kg/L的脫鹽水對壓差進(jìn)行標(biāo)定。

在實(shí)際生產(chǎn)過程中，隨著酸液的化學(xué)消耗，溶液中的HCl濃度不斷降低，F(xiàn)eCl2濃度不斷上升,Fe2+代替H+使得溶液密度增加；兩個(gè)測量管中的壓差將不斷增大，密度與亞鐵離子的濃度成正比例關(guān)系[7]。測量到溶液的密度值被傳輸?shù)诫姎馐覂?nèi)的酸濃度控制柜，參與相關(guān)的數(shù)學(xué)計(jì)算[8]。

測量到的電導(dǎo)率、密度和溫度，被傳輸?shù)結(jié)OKOGAWA(日本橫河)酸濃度計(jì)算系統(tǒng)，通過數(shù)學(xué)計(jì)算模型對測量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終計(jì)算出實(shí)際的酸液濃度和亞鐵離子濃度。

CHCl=f(S,T,D,K)

(1)

CFeCl2=g(S,T,D,K)

(2)

式中：S為電導(dǎo)率；T為溫度;D為密度；K為數(shù)學(xué)模型計(jì)算補(bǔ)償系數(shù)。

4　酸液濃度的控制過程

對通過儀表測量并計(jì)算得到的槽體內(nèi)實(shí)際酸液濃度和設(shè)定的酸液濃度進(jìn)行比較，經(jīng)控制器Gc1轉(zhuǎn)換成新酸、脫鹽水添加量或廢酸排放電動閥門的開度。

帶鋼在酸洗槽中的移動速度越快、帶鋼越寬，酸液接觸的表面積就越大，消耗的酸量也就越多；同時(shí)，對于不同的鋼種和不同的溫度，化學(xué)反應(yīng)速率也不一樣。因此，消耗的酸量與帶鋼的速度、寬度、鋼種和溫度都存在一定的關(guān)系。這些負(fù)載對酸液控制系統(tǒng)形成擾動，將作為信號Q(s)進(jìn)入系統(tǒng)。

將通過脫鹽水流量計(jì)和新酸液流量計(jì)檢測到的酸液添加量，作為返回信號和酸液濃度轉(zhuǎn)換的不同介質(zhì)添加量。負(fù)載的擾動量信號發(fā)往控制器Gc2，形成不同的添加量，并根據(jù)信號的變化情況，迅速對介質(zhì)的添加量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

酸液的添加量在控制器Gc3中轉(zhuǎn)換成新酸或者脫鹽水電動閥門的開度，最終在系統(tǒng)內(nèi)形成不同介質(zhì)添加量的條件，從而調(diào)節(jié)酸液的濃度。通過儀表檢測到的濃度數(shù)值作為反饋，返回到系統(tǒng)初始處，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

4.1酸液的添加和排放

隨著硅鋼酸洗生產(chǎn)的持續(xù)進(jìn)行，亞鐵離子不斷地融入酸液，以改變?nèi)芤旱拿芏群碗妼?dǎo)率。首先，計(jì)算電導(dǎo)率計(jì)和比重計(jì)測得的數(shù)值，以得到實(shí)際酸濃度；與輸入的設(shè)定值進(jìn)行比較，通過擬合計(jì)算，濃度控制器輸出值為C。在輸出值的基礎(chǔ)上，通過系數(shù)修正,設(shè)定所需添加的新酸流量值為SC。依據(jù)設(shè)定值，由日立PLC對槽內(nèi)新酸的添加量進(jìn)行控制。通過調(diào)整新酸管道上的電動閥門開度，可確保酸洗槽內(nèi)溶液的介質(zhì)狀態(tài)處于工藝需求的范圍內(nèi)。

(3)

式中：變量含義及來源等相關(guān)信息如表1所示。

表1　模型中變量的含義Tab.1　Implicantion of the variables in the model

依據(jù)設(shè)定值Q，日立PLC(MICA-R700)可以實(shí)現(xiàn)對槽內(nèi)酸液濃度的預(yù)調(diào)節(jié)，以提高整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和精度，確保酸洗槽內(nèi)溶液的介質(zhì)狀態(tài)。

酸洗工藝流程如圖3所示。

圖3　酸洗工藝流程圖Fig.3　Flowchart of pickling process

硅鋼酸洗槽采用4級梯流酸洗。正常生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，酸液通過液位差從4#酸洗槽逐步向1#酸洗槽流動，實(shí)現(xiàn)對硅鋼的初洗、粗洗和精洗。由于各個(gè)槽體的功能不同，各槽的主要控制參數(shù)也不同。2#酸洗槽為帶鋼粗洗槽，不需要高精度控制，因此2#酸洗槽內(nèi)的酸液濃度基本上依靠控制1#和3#槽酸液濃度來保證。1#槽為初洗槽，槽內(nèi)鹽酸的濃度基本依靠控制3#槽的濃度來保證，這里主要是控制總酸濃度和鐵離子濃度，來確定是否添加新酸或者排放廢酸。3#、4#槽為整個(gè)酸洗工藝的精洗槽，用來確保硅鋼酸洗的表面質(zhì)量，要求經(jīng)過酸洗的硅鋼既不欠酸洗也不過酸洗，主要通過控制HCl的濃度和亞鐵離子濃度，從而判斷是否添加新的鹽酸。

通過控制酸洗槽內(nèi)介質(zhì)的不同狀態(tài)，可滿足不同鋼種對酸液介質(zhì)差異性的工藝要求。通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的逐步積累，依據(jù)帶鋼的規(guī)格、卷取溫度、帶鋼速度等相關(guān)工藝參數(shù)，設(shè)定合理的酸液濃度及相應(yīng)的其他酸洗工藝參數(shù)，最終形成了適合本廠的酸洗工藝數(shù)學(xué)模型。

4.2脫鹽水量添加控制

在正常的生產(chǎn)狀態(tài)下，酸液一直處于75 ℃左右,溶液中的水分蒸發(fā)很快；隨著生產(chǎn)的持續(xù),酸洗系統(tǒng)中溶液的總酸濃度將上升。為了補(bǔ)償長時(shí)間停線蒸發(fā)掉的水分,需要往每個(gè)酸罐補(bǔ)充水分，并由日立PLC進(jìn)行控制。這個(gè)控制與總酸濃度有關(guān)?？偹釢舛仁荋Cl濃度加上經(jīng)過折算后的FeCl2的濃度，當(dāng)總酸濃度大于201g/L時(shí),往酸罐中加入脫鹽水；當(dāng)總酸濃度小于195g/L時(shí),停止往酸罐中加入脫鹽水。通過得到氯化亞鐵濃度和氯化氫的濃度，計(jì)算出總酸濃度CSHCl，合理簡化后的化學(xué)反應(yīng)式及數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)化式如下：

2×36.5 127

CHClCFeCl2

5　結(jié)束語

通過對酸洗工藝控制參數(shù)的合理取舍，構(gòu)建了酸液濃度的控制思路。通過對控制系統(tǒng)的深入解析，體現(xiàn)了此控制方式在穩(wěn)定工藝介質(zhì)狀態(tài)上的優(yōu)勢。該方案便于依據(jù)逐步積累和優(yōu)化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，修正系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)定值和優(yōu)化控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)控制的數(shù)學(xué)模型。通過對表1中一些控制參數(shù)的不斷優(yōu)化和調(diào)整，逐步實(shí)現(xiàn)了對酸液狀態(tài)的精準(zhǔn)控制，大大降低了酸耗和鐵損，從而降低了生產(chǎn)成本。此方案的酸軋運(yùn)行酸耗量僅為設(shè)計(jì)需求量的40%，極大地降低了機(jī)組介質(zhì)的消耗。

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AnalysisandApplicantionofAcidConcentrationControlSystem

Inordertoadjusttheacidconcentrationunderdeepgrooveacidpicklingprocessmode,akindofacidconcentrationcontrolsystemisbuilt.Thecontrollingparametersarerationallysimplifiedbasedonanalysisofpicklingchemicalprocessingprinciple,andcontrolstructureofacidconcentrationisanalyzed,theconfigurationofaciddetectionsystemisdescribed,theprocessofthedetectedelectricalconductivityanddensityconvertintoacidconcentrationisshown.Accordingtothedetectedconcentrationandflowsofmedia,thecascadePIDcontrolsystemcarriesouttheautomaticregulationofconcentrationofthewholeacidsystem,whenthedisturbancesignalexcitinginacidproductionprocess.Inthelightofpicklingmodelandactualproductionrequirements,thecontrolsystemispreset,theacidstatesofdifferentsteeltypesispre-adjusted,whichrealizestheaccuratecontrolofthewholeacidstates,reducestheacidconsumption,andimprovestheproductionefficiencyofunits.

PicklingControlMeasureConductivityDensityConcentrationPIDRegulate

劉天浩(1979—)，男，2006年畢業(yè)于北京科技大學(xué)機(jī)械專業(yè)，獲碩士學(xué)位，高級工程師；主要從事工程管理方向的研究。

TH868;TP273+.1

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610016

修改稿收到日期：2016-02-29。