熱鍍鋅生產(chǎn)線氣刀自動控制的研究

董繼廣

（河鋼邯鋼邯寶冷軋廠，河北 邯鄲 056000）

在金屬冶煉行業(yè)，冷軋熱鍍鋅機組控制系統(tǒng)中，鍍層重量的控制是一個非常重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其控制好壞直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。雖然已經(jīng)有很多金屬企業(yè)在熱鍍鋅生產(chǎn)系統(tǒng)中建立了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，但由于在鍍鋅過程當(dāng)中，影響金屬鍍層重量的因素是復(fù)雜的，非線性的，導(dǎo)致該類控制系統(tǒng)的控制精確度不高，且在規(guī)格切換時由于壓力變化的慣性很大，很容易引起間斷行的產(chǎn)品鍍鋅層厚度不均勻，所以此類系統(tǒng)目前仍然主要是靠操作工手動進行操作，因此，這樣的控制現(xiàn)狀很難滿足生產(chǎn)要求[1]。對于熱鍍鋅產(chǎn)品來說，鍍鋅層厚度及其均勻性是一項非常重要的質(zhì)量指標(biāo)。如果鍍鋅層過厚，不僅浪費鋅液原料，而且影響表面強度，易出現(xiàn)表面劃痕；如果鋅層厚度不足，則影響鍍件的防腐蝕性能，因此在生產(chǎn)中需要對其加以嚴(yán)格的控制[2]。隨著當(dāng)前自動化控制技術(shù)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)的熱鍍鋅生產(chǎn)線已基本實現(xiàn)了對于鍍鋅層厚度的自動化控制。自動化控制技術(shù)在建立控制系統(tǒng)與氣刀PLC通訊的基礎(chǔ)上，按照既定的工藝參數(shù)通過對氣刀壓力、位置等工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了對鍍層厚度及均勻性的自動化、精確化控制。改變了傳統(tǒng)人工手動調(diào)整下鋅層厚度不良的缺陷，有效減少了鋅液消耗，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。本文對熱鍍鋅生產(chǎn)線厚度自動控制的原理和應(yīng)用進行了探討[3]。

1 生產(chǎn)工藝原理概述

熱鍍鋅工藝即在一定溫度條件下，將板帶與高溫鋅液直接接觸，使鋅層覆蓋于板帶表面的一種鍍鋅工藝。生產(chǎn)時，帶鋼經(jīng)過連退爐預(yù)熱后進入溫度達到460℃左右的鋅鍋，繼而發(fā)生鋅鐵反應(yīng)，并在帶鋼表面形成致密的鋅鐵合金層，將帶鋼本體與外界空氣相隔絕，從而起到避免帶鋼本體氧化腐蝕的作用。帶鋼從鋅鍋吊出時，表面會附著大量的液態(tài)鋅，此時通過氣刀的噴吹作用，使高壓氣流沖擊作用于帶鋼表面，高壓氣流則會將帶鋼表面多余的鋅液刮落回鋅鍋，從而實現(xiàn)對鍍鋅層厚度控制的作用[4]。由此可見，氣刀噴吹作用的控制則是實現(xiàn)鍍鋅層厚度精確調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。氣刀噴吹壓力、位置角度、噴嘴與帶鋼間距、氣刀與鋅鍋液面間距等都會影響到氣流在帶鋼表面的作用效果，繼而影響到鍍層的厚度與均勻性。

2 氣刀結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)的組成

2.1 氣刀結(jié)構(gòu)組成

氣刀為熱鍍鋅生產(chǎn)線上橫貫在整個帶鋼寬度上的縫形噴嘴，利用從噴嘴中噴出的“刀形”扁平氣流來刮去帶鋼表面多余鋅液，因此將這個縫形噴嘴稱之為氣刀。氣刀整體結(jié)構(gòu)主要由噴嘴、主支撐梁、定位器、調(diào)整與執(zhí)行機構(gòu)、供氣系統(tǒng)、邊部擋板等幾部分組成，如圖1所示。

圖1 氣刀結(jié)構(gòu)

2.2 氣刀自動控制系統(tǒng)的組成

2.2.1 控制系統(tǒng)的硬件組成

邯鋼熱鍍鋅生產(chǎn)線氣刀自動控制系統(tǒng)硬件部分主要組成包括：電源模塊、S7400PLC、8通道模擬量輸入模塊與輸出模塊、以太網(wǎng)拓展模塊、測厚儀、氣刀調(diào)節(jié)伺服控制器以及氣刀風(fēng)機等。

2.2.2 控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

氣刀控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要負責(zé)氣刀控制系統(tǒng)PLC與現(xiàn)場測厚儀、執(zhí)行機構(gòu)以及氣刀控制顯示界面的通信連接。各種通信路徑都是連接在以太網(wǎng)上，通過在機架上外擴的通信板連接到路由器上，從而與現(xiàn)場工藝段PLC、測厚儀、執(zhí)行單元等以“S7連接”的西門子標(biāo)準(zhǔn)通信方式建立通信連接。

3 氣刀控制功能及閉環(huán)控制的實現(xiàn)

3.1 氣刀自動化控制的功能和過程

氣刀自動化控制功能主要通過以下調(diào)節(jié)機構(gòu)來實現(xiàn)：包括氣流壓力調(diào)節(jié)、氣刀間距與高度調(diào)節(jié)、氣刀噴吹角度調(diào)節(jié)。首先根據(jù)鍍鋅產(chǎn)品的鍍層厚度要求在控制系統(tǒng)PLC中建立相應(yīng)的控制方案，確定在一定鍍層厚度要求下，相應(yīng)的氣刀噴吹壓力、角度、高度、間距等工藝指標(biāo)[5]。

當(dāng)鍍鋅件經(jīng)過氣刀噴吹環(huán)節(jié)時，首先由測厚儀對鍍層厚度進行測量，然后測厚儀會通過通訊線路將實時的測量數(shù)據(jù)以傳輸至PLC和人機交互界面；然后再由PLC按照給定的參數(shù)，將控制指令反饋至氣刀調(diào)節(jié)電機、供氣單元等執(zhí)行機構(gòu)，從而控制氣刀自動完成對間距、高度、角度和噴吹壓力等參數(shù)的高精度調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對鍍層厚度的控制。

在氣刀噴吹的過程中，各項參數(shù)指標(biāo)均會對鍍層厚度和均勻性產(chǎn)生影響，為減少干擾因素，提高厚度控制的效率和可操作性，自動控制通常將刀間距、刀高、等作為恒定值不做實時調(diào)整；一般通過對噴吹壓力的調(diào)節(jié)來消除鍍層厚度偏差。對于帶鋼速度變化帶來的影響，一般通過前饋補償控制予以消除。對于出現(xiàn)厚度偏差過大，或是存在嚴(yán)重邊厚問題，則需要通過調(diào)節(jié)氣刀框架位置等措施予以糾正。

3.2 氣刀閉環(huán)控制的實現(xiàn)

氣刀自動控制可分為檢測和電機控制兩個部分，根據(jù)設(shè)置在控制室的人機交互界面的給定指令來控制刀架移動，該操作可由三種控制方式加以實現(xiàn)，分別是自動控制、遠程控制和就地控制。

氣刀與測厚儀通過以太網(wǎng)建立的通訊形成了氣刀系統(tǒng)的閉環(huán)控制，氣刀的自動化調(diào)節(jié)完全按照測厚儀的反饋數(shù)據(jù)來執(zhí)行，由此可見，測厚儀的測量精度直接影響到氣刀閉環(huán)自動控制的精度。氣刀閉環(huán)控制系統(tǒng)中使用的控制回路有以下四種：

（1）反饋控制回路。該控制回路由測厚儀、氣刀PLC和供氣系統(tǒng)組成，根據(jù)測厚儀測量的鋅層厚度反饋值與給定值的偏差，自動對氣壓進行調(diào)節(jié)。

（2）前饋控制回路。該控制回路根據(jù)帶鋼通過的速度變化和帶鋼與氣刀之間的距離變化對系統(tǒng)進行前饋控制，對生產(chǎn)中因此而產(chǎn)生的干擾因素進行補償，從而提高控制精度。

（3）中程控制回路。該回路屬于一種特殊控制，由超過正常范圍的氣刀噴嘴，對帶鋼與氣刀間距進行控制。

（4）傾斜控制回路。當(dāng)帶鋼表面鍍層厚度橫向出現(xiàn)偏差時，傾斜控制回路通過調(diào)節(jié)氣刀與帶鋼表面夾角予以糾正。

4 應(yīng)用效果

氣刀自動化控制技術(shù)的應(yīng)用提高了整個熱鍍鋅生產(chǎn)線的自動化水平，克服了原有人工手動控制方式下，干擾因素多、控制精度低、厚度偏差大的弊端。系統(tǒng)能夠?qū)︿\層厚度趨勢變化進行預(yù)測，并及時調(diào)節(jié)消除偏差，有效提高了熱鍍鋅產(chǎn)品表面質(zhì)量，節(jié)省了鋅液消耗。穩(wěn)定生產(chǎn)狀態(tài)下，鋅層厚度平均偏差控制在3.5g/m2以內(nèi)。