冷軋廠自主集成氮?dú)夤苈房刂葡到y(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)

何 凱

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

冷軋廠為了開發(fā)新產(chǎn)品，用杜馬氣刀進(jìn)行了熱鍍鋅鋁鎂的試生產(chǎn)。截至2020 年5 月，已開展熱鍍鋅鋁鎂產(chǎn)品生產(chǎn)3 輪次，累計(jì)生產(chǎn)量3864 t，基本打通生產(chǎn)工藝，目前制約產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)一步提升的關(guān)鍵問題是表面質(zhì)量存在鍍層氧化黑變和鋅流紋缺陷。

1 熱鍍鋅鋁鎂生產(chǎn)存在的問題

熱鍍鋅鋁鎂產(chǎn)品的鎂元素是確保產(chǎn)品耐蝕性的關(guān)鍵，液態(tài)的鎂元素較活潑，與氧的親和力極強(qiáng)，氧化速度大大加快，特別是鍍液經(jīng)過氣刀噴吹時(shí)，液態(tài)鍍層與空氣的接觸面積很大，產(chǎn)生嚴(yán)重氧化。由于表面氧化層會(huì)增大鋅液黏度，降低鋅液流動(dòng)性，從而在鋅鋁鎂生產(chǎn)中產(chǎn)生鋅流紋缺陷。同時(shí)，鋅鋁鎂鍍層的氧化物是鋁和鎂氧化物的混合物，對(duì)光線有一定的干涉效應(yīng)，不同厚度的氧化膜對(duì)光線的折射不均勻，從而使帶鋼表面產(chǎn)生鍍層偏暗、發(fā)黑和色差等缺陷，影響產(chǎn)品形象。因此，鎂元素的氧化問題導(dǎo)致鋅鋁鎂鍍層生產(chǎn)比普通熱鍍鋅難度更大，表面質(zhì)量問題更多。

相關(guān)文獻(xiàn)表明，氣刀噴吹介質(zhì)由空氣改為氮?dú)馐歉纳其\鋁鎂產(chǎn)品表面的重要途徑。因?yàn)榈獨(dú)饣瘜W(xué)性質(zhì)不活潑，杜絕了刮鋅過程中鎂的氧化，不僅解決色差和發(fā)暗問題，同時(shí)可保證鋅液流動(dòng)性，減少鋅流紋缺陷產(chǎn)生。日本專利文獻(xiàn)認(rèn)為氣刀氣體的氧含量控制在3%以下，帶鋼出鍍鍋后進(jìn)入密封箱內(nèi)進(jìn)行二次氮?dú)鈿饬骼鋮s，密封箱內(nèi)的氧含量控制在8%以下有良好效果。

所以新產(chǎn)品的開發(fā)急需氮?dú)庾鳛闅獾兜膰姶到橘|(zhì)，提升熱鍍鋅鋁鎂產(chǎn)品質(zhì)量。

2 項(xiàng)目調(diào)研

目的：提高鍍層質(zhì)量，降低鋅的消耗。

2.1 氣刀氮?dú)夤に噮?shù)

氮?dú)饬髁?800 Nm3/h；壓力0.3 MPa；氮?dú)饧兌?9.99%；鋅層厚度：（80～160）g/m2（雙面）。

2.2 氮?dú)鈦碓春?jiǎn)介

目前能動(dòng)冷軋氣保站現(xiàn)有5 套氮?dú)鈨艋到y(tǒng)，加壓系統(tǒng)有4 臺(tái)，6 臺(tái)氮壓機(jī)組成。6 個(gè)400 m3的氮?dú)鈨?chǔ)氣罐，調(diào)壓站5 條氮?dú)庵髀泛团月窚p壓后0.4 MPa 為冷軋1#、2#、3#及罩式爐輸送精氮（99.999%）。

梅塞爾公司經(jīng)能動(dòng)主管網(wǎng)供煉鋼低壓氮?dú)?.6 MPa、純度99.99%，流量可根據(jù)用戶需求增開氮壓機(jī)。富余氮?dú)饬浚?000～4000）Nm3/h，低于工藝參數(shù)的要求。

2.3 工藝運(yùn)行分析

經(jīng)過工程人員對(duì)實(shí)際杜馬氣刀的空氣流量使用情況進(jìn)行分析核算，現(xiàn)有的杜馬風(fēng)機(jī)提供的額定流量為4200 Nm3/h，根據(jù)實(shí)際鋅層厚度計(jì)算最大空氣流量沒有超過3500 Nm3/h，認(rèn)為能動(dòng)提供的富余氮?dú)饬磕軡M足生產(chǎn)的需要（除極限鋅層規(guī)格）。咨詢了德國(guó)杜馬公司，氮?dú)饪刂崎y組帶調(diào)試報(bào)價(jià)340 萬(wàn)元，由于受新冠疫情影響項(xiàng)目還不能立即執(zhí)行，而新產(chǎn)品開發(fā)又迫在眉睫，項(xiàng)目經(jīng)過前期調(diào)研和方案討論，攀鋼釩公司最后決定依靠自己的技術(shù)力量新增一套氮?dú)夤苈贰?/p>

3 管路施工

冷軋廠作為執(zhí)行項(xiàng)目的主體，冷軋廠立即成立項(xiàng)目組，首先根據(jù)氣刀氮?dú)馐褂玫恼Ａ髁?、正常閥壓降、正常閥阻比和最大流量確定控制閥的口徑尺寸和管路口徑尺寸，綜合考慮安全因數(shù)選擇對(duì)應(yīng)的閥的類型。根據(jù)工藝提出的對(duì)壓力控制精度設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的管路圖，組織購(gòu)買備件，以最快的速度完成了前期的準(zhǔn)備工作。在7 月15 日項(xiàng)目開始動(dòng)工，由于氮?dú)夤苈穼儆谔胤N設(shè)備，采購(gòu)管道要符合標(biāo)準(zhǔn)，鋼管驗(yàn)收合格后首先進(jìn)行酸洗、沖洗、烘干、管道吊運(yùn)、高空安裝、打坡口、氬弧焊打底焊接、現(xiàn)場(chǎng)拍切片，最后做探傷檢測(cè)，128 道焊口重復(fù)以上工序，每道工序都不能馬虎，施工環(huán)境溫度高（鋅鍋地下室溫度達(dá)到60 ℃），各單位人員按質(zhì)按量安裝氮?dú)夤苈?00 m（Ф250 mm），并制定詳細(xì)的吹掃、試壓方案，施工圖集如圖1 所示。新安裝的氮?dú)夤苈酚?月11 日一次性打壓成功，并通過攀枝花市特檢所驗(yàn)收合格。

圖1 施工圖集

4 動(dòng)態(tài)調(diào)試

氮?dú)夤苈反驂汉细瘢獨(dú)夤苈烽y組轉(zhuǎn)入現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。在8 月13 日進(jìn)行在線動(dòng)態(tài)氮?dú)庹{(diào)試，動(dòng)態(tài)調(diào)試的關(guān)鍵是氣刀刀腔壓力的穩(wěn)定性，壓力不穩(wěn)會(huì)產(chǎn)生條鋅等質(zhì)量缺陷。為了保證氣刀上下刀腔的壓力穩(wěn)定，提出三級(jí)調(diào)壓，從能動(dòng)引入總管氮?dú)鈮毫?jīng)自力式調(diào)節(jié)閥，將壓力由0.45 MPa（4500 mbar）調(diào)壓到0.1 MPa（1000 mbar）壓力，氮?dú)馓淄舱{(diào)節(jié)閥作為壓力完成氮?dú)鈮毫Τ跽{(diào)，氮?dú)鈮毫{(diào)由杜馬氣刀腔體的徑向控制器完成，根據(jù)流程制定了詳細(xì)的調(diào)試方案。自主軟件集成具備以下功能：

（1）由于氮?dú)獯嬖诎踩L(fēng)險(xiǎn)，首先要做好條件連鎖，不能讓氮?dú)獾构噙M(jìn)原氣刀風(fēng)機(jī)中，擴(kuò)散在鋅鍋地下室。

（2）要保護(hù)杜馬氣刀壓力不能超限，防止高壓造成氣刀刀腔的損壞。在可能出現(xiàn)的異常情況下，主動(dòng)切斷氮?dú)饪偳袛嚅y。

（3）氮?dú)馇袛嚅y，具備手動(dòng)操作，以及自動(dòng)一鍵控制，能使空氣和氮?dú)膺_(dá)到無(wú)縫切換。

（4）氣動(dòng)切斷閥根據(jù)設(shè)備要求，需要設(shè)定先后開發(fā)順序，先開上下切斷閥再開總閥，反之先關(guān)總閥，再關(guān)上下表面切斷閥防止氮?dú)夤軆?nèi)憋壓。

（5）切斷閥打開具有不協(xié)調(diào)保護(hù)功能。

（6）做好上下表面壓力管道分支回路出現(xiàn)漏氣，需做壓力偏差保護(hù)功能。

（7）新安裝殘氧報(bào)警儀要同步投入使用。

首先在原有機(jī)組系統(tǒng)中增加相應(yīng)控制程序，具體做法按工藝需求，根據(jù)已設(shè)計(jì)的管路圖畫出電氣接線圖，然后根據(jù)圖紙?jiān)O(shè)計(jì)在西門子硬件配置中增加輸入、輸出模板的配置，將需要控制的閥用西門子WinCC 做成操作畫面，氮?dú)獠僮鳟嬅嫒鐖D2所示。

圖2 氮?dú)獠僮鳟嬅?/p>

利用二鍍鋅機(jī)組西門子S7-400 控制器完成程序編寫，在實(shí)際調(diào)節(jié)中要防止調(diào)節(jié)閥相互影響，形成干涉，剛開始調(diào)試時(shí)，氮?dú)鈮毫Τ霈F(xiàn)震蕩和超調(diào)現(xiàn)象。PLC 程序如圖3 所示。

圖3 程序設(shè)計(jì)（局部）

為了解決這2 個(gè)問題解決，主要對(duì)3 個(gè)調(diào)節(jié)裝置功能進(jìn)行細(xì)分：自力式減壓閥主要完成主管壓力減壓調(diào)節(jié)，根據(jù)氣刀實(shí)際氮?dú)馐褂脡毫σ螅瑢⒌獨(dú)鈮毫?.45 MPa（4500 mbar）降為0.1 MPa（1000 mbar）。氮?dú)夤苈诽淄舱{(diào)壓閥完成氮?dú)鈮毫Φ拇终{(diào)，控制的偏差在0.0002 MPa（2 mbar）內(nèi)，壓力的調(diào)節(jié)采用位置型數(shù)字PID 調(diào)節(jié)器，連續(xù)的PID 調(diào)節(jié)器的輸出與偏差的微分方程如下[1]：

式中 u（t）——控制的輸出，mbar

KP——比例系數(shù)

e——偏差

T1——積分時(shí)間，s

TD——微分時(shí)間，s

在采樣定理的基礎(chǔ)上對(duì)微分方程進(jìn)行離散化，選擇合適的采樣周期，機(jī)組程序的掃描周期是50 ms，壓力傳感器采樣頻率≤2 ms，實(shí)際氮?dú)鈮毫ψ兓徛?，采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓力變化的2 倍頻率，由此得PID 調(diào)節(jié)器的離散方程：

式中 un——第n 次離散控制的輸出

n——采樣序號(hào)

Ts——采樣周期

en——第n 次采樣的偏差值

利用所得到的離散方程（2），在西門子S7-400 控制系統(tǒng)中完成PID 調(diào)節(jié)器的程序編寫，以功能塊的形式在程序中調(diào)用，輸出直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門開度，就地I/O 模板輸出為標(biāo)準(zhǔn)的（4～20）mA 模擬信號(hào)。并且對(duì)數(shù)字PID 調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)計(jì)為0.0002 MPa（2 mbar），達(dá)到0.0002 MPa（2 mbar）偏差內(nèi)套筒調(diào)節(jié)閥就不再調(diào)節(jié)。氮?dú)忾y組在結(jié)構(gòu)性質(zhì)上存在容量系數(shù)、阻力和傳輸距離，在動(dòng)態(tài)過程中表現(xiàn)出慣性、自平衡和延遲（包括傳輸遲延、容積遲延），根據(jù)這些特點(diǎn)單獨(dú)設(shè)計(jì)PID 輸入預(yù)控制方案，該預(yù)控制方案類似前饋控制，只是通過西門子編程軟件進(jìn)行PID 輸入曲線設(shè)計(jì)，并且曲線根據(jù)閥組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是連續(xù)可調(diào)的，PID 輸入預(yù)控制輸入輸出見表1，PID 輸入預(yù)控制如圖4 所示，然后分別對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行多次整定。

圖4 PID 輸入預(yù)控制

表1 PID 輸入預(yù)控制輸入輸出

當(dāng)壓力調(diào)節(jié)在0.0002 MPa（2 mbar）內(nèi)波動(dòng)時(shí)由氣刀徑向控制完成精調(diào)，該控制需要在杜馬控制系統(tǒng)中完成，徑向控制采用西門子S120 伺服驅(qū)動(dòng)器6ES7120-1TE21-0AD0 單電機(jī)模塊，控制單元和電源裝置之間的連接使用數(shù)字系統(tǒng)接口DRIVE-CLiQ 來完成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用西門子同步伺服1FK7 系列的電機(jī)，電機(jī)內(nèi)置式編碼器帶DRIVE-CLiQ 接口的旋轉(zhuǎn)變壓器（R14DQ 旋轉(zhuǎn)變壓器14 位），分辨率16 384，內(nèi)部2 極，最大角度誤差840"，所有設(shè)備的硬件保證了工藝對(duì)控制精度的要求。經(jīng)過對(duì)3 個(gè)調(diào)節(jié)回路進(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié)優(yōu)化，最后氮?dú)鈮毫_(dá)到穩(wěn)定，氮?dú)鈮毫φ{(diào)節(jié)對(duì)比如圖5 所示，空氣壓力調(diào)節(jié)對(duì)比如圖6 所示。

圖5 氮?dú)鈮毫φ{(diào)節(jié)對(duì)比

圖6 空氣壓力調(diào)節(jié)對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

二鍍鋅新增氮?dú)夤苈肥┕?，從?xiàng)目調(diào)研、設(shè)計(jì)、調(diào)試在三個(gè)多月內(nèi)完成，自主集成開發(fā)氮?dú)饪刂崎y組，可以減少程序設(shè)計(jì)費(fèi)、調(diào)試費(fèi)用在50 萬(wàn)元以上，從項(xiàng)目實(shí)施效果來看，可以看出氮?dú)夂涂諝鈮毫φ{(diào)節(jié)超調(diào)量大體相當(dāng)，超調(diào)量都基本控制在1%以內(nèi)，絕對(duì)值在0.0002 MPa（2 mbar）內(nèi)，氮?dú)鈮毫Σ▌?dòng)頻次更加平滑并優(yōu)于空氣調(diào)節(jié)，試驗(yàn)的熱鍍鋅鋁鎂板表面質(zhì)量明顯改善，新增氮?dú)夤苈穼?shí)驗(yàn)新產(chǎn)品獲得成功。