熱鍍鋅生產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，冷軋熱鍍鋅機組控制系統中，鍍層重量的控制是一個非常重要的生產環節，其控制好壞直接影響產品質量。雖然已經有很多金屬企業在熱鍍鋅生產系統中建立了相應的控制系統，但由于在鍍鋅過程當中，影響金屬鍍層重量的因素是復雜的，非線性的，導致該類控制系統的控制精確度不高，且在規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品鍍鋅層厚度不均勻，所以此類系統目前仍然主要是靠操作工手動進行操作，因此，這樣的控制現狀很難滿足生產要求[1]。對于熱鍍鋅產品來說，鍍鋅層厚度及其均勻性是一項非常重要的質量指標。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，因此在生產中需要對其加以嚴格的控制[2]。隨著當前自動化控制技術的廣泛應用，國內大型鋼鐵企業的熱鍍鋅生產線已基本實現了對于鍍鋅層厚度的自動化控制。自動化控制技術在建立控制系統與氣刀PLC通訊的基礎上，按照既定的工藝參數通過對氣刀壓力、位置等工藝參數的調節，實現了對鍍層厚度及均勻性的自動化、精確化控制。改變了傳統人工手動調整下鋅層厚度不良的缺陷，有效減少了鋅液消耗，提高了產品質量。本文對熱鍍鋅生產線厚度自動控制的原理和應用進行了探討[3]。

1 生產工藝原理概述

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。生產時，帶鋼經過連退爐預熱后進入溫度達到460℃左右的鋅鍋，繼而發生鋅鐵反應，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鍍鋅層厚度精確調節的關鍵。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 氣刀結構及控制系統的組成

2.1 氣刀結構組成

氣刀為熱鍍鋅生產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。氣刀整體結構主要由噴嘴、主支撐梁、定位器、調整與執行機構、供氣系統、邊部擋板等幾部分組成，如圖1所示。

圖1 氣刀結構

2.2 氣刀自動控制系統的組成

2.2.1 控制系統的硬件組成

邯鋼熱鍍鋅生產線氣刀自動控制系統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、以太網拓展模塊、測厚儀、氣刀調節伺服控制器以及氣刀風機等。

2.2.2 控制系統的網絡結構

氣刀控制網絡系統主要負責氣刀控制系統PLC與現場測厚儀、執行機構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上，通過在機架上外擴的通信板連接到路由器上，從而與現場工藝段PLC、測厚儀、執行單元等以“S7連接”的西門子標準通信方式建立通信連接。

3 氣刀控制功能及閉環控制的實現

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節機構來實現：包括氣流壓力調節、氣刀間距與高度調節、氣刀噴吹角度調節。首先根據鍍鋅產品的鍍層厚度要求在控制系統PLC中建立相應的控制方案，確定在一定鍍層厚度要求下，相應的氣刀噴吹壓力、角度、高度、間距等工藝指標[5]。

當鍍鋅件經過氣刀噴吹環節時，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據以傳輸至PLC和人機交互界面；然后再由PLC按照給定的參數，將控制指令反饋至氣刀調節電機、供氣單元等執行機構，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的高精度調節，實現對鍍層厚度的控制。

在氣刀噴吹的過程中，各項參數指標均會對鍍層厚度和均勻性產生影響，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整；一般通過對噴吹壓力的調節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。對于出現厚度偏差過大，或是存在嚴重邊厚問題，則需要通過調節氣刀框架位置等措施予以糾正。

3.2 氣刀閉環控制的實現

氣刀自動控制可分為檢測和電機控制兩個部分，根據設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，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建立的通訊形成了氣刀系統的閉環控制，氣刀的自動化調節完全按照測厚儀的反饋數據來執行，由此可見，測厚儀的測量精度直接影響到氣刀閉環自動控制的精度。氣刀閉環控制系統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和供氣系統組成，根據測厚儀測量的鋅層厚度反饋值與給定值的偏差，自動對氣壓進行調節。

（2）前饋控制回路。該控制回路根據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進行前饋控制，對生產中因此而產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。當帶鋼表面鍍層厚度橫向出現偏差時，傾斜控制回路通過調節氣刀與帶鋼表面夾角予以糾正。

4 應用效果

氣刀自動化控制技術的應用提高了整個熱鍍鋅生產線的自動化水平，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。系統能夠對鋅層厚度趨勢變化進行預測，并及時調節消除偏差，有效提高了熱鍍鋅產品表面質量，節省了鋅液消耗。穩定生產狀態下，鋅層厚度平均偏差控制在3.5g/m2以內。