鋼廠軋鋼32 鍍層鍍鋅板氣刀改進與探究

張 鑫

（邯鄲鋼鐵集團有限責任公司邯寶冷軋廠鍍鋅車間，河北邯鄲 056000）

0 引言

某鋼廠在生產鍍鋅板的過程中，由熱軋運軌小車運送的鋼卷，通過卷曲機和焊機的連接，清洗段脫脂去除表面雜質和污垢，再將帶鋼以一定速度通過立式退火爐處理，從爐箅子出來進入鋅鍋，表面經過氣刀吹掃，將鋅液均勻涂于帶鋼表面并具有附著性。在氣刀吹掃的過程中，氣刀噴射出扁平形的氣流，氣流呈現一定的壓強作用于帶鋼表面，像一把鋒利的刀子，所以起名為“氣刀”。

32 鋅層鍍鋅板屬于極限規格鋼板，對氣刀的唇縫要求較高，唇縫過細容易導致堵塞，產生不必要的降級品。在穩定生產的前提下，要保證清洗段、退火熱處理段有效運行，給帶鋼充分附著鋅液提供保障。

1 氣刀工藝原理

氣刀控制系統主要由氣刀的自然本體、間距調節機關、傾角調節機關、邊部鍍層調節設備、自動定位設備、增強設備等形成。氣刀總體分為上表層氣刀和下表面氣刀，各個氣刀上均有氣刀刀架、刀體、刀唇間隙、關閉裝置、刀唇清理裝置、刀唇間隙調節裝置、刀唇擺動角度調節裝置、刀唇距離調節裝置等，氣刀邊部擋板安裝在氣刀刀架內部。

1.1 氣刀本體

氣刀的自然本體結構是由設在鋅鍋上部，主要是在帶鋼兩端的上氣刀和下氣刀所構成的。每一個上氣刀通過刀身主橋橫穿在鋅鍋的上部，而主橋同時也成為了供氣管道，采用金屬軟管和供氣系統中的管路相連，廢氣流經主橋兩頭和中間3 個氣管路流入上氣刀刀腔，隨后再經過中間3 個配氣孔板流入噴嘴。利用正確的氣刀位置和導向來擠壓空氣氣流撞擊熔融金屬層，將帶鋼表層中剩余的鋅刮掉，并產生一層均勻的厚薄適當的金屬材料涂層。而側部擋板的主要功能，是降低帶鋼邊部受到氣體影響時，形成的金屬材料邊部過厚涂層和噪聲。上氣刀最初使用金屬材料內部的過熱蒸汽作發射介質，目前多以壓縮式空氣斷路器取代。鋅鍋兩側都放置著氣刀定位儀，以維持和調整在鋅鍋上與帶鋼和鋅鍋相連的氣刀的相對方位。各定位儀都由一組垂直運動的網格平臺構成，各網格平臺都定位在2 個水平運動的桌面上（圖1）。

圖1 氣刀整體3D 效果圖

1.2 氣刀壓力

氣刀是由風機吹出一定壓強的風作用于帶鋼表面，氣刀壓力通常由噴吹口的壓強所決定。在同等速度、同等鋼種條件下，當增大氣刀壓力時，附著帶鋼的鋅液受到的壓力增大，鋅液吹開的面積增加，鋅層厚度減少；相反，在同等帶鋼運行速度和同鋼種的條件下，減小氣刀壓力，鋅液受力減少，鋅層厚度增加。因此，通過改善氣刀壓力就可以控制鋅層厚度，刀距、刀壓和鋅層厚度成一定量的線性規律。噴出氣流的溫度對帶鋼表面的鋅液冷卻作用也會影響氣刀的實際效果，溫度越低，鋅層越厚。氣刀控制通過相關參數和控制邏輯，在一定范圍內調節氣刀壓力，參數呈現一定的變化方式，并不是簡單控制某個參數，而是迭變的，相互影響、相互耦合、相互牽制（圖2）。

圖2 現場氣刀壓力及相關參數控制

1.3 帶鋼速度

現場生產速度曲線是對帶鋼生產速度的直觀展示，帶鋼速度取決于軋制品的金屬材料性能，并對鋅層厚度有很大影響（圖3）。帶鋼從鋅鍋粘鋅液而出，在同等氣刀壓力，設定固定的噴射角度和距離，同等鋼種條件下，帶鋼速度越快，涂鍍上的鋅液越多；帶鋼速度越慢，氣刀與帶鋼作用的時間越長，涂鍍上的鋅層越薄。例如，壓力為580 mbar（58 kPa）時，帶鋼速度由100 m/min 提升至140 m/min，鋅層厚度增加量為40 g/m2；當壓力為825 mbar（82.5 kPa）時，在同等速度變化條件下，單面鋅層厚度增加量減少至22 g/m2。因此，帶鋼速度、噴吹壓力與鋅層厚度呈線性關系。

圖3 現場即時生產速度曲線

1.4 氣刀距離調節控制機構

距離調節機構按照工藝要求調節刀體和帶鋼間距，它由體型極小，能夠在高溫環境穩定工作，產生很大扭矩和準確位置的步進電機實現。刀唇距離調節裝置包括一套氣動快開系統和電機驅動的蝸輪蝸桿調節器。快開系統能將刀體快速打開到初始位置，主要用于帶鋼焊縫區域、帶鋼變形褶皺區域等通過氣刀時，快速打開刀體，避免刀唇受到刮傷或造成鋅塊堵塞，導致產生氣刀條痕。快開系統閉合后，帶動刀體連接支撐上的蝸輪蝸桿升降機壓靠刀架內壁，刀唇距離調節傳動系統驅動升降機的主軸伸縮，壓縮快開氣缸，實現刀唇距離調節。

1.5 角度調整機構

氣刀的傾角調節機構，可調整氣刀與自然本體和帶鋼的夾角，是±5°調整的弧形運動。負角度是使氣刀噴嘴和帶鋼的垂線方向成下斜角度，氣刀傾斜角一般不大于1°，呈錯層斜吹。為了減小帶鋼側部增厚，常使帶鋼的兩端氣刀夾角有細微差別，避免兩側氣流的直接對碰。

1.6 邊部鍍層控制裝置

側部的鍍層控制裝置則是在氣刀兩端各有一條，利用氣缸限制其移動，并與帶鋼邊緣始終保持2～5 mm 間距懸掛在移動小車上的2 塊擋板，能夠防止帶鋼側部涂層過厚，同時減少噪聲。

1.7 定位裝置

當帶鋼從鋅鍋出來后，若不與氣刀保持平行，或中心線未與氣刀對正，則通過定位設備的掃描裝置和位移裝置確保氣刀和帶鋼保持平行和中間定位。

1.8 提升裝置

氣刀的提升設備，是指通過調節工藝技術參數來調節氣刀從自然本體至鋅鍋面間的距離。

2 氣刀參數對鍍層的影響

2.1 氣刀唇縫對鋅層厚度的影響

以生產32 鋅層為例，規格帶鋼為0.38 mm 厚度，寬度為1333 mm，當氣刀唇縫由1.15 mm 減少至0.8 mm 時，產線生產速度由100 m/min 上升至140 m/min，鋅層厚度由45 g/cm2減少至32 g/cm2，即時產量由23.97 t/h 上升至33.5 t/h，氣刀壓力由580 mbar（58 kPa）上升至825 mbar（82.5 kPa），風機轉速由3400 r/min 上升至3600 r/min，出風量由4900 Nm3/h 減少至4200 Nm3/h，出風口氮氣溫度和風機進出口軸承溫度也相應提高（表1）。在改良氣刀唇縫的基礎上，生產速度、即時產量、氣刀壓力、風機轉速、出風量、出風口氮氣溫度、風機進出口軸承溫度都發生變化。除了出風量和鋅層減少外，其余參數均增加。

表1 32 鋅層/規格0.38 mm×1333 mm 改變氣刀唇縫其他值變量的影響

2.2 刀唇角度對鋅層厚度的影響

刀唇角度在實際應用時，變化量在-1°～-0.5°調節。刀唇角度可以增加帶鋼鋅液的切入角度，有效控制鋅液的厚度。當刀唇角度為微直角時，氣刀的作用力最強，氣刀對鋅層厚度的影響最大，其他角度容易造成鋅液噴濺、氣刀條痕等。因此，確定刀唇角度對帶鋼表面鋅層厚度和質量有一定影響。

2.3 擋板厚度和角度對鋅層厚度的影響

氣刀擋板擋住了一部分氣刀噴吹的氣流，在帶鋼邊部形成一定的小型氣流漩渦，增加了氣刀的噴吹面積，提高了氣刀能力。在帶鋼邊部增加氣流面積，可以有效預防邊部氣刀條痕和邊部結渣等情況的發生。擋板并不是越厚越好，多次實踐發現，當擋板厚度為1.8 mm 時，邊部角度為82°時，鋅層厚度和中間值相等。楔形刀唇結構的氣刀可以有效減少邊部由于氣刀壓力減少帶來的弊端，提升邊部鋅層厚度值的控制精度，達到最優鋅層厚度值。

2.4 閉環控制

氣刀調節的參數較多，如果全部依靠人工進行參數調整、優化，不但難度較大，而且在調整過程中可能產生大量的不合格品。在鋅層測厚儀的測量基礎上，利用ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源計劃）物料信息系統反饋、中冠數據整體數據開發和化驗站數值比對，形成非線性規劃數據統計參數（圖4）。通過前饋控制和實際調節，針對鋅層控制情況，模擬數據比對出鋅層控制方案。

圖4 32 鋅層中冠數據

氣刀間距設定值通過多元線性回歸算法得出：

其中，Dset為氣刀間距設定值，W 為帶鋼寬度，LS 為生產線速度，ZW 為目標鋅層重量，a、b、c、d 為回歸系數和常數。在實際生產中，閉環控制尤為重要。

3 結論

通過氣刀唇縫的分析，得出唇縫減少對生產速度、即時產量、氣刀壓力、風機轉速、出風量、出風口氮氣溫度、風機進出口軸承溫度發生一系列的變化。再分析刀唇角度對鋅層厚度的影響，擋板厚度和角度的分析，閉環數據上的控制，研究出鋼廠軋鋼32 鍍層鍍鋅氣刀改進。分析出減小氣刀唇縫后該規格提速140 m/min 后，提產40%，氣刀風機負載、轉速未大幅提升、風機軸承溫度在可控范圍內的情況下，鋅層厚度控制在32 g/cm2。刀唇角度在實際應用時，變化量在-1°～-0.5°調節。擋板厚度為1.8 mm 時，邊部角度為82°時，鋅層厚度和中間值相等，氣刀達到最好效果。

氣刀工藝不具有穩定可控的數據狀態，32 鋅層需要使用專用的特制氣刀，因為唇縫過小，容易造成堵塞，易產生氣刀條痕，或完全堵住后產生厚邊等非計劃品。在保證氣刀良好狀態下，要保證產線無頻繁變化的產品，降低規格變化產生的過渡品，實現穩定生產的環境，提升生產效率。