胥平

【關(guān)鍵詞】熱鍍鋅連續(xù)退火爐 退火工藝 爐溫控制系統(tǒng) QPCT

1 引言

鋼鐵是當(dāng)今社會(huì)各行各業(yè)應(yīng)用最廣泛的金屬材料。然而單純的鋼鐵制品存在嚴(yán)重的腐蝕問題。每年由于腐蝕而報(bào)廢的鋼鐵材料和設(shè)備占生產(chǎn)總量的1/3。人們一直在尋找解決鋼鐵腐蝕問題的有效手段。

鋅是人們首先認(rèn)識(shí)到的一種有效保護(hù)鋼鐵腐蝕的金屬。在潮濕腐蝕環(huán)境下，鋅會(huì)在表面形成耐腐蝕碳酸鋅薄膜，它能保護(hù)內(nèi)部鋅不在被腐蝕。同樣的在鋼鐵制品表面在鍍上一層鋅后可以很好的保護(hù)內(nèi)部鋼鐵制品不被腐蝕，延長(zhǎng)其使用壽命。隨著上世紀(jì)末，家電行業(yè)和汽車行業(yè)大量采用鍍鋅鋼板，國(guó)內(nèi)對(duì)于熱鍍鋅生產(chǎn)線的建設(shè)進(jìn)度開始加快。

梅山鋼鐵股份有限公司1422熱鍍鋅生產(chǎn)線熱鍍鋅機(jī)組采用“美鋼聯(lián)法”處理工藝，主要工藝設(shè)備配置有入口開卷及活套裝置、清洗裝置、退火爐、鍍后冷卻裝置、化學(xué)處理裝置、出口活套及卷曲裝置。其中連續(xù)退火爐包括預(yù)熱段（PHS）、直燃段（DFS）、輻射段（RHS）、冷卻段（CS）、熱張輥段（TDRS）和爐鼻（SNOUT），并配置點(diǎn)火系統(tǒng)、氮?dú)浠旌舷到y(tǒng)和爐內(nèi)氣體分析儀等配套設(shè)備。

熱鍍鋅帶鋼退火屬于再結(jié)晶退火，用以消除冷軋軋制過程引起的硬化現(xiàn)象。梅鋼熱鍍鋅設(shè)計(jì)生產(chǎn)商用鋼（CQ）、深沖鋼（DQ）、高強(qiáng)度鋼（HSS）及全硬鋼（FH） 4個(gè)鋼種的帶鋼。

2 控制技術(shù)介紹

2.1 工藝要求

要使帶鋼滿足各類產(chǎn)品的退火工藝要求，溫度控制非常關(guān)鍵。根據(jù)上表所述鋼種生產(chǎn)要求，熱鍍鋅退火爐帶鋼溫度最高設(shè)計(jì)值達(dá)到800℃，以滿足再結(jié)晶退火的要求。熱鍍鋅機(jī)組加熱爐的均熱時(shí)間按照不小于22.5秒（即630-800℃）。冷卻段中800℃冷卻到600℃為緩冷，冷卻速率：25℃/秒；800℃冷卻到460℃為緩冷，冷卻速率：40℃/秒。帶鋼進(jìn)鋅鍋的溫度為420-480℃，一般為465℃；進(jìn)入水淬槽的溫度為200℃，烘干后帶鋼的溫度小于50℃。針對(duì)熱鍍鋅不同帶鋼種類的組成成分，可以確定其退火加熱及冷卻溫度曲線如圖1所示。

2.2 控制系統(tǒng)硬件配置

根據(jù)控制范圍和要求，梅山熱鍍鋅機(jī)組退火爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套含有3個(gè)CPU控制器的PLC控制系統(tǒng)，硬件采用西門子S7系列。其中一個(gè)S7-400的PLC負(fù)責(zé)控制退火爐段的燃燒、爐膛壓力、氮?dú)浠旌?、和爐膛氣體分析等的控制；一個(gè)S7-400的PLC負(fù)責(zé)清洗、后繼冷卻、化學(xué)處理等等的控制；一個(gè)300系列的PLC負(fù)責(zé)退火爐點(diǎn)火系統(tǒng)的控制。本套系統(tǒng)還通過Profibus-DP與熱鍍鋅機(jī)組電氣傳動(dòng)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)與熱鍍鋅機(jī)組L2進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3 控制方案設(shè)計(jì)

2.3.1 退火爐控制方案總體介紹

帶鋼在清洗段化學(xué)脫脂和電解脫脂后進(jìn)入退火爐。經(jīng)過預(yù)熱段預(yù)熱，直燃段加熱、輻射管均熱段、冷卻段降溫和熱張輥段保溫后進(jìn)入鋅鍋。在預(yù)熱段和直燃段加熱過程中，為了防止帶鋼表面氧化，影響鍍鋅效果，要求直燃段每個(gè)分區(qū)的燃燒控制在微欠氧狀態(tài)下。多余未燒盡的燃?xì)馔ㄟ^預(yù)熱段補(bǔ)充空氣燃燒。最終廢氣管道內(nèi)的含氧量要求控制在2%以下。帶鋼在預(yù)熱段和直燃段產(chǎn)生的氧化效果是無法完全避免的。此時(shí)通過在輻射管均熱段、冷卻段和熱張輥段內(nèi)通入高含量H2（最高可達(dá)30%）來還原帶鋼表面。同時(shí)帶鋼在輻射管均熱段內(nèi)繼續(xù)加熱，并保持在一個(gè)特定溫度范圍內(nèi)，使得其有足夠的時(shí)間完成再結(jié)晶。冷卻段內(nèi)還原性保護(hù)氣體通過循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行封閉式循環(huán)，爐內(nèi)氣體經(jīng)過換熱器冷卻后從噴箱的噴嘴吹向帶鋼。噴箱在寬度方向分成3個(gè)區(qū)域以保證帶鋼溫度均勻以防止帶鋼瓢曲。最后帶鋼經(jīng)熱張輥段進(jìn)入鋅鍋鍍鋅。

表1為退火爐各段的控制方式。“PLC”控制模式是退火爐控制系統(tǒng)的默認(rèn)模式。在“PLC”模式中無論是帶鋼溫度控制模式還是爐膛溫度控制模式，溫度設(shè)定值均由操作人員根據(jù)工藝要求并結(jié)合操作經(jīng)驗(yàn)直接在畫面上設(shè)定。在“L2”模式下，帶鋼的退火溫度設(shè)定值由L2系統(tǒng)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的統(tǒng)計(jì)并結(jié)合生產(chǎn)工藝給出。“L2”模式下不直接給出各段爐膛溫度的設(shè)定值。

2.3.2 直燃段控制

直燃段設(shè)有5個(gè)燃燒區(qū)域，根據(jù)不同的工況對(duì)爐膛燃燒的不同要求，直燃段設(shè)有點(diǎn)火模式（IGNI）、加熱模式（HEAT）、自動(dòng)模式（AUTO）和最小燃燒模式（MIN），這4種模式可以在CRT上手動(dòng)切換，當(dāng)滿足一定條件時(shí)，控制系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)切換，切換按區(qū)進(jìn)行，即各區(qū)燃燒模式可以不一致。其切換遵循下列原則：

（1）直燃段（區(qū)）主燒嘴已關(guān)閉，切換到IGNI模式。

（2）直燃段（區(qū)）溫度超高限報(bào)警時(shí)，切換到MIN模式。

（3）中央段停機(jī)連鎖投入時(shí)機(jī)組停機(jī)，切換到MIN模式。

其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）點(diǎn)火模式。此模式用于在主燒嘴點(diǎn)火條件具備后對(duì)爐膛進(jìn)行點(diǎn)火。當(dāng)選擇了點(diǎn)火模式后，各個(gè)燃燒區(qū)的燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥先根據(jù)點(diǎn)火開度設(shè)定值（MVfign）打開到一定開度?？諝庹{(diào)節(jié)閥則根據(jù)空氣流量點(diǎn)火設(shè)定值（Qaign）控制開度。在燃?xì)膺M(jìn)氣閥打開一段時(shí)間后，燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥根據(jù)燃?xì)饬髁奎c(diǎn)火設(shè)定值（Qfign）控制開度。

點(diǎn)火模式作為缺省模式在主燒嘴熄火或燃?xì)膺M(jìn)氣閥關(guān)閉的時(shí)候，燃燒模式會(huì)自動(dòng)切換到點(diǎn)火模式下控制。

（2）加熱模式。此模式用于在主燒嘴完成點(diǎn)火后控制爐膛溫度。在選擇了加熱模式后，各個(gè)燃燒區(qū)的燃?xì)庹{(diào)節(jié)根據(jù)中選器后的設(shè)定值（Qfsv）進(jìn)行控制，各個(gè)燃燒區(qū)的空氣調(diào)節(jié)根據(jù)中選器后的設(shè)定值（Qasv）進(jìn)行控制。當(dāng)出現(xiàn)爐膛溫度特高時(shí)，爐溫控制會(huì)自動(dòng)切換到最小模式，此時(shí)各個(gè)燃燒區(qū)的燃?xì)庹{(diào)節(jié)根據(jù)最小設(shè)定值（Qfmin）進(jìn)行控制，各個(gè)燃燒區(qū)的空氣調(diào)節(jié)根據(jù)最小設(shè)定值（Qamin）進(jìn)行控制。

當(dāng)選擇加熱模式時(shí)，爐溫控制將根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的升溫曲線進(jìn)行控制。

（3）自動(dòng)模式。此模式用于在主燒嘴完成點(diǎn)火后控制爐膛溫度和帶鋼溫度。此時(shí)系統(tǒng)可以接收L2下傳的帶溫設(shè)定值。在選擇了自動(dòng)模式后，各個(gè)燃燒區(qū)的燃?xì)庹{(diào)節(jié)根據(jù)中選器后的設(shè)定值（Qfsv）進(jìn)行控制，各個(gè)燃燒區(qū)的空氣調(diào)節(jié)根據(jù)中選器后的設(shè)定值（Qasv）進(jìn)行控制。當(dāng)出現(xiàn)爐膛溫度特高或中央段停機(jī)連鎖已投入時(shí)，爐溫控制會(huì)自動(dòng)切換到最小模式，此時(shí)各個(gè)燃燒區(qū)的燃?xì)庹{(diào)節(jié)根據(jù)最小設(shè)定值（Qfmin）進(jìn)行控制，各個(gè)燃燒區(qū)的空氣調(diào)節(jié)根據(jù)最小設(shè)定值（Qamin）進(jìn)行控制。連鎖投/切按鈕設(shè)置在CRT上。當(dāng)連鎖投入后，自動(dòng)燃燒模式會(huì)隨著中央段的停止而自動(dòng)切換到最小模式。當(dāng)連鎖切除后，模式不會(huì)自動(dòng)變換。

（4）最小模式。此模式下爐溫不受控制。主要用于抑制爐溫上升。此模式下各個(gè)燃燒區(qū)的燃?xì)庹{(diào)節(jié)根據(jù)最小設(shè)定值（Qfmin）進(jìn)行控制，各個(gè)燃燒區(qū)的空氣調(diào)節(jié)根據(jù)最小設(shè)定值（Qamin）進(jìn)行控制。

表2為各個(gè)模式下選擇開關(guān)的動(dòng)作情況。

2.3.3 燃燒控制

在直燃段燃燒控制中，燃?xì)庹{(diào)節(jié)回路和空氣調(diào)節(jié)回路按照預(yù)先設(shè)置好的燃燒比例各自調(diào)節(jié)。同時(shí)為了優(yōu)化燃燒采用雙交叉限幅燃燒控制回路來調(diào)節(jié)燃?xì)夂涂諝獾淖兓ＷC爐膛燃燒的穩(wěn)定。雙交叉限幅控制不僅使燃燒穩(wěn)定，而且在負(fù)荷瞬時(shí)變化和擾動(dòng)的情況下保證空氣和燃料流量比在一定的允許范圍內(nèi)穩(wěn)步變動(dòng)，使?fàn)t內(nèi)一直處于欠氧燃燒氣氛，避免帶鋼表面氧化。結(jié)合控制模式和溫度設(shè)定方式，我們給出梅山熱鍍鋅連續(xù)退火爐燃?xì)?、空氣流量雙交叉限幅串級(jí)燃燒控制回路的整體結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

（1）過?？諝庀禂?shù)。為了保證燃燒安全穩(wěn)定，燃?xì)夂涂諝獾谋壤仨毐３趾愣?。燃?xì)夂涂諝庵g的關(guān)系如下

Qasv = Qfsv * m * A0

Qasv表示空氣設(shè)定值；Qfsv表示燃?xì)庠O(shè)定值；A0表示理論燃燒空氣量（本項(xiàng)目中為4.381）；m表示過剩空氣率系數(shù)

為了避免帶鋼在直火燃燒中被氧化，實(shí)際輸入的空氣應(yīng)該小于理論燃燒空氣量。我們可以通過設(shè)定空氣系數(shù)m來調(diào)整實(shí)際的空煤比。根據(jù)不同的控制模式，空氣系數(shù)m會(huì)有所不同。在點(diǎn)火模式下，為了使燃?xì)庠谛×髁肯路€(wěn)定燃燒，空氣系數(shù)m設(shè)定接近1。在升溫模式下，隨著燃?xì)饬髁康脑黾樱諝庀禂?shù)會(huì)逐漸減小，最終空氣系數(shù)m穩(wěn)定在自動(dòng)模式下的數(shù)值，一般在0.95～0.9之間。

（2）燃?xì)饬髁靠刂啤ｋp交叉限幅的核心思想就是利用空氣流量測(cè)量值來限制燃?xì)饬髁吭O(shè)定值的變化，同時(shí)利用燃?xì)饬髁繙y(cè)量值限制空氣流量設(shè)定值的變化。簡(jiǎn)單地說就是把空氣流量的實(shí)際值折算成燃?xì)饬髁?，再乘以一定系?shù)產(chǎn)生最大燃?xì)庠O(shè)定值和最小燃?xì)庠O(shè)定值。當(dāng)燃燒負(fù)荷變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在燃燒負(fù)荷（Qfsv'"）、最大燃?xì)庠O(shè)定值和最小燃?xì)庠O(shè)定值3者之間選中間值作為燃?xì)獾脑O(shè)定值，這樣就保證了燃料量不會(huì)脫離空氣量產(chǎn)生大的變化，保證了燃燒的穩(wěn)定。這樣的設(shè)計(jì)可以避免外部輸入性擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響，但同時(shí)這種方法也限制了燃燒控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。最大燃?xì)庠O(shè)定值和最小燃?xì)庠O(shè)定值的計(jì)算公式如下：

Qfsv”表示燃?xì)饬髁吭O(shè)定值；TICmv表示爐溫控制器調(diào)節(jié)量；Qfspan表示燃?xì)饬髁繙y(cè)量范圍；Qapv表示空氣流量測(cè)量值；A0表示理論燃燒空氣量；msv表示空氣過剩系數(shù)；α2表示最大燃?xì)饬髁吭O(shè)定系數(shù)；β2表示最小燃?xì)饬髁吭O(shè)定系數(shù)。

其中α2和β2的取值決定了系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí)響應(yīng)的快慢。α2數(shù)值越大，系統(tǒng)響應(yīng)越快；數(shù)值越小，系統(tǒng)抗干擾能力越強(qiáng)，β2則相反。我們?cè)趯?shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于連續(xù)退火爐這樣大慣性、大滯后系統(tǒng)來說，穩(wěn)定是最重要的因素，因此一般將α2設(shè)定在1.1～1之間，β2設(shè)定在0.9～1之間。

（3）空氣流量控制。同樣對(duì)于空氣流量來說，就是將燃?xì)饬髁康膶?shí)際值折算成空氣流量，再乘以一定系數(shù)產(chǎn)生最大空氣設(shè)定值和最小空氣設(shè)定值。當(dāng)燃燒負(fù)荷變化時(shí)，系統(tǒng)會(huì)在燃燒負(fù)荷（Qfsv'"）、最大空氣設(shè)定值和最小空氣設(shè)定值3者之間選中間值作為空氣調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，保證燃燒一直處于最優(yōu)狀態(tài)。最大空氣設(shè)定值和最小空氣設(shè)定值的計(jì)算公式如下：

Qfsv”表示燃燒負(fù)荷/燃?xì)饬髁吭O(shè)定值；Qfpv表示燃?xì)饬髁繙y(cè)量值；Qfsv表示燃?xì)饬髁恐羞x設(shè)定值；Qasv表示空氣流量設(shè)定值；A0表示理論燃燒空氣量；msv表示空氣過剩系數(shù)；α1表示最大空氣流量設(shè)定系數(shù)；β1表示最小空氣流量設(shè)定系數(shù)。

一般將α1設(shè)定在1.1～1之間，β1設(shè)定在0.9～1之間。需要注意的是，在設(shè)置α1，α2時(shí)要注意它們乘以空氣系數(shù)m后要保證數(shù)值小于1.例如空氣系數(shù)m設(shè)定為0.9，則α1，α2可以設(shè)定為1.1。兩者相乘為0.99仍小于1。表示系統(tǒng)在負(fù)荷變化過程中，仍然保持在微欠氧燃燒狀態(tài)。

輻射管段的控制方式與直燃段類似，在此就不再重復(fù)介紹。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化

在實(shí)際調(diào)試過程中，我們發(fā)現(xiàn)采用傳統(tǒng)的PID控制方法存在一個(gè)很明顯的問題，PID參數(shù)的整定很難量化計(jì)算得到。采用經(jīng)驗(yàn)法得到的參數(shù)只能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定的要求，在系統(tǒng)響應(yīng)速度和超調(diào)量控制上表現(xiàn)的不是很好。系統(tǒng)最終會(huì)達(dá)到穩(wěn)定值，但在此之前可能會(huì)經(jīng)過很長(zhǎng)的振蕩時(shí)間或者產(chǎn)生很大的超調(diào)。而這兩種情況在退火爐溫度控制中都是要極力避免的。

為此我們根據(jù)上海交通大學(xué)張衛(wèi)東教授提出的QPCT控制理論設(shè)計(jì)了H2最優(yōu)控制器。退火爐溫度控制系統(tǒng)可以近似為一階慣性時(shí)滯系統(tǒng)。

根據(jù)Pade近似

選取

，將原始輸入信號(hào)歸一為脈沖信號(hào)。為了使有界，S（s）表達(dá)式必須含有“s”項(xiàng)，且

設(shè)

根據(jù)系統(tǒng)輸入為脈沖信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)增益得：

（取全通函數(shù)）

顯然Qopt（s）不是正則的。為此引入濾波器

滿足

此控制器為PID控制器

如C（s）具有

的形式，則

其中

對(duì)于固定對(duì)象，系統(tǒng)的為定值，調(diào)試人員只要改變?chǔ)说闹稻湍塬@得不同系統(tǒng)工程量調(diào)節(jié)參數(shù)下的最優(yōu)PID控制參數(shù)。

4 小結(jié)

在實(shí)際調(diào)試過程中，我們?cè)诓捎秒p交叉限幅燃燒控制的基礎(chǔ)上，引入QPCT控制理論設(shè)計(jì)的H2最優(yōu)控制器，既滿足穩(wěn)態(tài)燃燒空燃比要求，又能快速調(diào)整因爐溫變化而引起的含氧量波動(dòng)，保證帶鋼溫度的相對(duì)穩(wěn)定。特別是在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，帶溫仍穩(wěn)定控制在±15℃之內(nèi)。

圖5中紅色為RHS段出口帶溫PV值，藍(lán)色為RHS段出口帶溫SV值；綠色為DFS段出口帶溫PV值，淺褐色為DFS段出口帶溫SV值，褐色為帶鋼寬度。紫色和淺藍(lán)色為機(jī)組TV值（機(jī)組速度*帶鋼厚度）時(shí)間跨度為16分鐘。

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