楊曉東，劉弋，黎苗

（攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司,四川 攀枝花 617023）

攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠一共有5條鍍鋅機(jī)組，機(jī)組采用美鋼聯(lián)法或者改良森吉米爾法熱鍍鋅熱生產(chǎn)工藝，每條機(jī)組均配置有氣刀，先后使用了美國科勒氣刀、法國克萊西姆氣刀、洛陽四力氣刀以及德國杜馬氣刀。每套氣刀均滿足了當(dāng)時產(chǎn)品市場定位的要求，隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，汽車業(yè)和家電行業(yè)有了迅猛的發(fā)展，迫切的需要高質(zhì)量的熱鍍鋅產(chǎn)品，尤其是對鋅層均勻性提出了更高的要求。原來的氣刀刀唇?jīng)]有自動清理裝置，氣刀由單嘴三腔構(gòu)成，吹出的鋅層均勻性差，鋅粒、鋅流紋、輥印、邊厚、條鋅、亮點(diǎn)、結(jié)瘤等缺陷突出。因此，攀鋼在2019年對某機(jī)組氣刀進(jìn)行了升級改造，升級后的氣刀采用了杜馬氣刀。這套杜馬氣刀最大的亮點(diǎn)是結(jié)合了帶鋼穩(wěn)定裝置、采用非接觸式的邊緣擋板控制技術(shù)、獨(dú)特的徑向控制技術(shù)和沉沒輥軸瓦套倒“V”安裝技術(shù)。

1 杜馬氣刀的構(gòu)成

杜馬氣刀采用吹氣法鍍鋅，應(yīng)用流體沖擊學(xué)原理控制帶鋼鋅層的厚度，這種方法是采用一個橫貫整個帶鋼寬度的縫形噴嘴，噴嘴噴出連續(xù)的像刀一樣的扁平氣流，把帶鋼表面多余的鋅吹掉，吹氣刮鋅動態(tài)示意圖見圖1。剩下的鋅液附在帶鋼表面形成保護(hù)層，防止帶鋼被腐蝕，鋅層厚度受到吹氣壓力、帶鋼速度、噴嘴距離、噴嘴高度、噴嘴角度的影響，這些參數(shù)在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，經(jīng)?？v橫交錯，十分復(fù)雜。杜馬氣刀屬于是多腔式單嘴氣刀，刀唇采用均勻縫隙，影響鋅層厚度的關(guān)系可由下式近似表示：

圖1 吹氣刮鋅動態(tài)示意圖Fig.1 Dynamic Diagram for Zinc Scraping by Blowing Air

式中，Gz為鋅層厚度，g/m；K為由p/au （p為吹氣壓力，a為相鄰噴嘴之間距離，u為帶鋼速度）決定的系數(shù)；b為噴嘴縫隙，mm。

為了使氣刀吹出的氣壓穩(wěn)定，氣刀結(jié)構(gòu)和控制越來越復(fù)雜。一臺好的氣刀設(shè)備，主要取決于氣刀本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)，同時要具備良好的操作性。杜馬氣刀主要由氣刀本體、邊緣擋板、帶鋼電磁穩(wěn)定裝置、電氣控制單元4個部分組成，氣刀整體示意圖見圖2。

圖2 氣刀整體示意圖Fig.2 Overall Sketch for Air Knife

1.1 氣刀本體

氣刀的本體主要由三輥六臂、前后刀架（包含刀唇）、刀架座、供風(fēng)系統(tǒng)組成。氣刀底座上的三輥六臂分別是沉沒輥、穩(wěn)定輥和矯正輥，沉沒輥臂上的軸承由高耐磨陶瓷組成，采用倒“V”安裝技術(shù)，它們被設(shè)計(jì)成一個兩點(diǎn)軸承（棱鏡軸承），用于操作沉沒輥的定位，解決了傳統(tǒng)軸瓦套磨損產(chǎn)生振動的問題。穩(wěn)定輥和沉沒輥在一個橫梁上，均采用被轉(zhuǎn)。矯正輥梁用定心銷和螺紋接連固定到兩個底座上，對帶鋼板形進(jìn)行矯正，帶傳動控制。氣刀前后刀架位于帶鋼前后側(cè)，氣流從氣刀腔體吹出，氣刀噴嘴的間隙可以根據(jù)生產(chǎn)需求進(jìn)行調(diào)整，杜馬氣刀的噴嘴在帶鋼區(qū)間采用均勻間隙，刀唇端頭略寬，調(diào)節(jié)精度0.03 mm，調(diào)節(jié)范圍0.8～2.7 mm，手動離線調(diào)節(jié)。氣刀間隙寬度根據(jù)帶鋼寬度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，可以顯著降低噪音，也可以減少空氣或者氣體介質(zhì)的消耗量，在使用氮?dú)獾那闆r下具有很大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。氣刀刀架上的噴嘴角度可以手動調(diào)整，角度范圍為-5°～0°，精度±0.1°，角度顯示在操作畫面上。氣刀刀唇具有自動清理功能。沉沒輥帶有沉沒輥加熱爐，加熱模式有兩種，快速加熱（4 h），慢速加熱（7 h）。

杜馬氣刀供氣系統(tǒng)具有空氣、氮?dú)鈨煞N供氣方式，其中，氮?dú)夤馍a(chǎn)成本較高，只有在產(chǎn)品表面質(zhì)量要求較高時采用。本案例采用的是氮?dú)饨涌陬A(yù)留使用空氣供氣的方式，供氣系統(tǒng)具有良好的冗余和實(shí)用性能，如果上、下氣刀一側(cè)供氣回路出現(xiàn)故障，可以打開旁路供氣閥，利用一臺風(fēng)機(jī)為上、下氣刀供氣，供氣系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 供氣系統(tǒng)原理圖Fig.3 Elementary Diagram for Air Supply System

杜馬氣刀的技術(shù)優(yōu)勢在于氣腔采用徑向控制器技術(shù)，刀唇氣腔結(jié)構(gòu)見圖4。它是多腔式結(jié)構(gòu)，徑向控制器基本上由兩個帶有徑向狹縫的管子組成，氣流從中間最小的管子內(nèi)流入，先從內(nèi)管壁上的孔和外管壁上的孔進(jìn)入方形腔的右側(cè)，即第二個氣刀腔，再通過方形腔下面的分隔板上的孔進(jìn)入方形腔的左側(cè)，這是第三個氣刀腔，最后再經(jīng)過一道孔板進(jìn)入氣刀嘴腔，即第四個氣刀腔。這樣就能使氣體即使在壓力極低的條件下，也能在氣刀氣腔結(jié)構(gòu)整個寬度方向上絕對一致?？梢钥焖僬{(diào)節(jié)供氣壓力，這是杜馬氣刀的一項(xiàng)獨(dú)特設(shè)計(jì)?？諝獾牧亢蛪毫υ跉獾兜恼麄€寬度上同時調(diào)節(jié)。此外，徑向控制器中氣流分布的均勻性也被交錯層進(jìn)一步提高了。

圖4 刀唇氣腔結(jié)構(gòu)Fig.4 Air-chamber Structure of Knife Lip

1.2 非接觸式邊緣擋板

杜馬氣刀采用非接觸式的邊緣擋板，改變了原來接觸式的邊緣擋板，好處是與帶鋼不接觸，鋅液不會接觸到邊緣擋板的導(dǎo)向輪上。現(xiàn)在的導(dǎo)向輪作用是防止設(shè)備失效，起到保護(hù)作用，減少帶鋼邊部由于氣流紊亂產(chǎn)生的增厚缺陷，同時減少高頻噪音。非接觸式邊緣擋板分別安裝刀架座子上位于帶鋼兩側(cè)，主要由帶鋼邊緣檢測、道軌、伺服驅(qū)動、邊緣擋板、控制單元等組成，邊緣擋板機(jī)械結(jié)構(gòu)圖示意圖（傳動側(cè)）見圖5。

圖5 邊緣擋板機(jī)械結(jié)構(gòu)圖示意圖（傳動側(cè)）Fig.5 Schematic Diagram for Mechanical Structure of Skirting Baffle （Drive Side）

1.2.1 邊緣擋板工作原理

由于帶鋼寬度小于氣刀刀唇寬度，帶鋼邊部以外氣流形成對沖。帶鋼邊部區(qū)域處于紊亂氣流狀態(tài)，導(dǎo)致刮鋅能力下降，并可能產(chǎn)生邊厚、飛渣、結(jié)瘤等質(zhì)量缺陷。邊緣擋板裝置相當(dāng)于延長帶鋼寬度，其寬度幾乎將整個刀唇都覆蓋，使氣流能像鋼帶中部一樣，均勻地噴向鋼帶邊緣，從而使產(chǎn)品表面的鍍層也能均勻一致。使用邊緣擋板的另一個作用就是可以消除鋼帶寬度以外氣刀吹出的高頻噪音，有利于改善工作環(huán)境。

1.2.2 擋板的調(diào)整

擋板的調(diào)整分擋板高度的調(diào)整、擋板與帶鋼距離調(diào)整，以及擋板平直度調(diào)整。高度調(diào)整是調(diào)整擋板與刀唇作用線的高度，現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)要求擋板自圓弧過渡起弧點(diǎn)往上5 mm范圍為高度調(diào)節(jié)范圍。經(jīng)驗(yàn)證明，邊部氣流在該位置比較穩(wěn)定，鍍層均勻。擋板與帶鋼的距離一般要求最小2 mm，但最大不超過5 mm，當(dāng)擋板與帶鋼邊緣距離大于4 mm時，擋板對帶鋼邊部壓力的影響已經(jīng)不明顯了，與沒有擋板的情況相近。 擋板的平直度調(diào)整對邊部增厚效果影響最大，通過調(diào)整邊緣擋板底座與帶鋼水平電機(jī)，可以帶動邊緣擋板整體移動，使擋板與帶鋼的中心線重合，始終保證擋板平直度且與帶鋼保持平行，為了防止帶鋼偏離過鋼線，邊緣擋板配置有兩個伺服驅(qū)動器，使邊緣擋板能夠“跟隨”帶鋼的偏差進(jìn)行自動控制。當(dāng)焊縫信號或者帶鋼寬度變化時，邊緣擋板將被伺服驅(qū)動ESA電機(jī)分開，傳感器將從帶鋼邊部區(qū)域移出。此后，邊緣擋板將再次朝著帶鋼邊部快速移動。

1.2.3 邊緣擋板的控制

擋板的控制主要是由EMG控制生產(chǎn)的產(chǎn)品完成，類似卷取機(jī)EPC的工作原理。感應(yīng)帶邊緣傳感器（BMI4）安裝在導(dǎo)軌上，實(shí)時以無接觸的方式檢測帶鋼邊緣。檢測的數(shù)據(jù)返回控制單元（EMG生產(chǎn)的控制單元ICON SE02.0），然后經(jīng)過控制運(yùn)算，發(fā)出驅(qū)動伺服電機(jī)的信號，帶動邊緣擋板運(yùn)動，感應(yīng)帶鋼邊緣的傳感器實(shí)時檢測帶鋼邊緣，當(dāng)帶鋼位置發(fā)生了變化，伺服電機(jī)帶動擋板做出相應(yīng)的變化。邊緣擋板的控制可以手動和遠(yuǎn)程控制，遠(yuǎn)程控制根據(jù)二級數(shù)據(jù)完成過焊縫自動打開等功能。手動模式可以把邊緣擋板從工組位置移動至停車位置或操作位置。

1.3 帶鋼電磁穩(wěn)定裝置的控制

帶鋼電磁穩(wěn)定裝置（eMASS）是一套電磁減振系統(tǒng)，技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 eMASS技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical Parameters for eMASS

eMASS主要通過電磁場非接觸的方式將板帶位置保持在一個固定點(diǎn)上，抑制板帶振動。eMASS系統(tǒng)主要作用是提高鐵磁性帶鋼的穩(wěn)定，減小“C翹”，應(yīng)用于熱鍍鋅生產(chǎn)線可提高鋅層厚度的均勻性。eMASS系統(tǒng)集成在杜馬氣刀的前后刀架內(nèi)方便吊裝，裝置距離鋅鍋更近，對帶鋼的穩(wěn)定效果更好。eMASS系統(tǒng)的核心是安裝在帶鋼兩側(cè)機(jī)箱內(nèi)的電磁驅(qū)動器。電磁驅(qū)動器的數(shù)量取決于帶鋼的寬度，一對電磁驅(qū)動器覆蓋帶寬大約25 cm，當(dāng)帶鋼寬度發(fā)生變化時，電磁驅(qū)動器可以實(shí)現(xiàn)自由組合以適應(yīng)帶鋼寬度，達(dá)到節(jié)約能耗的目的，超過帶鋼寬度的電磁驅(qū)動器處于熱備用狀態(tài)。

eMASS穩(wěn)定裝置利用電磁理論，采用單控制回路，eMASS一個單回路控制的示意圖見圖6。

圖6 eMASS一個單回路控制示意圖Fig.6 Control Diagram of One Single Circuit for eMASS

當(dāng)帶鋼通過兩個機(jī)箱時，機(jī)箱和帶鋼之間距離通過渦流傳感器連續(xù)測量，當(dāng)渦流傳感器檢測到帶鋼位置，并將測量值反饋到控制單元，控制單元經(jīng)過計(jì)算，再通過功率放大器驅(qū)動帶極靴的電磁鐵，產(chǎn)生電磁力拉動帶鋼，幾組極靴產(chǎn)生不同電磁力，共同作用在帶鋼上起到穩(wěn)定帶鋼的作用。當(dāng)帶鋼偏離基準(zhǔn)位置時，通常情況下是指中心位置，帶鋼位置將通過快速開啟或者關(guān)閉電磁驅(qū)動器產(chǎn)生的電磁場被糾正，帶鋼板形誤差（如C翹）也將被eMASS系統(tǒng)消除。作為一個選項(xiàng)，eMASS系統(tǒng)的工作還帶有一個特殊的控制方法 （預(yù)控制回路），提前糾正帶鋼的位置，這項(xiàng)技術(shù)確保帶鋼的振動被抑制。

1.4 電氣控制單元

氣刀設(shè)備動作控制、連鎖、急停功能均采用SIEMENS S7-400的PLC實(shí)現(xiàn)，西門子S7-400作為運(yùn)算核心，通過CFC、STL、FBD完成程序編寫、氣刀橫移、升降、壓力閉環(huán)控制等功能。人機(jī)界面采用SIEMENS WinCC7.3和 WinCC flexible 2008。使用西門子S120伺服驅(qū)動器6ES7120-1TE21-0AD0單電機(jī)模塊，硬件上具有模塊化的設(shè)計(jì)，控制單元和電源裝置之間的連接可非常簡便地使用數(shù)字系統(tǒng)接口DRIVE-CLiQ來完成，它是一種高性能、高精度的驅(qū)動器。執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用西門子同步伺服1FK7系列的電機(jī)，電機(jī)采用了稀土磁性材料，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"，抱閘內(nèi)置（可選）。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用以太網(wǎng)、工業(yè)PROFIBUS-DP組成，通過 ISO pro-tocol on TCP／IP協(xié)議與人機(jī)界面建立通訊連接。通過TCP／IP協(xié)議與生產(chǎn)線PLC以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)氣刀與第三方設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，通過PROFIBUS DP協(xié)議與現(xiàn)場編碼器、就地I/O及傳動裝置建立通訊。

2 應(yīng)用情況

目前杜馬氣刀已投入使用，可滿足生產(chǎn)高端家電板的要求。氣刀具備生產(chǎn)多種規(guī)格熱鍍鋅板的能力，可生產(chǎn)帶鋼寬度 720～1 250 mm，帶鋼厚度 0.25～2.0 mm，機(jī)組線速度 40～200 m／min，在鍍純鋅模式（GI）鍍層厚度覆蓋 60～450 g／m。 還試驗(yàn)生產(chǎn)了三輪鋅鋁鎂產(chǎn)品，在試驗(yàn)期間鋅鋁鎂鍍層做到40 g／m。對氣刀造成的相關(guān)缺陷進(jìn)行跟蹤統(tǒng)計(jì)，缺陷統(tǒng)計(jì)情況見圖7。氣刀主要作用是控制鋅層，氣刀刀腔徑向結(jié)構(gòu)在刀唇壓力控制上具有明顯優(yōu)勢，當(dāng)壓力偏差小于一定的值時，由徑向完成控制；當(dāng)壓力偏差大于一定的值時，由變頻風(fēng)機(jī)和徑向控制共同來完成。徑向控制器的控制采用閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)，徑向控制器距離氣刀噴嘴較近，壓力調(diào)節(jié)過程在5 s內(nèi)就可以完成。徑向控制器技術(shù)的使用加快了氣刀壓力調(diào)節(jié)的響應(yīng)速度，提高了氣壓的響應(yīng)，特別是在低氣壓約3 000 Pa時也能保證氣刀壓力的均勻性，氣壓控制的精度達(dá)到0.1%。

圖7 氣刀改造前后主要改判缺陷對比Fig.7 Comparison of Main Defects before and after Modification of Air Knife

根據(jù)攀鋼家電板實(shí)際生產(chǎn)情況，同規(guī)格的批量合同少，產(chǎn)品規(guī)格變化快，產(chǎn)品過渡頻繁，僅靠調(diào)整刀唇壓力很難滿足產(chǎn)品的規(guī)格變化要求，選擇氣刀壓力作為鍍層厚度控制的主要手段，結(jié)合刀唇離距、刀架高度，有時甚至需要調(diào)節(jié)刀唇角度，壓力和刀唇距離控制鋅層厚度，刀架高度調(diào)節(jié)邊厚；刀唇角度控制氣流方向，可以影響鋅液在帶鋼表面的凝固線，結(jié)合邊緣擋板可以有效控制氣刀邊厚以及結(jié)瘤等常見的氣刀問題。

兩套刀架典型規(guī)格的氣刀參數(shù)如表2所示，一套刀架在線使用，另一套處于離線熱備用狀態(tài)。表中數(shù)據(jù)反映出差異性，對于不同的刀架，以及不同帶鋼中心線，表中所列參數(shù)不同，需要對氣刀位置做標(biāo)準(zhǔn)化處理，便于氣刀工藝規(guī)程的執(zhí)行。

表2 兩套刀架典型規(guī)格的氣刀參數(shù)Table 2 Parameters for Two Sets of Air Knives with Typical Specifications

3 結(jié)語

通過對杜馬氣刀結(jié)構(gòu)、功能、控制方面進(jìn)行介紹，杜馬氣刀采用獨(dú)特的徑向控制技術(shù)、“V”型陶瓷軸軸瓦套以及在氣刀刀架內(nèi)集成帶鋼穩(wěn)定裝置，這些新技術(shù)運(yùn)用使杜馬氣刀投入生產(chǎn)后，鋅粒、鋅流紋、輥印、邊厚等缺陷均大幅下降,其中鋅流紋、邊厚、輥印缺陷下降與新氣刀對表面鋅層均勻性控制有直接關(guān)系，明顯提高了鋅層及鋅花均勻性。項(xiàng)目改造對提高鍍鋅產(chǎn)品表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，改善生產(chǎn)環(huán)境具有重要意義。下一步將繼續(xù)對設(shè)備進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，完善優(yōu)化氣刀控制參數(shù)，強(qiáng)化氣刀操作控制，最大限度的發(fā)揮好杜馬氣刀的功能，為攀鋼家電鍍鋅產(chǎn)品的實(shí)物質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。