冷軋連續退火爐溫度控制系統設計與研究

胥平

【關鍵詞】熱鍍鋅連續退火爐 退火工藝 爐溫控制系統 QPCT

1 引言

鋼鐵是當今社會各行各業應用最廣泛的金屬材料。然而單純的鋼鐵制品存在嚴重的腐蝕問題。每年由于腐蝕而報廢的鋼鐵材料和設備占生產總量的1/3。人們一直在尋找解決鋼鐵腐蝕問題的有效手段。

鋅是人們首先認識到的一種有效保護鋼鐵腐蝕的金屬。在潮濕腐蝕環境下，鋅會在表面形成耐腐蝕碳酸鋅薄膜，它能保護內部鋅不在被腐蝕。同樣的在鋼鐵制品表面在鍍上一層鋅后可以很好的保護內部鋼鐵制品不被腐蝕，延長其使用壽命。隨著上世紀末，家電行業和汽車行業大量采用鍍鋅鋼板，國內對于熱鍍鋅生產線的建設進度開始加快。

梅山鋼鐵股份有限公司1422熱鍍鋅生產線熱鍍鋅機組采用“美鋼聯法”處理工藝，主要工藝設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、化學處理裝置、出口活套及卷曲裝置。其中連續退火爐包括預熱段（PHS）、直燃段（DFS）、輻射段（RHS）、冷卻段（CS）、熱張輥段（TDRS）和爐鼻（SNOUT），并配置點火系統、氮氫混合系統和爐內氣體分析儀等配套設備。

熱鍍鋅帶鋼退火屬于再結晶退火，用以消除冷軋軋制過程引起的硬化現象。梅鋼熱鍍鋅設計生產商用鋼（CQ）、深沖鋼（DQ）、高強度鋼（HSS）及全硬鋼（FH） 4個鋼種的帶鋼。

2 控制技術介紹

2.1 工藝要求

要使帶鋼滿足各類產品的退火工藝要求，溫度控制非常關鍵。根據上表所述鋼種生產要求，熱鍍鋅退火爐帶鋼溫度最高設計值達到800℃，以滿足再結晶退火的要求。熱鍍鋅機組加熱爐的均熱時間按照不小于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。帶鋼進鋅鍋的溫度為420-480℃，一般為465℃；進入水淬槽的溫度為200℃，烘干后帶鋼的溫度小于50℃。針對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 控制系統硬件配置

根據控制范圍和要求，梅山熱鍍鋅機組退火爐系統設計了一套含有3個CPU控制器的PLC控制系統，硬件采用西門子S7系列。其中一個S7-400的PLC負責控制退火爐段的燃燒、爐膛壓力、氮氫混合、和爐膛氣體分析等的控制；一個S7-400的PLC負責清洗、后繼冷卻、化學處理等等的控制；一個300系列的PLC負責退火爐點火系統的控制。本套系統還通過Profibus-DP與熱鍍鋅機組電氣傳動PLC進行數據交換，通過標準以太網與熱鍍鋅機組L2進行數據交換。 其網絡結構如圖2所示。

2.3 控制方案設計

2.3.1 退火爐控制方案總體介紹

帶鋼在清洗段化學脫脂和電解脫脂后進入退火爐。經過預熱段預熱，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入鋅鍋。在預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，要求直燃段每個分區的燃燒控制在微欠氧狀態下。多余未燒盡的燃氣通過預熱段補充空氣燃燒。最終廢氣管道內的含氧量要求控制在2%以下。帶鋼在預熱段和直燃段產生的氧化效果是無法完全避免的。此時通過在輻射管均熱段、冷卻段和熱張輥段內通入高含量H2（最高可達30%）來還原帶鋼表面。同時帶鋼在輻射管均熱段內繼續加熱，并保持在一個特定溫度范圍內，使得其有足夠的時間完成再結晶。冷卻段內還原性保護氣體通過循環風機進行封閉式循環，爐內氣體經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個區域以保證帶鋼溫度均勻以防止帶鋼瓢曲。最后帶鋼經熱張輥段進入鋅鍋鍍鋅。

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的默認模式。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，溫度設定值均由操作人員根據工藝要求并結合操作經驗直接在畫面上設定。在“L2”模式下，帶鋼的退火溫度設定值由L2系統經過長時間的統計并結合生產工藝給出。“L2”模式下不直接給出各段爐膛溫度的設定值。

2.3.2 直燃段控制

直燃段設有5個燃燒區域，根據不同的工況對爐膛燃燒的不同要求，直燃段設有點火模式（IGNI）、加熱模式（HEAT）、自動模式（AUTO）和最小燃燒模式（MIN），這4種模式可以在CRT上手動切換，當滿足一定條件時，控制系統也會自動切換，切換按區進行，即各區燃燒模式可以不一致。其切換遵循下列原則：

（1）直燃段（區）主燒嘴已關閉，切換到IGNI模式。

（2）直燃段（區）溫度超高限報警時，切換到MIN模式。

（3）中央段停機連鎖投入時機組停機，切換到MIN模式。

其控制系統結構如圖3所示。

（1）點火模式。此模式用于在主燒嘴點火條件具備后對爐膛進行點火。當選擇了點火模式后，各個燃燒區的燃氣調節閥先根據點火開度設定值（MVfign）打開到一定開度。空氣調節閥則根據空氣流量點火設定值（Qaign）控制開度。在燃氣進氣閥打開一段時間后，燃氣調節閥根據燃氣流量點火設定值（Qfign）控制開度。

點火模式作為缺省模式在主燒嘴熄火或燃氣進氣閥關閉的時候，燃燒模式會自動切換到點火模式下控制。

（2）加熱模式。此模式用于在主燒嘴完成點火后控制爐膛溫度。在選擇了加熱模式后，各個燃燒區的燃氣調節根據中選器后的設定值（Qfsv）進行控制，各個燃燒區的空氣調節根據中選器后的設定值（Qasv）進行控制。當出現爐膛溫度特高時，爐溫控制會自動切換到最小模式，此時各個燃燒區的燃氣調節根據最小設定值（Qfmin）進行控制，各個燃燒區的空氣調節根據最小設定值（Qamin）進行控制。

當選擇加熱模式時，爐溫控制將根據預先設定好的升溫曲線進行控制。

（3）自動模式。此模式用于在主燒嘴完成點火后控制爐膛溫度和帶鋼溫度。此時系統可以接收L2下傳的帶溫設定值。在選擇了自動模式后，各個燃燒區的燃氣調節根據中選器后的設定值（Qfsv）進行控制，各個燃燒區的空氣調節根據中選器后的設定值（Qasv）進行控制。當出現爐膛溫度特高或中央段停機連鎖已投入時，爐溫控制會自動切換到最小模式，此時各個燃燒區的燃氣調節根據最小設定值（Qfmin）進行控制，各個燃燒區的空氣調節根據最小設定值（Qamin）進行控制。連鎖投/切按鈕設置在CRT上。當連鎖投入后，自動燃燒模式會隨著中央段的停止而自動切換到最小模式。當連鎖切除后，模式不會自動變換。

（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。此模式下各個燃燒區的燃氣調節根據最小設定值（Qfmin）進行控制，各個燃燒區的空氣調節根據最小設定值（Qamin）進行控制。

表2為各個模式下選擇開關的動作情況。

2.3.3 燃燒控制

在直燃段燃燒控制中，燃氣調節回路和空氣調節回路按照預先設置好的燃燒比例各自調節。同時為了優化燃燒采用雙交叉限幅燃燒控制回路來調節燃氣和空氣的變化，保證爐膛燃燒的穩定。雙交叉限幅控制不僅使燃燒穩定，而且在負荷瞬時變化和擾動的情況下保證空氣和燃料流量比在一定的允許范圍內穩步變動，使爐內一直處于欠氧燃燒氣氛，避免帶鋼表面氧化。結合控制模式和溫度設定方式，我們給出梅山熱鍍鋅連續退火爐燃氣、空氣流量雙交叉限幅串級燃燒控制回路的整體結構，如圖4所示。

（1）過剩空氣系數。為了保證燃燒安全穩定，燃氣和空氣的比例必須保持恒定。燃氣和空氣之間的關系如下

Qasv = Qfsv * m * A0

Qasv表示空氣設定值；Qfsv表示燃氣設定值；A0表示理論燃燒空氣量（本項目中為4.381）；m表示過剩空氣率系數

為了避免帶鋼在直火燃燒中被氧化，實際輸入的空氣應該小于理論燃燒空氣量。我們可以通過設定空氣系數m來調整實際的空煤比。根據不同的控制模式，空氣系數m會有所不同。在點火模式下，為了使燃氣在小流量下穩定燃燒，空氣系數m設定接近1。在升溫模式下，隨著燃氣流量的增加，空氣系數會逐漸減小，最終空氣系數m穩定在自動模式下的數值，一般在0.95～0.9之間。

（2）燃氣流量控制。雙交叉限幅的核心思想就是利用空氣流量測量值來限制燃氣流量設定值的變化，同時利用燃氣流量測量值限制空氣流量設定值的變化。簡單地說就是把空氣流量的實際值折算成燃氣流量，再乘以一定系數產生最大燃氣設定值和最小燃氣設定值。當燃燒負荷變化時，系統會在燃燒負荷（Qfsv'"）、最大燃氣設定值和最小燃氣設定值3者之間選中間值作為燃氣的設定值，這樣就保證了燃料量不會脫離空氣量產生大的變化，保證了燃燒的穩定。這樣的設計可以避免外部輸入性擾動對系統控制品質的影響，但同時這種方法也限制了燃燒控制系統的響應速度。最大燃氣設定值和最小燃氣設定值的計算公式如下：

Qfsv”表示燃氣流量設定值；TICmv表示爐溫控制器調節量；Qfspan表示燃氣流量測量范圍；Qapv表示空氣流量測量值；A0表示理論燃燒空氣量；msv表示空氣過剩系數；α2表示最大燃氣流量設定系數；β2表示最小燃氣流量設定系數。

其中α2和β2的取值決定了系統在負荷變化時響應的快慢。α2數值越大，系統響應越快；數值越小，系統抗干擾能力越強，β2則相反。我們在實際調試過程中發現，對于連續退火爐這樣大慣性、大滯后系統來說，穩定是最重要的因素，因此一般將α2設定在1.1～1之間，β2設定在0.9～1之間。

（3）空氣流量控制。同樣對于空氣流量來說，就是將燃氣流量的實際值折算成空氣流量，再乘以一定系數產生最大空氣設定值和最小空氣設定值。當燃燒負荷變化時，系統會在燃燒負荷（Qfsv'"）、最大空氣設定值和最小空氣設定值3者之間選中間值作為空氣調節器的設定值，保證燃燒一直處于最優狀態。最大空氣設定值和最小空氣設定值的計算公式如下：

Qfsv”表示燃燒負荷/燃氣流量設定值；Qfpv表示燃氣流量測量值；Qfsv表示燃氣流量中選設定值；Qasv表示空氣流量設定值；A0表示理論燃燒空氣量；msv表示空氣過剩系數；α1表示最大空氣流量設定系數；β1表示最小空氣流量設定系數。

一般將α1設定在1.1～1之間，β1設定在0.9～1之間。需要注意的是，在設置α1，α2時要注意它們乘以空氣系數m后要保證數值小于1.例如空氣系數m設定為0.9，則α1，α2可以設定為1.1。兩者相乘為0.99仍小于1。表示系統在負荷變化過程中，仍然保持在微欠氧燃燒狀態。

輻射管段的控制方式與直燃段類似，在此就不再重復介紹。

3 設計優化

在實際調試過程中，我們發現采用傳統的PID控制方法存在一個很明顯的問題，PID參數的整定很難量化計算得到。采用經驗法得到的參數只能滿足系統穩定的要求，在系統響應速度和超調量控制上表現的不是很好。系統最終會達到穩定值，但在此之前可能會經過很長的振蕩時間或者產生很大的超調。而這兩種情況在退火爐溫度控制中都是要極力避免的。

為此我們根據上海交通大學張衛東教授提出的QPCT控制理論設計了H2最優控制器。退火爐溫度控制系統可以近似為一階慣性時滯系統。

根據Pade近似

選取

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

設

根據系統輸入為脈沖信號時，系統增益得：

（取全通函數）

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

對于固定對象，系統的為定值，調試人員只要改變λ的值就能獲得不同系統工程量調節參數下的最優PID控制參數。

4 小結

在實際調試過程中，我們在采用雙交叉限幅燃燒控制的基礎上，引入QPCT控制理論設計的H2最優控制器，既滿足穩態燃燒空燃比要求，又能快速調整因爐溫變化而引起的含氧量波動，保證帶鋼溫度的相對穩定。特別是在負荷發生變化時，帶溫仍穩定控制在±15℃之內。

圖5中紅色為RHS段出口帶溫PV值，藍色為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。紫色和淺藍色為機組TV值（機組速度*帶鋼厚度）時間跨度為16分鐘。

參考文獻

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