酸液濃度控制系統解析與應用

劉天浩　張立欣　宮永鳳　石　巖　劉兆月　郝曉鵬

(北京首鋼股份有限公司硅鋼事業部1，河北 遷安　064400;北京首鋼自動化信息技術有限公司首遷運行事業部2，河北 遷安　064400)

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酸液濃度控制系統解析與應用

劉天浩1張立欣1宮永鳳2石巖1劉兆月1郝曉鵬1

(北京首鋼股份有限公司硅鋼事業部1，河北 遷安064400;北京首鋼自動化信息技術有限公司首遷運行事業部2，河北 遷安064400)

為調整深槽酸洗工藝模式下的酸液濃度，構建了一種酸液濃度控制系統。在分析酸洗化學工藝原理的基礎上，合理簡化了工藝控制參數，詳細分析了酸液濃度控制結構，描述了酸液檢測系統的配置，展現了檢測到的電導率和密度轉換為酸液濃度的過程。串級PID控制系統依據檢測到的酸液濃度和介質流量，在酸洗生產過程中存在擾動信號的情況下，實現了整個酸液系統濃度的自動調節。根據酸洗模型和實際生產需要，對控制系統進行預設定，并對不同鋼種的酸液狀態進行預調整，實現了整個酸液狀態的精準控制，降低了酸耗，提高了機組的生產效能。

酸洗控制檢測電導率密度濃度PID調節

0　引言

硅鋼是帶鋼中最難酸洗的一種，對酸洗機組的配置要求比普碳鋼高。某鋼廠酸軋機組的酸洗段采用深槽酸洗來酸洗硅鋼，經過生產和運行的檢驗，這種機型完全滿足帶鋼酸洗表面質量高且機組運行穩定的要求。與紊流酸洗相比，深槽酸洗工藝對酸液狀態控制手段比較單一，能進行調節的參數僅為酸液溫度和酸液濃度。為確保機組穩定運行，酸液的溫度穩定在75 ℃左右，可調性差，不便于根據生產的不同鋼種進行調節。因此，調整酸液濃度已成為這種深槽酸洗工藝模式的唯一有效調節手段。

酸液濃度包括酸液中亞鐵離子濃度、氫離子濃度和總酸濃度。本文將根據酸洗工藝段自動控制系統的配置和實際運行情況，解讀外方酸液濃度的控制結構，深度解析酸液狀態檢測的機理，推導出酸液濃度控制相關參數的數學控制模型，為現場技術人員掌握酸液濃度的調節方法提供技術支撐。

1　酸液工藝狀態控制機理

一般來說，熱軋帶鋼表面氧化鐵皮的物質結構由內至外為：FeO、Fe3O4、Fe2O3[1]。這三種氧化物中，FeO相對于Fe3O4和Fe2O3來說，在酸中的溶解度更大。由于氧化鐵皮在拉矯的過程中會出現大量裂紋，酸液透過裂紋滲透到氧化鐵皮內部后，會與易于溶解的FeO和金屬鐵相接觸并發生反應；并且，酸與金屬鐵接觸后生成氫氣，將進一步促進酸洗過程的發生，這一過程的機理可以認為是化學溶解和“剝離”的結合[2]。而氧化鐵皮中的Fe3O4和Fe2O3，在酸中發生溶解的同時，被鐵與酸液反應生成的高活性氫原子所還原，反應生成易溶于酸液的FeO。其反應為：

Fe2O3+2[H]=2FeO+H2O

Fe3O4+2[H]=3FeO+H2O

根據現場實測結果可知，溶液中三價鐵離子濃度為二價鐵離子濃度的1%～2%，可以忽略不計。這是因為酸洗時生成的高還原性氫原子使生成的三價鐵鹽還原成亞鐵鹽。

FeCl3+[H]=FeCl2+HCl

因上述反應的發生，在實際生產過程中，酸洗溶液的主成分為FeCl2和游離態的鹽酸。為了降低系統控制難度、便于工程應用，整個系統對三個主要參數進行了有效控制：亞鐵離子濃度、鹽酸濃度以及通過檢測到的鹽酸濃度和氯化亞鐵濃度計算得出的總酸濃度。將這三個參數控制在設定工藝要求的范圍內，可確保硅鋼表面的酸洗質量。

2　酸洗系統的控制結構

由于酸洗槽和循環罐的體積很大，實際機組生產時，每個酸洗槽和對應的循環罐內所需要的酸大約為70m3。為了確保供應新酸和脫鹽水以及廢酸排放的管道調節精度要求，需選擇合適的管道，因此介質的輸入和排放并不能迅速改變介質的濃度。依據設備的結構進行系統特性分析，該控制系統存在著大慣性、大遲延、慢時變、擾動因素較多、動態特性隨負荷變化而變化等問題。如果采用普通的控制模式，系統很難保證將酸液濃度穩定在工藝所要求的設定值上[3]。酸溶液濃度調整系統采用了串級PID控制模式，使整個系統具有良好的實時性、魯棒性和抗干擾能力，提高了控制系統的響應速度和穩定性，縮短了過渡時間，減少了超調量和震蕩次數，確保系統能適應控制對象參數的變化[4-5]。整個控制回路由控制濃度的主回路PID1和控制流量的副回路PID2組成。這種控制的優點在于：由于硅鋼進行酸洗而產生的對酸液濃度的擾動可以迅速被工藝數學模型控制的介質流量調整，消除了一部分系統慣性；主回路的濃度檢測反饋能夠及時地減小流量控制調節的誤差，確保酸液濃度狀態的控制精度。酸液濃度串級控制系統框圖如圖1所示。

圖1　酸液濃度串級控制系統框圖Fig.1　Block diagram of acid concentrationcascade control system

3　FeCl2和HCl的濃度測量

對FeCl2和HCl的濃度檢測，大多采用軟測量的方法。軟測量是指檢測酸洗生產過程中的酸液溫度、酸液電導率和酸液的密度，利用統計建模方法建立這幾個參數和酸液濃度的回歸數學模型，通過模型預測得到酸液濃度的方法[6]。這種方法具有變量可測、模型可控以及實時性高的優點，故被國內大多數酸洗線所采用。

3.1酸液濃度控制系統配置

酸液濃度在線控制系統采用日本橫河(YOKOGAWA)FCN控制系統。PLC作為FCN的子系統，通過以太網實現與FCN的數據交換。現場采用電導率計、密度計、溫度計共同構成循環酸測量采樣單元，由FCN酸濃度控制柜對采樣數據進行計算分析，最終計算出實際的酸液濃度和亞鐵離子濃度，并將其傳送給日立PLC。PLC系統在對數據作進一步測量轉換后，通過PID控制器實現了對現場介質(脫鹽水或新鹽酸)添加量的實時控制。

3.2電導率計

兩線制電磁式電導率測量儀(MODELMDM-160)是DKK-TOA公司的產品。在實際生產過程中，隨著酸液的化學消耗，HCl濃度不斷降低，FeCl2濃度不斷上升,相應的酸液電導率也隨之下降。電導率為電阻率的倒數，單位為S/m，現場使用的單位為mS/cm,電導率與HCl濃度成反比例關系。測量得到的電導率值被傳輸到電氣室內的酸濃度控制柜，參與相關的數學計算。

酸液濃度控制系統如圖2所示。

圖2　酸液濃度控制系統圖Fig.2　Control system of acid concentration

3.3密度計

智能差壓變送器采用KEISO公司的MODELCP-22-100-2B。將兩根管子下端管口齊平，沒入酸洗槽酸液中一段長度，上端管口高度差為400mm。在兩個管道內通入相同流量和壓力的壓縮空氣，每個管道上的三通閥將兩個管子上的壓力導入壓差變送器的高低口，通過比例計算得到實際酸液的密度。此測量系統在使用前需要使用密度為1kg/L的脫鹽水對壓差進行標定。

在實際生產過程中，隨著酸液的化學消耗，溶液中的HCl濃度不斷降低，FeCl2濃度不斷上升,Fe2+代替H+使得溶液密度增加；兩個測量管中的壓差將不斷增大，密度與亞鐵離子的濃度成正比例關系[7]。測量到溶液的密度值被傳輸到電氣室內的酸濃度控制柜，參與相關的數學計算[8]。

測量到的電導率、密度和溫度，被傳輸到YOKOGAWA(日本橫河)酸濃度計算系統，通過數學計算模型對測量到的數據進行擬合，最終計算出實際的酸液濃度和亞鐵離子濃度。

CHCl=f(S,T,D,K)

(1)

CFeCl2=g(S,T,D,K)

(2)

式中：S為電導率；T為溫度;D為密度；K為數學模型計算補償系數。

4　酸液濃度的控制過程

對通過儀表測量并計算得到的槽體內實際酸液濃度和設定的酸液濃度進行比較，經控制器Gc1轉換成新酸、脫鹽水添加量或廢酸排放電動閥門的開度。

帶鋼在酸洗槽中的移動速度越快、帶鋼越寬，酸液接觸的表面積就越大，消耗的酸量也就越多；同時，對于不同的鋼種和不同的溫度，化學反應速率也不一樣。因此，消耗的酸量與帶鋼的速度、寬度、鋼種和溫度都存在一定的關系。這些負載對酸液控制系統形成擾動，將作為信號Q(s)進入系統。

將通過脫鹽水流量計和新酸液流量計檢測到的酸液添加量，作為返回信號和酸液濃度轉換的不同介質添加量。負載的擾動量信號發往控制器Gc2，形成不同的添加量，并根據信號的變化情況，迅速對介質的添加量進行調節。

酸液的添加量在控制器Gc3中轉換成新酸或者脫鹽水電動閥門的開度，最終在系統內形成不同介質添加量的條件，從而調節酸液的濃度。通過儀表檢測到的濃度數值作為反饋，返回到系統初始處，以實現閉環控制。

4.1酸液的添加和排放

隨著硅鋼酸洗生產的持續進行，亞鐵離子不斷地融入酸液，以改變溶液的密度和電導率。首先，計算電導率計和比重計測得的數值，以得到實際酸濃度；與輸入的設定值進行比較，通過擬合計算，濃度控制器輸出值為C。在輸出值的基礎上，通過系數修正,設定所需添加的新酸流量值為SC。依據設定值，由日立PLC對槽內新酸的添加量進行控制。通過調整新酸管道上的電動閥門開度，可確保酸洗槽內溶液的介質狀態處于工藝需求的范圍內。

(3)

式中：變量含義及來源等相關信息如表1所示。

表1　模型中變量的含義Tab.1　Implicantion of the variables in the model

依據設定值Q，日立PLC(MICA-R700)可以實現對槽內酸液濃度的預調節，以提高整個系統的響應速度和精度，確保酸洗槽內溶液的介質狀態。

酸洗工藝流程如圖3所示。

圖3　酸洗工藝流程圖Fig.3　Flowchart of pickling process

硅鋼酸洗槽采用4級梯流酸洗。正常生產運行時，酸液通過液位差從4#酸洗槽逐步向1#酸洗槽流動，實現對硅鋼的初洗、粗洗和精洗。由于各個槽體的功能不同，各槽的主要控制參數也不同。2#酸洗槽為帶鋼粗洗槽，不需要高精度控制，因此2#酸洗槽內的酸液濃度基本上依靠控制1#和3#槽酸液濃度來保證。1#槽為初洗槽，槽內鹽酸的濃度基本依靠控制3#槽的濃度來保證，這里主要是控制總酸濃度和鐵離子濃度，來確定是否添加新酸或者排放廢酸。3#、4#槽為整個酸洗工藝的精洗槽，用來確保硅鋼酸洗的表面質量，要求經過酸洗的硅鋼既不欠酸洗也不過酸洗，主要通過控制HCl的濃度和亞鐵離子濃度，從而判斷是否添加新的鹽酸。

通過控制酸洗槽內介質的不同狀態，可滿足不同鋼種對酸液介質差異性的工藝要求。通過對生產數據的逐步積累，依據帶鋼的規格、卷取溫度、帶鋼速度等相關工藝參數，設定合理的酸液濃度及相應的其他酸洗工藝參數，最終形成了適合本廠的酸洗工藝數學模型。

4.2脫鹽水量添加控制

在正常的生產狀態下，酸液一直處于75 ℃左右,溶液中的水分蒸發很快；隨著生產的持續,酸洗系統中溶液的總酸濃度將上升。為了補償長時間停線蒸發掉的水分,需要往每個酸罐補充水分，并由日立PLC進行控制。這個控制與總酸濃度有關。總酸濃度是HCl濃度加上經過折算后的FeCl2的濃度，當總酸濃度大于201g/L時,往酸罐中加入脫鹽水；當總酸濃度小于195g/L時,停止往酸罐中加入脫鹽水。通過得到氯化亞鐵濃度和氯化氫的濃度，計算出總酸濃度CSHCl，合理簡化后的化學反應式及數學轉化式如下：

2×36.5 127

CHClCFeCl2

5　結束語

通過對酸洗工藝控制參數的合理取舍，構建了酸液濃度的控制思路。通過對控制系統的深入解析，體現了此控制方式在穩定工藝介質狀態上的優勢。該方案便于依據逐步積累和優化的生產數據，修正系統工藝參數設定值和優化控制系統中調節控制的數學模型。通過對表1中一些控制參數的不斷優化和調整，逐步實現了對酸液狀態的精準控制，大大降低了酸耗和鐵損，從而降低了生產成本。此方案的酸軋運行酸耗量僅為設計需求量的40%，極大地降低了機組介質的消耗。

[1] 劉洋，韓斌，譚文，等.提高熱軋帶鋼酸洗效果的探討[J].武漢工程職業技術學院學報，2012(6)：7-10.

[2] 曹光明,劉小江,薛軍安,等.熱軋帶鋼氧化鐵皮的酸洗行為[J].鋼鐵研究學報， 2013(9)：36-41.

[3] 沈福磊,張培.帶離線檢測補償的酸濃度控制系統[J].自動化儀表，2011(1)：45-47.

[4]YANGB,PENGJH,GUOSH,etal.Acid-picklingplatesandstripsspeedcontrolsystembymicrowaveheatingbasedonself-adaptivefuzzyPIDalgorithm[J].JournalofCentralSouthUniversity,2012 (19):2179-2186.

[5] 趙春紅.酸洗工藝中的酸濃度控制[J].工業控制計算機，2006 (10)：44-45.

[6] 何飛,王保健，黎敏，等.基于正交信號校正和穩健回歸帶鋼酸洗濃度預測模型[J].北京科技大學學報， 2013(2)：242-248.

[7] 陸志毅,陳于勤.碳鋼酸洗機組工藝段自主集成優化設計[J].寶鋼技術，2010(1)：5-8.

[8] 王元槐.基于電導率和比重的酸濃度控制[J].酒鋼科技，2011(1)：82-85.

AnalysisandApplicantionofAcidConcentrationControlSystem

Inordertoadjusttheacidconcentrationunderdeepgrooveacidpicklingprocessmode,akindofacidconcentrationcontrolsystemisbuilt.Thecontrollingparametersarerationallysimplifiedbasedonanalysisofpicklingchemicalprocessingprinciple,andcontrolstructureofacidconcentrationisanalyzed,theconfigurationofaciddetectionsystemisdescribed,theprocessofthedetectedelectricalconductivityanddensityconvertintoacidconcentrationisshown.Accordingtothedetectedconcentrationandflowsofmedia,thecascadePIDcontrolsystemcarriesouttheautomaticregulationofconcentrationofthewholeacidsystem,whenthedisturbancesignalexcitinginacidproductionprocess.Inthelightofpicklingmodelandactualproductionrequirements,thecontrolsystemispreset,theacidstatesofdifferentsteeltypesispre-adjusted,whichrealizestheaccuratecontrolofthewholeacidstates,reducestheacidconsumption,andimprovestheproductionefficiencyofunits.

PicklingControlMeasureConductivityDensityConcentrationPIDRegulate

劉天浩(1979—)，男，2006年畢業于北京科技大學機械專業，獲碩士學位，高級工程師；主要從事工程管理方向的研究。

TH868;TP273+.1

A< class="emphasis_italic">DOI

:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201610016

修改稿收到日期：2016-02-29。