冷軋廠自主集成氮氣管路控制系統開發與設計

何 凱

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

冷軋廠為了開發新產品，用杜馬氣刀進行了熱鍍鋅鋁鎂的試生產。截至2020 年5 月，已開展熱鍍鋅鋁鎂產品生產3 輪次，累計生產量3864 t，基本打通生產工藝，目前制約產品質量進一步提升的關鍵問題是表面質量存在鍍層氧化黑變和鋅流紋缺陷。

1 熱鍍鋅鋁鎂生產存在的問題

熱鍍鋅鋁鎂產品的鎂元素是確保產品耐蝕性的關鍵，液態的鎂元素較活潑，與氧的親和力極強，氧化速度大大加快，特別是鍍液經過氣刀噴吹時，液態鍍層與空氣的接觸面積很大，產生嚴重氧化。由于表面氧化層會增大鋅液黏度，降低鋅液流動性，從而在鋅鋁鎂生產中產生鋅流紋缺陷。同時，鋅鋁鎂鍍層的氧化物是鋁和鎂氧化物的混合物，對光線有一定的干涉效應，不同厚度的氧化膜對光線的折射不均勻，從而使帶鋼表面產生鍍層偏暗、發黑和色差等缺陷，影響產品形象。因此，鎂元素的氧化問題導致鋅鋁鎂鍍層生產比普通熱鍍鋅難度更大，表面質量問題更多。

相關文獻表明，氣刀噴吹介質由空氣改為氮氣是改善鋅鋁鎂產品表面的重要途徑。因為氮氣化學性質不活潑，杜絕了刮鋅過程中鎂的氧化，不僅解決色差和發暗問題，同時可保證鋅液流動性，減少鋅流紋缺陷產生。日本專利文獻認為氣刀氣體的氧含量控制在3%以下，帶鋼出鍍鍋后進入密封箱內進行二次氮氣氣流冷卻，密封箱內的氧含量控制在8%以下有良好效果。

所以新產品的開發急需氮氣作為氣刀的噴吹介質，提升熱鍍鋅鋁鎂產品質量。

2 項目調研

目的：提高鍍層質量，降低鋅的消耗。

2.1 氣刀氮氣工藝參數

氮氣流量4800 Nm3/h；壓力0.3 MPa；氮氣純度99.99%；鋅層厚度：（80～160）g/m2（雙面）。

2.2 氮氣來源簡介

目前能動冷軋氣保站現有5 套氮氣凈化系統，加壓系統有4 臺，6 臺氮壓機組成。6 個400 m3的氮氣儲氣罐，調壓站5 條氮氣主路和旁路減壓后0.4 MPa 為冷軋1#、2#、3#及罩式爐輸送精氮（99.999%）。

梅塞爾公司經能動主管網供煉鋼低壓氮氣0.6 MPa、純度99.99%，流量可根據用戶需求增開氮壓機。富余氮氣量（3000～4000）Nm3/h，低于工藝參數的要求。

2.3 工藝運行分析

經過工程人員對實際杜馬氣刀的空氣流量使用情況進行分析核算，現有的杜馬風機提供的額定流量為4200 Nm3/h，根據實際鋅層厚度計算最大空氣流量沒有超過3500 Nm3/h，認為能動提供的富余氮氣量能滿足生產的需要（除極限鋅層規格）。咨詢了德國杜馬公司，氮氣控制閥組帶調試報價340 萬元，由于受新冠疫情影響項目還不能立即執行，而新產品開發又迫在眉睫，項目經過前期調研和方案討論，攀鋼釩公司最后決定依靠自己的技術力量新增一套氮氣管路。

3 管路施工

冷軋廠作為執行項目的主體，冷軋廠立即成立項目組，首先根據氣刀氮氣使用的正常流量、正常閥壓降、正常閥阻比和最大流量確定控制閥的口徑尺寸和管路口徑尺寸，綜合考慮安全因數選擇對應的閥的類型。根據工藝提出的對壓力控制精度設計出對應的管路圖，組織購買備件，以最快的速度完成了前期的準備工作。在7 月15 日項目開始動工，由于氮氣管路屬于特種設備，采購管道要符合標準，鋼管驗收合格后首先進行酸洗、沖洗、烘干、管道吊運、高空安裝、打坡口、氬弧焊打底焊接、現場拍切片，最后做探傷檢測，128 道焊口重復以上工序，每道工序都不能馬虎，施工環境溫度高（鋅鍋地下室溫度達到60 ℃），各單位人員按質按量安裝氮氣管路500 m（Ф250 mm），并制定詳細的吹掃、試壓方案，施工圖集如圖1 所示。新安裝的氮氣管路于8月11 日一次性打壓成功，并通過攀枝花市特檢所驗收合格。

圖1 施工圖集

4 動態調試

氮氣管路打壓合格，氮氣管路閥組轉入現場調試。在8 月13 日進行在線動態氮氣調試，動態調試的關鍵是氣刀刀腔壓力的穩定性，壓力不穩會產生條鋅等質量缺陷。為了保證氣刀上下刀腔的壓力穩定，提出三級調壓，從能動引入總管氮氣壓力經自力式調節閥，將壓力由0.45 MPa（4500 mbar）調壓到0.1 MPa（1000 mbar）壓力，氮氣套筒調節閥作為壓力完成氮氣壓力初調，氮氣壓力精調由杜馬氣刀腔體的徑向控制器完成，根據流程制定了詳細的調試方案。自主軟件集成具備以下功能：

（1）由于氮氣存在安全風險，首先要做好條件連鎖，不能讓氮氣倒灌進原氣刀風機中，擴散在鋅鍋地下室。

（2）要保護杜馬氣刀壓力不能超限，防止高壓造成氣刀刀腔的損壞。在可能出現的異常情況下，主動切斷氮氣總切斷閥。

（3）氮氣切斷閥，具備手動操作，以及自動一鍵控制，能使空氣和氮氣達到無縫切換。

（4）氣動切斷閥根據設備要求，需要設定先后開發順序，先開上下切斷閥再開總閥，反之先關總閥，再關上下表面切斷閥防止氮氣管內憋壓。

（5）切斷閥打開具有不協調保護功能。

（6）做好上下表面壓力管道分支回路出現漏氣，需做壓力偏差保護功能。

（7）新安裝殘氧報警儀要同步投入使用。

首先在原有機組系統中增加相應控制程序，具體做法按工藝需求，根據已設計的管路圖畫出電氣接線圖，然后根據圖紙設計在西門子硬件配置中增加輸入、輸出模板的配置，將需要控制的閥用西門子WinCC 做成操作畫面，氮氣操作畫面如圖2所示。

圖2 氮氣操作畫面

利用二鍍鋅機組西門子S7-400 控制器完成程序編寫，在實際調節中要防止調節閥相互影響，形成干涉，剛開始調試時，氮氣壓力出現震蕩和超調現象。PLC 程序如圖3 所示。

圖3 程序設計（局部）

為了解決這2 個問題解決，主要對3 個調節裝置功能進行細分：自力式減壓閥主要完成主管壓力減壓調節，根據氣刀實際氮氣使用壓力要求，將氮氣壓力從0.45 MPa（4500 mbar）降為0.1 MPa（1000 mbar）。氮氣管路套筒調壓閥完成氮氣壓力的粗調，控制的偏差在0.0002 MPa（2 mbar）內，壓力的調節采用位置型數字PID 調節器，連續的PID 調節器的輸出與偏差的微分方程如下[1]：

式中 u（t）——控制的輸出，mbar

KP——比例系數

e——偏差

T1——積分時間，s

TD——微分時間，s

在采樣定理的基礎上對微分方程進行離散化，選擇合適的采樣周期，機組程序的掃描周期是50 ms，壓力傳感器采樣頻率≤2 ms，實際氮氣壓力變化緩慢，采樣頻率遠遠大于壓力變化的2 倍頻率，由此得PID 調節器的離散方程：

式中 un——第n 次離散控制的輸出

n——采樣序號

Ts——采樣周期

en——第n 次采樣的偏差值

利用所得到的離散方程（2），在西門子S7-400 控制系統中完成PID 調節器的程序編寫，以功能塊的形式在程序中調用，輸出直接控制執行機構閥門開度，就地I/O 模板輸出為標準的（4～20）mA 模擬信號。并且對數字PID 調節器的調節死區設計為0.0002 MPa（2 mbar），達到0.0002 MPa（2 mbar）偏差內套筒調節閥就不再調節。氮氣閥組在結構性質上存在容量系數、阻力和傳輸距離，在動態過程中表現出慣性、自平衡和延遲（包括傳輸遲延、容積遲延），根據這些特點單獨設計PID 輸入預控制方案，該預控制方案類似前饋控制，只是通過西門子編程軟件進行PID 輸入曲線設計，并且曲線根據閥組的結構特點是連續可調的，PID 輸入預控制輸入輸出見表1，PID 輸入預控制如圖4 所示，然后分別對調節器的參數進行多次整定。

圖4 PID 輸入預控制

表1 PID 輸入預控制輸入輸出

當壓力調節在0.0002 MPa（2 mbar）內波動時由氣刀徑向控制完成精調，該控制需要在杜馬控制系統中完成，徑向控制采用西門子S120 伺服驅動器6ES7120-1TE21-0AD0 單電機模塊，控制單元和電源裝置之間的連接使用數字系統接口DRIVE-CLiQ 來完成。執行機構采用西門子同步伺服1FK7 系列的電機，電機內置式編碼器帶DRIVE-CLiQ 接口的旋轉變壓器（R14DQ 旋轉變壓器14 位），分辨率16 384，內部2 極，最大角度誤差840"，所有設備的硬件保證了工藝對控制精度的要求。經過對3 個調節回路進行反復調節優化，最后氮氣壓力達到穩定，氮氣壓力調節對比如圖5 所示，空氣壓力調節對比如圖6 所示。

圖5 氮氣壓力調節對比

圖6 空氣壓力調節對比

6 結束語

二鍍鋅新增氮氣管路施工，從項目調研、設計、調試在三個多月內完成，自主集成開發氮氣控制閥組，可以減少程序設計費、調試費用在50 萬元以上，從項目實施效果來看，可以看出氮氣和空氣壓力調節超調量大體相當，超調量都基本控制在1%以內，絕對值在0.0002 MPa（2 mbar）內，氮氣壓力波動頻次更加平滑并優于空氣調節，試驗的熱鍍鋅鋁鎂板表面質量明顯改善，新增氮氣管路實驗新產品獲得成功。