杜馬氣刀在攀鋼鍍鋅線上的應用

楊曉東，劉弋，黎苗

（攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司,四川 攀枝花 617023）

攀鋼集團攀枝花鋼釩有限公司冷軋廠一共有5條鍍鋅機組，機組采用美鋼聯法或者改良森吉米爾法熱鍍鋅熱生產工藝，每條機組均配置有氣刀，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時產品市場定位的要求，隨著工業技術的不斷發展進步，汽車業和家電行業有了迅猛的發展，迫切的需要高質量的熱鍍鋅產品，尤其是對鋅層均勻性提出了更高的要求。原來的氣刀刀唇沒有自動清理裝置，氣刀由單嘴三腔構成，吹出的鋅層均勻性差，鋅粒、鋅流紋、輥印、邊厚、條鋅、亮點、結瘤等缺陷突出。因此，攀鋼在2019年對某機組氣刀進行了升級改造，升級后的氣刀采用了杜馬氣刀。這套杜馬氣刀最大的亮點是結合了帶鋼穩定裝置、采用非接觸式的邊緣擋板控制技術、獨特的徑向控制技術和沉沒輥軸瓦套倒“V”安裝技術。

1 杜馬氣刀的構成

杜馬氣刀采用吹氣法鍍鋅，應用流體沖擊學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，吹氣刮鋅動態示意圖見圖1。剩下的鋅液附在帶鋼表面形成保護層，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，這些參數在實際生產實踐中，經常縱橫交錯，十分復雜。杜馬氣刀屬于是多腔式單嘴氣刀，刀唇采用均勻縫隙，影響鋅層厚度的關系可由下式近似表示：

圖1 吹氣刮鋅動態示意圖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；b為噴嘴縫隙，mm。

為了使氣刀吹出的氣壓穩定，氣刀結構和控制越來越復雜。一臺好的氣刀設備，主要取決于氣刀本體的機械結構，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、供風系統組成。氣刀底座上的三輥六臂分別是沉沒輥、穩定輥和矯正輥，沉沒輥臂上的軸承由高耐磨陶瓷組成，采用倒“V”安裝技術，它們被設計成一個兩點軸承（棱鏡軸承），用于操作沉沒輥的定位，解決了傳統軸瓦套磨損產生振動的問題。穩定輥和沉沒輥在一個橫梁上，均采用被轉。矯正輥梁用定心銷和螺紋接連固定到兩個底座上，對帶鋼板形進行矯正，帶傳動控制。氣刀前后刀架位于帶鋼前后側，氣流從氣刀腔體吹出，氣刀噴嘴的間隙可以根據生產需求進行調整，杜馬氣刀的噴嘴在帶鋼區間采用均勻間隙，刀唇端頭略寬，調節精度0.03 mm，調節范圍0.8～2.7 mm，手動離線調節。氣刀間隙寬度根據帶鋼寬度進行自動調節，可以顯著降低噪音，也可以減少空氣或者氣體介質的消耗量，在使用氮氣的情況下具有很大的經濟優勢。氣刀刀架上的噴嘴角度可以手動調整，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）。

杜馬氣刀供氣系統具有空氣、氮氣兩種供氣方式，其中，氮氣供氣生產成本較高，只有在產品表面質量要求較高時采用。本案例采用的是氮氣接口預留使用空氣供氣的方式，供氣系統具有良好的冗余和實用性能，如果上、下氣刀一側供氣回路出現故障，可以打開旁路供氣閥，利用一臺風機為上、下氣刀供氣，供氣系統原理圖如圖3所示。

圖3 供氣系統原理圖Fig.3 Elementary Diagram for Air Supply System

杜馬氣刀的技術優勢在于氣腔采用徑向控制器技術，刀唇氣腔結構見圖4。它是多腔式結構，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流入，先從內管壁上的孔和外管壁上的孔進入方形腔的右側，即第二個氣刀腔，再通過方形腔下面的分隔板上的孔進入方形腔的左側，這是第三個氣刀腔，最后再經過一道孔板進入氣刀嘴腔，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，也能在氣刀氣腔結構整個寬度方向上絕對一致。可以快速調節供氣壓力，這是杜馬氣刀的一項獨特設計。空氣的量和壓力在氣刀的整個寬度上同時調節。此外，徑向控制器中氣流分布的均勻性也被交錯層進一步提高了。

圖4 刀唇氣腔結構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向輪上。現在的導向輪作用是防止設備失效，起到保護作用，減少帶鋼邊部由于氣流紊亂產生的增厚缺陷，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，主要由帶鋼邊緣檢測、道軌、伺服驅動、邊緣擋板、控制單元等組成，邊緣擋板機械結構圖示意圖（傳動側）見圖5。

圖5 邊緣擋板機械結構圖示意圖（傳動側）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。帶鋼邊部區域處于紊亂氣流狀態，導致刮鋅能力下降，并可能產生邊厚、飛渣、結瘤等質量缺陷。邊緣擋板裝置相當于延長帶鋼寬度，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，有利于改善工作環境。

1.2.2 擋板的調整

擋板的調整分擋板高度的調整、擋板與帶鋼距離調整，以及擋板平直度調整。高度調整是調整擋板與刀唇作用線的高度，現場經驗要求擋板自圓弧過渡起弧點往上5 mm范圍為高度調節范圍。經驗證明，邊部氣流在該位置比較穩定，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不明顯了，與沒有擋板的情況相近。 擋板的平直度調整對邊部增厚效果影響最大，通過調整邊緣擋板底座與帶鋼水平電機，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動器，使邊緣擋板能夠“跟隨”帶鋼的偏差進行自動控制。當焊縫信號或者帶鋼寬度變化時，邊緣擋板將被伺服驅動ESA電機分開，傳感器將從帶鋼邊部區域移出。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控制生產的產品完成，類似卷取機EPC的工作原理。感應帶邊緣傳感器（BMI4）安裝在導軌上，實時以無接觸的方式檢測帶鋼邊緣。檢測的數據返回控制單元（EMG生產的控制單元ICON SE02.0），然后經過控制運算，發出驅動伺服電機的信號，帶動邊緣擋板運動，感應帶鋼邊緣的傳感器實時檢測帶鋼邊緣，當帶鋼位置發生了變化，伺服電機帶動擋板做出相應的變化。邊緣擋板的控制可以手動和遠程控制，遠程控制根據二級數據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 帶鋼電磁穩定裝置的控制

帶鋼電磁穩定裝置（eMASS）是一套電磁減振系統，技術參數見表1。

表1 eMASS技術參數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上，抑制板帶振動。eMASS系統主要作用是提高鐵磁性帶鋼的穩定，減小“C翹”，應用于熱鍍鋅生產線可提高鋅層厚度的均勻性。eMASS系統集成在杜馬氣刀的前后刀架內方便吊裝，裝置距離鋅鍋更近，對帶鋼的穩定效果更好。eMASS系統的核心是安裝在帶鋼兩側機箱內的電磁驅動器。電磁驅動器的數量取決于帶鋼的寬度，一對電磁驅動器覆蓋帶寬大約25 cm，當帶鋼寬度發生變化時，電磁驅動器可以實現自由組合以適應帶鋼寬度，達到節約能耗的目的，超過帶鋼寬度的電磁驅動器處于熱備用狀態。

eMASS穩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

當帶鋼通過兩個機箱時，機箱和帶鋼之間距離通過渦流傳感器連續測量，當渦流傳感器檢測到帶鋼位置，并將測量值反饋到控制單元，控制單元經過計算，再通過功率放大器驅動帶極靴的電磁鐵，產生電磁力拉動帶鋼，幾組極靴產生不同電磁力，共同作用在帶鋼上起到穩定帶鋼的作用。當帶鋼偏離基準位置時，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閉電磁驅動器產生的電磁場被糾正，帶鋼板形誤差（如C翹）也將被eMASS系統消除。作為一個選項，eMASS系統的工作還帶有一個特殊的控制方法 （預控制回路），提前糾正帶鋼的位置，這項技術確保帶鋼的振動被抑制。

1.4 電氣控制單元

氣刀設備動作控制、連鎖、急停功能均采用SIEMENS S7-400的PLC實現，西門子S7-400作為運算核心，通過CFC、STL、FBD完成程序編寫、氣刀橫移、升降、壓力閉環控制等功能。人機界面采用SIEMENS WinCC7.3和 WinCC flexible 2008。使用西門子S120伺服驅動器6ES7120-1TE21-0AD0單電機模塊，硬件上具有模塊化的設計，控制單元和電源裝置之間的連接可非常簡便地使用數字系統接口DRIVE-CLiQ來完成，它是一種高性能、高精度的驅動器。執行機構使用西門子同步伺服1FK7系列的電機，電機采用了稀土磁性材料，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"，抱閘內置（可選）。網絡架構采用以太網、工業PROFIBUS-DP組成，通過 ISO pro-tocol on TCP／IP協議與人機界面建立通訊連接。通過TCP／IP協議與生產線PLC以太網實現氣刀與第三方設備實現數據通訊，通過PROFIBUS DP協議與現場編碼器、就地I/O及傳動裝置建立通訊。

2 應用情況

目前杜馬氣刀已投入使用，可滿足生產高端家電板的要求。氣刀具備生產多種規格熱鍍鋅板的能力，可生產帶鋼寬度 720～1 250 mm，帶鋼厚度 0.25～2.0 mm，機組線速度 40～200 m／min，在鍍純鋅模式（GI）鍍層厚度覆蓋 60～450 g／m。 還試驗生產了三輪鋅鋁鎂產品，在試驗期間鋅鋁鎂鍍層做到40 g／m。對氣刀造成的相關缺陷進行跟蹤統計，缺陷統計情況見圖7。氣刀主要作用是控制鋅層，氣刀刀腔徑向結構在刀唇壓力控制上具有明顯優勢，當壓力偏差小于一定的值時，由徑向完成控制；當壓力偏差大于一定的值時，由變頻風機和徑向控制共同來完成。徑向控制器的控制采用閉環的伺服控制系統，徑向控制器距離氣刀噴嘴較近，壓力調節過程在5 s內就可以完成。徑向控制器技術的使用加快了氣刀壓力調節的響應速度，提高了氣壓的響應，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

根據攀鋼家電板實際生產情況，同規格的批量合同少，產品規格變化快，產品過渡頻繁，僅靠調整刀唇壓力很難滿足產品的規格變化要求，選擇氣刀壓力作為鍍層厚度控制的主要手段，結合刀唇離距、刀架高度，有時甚至需要調節刀唇角度，壓力和刀唇距離控制鋅層厚度，刀架高度調節邊厚；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，結合邊緣擋板可以有效控制氣刀邊厚以及結瘤等常見的氣刀問題。

兩套刀架典型規格的氣刀參數如表2所示，一套刀架在線使用，另一套處于離線熱備用狀態。表中數據反映出差異性，對于不同的刀架，以及不同帶鋼中心線，表中所列參數不同，需要對氣刀位置做標準化處理，便于氣刀工藝規程的執行。

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

3 結語

通過對杜馬氣刀結構、功能、控制方面進行介紹，杜馬氣刀采用獨特的徑向控制技術、“V”型陶瓷軸軸瓦套以及在氣刀刀架內集成帶鋼穩定裝置，這些新技術運用使杜馬氣刀投入生產后，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系，明顯提高了鋅層及鋅花均勻性。項目改造對提高鍍鋅產品表面質量，降低生產成本，改善生產環境具有重要意義。下一步將繼續對設備進行精細調整，完善優化氣刀控制參數，強化氣刀操作控制，最大限度的發揮好杜馬氣刀的功能，為攀鋼家電鍍鋅產品的實物質量打下堅實的基礎。