摘要：结合在鞍钢热镀锌生产线上DUMA气刀的应用实践，详细分析了气刀结构、功能及工作原理，包括气腔结构、喷嘴调节、定位装置、供气回路、沉没辊预热炉及镀层厚度控制等。
关键词：热镀锌线；气刀；DUMA；喷嘴；沉没辊预热炉
引言
气刀是带钢连续热镀锌生产线上的核心设备，气刀设备的性能直接关系到热镀锌板的质量和生产成本，因此了解掌握气刀设备的结构及工作原理对于带钢热镀锌生产至关重要。目前应用比较广泛的气刀品牌有美国KOHLER、德国FOEN、法国CLECIM、日本HITACHI等。德国DUMA气刀除了上述气刀的常规功能外，还具备一系列的独特设计，能够满足高端汽车面板生产的工艺要求。本文结合在热镀锌线上DUMA气刀的应用实践，对DUMA气刀的功能、结构及其工作过程加以介绍。
一、DUMA气刀原理
应用流体冲击学的原理来控制带钢镀锌层厚度的方法，习惯上称为吹气法镀锌。这种方法采用的是一个横贯整个带钢宽度的缝形喷嘴，它喷出连续的象刀一样的扁平气流，把带钢表面多余的锌刮掉，“气刀”即由此而得名。
①作用：DUMA气刀装置通过测厚仪和引导压缩空气气流来测量锌层，把带钢表面多余的锌刮掉，从而留下一层均匀的正确厚度的镀层。
②结构：气刀装置主要包括带刀唇的喷嘴、主支撑梁、悬臂、提升机构/定位器、手动角度调整机构、边部挡板和氮气管道等。
③边部挡板的作用：边部挡板相当于延长带钢通过气刀时的宽度，减少带钢边部由于气流干扰而产生的边部过厚镀层和噪音。
二、DUMA气刀设备简介
2.1气腔及径向控制器
DUMA气刀的气腔结构如图1所示。它是四腔式结构，气流从中间最小的管子内流入，先从内管壁上的孔和外管壁上的孔进入方形腔的右侧，即第二个气刀腔，再通过方形腔下面的分隔板上的孔进入方形腔的左侧，这是第三个气刀腔，最后再经过一道孔板进入气刀嘴腔，即第四个气刀腔。这样就能使气体即使在压力极低的条件下，也能在气刀整个宽度方向上绝对一致。在气腔内安装有径向控制器，可以快速调节供气压力，这是DUMA气刀的一项独特设计。径向控制器由两个径向开口的管子构成，通过内管旋转来改变与外管之间的供气开度，从而控制气腔内气体压力和流量。径向控制器距离气刀喷嘴较近，压力调节过程在5s内就可以完成，而常规气刀只调节风机来改变气腔压力，由于风机到喷嘴距离较远，压力调节过程一般需要10～20s。径向控制器的使用加快了气刀压力调节的响应速度，从而保证镀层厚度快速达到目标值，降低锌原料损耗。
图1 DUMA气腔结构图
2.2喷嘴
1）喷嘴角度调整
为防止带钢表面锌液飞溅，喷嘴并不垂直吹向带钢，而是向下偏转一定角度，一般-2°左右。同时为防止喷吹的气流在钢带的两端相遇时产生大的涡流，将喷嘴角度设定为上气刀-1°、下气刀-3°。喷嘴角度调整通过旋转刀梁上的手轮来完成，喷嘴角度采用编码器检测并在人机画面上显示，喷嘴最大偏转角度5°，调节精度±0.1°。
2）喷嘴间隙调整
为防止低速状态下带钢边部镀层增厚缺陷，通常采用两侧宽中间窄的弧形刀缝形状。从刀缝中部到两端，中间900mm范围内喷嘴间隙设定为1.0mm，两端喷嘴间隙设定为1.5mm。喷嘴间隙调整通过旋转喷嘴上侧的螺丝完成，螺丝每旋转90°，喷嘴间隙变化0.1mm，调节精度±0.03mm。
3）刀缝长度调节
为节约供气量和降低喷吹噪音，刀缝长度可以根据带钢位置自动调节，将带钢宽度范围以外的喷嘴关闭。采用非接触式电磁寻边设备检测带钢实际位置，根据带钢位置计算对应的刀缝位置并进行刀缝长度调节。刀缝长度调节可以节约供气量13%～65%，尤其在氮气喷吹模式下，具有很大的经济效益。
2.3定位装置
气刀分别位于带钢上下表面两侧，即上气刀和下气刀。气刀水平方向运动用于调节喷嘴到带钢的距离，上、下气刀分别由两台变频电机驱动，定位控制精度±0.1mm。气刀垂直方向运动用于调节气刀到锌液面的距离，气刀的操作侧和传动侧各一台变频电机驱动，
定位控制精度±1mm。沉没辊、稳定辊和矫正辊及其支臂是气刀的辅助设备，又称为三辊六臂装置，其作用是使带钢浸没在锌锅中并调节带钢运行位置和建立张力。稳定辊和矫正辊可以在水平方向定位移动，保证带钢处于上、下气刀的中心位置，分别由两台普通电机驱动，定位控制精度1mm。
2.4供气系统
DUMA气刀具有空气、氮气两种供气方式，氮气供气生产成本较高，只有在产品表面质量要求较高时采用氮气供气方式。两种供气方式可以在线自由切换，切换过程在30s内完成，切换过程中气刀供气压力没有波动。此外，还可以在带钢一侧采用氮气供气，另一侧采用空气供气，可以兼顾生产成本和产品表面质量。气刀供气系统原理图如图2所示。
图2气刀供气系统原理图
采用空气供气时，通过改变风机转速调节供气压力；采用氮气供气时，通过改变氮气压力调节阀（5）开度调节供气压力。供气系统具有良好的冗余和实用性能，在空气供气时，如果上、下气刀一侧供气回路出现故障，可以打开旁路供气阀（6），利用一台风机为上、下气刀供气；在氮气供气时，空气供气回路处于备用状态，此时可以对气刀风机及回路上的其它设备进行维修处理。
2.5预热炉
三辊六臂装置在安装前要进行预加热处理，预热温度控制在400℃左右。通过预加热可以消除机械加工的内应力，防止进入锌锅后发生急热变形，同时能够防止锌锅温度下降，有利于快速投产。加热过程有快速、慢速两种模式，预加热曲线见图3。
通常情况下，采用慢速加热模式，加热过程需要8h，根据机组运转要求也可以采用快速加热模式，加热过程只需要2h，当炉内气氛温度达到设定温度范围时，开始减小加热功率，进入保温模式。
图3预加热曲线
三、镀层厚度控制原理
镀层厚度及均匀性是热镀锌板的重要性能指标，精确的镀层厚度控制可以提高产品质量，降低锌原料消耗。气刀是镀层厚度控制的主要设备，给定合理的气刀压力、高度、刀距、刀缝形状等工艺参数，可以获得良好的镀层质量。
热镀锌过程本身是稳定的，但镀层厚度规格和带钢速度变化及其它外部扰动将导致镀层厚度波动，采用传统的人工操作进行镀层厚度控制很难达到理想效果。热镀锌控制对象是一个复杂的多个变量系统，镀层厚度与气刀压力、间距、速度之间的关系是非线性的，压力与气刀间距及速度之间存在强耦合特性，尤其是镀层测厚仪与气刀之间距离有140m左右，镀层厚度检测存在严重的纯滞后，随着带钢速度的变化，还具有一定的时变特性。经典PID控制和基于模型的现代控制理论都不能获得很好的控制效果。热镀锌是多次重复性生产过程，具有一定的规律性，采用模型自适应结合智能学习算法进行控制系统开发，可以解决控制对象的非线性和纯滞后问题。控制系统原理如图4所示。
图 4 镀层厚度控制原理图
镀层厚度控制程序实时采集带钢速度、镀层厚度等实际值数据，利用数学模型计算气刀压力和位置的设定值数据并发送到气刀控制程序，调节气刀压力和位置实现镀层厚度闭环控制。气刀位置可以控制镀层厚度，但在很多情况下调整气刀压力可以获得更好的控制效果，所以选择气刀压力作为主要调节手段。气刀位置具有良好的动态性能，因此在镀层厚度变规格时采用气刀位置来控制镀层厚度。
数学模型是整个镀层厚度控制的核心，它能够连续描述热镀锌过程各个工艺参数之间的非线性关系，从而及时消除镀层厚度波动。在精确数学模型基础上，又开发了镀层厚度虚拟热态测量功能，在镀层厚度手动控制模式下，操作工可以根据虚拟镀层厚度进行手动控制。
三、气刀维护
当带钢的板形不好，喷嘴距带钢又近，同时带钢的张力也低的情况下，最易把气刀的喷嘴唇碰坏，所以必须经常检查气刀的喷嘴有无损伤。必须有两对喷嘴唇作备品，才能保证随坏随换，不误生产。在每个锌锅辊周期更换时需要对气刀本体进行清理，打磨掉刀唇上由于锌液飞溅而粘上的锌渣。同时定期对传动机构加油润滑，以保证气刀的正常工作。另外，为了保证喷吹气体的清洁，还应该对空气过滤器进行定期清洗。
四、应用情况
目前DUMA气刀及镀层厚度闭环控制系统已在热镀锌线上成功应用，产品质量都达到了汽车面板的工艺要求。机组具备多种规格热镀锌板的生产能力，带钢宽度800～1880mm，带钢厚度0.4～2.5mm，线速度30～160m/min，在镀纯锌模式（GI）镀层厚度覆盖50～350g/m2，锌铁合金模式（GA）镀层厚度覆盖60～180g/m2。
气刀设备动作控制及连锁功能采用SIEMENS S7-400PLC实现，人机界面采用SIEMENSWinCC7.0和WINCCflexibleAdvantage2008开发，气刀PLC配置两块CP443-1以太网通讯模块，通过ISOpro-tocolonTCP/IP协议与人机界面建立通讯连接，通过TCP/IP协议与生产线PLC及镀层测厚仪建立通讯连接。同时还配置一块CP443-5现场总线通讯模块，通过PROFIBUSDP协议与现场设备及传动装置建立通讯连接。镀层厚度控制系统采用德国Beckhoff工业PC开发，采用TCP/IP协议与气刀PLC建立连接。
结合热镀锌控制对象分析，制定如下控制策略，选择气刀压力作为镀层厚度主要调节手段，通过模型自适应结合学习控制来消除速度变化及其它扰动对镀层厚度的影响。刀距、刀高等参数不作实时调整，根据速度变化范围进行分段控制，气刀刀距设定值和高度设定值如表1、2所示。
镀层厚度影响因素众多，选取气刀压力、刀距、带钢速度作为主要影响手段建立镀层厚度数学模型，根据镀层规格、刀距、带钢速度等工艺数据实时调节气刀压力，然后再根据镀层厚度偏差进行学习控制，不断优化气刀压力设定值，有效解决了检测滞后和非线性影响等问题。
表 1刀距设定值表 表 2气刀高度设定值表
五、结束语
镀锌生产线气刀使用的好坏直接决定镀锌产品的最终表面质量，科学有效运用气刀对产品质量起着关键作用。研究掌握DUMA气刀的结构、功能和工作原理对于气刀设备的制造及热镀锌板产品质量的提高都具有重要意义。
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论文作者:冼键明
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/7/24
标签：镀层论文; 带钢论文; 厚度论文; 喷嘴论文; 压力论文; 氮气论文; 热镀锌论文; 《基层建设》2019年第9期论文;