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(yè)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(yè)部2，河北 遷安　064400)

?

酸液濃度控制系統(tǒng)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(yè)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(yè)部2，河北 遷安064400)

為調(diào)整深槽酸洗工藝模式下的酸液濃度，構(gòu)建了一種酸液濃度控制系統(tǒng)。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(shù)，詳細分析了酸液濃度控制結(jié)構(gòu)，描述了酸液檢測系統(tǒng)的配置，展現(xiàn)了檢測到的電導率和密度轉(zhuǎn)換為酸液濃度的過程。串級PID控制系統(tǒng)依據(jù)檢測到的酸液濃度和介質(zhì)流量，在酸洗生產(chǎn)過程中存在擾動信號的情況下，實現(xiàn)了整個酸液系統(tǒng)濃度的自動調(diào)節(jié)。根據(jù)酸洗模型和實際生產(chǎn)需要，對控制系統(tǒng)進行預設定，并對不同鋼種的酸液狀態(tài)進行預調(diào)整，實現(xiàn)了整個酸液狀態(tài)的精準控制，降低了酸耗，提高了機組的生產(chǎn)效能。

酸洗控制檢測電導率密度濃度PID調(diào)節(jié)

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(jīng)過生產(chǎn)和運行的檢驗，這種機型完全滿足帶鋼酸洗表面質(zhì)量高且機組運行穩(wěn)定的要求。與紊流酸洗相比，深槽酸洗工藝對酸液狀態(tài)控制手段比較單一，能進行調(diào)節(jié)的參數(shù)僅為酸液溫度和酸液濃度。為確保機組穩(wěn)定運行，酸液的溫度穩(wěn)定在75 ℃左右，可調(diào)性差，不便于根據(jù)生產(chǎn)的不同鋼種進行調(diào)節(jié)。因此，調(diào)整酸液濃度已成為這種深槽酸洗工藝模式的唯一有效調(diào)節(jié)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(jù)酸洗工藝段自動控制系統(tǒng)的配置和實際運行情況，解讀外方酸液濃度的控制結(jié)構(gòu)，深度解析酸液狀態(tài)檢測的機理，推導出酸液濃度控制相關參數(shù)的數(shù)學控制模型，為現(xiàn)場技術人員掌握酸液濃度的調(diào)節(jié)方法提供技術支撐。

1　酸液工藝狀態(tài)控制機理

一般來說，熱軋帶鋼表面氧化鐵皮的物質(zhì)結(jié)構(gòu)由內(nèi)至外為：FeO、Fe3O4、Fe2O3[1]。這三種氧化物中，F(xiàn)eO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(xiàn)大量裂紋，酸液透過裂紋滲透到氧化鐵皮內(nèi)部后，會與易于溶解的FeO和金屬鐵相接觸并發(fā)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(fā)生，這一過程的機理可以認為是化學溶解和“剝離”的結(jié)合[2]。而氧化鐵皮中的Fe3O4和Fe2O3，在酸中發(fā)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(jù)現(xiàn)場實測結(jié)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(fā)生，在實際生產(chǎn)過程中，酸洗溶液的主成分為FeCl2和游離態(tài)的鹽酸。為了降低系統(tǒng)控制難度、便于工程應用，整個系統(tǒng)對三個主要參數(shù)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(shù)控制在設定工藝要求的范圍內(nèi)，可確保硅鋼表面的酸洗質(zhì)量。

2　酸洗系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

由于酸洗槽和循環(huán)罐的體積很大，實際機組生產(chǎn)時，每個酸洗槽和對應的循環(huán)罐內(nèi)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(diào)節(jié)精度要求，需選擇合適的管道，因此介質(zhì)的輸入和排放并不能迅速改變介質(zhì)的濃度。依據(jù)設備的結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)特性分析，該控制系統(tǒng)存在著大慣性、大遲延、慢時變、擾動因素較多、動態(tài)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(tǒng)很難保證將酸液濃度穩(wěn)定在工藝所要求的設定值上[3]。酸溶液濃度調(diào)整系統(tǒng)采用了串級PID控制模式，使整個系統(tǒng)具有良好的實時性、魯棒性和抗干擾能力，提高了控制系統(tǒng)的響應速度和穩(wěn)定性，縮短了過渡時間，減少了超調(diào)量和震蕩次數(shù)，確保系統(tǒng)能適應控制對象參數(shù)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(yōu)點在于：由于硅鋼進行酸洗而產(chǎn)生的對酸液濃度的擾動可以迅速被工藝數(shù)學模型控制的介質(zhì)流量調(diào)整，消除了一部分系統(tǒng)慣性；主回路的濃度檢測反饋能夠及時地減小流量控制調(diào)節(jié)的誤差，確保酸液濃度狀態(tài)的控制精度。酸液濃度串級控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　酸液濃度串級控制系統(tǒng)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(chǎn)過程中的酸液溫度、酸液電導率和酸液的密度，利用統(tǒng)計建模方法建立這幾個參數(shù)和酸液濃度的回歸數(shù)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(yōu)點，故被國內(nèi)大多數(shù)酸洗線所采用。

3.1酸液濃度控制系統(tǒng)配置

酸液濃度在線控制系統(tǒng)采用日本橫河(YOKOGAWA)FCN控制系統(tǒng)。PLC作為FCN的子系統(tǒng)，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與FCN的數(shù)據(jù)交換。現(xiàn)場采用電導率計、密度計、溫度計共同構(gòu)成循環(huán)酸測量采樣單元，由FCN酸濃度控制柜對采樣數(shù)據(jù)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(tǒng)在對數(shù)據(jù)作進一步測量轉(zhuǎn)換后，通過PID控制器實現(xiàn)了對現(xiàn)場介質(zhì)(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(chǎn)品。在實際生產(chǎn)過程中，隨著酸液的化學消耗，HCl濃度不斷降低，F(xiàn)eCl2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(shù)，單位為S/m，現(xiàn)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?shù)诫姎馐覂?nèi)的酸濃度控制柜，參與相關的數(shù)學計算。

酸液濃度控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　酸液濃度控制系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)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(chǎn)過程中，隨著酸液的化學消耗，溶液中的HCl濃度不斷降低，F(xiàn)eCl2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?shù)诫姎馐覂?nèi)的酸濃度控制柜，參與相關的數(shù)學計算[8]。

測量到的電導率、密度和溫度，被傳輸?shù)結(jié)OKOGAWA(日本橫河)酸濃度計算系統(tǒng)，通過數(shù)學計算模型對測量到的數(shù)據(jù)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(shù)學模型計算補償系數(shù)。

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(nèi)實際酸液濃度和設定的酸液濃度進行比較，經(jīng)控制器Gc1轉(zhuǎn)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(tǒng)形成擾動，將作為信號Q(s)進入系統(tǒng)。

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(zhuǎn)換的不同介質(zhì)添加量。負載的擾動量信號發(fā)往控制器Gc2，形成不同的添加量，并根據(jù)信號的變化情況，迅速對介質(zhì)的添加量進行調(diào)節(jié)。

酸液的添加量在控制器Gc3中轉(zhuǎn)換成新酸或者脫鹽水電動閥門的開度，最終在系統(tǒng)內(nèi)形成不同介質(zhì)添加量的條件，從而調(diào)節(jié)酸液的濃度。通過儀表檢測到的濃度數(shù)值作為反饋，返回到系統(tǒng)初始處，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

4.1酸液的添加和排放

隨著硅鋼酸洗生產(chǎn)的持續(xù)進行，亞鐵離子不斷地融入酸液，以改變?nèi)芤旱拿芏群碗妼?。首先，計算電導率計和比重計測得的數(shù)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(shù)修正,設定所需添加的新酸流量值為SC。依據(jù)設定值，由日立PLC對槽內(nèi)新酸的添加量進行控制。通過調(diào)整新酸管道上的電動閥門開度，可確保酸洗槽內(nèi)溶液的介質(zhì)狀態(tài)處于工藝需求的范圍內(nèi)。

(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(jù)設定值Q，日立PLC(MICA-R700)可以實現(xiàn)對槽內(nèi)酸液濃度的預調(diào)節(jié)，以提高整個系統(tǒng)的響應速度和精度，確保酸洗槽內(nèi)溶液的介質(zhì)狀態(tài)。

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(chǎn)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(xiàn)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(shù)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(nèi)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(nèi)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(zhì)量，要求經(jīng)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(nèi)介質(zhì)的不同狀態(tài)，可滿足不同鋼種對酸液介質(zhì)差異性的工藝要求。通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的逐步積累，依據(jù)帶鋼的規(guī)格、卷取溫度、帶鋼速度等相關工藝參數(shù)，設定合理的酸液濃度及相應的其他酸洗工藝參數(shù)，最終形成了適合本廠的酸洗工藝數(shù)學模型。

4.2脫鹽水量添加控制

在正常的生產(chǎn)狀態(tài)下，酸液一直處于75 ℃左右,溶液中的水分蒸發(fā)很快；隨著生產(chǎn)的持續(xù),酸洗系統(tǒng)中溶液的總酸濃度將上升。為了補償長時間停線蒸發(fā)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(jīng)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(shù)學轉(zhuǎn)化式如下：

2×36.5 127

CHClCFeCl2

5　結(jié)束語

通過對酸洗工藝控制參數(shù)的合理取舍，構(gòu)建了酸液濃度的控制思路。通過對控制系統(tǒng)的深入解析，體現(xiàn)了此控制方式在穩(wěn)定工藝介質(zhì)狀態(tài)上的優(yōu)勢。該方案便于依據(jù)逐步積累和優(yōu)化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，修正系統(tǒng)工藝參數(shù)設定值和優(yōu)化控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)控制的數(shù)學模型。通過對表1中一些控制參數(shù)的不斷優(yōu)化和調(diào)整，逐步實現(xiàn)了對酸液狀態(tài)的精準控制，大大降低了酸耗和鐵損，從而降低了生產(chǎn)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(zhì)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(yè)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?shù)乃釢舛瓤刂葡到y(tǒng)[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(yè)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(wěn)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(yōu)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(yè)于北京科技大學機械專業(yè)，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。