張 鑫

（邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司邯寶冷軋廠鍍鋅車(chē)間，河北邯鄲 056000）

0 引言

某鋼廠在生產(chǎn)鍍鋅板的過(guò)程中，由熱軋運(yùn)軌小車(chē)運(yùn)送的鋼卷，通過(guò)卷曲機(jī)和焊機(jī)的連接，清洗段脫脂去除表面雜質(zhì)和污垢，再將帶鋼以一定速度通過(guò)立式退火爐處理，從爐箅子出來(lái)進(jìn)入鋅鍋，表面經(jīng)過(guò)氣刀吹掃，將鋅液均勻涂于帶鋼表面并具有附著性。在氣刀吹掃的過(guò)程中，氣刀噴射出扁平形的氣流，氣流呈現(xiàn)一定的壓強(qiáng)作用于帶鋼表面，像一把鋒利的刀子，所以起名為“氣刀”。

32 鋅層鍍鋅板屬于極限規(guī)格鋼板，對(duì)氣刀的唇縫要求較高，唇縫過(guò)細(xì)容易導(dǎo)致堵塞，產(chǎn)生不必要的降級(jí)品。在穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，要保證清洗段、退火熱處理段有效運(yùn)行，給帶鋼充分附著鋅液提供保障。

1 氣刀工藝原理

氣刀控制系統(tǒng)主要由氣刀的自然本體、間距調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)、傾角調(diào)節(jié)機(jī)關(guān)、邊部鍍層調(diào)節(jié)設(shè)備、自動(dòng)定位設(shè)備、增強(qiáng)設(shè)備等形成。氣刀總體分為上表層氣刀和下表面氣刀，各個(gè)氣刀上均有氣刀刀架、刀體、刀唇間隙、關(guān)閉裝置、刀唇清理裝置、刀唇間隙調(diào)節(jié)裝置、刀唇擺動(dòng)角度調(diào)節(jié)裝置、刀唇距離調(diào)節(jié)裝置等，氣刀邊部擋板安裝在氣刀刀架內(nèi)部。

1.1 氣刀本體

氣刀的自然本體結(jié)構(gòu)是由設(shè)在鋅鍋上部，主要是在帶鋼兩端的上氣刀和下氣刀所構(gòu)成的。每一個(gè)上氣刀通過(guò)刀身主橋橫穿在鋅鍋的上部，而主橋同時(shí)也成為了供氣管道，采用金屬軟管和供氣系統(tǒng)中的管路相連，廢氣流經(jīng)主橋兩頭和中間3 個(gè)氣管路流入上氣刀刀腔，隨后再經(jīng)過(guò)中間3 個(gè)配氣孔板流入噴嘴。利用正確的氣刀位置和導(dǎo)向來(lái)擠壓空氣氣流撞擊熔融金屬層，將帶鋼表層中剩余的鋅刮掉，并產(chǎn)生一層均勻的厚薄適當(dāng)?shù)慕饘俨牧贤繉?。而?cè)部擋板的主要功能，是降低帶鋼邊部受到氣體影響時(shí)，形成的金屬材料邊部過(guò)厚涂層和噪聲。上氣刀最初使用金屬材料內(nèi)部的過(guò)熱蒸汽作發(fā)射介質(zhì)，目前多以壓縮式空氣斷路器取代。鋅鍋兩側(cè)都放置著氣刀定位儀，以維持和調(diào)整在鋅鍋上與帶鋼和鋅鍋相連的氣刀的相對(duì)方位。各定位儀都由一組垂直運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)格平臺(tái)構(gòu)成，各網(wǎng)格平臺(tái)都定位在2 個(gè)水平運(yùn)動(dòng)的桌面上（圖1）。

圖1 氣刀整體3D 效果圖

1.2 氣刀壓力

氣刀是由風(fēng)機(jī)吹出一定壓強(qiáng)的風(fēng)作用于帶鋼表面，氣刀壓力通常由噴吹口的壓強(qiáng)所決定。在同等速度、同等鋼種條件下，當(dāng)增大氣刀壓力時(shí)，附著帶鋼的鋅液受到的壓力增大，鋅液吹開(kāi)的面積增加，鋅層厚度減少；相反，在同等帶鋼運(yùn)行速度和同鋼種的條件下，減小氣刀壓力，鋅液受力減少，鋅層厚度增加。因此，通過(guò)改善氣刀壓力就可以控制鋅層厚度，刀距、刀壓和鋅層厚度成一定量的線性規(guī)律。噴出氣流的溫度對(duì)帶鋼表面的鋅液冷卻作用也會(huì)影響氣刀的實(shí)際效果，溫度越低，鋅層越厚。氣刀控制通過(guò)相關(guān)參數(shù)和控制邏輯，在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)氣刀壓力，參數(shù)呈現(xiàn)一定的變化方式，并不是簡(jiǎn)單控制某個(gè)參數(shù)，而是迭變的，相互影響、相互耦合、相互牽制（圖2）。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)氣刀壓力及相關(guān)參數(shù)控制

1.3 帶鋼速度

現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)速度曲線是對(duì)帶鋼生產(chǎn)速度的直觀展示，帶鋼速度取決于軋制品的金屬材料性能，并對(duì)鋅層厚度有很大影響（圖3）。帶鋼從鋅鍋粘鋅液而出，在同等氣刀壓力，設(shè)定固定的噴射角度和距離，同等鋼種條件下，帶鋼速度越快，涂鍍上的鋅液越多；帶鋼速度越慢，氣刀與帶鋼作用的時(shí)間越長(zhǎng)，涂鍍上的鋅層越薄。例如，壓力為580 mbar（58 kPa）時(shí)，帶鋼速度由100 m/min 提升至140 m/min，鋅層厚度增加量為40 g/m2；當(dāng)壓力為825 mbar（82.5 kPa）時(shí)，在同等速度變化條件下，單面鋅層厚度增加量減少至22 g/m2。因此，帶鋼速度、噴吹壓力與鋅層厚度呈線性關(guān)系。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)即時(shí)生產(chǎn)速度曲線

1.4 氣刀距離調(diào)節(jié)控制機(jī)構(gòu)

距離調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)按照工藝要求調(diào)節(jié)刀體和帶鋼間距，它由體型極小，能夠在高溫環(huán)境穩(wěn)定工作，產(chǎn)生很大扭矩和準(zhǔn)確位置的步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。刀唇距離調(diào)節(jié)裝置包括一套氣動(dòng)快開(kāi)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的蝸輪蝸桿調(diào)節(jié)器?？扉_(kāi)系統(tǒng)能將刀體快速打開(kāi)到初始位置，主要用于帶鋼焊縫區(qū)域、帶鋼變形褶皺區(qū)域等通過(guò)氣刀時(shí)，快速打開(kāi)刀體，避免刀唇受到刮傷或造成鋅塊堵塞，導(dǎo)致產(chǎn)生氣刀條痕?？扉_(kāi)系統(tǒng)閉合后，帶動(dòng)刀體連接支撐上的蝸輪蝸桿升降機(jī)壓靠刀架內(nèi)壁，刀唇距離調(diào)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)升降機(jī)的主軸伸縮，壓縮快開(kāi)氣缸，實(shí)現(xiàn)刀唇距離調(diào)節(jié)。

1.5 角度調(diào)整機(jī)構(gòu)

氣刀的傾角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可調(diào)整氣刀與自然本體和帶鋼的夾角，是±5°調(diào)整的弧形運(yùn)動(dòng)。負(fù)角度是使氣刀噴嘴和帶鋼的垂線方向成下斜角度，氣刀傾斜角一般不大于1°，呈錯(cuò)層斜吹。為了減小帶鋼側(cè)部增厚，常使帶鋼的兩端氣刀夾角有細(xì)微差別，避免兩側(cè)氣流的直接對(duì)碰。

1.6 邊部鍍層控制裝置

側(cè)部的鍍層控制裝置則是在氣刀兩端各有一條，利用氣缸限制其移動(dòng)，并與帶鋼邊緣始終保持2～5 mm 間距懸掛在移動(dòng)小車(chē)上的2 塊擋板，能夠防止帶鋼側(cè)部涂層過(guò)厚，同時(shí)減少噪聲。

1.7 定位裝置

當(dāng)帶鋼從鋅鍋出來(lái)后，若不與氣刀保持平行，或中心線未與氣刀對(duì)正，則通過(guò)定位設(shè)備的掃描裝置和位移裝置確保氣刀和帶鋼保持平行和中間定位。

1.8 提升裝置

氣刀的提升設(shè)備，是指通過(guò)調(diào)節(jié)工藝技術(shù)參數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)氣刀從自然本體至鋅鍋面間的距離。

2 氣刀參數(shù)對(duì)鍍層的影響

2.1 氣刀唇縫對(duì)鋅層厚度的影響

以生產(chǎn)32 鋅層為例，規(guī)格帶鋼為0.38 mm 厚度，寬度為1333 mm，當(dāng)氣刀唇縫由1.15 mm 減少至0.8 mm 時(shí)，產(chǎn)線生產(chǎn)速度由100 m/min 上升至140 m/min，鋅層厚度由45 g/cm2減少至32 g/cm2，即時(shí)產(chǎn)量由23.97 t/h 上升至33.5 t/h，氣刀壓力由580 mbar（58 kPa）上升至825 mbar（82.5 kPa），風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速由3400 r/min 上升至3600 r/min，出風(fēng)量由4900 Nm3/h 減少至4200 Nm3/h，出風(fēng)口氮?dú)鉁囟群惋L(fēng)機(jī)進(jìn)出口軸承溫度也相應(yīng)提高（表1）。在改良?xì)獾洞娇p的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)速度、即時(shí)產(chǎn)量、氣刀壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、出風(fēng)量、出風(fēng)口氮?dú)鉁囟?、風(fēng)機(jī)進(jìn)出口軸承溫度都發(fā)生變化。除了出風(fēng)量和鋅層減少外，其余參數(shù)均增加。

表1 32 鋅層/規(guī)格0.38 mm×1333 mm 改變氣刀唇縫其他值變量的影響

2.2 刀唇角度對(duì)鋅層厚度的影響

刀唇角度在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，變化量在-1°～-0.5°調(diào)節(jié)。刀唇角度可以增加帶鋼鋅液的切入角度，有效控制鋅液的厚度。當(dāng)?shù)洞浇嵌葹槲⒅苯菚r(shí)，氣刀的作用力最強(qiáng)，氣刀對(duì)鋅層厚度的影響最大，其他角度容易造成鋅液噴濺、氣刀條痕等。因此，確定刀唇角度對(duì)帶鋼表面鋅層厚度和質(zhì)量有一定影響。

2.3 擋板厚度和角度對(duì)鋅層厚度的影響

氣刀擋板擋住了一部分氣刀噴吹的氣流，在帶鋼邊部形成一定的小型氣流漩渦，增加了氣刀的噴吹面積，提高了氣刀能力。在帶鋼邊部增加氣流面積，可以有效預(yù)防邊部氣刀條痕和邊部結(jié)渣等情況的發(fā)生。擋板并不是越厚越好，多次實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擋板厚度為1.8 mm 時(shí)，邊部角度為82°時(shí)，鋅層厚度和中間值相等。楔形刀唇結(jié)構(gòu)的氣刀可以有效減少邊部由于氣刀壓力減少帶來(lái)的弊端，提升邊部鋅層厚度值的控制精度，達(dá)到最優(yōu)鋅層厚度值。

2.4 閉環(huán)控制

氣刀調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，如果全部依靠人工進(jìn)行參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化，不但難度較大，而且在調(diào)整過(guò)程中可能產(chǎn)生大量的不合格品。在鋅層測(cè)厚儀的測(cè)量基礎(chǔ)上，利用ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃）物料信息系統(tǒng)反饋、中冠數(shù)據(jù)整體數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)和化驗(yàn)站數(shù)值比對(duì)，形成非線性規(guī)劃數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)（圖4）。通過(guò)前饋控制和實(shí)際調(diào)節(jié)，針對(duì)鋅層控制情況，模擬數(shù)據(jù)比對(duì)出鋅層控制方案。

圖4 32 鋅層中冠數(shù)據(jù)

氣刀間距設(shè)定值通過(guò)多元線性回歸算法得出：

其中，Dset為氣刀間距設(shè)定值，W 為帶鋼寬度，LS 為生產(chǎn)線速度，ZW 為目標(biāo)鋅層重量，a、b、c、d 為回歸系數(shù)和常數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)中，閉環(huán)控制尤為重要。

3 結(jié)論

通過(guò)氣刀唇縫的分析，得出唇縫減少對(duì)生產(chǎn)速度、即時(shí)產(chǎn)量、氣刀壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、出風(fēng)量、出風(fēng)口氮?dú)鉁囟取L(fēng)機(jī)進(jìn)出口軸承溫度發(fā)生一系列的變化。再分析刀唇角度對(duì)鋅層厚度的影響，擋板厚度和角度的分析，閉環(huán)數(shù)據(jù)上的控制，研究出鋼廠軋鋼32 鍍層鍍鋅氣刀改進(jìn)。分析出減小氣刀唇縫后該規(guī)格提速140 m/min 后，提產(chǎn)40%，氣刀風(fēng)機(jī)負(fù)載、轉(zhuǎn)速未大幅提升、風(fēng)機(jī)軸承溫度在可控范圍內(nèi)的情況下，鋅層厚度控制在32 g/cm2。刀唇角度在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，變化量在-1°～-0.5°調(diào)節(jié)。擋板厚度為1.8 mm 時(shí)，邊部角度為82°時(shí)，鋅層厚度和中間值相等，氣刀達(dá)到最好效果。

氣刀工藝不具有穩(wěn)定可控的數(shù)據(jù)狀態(tài)，32 鋅層需要使用專用的特制氣刀，因?yàn)榇娇p過(guò)小，容易造成堵塞，易產(chǎn)生氣刀條痕，或完全堵住后產(chǎn)生厚邊等非計(jì)劃品。在保證氣刀良好狀態(tài)下，要保證產(chǎn)線無(wú)頻繁變化的產(chǎn)品，降低規(guī)格變化產(chǎn)生的過(guò)渡品，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn)的環(huán)境，提升生產(chǎn)效率。