冷轧连续退火炉温度控制系统设计与研究

胥平

【关键词】热镀锌连续退火炉 退火工艺 炉温控制系统 QPCT

1 引言

钢铁是当今社会各行各业应用最广泛的金属材料。然而单纯的钢铁制品存在严重的腐蚀问题。每年由于腐蚀而报废的钢铁材料和设备占生产总量的1/3。人们一直在寻找解决钢铁腐蚀问题的有效手段。

锌是人们首先认识到的一种有效保护钢铁腐蚀的金属。在潮湿腐蚀环境下，锌会在表面形成耐腐蚀碳酸锌薄膜，它能保护内部锌不在被腐蚀。同样的在钢铁制品表面在镀上一层锌后可以很好的保护内部钢铁制品不被腐蚀，延长其使用寿命。随着上世纪末，家电行业和汽车行业大量采用镀锌钢板，国内对于热镀锌生产线的建设进度开始加快。

梅山钢铁股份有限公司1422热镀锌生产线热镀锌机组采用“美钢联法”处理工艺，主要工艺设备配置有入口开卷及活套装置、清洗装置、退火炉、镀后冷却装置、化学处理装置、出口活套及卷曲装置。其中连续退火炉包括预热段（PHS）、直燃段（DFS）、辐射段（RHS）、冷却段（CS）、热张辊段（TDRS）和炉鼻（SNOUT），并配置点火系统、氮氢混合系统和炉内气体分析仪等配套设备。

热镀锌带钢退火属于再结晶退火，用以消除冷轧轧制过程引起的硬化现象。梅钢热镀锌设计生产商用钢（CQ）、深冲钢（DQ）、高强度钢（HSS）及全硬钢（FH） 4个钢种的带钢。

2 控制技术介绍

2.1 工艺要求

要使带钢满足各类产品的退火工艺要求，温度控制非常关键。根据上表所述钢种生产要求，热镀锌退火炉带钢温度最高设计值达到800℃，以满足再结晶退火的要求。热镀锌机组加热炉的均热时间按照不小于22.5秒（即630-800℃）。冷却段中800℃冷却到600℃为缓冷，冷却速率：25℃/秒；800℃冷却到460℃为缓冷，冷却速率：40℃/秒。带钢进锌锅的温度为420-480℃，一般为465℃；进入水淬槽的温度为200℃，烘干后带钢的温度小于50℃。针对热镀锌不同带钢种类的组成成分，可以确定其退火加热及冷却温度曲线如图1所示。

2.2 控制系统硬件配置

根据控制范围和要求，梅山热镀锌机组退火炉系统设计了一套含有3个CPU控制器的PLC控制系统，硬件采用西门子S7系列。其中一个S7-400的PLC负责控制退火炉段的燃烧、炉膛压力、氮氢混合、和炉膛气体分析等的控制；一个S7-400的PLC负责清洗、后继冷却、化学处理等等的控制；一个300系列的PLC负责退火炉点火系统的控制。本套系统还通过Profibus-DP与热镀锌机组电气传动PLC进行数据交换，通过标准以太网与热镀锌机组L2进行数据交换。 其网络结构如图2所示。

2.3 控制方案设计

2.3.1 退火炉控制方案总体介绍

带钢在清洗段化学脱脂和电解脱脂后进入退火炉。经过预热段预热，直燃段加热、辐射管均热段、冷却段降温和热张辊段保温后进入锌锅。在预热段和直燃段加热过程中，为了防止带钢表面氧化，影响镀锌效果，要求直燃段每个分区的燃烧控制在微欠氧状态下。多余未烧尽的燃气通过预热段补充空气燃烧。最终废气管道内的含氧量要求控制在2%以下。带钢在预热段和直燃段产生的氧化效果是无法完全避免的。此时通过在辐射管均热段、冷却段和热张辊段内通入高含量H2（最高可达30%）来还原带钢表面。同时带钢在辐射管均热段内继续加热，并保持在一个特定温度范围内，使得其有足够的时间完成再结晶。冷却段内还原性保护气体通过循环风机进行封闭式循环，炉内气体经过换热器冷却后从喷箱的喷嘴吹向带钢。喷箱在宽度方向分成3个区域以保证带钢温度均匀以防止带钢瓢曲。最后带钢经热张辊段进入锌锅镀锌。

表1为退火炉各段的控制方式。“PLC”控制模式是退火炉控制系统的默认模式。在“PLC”模式中无论是带钢温度控制模式还是炉膛温度控制模式，温度设定值均由操作人员根据工艺要求并结合操作经验直接在畫面上设定。在“L2”模式下，带钢的退火温度设定值由L2系统经过长时间的统计并结合生产工艺给出。“L2”模式下不直接给出各段炉膛温度的设定值。

2.3.2 直燃段控制

直燃段设有5个燃烧区域，根据不同的工况对炉膛燃烧的不同要求，直燃段设有点火模式（IGNI）、加热模式（HEAT）、自动模式（AUTO）和最小燃烧模式（MIN），这4种模式可以在CRT上手动切换，当满足一定条件时，控制系统也会自动切换，切换按区进行，即各区燃烧模式可以不一致。其切换遵循下列原则：

（1）直燃段（区）主烧嘴已关闭，切换到IGNI模式。

（2）直燃段（区）温度超高限报警时，切换到MIN模式。

（3）中央段停机连锁投入时机组停机，切换到MIN模式。

其控制系统结构如图3所示。

（1）点火模式。此模式用于在主烧嘴点火条件具备后对炉膛进行点火。当选择了点火模式后，各个燃烧区的燃气调节阀先根据点火开度设定值（MVfign）打开到一定开度。空气调节阀则根据空气流量点火设定值（Qaign）控制开度。在燃气进气阀打开一段时间后，燃气调节阀根据燃气流量点火设定值（Qfign）控制开度。

点火模式作为缺省模式在主烧嘴熄火或燃气进气阀关闭的时候，燃烧模式会自动切换到点火模式下控制。

（2）加热模式。此模式用于在主烧嘴完成点火后控制炉膛温度。在选择了加热模式后，各个燃烧区的燃气调节根据中选器后的设定值（Qfsv）进行控制，各个燃烧区的空气调节根据中选器后的设定值（Qasv）进行控制。当出现炉膛温度特高时，炉温控制会自动切换到最小模式，此时各个燃烧区的燃气调节根据最小设定值（Qfmin）进行控制，各个燃烧区的空气调节根据最小设定值（Qamin）进行控制。

当选择加热模式时，炉温控制将根据预先设定好的升温曲线进行控制。

（3）自动模式。此模式用于在主烧嘴完成点火后控制炉膛温度和带钢温度。此时系统可以接收L2下传的带温设定值。在选择了自动模式后，各个燃烧区的燃气调节根据中选器后的设定值（Qfsv）进行控制，各个燃烧区的空气调节根据中选器后的设定值（Qasv）进行控制。当出现炉膛温度特高或中央段停机连锁已投入时，炉温控制会自动切换到最小模式，此时各个燃烧区的燃气调节根据最小设定值（Qfmin）进行控制，各个燃烧区的空气调节根据最小设定值（Qamin）进行控制。连锁投/切按钮设置在CRT上。当连锁投入后，自动燃烧模式会随着中央段的停止而自动切换到最小模式。当连锁切除后，模式不会自动变换。

（4）最小模式。此模式下炉温不受控制。主要用于抑制炉温上升。此模式下各个燃烧区的燃气调节根据最小设定值（Qfmin）进行控制，各个燃烧区的空气调节根据最小设定值（Qamin）进行控制。

表2为各个模式下选择开关的动作情况。

2.3.3 燃烧控制

在直燃段燃烧控制中，燃气调节回路和空气调节回路按照预先设置好的燃烧比例各自调节。同时为了优化燃烧采用双交叉限幅燃烧控制回路来调节燃气和空气的变化，保证炉膛燃烧的稳定。双交叉限幅控制不仅使燃烧稳定，而且在负荷瞬时变化和扰动的情况下保证空气和燃料流量比在一定的允许范围内稳步变动，使炉内一直处于欠氧燃烧气氛，避免带钢表面氧化。结合控制模式和温度设定方式，我们给出梅山热镀锌连续退火炉燃气、空气流量双交叉限幅串级燃烧控制回路的整体结构，如图4所示。

（1）过剩空气系数。为了保证燃烧安全稳定，燃气和空气的比例必须保持恒定。燃气和空气之间的关系如下

Qasv = Qfsv * m * A0

Qasv表示空气设定值；Qfsv表示燃气设定值；A0表示理论燃烧空气量（本项目中为4.381）；m表示过剩空气率系数

为了避免带钢在直火燃烧中被氧化，实际输入的空气应该小于理论燃烧空气量。我们可以通过设定空气系数m来调整实际的空煤比。根据不同的控制模式，空气系数m会有所不同。在点火模式下，为了使燃气在小流量下稳定燃烧，空气系数m设定接近1。在升温模式下，随着燃气流量的增加，空气系数会逐渐减小，最终空氣系数m稳定在自动模式下的数值，一般在0.95～0.9之间。

（2）燃气流量控制。双交叉限幅的核心思想就是利用空气流量测量值来限制燃气流量设定值的变化，同时利用燃气流量测量值限制空气流量设定值的变化。简单地说就是把空气流量的实际值折算成燃气流量，再乘以一定系数产生最大燃气设定值和最小燃气设定值。当燃烧负荷变化时，系统会在燃烧负荷（Qfsv'"）、最大燃气设定值和最小燃气设定值3者之间选中间值作为燃气的设定值，这样就保证了燃料量不会脱离空气量产生大的变化，保证了燃烧的稳定。这样的设计可以避免外部输入性扰动对系统控制品质的影响，但同时这种方法也限制了燃烧控制系统的响应速度。最大燃气设定值和最小燃气设定值的计算公式如下：

Qfsv”表示燃气流量设定值；TICmv表示炉温控制器调节量；Qfspan表示燃气流量测量范围；Qapv表示空气流量测量值；A0表示理论燃烧空气量；msv表示空气过剩系数；α2表示最大燃气流量设定系数；β2表示最小燃气流量设定系数。

其中α2和β2的取值决定了系统在负荷变化时响应的快慢。α2数值越大，系统响应越快；数值越小，系统抗干扰能力越强，β2则相反。我们在实际调试过程中发现，对于连续退火炉这样大惯性、大滞后系统来说，稳定是最重要的因素，因此一般将α2设定在1.1～1之间，β2设定在0.9～1之间。

（3）空气流量控制。同样对于空气流量来说，就是将燃气流量的实际值折算成空气流量，再乘以一定系数产生最大空气设定值和最小空气设定值。当燃烧负荷变化时，系统会在燃烧负荷（Qfsv'"）、最大空气设定值和最小空气设定值3者之间选中间值作为空气调节器的设定值，保证燃烧一直处于最优状态。最大空气设定值和最小空气设定值的计算公式如下：

Qfsv”表示燃烧负荷/燃气流量设定值；Qfpv表示燃气流量测量值；Qfsv表示燃气流量中选设定值；Qasv表示空气流量设定值；A0表示理论燃烧空气量；msv表示空气过剩系数；α1表示最大空气流量设定系数；β1表示最小空气流量设定系数。

一般将α1设定在1.1～1之间，β1设定在0.9～1之间。需要注意的是，在设置α1，α2时要注意它们乘以空气系数m后要保证数值小于1.例如空气系数m设定为0.9，则α1，α2可以设定为1.1。两者相乘为0.99仍小于1。表示系统在负荷变化过程中，仍然保持在微欠氧燃烧状态。

辐射管段的控制方式与直燃段类似，在此就不再重复介绍。

3 设计优化

在实际调试过程中，我们发现采用传统的PID控制方法存在一个很明显的问题，PID参数的整定很难量化计算得到。采用经验法得到的参数只能满足系统稳定的要求，在系统响应速度和超调量控制上表现的不是很好。系统最终会达到稳定值，但在此之前可能会经过很长的振荡时间或者产生很大的超调。而这两种情况在退火炉温度控制中都是要极力避免的。

为此我们根据上海交通大学张卫东教授提出的QPCT控制理论设计了H2最优控制器。退火炉温度控制系统可以近似为一阶惯性时滞系统。

根据Pade近似

选取

，将原始输入信号归一为脉冲信号。为了使有界，S（s）表达式必须含有“s”项，且

设

根据系统输入为脉冲信号时，系统增益得：

（取全通函数）

显然Qopt（s）不是正则的。为此引入滤波器

满足

此控制器为PID控制器

如C（s）具有

的形式，则

其中

对于固定对象，系统的为定值，调试人员只要改变λ的值就能获得不同系统工程量调节参数下的最优PID控制参数。

4 小结

在实际调试过程中，我们在采用双交叉限幅燃烧控制的基础上，引入QPCT控制理论设计的H2最优控制器，既满足稳态燃烧空燃比要求，又能快速调整因炉温变化而引起的含氧量波动，保证带钢温度的相对稳定。特别是在负荷发生变化时，带温仍稳定控制在±15℃之内。

图5中红色为RHS段出口带温PV值，蓝色为RHS段出口带温SV值；绿色为DFS段出口带温PV值，浅褐色为DFS段出口带温SV值，褐色为带钢宽度。紫色和浅蓝色为机组TV值（机组速度*带钢厚度）时间跨度为16分钟。

参考文献

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