熱鍍鋅退火過程中的溫度控制策略

李世民

摘要：熱鍍鋅退火過程對熱鍍鋅板力學(xué)性能有著重要的影響。制定合理的退火溫度制度，并精確控制板溫，成為實(shí)現(xiàn)熱鍍鋅板精準(zhǔn)退火過程的核心問題。分析退火工藝對熱鍍鋅板性能的影響，針對現(xiàn)有退火工藝制定方法的不足提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的退火工藝制定方法，實(shí)現(xiàn)熱鍍鋅板退火工藝的持續(xù)優(yōu)化。同時(shí)系統(tǒng)地綜述了目前基于模型的熱鍍鋅退火過程板溫控制策略，針對熱鍍鋅退火過程特點(diǎn)，提出了具有高適用性的數(shù)據(jù)與物理模型相混合的熱鍍鋅退火過程溫度控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)熱鍍鋅板的精準(zhǔn)熱處理。

關(guān)鍵詞：熱鍍鋅;退火爐;退火工藝;板溫控制

1熱鍍鋅退火爐的設(shè)備組成及主要作用分析

1.1 熱鍍鋅退火爐的結(jié)構(gòu)組成

退火爐主要分為預(yù)熱段、加熱段、均熱段、冷卻段、爐鼻出口段。鋼帶最先進(jìn)入的是預(yù)熱段，然后進(jìn)入加熱段，加熱段內(nèi)充有氮?dú)浔Ｗo(hù)氣體，避免鋼帶表面發(fā)生氧化。在冷卻段有數(shù)臺冷卻風(fēng)機(jī)對鋼帶進(jìn)行循環(huán)冷卻，將鋼帶冷卻到460℃左右的溫度。

1.2 熱鍍鋅連續(xù)退火爐在工藝過程中的作用

退火工藝是熱鍍鋅過程中至關(guān)重要的因素，直接決定了鍍鋅板的性能和質(zhì)量。熱鍍鋅退火爐是鍍鋅生產(chǎn)中的重要設(shè)備，主要功能是實(shí)現(xiàn)完全退火處理，同時(shí)對鋼板表面進(jìn)行清潔凈化?，F(xiàn)代的鍍鋅退火爐一般采用閉環(huán)溫度控制，優(yōu)點(diǎn)是精度高、易操作。先進(jìn)的退火爐不僅能提高鍍鋅產(chǎn)品的質(zhì)量，還能改善其性能。同時(shí)，退火爐是連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線的重要耗能設(shè)備，其能耗約占35%，在整個(gè)過程中消耗占比較大。因此，提高能量的利用效率在退火爐工作過程中就非常重要。

退火爐的2個(gè)作用：

（1）帶鋼的加熱在還原氣體中進(jìn)行并維持足夠長的時(shí)間，以消除在冷軋工序中晶粒細(xì)化產(chǎn)生的加工硬化，防止出現(xiàn)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化和產(chǎn)生缺陷，并提高機(jī)械性能。

（2）實(shí)現(xiàn)對鋼帶表面的清潔功能。帶鋼表面軋制油作為基礎(chǔ)的污染物被火焰蒸發(fā)出來，使得鋼帶表面比較潔凈。

2 基于數(shù)據(jù)與物理模型的熱鍍鋅退火工藝控制策略

2.1 退火溫度智能設(shè)定

通過實(shí)驗(yàn)方法能夠得到不同鋼種退火過程作用的機(jī)理，大致確定退火工藝，可以用于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)過程中退火制度的制定然而實(shí)驗(yàn)過程與生產(chǎn)過程還是有一定的差距，得到最佳的退火工藝后仍然需要在實(shí)際生產(chǎn)線進(jìn)行驗(yàn)證。而且實(shí)際生產(chǎn)過程中同一鋼種在成分、處理工藝、規(guī)格上有一定的波動，采用固定的生產(chǎn)工藝會對力學(xué)性能產(chǎn)生影響。基于智能模型的方法，采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，相當(dāng)于把實(shí)際生產(chǎn)過程，看成實(shí)驗(yàn)過程。在累計(jì)大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，能夠針對鋼種成分以及中間工序的不同優(yōu)化退火工藝。

考慮到熱鍍鋅退火過程以及力學(xué)性能的影響因素以及數(shù)據(jù)挖掘方法的特點(diǎn)，提出利用最近鄰（IBk）結(jié)合神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法確定鋼板的最佳退火工藝。

（1）根據(jù)鋼板生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及力學(xué)性能數(shù)據(jù)，通過多層感知網(wǎng)絡(luò)（MLP）預(yù)測鋼板的力學(xué)性能。

（2）選擇滿足要求的鋼板生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用最近鄰算法找到與帶生產(chǎn)鋼卷最近的k個(gè)實(shí)例，根據(jù)這些實(shí)例確定滿足待生產(chǎn)鋼卷力學(xué)性能達(dá)到要求的退火溫度范圍，以及最佳的退火溫度值。

2.2基于混合模型的退火溫度控制

2.2.1 穩(wěn)態(tài)爐溫控制

對于穩(wěn)態(tài)過程，智能模型由于能夠?qū)W習(xí)歷史經(jīng)驗(yàn)，因此具有很高的精度，但是由于鋼板自身?xiàng)l件以及爐子的變化，可能會導(dǎo)致設(shè)定爐溫下鋼板的溫度與目標(biāo)值有偏差，然而智能模型不易修正爐溫設(shè)定。因此對于熱鍍鋅退火過程的穩(wěn)態(tài)過程，采用混合模型方法，利用智能模型設(shè)定初始值，物理模型根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)過程采集的鋼板溫度，利用模型預(yù)測控制對退火溫爐進(jìn)行小幅度的調(diào)整。該方法充分發(fā)揮智能模型在穩(wěn)態(tài)過程具有高精度的特點(diǎn)，以及物理模型在線調(diào)整的優(yōu)勢，展現(xiàn)更高的精度。

（1）收集的歷史數(shù)據(jù)，從中選擇穩(wěn)定生產(chǎn)過程，鋼板出口爐溫在目標(biāo)值土5℃范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)集，包括鋼板化學(xué)成分、鋼板運(yùn)行速度、鋼板規(guī)格、各爐區(qū)溫度設(shè)定值。

（2）對數(shù)據(jù)進(jìn)行清理與轉(zhuǎn)化，特別是去掉那些滿足給定爐溫設(shè)定值與物理模型計(jì)算值偏差大的數(shù)據(jù)，以克服不同溫度組合都能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)板溫的情況。

（3）建立智能模型預(yù)測各爐區(qū)爐溫設(shè)定值。

（4）根據(jù)各爐溫溫度實(shí)際值，利用物理模型計(jì)算鋼板出口溫度，并利用測得鋼板溫度與計(jì)算結(jié)果，對模型參數(shù)進(jìn)行修正。

（5）通過修正后的模型觀測鋼板溫度，根據(jù)觀察的鋼板溫度與目標(biāo)鋼板溫度，建立優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)爐子特點(diǎn)確定約束條件。

（6）利用優(yōu)化算法，得到最優(yōu)化的爐溫變化值。

2.2.2輻射管溫度控制

輻射管溫度控制模式是對每一列輻射管進(jìn)行溫度控制;現(xiàn)以“AA”列為例說明，其他列控制方式與“AA”列一樣。在每個(gè)溫度控制區(qū)第5層（Level5）分別在驅(qū)動側(cè)和操作側(cè)的輻射管上各安裝了1個(gè)“K”熱電偶（T01，T02）用于測量輻射管的溫度，兩個(gè)輻射管溫度測量值的最高值作為過程值應(yīng)用于輻射管溫度控制器。每一個(gè)溫度控制區(qū)安裝了1個(gè)熱電偶（T03）測量該控制區(qū)域的溫度。

結(jié)束語

（1）退火爐溫度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量，因此，在控制器中對溫度控制算法的改進(jìn)以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度是值得重點(diǎn)研究的方向。

（2）許多安全事故的發(fā)生并不全是操作不當(dāng)，也包括一些設(shè)計(jì)缺陷。所以退火爐在安全設(shè)計(jì)上應(yīng)得到更多的重視，采取更多的安全手段，如儀表氣源加裝過濾器、增加在線泄露檢測設(shè)備等。

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