热镀锌退火过程中的温度控制策略

李世民

摘要：热镀锌退火过程对热镀锌板力学性能有着重要的影响。制定合理的退火温度制度，并精确控制板温，成为实现热镀锌板精准退火过程的核心问题。分析退火工艺对热镀锌板性能的影响，针对现有退火工艺制定方法的不足提出了基于数据驱动的退火工艺制定方法，实现热镀锌板退火工艺的持续优化。同时系统地综述了目前基于模型的热镀锌退火过程板温控制策略，针对热镀锌退火过程特点，提出了具有高适用性的数据与物理模型相混合的热镀锌退火过程温度控制方法，能够实现热镀锌板的精准热处理。

关键词：热镀锌;退火炉;退火工艺;板温控制

1热镀锌退火炉的设备组成及主要作用分析

1.1 熱镀锌退火炉的结构组成

退火炉主要分为预热段、加热段、均热段、冷却段、炉鼻出口段。钢带最先进入的是预热段，然后进入加热段，加热段内充有氮氢保护气体，避免钢带表面发生氧化。在冷却段有数台冷却风机对钢带进行循环冷却，将钢带冷却到460℃左右的温度。

1.2 热镀锌连续退火炉在工艺过程中的作用

退火工艺是热镀锌过程中至关重要的因素，直接决定了镀锌板的性能和质量。热镀锌退火炉是镀锌生产中的重要设备，主要功能是实现完全退火处理，同时对钢板表面进行清洁净化。现代的镀锌退火炉一般采用闭环温度控制，优点是精度高、易操作。先进的退火炉不仅能提高镀锌产品的质量，还能改善其性能。同时，退火炉是连续镀锌生产线的重要耗能设备，其能耗约占35%，在整个过程中消耗占比较大。因此，提高能量的利用效率在退火炉工作过程中就非常重要。

退火炉的2个作用：

（1）带钢的加热在还原气体中进行并维持足够长的时间，以消除在冷轧工序中晶粒细化产生的加工硬化，防止出现结构发生变化和产生缺陷，并提高机械性能。

（2）实现对钢带表面的清洁功能。带钢表面轧制油作为基础的污染物被火焰蒸发出来，使得钢带表面比较洁净。

2 基于数据与物理模型的热镀锌退火工艺控制策略

2.1 退火温度智能设定

通过实验方法能够得到不同钢种退火过程作用的机理，大致确定退火工艺，可以用于指导实际生产过程中退火制度的制定然而实验过程与生产过程还是有一定的差距，得到最佳的退火工艺后仍然需要在实际生产线进行验证。而且实际生产过程中同一钢种在成分、处理工艺、规格上有一定的波动，采用固定的生产工艺会对力学性能产生影响。基于智能模型的方法，采集生产过程数据，相当于把实际生产过程，看成实验过程。在累计大量数据的基础上，能够针对钢种成分以及中间工序的不同优化退火工艺。

考虑到热镀锌退火过程以及力学性能的影响因素以及数据挖掘方法的特点，提出利用最近邻（IBk）结合神经元网络的方法确定钢板的最佳退火工艺。

（1）根据钢板生产数据以及力学性能数据，通过多层感知网络（MLP）预测钢板的力学性能。

（2）选择满足要求的钢板生产数据，利用最近邻算法找到与带生产钢卷最近的k个实例，根据这些实例确定满足待生产钢卷力学性能达到要求的退火温度范围，以及最佳的退火温度值。

2.2基于混合模型的退火温度控制

2.2.1 稳态炉温控制

对于稳态过程，智能模型由于能够学习历史经验，因此具有很高的精度，但是由于钢板自身条件以及炉子的变化，可能会导致设定炉温下钢板的温度与目标值有偏差，然而智能模型不易修正炉温设定。因此对于热镀锌退火过程的稳态过程，采用混合模型方法，利用智能模型设定初始值，物理模型根据实际生产过程采集的钢板温度，利用模型预测控制对退火温炉进行小幅度的调整。该方法充分发挥智能模型在稳态过程具有高精度的特点，以及物理模型在线调整的优势，展现更高的精度。

（1）收集的历史数据，从中选择稳定生产过程，钢板出口炉温在目标值土5℃范围内的数据集，包括钢板化学成分、钢板运行速度、钢板规格、各炉区温度设定值。

（2）对数据进行清理与转化，特别是去掉那些满足给定炉温设定值与物理模型计算值偏差大的数据，以克服不同温度组合都能实现目标板温的情况。

（3）建立智能模型预测各炉区炉温设定值。

（4）根据各炉温温度实际值，利用物理模型计算钢板出口温度，并利用测得钢板温度与计算结果，对模型参数进行修正。

（5）通过修正后的模型观测钢板温度，根据观察的钢板温度与目标钢板温度，建立优化目标函数，根据炉子特点确定约束条件。

（6）利用优化算法，得到最优化的炉温变化值。

2.2.2辐射管温度控制

辐射管温度控制模式是对每一列辐射管进行温度控制;现以“AA”列为例说明，其他列控制方式与“AA”列一样。在每个温度控制区第5层（Level5）分别在驱动侧和操作侧的辐射管上各安装了1个“K”热电偶（T01，T02）用于测量辐射管的温度，两个辐射管温度测量值的最高值作为过程值应用于辐射管温度控制器。每一个温度控制区安装了1个热电偶（T03）测量该控制区域的温度。

结束语

（1）退火炉温度控制系统的稳定性和控制精度直接影响产品的质量，因此，在控制器中对温度控制算法的改进以增加系统的稳定性和精度是值得重点研究的方向。

（2）许多安全事故的发生并不全是操作不当，也包括一些设计缺陷。所以退火炉在安全设计上应得到更多的重视，采取更多的安全手段，如仪表气源加装过滤器、增加在线泄露检测设备等。

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