杜马气刀结构组成及控制使用情况研究

黎 苗，廖嘉豪，唐 瑜

（攀钢集团攀枝花钢钒有限公司，四川攀枝花 617000）

0 引言

气刀设备在攀钢钒冷轧厂带钢连续热镀锌生产线上位于锌锅与高跨冷却段之间，用于控制带钢镀层厚度，是生产线上的核心设备[1]。当前广泛应用的各气刀品牌主要有科勒、方登、克莱西姆、日立等，攀钢钒冷轧厂现使用的杜马气刀集各家之所长，且独具有多方面的巧妙设计，极大改善了热镀锌板的质量，具有生产最高质量要求产品的工艺水平，如高品质家电板、汽车外板等。现根据杜马气刀在攀钢热镀锌线上的实际使用情况，介绍杜马气刀的结构、功能和自动控制过程。

1 杜马气刀本体结构简介

杜马气刀控制带钢锌层厚度的喷吹方法应用流体冲击学原理，如图1 所示，在带钢出锌锅后，气流先后经腔体、刀唇吹至带钢上，使多余的锌液逆向回流，使带钢表面锌层达到最优厚度。

图1 吹气刮锌示意

1.1 气刀刀唇

（1）刀唇长度调节。杜马气刀中的非接触式电磁检测装置可以自动实时检测带钢位置，再根据带钢实际宽度对气刀刀唇吹气长度进行调节。这是杜马气刀的独特设计，一方面可显著降低噪声污染，另一方面由于精准控制吹气宽度可减少气体介质的消耗量。这个特点尤其是在使用氮气的情况下具有很大的经济优势，与传统的气刀进行对比，杜马气刀根据带钢宽度精准控制刀唇出气量可使氮气的使用量节省约13%～65%。

（2）刀唇的间隙高度调节。气刀的每侧均放置有12 个调节螺杆，如图2 所示，连接上下刀片的调节螺杆以固定的间隔排列，调节范围0.8～2.7 mm，调节精度可达0.03 mm，这种设计确保了在间隙调节范围内维持稳定的间隙高度。

图2 气刀间隙调节螺杆排列

（3）刀唇的角度调节。杜马气刀吹气时其刀唇角度并不垂直于带钢，刀唇可延轴向调节5°，一般是向下偏转，且上下表面两侧的气刀为防止对冲产生涡流，需错开一定的角度。角度调节转轴在刀唇水平线上，以保证调节角度时，气刀刀唇和带钢的距离几乎不会变化。例如，实际刀唇角度调整1°时，带钢和刀唇移动0.05 mm。刀唇喷吹角度通过一个就地的手轮进行调节，调节范围为0°～-5°，精度为±0.1°，如此高精度可以有效避免锌液飞溅到带钢表面。

（4）刀唇清洁器。杜马气刀的刀唇涂有防粘连涂层来减少与液态锌和铝合金的粘连[2]，但锌液飞溅不能完全避免，刀唇清洁器则可避免由于锌液堆积堵塞刀唇间隙造成板面缺陷。刀唇清洁器在移动时通过携带的一块插在刀唇间隙的金属片进行清洁，该自动清洁装置由无杆气缸驱动，自动清洁周期为每次焊缝经过气刀时。

1.2 气体介质控制系统

气刀有空气供气和氮气供气两种方式，两种方式的实际应用取决于产品表面质量需求，使用氮气作为气刀喷吹介质是改善锌铝镁产品表面的重要途径，氮气化学性质不活泼，杜绝了刮锌过程中镁的氧化，有效提高板面质量，因此生产锌铝镁等高质量产品时使用氮气供气。图3 为冷轧厂热镀锌生产线现使用气刀的供气管路示意图。

（1）空气控制系统。空气控制系统是通过调节三叶容积式风机（罗茨式）的转速来调压，一般情况下两风机分别为上下两侧的气刀供气，若一侧发生故障时可打开两风机连接管路即旁路阀，此种情况下两管路连接互通可实现“一拖二”。

（2）氮气控制系统。目前氮气系统使用三级调压，如图3 所示，自力式减压阀主要对主管压力进行减压调节，根据气刀实际氮气使用压力要求，将氮气压力从4500 mbar（450 kPa）降为1000 mbar（100 kPa）。氮气调压阀则对压力进行粗调，调节阀的PID（比例，积分，微分）调节死区为2 mbar（0.2 kPa）。当压力在2 mbar（0.2 kPa）内波动时，由径向控制器完成调节，目前此调节精度还有可优化的空间。

图3 气刀供气系统

（3）径向控制器（专利技术）。杜马气刀的径向控制器主要是由2 个带有径向狭缝的管道组成，通过内、外管壁孔的开度实现对气体流量的控制，开度通过内管转动角度来表示，范围是0°～120°。

如图4 所示，气刀腔体内有4 个腔，气体从中间的管路通道流入，接着通过径向控制器进入右半部分的第2 腔中，再通过带孔的分隔板进入左半部分的第3 腔中，气体在左右两腔中经过有效缓冲实现均匀输出，最后通过层流孔板进入刀唇腔即第4腔中再经刀唇吹出。

图4 杜马气刀剖面

四腔体设计实现了5 s 内完成刀腔的压力调节，常规的闭环调压过程需10～20 s，径向控制器和四腔式设计则大大提高了响应速度，缩短了响应时间[3]。

1.3 非接触式边部挡板

为避免带钢的边部的气流对冲产生紊流造成带钢边厚、结瘤、飞渣等缺陷，杜马气刀同其他气刀一样也使用了边部挡板，但杜马的边部挡板是采用非接触式，避免边部挡板导向轮堆渣，且有效改善带钢表面质量和节约成本，其单侧外观如图5 所示。传感器检测到带钢边部后利用伺服电机来控制边部挡板对带钢的跟踪移动，也装有传统边部挡板的导向轮作为控制系统故障时的保护装置。

图5 单侧边部挡板

1.4 eMASS 电磁稳定装置

现使用的气刀实际是包含杜马Jet-Pro 气刀与EMG 的e－MASS 电磁稳定装置的集成系统，eMASS 是一套电磁减振系统，主要通过磁场使用非接触的方式将运动的带钢稳定在气刀之间，并且有效抑制带钢的振动，能大大降低“C 翘”的产生率，如图6 所示。

图6 eMASS 控制结构

2 电气自动控制

2.1 网络结构

网络组态包括以太网、工业PROFIBUS DP 两部分，如图7所示，采用ISO pro-tocol on TCP/IP 协议与HMI 通信，气刀与机组的PLC 进行数据通信是在以太网中采用TCP/IP 协议，编码器、远程I/O 及传动装置建立通信则是通过PROFIBUS DP 协议。人机交互画面HMI 采用的是SIEMENS WinCC7.3 和WinCC flexible 2008。

图7 网络组态

2.2 传动装置

杜马气刀各部分的驱动控制以及急停功能全部通过使用SIEMENS S7-400 的PLC 实 现，S7-400 编程方式主要是包括 LAD、FBD、STL、CFC，通过这几种编写方式实现气刀水平移动、上升下降、压力控制等功能。驱动执行部分使用的是SIEMENS 伺服型号1FK7 系列的电机，此类电机使用了稀土磁性材料，编码器带旋转变压器（R14DQ 旋转变压器14位），使用的是具有高性能和高精度数字系统接口DRIVE CLIQ。伺服驱动器是SIEMENS S120 以及6ES7120-1TE21-0AD0 单电机模块，连接电源装置和控制单元两部分使用的是DRIVE CLiQ 接口。

3 结束语

目前杜马气刀在攀钢钒冷轧厂的使用状况良好，自投用后改善了生产时带钢边厚、结瘤、飞渣、“C 翘”等缺陷，极大降低了锌锅区域缺陷的降级改判率。整体来说该气刀坚固耐用且易于操作和维护，具有生产高质量产品的工艺水平。