金属制品清理设备的制作方法

发明领域

本发明涉及氧化金属制品的清理设备。

背景技术：

用于清理常规类型带材的生产线旨在消除在热轧金属制品上形成的表面氧化物层。事实上，在热轧过程中，由连铸机成形的板坯被轧制并减小厚度，以限定厚度大致在0.8mm和12mm之间的第一带材。

由于热轧是在高温下进行的，通常在200℃和800℃之间，因此金属制品的表面在不同的部分暴露于氧化剂，例如空气和水。事实上，不可能总是在惰性气氛中处理金属带材，并且这导致制品表面层的氧化，这除了确定材料的重量损失之外，也是一个必须在随后的精加工过程中解决的问题。该氧化物层通常包括最靠近金属(即朝向内部)的部分中的氧化亚铁，并且当从那里移开时氧化物层通常包括磁铁矿和赤铁矿。

此外，一般来说，精加工过程不是紧接着热轧工艺的下游进行的。热轧带材通常被卷绕成所需重量或直径的卷(数据取决于从轧制线输出的带材厚度)，并在室温下在靠近热轧线布置的仓库中冷却。因此，这会导致带材表面进一步氧化。

此外，有时热轧和酸洗发生在不同的位置，因此，即使在从腐蚀侵蚀的角度来看极具侵蚀性的条件下，例如在有微咸空气的情况下，带材卷也可以被运输。

然而，如果该氧化物层(通常称为氧化皮(scale))保持完整并牢固地粘附到金属带材，它对金属带材起到保护作用。然而，由于大气介质在运输和储存过程中的作用，以及氧化皮本身不可避免的破裂，很难保持氧化物层完整。

此外，湿气渗入狭缝并与最靠近金属表面(例如钢)的氧化亚铁层反应，形成氢氧化亚铁和氢氧化铁，由于体积的增加，这导致氧化物层的进一步分离，从而使得金属的另一部分受到侵蚀。

随后，根据生产要求，热轧带材应在精整线上完成。

这种带材在最终完成之前甚至可以在仓库中保留几天，由此，它有全部时间来冷却并达到室温，确定氧化物层，例如，氧化物层可以在带材的每侧达到5-20μm。氧化物的厚度与带材的标称厚度成正比，但也与带材卷绕期间带材的温度成正比。

因此，在对制品进行冷轧处理和随后的涂层处理(例如镀锌或镀锡)之前，需要从氧化物涂层清理材料。这一点尤其重要，因为这种氧化物层或氧化皮除了使轧制变得困难之外，还会破坏成品的表面质量。

清理带材的背景技术是通过去氧化皮和酸洗线的特殊布局来进行的，去氧化皮和酸洗线通常在冷轧之前。通常，提供热轧带材退绕线，随后提供适于打破氧化皮的装置，以便通过以下处理使其可更容易去除。制品从氧化皮上的清理是通过连续的步骤进行的，这些步骤将制品引入酸槽(酸洗)。随后冲洗制品。

在这种类型的清理所涉及的问题中，当然有相当大的消耗和酸的后续处置。此外，从腐蚀性液体的管理和任何事故的角度来看，有必要考虑化学酸洗对操作员造成的危险。

不利的是，在背景技术中，事先不了解酸洗前制品上存在的氧化皮的量。

因此，操作员目前根据他们的经验假设初始氧化皮的去除量。

如上所述，酸侵蚀导致经过酸洗系统的制品的重量减轻。

然而，尽管有可能确定制品损失的量，但是不可能优化清理参数，因为这种控制是在大致假定要去除的初始氧化皮的量之后事后进行的。

目前，不可能事先确定处理参数来以所需的最小量的酸去除确切量的氧化物。不利的是，很可能使用更大量的酸，因此也去除了“好”制品的一部分，即带材的一部分基金属，从而确保清理的良好结果。

相反，在更糟糕的情况下，所用的酸(或在酸洗槽中花费的时间)可能不够，因此制品没有得到最佳清理，因此必须丢弃或再次处理。

总之，酸洗槽中可能出现两种类型的缺陷：

-酸洗不足的材料，表面有残留的氧化物污渍，通常最顽固的氧化物没有通过酸洗过程去除，这可能导致制品降级；

-过度酸洗的材料，其中酸溶液也侵蚀了带材的基金属，因此产生了明显的厚度减小和表面粗糙度的强烈改变。甚至这种缺陷也会导致制品的降级。

因此，需要提供一种能够克服上述缺点的用于清理金属带材的创新设备。

发明概述

本发明的一个目的是提供一种用于清理金属带材的设备，该设备允许检测数据，这些数据对于操作员来说是有用的，以最佳地调整酸洗的操作参数，使得酸洗更加精确、成本有效、生态上可持续和安全。

本发明的进一步的目的是提供一种设备，其允许检测和处理数据以自动调整酸洗的操作参数，相对于背景技术的解决方案进一步改善酸洗条件。

因此，本发明通过一种用于清理金属带材的清理设备满足了上述至少一个目的，该金属带材具有表面氧化物层，根据权利要求1，该清理设备包括：

-退绕装置，用于退绕至少一个轧制带材卷；

-酸洗装置，用于酸洗所述轧制带材；

-测量装置，用于测量表面氧化物层的厚度，测量装置布置在所述退绕装置和所述酸洗装置之间；

其特征在于，所述测量装置包括至少一个激光源，该至少一个激光源与光纤光谱仪配合，从而限定libs系统(激光诱导击穿光谱仪)，该libs系统也适于分析氧化物的构成和氧化物的成分的浓度。

有利的是，所述光纤光谱仪适于在所述激光源的激光朝向未氧化的基材穿透轧制带材时测量氧的存在。

另一个优点可以由这样的事实来表示，提供了一个安装在libs系统中的软件，该软件适于计算表面氧化物层的厚度，即，适于计算在所述光谱仪开始检测到不存在氧的腐蚀时间t时通过激光源腐蚀的材料层的深度，通过激光进行的腐蚀的速率是已知的。优选地，所述深度沿着垂直于由前进带材限定的平面的方向计算。

本发明的进一步的方面涉及可由前述的设备执行的用于清理金属带材的方法，该方法根据权利要求14包括以下步骤：

-通过退绕装置退绕至少一个轧制带材卷；

-通过测量装置测量带材的表面氧化物层的厚度；

-通过酸洗装置酸洗所述轧制带材；

其中，在步骤b)中，除了测量表面氧化物层的厚度之外，还通过至少一个激光源进行氧化物的构成和氧化物的成分的浓度的分析，该至少一个激光源与光纤光谱仪相关联，从而限定libs系统(激光诱导击穿光谱仪)；

并且其中当所述激光源的激光朝向未氧化的基金属穿透轧制带材时所述光纤光谱仪测量氧的存在，并且表面氧化物层的厚度等于当所述光谱仪将检测到不存在氧时通过激光源在轧制带材中挖掘的深度。

因此，由激光源进行对氧化物层的精准的烧蚀期间，光纤光谱仪测量氧的存在。因此在烧蚀过程中，当光谱仪在腐蚀时间t之后检测到不存在氧时，在时间t时腐蚀材料层的深度的测量值将对应于表面氧化物层的厚度。

换句话说，随着氧峰值的消失，一旦了解腐蚀时间t和腐蚀速率，软件计算腐蚀深度，该深度将等于表面氧化物层的厚度。此外，libs系统还提供了与氧化物的构成(例如，o/fe比)相关的信息，允许进一步优化酸洗条件。

有利的是，本发明的解决方案允许仅在15s÷20s内测量表面氧化物层的厚度，并且可能还测量o/fe比。

有利的是，在酸洗装置上游提供的对存在于轧制带材上的氧化物层的厚度的精确测量允许操作员适当地调整酸洗装置的操作参数。事实上，优选地但不是必须恰好在酸洗之前，通过精确地检测形成在待清理的制品上的氧化物层的厚度或氧化皮的厚度以及其特征，更容易安全地估计清理装置的操作参数和清理剂的量。

在本发明的变型中，氧化物层的厚度测量数据可以由被编程为自动调整酸洗装置的操作参数的处理单元处理。

在所有变型中，可以提供光学检测装置，用于检测与带材清理水平相关的数据，该光学检测装置布置在所述酸洗装置的下游。

在具有处理单元的变型中，处理单元可以被配置为也处理带材清理水平数据，并且可能地，进一步调整酸洗的操作参数。事实上，通过从酸洗装置下游的光学检测装置接收的反馈，可以控制得到的清理质量，进一步优化参数，直到达到期望的清理目标。在背景技术中，清理过程由经验决定并且通常被校准以进行大于所需的清理来确保足够的结果，不同于背景技术中发生的情况，通过了解氧化物起始数据，即已知的酸洗动力学，可以预先设定最佳处理条件。通过对酸洗输出结果的分析，可以了解酸洗的操作参数是否是最佳的、充分的还是不足的。

通过本发明的解决方案，因此可以相对于待酸洗的实际制品优化酸洗的管理参数，从而减小机器的尺寸，减少甚至消除使用酸的清理系统，并节省在清理结束时金属制品的基材。

除了减少系统的污染物和能源成本之外，还进一步降低了对操作员健康的风险。

从属权利要求描述了本发明的优选实施例。

附图简述

在附图的帮助下，根据通过非限制性方式公开的用于清理金属带材的设备的优选但不排他的实施例的详细描述，本发明的另外的特征和优点将变得更明显，所述实施例通过解释而不是通过限制来示出，其中：

图1示出了根据本发明的设备的第一实施例的图解视图；

图2示出了根据本发明的设备的第二实施例的图解视图；

图3示出了根据本发明的设备的第三实施例的图解视图。

用虚线描画的要素是可选的。

发明的示例性实施例的详细描述

参考附图，示出了用于清理氧化金属带材的设备的一些示例性实施例。

根据本发明的设备，在其所有实施例中，依次包括：

-退绕装置1，用于退绕至少一个具有表面氧化物层的轧制带材卷；

-测量装置4，4’，用于测量表面氧化物层的厚度；

-酸洗装置5，用于酸洗所述轧制带材。

在第一变型中，退绕装置1包括轧制带材的单个退绕线，优选单个退绕卷轴。

在退绕装置1的第二变型中，向轧制带材提供了双退绕线，随后是切割机和焊接机，以便向待酸洗的带材提供连续性。

特别地，可以提供至少两个退绕卷轴和焊机，优选激光焊机，焊机能够在由退绕卷轴退绕的带材之间产生接合，从而限定了连续的带材，即允许在退绕装置下游的金属带材的进给连续性。可选地，可以提供用于调整带材张力的张紧装置。

优选地，在退绕装置1和酸洗装置5之间，可以有利地设置至少一个氧化皮破碎装置(scalebreakingdevice)3，所述氧化皮破碎装置例如使用用于破坏氧化物层的机械系统，从而使得氧化物层通过随后的酸洗装置更容易去除。

在第一实施例中(图2)，用于测量氧化物层厚度的测量装置4’布置在退绕装置1和氧化皮破碎装置3之间，以便检测输入的氧化皮的厚度，并因此校准氧化皮破碎装置3以及随后的酸洗装置5。优选地，可以有利地提供重量传感器2，以称量通过氧化皮破碎装置3的作用从带材分离的氧化皮的量。基于由测量装置4’检测到的数据和由重量传感器2检测到的氧化皮的重量，操作员可以更好地估计酸洗操作参数。

在第二实施例中(图1)，用于测量氧化物层厚度的测量装置4布置在氧化皮破碎装置3和酸洗装置5之间。在这种情况下，检测输入酸洗装置5的氧化物层的厚度，因此，只有所述酸洗装置在根据测量装置4检测的数据的基础上进行校准。氧化皮破碎装置3将因此根据操作员的经验进行设置，将它的工作参数与提供给清理设备的热轧带材的厚度进行比较。

在第三实施例(图3)中，替代地提供了布置在退绕装置和氧化皮破碎装置3之间的第一测量装置4’，以及布置在氧化皮破碎装置3和酸洗装置5之间的第二测量装置4。因此，通过精确地了解输入到氧化皮破碎装置3和输入到酸洗装置5的数据，可以获得两个单元的最佳校准。同样在该第三实施例中，可以提供重量传感器2，以称量通过氧化皮破碎装置3的作用从带材分离的氧化皮的量。基于由测量装置4’和测量装置4检测到的数据和由重量传感器2检测到的氧化皮的重量，操作员可以更好地估计酸洗操作参数。

有利地，用于测量氧化物层厚度的测量装置4、4’包括至少一个激光源，该至少一个激光源与光纤光谱仪相关联，从而限定libs系统(激光诱导击穿光谱仪)。

libs系统作为本身已知的系统在此没有被详细描述。

光谱仪使用激光源对氧化物层进行精准的烧蚀。激光源提供将属于氧化物层的物质(通过沿着氧化物层厚度烧蚀而去除)引入等离子体状态所需的能量。通过使用光谱仪，对构成等离子体的离子退激允许识别存在的物质及其浓度。氧信号的消失使得能够容易地得出氧化物层的厚度。

事实上，光谱学从制品的外表面开始测量各种元素的存在，朝向未氧化的基料穿透。当不再检测到氧的存在时，这意味着已经到达氧化物层的底部，因此，挖掘深度对应于氧化物厚度的测量值。通过光谱测量，因此可以了解氧化物层的厚度和氧化物层的构成以及氧化物的成分的浓度。因此，根据这些数据，以最佳方式定义酸洗操作参数成为可能。使用libs技术的另一个优点在于其最小侵入性，该技术是微破坏性技术，因为所产生的唯一损害是对材料的烧蚀，产生孔，孔的尺寸取决于激光聚焦点。

在一个有利的变型中，提供两个或更多个测量装置4、4’，其布置在轧制带材进给线的上方和下方，以便计算带材上面和下面上的氧化物层的厚度，以及带材边缘和中心之间的差异。

特别地，在提供上述测量装置的设备的每个区域中，提供了布置在轧制带材进给线上方的至少一个测量装置和布置在轧制带材进给线下方的至少一个测量装置。

当提供了布置在退绕装置和氧化皮破碎装置3之间的两个或更多个测量装置4’和/或布置在氧化皮破碎装置3和酸洗装置5之间的两个或更多个测量装置4时，提供至少四个或更多个激光源，该四个或更多个激光源分别与光纤光谱仪相关联，限定四个或更多个libs系统。

这些libs系统可以相对于轧制带材进给线以固定或可移动的方式布置。

测量氧化物层的厚度可以以不同的方式进行。

例如，可以以静态方式进行测量，暂时中断流向清理设备的材料流动(例如在带材焊接期间)，并且一旦获得数据就重新开始。

替代地，例如通过将测量装置放置在适于与金属带材一起移动的托架上，可以连续进行测量。

在上述所有实施例中，可以在酸洗装置5的下游提供用于检测带材清理水平的光学检测装置6，以便向操作员提供关于先前设定的酸洗操作参数的有效性的信息。

优选地，用于清洗酸洗带材的清洗装置布置在酸洗装置5和光学检测装置6之间。

还可以提供处理单元7，其被配置为处理源自测量装置4和/或4’的测量数据，并调整酸洗装置5和/或氧化皮破碎装置3的操作参数。

有利地，处理单元7还可以被配置为处理源自光学检测装置6的带材清理水平数据，并且可能进一步调整酸洗装置5的操作参数。

源自测量装置4、4’的数据，包括氧化物层的厚度、氧化物层的构成和氧化物成分的浓度的值，被存储在处理单元7中并在其中进行处理，然后处理单元7将尤其确定酸洗装置5和/或氧化皮破碎装置3的操作参数，然后通过光学检测装置6接收关于酸洗结果的反馈。

例如，这种光学检测装置6包括用于酸洗下游的带材的视频分析的至少一个系统，这将允许例如将带材的颜色或亮度与指示制品不同清理程度的色阶(chromaticscales)进行比较，该色阶预先加载在处理单元7的存储器中。例如，使用高像素密度数码相机，可以定义每平方米带材的缺陷区域和酸洗区域之间的关系、缺陷区域的最小和最大尺寸及缺陷区域在带材上的位置(上表面/下表面、中心/边缘、头/尾或线圈体，即头和尾之间的带材部分)。

关于酸洗装置，它们可以包括至少一个化学酸洗槽；或干酸洗系统；或干酸洗系统，随后是至少一个化学酸洗槽；或第一干酸洗系统，随后是第二干酸洗系统。

在仅通过一个或更多个酸洗槽进行酸洗的情况下，规定腐蚀性液体(通常是酸)的流量最好由操作员根据由测量装置4提供的数据进行调整，或者最好由处理单元7直接进行调整。

在优选的处理变型中，来自退绕单元或退绕卷轴并且可能由氧化皮破碎装置3处理的先前热轧和氧化的带材，在酸洗槽上游经受氧化皮厚度的测量，优选通过libs测量。操作员或处理单元7接收与在带材两侧和边缘检测到的厚度相关的数据，并设置与更难去除的氧化物层的完全酸洗相关的处理条件。这确保了对带材的正确清理。

此外，操作员和/或处理单元还可以了解装载在退绕单元上的带材的厚度，其对应于热轧生产线末端的带材的卷绕厚度。事实上，通过了解要去除的氧化物的量，可以预先设定要进行的化学反应的质量平衡，以便完全消除氧化物层。因此，由测量装置4、4’检测的数据和在热轧后卷绕时的带材厚度，不仅对于允许操作员或处理单元确立适合于这种带材厚度和氧化物/氧化皮的相对厚度和类型的酸洗的酸的量是重要的，而且可能对酸洗槽中带材的行进速度也是重要的。事实上，对于极度氧化的制品，最好提供较低的行进速度(允许酸和制品之间有较长的接触时间)；反之亦然，对于轻微氧化的制品，最好提供较高的行进速度。

随着酸侵蚀氧化物，导致氧化皮从制品中分离，所述酸一旦耗尽，就以盐的形式与氧化物结合，并通过收集装置收集在酸洗槽的底部处。

通过用于测量置于新的或再生的液体酸洗溶液的入口管线处和排出溶液的出口管线处的铁fe和酸的浓度的系统，可以通过执行精确的过程控制来计算去除的氧化皮的量。

因此，带材继续经受冲洗并离开酸洗区。

一旦出来，带材由光学检测装置6检测，光学检测装置6验证先前酸洗的实际结果。在检测到清理不足的情况下，操作员或处理单元7可以增加清理液(通常是酸)的量，或者降低带材行进速度；反之亦然，如果清理过度，则可以增加行进速度或可以减少清理液的量。

在仅通过干酸洗器具进行酸洗的情况下，提供一个或更多个激光清理装置，其适于发射集中的激光脉冲束，例如在us5736709中公开的激光脉冲束，这些激光脉冲束最好由操作员根据测量装置4提供的数据进行调整，或者最好由处理单元7直接调整。

将这种技术用作酸洗系统允许消除对酸的使用，一方面允许极大地简化设备，另一方面允许管理起来更容易且更尊重环境。

在优选的处理变型中，来自退绕单元或退绕卷轴并且可能由氧化皮破碎装置3处理的先前热轧和氧化的带材，在干酸洗器具上游经受氧化皮厚度的测量，优选通过libs测量。操作员或处理单元7接收与在带材两侧和边缘检测到的厚度相关的数据，并设置干酸洗器具的操作参数，比如，例如带材不同区域上的激光脉冲能量，以确保带材的正确清理。

为了非常精确的清理，在多个激光清理装置的情况下，可以提供另外的测量装置，优选为与相应的光纤光谱仪相关联的激光源，每个另外的测量装置介于激光清理装置和下一个清理装置之间。因此，通过单个激光清理装置对带材进行去氧化皮，该激光清理装置利用由处理单元或操作员根据直接在单个清理装置上游检测到的氧化物层的测量数据设定的参数进行工作。

一旦干酸洗操作完成，带材由光学检测装置6检查，光学检测装置6验证清理质量。

将指向氧化物层的高功率激光脉冲保持片刻，由于高温而导致表面迅速变形，导致在前面步骤中已经弱化的氧化皮分离。此外，考虑到两种组分的不同晶体微结构，最表面层的氧化物将趋向升华，而内部的氧化物层将经受瞬时加热，相对于下面的金属以不同的方式变形。这种热冲击类似于声波穿过材料，会导致氧化皮与带材基材分离。

可以提供抽吸装置，其可能地由清扫装置(brushingdevices)辅助，以收集去除的氧化物，以便对其进行称重，并将其与和氧化物层厚度的高度相关的初始数据和与预期去除的进行比较。

此外，这种干酸洗器具的优点在于，通过收集纯氧化物而不是来自其它材料的污垢，这允许在其它应用中回收它们，例如，送至熔炉或作为废料补充物在市面上销售。

氧化物层厚度测量装置与激光干酸洗器具的组合使用的优点是可调节带材不同部分上的激光能量，例如边缘上的激光能量，以便在无需降低带材的行进速度的情况下，在检测到氧化较大的区域中以更高的效率工作。

在混合酸洗的情况下，通过干酸洗器具，随后是至少一个化学酸洗槽，提供一个或更多个激光清理装置，随后是至少一个化学酸洗槽，一个或更多个激光清理装置适于发射集中的激光脉冲束，比如，例如在us5736709中公开的那些。

操作员和/或处理单元7接收与在带材两侧和边缘检测到的氧化物厚度相关的数据，并设置干酸洗器具的操作参数，比如，例如带材不同区域上的激光脉冲能量，以及化学酸洗的操作参数，例如清理液(通常是酸)的量和/或带材行进速度。

有利的是，使用激光干酸洗去除大部分氧化物层，并通过酸的轻微腐蚀侵蚀完成操作，可以作用于制品的粗糙度，获得最佳表面，这将特别适用于电镀和/或涂漆处理。

事实上，虽然大部分氧化物层通过激光处理被消除，但是任何表面尖峰保持不变；通过酸洗的腐蚀作用，可以使表面均匀，调节其形态。

由于在这种情况下腐蚀性液体的量是有限的，因此对其的管理更加简单和易于处理，也变得更加生态可持续。

最后，在混合酸洗的情况下，通过第一干酸洗器具，随后是第二干酸洗器具，提供一个或更多个激光清理装置，接着是至少一个机械酸洗装置，该一个或更多个激光清理装置适于发射集中的激光脉冲束，例如在us5736709中公开的激光脉冲束，该机械酸洗装置优选地设置有位于带材上表面和下表面处的旋转研磨刷子。

操作员或处理单元7接收与在带材两侧和边缘检测到的氧化物厚度相关的数据，并设置第一干酸洗器具的操作参数，比如，例如带材不同区域上的激光脉冲能量，以及第二干酸洗器具的操作参数，例如刷子的接触压力、刷子相对于带材的相对速度、刷子电机扭矩。

有利的是，使用激光干酸洗去除大部分氧化物层，并通过旋转刷子轻轻去除表面材料层来完成操作，可改变制品的表面面貌，控制其表面粗糙度。

关于本发明的清理金属带材的方法，其可通过前述设备实施，这种方法包括以下步骤：

a)通过退绕装置1退绕至少一个轧制带材卷；

b)通过测量装置4、4’测量轧制带材的表面氧化物层的厚度；

c)通过酸洗装置5酸洗所述轧制带材；

其中，在步骤b)中，通过至少一个激光源执行表面氧化物层的厚度的测量，同时分析氧化物的构成和氧化物的成分的浓度，至少一个激光源与光纤光谱仪相关联，从而限定libs系统(激光诱导击穿光谱仪)。

在该设备的实施例中提供有：

-至少一个氧化皮破碎装置3，其在退绕装置1和酸洗装置5之间；

-第一测量装置4’，其布置在退绕装置1和至少一个氧化皮破碎装置3之间；

-第二测量装置4，其布置在至少一个氧化皮破碎装置3和酸洗装置5之间；

-光学检测装置6，其布置在所述酸洗装置5下游，用于检测带材的清理水平；

-以及处理单元7，其用于处理源自所述第一测量装置4’和所述第二测量装置4的测量数据，以及源自所述光学检测装置6的带材的清理水平数据；

在步骤a)之后，该方法提供：

-通过第一测量装置4’测量轧制带材的表面氧化物层的厚度；

-通过处理单元7处理源自所述第一测量装置4’的测量数据，并调整所述至少一个氧化皮破碎装置3的操作参数；

-通过所述至少一个氧化皮破碎装置3对轧制带材去氧化皮；

-通过第二测量装置4测量轧制带材的表面氧化物层的厚度；

-通过处理单元7处理源自所述第二测量装置4的测量数据，并调整所述酸洗装置5的操作参数；

-通过酸洗装置5酸洗所述轧制带材；

-通过光学检测装置6检测轧制带材的清理水平；

-通过处理单元7处理源自所述光学检测装置6的带材清理水平数据，并且可能地进一步调整所述操作参数。