专利名称：一种热浸镀镀层厚度控制的模拟实验设备及方法
技术领域：
本发明涉及金属材料的镀覆，特别是涉及热浸镀镀层厚度控制的模拟实验设备及方法。
背景技术：
镀层厚度控制工艺是钢带连续热镀锌生产中重要的工艺环节，其控制的精度和稳定性决定了镀层质量和表面形貌。镀层控制装置是镀锌生产线的最重要设备之一，决定了产品的镀层厚度，影响了产品的表面质量。当具有一定速度的钢带从镀锅内拉出时，钢带附近的镀液受到钢带的泵升作用，以一定速度随钢带一起带出镀锅表面。虽然，在重力作用下，会有一部分镀液回流进锌锅。但是，黏附在钢带表面的镀液仍要远多于镀层所需的数量，而且镀层表面的均匀性和平整性较差。因此，镀层厚度控制装置通过调节喷吹压力、装置与钢带距离、喷吹转角等工艺参数，控制和保证吹出的气幕以一定速度劈开黏附在钢带表面的镀液后，对钢带产生撞击作用，气流外围有一部分气体被弹回来，而气流中心的气体层沿着钢带表面向下或向上运动。这样，沿钢带表面向下流动的一部分气体对于被劈开的镀液就产生了向下的压力，使其与钢带剥离，从而控制镀层厚度。目前，国内外几乎所有的热镀锌生产线均采用这种镀层厚度控制工艺。但是，这种镀层厚度控制工艺涉及的参数繁多，喷嘴与钢带距离、喷嘴旋转角度、气流压力、镀液温度、镀液种类、浸镀时间、气流喷吹时间等参数关系复杂。
国内外相关研究人员对于镀锌生产线厚度控制的工艺研究主要采用两种方法1)采用大型生产线和中试生产线的方法，直接进行镀层厚度的在线控制与实验研究。这种方法耗资巨大，参与人员众多，喷吹压力、装置与钢带距离、喷吹转角等工艺参数调整复杂，只能进行简单的厚度控制和调整工作，并不适合进行镀层控制的工艺研究；2)采用实验室装置进行工艺模拟的研究方法。德国、奥地利、日本等国家相继研发了镀层厚度控制的实验室模拟装置。但是，镀层厚度控制工艺和控制参数是错综复杂的，影响镀层厚度的因素有很多，上述实验室模拟装置只是通过调解气体喷吹压力的方式进行镀层厚度控制，装置结构简单，存在诸多不确定因素和数据误差，无法进行喷吹转角、钢带速度、装置与试样距离等关键参数的模拟研究，难以实现对于现场工艺的有效模拟研究。
发明内容
本发明的目的是提出一种热浸镀镀层厚度控制的实验室模拟设备，该设备可实现热浸镀镀层厚度控制过程中喷吹转角、钢带速度、镀锌装置与试样距离等关键参数的模拟研究。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案 一种热浸镀镀层厚度控制模拟实验设备，用于检测镀层的喷吹压力，其中，该设备还用于检测镀层的喷吹角度、试样速度和实验设备与试样的间距，它包括 位于该设备中间并垂直放置的驱动装置5，用于驱动试样8浸入和离开镀液9； 驱动装置5两侧对称排列的、可旋转和上下左右移动的喷嘴7； 多个位置传感器，用于分别采集旋转装置6、驱动装置5和驱动装置5左右两侧的多个位置信号，分别通过信号采集器14与主控电脑15连接。
空压机系统11和气压调节器12通过气体通道3与旋转装置6和喷嘴7相连接。
与喷嘴7相联的旋转装置6和喷嘴驱动装置1在导轨4上运行；运行最大行程为65mm。
所述多个位置传感器包括第一至第六位置传感器13.1、13.2、13.3、13.4、13.5、13.6，其中，第一、第六位置传感器13.1、13.6分别位于左右对称分布的两组喷嘴驱动装置1的上面，第二、第五位置传感器13.2、12.5分别位于左右对称分布的两组旋转装置6的外侧，第三、第四位置传感器13.3、13.4位于该设备垂直中轴线上，并分别高于和低于旋转装置6。
所述镀液9置于加热装置10内。
本发明的另一目的是提出一种使用上述模拟设备的热浸镀镀层厚度控制的模拟实验方法。
为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案 一种热浸镀镀层厚度控制的模拟实验设备的模拟实验方法，用于检测镀层的喷吹压力，其中，还用于检测镀层的喷吹角度、试样速度和实验设备与试样的间距，该方法包括以下步骤 a)将试样8在驱动装置5的驱动下，以0.1-1.5m/s的速度浸入镀液9中； b)试样8在镀液9中浸镀时间为0.5～10s； c)在喷嘴7的喷吹气体压力为0.01MPa～1MPa的范围内调整并记录该压力； d)通过多个位置传感器采集旋转装置6、驱动装置5和驱动装置5左右两侧的多个位置信号，输入主控电脑15，从而标定试样8位置，并记录各个工艺参数，具体参数包括两侧喷嘴7之间的距离为1mm-130mm，喷嘴7的喷吹角度为0°～60°，驱动装置5驱动试样8的向上运行速度为0.1m/s～1.5m/s； e)试样8浸镀后，根据镀层厚度控制参数的不同，镀层厚度为6-50μm。
喷嘴7的喷吹角度为喷嘴与驱动装置5的夹角。
该方法至少满足以下参数之一 喷吹气体压力为0.1MPa～0.4MPa，喷嘴7的喷吹角度为15°～45°，驱动装置5驱动试样8的向上运行速度为0.2m/s～1.0m/s。
所述多个位置传感器包括第一至第六位置传感器13.1、13.2、13.3、13.4、13.5、13.6，其中，第一、第六位置传感器13.1、13.6分别采集左右对称分布的两组喷嘴驱动装置1的上部的位置信号，第二、第五位置传感器13.2、12.5分别采集左右对称分布的两组旋转装置6的外侧的位置信号，第三、第四位置传感器13.3、13.4位于该设备垂直中轴线上，并分别采集高于和低于旋转装置6的位置信号。
所述钢带8在浸镀前经过还原退火处理。
所述采集的位置信号的精度为0.5mm。
所述镀液9的种类包括纯锌、锌铝合金、铝锌硅合金、铝硅合金、锌铝镁合金。
所述镀液9的温度是200℃～800℃。
本发明的有效效果在于 本发明采用多组位置传感器跟踪装置运行，选取旋转装置和喷嘴调节喷吹气流方式控制试样镀层厚度，设计驱动装置控制喷嘴距离的模式，实现了通过调节喷嘴与试样距离、旋转角度、气流压力等核心参数进行镀层厚度控制的实验室模拟设备和工艺，克服了传统方法对于模拟镀层厚度工艺研究的技术限制。本发明具有下述优点1)可以根据研究需要，灵活调节喷嘴与试样距离、旋转角度、气流压力、镀液温度、镀液种类、浸镀时间、气流喷吹时间等参数，最大限度实现对于现场镀层控制工艺的模拟研究；2)采用多组位置传感器跟踪装置运行，避免试样两侧的喷嘴与其距离差别造成试样两面的镀层厚度存在差异，也避免了旋转角度的差别造成试样两面的镀层厚度存在差异，保证了实验室镀层厚度控制工艺的准确性、实用性和可操作性；3)可以精确地模拟镀锌生产线厚度控制工艺，完整地记录各工艺段的实验参数，找出最佳厚度控制的工艺参数，指导大规模镀锌生产。
附图的简要说明
图1是热浸镀镀层厚度控制的实验室模拟设备的示意图。
图2是图1的俯视示意图。
图3是使用本发明热浸度镀层厚度控制的实验室模拟方法得到的热镀锌板断面照片，工艺参数旋转装置转角15°、气体压力0.2MPa、试样速度0.2m/s。
图4为本发明模拟方法得到的热镀锌板断面照片，工艺参数旋转装置转角30°、气体压力0.2MPa、试样速度1m/s。
图5为本发明模拟方法得到的热镀锌板断面照片，工艺参数旋转装置转角30°、气体压力0.3MPa、试样速度0.2m/s。
附图标号 1.喷嘴驱动装置2.腔体3.气体通道 4.导轨5.驱动装置6.旋转装置 7.喷嘴8.试样9.镀液 10.加热装置 11.空压机系统 12.气压调节器 13.1～13.6第一位置传感器～第六位置传感器
具体实施例方式 下面结合附图对本发明进一步说明，本发明的热浸镀镀层厚度控制装置如图1和图2所示。
热浸镀镀层厚度控制装置对称排列，中间对称分布两组旋转装置6和喷嘴7，空压机系统11和气压调节器12通过气体通道3与旋转装置6和喷嘴7相连接，喷嘴驱动装置1驱动旋转装置6和喷嘴7在导轨4上运行。第一位置传感器13.1～第六位置传感器13.6用于采集位置信号，其中，第一位置传感器13.1位于喷嘴驱动装置1的左边部分的上面；第二位置传感器13.2位于旋转装置6左边部分的外侧；第三位置传感器13.3位于热浸镀镀层厚度控制装置的中心线位置，并位于旋转装置6的上侧；第四位置传感器13.4位于热浸镀镀层厚度控制装置的中心线位置，并位于旋转装置6的下侧；第五位置传感器13.5位于旋转装置6右边部分的外侧；第六位置传感器13.6位于喷嘴驱动装置1的右边部分的上面。第一位置传感器13.1～第六位置传感器13.6通过信号采集器14与主控电脑15连接。位置传感器13.1-13.6用于采集位置信号，传输给计算机用于控制和调节试样位置。
热浸镀镀层厚度控制装置的主要控制参数和控制方式与镀锌生产线上热浸镀镀层厚度控制方法的工艺参数相对应，装置结构简单，实用性强，准确性高，试样两侧镀层厚度控制精度在0.5μm范围内，试样镀层厚度控制均匀区在100mm×100mm范围，同时试验过程清洁无任何声、光、电的污染，可实现在实验室条件下对于镀锌生产线厚度控制工艺的实验室模拟研究。
一种热浸镀镀层厚度的控制方法，包括以下步骤a)经过还原退火处理后的试样8在驱动装置5的驱动下，以一定速度0.1～1.5m/s，进入放置在加热装置10内的镀液9中，镀液种类包括纯锌、锌铝合金、铝锌硅合金、铝硅合金、锌铝镁合金；b)镀液温度200℃～800℃，试样8在镀液9中浸镀0.5～10s；c)按照镀锌生产线的浸镀工艺对于镀层厚度的控制要求或者按照镀层厚度控制工艺的研究要求，通过第一位置传感器13.1～第六位置传感器13.6调整试样位置，调整两侧喷嘴7之间的距离1mm～130mm，调整气体压力0.01MPa～1MPa，喷嘴7旋转角度0°～60°，驱动装置5驱动试样8的运行速度0.1m/s～1.5m/s；d)试样浸镀后，视镀层厚度控制参数的不同，镀层厚度6～50μm。本发明通过空压机系统11、旋转装置6和喷嘴7等装置调节喷吹气流的压力和方向，从而控制试样8镀层厚度，采用多组位置传感器13.1～13.6跟踪装置运行，精确控制热浸度镀层厚度控制工艺的模拟准确性，保证试样8两侧的旋转角度、喷嘴7与试样8距离的一致性，从而准确模拟生产线的镀层厚度控制工艺，装置操作灵活、实验结果精确，从而降低了生产调试成本。
实施例 本实施例为采用本发明的实验室模拟工艺和装置，进行镀层厚度控制的模拟实验。实验材料为国内某钢厂生产的汽车板用高强度IF钢，其化学成分板如表1所示，试验钢板厚度为0.6mm，镀锌工艺制度见表2。经过还原退火处理后的试样8在驱动装置的驱动下，以0.8m/s的速度进入放置在加热装置10内，镀液9温度为470℃，镀液9种类为锌液，试样8在镀液9中浸镀2s。试样8在驱动装置5的驱动下，其顶端达到喷嘴7底部，调节驱动旋转装置6角度为0°、15°、30°、60°，调整气体压力为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa，调整试样8速度0.2m/s、0.4m/s、0.6m/s、1m/s，进行镀层厚度控制的工艺研究。用0.75％硝酸酒精进行试样腐蚀，采用日本日立公司JSM-6480型靶电压为20Kv的扫描电子显微镜进行镀层界面扫描，并与化学法相结合进行镀层厚度的测量，如图3-图5和表3所示。由于镀层较基体容易腐蚀，镀层SEM图片中伴随一定的腐蚀台阶。
表1化学成分单位wt％
表2镀锌工艺制度
由图3-5和表3可知，喷嘴转角、气体压力、试样速度等参数均对镀层厚度具有一定的影响。当喷嘴转角从0°到45°，镀层厚度减小。当气体压力从0.1MPa增加到0.4MPa，镀层厚度减小。试样速度0.2m/s到1m/s，镀层厚度减小。研究表明，控制喷嘴转角、气体压力、试样速度等镀层厚度控制装置的核心参数，从而控制喷吹气体以一定角度和一定速度撞击在钢带表面锌液后，对钢带表面镀液产生撞击作用，沿钢带表面向下流动的一部分气体对于被劈开的锌液就产生了向下的压力，使其与钢带剥离，从而控制镀层厚度。以上结论均与国内外相关研究相吻合。
表3工艺参数对于镀层厚度控制的影响
权利要求
1.一种热浸镀镀层厚度控制模拟实验设备，用于检测镀层的喷吹压力，其特征在于该设备还用于检测镀层的喷吹角度、试样速度和实验设备与试样的间距，它包括
位于该设备中间并垂直放置的驱动装置(5)，用于驱动试样(8)浸入和离开镀液(9)；
驱动装置(5)两侧对称排列的、可旋转和上下左右移动的喷嘴(7)；
多个位置传感器，用于分别采集旋转装置(6)、驱动装置(5)和驱动装置(5)左右两侧的多个位置信号，分别通过信号采集器(14)与主控电脑(15)连接。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于空压机系统(11)和气压调节器(12)通过气体通道(3)与旋转装置(6)和喷嘴(7)相连接。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于与喷嘴(7)相联的旋转装置(6)和喷嘴驱动装置(1)在导轨(4)上运行；运行最大行程为65mm。
4.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述多个位置传感器包括第一至第六位置传感器(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5、13.6)，其中，第一、第六位置传感器(13.1、13.6)分别位于左右对称分布的两组喷嘴驱动装置(1)的上面，第二、第五位置传感器(13.2、12.5)分别位于左右对称分布的两组旋转装置(6)的外侧，第三、第四位置传感器(13.3、13.4)位于该设备垂直中轴线上，并分别高于和低于旋转装置(6)。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于所述镀液(9)置于加热装置(10)内。
6.一种如权利要求1所述的设备的模拟实验方法，用于检测镀层的喷吹压力，其特征在于还用于检测镀层的喷吹角度、试样速度和实验设备与试样的间距，该方法包括以下步骤
a)将试样(8)在驱动装置(5)的驱动下，以0.1-1.5m/s的速度浸入镀液(9)中；
b)试样(8)在镀液(9)中浸镀时间为0.5～10s；
c)在喷嘴(7)的喷吹气体压力为0.01MPa～1MPa的范围内调整并记录该压力；
d)通过多个位置传感器采集旋转装置(6)、驱动装置(5)和驱动装置(5)左右两侧的多个位置信号，输入主控电脑(15)，从而标定试样(8)位置，并记录各个工艺参数，具体参数包括两侧喷嘴(7)之间的距离为1mm-130mm，喷嘴(7)的喷吹角度为0°～60°，驱动装置(5)驱动试样(8)的向上运行速度为0.1m/s～1.5m/s；
e)试样(8)浸镀后，根据镀层厚度控制参数的不同，镀层厚度为6-50μm。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于喷嘴(7)的喷吹角度为喷嘴与驱动装置(5)的夹角。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于该方法至少满足以下参数之一
喷吹气体压力为0.1MPa～0.4MPa，喷嘴(7)的喷吹角度为15°～45°，驱动装置(5)驱动试样(8)的向上运行速度为0.2m/s～1.0m/s。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述多个位置传感器包括第一至第六位置传感器(13.1、13.2、13.3、13.4、13.5、13.6)，其中，第一、第六位置传感器(13.1、13.6)分别采集左右对称分布的两组喷嘴驱动装置(1)的上部的位置信号，第二、第五位置传感器(13.2、12.5)分别采集左右对称分布的两组旋转装置(6)的外侧的位置信号，第三、第四位置传感器(13.3、13.4)位于该设备垂直中轴线上，并分别采集高于和低于旋转装置(6)的位置信号。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述钢带(8)在浸镀前经过还原退火处理。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述采集的位置信号的精度为0.5mm。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述镀液(9)的种类包括纯锌、锌铝合金、铝锌硅合金、铝硅合金、锌铝镁合金。
13.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述镀液(9)的温度是200℃～800℃。
全文摘要
本发明涉及一种热浸镀镀层厚度控制模拟实验设备及其方法，用于检测镀层的喷吹压力，其中该设备还用于检测镀层的喷吹角度、试样速度和实验设备与试样的间距，它包括位于该设备中间并垂直放置的驱动装置(5)，用于驱动试样(8)浸入和离开镀液(9)；驱动装置(5)两侧对称排列的、可旋转和上下左右移动的喷嘴(7)；多个位置传感器，用于分别采集旋转装置(6)、驱动装置(5)和驱动装置(5)左右两侧的多个位置信号，分别通过信号采集器(14)与主控电脑(15)连接。本发明采用多组位置传感器跟踪设备运行，可灵活调节喷嘴与试样距离、旋转角度等参数，最大限度实现对于现场镀层控制工艺的模拟研究，找出最佳厚度控制的工艺参数。
文档编号C23C2/14GK101812656SQ20101014927
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者张启富, 郝晓东, 江社明 申请人:中国钢研科技集团有限公司, 新冶高科技集团有限公司