重力法電鍍鋅用試驗(yàn)裝置

張雪榮，夏江濤，萬(wàn)險(xiǎn)峰，李華，陳剛

（武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢 430080）

【電鍍?cè)O(shè)備】

重力法電鍍鋅用試驗(yàn)裝置

張雪榮*，夏江濤，萬(wàn)險(xiǎn)峰，李華，陳剛

（武漢鋼鐵(集團(tuán))公司研究院，湖北 武漢 430080）

開(kāi)發(fā)了一種新型重力法電鍍鋅試驗(yàn)裝置，介紹了該裝置的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、技術(shù)關(guān)鍵、工藝流程及設(shè)計(jì)思路。該重力法電鍍鋅試驗(yàn)裝置集鍍液配制和攪拌、電鍍、試樣清洗等功能于一體，機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、控制系統(tǒng)可靠、技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、工件裝卸方便，具有鍍液流速、鍍液溫度，鍍液濃度、陰陽(yáng)極板間距、電流密度等主要參數(shù)可控、可調(diào)的技術(shù)特點(diǎn)，能為企業(yè)開(kāi)發(fā)新鍍層、診斷產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)工藝提供準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)方法。

電鍍鋅；重力；試驗(yàn)裝置；鍍槽；控制

1 前言

近年來(lái)，世界新建的連續(xù)電鍍鋅機(jī)組大多采用立式槽重力法電鍍工藝，與臥式槽工藝及徑向槽工藝相比，立式槽工藝具有節(jié)能、環(huán)保、高效等諸多優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)廠家也正在陸續(xù)引進(jìn)其成套工藝和技術(shù)。為消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，探索重力法電鍍過(guò)程中各關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，筆者開(kāi)發(fā)了一套機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊、控制系統(tǒng)可靠、技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)、工件裝卸方便，集配液、攪拌、電鍍、清洗等功能于一體的重力法電鍍鋅試驗(yàn)裝置。該裝置鍍液流速、溫度、濃度，陰陽(yáng)極板間距，電流密度等主要參數(shù)可控、可調(diào)，能夠完全模擬重力法電鍍工藝，有助于分析在不同參數(shù)下電鍍產(chǎn)品性能的變化趨勢(shì)，為企業(yè)開(kāi)發(fā)新鍍層、診斷產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)工藝等提供準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)手段。

2 工作原理及控制

該裝置的設(shè)計(jì)滿足3個(gè)原則：一是滿足良好的工業(yè)仿真性原則，即能在空間有限的實(shí)驗(yàn)室條件下，實(shí)現(xiàn)重力法連續(xù)電鍍；二是滿足試驗(yàn)設(shè)備的先進(jìn)性原則，即各試驗(yàn)參數(shù)的調(diào)整范圍和控制精度均優(yōu)于現(xiàn)場(chǎng)；三是滿足安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保性原則，即在滿足精度和性能要求的情況下，盡量減少投入，并確保安全。

2. 1 生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的重力法電鍍槽結(jié)構(gòu)

重力法電鍍是垂直式電鍍工藝的一種，電鍍槽呈立式，陽(yáng)極為不可溶性，陽(yáng)極板和帶鋼之間為電鍍腔。電鍍時(shí)鍍槽中未充滿鍍液，鍍液僅存在于陽(yáng)極和帶鋼之間，鍍液的流動(dòng)靠其自身的重力來(lái)加速。目前生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的重力法電鍍槽結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

2. 2 本裝置結(jié)構(gòu)

圖1 重力法電鍍槽結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Schematic diagram of the plating cell for gravitational electro-galvanizing in practical production

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)重力法電鍍?yōu)檫B續(xù)電鍍，電鍍時(shí)帶鋼在開(kāi)卷機(jī)、卷曲機(jī)的作用下連續(xù)不斷地運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)帶鋼的運(yùn)行速率，實(shí)現(xiàn)帶鋼與鍍液之間相對(duì)速率的改變。作為試驗(yàn)裝置，若照搬生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)開(kāi)卷機(jī)、卷曲機(jī)等設(shè)備，勢(shì)必耗資巨大。故本裝置通過(guò)增設(shè)一套裝夾裝置，將工件(帶鋼)固定不動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)鍍液的流速實(shí)現(xiàn)帶鋼與鍍液之間相對(duì)速率的改變，進(jìn)而完成現(xiàn)場(chǎng)重力法連續(xù)電鍍的相關(guān)功能。

整個(gè)試驗(yàn)裝置由鍍液配比系統(tǒng)，補(bǔ)給過(guò)濾系統(tǒng)，電鍍系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集–輸出系統(tǒng)等組成，外觀尺寸約為2.0 m × 1.3 m × 1.7 m，容鋅槽的容積為300 L，電鍍槽設(shè)計(jì)為立式分體式，解決了現(xiàn)場(chǎng)鍍液流速與陰陽(yáng)極板間距一一對(duì)應(yīng)的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了鍍液流速與陰、陽(yáng)極板間距獨(dú)立可調(diào)的功能。整個(gè)試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 重力法電鍍鋅試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Schematic diagram of the test device for gravitational electro-galvanizing

各組成單元的主要功能及技術(shù)特點(diǎn)為：

(1) 鍍液配比系統(tǒng)：含溶鋅槽、攪拌裝置、精密pH計(jì)、傳感器等設(shè)備。通過(guò)精密pH計(jì)檢測(cè)，使溶鋅槽中鍍液達(dá)到所需濃度，并將檢測(cè)結(jié)果反饋到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

(2) 補(bǔ)給過(guò)濾系統(tǒng)：含過(guò)濾泵、各種閥門、過(guò)濾機(jī)等設(shè)備，主要功能是實(shí)現(xiàn)溶鋅槽與恒溫槽中鍍液的過(guò)濾與互換。

(3) 電鍍系統(tǒng)：由變量泵、分體式立式電鍍槽、陰極板(帶鋼)、陽(yáng)極板、伺服機(jī)構(gòu)等組成。其中分體式立式電鍍槽由陰極盒、陽(yáng)極盒(噴流盒)、側(cè)壓板、底部截流板 4個(gè)部分組成。陰極盒固定不動(dòng)，采用電磁式電鍍夾具將陰極板固定在陰極盒上。陽(yáng)極盒為可移式，陽(yáng)極板固定在陽(yáng)極盒上，在伺服電機(jī)的作用下兩者均可左右移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)陰、陽(yáng)極板間距的調(diào)節(jié)。陽(yáng)極板采用U型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Ti/IrO2，既可提高陽(yáng)極使用壽命，又能改善工作環(huán)境。變量泵將一定溫度的鍍液從恒溫槽中注入陽(yáng)極盒并使其溢流，鍍液通過(guò)重力加速流經(jīng)陰、陽(yáng)極板實(shí)現(xiàn)電鍍功能，再回流到恒溫槽。

(4) 恒溫系統(tǒng)：將恒溫槽中的溫度控制在適當(dāng)范圍內(nèi)，并滿足精度要求。

(5) 清洗系統(tǒng)：該系統(tǒng)設(shè)置了一個(gè)可電動(dòng)(或手動(dòng))控制的抽板，電鍍結(jié)束后，抽板自動(dòng)彈出(或人工拉開(kāi))，試樣可快速進(jìn)入漂洗槽中，使附著在試樣表面的鍍液被漂洗干凈，避免了工件與空氣長(zhǎng)時(shí)間的接觸，影響電鍍質(zhì)量。

(6) 數(shù)據(jù)采集–輸出系統(tǒng)：在人機(jī)界面上輸入各種控制參數(shù)，如鍍液溫度、鍍液流速等，并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及精確控制，每隔0.2 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采樣，然后在同一時(shí)間坐標(biāo)系內(nèi)生成幾種控制參數(shù)的變化曲線。

2. 3 試驗(yàn)工藝流程

工藝流程為：放置試樣─設(shè)置工藝參數(shù)─配比鍍液濃度─過(guò)濾─恒溫槽加熱─噴流─電鍍─電鍍結(jié)束─拉開(kāi)抽板─電磁鐵斷電─清洗─取出試樣。圖 3為采用本裝置的一個(gè)實(shí)例的具體流程圖。

2. 4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本裝置以計(jì)算機(jī)與 PLC(可編程邏輯控制器)組成先進(jìn)的自動(dòng)化檢測(cè)與控制系統(tǒng)，所有參數(shù)輸入和操作均在觸摸屏上完成，根據(jù)設(shè)定的參數(shù)對(duì)鍍液溫度、鍍液流量、電鍍時(shí)間、電流密度、鍍層厚度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及精確控制。電氣控制系統(tǒng)的主要控制泵的運(yùn)行，加熱裝置的溫度，鍍液流速，電鍍時(shí)間及鍍層厚度等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以電子文檔的形式保存，便于分析與記錄，具體見(jiàn)圖4。

圖3 工藝流程圖Figure 3 Process flow chart

圖4 電氣控制系統(tǒng)示意圖Figure 4 Schematic diagram of electrical control system

該裝置控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾項(xiàng)。

(1) 陰陽(yáng)極板間距的調(diào)節(jié)：采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿螺母，實(shí)現(xiàn)陰、陽(yáng)極板間距的精確控制與調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0 ～ 15 mm，自動(dòng)調(diào)整誤差≤0.1 mm。

(2) 鍍液溫度的控制：采用模糊PID(比例–積分–微分)控制方法，減少冬夏季溫差過(guò)大、溫度慣性等因素對(duì)鍍液溫度造成的影響，確保了鍍液溫度在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)值且波動(dòng)較小。

(3) 鍍液流速的控制：電鍍槽噴流盒噴口尺寸恒定，與試樣同寬，鍍液輸入管道中裝有流量計(jì)，鍍液流速 = 流量 ÷ 噴口截面積，通過(guò)變量泵實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制鍍液流速。

(4) 電流密度的調(diào)節(jié)：電流密度 = 電流 ÷ 工件面積。電鍍電源選用高頻開(kāi)關(guān)電源，其電流大小可調(diào)，最大電流可達(dá)1 600 A，滿足高密度電流電鍍的要求。

3 安全防護(hù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中，充分考慮了安全及環(huán)保措施。在溶鋅槽中配比鍍液時(shí)或電鍍過(guò)程中，硫酸與鋅粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生少量氫氣造成安全隱患。因此，該試驗(yàn)裝置設(shè)有專門的排氫系統(tǒng)。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電鍍液有可能飛濺到人身上，造成腐蝕傷害。因此，在設(shè)備前方安裝防護(hù)隔離門，隔離門必須處于閉合狀態(tài)，設(shè)備才能啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)連鎖保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

本試驗(yàn)裝置的研發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)，較好地模擬了重力法電鍍工藝，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重力法電鍍現(xiàn)場(chǎng)主要工藝參數(shù)的全覆蓋，如陰陽(yáng)極板間距、鍍液流速、電流密度等。采用本裝置進(jìn)行電鍍時(shí)，鍍液在鍍槽中無(wú)紊流現(xiàn)象，所得鍍層厚度均勻、質(zhì)量穩(wěn)定，電鍍效率可達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的1.5倍。

[1] 謝艷峰, 肖迪, 尤文濤, 等. 我國(guó)電鍍鋅板帶發(fā)展態(tài)勢(shì)分析[J]. 冶金管理, 2009 (12): 24-27.

[2] 吳志良, 任玉苓, 武剛. 高速電鍍鋅工藝試驗(yàn)及其鍍層性能[J]. 寶鋼技術(shù), 2001 (1): 27-30.

[3] 宋建芝. 連續(xù)電鍍鋅機(jī)組的工藝設(shè)計(jì)與生產(chǎn)[J]. 軋鋼, 2010 (3): 37-41.

Test device for gravitational electro-galvanizing //

ZHANG Xue-rong*, XIA Jiang-tao, WAN Xian-feng, LI Hua, CHEN Gang

A novel test device for gravitational electrogalvanizing was developed. The working principle, structural component, key technical points, process flow, and design ideas of the device were introduced. The device integrates the functions of bath preparation and agitation, as well as electroplating and rinsing of workpiece into one process, having the advantages of compact mechanical configuration, reliable control system, advanced technical indexes, and convenient workpiece loading/unloading. The main parameters including the flow speed, temperature and concentration of plating bath, the distance between cathode and anode, as well as the current density are controllable and adjustable. The device can provide accurate and reliable test methods in development of new coatings, diagnosis of product defects, and optimization of actual production process.

electro-galvanizing; gravitation; test device; plating cell; control

Research and Development Center of Wuhan Iron and Steel (Group) Corporation, Wuhan 430080, China

TQ153.15

A

1004 – 227X (2012) 09 – 0048 – 03

2012–03–01

2012–04–16

張雪榮（1980–），男，湖南衡陽(yáng)人，碩士，機(jī)械工程師，主要從事冶金機(jī)械設(shè)備方面的研究。

作者聯(lián)系方式：(E-mail) zxr7356@sina.com.cn。

[ 編輯：周新莉 ]