Агрегат непрерывного горячего цинкования

Введение

 

Горячее цинкование является наиболее распространенным способом защиты черных металлов от атмосферной, водной и почвенной  коррозии. В свою очередь, оцинкованная сталь обладает высокой вытяжкой металла в процессе производства всевозможных профилей, конструкций  и деталей. Сталь оцинкованная, цена которой относительно невысока, не только расширяет ассортимент производимых металлических конструкций, но и  снижает стоимость самого строительного  объекта. Двух и одностороннее цинковое покрытие позволяет выдерживать  вальцовку, гибку и штамповку, а  так же как было ранее сказано, вытяжку. Высокая надежность делает оцинкованные листы идеальным материалом в автомобилестроении и строительной индустрии, а так же в изготовлении штампованных деталей и в холодном профилировании. Изделия из металлопроката также нашли свое применение во многих сферах народного хозяйства. Применяют оцинкованный прокат для холодного профилирования, изготовления различных деталей, мебели, в приборо- и станкостроении, в оборудовании для химической промышленности. В больших масштабах металлопрокат используют в строительной индустрии.

Цинк является малоустойчивым металлом и легко  образует химическое соединение. Его нормальный потенциал равен – 0,76 В и, следовательно, он ниже потенциала железа, составляющего – 0,44 В. Теоретически цинк должен разрушаться от коррозии скорее, чем железо. Коррозионная стойкость цинка и горячеоцинкованной стали в атмосферных условиях объясняется образованием на цинке покровной пленки и его защитным катодным действием.

Состав покровных  пленок цинка зависит от состава  коррозионных сред. Окисная пленка под действием влаги и углекислоты  воздуха превращается более или  быстро в пленку, состоящую из основного  карбоната цинка и гидроокиси цинка.

Предпосылкой  для катодной защиты является наличие  электролита и электрической  цепи из двух соединенных металлов.

Катодная  защита стали цинком возникает лишь в том случае, когда цинковое покрытие стали нарушается в результате механических воздействий или коррозии с образованием открытых участков стальной поверхности, на которых скапливается, например, дождевая вода. Так как цинк покрытия имеет более отрицательный потенциал, нежели сталь основы, образуется гальваническая пара, в которой сталь играет роль катода, а цинк- анода. В этих условиях цинк растворяется, «жертвуя» собой для стали. Поскольку радиус действия такой защиты ограничен электрической проводимостью электролита, катодная защита стали возможна только на небольших участках обнаженной стальной основы.

Физико-химические свойства цинка, относительная простота технологии и оборудования для цинковых покрытий позволяет успешно применять  их для защиты металлоизделий от коррозии. Поэтому, горячее оцинкование является самым надежным и высокоэффективным  методом нанесения цинкового  покрытия на металл. Отличительной  особенностью данного метода является погружение металла или изделий  в ванну с 450-470ºС расплавом цинка. Низкая начальная стоимость и долговечность делают цинкование самой универсальной и экономичной системой защиты стали на долгий срок (20 лет и больше); имеется много преимуществ, связанных с долговечностью защиты и возможностью не вмешиваться с работами по уходу или по продлению сроков службы.

Стальные конструкции  надежны, отличаются относительно невысокой  стоимостью, имеют широчайшую сферу  применения. Однако без специального покрытия данный материал не отличается долговечностью. Оцинкованная сталь  – решение, позволившее существенно  продлить срок службы эксплуатации металлоконструкций, произведенных из черного металла.

Цель  работы:

 

При нанесении цинкового покрытия на АНГЦ, выходящая из ванны с  расплавом оцинкованная полоса движется вертикально вверх до верхнего направляющего  ролика, расположенного на значительном расстоянии от зеркала расплава, не имея точек опоры, поскольку покрытие на этом участке затвердевает. В  связи с этим при высоких скоростях  цинкования полоса подвержена колебаниям и прогибам в поперечном направлении (по ширине). Изменение зазора между  полосой и соплами "воздушных  ножей" установки струйного регулирования  толщины покрытия, входящей в АНГЦ, приводит к колебаниям давления газовых  струй и, как следствие, к неравномерности  толщины покрытия на полосе по ее длине  и ширине и перерасходу цинка. Так, при расстоянии между соплами 40 мм отклонения середины полосы по ширине и кромок от средней линии составляют до ±7,5 мм, при этом отклонения толщины  слоя покрытия от номинального значения достигают ±3 мкм, что приводит к  уменьшению коррозионной стойкости  покрытия на 20%.

На выходе из ванны излишки цинка  удаляются с помощью, так называемых, воздушных ножей, при этом толщина  покрытия сокращается до желаемой величины. За счет снижения вибраций полосы работа воздушных ножей становится более управляемой, что позволяет добиться большей равномерности толщины покрытия. Это, в свою очередь, позволяет уменьшить толщину покрытия, тем самым удовлетворяя важное требование потребителей стали, в особенности, автомобилестроителей, для которых снижение веса, а тем более стоимости, представляет высокую ценность.

Вибрации на линии оцинковки  возникают из-за несовершенства механических элементов линии. Эти дефекты могут быть в определенной мере устранены за счет контроля и регулярного обслуживания важнейших компонентов, таких как роликовые подшипники, и параметров установки, например, регулировки выходных валков.

Однако полностью устранить  эти дефекты невозможно, а их влияние  усиливается при высокой скорости полосы и на длинных свободных  участках полосы.

Применение таких мер, как увеличение натяжения полосы или установка  демпфирующих устройств, например, воздушных амортизаторов, дает положительный эффект, однако существует потребность и в альтернативных решениях.

 

Преимущества вибрационного способа контроля толщины цинкового покрытия на стальной полосе.

Снижение уровня вибрации полосы улучшает контроль работы воздушных ножей и в итоге приводит к тому, что окончательное покрытие оказывается более равномерным. Это означает, что можно уменьшить расход цинка и оптимизировать готовую продукцию с точки зрения производственных издержек, массы и качества.

Большая часть вибрации в линиях цинкования вызывается небольшим  числом источников. К ним относятся: не идеальность механических компонентов  линий, протяженная, свободная и  неподдерживаемая часть полосы, воздуходувные  устройства, а также форма и  качество самой полосы. В некоторой  степени на перечисленные факторы  можно влиять путем контроля критических  компонентов и параметров, например, состояние роликовых подшипников  и выравнивания концевых роликов. Однако полностью устранить вибрации невозможно, при этом они усиливаются при  увеличении скорости движения полосы и удлинении её неподдерживаемой части.

К преимуществам  EM Stabilizer относятся:

1. Повышение качества продукции благодаря более равномерному покрытию;
2. Увеличение скорости движения полосы при сохранении или повышении качества покрытия;
3. Повышение комфортности: уменьшение вибрации позволяет приблизить шабер к полосе, в результате чего можно снизить давление воздуха и следовательно уменьшить уровень шумов;
4. Снижение себестоимости: дополнительный расход цинкового покрытия, являющийся следствием вибрации полосы.

EM Stabilizer – принцип действия и реализация:

 

Основными электрическими элементами нового устройства являются модуль с  тремя преобразователями частоты  для независимого управления тремя  парами электромагнитов, блок управления с ПЛК (программируемым логическим контроллером), шесть электромагнитов  и гидравлический модуль для подачи охлаждающей воды.

Устройство EM Stabilizer также снабжено несколькими датчиками положения с воздушным охлаждением, определяющими положение полосы в пространстве как функцию от времени. Работой стабилизатора можно управлять с панели ПЛК с функциями аварийной сигнализации и управления.

Рис.1. Схема стабилизатора.

Стабилизатор действует за счет создания трех полустатических магнитных  полей вблизи

полосы. Датчики положения измеряют отклонение траектории полосы от оптимальной и передают полученные данные в ПЛК. Частота вибраций полосы лежит обычно в диапазоне 1–10 Гц; алгоритм управления должен иметь значительно большее быстродействие, чтобы обеспечить демпфирование вибраций. В состав устройства EM Stabilizer входит три пары электромагнитов. Каждая пара состоит из одного электромагнита, расположенного с передней стороны полосы, и второго – с задней стороны. Две верхние пары расположены так, чтобы покрывать левую и правую стороны полосы. Совместно они эффективно подавляют крутильные колебания и колебания первого порядка (в режиме струны).

Третья пара расположена под  двумя первыми на линии симметрии  полосы. Основной задачей этой пары является компенсация статических  деформаций полосы – обычно поперечного  прогиба, а также гашения взмаховых  колебаний. Способ механической установки  магнитов зависит от конкретной линии  оцинковки. В целом, чем ближе к воздушному шаберу расположены магниты, тем эффективнее стабилизация полосы в зоне действия шабера.

Типичный электромагнит имеет  габаритные размеры 800×200×200 мм и массу 200 кг. Каждый из магнитов состоит из железного сердечника с электрическими обмотками (пустотелыми медными  секциями). Обмотки соединены последовательно, охлаждение их осуществляется деионизированной водой, циркулирующей по замкнутому контуру. Секции обмоток закрыты  немагнитной аустенитной нержавеющей  сталью. Датчики положения смонтированы на направляющей между двумя ярусами  электромагнитов.

Результаты

Одним из положительных результатов  снижения вибрации и компенсации статических деформаций стала возможность сокращения запаса по толщине цинкового покрытия. В настоящее время обычно применяется избыток цинка в количестве от пяти до семи процентов, что обусловлено колебаниями толщины покрытия. Сокращение этого запаса всего на один процент позволит окупить установку системы EM Stabilizer менее чем за год. Если необходимости в снижении толщины покрытия нет, то без ущерба качеству можно повысить производительность установки. Экспериментально показано, что устройство EM Stabilizer позволяет существенно снизить амплитуду вибраций (рис. 2а). Более того, значительно сокращается время затухания возмущений, возникших под воздействием внешних сил (рис. 2б)

При проведении этих испытаний:

Никакого отрицательного воздействия на качество поверхности  визуальным контролем выявлено не было; EM Stabilizer значительно уменьшает изменения массы покрытия, что ведет к уменьшению на 25% перерасхода цинка (с 4 г/м² до 3 г/м²).

Полученные результаты также подтвердили, что EM Stabilizer как нельзя более подходит для использования в промышленном оборудовании с цинковой ванны. Он может выдерживать присутствие цинковой пыли и температуру до 100°С.

Хорошие результаты даёт размещение стабилизатора на высоте примерно 1,8 м от воздушных ножей. Многообещающие результаты ожидаются от компоновок, в которых стабилизатор будет размещен еще ближе кножам.

ЭМ-стабилизатор (EM Stabilizer), монтированный на воздушных ножах

ЭМ-стабилизатор обеспечивает:

• бесконтактную амортизацию колебаний
• корректировку планшетности полосы электромагнитными силами.

Рис.3 Схема установленного стабилизатора на линии ГЦ.

Преимущества

• Улучшение качества оцинкованой поверхности
• Уменьшенный разброс толщины покрытия
• Более близкое расстояние от воздушной насадки до полосы позволяет наносить более тонкое цинковое покрытие
• Уменьшение количества нежелательных форм полосы, поперечного изгиба, W-образных, S-образных
• Улучшенное проникновение цинка
• Увеличение производительности линии
• Увеличенная скорость линии
• Сокращение рабочего цикла
• Экономия цинка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сокращение вибраций полосы влияет на разброс цинкового  покрытия

качание
скручивание

 

со стабилизацией

без стабилизации

ТКS – Измерения  веса цинка 0.6 м от центр. полосы

Общие характеристики и выводы:

• Хорошее снижение колебании и контроль формы
• Количество магнитов определяется фактической формой полосы (проводит анализ на основании профиля покрытия)
• Очень быстрая активная цепь управления >103 Гц обеспечивает:
• точное снижение колебаний
• эффективную работу ЭМ-стабилизатора даже при высокой скорости линии
• Не мешает другому оборудованию
• Не влияет на жидкий слой цинка
• Не притягивает (не намагничивает) полосу
• Водоохлаждаемые магниты отличаются мощной и компактной конструкцией
• Низкое потребление электроэнергии <10 кВт для всей системы
• Монитор процесса для визуализации рабочих характеристик и формы полосы