技术领域
[0001] 本
发明涉及型材及管材镀锌技术领域，特别是指一种型材与管材
连续镀锌的装置及方法。
背景技术
[0002] 镀锌是指在金属、
合金或者其它材料的表面
覆盖一层金属锌，以起到美观、防锈等作用的
表面处理技术。镀锌后的金属材料在工业与民用场合都具有广泛应用，目前主要采用的方法是热镀锌。传统的型材和管材加工工艺中，成品一般会有空
水冷却的过程，在空气中堆放冷却会产生一层
氧化
铁皮，因此镀锌前必须将这层氧化铁皮去除。在对型材及管材金属进行热镀锌时，由于截面的不规则，而且流程上难以做到类似板带材的全连续生产，为了保证锌层的附着
力，一般需要将型材和管材首先经过
酸洗把表面氧化铁皮去除干净，为了防止在生产过程中再次氧化及增强
附着力，需要在助镀液中进行处理，在助镀液中取出烘干后，再进入锌锅，来保证热镀锌层的附着力。但是，这样处理的镀件在进入锌锅后，残余在金属表面的助镀液与锌锅内的锌反应而产生大量的锌土和锌渣，使得镀锌成本增加。此外，使用助镀液的镀锌方式耗时较长，流程繁琐，镀锌层厚度不均等问题。由此，本发明提出一种采用还原法进行预处理的型材与管材连续镀锌方法，可以实现在不使用助镀液的情况下进行高
质量镀锌，并能够大幅度降低镀锌材料的消耗。
发明内容
[0003] 本发明要解决的技术问题是提供一种型材与管材连续镀锌的装置及方法。利用还原法对型材或管材金属表面进行处理，还原处理后的镀件在一定
温度下，通过连续传输在保护气氛下进入锌锅内进行镀锌，既避免了使用助镀液带来的危害，又保证了锌层的附着力，可以有效降低锌液损耗。
[0004] 该装置包括还原炉、镀锌件传输装置、锌锅、锌锅内传输装置、保护气供气装置和控制系统，镀锌件传输装置穿过还原炉，将需要镀锌的管材或型材传输至锌锅，还原炉分为加热段、还原段和冷却段，冷却段的末端与锌锅重叠，锌锅内传输装置位于锌锅内，且位于锌液液面以下，保护气供气装置向还原炉内提供保护气体，控制系统控制整套镀锌装置的运行。
[0005] 其中，还原炉包括炉体和加热部分，还原炉炉体内设置
热电偶检测炉内温度，热电偶温度反馈值送入控制系统中进行闭环控制；采用
天然气等作为热源，炉内通以一定浓度的还原性气体(氢气)和保护性气体(氮气)，将炉内镀锌件加热到还原温度，在炉内进行还原反应，使得炉内金属镀锌件的氧化铁皮得以部分还原；还原炉内根据控温需求分为三个功能区段，即加热段、还原段和冷却段。加热段主要完成镀锌件的预热升温；还原段是镀锌件升温结束后的还原反应主要发生段；冷却段是在为了衔接还原炉与锌锅对不同温度的需求而匹配的过渡段。冷却段的末端与热镀锌锌锅重叠，还原炉炉体的末端深入到热镀锌锌锅的锌液表面中，以减少锌液暴露在空气中而被氧化产生锌渣的损失，热镀锌锌锅的锌液表面仅留有一小部分用于移出镀锌件。
[0006] 镀锌件传输装置包括传送带、
齿轮和
挡板，传送带通过
齿轮传动，齿轮由
电机驱动，传送带上均匀布置挡板，需要镀锌的管材或型材放置于相邻挡板中间。镀锌件传输装置由相应的机械传送机构和
驱动电机组成，负责将待镀锌的型材或管材由前道工序输送进入还原炉内，并完成还原炉内的镀锌件移动，实现镀锌件最终传输到锌锅的入口
位置，并交付锌锅内传输装置。
[0007] 保护气供气装置为还原炉提供还原性气体和保护性气体，其中，还原性气体为H2，保护性气体为N2；炉内和锅外气体气氛由控制系统通过驱动电动调节
阀控制。
[0008] 锌锅内放置加热后的锌液，锌锅内设置热电偶检测锅内锌液温度，热电偶温度反馈值送入控制系统中进行闭环控制。锌锅完成型材或管材的热镀锌过程。
[0009] 锌锅内传输装置包括挡板、齿轮和链条，且结构与镀锌件传输装置相同，链条与传送带作用相同，锌锅内传输装置与镀锌件传输装置紧密衔接，锌锅下游镀锌件出口处设置出锅吹扫装置。锌锅内传输装置负责完成将还原后的镀锌件连续移入锌锅中，经控制系统设定的镀锌流程及预订时间完成锅内镀锌操作后，再将镀锌件移出锌锅进行后续处理。
[0010] 控制系统由计算机处理器和
信号I/O
接口组成，负责完成还原炉内的温度闭环控制、镀锌件传输装置和锌锅内传输装置的逻辑与节奏控制、还原炉和锌锅提供所需还原与保护气氛控制等。
[0011] 采用该装置进行镀锌的方法，具体为：管材或型材置于镀锌件传输装置上，传输至还原炉内，在还原炉内管材或型材表面氧化层与还原性气体进行反应，表面的氧化层得到还原，然后，通过传送带进入锌锅完成镀锌，镀锌完成后，通过锌锅内传输装置传输出锅，出锅时通过出锅吹扫装置对镀锌后的管材或型材进行表面吹扫。
[0012] 通过与板材在连续流程下的镀锌流程对比可以发现，当金属材料表面不存在氧化层，即表面基本为纯铁，且金属镀件本体温度与锌液温度相同或略高时，锌层的附着力及镀锌效果可以达到理想状态。
[0013] 本发明采用连续的镀锌流程装置设计，其中还原炉与锌锅并列连续放置，还原炉与锌锅入口及锅内传输装置采用协同一体化动作，镀锌件全程采用还原性气氛保护，由独立的
控制器完成传送装置的速度、位置等控制，同时完成还原炉与锌锅的温度、保护及还原气体气氛含量等控制。
[0014] 本发明所涉及的基本原理是，利用待镀锌件在还原炉加热气氛中利用氧化铁皮在升温过程中的
相变，通过调整升温工艺，控制加热速率和温度实现对还原时氧化铁皮组织中氧化铁皮结构的控制，以得到最适宜镀锌的镀锌件温度和表面组织成分。如果升温速率太低，将会降低生产效率；加热速率又不易过快，氧化铁皮的相变需要一段时间才能完成，当镀锌件加热至还原温度时，相变尚未完成，如要达到所要求还原效果，就需要延长时间保温，如此会降低生产效率，同时增加还原加热段长度，还将造成
能量的浪费。
[0015] 经测试，还原炉内升温至550摄氏度还原后，型
钢与管材金属的氧化铁皮还原效果最好。进行保温还原后的金属表面氧化铁皮全部被还原为铁，而且被还原的铁会覆盖在金属表面。本发明采用在10％～15％浓度的氢气气氛中进行还原反应，经过60s左右完成还原过程。还原温度不宜太低，如果还原温度过低，则还原反应速率较低，需要较长的时间才能完成还原过程，将导致生产效率的降低，同时增加还原炉的体积；而且低温还原纯铁后可能形成多孔铁，不利于锌层的附着性；如果还原炉内温度过高，又会造成
能源的浪费，且不利于带钢的力学性能。一般氢气体积浓度应该控制在10％～15％，如果氢气浓度过低，会造成还原反应驱动力不够，造成还原速率慢，还原时间长。试验表明，经过这种还原炉后其表面氧化铁皮将被还原为纯铁，这层还原产物与基体紧密
接触，为后续的热镀锌附着性提供良好条件。
[0016] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：
[0017] 上述方案中，不需要在镀锌件表面涂助镀液，避免助镀液残留于锌液形成锌土，高效的还原炉及锌锅内的传送装置可以极大的节约生产时间，锌锅的保护气氛进一步减少了高温锌液的氧化渣，有效降低了生产成本。相对于现有方法，不再需要使用助镀液，并且炉内的传送装置及温度和气体气氛含量受控于控制器，缩短了生产时间，具体体现在：
[0018] 1、不需要在镀锌件表面涂助镀液，避免助镀液残留于锌液形成锌土。可以有效降低生产工艺对环境的影响。
[0019] 2、控制器控制炉内的气体气氛，使炉内还原反应最大化。锌锅的保护气氛进一步减少了高温锌液的氧化渣，有效降低了生产成本。
[0020] 3、高效的还原炉及锌锅内的传送装置可以极大的节约生产时间。该装置允许批量流水线式镀锌，集中控制器控制工艺
进程，完整的传送装置以及高温还原方法，使锌层的附着力比原镀锌工艺大大提高。能够降低生产成本，缩短生产时间，提高产品质量。
附图说明
[0021] 图1为本发明的型材与管材连续镀锌的装置结构示意图；
[0022] 图2为本发明的还原炉内主要结构俯视图；
[0023] 图3为本发明的锌锅内主要设备布置示意图；
[0024] 图4为本发明的带有还原炉的连续镀锌
流程图；
[0025] 图5为本发明的控制系统功能示意图。
[0026] 其中：1-还原炉；2-镀锌件传输装置；3-锌锅；4-锌锅内传输装置；5-保护气供气装置；6-控制系统；7-锌液；8-出锅吹扫装置；9-挡板；10-齿轮；11-传动带；12-管材或型材；13-电机；14-链条。
具体实施方式
[0027] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体
实施例进行详细描述。
[0028] 本发明提供一种型材与管材连续镀锌的装置及方法。
[0029] 如图1所示，该装置中镀锌件传输装置2穿过还原炉1，将需要镀锌的管材或型材12传输至锌锅3，还原炉1分为加热段、还原段和冷却段，冷却段的末端与锌锅3重叠，锌锅内传输装置4位于锌锅3内，且位于锌液7液面以下，保护气供气装置5向还原炉1内提供保护气体，控制系统控制整套镀锌装置的运行。
[0030] 图4所示为带有还原炉的连续镀锌流程图，所涉及到的
热浸镀锌生产线前后工艺设备主要包括酸洗池、入口水洗池、还原炉1、热镀锌锌锅3、出口
冷却水及气吹、产品打包等。其中上料装置与酸洗池相连、酸洗池与水洗池相连、水洗池与还原炉1相连，还原炉1与锌锅3相连。设备之间通过传输装置传输镀锌件，还原炉1与锌锅3内部也配备传输装置，负责镀锌件的位置控制。所有设备通过控制器集中控制。型材和管材通过上料装置进入传输设备上，进入酸洗池，洗去镀锌件表面杂质，再经水洗池水洗，洗去酸液，排除杂质成分对镀锌件镀锌的干扰，镀锌件从水洗池取出后进入还原炉。
[0031] 如图1所示为还原炉及锌锅区域工艺布置示意图。还原炉1与热镀锌锌锅3部分是完成镀件的镀锌的重点工作区域。镀锌件传输装置2由相应的机械传送机构和驱动电机组成，负责将待镀锌的型材或管材由前道工序输送进入还原炉1内，并完成还原炉1内的镀锌件移动，实现镀锌件最终传输到锌锅的入口位置；其内部的保护气装置为还原炉1和锌锅3提供所需的还原性气体(氢气)和保护性气体(氮气)，炉内和锅外气体气氛由控制系统6通过驱动电动调节阀控制。此部分的主要工艺流程为：镀件经还原炉入口传送装置进入还原炉1，还原炉1内充有还原保护气体，气体气氛由氢氮气体组成。在加热段迅速将镀锌件的温度加热到还原温度，并发生部分还原反应；保温段是氢气与镀件表面的氧化层进行还原反应的重点区域；经控制系统设定的工艺时间后，镀锌件从还原炉的保温段进入冷却段，在该区域逐步降低镀锌件温度至锌锅匹配温度。后续进一步利用镀锌件传输装置2将镀件送入锌锅内传输装置4，实现镀锌件在锌锅内的镀锌反应后按逻辑流程移出锌锅。
[0032] 图2所示为还原炉内部结构示意图。镀锌件传输装置2包括传送带11、齿轮10和挡板9，传送带11通过齿轮10传动，齿轮10由电机13驱动，传送带11上均匀布置挡板9，需要镀锌的管材或型材12放置于相邻挡板9中间。根据还原炉的功能和控温需求分为三个区段，即加热段、还原段和冷却段。加热段主要完成镀锌件的预热升温；还原段是镀锌件升温结束后的还原反应主要发生段；冷却段是在为了衔接还原炉与锌锅对不同温度的需求而匹配的过渡段，且冷却段与热镀锌锌锅直接对接，以实现锌锅内锌液的保护性气氛覆盖，降低氧化损失。镀锌件通过传输装置依次经过这三个部分，首先进入加热段，镀锌件在此段温度升高至还原反应适宜的温度。经实验测试，采用天然气等作为热源，加热温度至550摄氏度，可以达到最佳的还原效果，炉内通以一定浓度的还原性气体(氢气)和保护性气体(氮气)。本发明采用在10％～15％浓度的氢气气氛中进行还原反应，经过60s左右完成还原过程。镀锌件在还原段充分还原镀锌件表面的氧化产物，进行保温还原后的金属表面氧化铁皮全部被还原为铁，而且被还原的铁会覆盖在金属表面，为后续的镀锌件镀锌做准备。还原炉炉内设置有热电偶检测炉内温度，热电偶温度反馈值送入控制系统中进行闭环控制。控制器实时控制炉内温度和气体含量。镀锌件在还原段彻底还原后，进入冷却段，对镀锌件进行降温，降温至锌锅内温度，避免温度过高或过低的情况下，镀锌件进入锌锅产生过量气体或残渣，有助于减少废气固的排放。
[0033] 图3所示为热镀锌锌锅设备的内部布置示意图。锌锅3内放置加热后的锌液7，锌锅3内设置热电偶检测锅内锌液7温度。锌锅内传输装置4包括挡板9、齿轮10和链条14，且结构与镀锌件传输装置2相同，链条14与传送带11作用相同，锌锅内传输装置4与镀锌件传输装置2紧密衔接，锌锅3下游镀锌件出口处设置出锅吹扫装置8。镀锌件从还原炉的冷却段输出进入锌锅内，在锌锅完成型材或管材的热镀锌过程，内部的传输装置设置有挡板、齿轮、链条。挡板固定于传送带上，有效分隔镀锌件之间的间距、固定镀锌件的位置，使镀锌件在传输装置上稳定运输。齿轮与链条完成传输装置的循环轮转的运动过程，有效节省传输装置所占据的锌锅空间。锌锅内传输装置与镀锌件传输装置紧密衔接，负责完成将还原后的镀锌件连续移入锌锅中，按顺序依次将镀锌件移入锌锅内，完成镀锌操作。控制系统设定传送带的移动及暂停的时间间隔，是镀锌件充分并均匀的镀锌。在设定的时间完成锅内镀锌操作后，将镀锌件移出锌锅。锌锅内放置有加热后的液态金属锌，要求锌液面完全高于传输装置。镀锌件进入锌锅后浸于锌液中，锌锅内传输装置的链条与齿轮的运动过程可实现连续镀锌。热镀锌锌锅内部设置有热电偶检测锅内锌液温度，热电偶温度反馈值送入控制系统中实现对锌锅内温度的闭环控制。
[0034] 经传送装置从锌锅中移出的镀锌件，进入循环冷却水中充分冷却，使其温度降为室温，冷却后的镀锌件在流水线上成品打包，至此镀锌件完成所有的镀锌过程。
[0035] 图5为实现整个连续镀锌控制的控制器功能示意图。控制系统由计算机处理器和信号I/O接口组成，负责完成还原炉内的温度闭环控制、镀锌件传输装置和锌锅内传输装置的速度、逻辑与位置控制、还原炉和锌锅提供所需还原与保护气氛含量等控制。上述所有工艺设备均受控于计算机控制器，使之成为一个整体无间断的完成镀锌件的镀锌工作。控制器在镀锌工艺中的功能主要有：还原炉炉温控制、入口段速度控制、保温段速度控制、锅内传输装置位置控制、气体气氛控制。控制器通过控制氢氮进气口和排气口，实时控制炉内的氢氮含量，使其含量比控制在规定范围内，高质量完成型材及管材的还原工作；此外，控制器还需要协同镀锌件的温度与传输速度逻辑匹配，使镀锌件入锌锅时的温度与锌液温度基本相同，避免产生过量烟雾，符合环保要求。
[0036] 采用这种带有还原炉的连续热镀锌方法后，镀锌件表面不需要再进行涂助镀液操作，避免助镀液残留于锌液在锌锅中形成锌土，高效的还原炉及锌锅内的传送装置可以极大的节约生产时间，锌锅的保护气氛进一步减少了高温锌液的氧化渣，能够有效降低了生产成本。经实验测试，该方法的使用能够提高生产效率30％倍，减少镀锌原料损失60％～70％。
[0037] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
