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張雪榮木，夏江濤，萬險峰，李華，陳剛
（武漢鋼鐵（集團(tuán)）公司研究院，湖北武漢430080）
摘要：開發(fā)了一種新型重力法電鍍鋅試驗裝置，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)計思路。該重力法電鍍鋅試驗裝置集鍍液配制和攪拌、電鍍、試樣清洗等功能于一體，機械結(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，能為企業(yè)開發(fā)新鍍層、診斷產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化現(xiàn)場工藝提供準(zhǔn)確可靠的試驗方法。
關(guān)鍵詞：電鍍鋅；重力；試驗裝置；鍍槽；控制
中圖分類號：TQ153.15 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
文章編號：1004 - 227X (2012) 09 - 0048 - 03
1前言
近年來，世界新建的連續(xù)電鍍鋅機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[1-2]。目前，國內(nèi)廠家也正在陸續(xù)引進(jìn)其成套工藝和技術(shù)。為消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，探索重力法電鍍過程中各關(guān)鍵工藝參數(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量的影響，筆者開發(fā)了一套機械結(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裝置。該裝置鍍液流速、溫度、濃度，陰陽極板間距，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，為企業(yè)開發(fā)新鍍層、診斷產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化現(xiàn)場工藝等提供準(zhǔn)確可靠的試驗手段。
2工作原理及控制
該裝置的設(shè)計滿足3個原則：一是滿足良好的工業(yè)仿真性原則，即能在空間有限的實驗室條件下，實現(xiàn)重力法連續(xù)電鍍；二是滿足試驗設(shè)備的先進(jìn)性原則，即各試驗參數(shù)的調(diào)整范圍和控制精度均優(yōu)于現(xiàn)場；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，陽極為不可溶性，陽極板和帶鋼之間為電鍍腔。電鍍時鍍槽中未充滿鍍液，鍍液僅存在于陽極和帶鋼之間，鍍液的流動靠其自身的重力來加速。目前生產(chǎn)現(xiàn)場的重力法電鍍槽結(jié)構(gòu)如圖l所示[3]。
2.2本裝置結(jié)構(gòu)
生產(chǎn)現(xiàn)場重力法電鍍?yōu)檫B續(xù)電鍍，電鍍時帶鋼在開卷機、卷曲機的作用下連續(xù)不斷地運動，通過調(diào)節(jié)帶鋼的運行速率，實現(xiàn)帶鋼與鍍液之間相對速率的改變。
作為試驗裝置，若照搬生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)計開卷機、卷曲機等設(shè)備，勢必耗資巨大。故本裝置通過增設(shè)一套裝夾裝置，將工件（帶鋼）固定不動，通過調(diào)節(jié)鍍液的流速實現(xiàn)帶鋼與鍍液之間相對速率的改變，進(jìn)而完成現(xiàn)場重力法連續(xù)電鍍的相關(guān)功能。
整個試驗裝置由鍍液配比系統(tǒng)，補給過濾系統(tǒng)，電鍍系統(tǒng)、恒溫系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集一輸出系統(tǒng)等組成，外觀尺寸約為2.0 m×1.3 m x l.7 m，容鋅槽的容積為300 L，電鍍槽設(shè)計為立式分體式，解決了現(xiàn)場鍍液流速與陰陽極板間距一一對應(yīng)的問題，實現(xiàn)了鍍液流速與陰、陽極板間距獨立可調(diào)的功能。整個試驗裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。
各組成單元的主要功能及技術(shù)特點為：
(1)鍍液配比系統(tǒng)：含溶鋅槽、攪拌裝置、精密pH計、傳感器等設(shè)備。通過精密pH計檢測，使溶鋅槽中鍍液達(dá)到所需濃度，并將檢測結(jié)果反饋到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
(2)補給過濾系統(tǒng)：含過濾泵、各種閥門、過濾機等設(shè)備，主要功能是實現(xiàn)溶鋅槽與恒溫槽中鍍液的過濾與互換。
(3)電鍍系統(tǒng)：由變量泵、分體式立式電鍍槽、陰極板（帶鋼）、陽極板、伺服機構(gòu)等組成。其中分體式立式電鍍槽由陰極盒、陽極盒（噴流盒）、側(cè)壓板、底部截流板4個部分組成。陰極盒固定不動，采用電磁式電鍍夾具將陰極板固定在陰極盒上。陽極盒為可移式，陽極盒固定在陽極盒上，在伺服電機的作用下兩者均可左右移動，從而實現(xiàn)陰、陽極板間距的調(diào)節(jié)。
陽極板采用U型結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為Ti/Ir02，既可提高陽極使用壽命，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極盒并使其溢流，鍍液通過重力加速流經(jīng)陰、陽極板實現(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)置了一個可電動（或手動）控制的抽板，電鍍結(jié)束后，抽板自動彈出（或人工拉開），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時間的接觸，影響電鍍質(zhì)量。
(6)數(shù)據(jù)采集一輸出系統(tǒng)：在人機界面上輸入各種控制參數(shù)，如鍍液溫度、鍍液流速等，并對其進(jìn)行實時監(jiān)測及精確控制，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試驗工藝流程
工藝流程為：放置試樣一設(shè)置工藝參數(shù)一配比鍍液濃度一過濾一恒溫槽加熱一噴流一電鍍一電鍍結(jié)束一拉開抽板一電磁鐵斷電一清洗一取出試樣。圖3為采用本裝置的一個實例的具體流程圖。
2.4電氣控制系統(tǒng)設(shè)計
本裝置以計算機與PLC（可編程邏輯控制器）組成先進(jìn)的自動化檢測與控制系統(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)對鍍液溫度、鍍液流量、電鍍時間、電流密度、鍍層厚度等進(jìn)行實時監(jiān)測及精確控制。電氣控制系統(tǒng)的主要控制泵的運行，加熱裝置的溫度，鍍液流速，電鍍時間及鍍層厚度等實驗數(shù)據(jù)以電子文檔的形式保存，便于分析與記錄，
具體見圖4。
該裝置控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾項。
(1)陰陽極板間距的調(diào)節(jié)：采用伺服電機驅(qū)動絲桿螺母，實現(xiàn)陰、陽極板間距的精確控制與調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍0～15 mm，自動調(diào)整誤差≤0.1 mm。
(2)鍍液溫度的控制：采用模糊PID（比例一積分一微分）控制方法，減少冬夏季溫差過大、溫度慣性等因素對鍍液溫度造成的影響，確保了鍍液溫度在較短時間內(nèi)達(dá)到目標(biāo)值且波動較小。
(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，鍍液流速=流量÷噴口截面積，通過變量泵實時調(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關(guān)電源，其電流大小可調(diào)，最大電流可達(dá)1600 A，滿足高密度電流電鍍的要求。
3安全防護(hù)設(shè)計
設(shè)計過程中，充分考慮了安全及環(huán)保措施。在溶鋅槽中配比鍍液時或電鍍過程中，硫酸與鋅粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生少量氫氣造成安全隱患。因此，該試驗裝置設(shè)有專門的排氫系統(tǒng)。設(shè)備運轉(zhuǎn)時，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，實現(xiàn)連鎖保護(hù)。
4結(jié)語
本試驗裝置的研發(fā)采用模塊化設(shè)計，較好地模擬了重力法電鍍工藝，實現(xiàn)了對重力法電鍍現(xiàn)場主要工藝參數(shù)的全覆蓋，如陰陽極板間距、鍍液流速、電流密度等。采用本裝置進(jìn)行電鍍時，鍍液在鍍槽中無紊流現(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)場的1.5倍。
參考文獻(xiàn)：
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