重力法電鍍鋅用試驗裝置

張雪榮，夏江濤，萬險峰，李華，陳剛

（武漢鋼鐵(集團)公司研究院，湖北 武漢 430080）

【電鍍設備】

重力法電鍍鋅用試驗裝置

張雪榮*，夏江濤，萬險峰，李華，陳剛

（武漢鋼鐵(集團)公司研究院，湖北 武漢 430080）

開發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、結構組成、技術關鍵、工藝流程及設計思路。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，機械結構緊湊、控制系統可靠、技術指標先進、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可控、可調的技術特點，能為企業開發新鍍層、診斷產品缺陷、優化現場工藝提供準確可靠的試驗方法。

電鍍鋅；重力；試驗裝置；鍍槽；控制

1 前言

近年來，世界新建的連續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，立式槽工藝具有節能、環保、高效等諸多優點[1-2]。目前，國內廠家也正在陸續引進其成套工藝和技術。為消化吸收國外先進技術，探索重力法電鍍過程中各關鍵工藝參數對產品質量的影響，筆者開發了一套機械結構緊湊、控制系統可靠、技術指標先進、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可控、可調，能夠完全模擬重力法電鍍工藝，有助于分析在不同參數下電鍍產品性能的變化趨勢，為企業開發新鍍層、診斷產品缺陷、優化現場工藝等提供準確可靠的試驗手段。

2 工作原理及控制

該裝置的設計滿足3個原則：一是滿足良好的工業仿真性原則，即能在空間有限的實驗室條件下，實現重力法連續電鍍；二是滿足試驗設備的先進性原則，即各試驗參數的調整范圍和控制精度均優于現場；三是滿足安全、經濟、環保性原則，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 生產現場的重力法電鍍槽結構

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。目前生產現場的重力法電鍍槽結構如圖1所示[3]。

2. 2 本裝置結構

圖1 重力法電鍍槽結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of the plating cell for gravitational electro-galvanizing in practical production

生產現場重力法電鍍為連續電鍍，電鍍時帶鋼在開卷機、卷曲機的作用下連續不斷地運動，通過調節帶鋼的運行速率，實現帶鋼與鍍液之間相對速率的改變。作為試驗裝置，若照搬生產現場設計開卷機、卷曲機等設備，勢必耗資巨大。故本裝置通過增設一套裝夾裝置，將工件(帶鋼)固定不動，通過調節鍍液的流速實現帶鋼與鍍液之間相對速率的改變，進而完成現場重力法連續電鍍的相關功能。

整個試驗裝置由鍍液配比系統，補給過濾系統，電鍍系統、恒溫系統、清洗系統和數據采集–輸出系統等組成，外觀尺寸約為2.0 m × 1.3 m × 1.7 m，容鋅槽的容積為300 L，電鍍槽設計為立式分體式，解決了現場鍍液流速與陰陽極板間距一一對應的問題，實現了鍍液流速與陰、陽極板間距獨立可調的功能。整個試驗裝置結構如圖2所示。

圖2 重力法電鍍鋅試驗裝置結構示意圖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特點為：

(1) 鍍液配比系統：含溶鋅槽、攪拌裝置、精密pH計、傳感器等設備。通過精密pH計檢測，使溶鋅槽中鍍液達到所需濃度，并將檢測結果反饋到數據采集系統。

(2) 補給過濾系統：含過濾泵、各種閥門、過濾機等設備，主要功能是實現溶鋅槽與恒溫槽中鍍液的過濾與互換。

(3) 電鍍系統：由變量泵、分體式立式電鍍槽、陰極板(帶鋼)、陽極板、伺服機構等組成。其中分體式立式電鍍槽由陰極盒、陽極盒(噴流盒)、側壓板、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，陽極板固定在陽極盒上，在伺服電機的作用下兩者均可左右移動，從而實現陰、陽極板間距的調節。陽極板采用U型結構，材質為Ti/IrO2，既可提高陽極使用壽命，又能改善工作環境。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陰、陽極板實現電鍍功能，再回流到恒溫槽。

(4) 恒溫系統：將恒溫槽中的溫度控制在適當范圍內，并滿足精度要求。

(5) 清洗系統：該系統設置了一個可電動(或手動)控制的抽板，電鍍結束后，抽板自動彈出(或人工拉開)，試樣可快速進入漂洗槽中，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，影響電鍍質量。

(6) 數據采集–輸出系統：在人機界面上輸入各種控制參數，如鍍液溫度、鍍液流速等，并對其進行實時監測及精確控制，每隔0.2 s進行一次數據采樣，然后在同一時間坐標系內生成幾種控制參數的變化曲線。

2. 3 試驗工藝流程

工藝流程為：放置試樣─設置工藝參數─配比鍍液濃度─過濾─恒溫槽加熱─噴流─電鍍─電鍍結束─拉開抽板─電磁鐵斷電─清洗─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 電氣控制系統設計

本裝置以計算機與 PLC(可編程邏輯控制器)組成先進的自動化檢測與控制系統，所有參數輸入和操作均在觸摸屏上完成，根據設定的參數對鍍液溫度、鍍液流量、電鍍時間、電流密度、鍍層厚度等進行實時監測及精確控制。電氣控制系統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據以電子文檔的形式保存，便于分析與記錄，具體見圖4。

圖3 工藝流程圖Figure 3 Process flow chart

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

該裝置控制系統的關鍵技術包括以下幾項。

(1) 陰陽極板間距的調節：采用伺服電機驅動絲桿螺母，實現陰、陽極板間距的精確控制與調節，調節范圍0 ～ 15 mm，自動調整誤差≤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達到目標值且波動較小。

(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，通過變量泵實時調節與控制鍍液流速。

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

3 安全防護設計

設計過程中，充分考慮了安全及環保措施。在溶鋅槽中配比鍍液時或電鍍過程中，硫酸與鋅粒發生化學反應會產生少量氫氣造成安全隱患。因此，該試驗裝置設有專門的排氫系統。設備運轉時，電鍍液有可能飛濺到人身上，造成腐蝕傷害。因此，在設備前方安裝防護隔離門，隔離門必須處于閉合狀態，設備才能啟動，實現連鎖保護。

4 結語

本試驗裝置的研發采用模塊化設計，較好地模擬了重力法電鍍工藝，實現了對重力法電鍍現場主要工藝參數的全覆蓋，如陰陽極板間距、鍍液流速、電流密度等。采用本裝置進行電鍍時，鍍液在鍍槽中無紊流現象，所得鍍層厚度均勻、質量穩定，電鍍效率可達生產現場的1.5倍。

[1] 謝艷峰, 肖迪, 尤文濤, 等. 我國電鍍鋅板帶發展態勢分析[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及其鍍層性能[J]. 寶鋼技術, 2001 (1): 27-30.

[3] 宋建芝. 連續電鍍鋅機組的工藝設計與生產[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，湖南衡陽人，碩士，機械工程師，主要從事冶金機械設備方面的研究。

作者聯系方式：(E-mail) zxr7356@sina.com.cn。

[ 編輯：周新莉 ]