Устройство для нанесения покрытия на металлическую заготовку погружением в расплав

Изобретение относится к устройству для нанесения покрытия погружением в расплав на металлическую заготовку, в частности стальную полосу, в котором металлическая заготовка проводится вертикально через резервуар с расплавом и через установленный до него направляющий канал с, по меньшей мере, двумя находящимися по обе стороны от него индукторами для создания электромагнитного поля, удерживающего расплав. Для успокоения расплава согласно изобретению предусмотрено, что расстояние между стенками, ограничивающими направляющий канал, в направлении нормали к поверхности металлической заготовки в зоне протяженности направляющего канала по высоте выполнено непостоянным между его нижней стороной и дном резервуара, причем стенки, ограничивающие направляющий канал, имеют сужение или расширение. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к устройству для нанесения покрытия на металлическую заготовку, в частности стальную полосу, методом погружения в расплав, в котором металлическую заготовку проводят вертикально через резервуар, содержащий расплавленный металл покрытия, и через установленный до него направляющий канал с, по меньшей мере, двумя индукторами, расположенными по обе стороны от металлической заготовки в области направляющего канала для создания электромагнитного поля для удерживания металла покрытия в резервуаре.

Классические установки для нанесения покрытия на металлические полосы погружением в расплав металла имеют одну часть, требующую тщательного обслуживания, а именно резервуар для металла покрытия с находящимся в нем оборудованием. Поверхности покрываемых металлических полос должны перед нанесением покрытия быть очищены от остатков окислов и активированы для соединения с металлом покрытия. По этой причине поверхности полосы перед покрытием обрабатываются в тепловых процессах в восстановительной атмосфере. Так как слои оксидов удалены ранее химическим или абразивным путем, поверхности активируются восстановительным тепловым процессом таким образом, что после теплового процесса они являются металлически чистыми.

Однако с активированием поверхности полосы повышается сродство указанных поверхностей полос к кислороду окружающего воздуха. Чтобы не допустить того, что кислород воздуха перед процессом покрытия снова достигает поверхности полосы, полосы вводят в погружном рукаве сверху в ванну горячего металла покрытия. Так как металл покрытия находится в жидком виде, то для регулирования толщины покрытия можно использовать гравитацию вместе со сдувающими устройствами ("воздушный нож"), однако, поскольку последующие процессы запрещают контакт с полосой вплоть до полного застывания металла покрытия, полоса должна быть повернута в резервуаре для нанесения покрытия в вертикальное положение. Это совершается роликом, который движется в жидком металле. Из-за жидкого металла покрытия этот ролик подвержен сильному износу, что является причиной простоев и тем самым отказов в производственном процессе.

Из-за желательных малых толщин слоя металла покрытия, которые могут сдвигаться в область микронов, к качеству поверхности полосы предъявляются высокие требования. Это означает, что поверхности направляющих полосу роликов также должны быть более высокого качества. Дефекты на этих поверхностях ведут, как правило, к дефектам поверхности полосы. Это является еще одной причиной для частых простоев установки.

Чтобы устранить проблемы, которые связаны с двигающимися в жидком металле покрытия роликами, известны решения, в которых используется резервуар для покрытия, открытый снизу, который в нижней части имеет направляющий канал определенной высоты для вертикального проведения полосы вверх и для уплотнения посредством электромагнитного затвора. При этом имеется в виду электромагнитный индуктор, который работает с отталкивающими, расширяющимися или сужающимися переменными или бегущими электромагнитными полями, которые герметизируют снизу резервуар для покрытия.

Подобное решение известно, например, из документов EP 0673444 B1 и EP 0659897 A1. Электромагнитный затвор для изолирования резервуара для покрытия снизу применяется также в решении согласно документу WO 96/03533 или в решении согласно документу JP 5086446.

Равным образом, согласно решению по документу JP 11193451 A металл покрытия в резервуаре удерживается с помощью электромагнитного затвора в нижней части. Там в нижней части резервуара для покрытия предусмотрен суживающийся снизу вверх воронкообразный контур.

Для точной регулировки положения металлической заготовки в направляющем канале в документах DE 19535854 A1 и DE 10014867 A1 предусмотрены специальные решения. Согласно раскрываемым там идеям предусматривается, что, помимо катушек для создания электромагнитного бегущего поля, предусмотрены дополнительные корректирующие катушки, которые соединены с системой регулирования и служат для того, чтобы металлическая полоса при отклонении от среднего положения снова возвращалась бы в него.

Электромагнитный затвор, применяющийся в рассмотренных выше решениях для изолирования направляющего канала, представляет собой в этом отношении магнитный насос, который удерживает металл покрытия в резервуаре.

Промышленная апробация подобных установок выявила, что картина течения на поверхности металлической полосы, т.е. уровня ванны, относительно неустойчивая, что может быть объяснено электромагнитными силами, вызываемыми магнитным затвором. Вследствие нестабильности в ванне качество покрытия погружением в расплав снижается. Как уже упоминалось выше, избыточный жидкий металл сдувается с покрытой заготовки посредством находящегося выше резервуара для нанесения покрытия "воздушного ножа". Для точной установки толщины покрытия, однако, обязательна и спокойная поверхность ванны жидкого металла.

Однако для успокоения ванны заметно уменьшить интенсивность магнитного поля нельзя без того, чтобы не подвергнуть тем самым опасности герметичность магнитного затвора. Из документа DE 10254307 A1 известно, что для обеспечения плотности затвора требуется как раз определенная, зависящая от высоты уровня ванны для нанесения покрытия минимальная сила магнитного поля. В этом документе предусмотрено, что регулирование высоты производится напряженностью магнитного поля, создаваемого индукторами, в зависимости от состояния уровня расплавленного металла покрытия в резервуаре.

Поэтому в основе изобретения стоит задача предоставить устройство указанного в начале типа для нанесения покрытия погружением в расплав металлической заготовки, с помощью которого можно устранить указанный недостаток. Также должно быть гарантировано, что погружная ванна при использовании электромагнитного затвора останется спокойной, благодаря чему качество покрытия должно повыситься.

Решение этой задачи согласно изобретению отличается тем, что расстояние между ограничивающими направляющий канал стенками в направлении нормали к поверхности металлической заготовки в зоне протяженности направляющего канала по высоте между ее нижней стороной и дном резервуара выполнено непостоянным, причем стенки, ограничивающие направляющий канал, имеют сужение или расширение.

В соответствии с этим предусмотрено также, что эффективная ширина направляющего канала изменяется по его высоте, причем важна высота канала между нижней стороной канала и дном резервуара. Предусмотренным изменением профиля направляющего канала в пределах высоты канала будет создана зона, в которой может произойти успокоение течения в металле покрытия, чем будет достигнуто то, что таким образом успокоится также поверхность ванны.

Сужение или расширение может иметь по профилю форму по существу сегмента круга.

Дальнейшее успокоение течения может быть достигнуто, если согласно одному усовершенствованию предусмотреть в резервуаре и/или в направляющем канале, по меньшей мере, один элемент для направления течения. Элемент для направления течения выполнен, преимущественно, как ровный узкий лист, продольная ось которого вытянута в направлении, перпендикулярном направлению подачи металлической заготовки, и перпендикулярно направлению нормали к поверхности металлической заготовки. Далее, по меньшей мере, один элемент для направления течения установлен в направляющем канале в зоне расширения.

Дальнейшего успокоения поверхности ванны можно достичь, если предусмотреть согласно дальнейшему усовершенствованию в резервуаре в зоне поверхности металла покрытия, по меньшей мере, одну пластину для успокоения ванны. Пластина лежит на поверхности ванны или расположена немного выше над ванной. Положение пластины для успокоения ванны может регулироваться по высоте посредством исполнительного механизма. Пластина для успокоения ванны состоит, предпочтительно, из керамического материала.

Предложенными мерами достигается, что поверхность ванны расплавленного металла, несмотря на действие электромагнитного затвора, остается относительно спокойной, так что гарантируется, что может быть достигнуто высокое качество нанесения покрытия погружением.

На чертежах представлены примеры реализации изобретения. Показано:

Фиг.1 - схематический вид сбоку в разрезе устройства для нанесения покрытия погружением с проводимой через него металлической заготовкой,

Фиг.2 - альтернативное к фиг.1 выполнение, причем показаны только зона дна резервуара для металла покрытия и примыкающий снизу направляющий канал, и

Фиг.3 - другое альтернативное выполнение, аналогичное фиг.2.

Показанное на фигурах устройство содержит резервуар 3, который наполнен расплавленным жидким металлом покрытия 2. Под этим может пониматься, например, цинк или алюминий. Покрываемая металлическая заготовка 1 в виде стальной полосы проходит через резервуар 3 в направлении R подачи вертикально вверх. В этом месте следует заметить, что в принципе возможно также, чтобы металлическая заготовка 1 проходила через резервуар 3 сверху вниз.

Для прохождения металлической заготовки 1 через резервуар 3 он открыт в нижней части. Здесь находится направляющий канал 4, изображенный увеличенным, большим или широким. Он имеет зону H протяженности по вертикали. При этом следует отметить, что эта зона H отсчитывается от дна 8 резервуара 3 до нижней стороны 7 направляющего канала 4 и представляет собой ту область, которая для прохождения металлической заготовки 1 предусматривает отверстие.

Чтобы расплавленный металл покрытия 2 не мог утекать через направляющий канал 4 вниз, по обе стороны от металлической заготовки 1 установлены два электромагнитных индуктора 5, создающие магнитное поле, которое противодействует силе тяжести металла покрытия 2 и тем самым изолирует направляющий канал 4 снизу.

Под индукторами 5 имеются в виду два установленных друг напротив друга индуктора переменного поля или бегущего поля, которые приводятся в действие в диапазоне частот от 2 Гц до 10 кГц и создают электромагнитное поперечное поле, перпендикулярное направлению R подачи. Предпочтительный диапазон частот для однофазной системы (индукторы переменного поля) лежит между 2 кГц и 10 кГц, для многофазной системы (например, индукторы бегущего поля) - между 2 Гц и 2 кГц.

Для стабилизации металлической заготовки 1 на уровне середины направляющего канала 4 по обе стороны от направляющего канала 4 или металлической заготовки 1 могут быть установлены корректирующие катушки (не показаны). Они так регулируются средствами регулирования, что суперпозиция магнитных полей индукторов 5 и корректирующих катушек всегда удерживает металлическую заготовку 1 в середине направляющего канала 4.

С помощью корректирующих катушек можно в соответствии с настройкой усилить или ослабить магнитное поле индукторов 5 (принцип суперпозиции магнитных полей). Таким путем можно повлиять на положение металлической заготовки 1 в направляющем канале 4.

Чтобы достичь успокоения поверхности ванны в резервуаре 3 предусмотрено, что расстояние d между стенками 6, ограничивающими направляющий канал 4, в направлении N нормали к поверхности металлической заготовки 1 в зоне H протяженности направляющего канала 4 по высоте выполнено непостоянным между его нижней стороной 7 и дном 8 резервуара 3.

Как следует из фиг.1, в данном примере реализации это осуществлено таким образом, что непосредственно под дном 8 резервуара 3 идет воронкообразный участок 9, причем воронка 9 своей широкой стороной примыкает к верху дна 8 резервуара 3. Расстояние d между стенками 6, ограничивающими направляющий канал 4, снижается по высоте h воронкообразного участка 9 до величины, которая достигается под воронкообразным участком 9, и затем ниже остается постоянным.

Такое выполнение было выбрано в результате следующего опыта: при промышленной апробации рассматриваемых устройств нанесения покрытия погружением в расплав возникали условия, при которых достигалась спокойная поверхность ванны. Правда, обобщение данных показало, что причиной этого были совместно влияние высоты уровня в ванне для нанесения покрытия и регулируемая изолирующая мощность индукторов 5. Регулирование положения металлической заготовки 1 в направляющем канале 4 с помощью упомянутых корректирующих катушек показывает, кроме того, что регулирующие воздействия локально усиливают возмущение на поверхности ванны. Речь здесь идет, таким образом, о комбинации нескольких конкурирующих эффектов. Нельзя только снижать мощность индукторов 5, так как из-за этого получили бы течь. Однако мощность индукторов регулирует, как изложено выше, высоту уровня в ванне для нанесения покрытия, которая должна быть как можно выше. Однако требуется также регулировать положение металлической заготовки 1 в направляющем канале 4, что вызывает локальное возмущение. Поэтому предлагается уже изложенное изменение геометрии направляющего канала 4 или меры для успокоения поверхности ванны, которые будут изложены ниже.

Показанное на фиг.1 выполнение направляющего канала 4 с воронкообразным участком 9 представляет собой меру, которая нацелена на то, чтобы течение, идущее из направляющего канала 4, так направить в металле покрытия 2, чтобы на поверхности ванны не происходило бурления. Кроме того, имеется возможность подходящими мерами ограничить турбулентность течения, которая вызывается индукторами 5 в металле покрытия, локально в областях направляющего канала 4.

Наличие воронкообразного участка 9 представляет собой первую существенную меру, с помощью которой можно направить течение в металле покрытия 2 в зону направляющего канала 4. Благодаря воронкообразному участку 9 бурление на поверхности ванны расплавленного металла уменьшается, так как предложенной геометрией течению, направленному вверх в направляющем канале 4, дается место для смещения в объем резервуара 3. Таким образом, локальная турбулентность снижается или останавливается.

Тем самым предотвращается или снижается бурление на поверхности ванны металла покрытия 2, которое в противном случае было бы обусловлено тем, что "воздушный нож" не мог быть установлен на подходящем для качества покрытия расстоянии от поверхности ванны.

Дальнейшей мерой для направления течения является наложение пластины 16 для успокоения ванны, например из керамического материала, на поверхность 15 покрывающей ванны. Пластины 16 для успокоения ванны держат на поверхности 15 металла покрытия 2 или позиционируют вблизи поверхности. Для этого служат силовые приводы 17, с помощью которых можно установить подходящую высоту расположенных горизонтально пластин 16 для успокоения ванны. Таким образом, турбулентности, которые в известных случаях достигают поверхности ванны, отклоняют в горизонтальное направление, так что бурление ванны можно предотвратить.

Другая возможность направления течения состоит во введении элементов 12, 12', 12", 13, 13' направления течения, выполненных как направляющие пластины или направляющие лопасти, в жидкий металл покрытия 2. Как следует из фиг.1, эти элементы 12, 12', 12" направления течения выполнены как узкие пластины, продольная ось 14 которых направлена перпендикулярно поверхности чертежа. Они установлены под желаемым углом и служат для того, чтобы отклонять течение в металле покрытия в горизонтальном направлении, так что бурление ванны сводится к минимуму. При этом указанные элементы 12, 12', 12" направления течения расположены вблизи металлической заготовки 1.

В качестве мер локального ограничения течения в зоне направляющего канала 4 возможны другие варианты, которые проиллюстрированы на фигурах 2 и 3.

В целом можно сказать, что индукторы 5 путем своего накачивающего действия создают турбулентное течение, прежде всего в направляющем канале 4. В качестве меры для подавления бурления на поверхности ванны имеется возможность путем изменения геометрии направляющего канала 4 создать место для ослабления турбулентности уже в зоне направляющего канала 4 или противодействовать распространению указанной турбулентности в резервуар 3 путем преграды и ограничить таким путем турбулентность областью направляющего канала 4.

Это удается в существенной степени уже благодаря воронкообразному участку 9, который показан на фиг.1. На фиг.2, как альтернатива или дополнение к этому, предусмотрено, что в зоне H протяженности направляющего канала 4 по высоте предусмотрено сужение 10, которое представляет собой нечто типа перегородки или перемычки и расположено сразу под верхом дна 8 резервуара 3 (особенно хорошо показала себя зона между фланцем канала (не показан) и дном резервуара).

Как следует из фиг.2, ограничивающие стенки 6 в зоне сужения 10 имеют в разрезе форму сегмента круга. Благодаря этому достигается определенное выравнивание течения.

Благодаря сужению 10 препятствуют или предотвращают прежде всего распространение турбулентности в резервуар 3. Опасности при таких мерах обеднения алюминием в направляющем канале 4 не возникает, так как объем металла покрытия 2 в направляющем канале 4 весьма незначительный, и гарантируется подвод свежего металла покрытия из резервуара для покрытия через канал 4 путем нормального стекания металла покрытия. Кроме того, опасность при таких мерах более высокой вероятности контакта с полосой (между металлической заготовкой 1 и сужением 10) незначительна, так как здесь больше не действуют никакие ферромагнитные силы притяжения, как в зоне канала, и известно самоцентрирование металлической заготовки 1 между обеими сторонами сужения 10 в результате действия двух обтекаемых потоком направляющих пластин. Конструкция и форма подобной загородки в виде сужения 10, а также ее ширина для металлической заготовки 1 соответствуют благоприятным в гидродинамическом отношении требованиям в промежуточной области между направляющим каналом 4 и резервуаром 3.

На фиг.3 показана следующая альтернативная реализация изобретения. Здесь предусмотрено, что в зоне H протяженности направляющего канала 4 по высоте расположено расширение 11, а именно лежащее выше вертикальной области, вдоль которой идут индукторы 5 (что в случае реализации согласно фиг.2 также является выгодным).

Расширение 11 представляет собой в известной степени выравнивающий объем между направляющим каналом 4 и зоной дна 8 резервуара 3. Благодаря этому достигается то, что турбулентность в направляющем канале может расширяться и быть успокоена уже до достижения резервуара 3 и тем самым больше не затрагивает условия течения в резервуаре 3. Достигается также то, что течение в направляющем канале 4 больше не продолжается в лежащий выше резервуар 3, а металл покрытия 2 снова попадает в лежащую глубже зону направляющего канала 4, в которой имеется турбулентность.

В отношении возможного обеднения алюминием или самоцентрирования заготовки для этой реализации также справедливо то, что уже было изложено в связи с фиг.2.

Не показано, что к расширению 11 в продолжении вверх может примыкать сужение 10 согласно фиг.2.

Геометрическое оформление расширения 11 соответствует, как изложено выше в связи с фиг.2, благоприятным гидродинамическим требованиям в зоне между направляющим каналом 4 и резервуаром 3.

Дополнительная мера локального ограничения течения на область направляющего канала 4 показана также на фиг.3. Здесь, в зоне расширения 11, установлены элементы 13 и 13' для направления течения, которые по своей функции соответствуют описанным выше элементам для направления течения 12, 12', 12". Благодаря применению элементов для направления течения 13, 13' (в виде направляющих перегородок или направляющих лопастей) турбулентности между нижней стороной 7 направляющего канала 4 и зоной дна 8 резервуара 3 опять могут быть повернуты вниз. Элементы 13, 13' для направления течения способствуют формированию желательных гидравлических условий в зоне расширения 11 и имеют следствием разрушение турбулентности.

Указанные меры очень просто реализовать, так как керамические материалы можно наряду с металлом так же хорошо обрабатывать и соединять. Они также достаточно стойки в том, что касается применения в агрессивном окружении металла покрытия 2.

Особенно предпочтительна для применения комбинация описанных на фигурах 1, 2 и 3 мер, которые при совместном эффекте создают в направляющем канале 4 и в резервуаре 3 малотурбулентное течение и ведут таким образом к хорошему выравниванию поверхности металла покрытия 2 в резервуаре 3.

Список ссылочных обозначений

1	Металлическая заготовка (стальная полоса)
2	Металл покрытия
3	Резервуар
4	Направляющий канал
5	Индуктор
6	Ограничивающая стенка
7	Нижняя сторона направляющего канала
8	Дно резервуара
9	Воронкообразный участок
10	Сужение
11	Расширение
12, 12', 12"	Элемент для направления течения
13, 13'	Элемент для направления течения
14	Продольная ось элемента для направления
	Течения
15	Поверхность металла покрытия
16	Пластина для успокоения ванны
17	Силовой привод
d	Расстояние между стенками, ограничивающими направляющий канал
N	Направление нормали к поверхности металлической заготовки
H	Область протяженности направляющего канала по высоте
h	Протяженность по высоте воронкообразного участка
R	Направление подачи

1. Устройство для нанесения покрытия на металлическую заготовку (1), в частности стальную полосу, погружением в расплав, в котором металлическую заготовку (1) проводят вертикально через резервуар (3), содержащий расплавленный металл (2) покрытия, и через расположенный до него проводящий канал (4), с, по меньшей мере, двумя находящимися по обе стороны от металлической заготовки (1) в зоне направляющего канала (4) индукторами (5) для создания электромагнитного поля, удерживающего металл (2) покрытия в резервуаре (3), отличающееся тем, что расстояние (d) между стенками (6), ограничивающими направляющий канал (4), в направлении (N) нормали к поверхности металлической заготовки (1) в области (Н) протяженности направляющего канала (4) по высоте выполнено непостоянным между его нижней стороной (7) и дном (8) резервуара (3), причем стенки (6), ограничивающие направляющий канал (4), имеют сужение (10) или расширение (11).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сужение (10) или расширение (11) имеет в поперечном разрезе форму по существу сегмента круга.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в резервуаре (3) и/или в направляющем канале (4) установлен, по меньшей мере, один элемент (12, 12', 12", 13, 13') для направления течения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что элемент (12, 12', 12", 13, 13') для направления течения выполнен как ровная узкая пластина, продольная ось (14) которой направлена перпендикулярно направлению (R) подачи металлической заготовки (1) и перпендикулярно направлению (N) нормали к поверхности металлической заготовки (1).

5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один элемент (13, 13') для направления течения предусмотрен в канале (4) в зоне расширения (11).

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в зоне поверхности (15) металла покрытия (2) в резервуаре (3) предусмотрена, по меньшей мере, одна пластина (16) для успокоения ванны.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что положение пластины (16) для успокоения ванны регулируется по высоте силовым приводом (17).

8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что пластина (16) для успокоения ванны состоит из керамического материала.