應用于連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線鋅鍋內除渣設備研究

應用于連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線鋅鍋內除渣設備研究摘要：連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)過程中，鋅液的表面會出現(xiàn)大量浮渣，如不及時清除，可能會粘附在熱鍍鋅板表面，導致表面缺陷。為保證鍍鋅層質量有必要對除渣設備進行研究。首先分析熱鍍鋅鍋內渣體分布規(guī)律，為除渣機器人的設計以及指導除渣作業(yè)提了重要理論依據(jù)。介紹除渣機器人系統(tǒng)的主要設備，并以相應的機器人為載體實際應用于現(xiàn)場除渣作業(yè)中，生產(chǎn)實踐證明，除渣機器人能高效除渣，有效降低引起的鋅渣缺陷。關鍵詞：熱鍍鋅鍋；鍍鋅層質量；除渣；機器人；中圖分類號：TG174.4文獻標識碼：A文章編號：The

Research

on

Dross

Removing

Equipment

in

Hot

Dip

Galvanizing

PotAbstract:IntheProcessofContinuousHot-dipGalvanizing,ALargeAmountofDrossAppearsontheSurfaceofMoltenZinc.IfNotRemovedinTime,theDrossadheresontheSteelSurface,whichLeadstoSurfaceDefect.ItIsNecessarytoCarryoutSystematicResearchonDrossRemovingEquipment.TheDistributingCharacteristiesofDrossIsAnalyzedtoProvideImportantTheoreticalBasisfortheDesignofDrossRemovingRobotandtheDrossRemovingOperationguidence.TheMainEquipmentoftheRobotSystemIsintruducedandAppliedtoSiteOperationofDrossRemoving.ItHasBeenProvedThattheDrossRemovingRobotCouldClearDrossandReduceDrossDefectEffectively.Keywords:hotdipgalvanizingpot,qualityofzinccoating,dross

removing,Robot建議文章進行如下修改:1,論文的創(chuàng)新性不足,重點應寫機器人除渣的技術細節(jié),以及跟國內外同類型相比有什么創(chuàng)新.2,題目改為<連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線鋅鍋內除渣設備應用研究>更通順.結論應該形成文字表述,注意文字間銜接.3,關鍵詞中機器人太寬泛,應寫明具體應用;文章中圖片數(shù)量應壓縮,最少不超過6~10個圖片.4,文章介紹國內外除渣應用過多,應縮小篇幅,重點突出作者設計機器人除渣的特性和優(yōu)點.5,引用文獻標注最好逐一標注,按照升序排列.[10-13]表述不規(guī)范.6,文章有部分段落欠通順,比如結論(3)中”有效降低引起的鋅渣缺陷”,應明確指出”有效降低???引起的鋅渣缺陷”,降低的量化數(shù)值大概是多少.引言隨著熱鍍鋅產(chǎn)品廣泛運用于各個領域，對熱鍍鋅質量提出了更高的要求。在熱鍍鋅機組生產(chǎn)過程中，鋅鍋的液面上會生成大量的浮渣，如不及時清除，會影響到產(chǎn)品的質量[1-4]。鍍鋅過程中產(chǎn)生的鋅渣如圖1所示。鋅渣在鍍鋅過程中，很容易被鍍鋅鋼板黏附，從而形成鋅渣缺陷，嚴重影響了鍍鋅板的外觀質量，如圖2所示圖1鋅渣圖2鍍鋅板表面缺陷目前防止鋅渣缺陷產(chǎn)生的措施主要集中在鍍鋅工藝控制和設備改造上，具體的措施有：(1)嚴格控制鋅浴中鋁的含量：鋅液中的Al是影響鋅渣形成的重要因素，目前采用定鋁探頭和相應的熔池成分控制系統(tǒng)可以嚴格地測定熔池中的鋁和對應的鐵含量，以便有效控制鋅渣產(chǎn)生，減少鋅渣缺陷[5-9]。(2)控制鋅浴溫度和浸鍍時間等工藝參數(shù)：鋅浴溫度直接影響Fe-Zn之間的反應速度和鐵損，而鋅浴中的Fe含量直接決定渣量的多少[10-13]。(3)采用感應加熱或內加熱陶瓷鋅鍋代替鐵質鋅鍋，沉沒輥表面噴涂耐鋅液腐蝕的WC-Co涂層，或采用內部不需設置任何鋼結構件的電磁移動場磁流體封閉式鋅鍋[14-15]。現(xiàn)階段針對鋅渣缺陷采取的措施實質上是通過“防”的辦法來防止Fe-Zn反應，從源頭上抑制和減少鋅渣的形成。而在連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)中，由于Fe的不斷溶解、Al的加入、鋅鍋內各處溫度場的不均勻和鋅液成分的差異等客觀存在的原因，使得鋅渣的產(chǎn)生是一必然的冶金行為，僅靠現(xiàn)有的“防”的技術，無法從根本上減少鋅渣缺陷數(shù)量，因此如何在鋅渣產(chǎn)生后從鋅液中快速的清除出來，是現(xiàn)在階段減少鋅渣缺陷的主要的發(fā)展思路。在歐美日韓一些鍍鋅企業(yè)，利用探入鋅鍋中的自動除渣裝置撈取爐鼻子附近和V形區(qū)的鋅渣，這是最直接有效的一項措施[16]。韓國浦項制鐵(POSCO)已經(jīng)在使用其子公司(LIEBE)開發(fā)的機器人除渣設備，日本新日制鐵采用NACHI研發(fā)的機器人進行除渣，意大利的DANIELI也有相應的除渣設備等，但都存在除渣效率不高，夾具易損壞等技術問題，除渣機器人技術沒能得到推廣。其主要原因：(1)不了解鋅渣的產(chǎn)生及分布情況，誤認為鋅渣的分布范圍集中的鋅錠融化的位置，所以設計除渣設備時一般是固定在融鋅錠區(qū)域，但由于鋅鍋直徑較大，在除渣機器人操作之前需要人工將鋅渣集中到機器人操作區(qū)域，然后由機器人將鋅渣撈起過濾再倒入渣池。如圖3(a)(b)所示。(2)狹小操作空間運行，沒有發(fā)現(xiàn)利用機器人比手動操作的更靈活的優(yōu)勢。(a)DANIELI除渣機器人(b)NACHI除渣機器人圖3國外除渣機器人與國外除渣機器人類似，國內也有企業(yè)將多自由度機器人或機械裝置用于除渣：煙臺盛利達公司研發(fā)的用于煉鐵時鐵水除渣機器人，如圖4(a)，但受機器人體積限制不能夠在大跨度、狹小操作空間工作。武鋼工人曹艷來[17]等設計的鍍鋅線鋅鍋內鋅渣的清除裝置，如圖4(b)所示，主要利用撮箕形撈斗收集鋅渣。宋振濤[18]等人發(fā)明出電力鐵塔塔材熱鍍鋅用鋅渣打撈裝置，如圖4(c)所示，此種除渣機主要撈取停機后鋅鍋內的底渣，利用聯(lián)動開合機構控制兩個抓斗的張合實現(xiàn)對鋅渣的除渣。根據(jù)鋅渣的形態(tài)，也有人提出鋅渣清除器的推渣裝置[19]，可將鋅渣定點抓取，如圖4(d)所示，裝置體積小，占用空間小，但除渣效率低。(a)煙臺盛利達除渣機器人(b)武鋼鋅渣清除裝(c)熱鍍鋅用鋅渣打撈裝置(d)鍍鋅除渣機圖4國內除渣裝置目前國內的鋼鐵廠大都采用人工定時除渣的方法[]，如圖5所示，存在的問題：由于環(huán)境惡劣，勞動強度大，容易造成安全事故，而且不正確人工除渣動作可能會引起鋅液有大的波蕩，造成鍍鋅產(chǎn)品質量問題。圖5現(xiàn)場人工除渣2016年寶鋼集團借鑒“工業(yè)4.0”和“中國制2025計劃”的理念，打造智慧鋼鐵，決定在幾條連續(xù)熱鍍鋅生產(chǎn)線上嘗試使用除渣機器人，但是沒有相關的技術。國內尚無鋼鐵企業(yè)成功采用機器人進行除渣，寶鋼曾引進日本除渣機器人，由于種種原因，未正常投入使用，由于國外對中國的技術封鎖，國內還未有研發(fā)成功的案例。1熱鍍鋅鍋內渣體分布鋅鍋內的溫度基本維持在460℃，Al濃度場分布如圖6所示。鋅渣是鋅液中溶解的Al、Fe與Zn之間在高溫下形成Fe-Zn系、Fe-Al系和Fe-Al-Zn系金屬間化合物。在高Al含量鋅錠熔化部位，由于鋅鍋的溫度發(fā)生改變，同時Al的濃度也會發(fā)生變化。此區(qū)域Al的濃度超過拐點濃度(0.14wt%)生成η相，其密度較小，會浮向鋅液表面形成浮渣，此區(qū)域是除渣作業(yè)的重點區(qū)域。Al與Fe反應不斷消耗，但同時鋅錠中鋁塊的加入使Al得到及時的補充，Al濃度整體上保持平衡。帶鋼出口處，Al的濃度會低于拐點處所對應的濃度生成δ相，其主要成分為Fe-Zn二元金屬間化合物，并含有少量Al，這種中間相密度較大，會沉入鋅鍋底部形成底渣，最終聚集于鋅鍋底部低速區(qū)。底渣的去除作業(yè)需要鍍鋅生產(chǎn)線停運后才能進行。在帶鋼V型區(qū)域Al的濃度更低時，會形成中間相ζ，由于鋅鍋中Al的含量一般是超過這個范圍的，所以鋅渣中ζ相的含量很少。當有效Al的濃度過低時需要及時的融化Al塊，增加Al含量。浮渣分布規(guī)律如圖7。圖6Al濃度分布圖(Y=1.5)圖7鋅渣分布表面的鋅渣積聚過多會造成表面缺陷，需及時除渣，但表面覆蓋鋅渣的減少會改變鋅液表面的熱傳導系數(shù)，加快鋅液表面散熱(如圖8，圖9所示)，從而加快浮渣的進一步生成，因此除渣頻率不宜過大，但根據(jù)現(xiàn)場要求必須將浮渣覆蓋范圍控制離帶鋼50cm之外，才能最大程度地減少浮渣帶來的缺陷。經(jīng)過實踐和觀察，除渣的頻率控制在30min一次比較合適。除渣時，要注意動作輕緩，由里到外，且應避免鋅液面有大的波動。圖8除渣前溫度場分布圖9除渣后表面鋅液溫度場分布2除渣設備2.1系統(tǒng)框架自動除渣系統(tǒng)的主要組成部分包括：機器人系統(tǒng)、控制系統(tǒng)(PLC控制柜)、氣動系統(tǒng)、夾具、除渣工具，渣料裝載系統(tǒng)、機器人導軌位移系統(tǒng)、電纜橋架（各種線纜和信號線）、防護欄以及其它輔助設備等。機器人系統(tǒng)包括機器人本體、機器人控制柜、手操器。機器人有6個軸，可以根據(jù)要求選擇合適的除渣工具，它能重復收集鍋內鋅渣，從鍋中舀出鋅渣到鋅渣箱內等一系列動作。為增加機器人作業(yè)的范圍，將機器人安裝的導軌機構上，使其能夠隨導軌的運動到達指定的作業(yè)位置。2.2夾具設計要求：在設計夾具時應考慮夾具的運動形式、行程范圍、各執(zhí)行件的運作順序、元件承受的負載、運動速度、變化范圍，性能有調速性能，運動平穩(wěn)性能、可靠性高、使用與維修的方便性等。夾具部分實現(xiàn)夾緊和放松的運動的動力，有兩種可行性方案是：一是用液壓來驅動，優(yōu)點是由液壓缸實現(xiàn)對除渣工具的夾緊和釋放時，運動平穩(wěn)，震動小，夾持穩(wěn)定，當有除渣工具上有大量結渣時，夾持動作依然平穩(wěn)，選擇這種方案需要現(xiàn)場配小型液壓站，二是用氣壓來驅動，方案設計工作量小，安裝方便，而且控制簡單，取材方面現(xiàn)場存在氣源，優(yōu)先使用第二種方案。圖10夾具夾具部分工作原理：除渣工具自動更換頭，采取氣動方式，由兩位電磁閥控制氣缸上下運動，夾具末端位置夾持除渣工具進行除渣動作。氣缸上配有磁感應開關，可以將氣缸位置信息發(fā)送給PLC,氣路配帶先導式單向閥的速度控制閥，斷氣夾具能夠保持夾緊狀態(tài)，確保安全。夾具上端與機器人法蘭盤連接。夾具側面安裝光電傳感器，檢測渣料斗渣料分布及鋅鍋液面高度。2.3除渣工具現(xiàn)場有多種人工除渣除渣工具，其特點：長度2.5m，每勺鋅渣平均（包括除渣勺）:10kg，且易結渣，下端勺體部分易損壞。根據(jù)現(xiàn)場除渣要求，提出設計方案：除渣工具采用兩段式，上端為除渣工具自動更換頭抓取部位，各工具相同（包括扒渣，除渣，取樣工具）如圖11所示。下部為工具部分，工具為易損件，為方便更換，兩段采用螺栓連接，采用特殊材料特點是不易結渣。圖11撈渣與扒渣工具根據(jù)工作種類的不同，需要設計3套工具：扒渣工具、除渣工具、取樣工具，其中扒渣工具負責將位置較遠的鋅渣，或者鋅鍋內不宜除渣的地方的鋅渣聚集到適宜除渣的地方。鋅渣容易結渣在鋅鍋邊沿，要想去除這部分鋅渣需要用到取樣工具，將熔融鋅液澆在上面使其熔化，然后再用除渣工具進行除渣。除渣工具停放在專用的工具架上。2.4撇渣工具在帶鋼V形區(qū)域和穩(wěn)定輥附近會形成漩渦，帶鋼左側表面鋅液會向帶鋼方向緩慢運動，頂面附近的鋅液流動會把浮渣卷到帶鋼上，造成鋅渣缺陷。此區(qū)域除渣危險帶，不能出現(xiàn)有較大波動，因此不能進行直接除渣作業(yè)，如存在鋅渣需要將鋅渣撇出。圖12為撇渣工具，將鋅渣撇到兩側再通過除渣工具進行除渣作業(yè)。圖12V型區(qū)域撇渣工具2.5導軌機構由于蓋板邊緣離鋅鍋較遠，為機械手作業(yè)空間變更大，需要機器人可以移動。機器人移動機構需要：運動精度高，高速性能好，適應性強，運行平穩(wěn)，因此采用伺服電機驅動，齒輪齒條傳動。為防止鋅渣濺到導軌上，需要將導軌設計成全封閉式。導軌裝置與地面采用化學螺栓固定，該移動裝置在爐鼻子前后側各一套。如圖13所示圖13第七軸采用S120系列伺服電機作為機器人系統(tǒng)第七軸的驅動，導軌機構具有重復定位精度高、響應速度快、運行平穩(wěn)、可靠等特點。此外，還專門設計了防塵罩，保護導軌、直線軸承以及齒條等運動部件，有效提高了可靠性和使用壽命。移動裝置主要是為了配合機械手能迅速準確地達到工作位，在除渣完成后返回初始位置。為了設計和制造方便，在設計過程中，考慮到能量的損耗程度，行走裝置采用了直線導軌，既提高了運動系統(tǒng)的運動精度，又很大程度的減小了摩擦力，達到了節(jié)能的效果。為安全起見，導軌的兩側分別安裝限位，在導軌中間部位安裝伺服電機尋零位限位。圖14機械部分3現(xiàn)場試驗對除渣設備進行現(xiàn)場實驗，現(xiàn)場實驗如圖15(a)所示,爐鼻子后側除渣后的效果如圖15(b)所示。(a)(b)圖15現(xiàn)場除渣作業(yè)從現(xiàn)場效果看，除渣器人的除渣率在75%以上,符合除渣要求。實際生產(chǎn)實踐證明，相比人工除渣，采用機器人除渣，可以根據(jù)現(xiàn)場的需要，給機器人的離線編程，優(yōu)化除渣過程，減小因除渣動作對鋅液環(huán)境的影響，避免不正當除渣動作對表面鋅液引起的波動，從而降低對鍍鋅層厚度和均勻性的影響。4.結論分析了防止鋅渣缺陷產(chǎn)生措施以及國內外除渣技術現(xiàn)狀。分析了熱鍍鋅鍋內渣體分布規(guī)律，分析結果為除渣機器人的設計以及指導除渣作業(yè)提了重要理論依據(jù)。介紹了除渣機器人系統(tǒng)的主要設備：夾具，除渣工具，第七軸等，并以相應的機器人為載體實際應用于現(xiàn)場除渣作業(yè)，實際生產(chǎn)實踐證明，機器人撈渣相比人工除渣，更能高效的除渣，有效降低引起的鋅渣缺陷。參考文獻：[1]張召恩,劉利,李學濤，等.熱鍍鋅板表面控制技術[J].表面技術,2009,38(5):90-92.[2]宋新莉,袁澤喜,王迪.熱鍍鋅工藝對汽車用鍍鋅鋼板表面缺陷的影響[J].特殊鋼,2009,30(3):48-49.[3]蔣光銳,劉李斌,王自成,等.熱鍍鋅板鍍層表面點狀缺陷的分析方法[J].軋鋼,2015,32(5):40-44.[4]張彥文,陳宇,許竹桃,等.熱鍍鋅板線狀缺陷分析方法探討[J].武漢科技大學學報,2013,36(3):186-189.[5]游先政.攀鋼連續(xù)熱鍍鋅機組無底渣鋅鍋的控制與實踐[J].實用測試技術,2002,(3):5-6.[6]李鋼.連續(xù)熱鍍鋅機組鋅鍋中鋁含量的控制[J].新疆鋼鐵,2007,(4):26-28.[7]劉春雨,張靜,李建英,等.唐鋼熱鍍鋅鋅渣形成因素分析及工藝優(yōu)化[J].冶金標準化與質量,2010,48(6):47-49.[8]談軼文.“鋅灰”缺陷的原因分析及解決措施[J].軋鋼,2011,28(6):52-54.[9]李林,高毅.鍍鋅板表面鋅渣缺陷的控制[J].上海金屬,2007,29(5):87-90.[10]雷鳴,萬家瑰,萬德立,