CN102713023A - 用于金属带材加工线的表面制备单元 - Google Patents

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Abstract

用于金属带材加工线的表面制备单元，其包括：用于容纳电解溶液的电解槽(12)；用于悬吊/浸没所要处理的带材(11)的***，所述带材沿着纵向方向(F)连续供给到所述电解槽(12)中；包括上下电极(21)的多个电极单元(20)，这些电极分别包括上电枢和下电枢(22)，这些电枢面对着所述带材(11)的两个较大表面并且分别与所述带材间隔开所谓的“上部间隙”和“下部间隙”的间距，所述电极(21)与供电***(34)连接，其中所述电解槽(12)在底部处成形为形成连续的料斗(26)，其中在所述电极单元(20)中的每一个处设有料斗(26)，料斗的末端具有用于将呈不溶解的鳞屑形式的废料排出的装置，这些废料以淤积物的形式沉积在底部处。

Description

用于金属带材加工线的表面制备单元
技术领域
本发明涉及用于金属带材加工线的表面制备单元。下面，术语“用于金属带材的表面制备”用于指除鳞和/或酸洗操作。
背景技术
金属带材加工线的发展已经引起尤其针对各表面的表面制备(即除鳞和酸洗)的越来越多的有效工艺的开发，通常为直流电(DC)或交流电(AC)(较少采用)或者组合式交流电/直流电(AC/DC)电解类型。这能够减少在生产线中的电解槽数量和/或提高带材行进速度，同时明显增大每单位时间处理的材料吨数，并且由于所使用的有害酸性溶液更少、能耗更低且相同生产所用的化学试剂更少因而降低了对环境的影响。
但是由新开发出的工艺所提供的更高效率并没有对其中实施这些工艺的环境同时带来进展。实际上，电解槽在概念上仍然是在低效率电解工艺中所普遍采用的电解槽。因此，例如由于矿渣(slag)累积，所以不能完全发掘出由这些新工艺所提供的潜能。
在普通工艺中，在量不是特别高的情况下，矿渣可以通过搅拌电解池来保持为悬浮并且与电解液一起过滤。效率更高的工艺所产生出的矿渣量更大，其中呈淤积物的形式的始终较高的量沉积在电解槽底部，因此对***的流体动力特性造成负面影响并且需要更高的维护成本。
从纯电学观点看，与所用的创新材料的多少和所遵循的轨迹无关，最常采用的结构是被称为直流电(DC)“栅格-栅格”(grid to grid)结构。这里，通常保持在中性电位(通常称为“接地”)的带材浸没在导电溶液(酸性或中性)中，并且它穿过也浸没在电解液中的电极。由面对着带材的两个较大表面的延伸且连续的电枢形成的电极或电极单元通常保持在相同的电位(正极-阳极或负极-阴极)。在这些条件下，带材在局部上类似于具有与其逐渐面对的栅格的符号相反的符号的电枢。这种极化在鳞屑下面的金属表面自身上在极化曲线方面产生出“偏移”，从而使得带材表面变化到阳极溶解或阴极保护的情况下。根据电压和电流值，出现水的离解，从而在带材表面上形成H2或O2。
这种阳极和阴极的改变存在一些显著的缺陷。
-两个相邻电极相对于具有带材的电极以实际上双重的相互电位差布置。为了减小分散的电流(即在阳极和阴极之间直接通过并且没有横穿带材的电流)，则相邻电枢应该在物理上向上运动至比电极之间的带材的通过间隙大得多的距离，从而留下较大的电解槽区域没有使用。
-带材越薄，则由于低导电性而导致的效果的影响越大。实际上，带材用作在具有不同电位的两个连续电枢之间的导体，更高的电阻以及面对电枢的更多的材料则需要电位接近电枢自身的电位。这导致出现表面电流，这些电流由于焦耳效应而以所提供能量的热量部分消耗。
为了克服这些效应，现存在提高供电的趋势，并且增大提供给电极的电压，增大对节能的损害。
-代表酸洗工艺的主要作用的酸性蚀刻在带材表面需要阴极极化时被中和：阻碍在金属表面上进行酸性蚀刻(HCl、H2SO4或其它酸)的所谓阴极保护区域防止了通过化学酸洗反应形成的可溶盐。实际上，这种工艺在带材的面对着阳极极化电枢的区域中受到阻碍。
-带材通常仅由两个辊子或各个挤干辊对支撑，这些辊子布置在电解槽的入口和出口处。可以描绘出甚至具有相当大尺寸(例如几十米)的跨距，并且非常近似“悬链线”。但是，这只是在可检测形状缺陷(例如翘曲、在边缘上起褶皱等)的情况下是这样，这些形状缺陷比较普遍。为了避免出现危险的短路，这些不均匀性的存在需要在电枢和带材之间的距离(即“间隙”)比理论上严格需要的距离大得多。从上面的信息可以看出，这种距离的增大导致能耗增大以及电解槽的长度和高度两者的尺寸增大。
-另外，用于普通电解槽的电枢的普通结构为横向于带材运动方向的水平条带类型，这意味着在由该工艺产生出的材料的去除方面存在严重的限制。实际上，在下部间隙中，气体在与带材直接接触的情况下累积，从而不允许电解液清除过程所需的在金属和电解液之间形成亲密、连续且均匀的接触，同时鳞屑的未溶解相会累积在电枢上。实际上，在运动带材上在相对远离电极单元的平面的位置处出现最大的电解池搅拌，因此对导电产生负面影响。在上部间隙中存在相同的状况，并且气体(H2和O2)不容易在电枢附近排空并且矿渣会累积在带材的中央区域中。
例如在专利申请WO02/50344A1和WO02/086199A2中所述的新工艺基于交流电的使用为大多数上述缺陷提供了正确的解决方案。但是，将其引入到普通电解槽中会导致比所期望相对更低的结果，这是由于其更高的效率只是使得实际问题恶化，例如将在电解中产生出的淤积物移除或气体排空会对电解槽的操作产生巨大影响，而与在其中所采用的工艺无关。
发明内容
本发明的目的在于提供用于金属带材加工线的表面制备单元，其适应直流电、交流电或组合式交流电/直流电的高效电解除鳞和/或酸洗工艺。
本发明的另一个目的在于提供用于金属带材加工线的表面制备单元，该表面制备单元能够处理高效电解除鳞和/或酸洗工艺的高产出的淤积物和气体。
本发明的另一个目的在于提供成本低廉的用于金属带材加工线的表面制备单元，该表面制备单元尤其简单并且有用。
根据本发明的这些目的可以通过提供如在权利要求1中所述的用于金属带材加工线的表面制备单元来实现。
在从属权利要求中给出了其它特征。
附图说明
从下面参照附图以非限定实施例的方式给出的说明中应该更清楚了解根据本发明用于金属带材加工线的表面制备单元的特征和优点，其中：
图1为根据本发明的用于金属带材加工线的表面制备单元沿着中间面剖开的侧视图；
图2为在II-II线的平面中获得的图1单元的示意性放大横截面。
具体实施方式
参照这些附图，这些附图示出了总体上用10表示的用于金属带材加工线的表面制备单元。
该单元包括电解槽12，所要处理的带材11沿着箭头F的方向连续供给穿过该电解槽并且在由多个辊子构成的带材悬吊/浸没***上返回。
电解槽12包括容纳有电解溶液的主处理部分12a和分别承载着输入辊13和输出偏转辊14的两个相对端部12b，这些辊子与挤干辊15相联。电解槽12的这些端部12b由用于保持电解液的壁16限定，该壁从电解槽12的底壁升起。这些端部12b没有容纳电解液，但是它们在底部处包含有阀18。
浸没辊19在主处理部分12a的每个端部处分别紧挨着输入辊13的下游以及紧挨着输出辊14的上游布置，这些浸没辊19使带材11转向成在容纳于电解槽12中的电解液的自由流体表面下方。
在图1中所示的实施方案中，布置在电解槽12中央处的分隔辊19’将带材11的路径分成两个自由跨距100，每个跨距均包括在浸没辊19和分隔辊19’之间。
每个自由跨距100均包含至少一个电极单元20，所述电极单元20由相对于带材11的上下电极21构成，所述电极包括面对着带材11的两个较大表面的上下电枢22。图1示出了对于每个自由跨距100设有沿着纵向方向相互间隔开的两个电极单元20。
术语上或下电极21用来表示完整的结构，其承载着面对着带材的、位于电极21的电枢22中的给定极性，所述完整的结构包括机械支撑结构以及电连接结构。
与电解槽12的尺寸无关，假设在两个连续浸没辊19之间的自由跨距100优选包括在3.5m至7m之间。
因此，电解槽12应该只是设有两个浸没辊19，这样在它们的中心之间的距离(即在它们之间的自由跨距100)限制在3.5m到7m之间。如果电解槽更大，则电解槽12应该设有附加的浸没辊19，例如分隔辊19’，所述分隔辊19’的数量能够将带材的每个自由跨距100总是优选保持在3.5m到7m之间。
通过对带材11的横向形式的速度和回复弹性方面的分析，申请人实际上验明了：与电极21的可能极化无关地，在单个电极单元20的情况下具有3.5m的间距或者对于两个连续电极单元20而言具有7m的间距，则电极单元20的模块化布置的几何形状使得电解槽12的设计能够快速适应所需的具体操作条件，同时保证自由跨距100在电场的均匀性方面的效率最大。
这种布置还使得能够正好从初始步骤开始限定出电解槽12的几何参数，因此优化了***的整体尺寸和成本。
根据本发明，电解槽12可以包括电极单元20，这些电极单元20所有都为直流电类型、所有都为交流电类型、否则它可以包含直流电和交流电单元两种，这取决于在带材上所要进行的除鳞/酸洗工艺的具体需要。
上述具体的模块化布置在交流电电源的情况下找到了理想应用，但是它也可以应用在用于可用电极21的供应和组成的所有结构中。
具体地说，在采用交流电电源的情况下，布置在两个自由跨距100之间的分隔辊19’丧失了其作为隔电元件的大部分功能，从而基本上仅保持了定位、支撑和校准带材11的几何缺陷的机械功能。
浸没辊19、19’的位置确保了电极21的所有电枢22全部浸没在电解液中。
显然，除了浸没辊19、19’具有使得带材11的边缘上可能出现的皱褶平坦并且使得其位置稳定之外，针对自由跨距100的长度的限制能够使得相对于图1中用点划线示出的参考“悬链线”的偏转保持在控制之下。这使得能够在带材11和上电枢22之间的距离(所谓的“上部间隙”)以及在带材11和下电枢22之间的距离(所谓的“下部间隙”)保持较小，从而降低电消耗。
在图1中所示的实施方案中，到达在分隔辊19’处的最低位置的带材11在纵向方向上具有朝着电解槽12中央倾斜的对称展开部。与带材配合的所有部件(即上下电枢22和电解槽的底部)根据与带材11在每个自由跨距100中的理论路径基本上平行的展开方式而布置。
为了消除在下电枢22上的鳞屑淤积物累积和在上电枢22上的气体，根据优选实施方案，电枢22具有带通道狭槽的不连续形状。优选的是，电枢22所锚固于其上的结构也具有不连续的形状。
这种不连续的形状例如制作成为在带材11的运动方向上具有较小尺寸的矩形导电条，或者可选的是圆形导电条。形成电枢的这些导电条相互间隔开，从而能够通过在它们之间的间隙排空废料，因此克服了淤积物沉积在下电极21的电枢22的表面上以及由电化学反应产生出的气泡聚集在上电极21的电枢22的表面上。
在两种情况下，在电解液的电物理性能方面的不连续性将改变在电枢和带材之间的电解液内的电场流线的理想均匀结构，并且随着时间出现稀薄化或累积的随机性和不稳定性，因此继而发生了整条生产线的效率降低。
形成下电枢22的导电条的不连续结构使得更容易并且更有效地将固体产物朝着电解槽12的底部排空，因此在远离电解液的搅拌流的区域中排空。类似地，形成上电枢22的导电条的不连续结构有利于将气泡向上排空到液体表面之外。
因此恢复了理想的操作条件。
具有导电条电枢22的优选实施方案还实现了采用不同材料的可能性，这些材料由于焊接脆性或困难性而不适用于连续应用普通的电枢。
具体地说，如图所示，不连续形状可以与位于沿着横向于带材运动方向的方向延伸的两根矩形导电条之间的狭槽类似地获得。狭槽组因此限定了具有小的线性尺寸的连续电枢部分，这些部分可以通过焊接之外的方法固定，例如通过特殊紧固装置(例如螺栓)固定。
另外，电枢22的不连续形状使得能够采用具有不同特性甚至可能在电化学性能和/或可焊接性方面不兼容而彼此不同的交替的(alternating)材料、与其它具有特定特征的材料(例如涂布钛的或更昂贵的非金属材料)结合并且交替的普通材料。
在任何情况下，由于特定紧固装置的使用而实现的结构简化改善了维护时间和干涉复杂性，从而能够只是在需要的情况下进行干涉。
用于循环和搅拌电解液的装置还保证了由来自带材下表面的气体和来自上表面的未溶解的鳞屑构成的废料运动离开带材11。
通过用于电解液回流的多个入口喷嘴23来致动再循环和搅拌，这些入口喷嘴优选在浸没位置中并且基本上在带材11处(具体地说在相对于带材的稍低的位置处)而布置在电解槽12的壁上的每个电极单元20处。
根据电解槽12的几何形状，高流量电解液在其重新调节之后通过回流入口喷嘴23而在“间隙”处(即在电枢22之间)沿着与带材11方向一致的方向(在合流中)或者沿着相反方向(在逆流中)导入电解槽12中。通过泵24实现所需的流量，这些泵具有高流量和低压头或者在供应射流泵的常规压头(大约35-45m)下操作。
电解液也可以通过在电解液的自由流体表面上方布置在电解槽的两个端部处的入口25导入到电解槽中。
在每个电极单元20处，电解槽12的底部成形为形成料斗26，料斗末端具有用于将由鳞屑的未溶解部分构成的废料排空的装置27，这些废料(如淤积物)沉积在底部处。排空装置27以排空底部出口形式制成，这些出口通过阀使每个料斗26的底部与排出管道28连接，该排出管道又与用于处理混合有淤积物的淤积物残余材料的***29连接。
料斗26的交替在电解液中产生出不同的搅拌速度。最接近带材11的液面是搅拌最强的液面，因此能够使更多鳞屑保持在悬浮状态中。随着离带材的距离逐渐增大，料斗26的几何形状在电解液中产生出平静区域，所述平静区域使得能够释放出未溶解鳞状材料。这些材料积累在每个料斗26的底部处，从而产生出可以很容易从排出管道28去除的淤积物。
如上所述，与电极单元20的数量相等的这些料斗26设有管道28，管道的截面能够通过由使得酸洗自动化的***控制的电磁阀交替打开，以便迅速排出淤积物且不会将电解槽12自身排空。
电解槽12使得上盖30完全密封，并且通过清除过程作为废料产生出的气体通过多个气体排空出口31排空，所述气体排空出口在电解槽12的端部附近布置在盖子30的侧面处并且与通向除烟尘***33的烟尘抽吸收集器32连接。
根据本发明的用于金属带材加工线10的表面制备单元可以用于除鳞和酸洗***中，而与所采用的是直流电、交流电或组合的直流电/交流电电解工艺无关。如图2示意性所示的那样，供电***用于通过合适的导电条或电缆34在AC电极21的上下电枢22上提供操作所需的电流。
但是，根据本发明的用于金属带材加工线10的表面制备单元对于交流电过程尤为有利，其中电极的供电***具有特殊的新方案。
具体地说，供电***34用于将操作所需的在上下电枢之间存在180°相位差的交流电提供到AC电极21的上下电枢22上。
由于塑料遮蔽件35的相互设置，每对电极21的上下电枢22在不涉及带材通过的部分中相互遮蔽，这些遮蔽件有助于将电枢支撑在与带材平行的位置中，从而防止了其直接电接触。
交流电电极34的供电***按照这样一种方式实现，从而所有电极单元20总是相对于彼此按照以下方式被提供给相位电压，即电极21的所有电枢22被极化从而具有相同相位，并且这与电源的实际实施方案无关。作为电源的非限定实施例，可以考虑基于每个都只是在供电网络的一个相位上工作的单相变压器之后设置电流调整器的解决方案，或者作为优选实施方案，考虑基于给共同DC导电条供电的三相整流器之后设置反相器的解决方案，这样在供电网络的各个相位之间不会存在不平衡负载，保证了所采用的AC电流的频率和波形的控制。
在上下电枢22上的电压相对于彼此不对称，但是对于相邻单元20的上下电枢22而言同相。
因此，与材料的厚度无关，电流应该总是横穿带材11，从而赋予它明显非常接近中性的平均电位。带材11优选应该与接地辊(未示出)连接。
另外，显然这种设计方案从电源开始消除了沿着带材11供给方向以及沿着带材11输入分支方向的那些电流的存在，那些电流在传统的“栅格-栅格”酸洗中分散了相当多的能量。
最后，通过该优选的结构，供电***与网络电压无关地操作，从而允许根据在电解槽中进行的过程对所需的频率和波形进行理想的选择。
另外，在用于给交流电电极21供电的电力***34中，其中相同一对电极21的两个电枢22被提供有相位差为180°的电流，因此需要单独提供，这意味着出现短路的危险增大，用于提供一个相位的电源线和用于提供相反相位的电源线优选设置在电解槽12的两个相对侧上，如图2所示。
另外，合适的绝缘材料将在电解槽12中所供电的多个部分隔离并且绝缘，从而与以DC供电的那些传统电解槽相比保证了给两个上下电极21安全、可靠并且高效地单独供电。
根据本发明的用于金属材料加工线的表面制备单元的优点在于整个以交流电、整个以直流电、或者部分以交流电且部分以直流电供电的电源类型无关地优化了该工艺的效率，因此还能够处理这些工艺的高产出的淤积物和气体。
在以交流电供电的电源情况下，在根据本发明的用于金属带材加工线的表面制备单元中，电流的分散有利地减小，并且确保了改进的能量节约。
另外，在能够获得类似清洁水平并且能耗更低的情况下，以交流电供电的电源改善了除鳞和酸洗效率，因此导致***简化以及在相同平均电流密度下更好的性能，而且在最终溶液或所要再生的溶液方面对环境的危害更小(减少了有污染酸性物质的使用)，最终导致节能。
在组合电源的情况下(部分以交流电以及部分地以直流电)，关于供应交流电的电源的上述供电线的分离有利于改进安全性和排除由于短路导致的电解槽12的可能的事故和/或功能故障。
在组合电源的情况下的优选结构以如下方式提供电极布置，即一组或多组AC电极相对于带材运动方向布置在电解槽12入口处，之后一组或多组DC电极按照保证实现用于精整带材的理想状况的高除鳞操作的方式布置。
电解槽的结构还可以有利地适用于所需的结构几何形状。
“间隙”(即电枢和带材之间的距离)的优化使得能够降低应该横穿带材的电流密度，并且实现了相当大的节能。
该表面制备单元的结构有利地改善了对来自带材的废料、气体和固体的去除，它们从“间隙”离开并且随后从电解槽去除。
如此设计的用于金属带材加工线的表面制备单元容易想到各种变型和变化，这些都落入在本发明的范围内；另外，所有细节都可以用在技术上等同的要素进行替换。实际上，所采用的材料以及尺寸可以根据技术要求改变。

Claims (13)

1.用于金属带材加工线的表面制备单元，包括：适于容纳电解溶液的电解槽(12)；用于悬吊/浸没所要处理的带材(11)的***，所述带材沿着纵向方向(F)在所述电解槽(12)中连续供给；包括上电极和下电极(21)的多个电极单元(20)，所述上电极和下电极分别包括上电枢和下电枢(22)，所述上电枢和下电枢面对着所述带材(11)的两个较大表面并且分别与所述带材间隔开所谓的“上部间隙”和“下部间隙”的间距，所述电极(21)与供电***(34)连接，其特征在于，所述电解槽(12)在底部处成形为形成连续的料斗(26)，其中在所述电极单元(20)中的每一个处设有料斗(26)，所述料斗的末端具有用于将呈不溶解的鳞屑形式的废料排空的装置(27)，这些废料以淤积物的形式沉积在底部处。
2.如权利要求1所述的表面制备单元，其特征在于，用于悬吊/浸没带材的所述***包括至少一个输入辊(13)和一个输出偏转辊(14)以及在每个端部处均具有的至少一个浸没辊(19)，其中在每个端部处的所述至少一个浸没辊(19)分别布置在所述输入辊(13)的下游和所述输出偏转辊(14)的上游，以便使得带材(11)转向成位于容纳在所述电解槽(12)中的电解液的自由流体表面下面，所述浸没辊(19)以提供在3.5m至7m之间的自由跨距(100)的方式间隔开。
3.如权利要求2所述的表面制备单元，其特征在于，对于超过7m的长度值的电解槽(12)而言，所述表面制备单元包括至少一个另外的分隔浸没辊(19’)，所述分隔浸没辊将所述带材(11)的路径分成至少两个自由跨距(100)，每个自由跨距容纳至少一个电极单元(20)。
4.如权利要求3所述的表面制备单元，其特征在于，在每个自由跨距(100)中，所述电解槽(12)的底部以及上电枢和下电枢(22)基本上平行于在所述浸没辊(19，19’)之间的带材(11)的理论路径而布置。
5.如权利要求2或3所述的表面制备单元，其特征在于，所述电极(21)具有不连续形状，所述电极的所述上电枢和下电枢(22)由多根导电条构成，这些导电条相互间隔开以便在它们之间形成用于将呈气体和鳞屑淤积物形式的废料排空的间隙。
6.如权利要求5所述的表面制备单元，其特征在于，每对电极(21)的所述上电枢和下电枢(22)通过***的塑料遮蔽件(35)相互遮蔽，这些遮蔽件将所述上电枢和下电枢支撑在与所述带材(11)平行的位置中，从而防止了其直接电接触。
7.如权利要求5所述的表面制备单元，其特征在于，所述表面制备单元包括用于再循环和搅拌电解液的装置，所述用于再循环和搅拌电解液的装置适于方便废料运动离开所述带材(11)，所述废料由来自位于所述带材(11)下面的表面的气体和来自上表面的鳞屑淤积物构成。
8.如权利要求7所述的表面制备单元，其特征在于，所述用于再循环和搅拌电解液的装置包括用于使得所述电解液以高流量返回的多个入口喷嘴(23)，所述返回入口喷嘴(23)布置在位于每个电极单元(20)处的基本上带材(11)高度处的浸没位置中。
9.如权利要求1所述的表面制备单元，其特征在于，用于排空呈不溶解鳞屑形式的废料的所述装置(27)包括底部排空开口，所述底部排空开口通过阀将所述料斗(26)连接至排出管道(28)，所述排出管道又与用于处理包含鳞屑的淤积物残余材料的***(29)连接。
10.如权利要求9所述的表面制备单元，其特征在于，所述阀为电磁阀，所述电磁阀以在不将电解槽(12)倒空的情况下迅速排出淤积物的方式交替地打开每个料斗(26)。
11.如前面权利要求中任一项所述的表面制备单元，其特征在于，用于给电极供电的所述供电***(34)给电极(21)的每个单元(20)的所述上电枢和下电枢(22)提供交流电，在上电枢和下电枢之间的所述交流电存在180°的相位差，所有电极单元始终被提供有同相电压。
12.如权利要求11所述的表面制备单元，其特征在于，所述供电***(34)包括单相变压器，每个变压器仅在供电网络的一个相位上操作，所述单相变压器之后设有电流调整器。
13.如权利要求11所述的表面制备单元，其特征在于，所述供电***(34)包括用于给直流电导电条供电的三相电流调整器并且在所述三相电流调整器之后设置反相器，这些反相器避免了在供电网络的各个相位之间出现不均衡负载，保证了与供应电压无关地控制AC电流的频率和波形。
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