用于在工业镀锌生产线中控制涂层重量均匀性的方法

摘要

一种用于在工业镀锌设施中控制和优化在运行的金属条带(2)的至少一侧上的涂层厚度的横向均匀性的方法，所述涂层通过在包含液态金属镀液的锅(1)中热浸涂布而沉积，所述方法至少包括以下步骤：‑沿相对于该运行的条带方向横向的方向并且在这些喷嘴(5，6)附近测量这些喷嘴(5，6)与该条带(2)之间的实际距离轮廓，以便获得实际喷嘴至条带距离轮廓曲线(14，17)；‑基于平均斜率的计算来计算该喷嘴至条带距离轮廓曲线(14，17)的第一校正，该平均斜率是该喷嘴至条带距离轮廓曲线(14，17)的一阶线性回归直线(18)；‑通过从所述曲线减去二阶线性回归二次线(20)来计算对第一校正后喷嘴至条带距离轮廓曲线(19)的第二校正，得到第二校正后喷嘴至条带距离轮廓曲线(21)；通过相应地首先修改这些喷嘴(5，6)的位置并且其次修改该金属条带(2)的形状，通过将计算出的第一校正和第二校正物理地转移到该工业镀锌设施来作用于喷嘴位置和金属条带横向形状，作为第一和第二相应物理校正，以便获得在位置和形状方面经物理校正后的经涂布的金属条带；‑如果能提供所述附加设备，则使用该非接触式致动器系统(22)还作用于在位置和形状方面经物理校正后的经涂布的金属条带，作为第三物理校正，以便获得具有优化平坦度的经涂布的金属条带(2)。

说明书

技术领域

本发明涉及用于在热浸镀锌生产线中控制沉积的防腐蚀涂层层的重量均匀性的改进和简化的方法。

背景和现有技术

用于在连续的工业镀锌工艺中控制金属条带上的涂层厚度的最常用方法包括在条带从装有液态金属的锅中出来时使用气刀将气体吹到由运行的条带携带出的液态金属上，该液态金属过去一般是锌、铝和镁与一些含量低于1％的杂质的混合物。

当条带从还原退火炉中出来时，在该还原退火炉中条带被加热到非常接近液态金属温度，条带首先通过将其自身缠绕在称为沉没辊的浸没偏转辊上并且然后缠绕在一个或两个较小的浸没辊上而穿过锅，该一个或两个较小的浸没辊具有校正由沉没辊引起的横向翘曲(crossbow)的功能。在本领域中已知，这些较小的辊的位置合适可以或多或少地校正上述横向翘曲。

还已知的是，沉积在金属条带上的涂层厚度(或重量)主要取决于液体性质、吹送或擦拭喷嘴至条带距离、吹送气体穿过的喷嘴开口、喷嘴出口气体速度、气体性质以及条带速度。其他变量(例如基材的粗糙度或擦拭高度)也可能影响最终涂层厚度，但是最终涂层厚度的范围非常有限。

客户通常对产品的质量以及运行成本的要求是在纵向方向和横向方向上具有良好的涂层均匀性。这是因为市场通常要求最小的涂层厚度，以便确保最小的耐腐蚀性，而任何额外的涂层都会给生产商带来额外的成本。3sigma涂层重量是经典要求，但是一些设备制造商声称能够保证1sigma的平均值的1％(50g/m

还已知的是，由于喷嘴到条带在横向方向上的距离不是恒定的，因此在每个条带侧都会出现涂层厚度的横向变化。这确实是由于以下事实，即条带在喷嘴的前方不是完全平坦的，而喷嘴线却是完全笔直的。结果是，在喷嘴至条带距离较短的地方，涂层厚度较小。

图1是热浸式液体锅1的示意图，示出了典型的情况，其中移动条带2、沉没辊3、较小的偏转辊4、在第一侧5和第二侧6的喷嘴。在被加热并可能在炉7中被退火和/或冷却至接近液态金属温度的温度之后，条带2穿过锅1并且被沉没辊3偏转。

然后，条带进一步穿过一个或两个较小的辊4，可以调整该一个或两个较小的辊以确定锅出口处的通过线、并且校正由沉没辊3引起的条带横向翘曲形状。存在各种设计，但最常见的设计是称为校正辊的中间辊由操作者来回移动，直到条带形状得到改善为止。

图2A示意性地示出了在喷嘴位置处的条带形状的示例。从这种情况得出，喷嘴5与条带2之间的距离以及相对的喷嘴6与条带2之间的距离分别如图3所示。图2B示出了一个喷嘴杆偏斜的情况。

Dubois等人(见下文)已经表明，可以用n阶多项式函数适当地拟合真实的喷嘴至条带距离，该n阶多项式函数实际上可以很好地近似为四次函数或四次/阶的多项式函数，例如

距离(X)＝A+B.X+C.X

其中X是从喷嘴杆的中心起的位置，A、B、C和D是要通过线性最小二乘法调整的参数。以下将该方法称为四阶回归方法。

A是喷嘴到条带的平均距离或均值距离，而B是由喷嘴杆的偏斜度造成的，其对应于作为X的函数的距离的平均斜率。C与条带分块形状、称为横向翘曲或跨越条带宽度的平均翘曲的对称轮廓有关(C代表该形状的平均半径)。常数D和E是专用于对特定形状进行建模的项，该特定形状可能不是对称的，像S形或如在W形(或远离中心形状的横向翘曲)的情况下所观察到的反曲率。

从理论上讲，发现只要对喷嘴进行了良好的设计和调整，要实现均匀的涂层，就需要在整个条带宽度上获得几乎恒定的喷嘴至条带距离。对于生产线上的操作者而言，这是一项艰巨的任务，原因如下：

-由于环境恶劣，在整个条带宽度上很难测量喷嘴至条带距离，条带的宽度通常在500mm至2200mm之间变化，并且最终经涂布的条带的亮度使得不易使用激光；

-生产线上的操作者可用的致动器少。如果可以在每个边缘上分别移动和调整喷嘴，则偏斜易于校正。当将条带自身缠绕在底辊或沉没辊上时，小的偏转辊在锅中的位置可以改善由条带的塑性变形引起的横向翘曲。当前，并不存在任何有效的模型可以设定校正辊的渗透性以补偿由沉没辊引起的横向翘曲。这种情况是由以下事实造成的：由于高温，锅中条带的机械性能未知，并且包括以下事实：弯曲和非弯曲发生在弹塑性区域中，其本身取决于局部施加的条带张力；

-在操作中很难找到正确的行动动作，因为如果等式(1)的A和B的值可以容易地校正，则由于实际的条带形状通常是复杂的并且无法通过简单的二阶多项式准确建模的事实，很难正确地校正以补偿横向翘曲。最后，通常，现场没有任何真正可用的装置来分别直接针对等式(1)的三阶和四阶校正喷嘴处的条带形状。

现有技术中存在许多校正系统，但是它们要么使用位于气刀之后约120m处的在线涂层量规，要么使用对距离气刀很近的条带位置的测量和控制。该方法的缺点是不能在喷嘴处给出确切的喷嘴至条带距离，因为众所周知，条带形状一旦离开锅便仍然改变。

文件WO 2018/150585A1披露了一种片材曲率校正装置，该片材曲率校正装置使用磁性来校正所输送的钢片材S的片材曲率，所述片材曲率校正装置包括：多个电磁体，该多个电磁体在钢片材S的片材宽度方向上对齐并且彼此面对以在片材厚度方向上夹住钢片材S；移动机构，该移动机构可以使电磁体相对于钢片材S移动；以及控制单元，该控制单元基于在电磁体中流动的电流的值来控制移动机构的活动。

N.GUELTON等人在Metallurgical and Materials Transaction B-Springer(2016)47:2666-2680的文章“Cross coating weight control by electromagneticstrip stabilization at the continuous galvanizing line of ArcelorMittalFlorange[通过在ArcelorMittal Florange的连续镀锌生产线的电磁条带稳定化来进行横向涂层重量控制]”中，已经存在的涂层重量控制系统成功地消除了平均涂层误差和偏斜涂层误差两者但又无法对付横向翘曲涂层误差，因此已经升级了平坦度校正功能，该平坦度校正功能利用了控制电磁稳定器的可能性。基本原理是，对于每次量规扫描，将顶侧和底侧的涂层重量横向轮廓分为两个分别为线性和非线性的分量。线性分量用于通过将刀与条带重新对齐来校正偏斜误差，而非线性分量用于使稳定器中的条带变形，其方式为使得条带在刀之间保持平坦。

M.DUBOIS和J.CALLEGARI在Iron&Steel Technology,AIST.org(2017年2月)上的文章“Methodology to Quantify Objectively the Coating Weight Uniformity[用于客观量化涂层重量均匀性的方法]”中提出了一种标准易操作的方法，不仅用于计算每侧标准偏差，而且还用于计算与条带形状、喷嘴调整以及其他工艺和产品参数有关的数量。

发明目的

本发明旨在通过适当的手段校正由于不完美的条带形状和振动而导致的喷嘴至条带距离变化来减少沿条带宽度的这些距离变化，并且进一步提供一种用于改善热浸镀锌设施中涂层重量均匀性的工业方法。

进一步，本发明旨在提供一种用于控制操作参数以在擦拭喷嘴处达到平坦条带的方法。

发明内容

本发明涉及一种用于在工业镀锌设施中控制和优化在运行的金属条带的至少一侧上的涂层厚度的横向均匀性的方法，所述涂层通过在包含液态金属镀液的锅中热浸涂布而沉积，所述热浸涂布至少包括以下步骤：

-将该金属条带基材加热到高于该锅温度的温度；

-通过将该金属条带至少缠绕在第一偏转辊或沉没辊上、然后缠绕在至少一个第二偏转辊上，使该金属条带穿过该镀液，所述第二偏转辊旨在改进该条带的平坦度；

-通过擦拭喷嘴在该条带的一侧或两侧擦拭由该运行的条带携带走的多余的涂层厚度，这些擦拭喷嘴在该液态金属镀液的出口处将气体吹到经涂布的条带上；

-如果在该设施中能提供附加设备，则使该金属条带穿过位于这些喷嘴后方的非接触式致动器系统，所述非接触式致动器系统能够在该运行的条带上施加力以便修改该条带的位置和/或形状；

所述方法至少包括以下步骤：

-沿相对于该运行的条带方向横向的方向并且在这些喷嘴附近测量这些喷嘴与该条带之间的实际距离轮廓，以便获得实际喷嘴至条带距离轮廓曲线；

-使用计算机，基于平均斜率的计算来计算该喷嘴至条带距离轮廓曲线的第一校正，该平均斜率是该喷嘴至条带距离轮廓曲线的一阶线性回归直线，旨在应用所述第一校正以考虑到这些喷嘴的偏斜度并且将这些喷嘴设定成平行于该金属条带；以及

-通过从所述曲线减去二阶线性回归二次线来计算对第一校正后喷嘴至条带距离轮廓曲线的第二校正，得到第二校正后喷嘴至条带距离轮廓曲线，旨在通过调整该锅中的这些偏转辊来应用所述第二校正来补偿横向翘曲；

-通过相应地首先修改这些喷嘴的位置并且其次修改该金属条带的形状，通过将计算出的第一校正和第二校正物理地转移到该工业镀锌设施来作用于喷嘴位置和金属条带横向形状，作为第一和第二相应物理校正，以便获得在位置和形状方面经物理校正后的经涂布的金属条带；

-如果能提供所述附加设备，则使用该非接触式致动器系统还作用于在位置和形状方面经物理校正后的经涂布的金属条带，作为第三物理校正，以便获得具有优化平坦度的经涂布的金属条带。

根据优选实施例，该方法还包括以下特征中的至少一个、或这些特征中的若干个特征的适当组合：

-逐步地且顺序地执行该第一物理校正、该第二物理校正和该第三物理校正；

-该第一物理校正和该第二物理校正由操作者手动执行或由致动器控制过程自动控制；

-该非接触式致动器系统是磁致动器系统；

-该实际喷嘴至条带距离轮廓由非接触式传感器系统测量；

-该非接触式传感器系统是包括一个或多个激光器和相机的光学头；

-物理地修改这些喷嘴的位置的步骤是喷嘴偏斜度校正；

-物理地修改该金属条带的形状的步骤包括修改该第二偏转辊在该锅中的位置，以便在穿过该热浸镀液中的沉没辊之后减小该金属条带的横向翘曲；

-当只存在一个第二偏转辊时，物理地修改该金属条带的形状的步骤包括修改该沉没辊和该第二偏转辊中的任一个在该锅中的位置，另一个辊是静止的，以便修改该沉没辊与该第二偏转辊的相对位置；

-在该第三物理校正中，驱动该非接触式致动器系统以完成对喷嘴位置附近的条带位置和形状的校正，以实现该校正后实际距离轮廓相对于完美平坦度的标准偏差接近于零；

-该第三物理校正是由该非接触式致动器系统相对于通过四阶或更高阶线性回归拟合出的第二校正后喷嘴至条带距离轮廓曲线执行；

-使用该非接触式致动器系统执行的第三物理校正是手动执行的、或者是由控制过程自动控制的；

-该非接触式传感器系统在距离擦拭区域小于100-150mm处测量该实际喷嘴至条带距离轮廓，该非接触式致动器系统被定位在距离该擦拭区域0.5m和5m之间；

-该热浸涂布还包括在将该金属条带基材加热到高于该锅温度的温度的步骤之后使该条带在进入该锅之前冷却到受控温度的步骤；

-在将钢条带浸涂在锌、铝、镁或它们的任何混合物的、可能还具有选自下组的附加元素的镀液中的情况下，应用该方法来控制和优化涂层厚度的横向均匀性，该组由Si、Sb、Pb、Ti、Ca、Mn、Sn、La、Ce、Cr、Zr和Bi组成，这些附加元素的含量低于总组合物重量的1％。

附图说明

图1示意性地表示了根据现有技术的并设有光学测距头的热浸镀锌设施。

图2A和图2B示意性地表示了由分别平行和偏斜的擦拭喷嘴杆围绕的金属条带。

图3表示了根据从金属条带的中心起的横向位置的喷嘴至条带距离图的示例(可能用四阶多项式曲线拟合)。

图4表示了用于测距装置的实施例，示出了激光束分别在擦拭刀支撑件和光亮的金属条带上的反射。

图5A和图5B示意性地表示了用于将测距相机安装在真实的擦拭喷嘴支撑件/外壳上的两个相应的实施例。

图6示出了根据从金属条带的中心起的横向位置的测得(十字)和拟合或内插得到(实线)的喷嘴至条带距离图的示例。

图7示出了图6的数据的一阶回归(直线)，给出了偏斜度(虚线)。

图8示出了对图6的曲线的针对如图7中计算出的偏斜度的校正(实线)以及针对该校正后曲线的二阶回归的校正(虚线)。

图9示出了对图8的曲线的针对表示条带的横向翘曲的二阶项的校正(实线)。如果在条带形状中没有(多个)更高阶的多项式项，则水平虚线将表示条带的完美平坦度。

图10表示了使用在条带的宽度上等距布置的五个磁致动器整体地校正了图8的曲线的更高阶多项式项的情况。

具体实施方式

本发明涉及在整个条带宽度上对真实的喷嘴至条带距离的测量与用于有利地通过使用比如电磁致动器等非接触式致动器来对喷嘴位置、锅辊的几何形状进行数次校正的策略的组合，这些非接触式致动器优选地被定位在距气刀0.5米与2米之间，以进一步校正条带的平坦度。

特别地，本发明是以下要素的组合。

首先，提供一个或多个测量装置，用于在钢条带的一侧或两侧沿整个条带宽度测量喷嘴至条带距离(见图3)。测量装置将优选地是光学的，使用允许看到整个条带宽度的数个相机。在线连续收集的(多个)图像经过处理，以提取喷嘴至条带距离的完整条带轮廓。使用比如相机等光学测量装置有利地允许在小于擦拭生产线的100-150mm处测量喷嘴至条带距离并且允许避免可能在电磁致动器区域中进行的测量。

当分别从第一喷嘴杆5和第二喷嘴杆6观看时，图3中的两个轮廓是对称的。

可选地，可以优选地使用上述的四阶多项式回归方法来进行喷嘴至条带距离测量点的拟合，这些喷嘴至条带距离测量点与条带形状有关。在下文中描述了要施加到移动条带上以恢复平坦条带形状的必要物理校正。

然后，考虑到喷嘴的偏斜度(等式(1)中的B项，见图2A和图2B)，建议操作者进行或可替代地自动进行第一校正，从而导致将这些喷嘴设定成平行于金属条带(使用第一致动器)。

进一步，顺序地，建议操作者或可替代地自动地对锅中的(多个)小的浸没辊进行第二校正，以补偿横向翘曲。实际上，这意味着将对(多个)小的辊的位置进行调整，直到测得的平均横向翘曲或等式(1)中的C项接近于零为止(使用第二致动器)。

当条带从锅中出来时，该条带穿过一对气刀5、6，并且最后在致动器箱中，致动器可以在运行的条带上施加非接触力。由于这样的致动器在此类应用中的众所周知的性能而将最好是电磁体(见下文)(使用第三致动器)。

因此，应用了呈包括磁性系统的非接触式致动器箱形式的最终驱动器，该最终驱动器位于喷嘴或气刀对上方、在距离条带的远侧位置，典型地在500mm和5米之间，但优选地在500mm和2米之间。该装置包括跨越条带定位的数个电磁致动器，并且用来完成条带形状校正，以达到在擦拭喷嘴前方具有理想地接近完美平坦度的平坦度的条带形状。实施了一种方法，以分别驱动横向方向上的每个电磁致动器，以便修改作用在条带上的局部力，并且进一步在喷嘴位置达到限定的条带位置，而与磁体之间的条带位置无关。

根据一些实施例，包括一个或多个相机8的光学系统被定位成横向于条带的运行方向观看喷嘴5、6和擦拭生产线两者，如图1和图4示意性所示。例如，相机8可以如图5A和图5B所示地被安装在分别支撑擦拭气刀15、16的装置上，或者甚至安装在单独的支撑件上，只要相机8能够适当地测量喷嘴至条带距离即可。也如图5A和图5B所示，相机8优选地安装在各个喷嘴之间，并且例如在喷嘴上方最多2米的距离处，但是更优选在喷嘴上方约一米的距离处。可以例如通过处理由包括相机的光学装置获得的图像以便标识条带的亮度变化来容易地在金属条带上标识擦拭生产线，如众所周知的，锅与喷嘴之间的条带表面由于液体湍流而是非常阴暗的，而条带表面在已经调整好涂层厚度的位置处变亮。另一种可使用的方法可以是例如在专利EP 1 421 330B1(见图4)中所描述的那样，观察投射的激光线在经擦拭的表面上的反射。归功于校准，人们可以能够知道检测器或相机的实际位置11，以mm为单位，对应于激光束的第一反射。激光束在条带上的位置12处进一步反射，这给出了虚拟图像13在第一反射的水平面中的真实位置。产生给定图像的条带点的纵坐标对应于两个图像的纵坐标的中点(见图4)。

根据一些实施例，所使用的相机8的数量将取决于它们的位置与喷嘴唇之间的距离以及条带的宽度。当相机被定位在距离擦拭生产线约一米处时，对于1000m宽的条带，典型的数量将是2个相机。然而，相机数量的适当选择事关与特定设计和可用空间有关的逐案标识。

可以将相机安装在条带的每一侧，但这不是必需的。根据一些实施例，相机仅安装在条带的一侧。在这种情况下，另一侧的条带至喷嘴距离是通过计算喷嘴至喷嘴距离与在相机侧的条带至喷嘴距离和条带厚度之和的差值得出的。

根据其他实施例，可以在喷嘴上使用一些校准装置，或者可替代地在维修店使用校准程序，以便能够基于由相机拍摄的图片获得以毫米为单位的确切的喷嘴至条带距离。

一旦在一个或两个条带侧获得了完整的横向喷嘴至条带距离的测量结果，就可以进行数学处理，以便理想地根据等式(1)的四个多项式项以分开的项来分解轮廓。例如，图6示出了实际测得的典型横向距离轮廓。当然，这似乎是当操作者对涂层重量的均匀性不是很敏感时获得的非常糟糕的情况。例如，图6上的十字14表示在已知或确定的位置实际测得的喷嘴至条带距离。如果测得的点(十字14)太少，则可以例如通过数学拟合或内插获得实线17。

根据本发明的校正过程的第一步骤包括去除上述距离轮廓的偏斜度。为此目的，通过用直线执行线性回归来计算距离轮廓的平均斜率(见图7，平均斜率是虚线18)。在上面的示例中，人们获得了0.36毫米/米的偏斜度或平均斜率。

然后基于上述计算出的斜率，由操作者校正条带相对于擦拭喷嘴位置的偏斜度而手动地、或自动地对设施应用第一校正(见图8，实线19为校正后距离)。

进一步，用二阶分量曲线执行回归拟合(见图8，二阶分量是虚线20)。

为了物理地去除该二阶项，调整了用作第二致动器的(多个)锅校正辊，以校正并可能去除轮廓的二阶(见图9，校正后距离是实线21)。

为了理想地去除对距离轮廓的三次和四次多项式贡献，位于喷嘴之后的非接触式致动器则将被用于横向地改变条带的位置(即在特定的横向位置处)。在图10所示的示例中，具有五个(电)磁体22的非接触式致动器用于典型的条带宽度和喷嘴至条带距离的形状。

考虑到此处的轮廓是从锅的前侧看到的(每个磁体都假定吸引条带)，并且条带的前侧也是锅的前侧：

-磁体M1被定位在条带的前侧，并且将以提高的强度(与平均值相比)吸引条带，以减小前侧的喷嘴至条带距离；

-磁体M2被定位在条带的后侧，并且对条带具有小的吸引力，以增大前侧的喷嘴至条带距离；

-磁体M3被定位在条带的后侧，并且将更强地吸引条带(与M2相比)吸引条带，以增大前侧的喷嘴至条带距离；

-磁体M4被定位在条带的前侧，并且将在前侧吸引条带，以减小前侧的喷嘴至条带距离；

-磁体M5被定位在条带的后侧，并且将强烈地吸引条带，以增大前侧的喷嘴至条带距离。

应注意，在该示例中，磁体在条带的前侧或后侧的位置是完全任意的，并且磁体的不同于该示例中的任何其他位置也落入本发明的范围内。

优选地，在每个测量点处，存在对应于两侧的相反安装的磁体，但是仅一个磁体是活动的。

在五个磁致动器的适当作用之后，喷嘴至条带距离被优化，并且沿条带的宽度理想地是恒定的(见图10中的水平虚线)。

电磁体的力(以及因此发送到电磁体的电流强度)基于条带的实际测得位置。这意味着光学检测系统必须首先测量真实的喷嘴至条带距离，以逐步校正距离轮廓。

可能发生的是，条带上的优化动作可能无法在过程结束时产生整体或完美的平坦度。仅当锅辊的几何形状是完美的并且当操作者设定正确的擦拭参数时，才应获得通过本发明系统获得的最佳结果。这解释了为什么在可能将磁体用于进一步校正之前，在步骤1和步骤2期间分别对偏斜度和辊位置进行校正优化是优先事项。

附图标记清单

1 液态金属锅

2 移动条带

3 沉没辊

4 (多个)偏转辊

5 第一擦拭喷嘴杆

6 第二擦拭喷嘴杆

7 还原退火炉

8 具有激光源和相机(或任何光学传感器/检测器)的光学头

9、10 喷嘴至条带距离(分别从喷嘴杆5或6观看)

11 第一激光反射点(在擦拭喷嘴外壳上)

12 第二激光反射点(在光亮的运行的条带上)

13 对应于第二反射点的虚拟点

14 喷嘴至条带距离测量点

15、16 擦拭喷嘴外壳(进料管)

17 喷嘴至条带距离拟合(四阶回归)

18 一阶回归

19 针对偏斜度校正后的距离曲线

20 二阶回归

21 针对二阶形状缺陷(横向翘曲)校正后的距离曲线

22 电磁致动器

23 通过电磁致动器校正后的最终距离曲线。