CN102216491A - 用于测量适于镀覆钢带的金属液体的化学组成的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量适于镀覆钢带的金属液体的化学组成的方法和装置。本发明描述了一种用于测量适于镀覆钢带的金属液体（1）的化学组成的方法，其中，金属液体以连续的方式在第一空腔（2）中形成，其组成的测量在所述液体的直接测量表面（6）上进行，其中到达测量表面的金属液体试样经历一种温度（7），该温度被选择为使所述测量表面与主要基于铁的杂质隔离。同样说明了适于实施本发明的所述方法的装置的多个实施例。
Description
技术领域
本发明涉及如权利要求1和2的前序所述的用于测量适于镀覆钢带的金属液体的化学组成的方法和装置。
本发明的主要范围涉及钢带的热浸金属镀覆浴，尤其是涉及所述镀覆浴的化学分析。
背景技术
金属镀覆层指的是用于改善钢带的防腐蚀性的所有类型金属合金。特别地但非限制性地，指的是主要由锌和铝构成的镀锌合金。
尤其对于借助于例如具有合适成分的锭块来调节至少一种合金元素的含量，镀锌浴的化学组成的测量是必要的，其中所述锭块按照合适的顺序引入用于镀覆的金属液体浴中。所述测量使用用于对从浴中提取的试样进行测量的技术，其中所述试样固化为小锭块，然后通过光谱术来分析。所述方法是可靠的，但是具有慢的缺陷，该缺陷不允许通过改变例如所述浴的合金锭块的供给来快速地反应。另一方面，从液体浴中人工提取使操作员暴露于危险的干预条件。
也已经提出基于电化学传感器的类似测量，例如在文档US 5,256,272中所述的测量。然而，所述传感器是脆弱的，并且必须通过与人工提取和分析小锭块的老方法比较的分析来频繁地检验所述传感器的标定。
旨在实时分析的其他测量方法已经围绕激光消融光谱分析方法而提出，其中所述激光消融光谱分析方法在“激光诱导击穿光谱术（英文为Laser Induced Breakdown Spectroscopy）”或“LIBS”的名称下更为人所知。这种方法在于将很细的激光束指向待分析的目标，所述激光束足够强，以使得很短的射击足以产生等离子体，对所述等离子体的辐射进行光谱分析。在申请WO 02/063284中考虑了在液体金属浴中的这种使用，所述申请提出在流动于或被带到测量单元中的液体试样的表面上对浴进行分析。
然而，尤其是在用锌和铝的合金来对钢带进行镀锌的情况下，所述类型的在液体试样表面上的测量一方面遭受表面氧化的风险，并且另一方面遭受所谓“废渣（matte）”或“渣滓（dross）”的铁、铝和锌的金属间化合物的存在，所述金属间化合物的铝和锌的含量十分不同于所述金属间化合物在其中形成的浴的平均含量。实际上，在与金属液体混合物接触时发生来自于带材表面的铁的溶解。所述溶解的铁一方面参加很薄的Fe2Al5Znx化合物层在带材表面上的形成，并且另一方面只要所述Fe2Al5Znx层没有连续地形成就向着液体金属浴扩散。Fe2Al5Znx层用于支持锌保护层，而扩散在浴中的铁会有助于形成铁、铝和锌的金属间化合物的颗粒，所述颗粒具有数微米至数十微米的尺寸。
所述金属间化合物在镀锌浴中的形成和增长动力学为本领域的技术人员所已知。根据液体锌浴的温度及其铝含量，能够溶解的铁的量在相当大的范围内变化。当扩散铁的含量超过溶解度的极限时，金属间化合物的形核和增大变得可能。在连续镀锌的惯常过程中，镀覆浴总是铁饱和，因此所有从带材上溶解的并在液体混合物中扩散的铁可用于在液体浴内产生金属间化合物的颗粒，所述颗粒的尺寸可以达到数十微米。根据所述颗粒的确定其密度的组成，所述颗粒一方面向着坩埚底部沉淀，或另一方面大部分浮到液体浴的表面，并且因此通常称为底部或表面废渣/渣滓。
所述金属间化合物在试样中、尤其是在其表面上的存在因此能够通过提供不同于所述浴本身的、所测量的不同组分（例如：锌、铝和铁）的浓度而使分析出错。
申请WO 2008/067620提出通过使用用于自动检测表面的系统来解决由浮在液体浴上的所谓“表面渣滓”的金属间化合物颗粒所造成的问题，所述用于自动检测表面的系统允许辨别渣滓在液体浴上的存在，并因此允许保证使LIBS类型的分析器指向没有渣滓的区域或者启动用于除去渣滓的装置的动作以对浴的表面进行清理。然而，对于保证消融激光的射击不指向过于离散而不能被图像处理系统识别为渣滓的渣滓，所述冗繁复杂的表面视频监控技术会显得过于不准确（在渣滓高度覆盖的情况下甚至是不可行的）。
发明内容
因此，本发明的目的在于提出用于测量适于镀覆钢带的金属液体的化学组成的方法和装置，其中，定性地改善了金属液体试样的直接测量。
根据一种用于测量适于镀覆连续移动钢带的金属液体的化学组成的方法，其中所述金属液体以连续的方式在第一空腔中形成，其组成的测量在所述液体的直接测量表面上进行，本发明要求，到达测量表面的金属液体试样经历被选择为使所述测量表面与主要基于铁的杂质隔离的温度。
直接测量表面的术语尤其表示用于分析化学组成的装置（例如：LIBS的激光束）通过直接入射局部预先确定的测量表面而进行其物理测量。考虑到根据本发明当待测量的试样到达所述测量表面时，所述测量表面没有杂质，因此有利地，不再需要借助于复杂而且经常过于不准确的识别装置来寻找看起来没有杂质的测量表面。
换句话说，根据本发明的方法的特征在于，液体合金的试样一般在测量其组成以对其进行分析之前进行重新加热，所述重新加热用于使呈杂质形式存在的基于铁的金属间化合物重新溶解在液体浴中，并因此在直接测量表面、甚至直接测量体积中只保留所期望的组成。因此，进行所述重新加热，直至所述温度，所述温度被选择成保证液体浴的均匀性，以及考虑到合金的组成，保证与杂质相比的足够的铁溶解度。
实际上，在锌和铝的合金的情况下，对于给定的铝含量，铁在液体混合物中的溶解度极限随着温度增大。例如，对于0.20%左右的铝含量，温度从460℃（这种镀锌浴的通常温度）到480℃的变化几乎使铁的溶解度极限翻倍。例如根据本发明所选择的包括在500℃和600℃之间的更高的温度因此保证含量高于在镀锌浴中过饱和条件下所通常遇到的含量的铁溶解度。这允许使（局部到达直接测量表面的试样以外的）基于金属间化合物的杂质完全地重新溶解，所述杂质一旦重新溶解就不再能够干扰由用于旨在所述表面的分析的测量件来进行的分析。
本发明还设置一种装置，其能够使用上述根据本发明的方法。
一般地，基于一种用于测量适于镀覆连续移动钢带的金属液体的化学组成的装置，所述根据本发明的装置包括第一空腔和测量件，该第一空腔包括金属液体，测量件用于在所述液体的直接测量表面上测量金属液体的组成，装置的特征在于，温度调节器布置在测量表面的附近，以为达到所述测量表面的金属液体试样隔离主要基于铁的杂质。
根据本发明的方法和装置因此也由权利要求1和2的内容所描述。
一组从属权利要求同样说明了本发明的优点。
附图说明
在本文档的以下部分描述根据本发明的装置的实施例，所述实施例中的两个借助于附图示例地给出。在这些附图中：
图1为根据本发明的装置的第一实施例的原理示意图；
图2为根据本发明的装置的第二实施例的原理示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的装置的第一实施例的原理示意图。
所述用于测量金属液体1的化学组成的装置适于镀覆连续移动钢带（未示出），并且包括：
-包括所述金属液体的第一空腔2；
-用于在所述液体的直接测量表面6上测量所述金属液体的组成的测量件9；
-温度调节器7，其布置在测量表面6、12的附近，以将到达所述测量表面的金属液体试样5与主要基于铁的杂质隔离。
在该示例中，直接测量表面位于第一空腔的金属液体的流动回路3上，所述回路具有流动入口，所述流动入口理想地布置在空腔2的某一高度上以使得大部分的杂质（例如：表面或底部废渣）保持远离所述回路3。
这里，第一空腔可以是镀覆坩埚，而流动回路3因此可以包括布置于所述坩埚外部的环路。
替代地，流动回路3可以包括在第一空腔内部或至少邻接第一空腔的金属液体流动通道，所述通道理想地设置为用于通过感应来加热金属液体浴。因此，用于使待测量试样流动到直接测量表面的基础设施很容易实现，因为只需要将测量空腔5侧向于加热通道地布置以能够在其中引入直接测量光束。根据需要可能地通过添加合适的感应单元以在其中达到为了本发明的目的而局部很好地选择的温度，铁溶解度在加热通道中固有地达到。
第一空腔还可以是至少一个用于熔融金属合金以制备金属液体的坩埚，所述熔融坩埚与例如为（如上所述的）镀覆坩埚的第二空腔连接，而流动回路3与在第一和第二空腔之间的金属液体管道连接。所述多空腔布置一般允许能够更好地隔离大部分的废渣/渣滓，以及更好地调节各种浴（熔融/镀覆浴）的温度。
因此，在图1的示例中，镀覆液体金属1可以包含在用于镀覆钢带或用于熔融构成所述金属液体1的组成所必需的锭块的坩埚2中。
液体金属流动回路3可以保证在锭块熔融坩埚和分开的带材镀覆坩埚之间传输液体金属或者保证通过在所述坩埚2之一中提取和环路地返回而形成流动。所述流动可以是通过重力进行的或者是借助于至少一个布置在流动回路3上游的泵来强制进行的。
测量空腔5关联在流动回路3的侧面上，并接收其量由（没有杂质的）所述直接测量表面6所限制的液体金属，其中所述直接测量表面位于高度H上，所述高度在通过重力实现的流动回路的情况下对应于初始空腔2的液体浴的自由表面，或者在强制流动的情况下对应于泵送装置的提升能力。
用于在单相或多相交流电流下通过感应来加热的装置7保证空腔5的加热，以能够调节在其中流动的金属液体试样的温度并且因此根据本发明使试样没有不希望的杂质。
套管8保证在测量空腔5和分析件9（例如：LIBS）之间的密封连接。所述套管在测量件9侧包括窗10，所述窗对于来自于分析件的消融激光束11a是可透过的，并且对于由所述光束在金属液体的直接测量表面6上所产生的等离子体12的辐射11b是可透过的。套管8设有孔口81、82，所述孔口保证通过中性气体（例如：氮气）在液体金属表面6和窗10之间进行吹扫（balayage）13。这允许避免金属液体表面上的氧化，从而实现对其组成的更好测量。
在空腔2的壁上的流动回路3的提取孔口位于所述空腔内的挡板14的下游，所述挡板能够拦住浮在浴1的表面上的金属间化合物颗粒15。
图2示出了根据本发明的装置的第二实施例的原理示意图。与图1不同地，流动回路3包括呈竖直上升的管8、31a的形式的旁路，所述管的高度至少比在第一空腔（未示出，但可以与图1的第一空腔相同）中的液体液位更高，并且直接测量表面6由在所述管中的液体液位所限定。竖直上升的管31a与竖直下降的管31b连接，所述竖直下降的管则沿着流动回路3的流动方向返回到所述回路中。所述管31a、31b中的每个都包括例如为电磁阀的阀311、312，以暂时地阻隔在测量空腔5中的旁路中的液体。更具体地，所述阀311、312中的至少一个进行限定的阻隔延时以保证足够时间长度的加热、并因此保证足够将杂质隔离在测量表面以外，在这之后进行测量阶段，测量质量因此得到改善。其他优点也与该方面相关，即：能够在所述延时下允许待测量的液体混合物更好地混合，尤其是如果加热装置包括电磁感应元件的话；最后，根据表面组成测量件的要求，为了使待测量试样静止，以在机械稳定的条件下、甚至在光学稳定的条件下（如果测量件要求光学调整的话）进行测量。为了金属液体返回到流动回路3中，竖直下降的管31b包括在测量空腔5的壁上溢流而实现的液体入口。所述溢流还简单地固定了直接测量表面的高度水平，以有利地避免对所述表面的任何光学校正。
如在图1中所示，根据图2的温度调节器7布置在测量表面下面的、理想地在感应加热装置下面的至少一部分上，其中所述感应加热装置例如为只产生液体的适度混合的单相交流电系统，或产生液体的显著混合的多相交流电系统。同样地，即使未示出，在第一空腔中，通过流动回路3来抽吸金属液体之前是挡板装置，所述挡板装置适于阻止至少浮在从第一空腔中提取的液体浴表面上的化合物。同样地，惰性气体的流动回路应用在金属液体的直接测量表面上，以保护直接测量表面免受氧化反应，并且它的气体流动流量保证在包括直接测量表面6的测量空腔5和位于所述表面对面的测量件9之间进行密封吹扫。以与图1中相同的方式，由对于激光消融光束可透过并对于等离子体辐射可透过的材料制成的窗10可以布置在测量件和直接测量表面6之间，以构成密封测量空腔5。
在根据本发明的装置的所有实施例中：
-测量件是通过在直接测量表面6上的激光消融来进行光谱分析的装置，但可以是现有技术中的另一种测量系统；
-直接测量表面6理想地位于由不与金属液体反应的材料（例如：奥氏体不锈钢、陶瓷或镀覆有陶瓷的金属）制成的测量空腔5中。
还要注意的是，根据图1或图2的流动回流3可以包括至少在其入口处提取金属液体的泵。所述泵可以是电磁、机械（例如离心类型的）或气动（借助于例如启动文丘里效应泵）类型的。所述泵因此保证了流动。如果所述泵是电磁的，则所述泵至少部分地参加液体的感应加热，以提高铁溶解度的阈值并因此如本发明所提供的那样将杂质与杂质流动所在的试样隔离。因此，理想地在电磁泵的情况下或同样地在设有能够物理地分离金属液体和杂质的溢流台阶（palier）的泵的情况下，流动回路3可以包括泵送性质与杂质隔离关联的泵。
最后，并且尤其是对于图3，根据本发明的装置的一个变型可以设置成流动回路3包括至少一个入口，例如能够穿过液体金属表面浸入空腔的提取分支或管。换句话说，完整的组成测量装置变得可以移动，并且因此可以置于空腔中，构成例如管31a的提取分支和例如管31b的回流分支。
Claims (20)
1. 一种用于测量适于镀覆钢带的金属液体（1）的化学组成的方法，其中，金属液体以连续的方式在第一空腔（2）中形成，其组成的测量在所述液体的直接测量表面（6）上进行，
所述方法的特征在于，到达测量表面的金属液体试样经历被选择为使所述测量表面与主要基于铁的杂质隔离的温度（7）。
2. 一种用于测量适于镀覆钢带的金属液体（1）的化学组成的装置，包括：
-第一空腔（2），其包括金属液体；
-用于在所述液体的直接测量表面（6）上测量金属液体的组成的测量件（9），
所述装置的特征在于，温度调节器（7）布置在测量表面的附近，以将到达所述测量表面的金属液体试样与主要基于铁的杂质隔离。
3. 如权利要求2所述的装置，其中，直接测量表面位于第一空腔的金属液体的流动回路（3）上，所述回路具有流动入口，所述流动入口理想地布置在空腔的某一高度上以使得大部分的杂质例如表面或底部废渣保持远离所述回路。
4. 如权利要求3所述的装置，其中，第一空腔是镀覆坩埚，而流动回路（3）包括布置于所述坩埚外部的环路。
5. 如权利要求2或3所述的装置，其中，流动回路（3）包括在第一空腔内或至少邻接第一空腔的金属液体流动通道，所述通道理想地设置为用于通过感应来加热金属液体浴。
6. 如权利要求3所述的装置，其中，第一空腔是至少一个用于熔融金属合金以制备金属液体的坩埚，所述熔融坩埚与例如为镀覆坩埚的第二空腔连接，而流动回路（3）与在第一和第二空腔之间的金属液体管道连接。
7. 如权利要求4、5或6所述的装置，其中，流动回路（3）包括呈竖直上升的管（8、31a）的形式的旁路，所述管的高度（H）至少比在第一空腔中的液体液位更高，并且直接测量表面由在所述管中的液体液位所限定。
8. 如权利要求7所述的装置，其中，竖直上升的管（31a）与通向流动回路（3）的竖直下降的管（31b）连接。
9. 如权利要求8所述的装置，其中，管（31a、31b）中的每个都包括阀（311、312），以暂时地阻隔在旁路中的液体。
10. 如权利要求9所述的装置，其中，所述阀（311、312）中的至少一个进行限定的阻隔延时，以保证足够将杂质隔离在测量表面以外，并在这之后进行测量阶段。
11. 如权利要求8至10中任一项所述的装置，其中，竖直下降的管（31b）包括通过溢流实现的液体入口。
12. 如权利要求8至10中任一项所述的装置，其中，温度调节器布置于在测量表面下面、理想地在感应加热装置下面的至少一部分上，其中所述感应加热装置例如为只产生液体的适度混合的单相交流电系统，或产生液体的显著混合的多相交流电系统。
13. 如上述权利要求中任一项所述的装置，其中，在第一空腔中，通过流动回路（3）来抽吸金属液体之前有挡板装置，所述挡板装置适于阻止至少浮在从第一空腔中提取的液体浴表面上的化合物。
14. 如上述权利要求中任一项所述的装置，其中，惰性气体（13）的流动回路应用在金属液体的直接测量表面（6）上，以保护直接测量表面免受氧化反应，并且它的气体流动流量保证在包括直接测量表面（6）的测量空腔（5）和测量件（9）之间进行密封吹扫。
15. 如上述权利要求中任一项所述的装置，其中，由对于激光消融光束（11a）可透过并对于等离子体辐射（11b）可透过的材料制成的窗（10）布置在测量件（9）和直接测量表面（6）之间，以构成密封的测量空腔（5）。
16. 如上述权利要求中任一项所述的装置，其中，测量件（9）是通过在直接测量表面（6）上的激光消融来进行光谱分析的装置。
17. 如上述权利要求中任一项所述的装置，其中，直接测量表面（6）位于由不与金属液体反应的材料，例如奥氏体不锈钢、陶瓷或镀覆有陶瓷的金属，制成的测量空腔（5）中。
18. 如权利要求3至17中任一项所述的装置，其中，流动回流（3）包括至少在其入口处提取的泵，所述泵是电磁类型的、机械类型的，例如离心类型，或气动类型的，借助于例如文丘里效应泵的启动。
19. 如权利要求18所述的装置，其中，理想地在电磁泵的情况下或在设有溢流台阶的泵的情况下，流动回路（3）包括泵送性质与杂质隔离关联的泵。
20. 如权利要求3至17中任一项所述的装置，其中，流动回路（3）包括至少一个适于穿过液体金属表面浸入的提取入口。
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