CN103184490A - 结晶器铜板仿形电镀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结晶器铜板仿形电镀的方法，浸入镀液的铜板采用伺服控制系统实施升降，铜板划分为n段实施电镀作业，伺服控制系统按

驱动铜板位移，电镀电流按

设定，电镀电量按

控制，电镀过程中，实际电镀电流小于设定电镀电流时，伺服控制系统停止驱动铜板提升，直至实际电镀电流等于或大于设定电镀电流；铜板在第一段电镀时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为无级恒速，铜板在其他各段电镀时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为分段无级恒速；当铜板移动速度为零时，该段铜板移动到静止位置，得到该段的镀层平面。本方法可得到铜板的仿形涂层，提高铜板电镀效率，节约电镀材料，降低电镀能耗，利于铜板后续工序实施。

Description

结晶器铜板仿形电镀的方法

技术领域

本发明涉及一种结晶器铜板仿形电镀的方法。

背景技术

结晶器是连铸的核心部件，结晶器铜板作为连铸从液态钢水到凝固成固态坯壳的重要导热部件，其质量好坏直接影响到铸坯的表面质量、连铸机拉速等指标。熔融的钢水流经结晶器铜板，在外界冷却水的作用下结晶成坯，并被引锭杆从结晶器中拉出。上述过程中结晶器铜板磨损严重，更换频繁，因此结晶器铜板表面电镀作业是结晶器检修的重要工序。

对于结晶器铜板而言，其表面镀层是不均厚的，一般在宽度方向上，距上口约300~400mm的宽度范围内镀层厚度较薄，不超过1mm；剩余的铜板下部镀层较厚，且多为厚度逐渐增加的梯形镀层。传统的结晶器铜板电镀作业是将铜板全部浸入镀液或者将铜板分为两部分实施电镀，当铜板上部达到镀层厚度要求后，采用人工方式将镀槽的降液面阀门打开，使得液面降到排液阀的高度，露出液面的铜板上部不再被电镀，下部继续电镀，直到达到最厚镀层尺寸要求。上述二种电镀方法不能做到按照铜板镀层的外形轮廓进行仿形电镀，造成铜板多余镀层的产生及电镀材料、电能的浪费，降低了铜板的电镀效率，且多余厚度镀层将在后续加工中处理，提高了后续工序的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结晶器铜板仿形电镀的方法，利用本方法克服了传统铜板电镀的缺陷，得到铜板的仿形涂层，提高了铜板电镀效率，有效节约了电镀材料，降低了电镀能耗，且有利于铜板后续工序的实施。

为解决上述技术问题，本发明结晶器铜板仿形电镀的方法包括如下步骤：

步骤一、将结晶器铜板浸入镀液中，铜板两端采用伺服控制系统实施升降，并控制铜板两端位移相对误差≤1mm；

步骤二、将结晶器铜板划分为n段实施电镀作业，n=1~5，伺服控制系统按下式驱动铜板位移，

  

式中：△hn为铜板实时发生的位移，fn为铜板实时移动的速率，tn为铜板在n段已进行的实时电镀时间；

步骤三、结晶器铜板在n段时实时电镀电流按下式设定，

式中：In为实时电镀电流，Lc为铜板有效电镀水平长度，Lk为铜板浸没在镀液中的高度，Is为铜板电镀工艺要求的电流密度；

步骤四、结晶器铜板电镀过程中，其电镀电量每分钟递加一次，并折算至安培·小时参与过程控制，其控制方程为，

式中：Q _t 为铜板电镀在t时刻的累计电镀电量，Q_t-1为铜板电镀在t-1时刻的累计电镀电量，In为铜板电镀的实时电镀电流； 

步骤五、结晶器铜板电镀过程中，以铜板每提升1mm细分，将铜板实际电镀电流与设定电镀电流比较，实际电镀电流小于设定电镀电流时，伺服控制系统停止驱动铜板提升，直至实际电镀电流等于或大于设定电镀电流；

步骤六、当n=1，fn≠0时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为无级恒速，以恒定的速度驱动铜板连续移动，

当n>1，fn≠0时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为分段无级恒速，在一段内以一个速度驱动铜板连续移动，在另一段内以另一个速度驱动铜板连续移动；

当fn=0时，本段铜板移动为伺服控制系统以该段铜板移动速度到铜板指定位置后静止，铜板电镀得到该段的镀层平面。

进一步，伺服控制系统采用两轴半闭环交流伺服控制系统，通过电机编码器反馈铜板位置信号，结晶器铜板两端设置两轴定位单元，交流伺服控制系统对两轴定位单元进行读写操作，交流伺服控制系统伺服放大器的输入脉冲由该两轴定位单元决定。

进一步，交流伺服控制系统采用联动插补算法驱动结晶器铜板位移，在铜板每一段内，根据伺服电机旋转一圈对应的铜板位移和编码器的分辩率确定铜板位移脉冲当量δ，δ=0.01/脉冲，由铜板电镀累计电量计算出拟合在x轴、y轴的相对位移量所对应的脉冲数，并由铜板电镀时间和升降高度求出x轴、y轴脉冲输出频率f_x、f_y，交流伺服控制系统按照x轴和y轴的脉冲数、脉冲输出频率f_x和f_y及x轴和y轴的相对位移量驱动结晶器铜板移动，并确保铜板两端同步移动，即铜板在x轴、y轴同时运动与停止。    

由于本发明结晶器铜板仿形电镀的方法采用了上述技术方案，即浸入镀液的铜板采用伺服控制系统实施升降，铜板划分为n段实施电镀作业，伺服控制系统按

驱动铜板位移，电镀电流按

设定，电镀电量按控制，电镀过程中，以铜板每提升1mm细分，将实际电镀电流与设定电镀电流比较，实际电镀电流小于设定电镀电流时，伺服控制系统停止驱动铜板提升，直至实际电镀电流等于或大于设定电镀电流；铜板在第一段电镀时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为无级恒速，以恒定的速度驱动铜板连续移动，铜板在其他各段电镀时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为分段无级恒速，在一段内以一个速度驱动铜板连续移动，在另一段内以另一个速度驱动铜板连续移动；当铜板移动速度为零时，该段铜板移动为伺服控制系统以该段铜板移动速度到铜板指定位置后静止，铜板电镀得到该段的镀层平面。本方法克服了传统铜板电镀的缺陷，得到铜板的仿形涂层，提高了铜板电镀效率，有效节约了电镀材料，降低了电镀能耗，且有利于铜板后续工序的实施。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本方法结晶器铜板升降驱动的控制框图；

图2为本方法中结晶器铜板驱动的联动插补算法程序框图。

具体实施方式

本发明结晶器铜板仿形电镀的方法包括如下步骤：

步骤一、将结晶器铜板浸入镀液中，铜板两端采用伺服控制系统实施升降，并控制铜板两端位移相对误差≤1mm；如图1所示，伺服控制系统包括伺服驱动器3、伺服电机4、可编程控制器1、两轴定位单元2、触摸屏等，并由机械传动构成铜板的升降装置5，伺服电机4的编码器采用131072脉冲/转，保证了升降装置5定位的精确度，在升降装置5运行的过程中可编程控制器1通过指令读取两轴定位单元2信息，得到伺服电机4的当前位置，并存储到数据库中，即使断电升降装置5位置状态也不会丢失，电镀时铜板的当前高度由两轴定位单元2根据发出脉冲数来确定；

步骤二、将结晶器铜板划分为n段实施电镀作业，n=1~5，伺服控制系统按下式驱动铜板位移，

  

式中：△hn为铜板实时发生的位移，fn为铜板实时移动的速率，tn为铜板在n段已进行的实时电镀时间；其中fn为伺服控制系统脉冲输出频率f_x、f_y通过电子齿轮的换算值；

步骤三、结晶器铜板在n段时实时电镀电流按下式设定，

式中：In为实时电镀电流，Lc为铜板有效电镀水平长度，Lk为铜板浸没在镀液中的高度，Is为铜板电镀工艺要求的电流密度；

步骤四、结晶器铜板电镀过程中，其电镀电量每分钟递加一次，并折算至安培·小时参与过程控制，其电镀电量按下式控制，

式中：Q _t 为铜板电镀在t时刻的累计电镀电量，Q_t-1为铜板电镀在t-1时刻的累计电镀电量，In为铜板电镀的实时电镀电流；

由于在电镀过程中有空气搅拌的存在，造成镀液在铜板表面的翻腾波动，使得直流回路阻值也在不定的变化，即使控制系统采用先进的恒流调节，在给定500A电镀电流时也会有10~20A的波动，为确保铜板电镀表面的均匀，避免无效镀层和电能浪费，电镀电量的计算不是按常规的电流与运行的时间来得到，因为随着铜板的提升，空气搅拌对电镀电流有一定的影响，因此采用上式的电量叠加原理设定当前时刻的电镀电量；

步骤五、结晶器铜板电镀过程中，以铜板每提升1mm细分，将铜板实际电镀电流与设定电镀电流比较，实际电镀电流小于设定电镀电流时，伺服控制系统停止驱动铜板提升，直至实际电镀电流等于或大于设定电镀电流；

步骤六、当n=1，fn≠0时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为无级恒速，以恒定的速度驱动铜板连续移动，

当n>1，fn≠0时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为分段无级恒速，在一段内以一个速度驱动铜板连续移动，在另一段内以另一个速度驱动铜板连续移动；

当fn=0时，本段铜板移动为伺服控制系统以该段铜板移动速度到铜板指定位置后静止，铜板电镀得到该段的镀层平面。

进一步，伺服控制系统采用两轴半闭环交流伺服控制系统，通过电机编码器反馈铜板位置信号，结晶器铜板两端设置两轴定位单元，交流伺服控制系统对两轴定位单元进行读写操作，交流伺服控制系统伺服放大器的输入脉冲由该两轴定位单元决定。

进一步，如图2所示，交流伺服控制系统采用联动插补算法驱动结晶器铜板位移，在铜板每N段内，根据伺服电机旋转一圈对应的铜板位移和编码器的分辩率确定铜板位移脉冲当量δ，δ=0.01/脉冲，由铜板电镀累计电量计算出拟合在x轴、y轴的相对位移量所对应的脉冲数，并由铜板电镀时间和升降高度求出x轴、y轴脉冲输出频率f_x、f_y，交流伺服控制系统按照x轴和y轴的脉冲数、脉冲输出频率f_x和f_y及x轴和y轴的相对位移量驱动结晶器铜板移动，并确保铜板两端同步移动，即铜板在x轴、y轴同时运动与停止。

本方法的仿形电镀就是按照最终产品镀层的尺寸轮廓进行电镀，最大化的减少了超出镀层尺寸轮廓之外无效镀层的浪费，电镀后得到理想的镀层形式应当是包含合理加工余量，并与最终产品仿形的镀层。在结晶器铜板进行满液位电镀作业和中液位电镀作业后，即铜板上部镀层和下部镀层电镀完成，而下部梯形镀层尚未电镀时，即可根据本方法实施仿形电镀作业，即电镀铜板由电镀槽二侧的升降装置提升，使铜板浸入镀液中的深度产生工艺变化。整个上升过程可分成数个工作段并实现无级控制方式，操作人员通过设定每个阶段的液位高度、该液位高度下的电镀时间以及电流密度，从而保证铜板下部各段镀层表面的平整性，最终得到在铜板宽度方向上有多段厚度不同镀层的铜板产品。

结晶器铜板在仿形电镀过程中，根据需要可设定1-5段无级恒速移动，从而形成各自的镀层轮廓，在各段的提升过程中为确保镀层的轮廓尺寸与设定值相一致，除了要求提升速度为恒速和同步以外，还必须兼顾电流密度与面积的乘积为恒定值，这是本方法的核心所在，因为在电镀过程中由于空气搅拌的存在造成电流的极不稳定，除了电流调节采用恒流方式以外，在每个步长范围内实时与设定值比较，及时进行补偿。同时随着铜板的提升，浸入镀液的有效导电面积也减少，给定电流随之下降。故电流调节为多输入单输出的复杂系统，当正常电流密度电镀时间完毕后，打开降液面电磁阀，控制系统自动进行降铜板的过程，并进入弱电镀阶段，运行规定时间后以声光方式提醒操作人员电镀过程结束。

本方法可通过电镀控制系统实现，电镀控制系统的控制对象主要为电镀电流与电压的给定、铜板升降装置的位置控制、电磁阀的开闭控制、电镀数学模型的建立与运算、以及运行状态的控制与指示。电镀控制系统经电镀工艺参数的输入实时进行电镀执行机构的操作与监控，历史报警的查询等功能。其中电镀工艺参数的输入还设有权限要求，要求输入时先进行密码验证，以防无权限的错误操作。

电镀控制系统的人机界面具有操作灵活方便和显示信息量大的优点，监控界面的设计形象地反映了电镀生产的整个系统运行过程，并且可以通过对变量的正确调用，使主要电镀的运行状态按操作人员的需要在系统运行时准确、生动地展现出来。通过监控界面的操作切换按钮，操作人员可以方便地进入相应的操作，进而获取电镀控制系统的详细信息，通过人机界面设定的按钮，输入铜板各段的电镀电流、时间及高度等工艺参数，并可存储多种产品参数，根据生产需要控制系统可自动调用或选用各种工艺参数，并且监控系统运行过程中的各个运行参数，以方便操作者对系统运行有直观的了解。实现电镀作业过程信息的采集和管理功能，上位机与下位机之间通过数据总线交换，对于来自电镀生产过程中的各类信息，通过人机界面屏幕上显示，监视各类设备的运行情况，并实现在线工艺参数的修改。同时在电镀生产过程中，由于设备运行和操作等方面的原因，会引起一些异常的情况，控制系统本身也会出现功能上的错误。这就需要及时地给操作人员提供电镀过程系统运行的诊断信息，这类信息通过系统所具备的专家诊断系统，向操作人员或者检修人员在状态屏幕上显示，具体为故障发生的地点、原因以及维修应采取的方法，以便能以最快的速度排除故障，提高生产效率。同时系统还能对故障信息进行分类，对于一般的故障仍能维持电镀运行，系统故障仅在人机界面屏幕上显示，等到停机时立即检修排除，对于一些致命的故障则必须停止电镀的运行，一方面在状态屏幕上显示出故障发生的地点、原因以及维修方法，另一方面在控制室上的故障警灯发出闪烁信号，并且控制系统封锁所有的输出，避免故障事故扩大。

采用本方法对结晶器铜板实施仿形电镀后，电镀过程同比节约电镀材料钴和镍超过1/5，每块铜板可节约Co-Ni及电耗超过5千元人民币，按8块/月计算，则一年可节约48万元，而且经过实际使用铜板质量完全达到要求。同时由于整个电镀作业采用全自动化控制，使电镀参数运行实现了最优化，操作人员能够通过触摸屏及时、准确地了解电镀现场的状况，并可以根据运行情况及时做出调整。因此不仅改善了电镀生产系统的稳定性和准确性，而且在很大程度上提高了电镀的生产效率和自动化水平，取得十分可观经济效益。

Claims (3)

1.一种结晶器铜板仿形电镀的方法，其特征在于：本方法包括如下步骤：

步骤一、将结晶器铜板浸入镀液中，铜板两端采用伺服控制系统实施升降，并控制铜板两端位移相对误差≤1mm；

步骤二、将结晶器铜板划分为n段实施电镀作业，n=1~5，伺服控制系统按下式驱动铜板位移，

  

式中：△hn为铜板实时发生的位移，fn为铜板实时移动的速率，tn为铜板在n段已进行的实时电镀时间；

步骤三、结晶器铜板在n段时实时电镀电流按下式设定，

式中：In为实时电镀电流，Lc为铜板有效电镀水平长度，Lk为铜板浸没在镀液中的高度，Is为铜板电镀工艺要求的电流密度；

步骤四、结晶器铜板电镀过程中，其电镀电量每分钟递加一次，并折算至安培·小时参与过程控制，其控制方程为，

式中：Q _t 为铜板电镀在t时刻的累计电镀电量，Q_t-1为铜板电镀在t-1时刻的累计电镀电量，In为铜板电镀的实时电镀电流；

步骤五、结晶器铜板电镀过程中，以铜板每提升1mm细分，将铜板实际电镀电流与设定电镀电流比较，实际电镀电流小于设定电镀电流时，伺服控制系统停止驱动铜板提升，直至实际电镀电流等于或大于设定电镀电流；

步骤六、当n=1，fn≠0时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为无级恒速，以恒定的速度驱动铜板连续移动，

当n>1，fn≠0时，伺服控制系统驱动铜板位移的控制方式为分段无级恒速，在一段内以一个速度驱动铜板连续移动，在另一段内以另一个速度驱动铜板连续移动；

当fn=0时，本段铜板移动为伺服控制系统以该段铜板移动速度到铜板指定位置后静止，铜板电镀得到该段的镀层平面。

2.根据权利要求1所述的结晶器铜板仿形电镀的方法，其特征在于：伺服控制系统采用两轴半闭环交流伺服控制系统，通过电机编码器反馈铜板位置信号，结晶器铜板两端设置两轴定位单元，交流伺服控制系统对两轴定位单元进行读写操作，交流伺服控制系统伺服放大器的输入脉冲由该两轴定位单元决定。

3.根据权利要求2所述的结晶器铜板仿形电镀的方法，其特征在于：交流伺服控制系统采用联动插补算法驱动结晶器铜板位移，在铜板每一段内，根据伺服电机旋转一圈对应的铜板位移和编码器的分辩率确定铜板位移脉冲当量δ，δ=0.01/脉冲，由铜板电镀累计电量计算出拟合在x轴、y轴相对位移量所对应的脉冲数，并由铜板电镀时间和升降高度求出x轴、y轴脉冲输出频率f_x、f_y，交流伺服控制系统按照x轴和y轴的脉冲数、脉冲输出频率f_x和f_y及x轴和y轴的相对位移量驱动结晶器铜板移动，并确保铜板两端同步移动，即铜板在x轴、y轴同时运动与停止。

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