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DISPOSITIVO Y PROCEDIMIENTO PARA EL RECUBRIMIENTO POR INMERSIÓN EN BAÑO FUNDIDO DE UNA BARRA DE METAL
CAMPO DE LA INVENCIÓN La invención se refiere a un dispositivo para el recubrimiento por inmersión en baño fundido de una barra de metal, especialmente de una banda de acero, en el que la barra de metal se introduce de forma vertical a través de un recipiente que aloja el metal de recubrimiento fundido y a través de un canal de guiado dispuesto anteriormente, con como mínimo dos inductores dispuestos a ambos lados de la barra de metal en la zona del canal de guiado para generar un campo electromagnético para retener el metal de recubrimiento en el recipiente, y con al menos un sensor para determinar la posición de la barra de metal en la zona del canal de guiado. Además, la invención se refiere a un procedimiento para el recubrimiento por inmersión en baño fundido de una barra de metal .
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las instalaciones clásicas de recubrimiento de metal por inmersión en baño fundido para bandas de metal presentan una parte que requiere mucho mantenimiento, concretamente, el recipiente de recubrimiento con el -2- eguipamiento que allí se encuentra. Las superficies de las bandas de metal a recubrir deben limpiarse de restos de óxido antes del recubrimiento y activarse para la unión con el metal de recubrimiento. Por estos motivos, las superficies de las bandas se tratan antes del recubrimiento en procesos de calentamiento en una atmósfera reductora. Dado que primero deben retirarse las capas de óxido por medios químicos o abrasivos, con el proceso de calentamiento reductor las superficies se activan de tal manera que tras el proceso de calentamiento se presentan metálicamente limpias. Sin embargo, con la activación de la superficie de la banda aumenta la afinidad de estas superficies de la banda al oxígeno del aire circundante. Para evitar que el oxígeno del aire pueda llegar nuevamente a las superficies de la banda antes del proceso de recubrimiento, las bandas se introducen desde arriba en el baño de recubrimiento por inmersión en un morro de tobera de inmersión. Dado que el metal de recubrimiento se presenta en forma líquida y se desearía utilizar la gravitación, junto con los dispositivos de soplado, para ajusfar el espesor del recubrimiento, sin embargo, los procesos siguientes ofrecen un contacto de la barra hasta la solidificación total del metal de recubrimiento, la banda debe invertirse en el -3 - recipiente de recubrimiento en la dirección vertical. Esto tiene lugar con un rodillo que discurre en el metal líquido. Debido al metal de recubrimiento líquido, este rodillo está sometido a un intenso desgaste y es la causa de estados de parada y, por tanto, averías durante el funcionamiento de producción. Debido a que se desean espesores de aplicación reducidos del metal de recubrimiento, los cuales pueden oscilar en el intervalo de los micrómetros, se imponen altos requisitos a la calidad de la superficie de la banda. Esto significa que también las superficies de los rodillos que conducen las bandas deben ser de gran calidad. Las perturbaciones en estas superficies conducen en general a daños en la superficie de la banda. Esto es otro motivo para frecuentes estados de parada de la instalación. Para evitar los problemas relacionados con los rodillos que discurren en el metal de recubrimiento líquido, se han aportado planteamientos para emplear un recipiente de recubrimiento abierto hacia abajo que en su zona inferior presenta un canal de guiado para el paso a través vertical de la banda hacia arriba y emplear un cierre electromagnético para el cierre hermético. En este caso se trata de inductores electromagnéticos que trabajan con campos móviles o campos alternos electromagnéticos que -4- tienen un efecto de repelencia, bombeo o estricción, los cuales cierran herméticamente hacia abajo el recipiente de recubrimiento . Una solución de este tipo se conoce, por ejemplo, a partir del documento EP 0 673 444 Bl . Un cierre electromagnético para cerrar herméticamente el recipiente de recubrimiento hacia abajo también emplea la solución según el documento WO 96/03533 o la solución según el documento JP 5086446. Por tanto, se posibilita el recubrimiento de bandas de metal no ferromagnéticas , aunque en las bandas de acero fundamentalmente ferromagnéticas surgen problemas dado que éstas en los cierres herméticos electromagnéticos, debido al ferromagnetismo, se acercan a las paredes del canal y con ello se daña la superficie de la banda. Además, es problemático que el metal de recubrimiento y la banda de metal se calienten en sí mismos de forma inadmisible por los campos inductivos . La posición de la banda de acero ferromagnética que pasa a través del canal de guiado entre dos inductores de campos móviles es un equilibrio inestable. Sólo en el centro del canal de guiado la suma de las fuerzas magnéticas de atracción que actúan sobre la banda es cero. En cuanto la banda de acero se desvíe fuera de su posición -5- central, se desplaza más cerca de uno de los dos inductores, mientras que se separa del otro inductor. Las causas de una desviación de este tipo pueden ser simples fallos en la disposición plana de la banda. A este respecto cabría mencionar cualquier tipo de ondulación de la banda en el sentido de la marcha, visto a lo ancho de la banda (torceduras en el centro, torceduras por zonas, ondulaciones en los bordes, bamboleo, giro, forma de ballesta, forma de S, etc.) . La inducción magnética que es responsable de la fuerza magnética de atracción reduce la intensidad de su campo magnético con la separación del inductor de acuerdo con una función exponencial. Por tanto, de forma similar, la fuerza de atracción disminuye con una separación creciente del inductor con el cuadrado de la intensidad del campo de inducción. Para la banda desviada esto significa que con la desviación en una dirección la fuerza de atracción hacia un inductor aumenta de forma exponencial, mientras que la fuerza de retorno del otro inductor se reduce de forma exponencial . Los dos efectos se intensifican en si mismos, de modo que el equilibrio es inestable . Los documentos DE 195 35 854 Al y DE 100 14 867 Al aportan indicaciones para solucionar este problema, es decir, para regular de forma precisa la posición de la -6- barra de metal en el canal de guiado. Según los conceptos que allí se dan a conocer, está previsto que además de las bobinas para generar el campo electromagnético móvil estén previstas bobinas adicionales que están conectadas con un sistema de regulación y con ello se ocupan de que la banda de metal, al desviarse de la posición centrada, se lleve nuevamente a ésta. Para regular la posición de la barra de metal en el canal de guiado, la detección precisa de la posición es una condición importante. En los documentos O 01/11101 Al, JP 10298727 y JP 10046310 se dan a conocer sensores para ello sin que allí se especifique su estructura específica y su disposición concreta. Por tanto, la invención se basa en el objetivo de indicar un sensor para un dispositivo de tipo genérico para determinar la posición de la barra de metal en el canal de guiado, el cual se caracterice por una gran precisión de medición, una estructura sencilla y una posibilidad de fabricación rentable . Con ello puede aumentarse la eficacia de la regulación de la barra de metal en el plano central del canal de guiado. La solución de este objetivo mediante la invención se caracteriza porque el sensor para determinar la posición de la barra de metal se compone de dos bobinas que están -7- dispuestas, vistas en el sentido de transporte de la barra de metal, dentro de la extensión en altura de los inductores y entre los inductores y la barra de metal. Adem s, se prevé de forma preferida que las bobinas y los inductores estén dispuestos de forma simétrica en relación con el plano central del canal de guiado. Preferiblemente, las bobinas están configuradas iguales y están configuradas como devanado de alambre sin núcleo. Pueden presentar uno o varios devanados. A este respecto, está previsto de forma ventajosa que el alambre de las bobinas esté hecho de cobre. Además, los devanados de las bobinas pueden presentar una forma redonda, ovalada o rectangular. Según un perfeccionamiento, las bobinas están unidas con un dispositivo de medición para medir la tensión inducida en las bobinas. Además, puede preverse que el dispositivo de medición esté diseñado para la medición de alta impedancia de las tensiones inducidas en las bobinas.
Además, el dispositivo de medición puede presentar un elemento de cálculo de diferencias con el que pueda determinarse la diferencia de las dos tensiones inducidas en las bobinas . Finalmente, puede preverse que estén dispuestos varios pares de bobinas, vistos en el sentido de transporte de la -8- barra de metal, dentro de la extensión en altura de los inductores, entre los inductores y la barra de metal. En el caso del procedimiento según la invención para el recubrimiento por inmersión en baño fundido de la barra de metal, la barra de metal se introduce de forma vertical a través del recipiente que aloja el metal de recubrimiento y a través del canal de guiado dispuesto anteriormente . Para retener el metal de recubrimiento en el recipiente están dispuestos como mínimo dos inductores colocados a ambos lados de la barra de metal en la zona del canal de guiado, de modo que mediante como mínimo un sensor se determina la posición de la barra de metal en la zona del canal de guiado. El procedimiento prevé según la invención que para determinar la posición de la barra de metal estén previstas dos bobinas que, vistas en el sentido de transporte de la barra de metal, están dispuestas dentro de la extensión en altura de los inductores, entre los inductores y la barra de metal, de modo que se miden las tensiones inducidas en las bobinas, se restan una a otra las tensiones medidas y el valor que se obtiene se consulta para deducir un indicador para la posición de la barra de metal . Tras la medición de las dos tensiones de inducción, se restan por tanto los dos valores . En función de la diferencia -9- obtenida, se deduce la magnitud de la desviación de la barra de metal fuera de la posición centrada. El sensor propuesto para determinar la posición de la barra de metal en el canal de guiado se caracteriza por una estructura sencilla y, con ello, económica. Además, con él es posible detectar de forma muy precisa la posición de la barra .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS En el dibujo se muestra un ejemplo de realización de la invención. Muestran: la figura 1, de forma esquemática, el corte a través del dispositivo de recubrimiento por inmersión en baño de fundición con una barra de metal conducida a través de éste, y la figura 2, una vista en perspectiva de un inductor con una bobina de medición dispuesta delante de éste.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN El dispositivo de recubrimiento por inmersión en baño de fundición presenta un recipiente 3 que está lleno de metal 2 de recubrimiento en estado líquido fundido. Éste puede ser, por ejemplo, cinc o aluminio. La barra 1 de metal a recubrir en forma de una banda de acero atraviesa - 10- el recipiente 3 verticalmente hacia arriba en el sentido R del transporte . Llegados a este punto ha de indicarse que básicamente también es posible que la barra 1 de metal atraviesa el recipiente 3 de arriba hacia abajo. Para el paso de la barra 1 de metal a través del recipiente 3, éste está abierto en la zona del fondo; aquí se encuentra un canal 4 de guiado mostrado grande o ancho de forma desproporcionada . Para que el metal 2 de recubrimiento en estado líquido fundido no pueda fluir hacia abajo a través del canal 4 de guiado, a ambos lados de la barra 1 de metal se encuentran dos inductores 5 electromagnéticos que generan un campo magnético que ocasiona fuerzas de empuje ascendente en el metal 2 de recubrimiento líquido que contrarrestan la fuerza de gravedad del metal 2 de recubrimiento y, con ello, cierran herméticamente hacia abajo el canal 4 de guiado . En el caso de los inductores 5, se trata de dos inductores de campo alterno y campo móvil dispuestos enfrentados que se hacen funcionar en la franja de frecuencias de 2 Hz a 10 Hz y forman un campo electromagnético transversal perpendicular a la dirección R de transporte. La franja de frecuencias preferida para los sistemas monofásicos (inductores de campo alterno) se sitúa - 11 - entre 2 kHz y 10 kHz, la franja de frecuencias preferida para los sistemas polifásicos (por ejemplo, los inductores de campo móvil) , entre 2 Hz y 2 kHz. El objetivo es sujetar la barra 1 de metal que se encuentra en el canal 4 de guiado de tal manera que se sitúe en una posición de la forma más definida posible, preferiblemente en el plano 7 central del canal 4 de guiado . La barra 1 de metal que se dispone entre los dos inductores 5, que se sitúan enfrentados, por regla general, al colocar un campo electromagnético entre los inductores 5, es atraída hacia el inductor colocado más cerca, de modo que la atracción crece con la aproximación a un inductor, lo que conduce a una posición central de la banda con un alto grado de inestabilidad. Por tanto, durante el funcionamiento del dispositivo surge el problema de que la barra 1 de metal no puede discurrir libre y centrada a través del canal 4 de guiado, entre los inductores activados, debido a la fuerza de atracción. Por tanto, para estabilizar la barra 1 de metal en el plano 7 central del canal 4 de guiado está previsto un circuito regulador, no mostrado, en el que se actúa sobre la barra 1 de metal, preferiblemente por medio de bobinas electromagnéticas adicionales, tampoco mostradas. Mediante - 12- la superposición de los campos magnéticos de los inductores
5 y de las bobinas adicionales (no mostradas) se garantiza que la barra 1 de metal mantenga una posición definida, preferiblemente centrada. A este respecto, mediante las bobinas adicionales puede intensificarse o atenuarse el campo magnético de los inductores 5 en función de la excitación (principio de superposición) . Los dos inductores 5 están dispuestos básicamente de forma reflejada respecto al plano 7 central del canal 4 de guiado y presentan una separación Y entre sí. La extensión H0 en altura de los inductores, considerada en la dirección de transporte de la barra 1 de metal, es igual en los dos inductores 5. Entre los inductores 5 y la barra 1 de metal y, concretamente, entre los inductores 5 y la pared del canal 4 de guiado, están dispuestas dos bobinas 6 y 6' de forma simétrica reflejada respecto al plano 7 central. A partir de la figura 1 se deduce su posición H en altura, asi como su separación ¾. o X2 del inductor 5, en la figura 2 puede observarse en una vista en perspectiva de un inductor 5 con una bobina 6 dispuesta delante de éste que además la bobina
6 está dispuesta en una posición L a lo ancho definida respecto al inductor 5.
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Para una regulación eficaz es fundamental detectar de la forma más precisa posible la posición s de la barra 1 de metal en el canal 4 de guiado, es decir, la desviación del plano 7 central . Aquí, se emplean los sensores de medición de la posición (bobinas) 6 o 6', que están realizadas como devanados de alambre sin núcleo. Éstas están dispuestas delante de los inductores 5 correspondientes en el campo electromagnético y son apropiadas para medir una tensión UIndl y Umd2 inducida en las bobinas 6, 6' , la cual es proporcional a la intensidad de campo generada en los inductores 5. La medición de la tensión inducida en las bobinas 6, 6' se realiza sin corriente (de alta impedancia) para no ejercer influencia sobre el campo de los inductores 5 (y, dado el caso, de las bobinas adicionales) . Las bobinas 6, 6' son del tipo que presenta uno o varios devanados de un alambre de metal conductor (por ejemplo, alambre de cobre) . Durante la fabricación de las bobinas 6, 6' se enrolla el material del alambre de forma redonda, ovalada o rectangular o de cualquier forma similar alrededor de un punto central . Tal como puede deducirse de la figura 1, en cada caso están dispuestas dos bobinas 6, 6', sólo se muestra un par, dirigidas entre sí en el campo electromagnético de los - 14- inductores 5 de tal manera que forman una pareja en la que se disponen geométricamente enfrentadas. Además, las bobinas 6, 6' de un par correspondiente están dispuestas en cada caso entre el inductor 5 y la banda 1 de acero; en relación con el plano 7 central del canal 4 de guiado, éstas están dispuestas como si estuvieran reflejadas, es decir, la posición H en altura de la bobina 6, 6', la posición L en anchura de las bobinas 6, 6' (véase la figura 2) , así como la separación ? o X2 de las bobinas 6, 6' respecto al inductor 5 son iguales. Ha de indicarse que la igualdad de las separaciones ? y X2 no es una condición necesaria . Si la barra 1 de metal se encuentra entre los inductores 5 y, por tanto, entre las bobinas 6, 6' en el campo electromagnético dado, la tensión medida inducida en las bobinas 6, 6' varía en función de la posición s de la barra 1 de metal. Esto ha de atribuirse a la realimentación de la barra 1 de metal en el campo magnético. Por tanto, el concepto propuesto se sitúa en la combinación formada por la disposición de los inductores y la posición de las bobinas de medición dentro del campo magnético, de modo que se utiliza el efecto de la interacción de la barra 1 de metal con el campo magnético del cierre electromagnético.
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El efecto utilizado se aclara a partir de las siguientes reflexiones físicas.- En las bobinas 6, 6' se induce la siguiente tensión de forma correspondiente al principio conocido de la inducción electromagnética : Umd = - n dPhi/dt donde Uind: tensión inducida en la bobina, n: número de devanados de la bobina, dPhi = B dA: intensidad del flujo magnético, donde ?: superficie de la bobina perpendicular al campo magnético, B : intensidad del campo magnético. Por tanto, la tensión Uind inducida en la bobina 6, 6' es proporcional a la intensidad del campo en el lugar de la bobina. Mediante la diferencia de las tensiones inducidas, Umdi/ en Ia bobina 6 y UInd2, en la bobina 6' , sin la barra 1 de metal dispuesta entre las bobinas 6, 6', se produce en el campo magnético de los inductores 5, entre las bobinas, una señal diferencial que se corresponde con la posición de las bobinas 6, 6', es decir, una diferencia UInd de tensión. En condiciones ideales e iguales separaciones Xa y X2, la diferencia UInd de tensión entre las bobinas 6 y 6' es cero.
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Si ahora se coloca la barra 1 de metal entre las bobinas 6, 6' en el campo electromagnético activo, con una posición fija de las bobinas 6, 6' varía esta señal UInd diferencial de las bobinas 6, 6' . Si la barra 1 de metal adquiere ahora diferentes posiciones s entre los inductores 5 y las bobinas 6, 6' colocadas anteriormente, se producen diferentes señales diferenciales de las bobinas 6, 6' en función de la posición s. La posición s de la barra 1 de metal se obtiene a partir de la diferencia de las bobinas 6, 6' estacionarias y su disposición según los parámetros de la posición H en altura de las bobinas 6, 6', la posición B en anchura de las bobinas 6, 6' y la separación i y X2 de las bobinas 6, 6' respecto al inductor 5. Por tanto, en las bobinas 6, 6' se induce una tensión
Uindi Umd2 según la relación: Uindi = - ¾ dPhi/dt fx o Uind2 = - n2 dPhi/dt f2 donde Umdi : tensión inducida en la bobina 6, Umd2 : tensión inducida en la bobina 6', ¾ : número de devanados de la bobina 6 , n2 : número de devanados de la bobina 6 ' , -17- fi: factor para la bobina 6 como función de la posición de la barra de metal y de la intensidad del campo magnético, f2 : factor para la bobina 6' como función de la posición de la barra de metal y de la intensidad del campo magnético. La tensión inducida en las bobinas 6, 6' se mide en una parte del dispositivo 8 de medición. Detrás de la parte del dispositivo 8 de medición en la que tiene lugar esta medición se coloca un elemento 9 para calcular la diferencia en el que se determina la diferencia Uind de tensión, es decir, la diferencia entre la tensión Umeii inducida en la bobina 6 y la tensión Umd2 inducida en la bobina 6' . Detrás del elemento 9 para calcular la diferencia se dispone en el dispositivo 8 de medición una unidad en la que, partiendo de la diferencia UInd de tensión, puede calcularse la posición s de la barra 1 de metal respecto al plano 7 central del canal 4 de guiado. El desarrollo de funcionamiento depositado aquí para la posición s de la barra de metal depende de la diferencia Uind de tensión. Mediante la realimentación de la barra 1 de metal dispuesta entre las bobinas 6, 6' y la modificación de las tensiones individuales inducidas en las bobinas dependiente, por tanto, de la posición de la banda y del campo magnético, se obtiene con ello la posición s de la barra 1 de metal de acuerdo con la diferencia Uin(j de tensión medida según una función depositada en el dispositivo 8 de medición. Con ello, es posible de forma sencilla y exacta determinar la posición s de la barra 1 de metal y utilizarla en la regulación de la posición de la banda de acero.
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Lista de números de referencia 1 barra de metal (banda de acero) 2 metal de recubrimiento 3 recipiente 4 canal de guiado 5 inductor 6 sensor (bobina) 6' sensor ( bobina) 7 plano medio del canal de guiado 8 dispositivo de medición 9 elemento para calcular la diferencia s posición de la barra de metal R sentido del transporte H0 extensión en altura del inductor Y separación de los inductores H posición en altura de la bobina L posición en anchura de la bobina x separación de la bobina 6 respecto al inductor X2 separación de la bobina 6' respecto al inductor Umdi tensión inducida en la bobina 6 Uind2 tensión inducida en la bobina 6' Uma diferencia de tensión