TWI496622B

TWI496622B - 長物體的鍍鋅方法及設備

Info

Publication number: TWI496622B
Application number: TW101114230A
Authority: TW
Inventors: Maximus Akuh; Werner Dieter Langkabel; Guido Plicht; Zbigniew Zurecki
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2015-08-21
Also published as: EP2514849B1; EP2514849A1; US20130224385A1; TW201242676A; CN102758165B; CN102758165A

Description

長物體的鍍鋅方法及設備

在此描述的是一種物體的鍍鋅方法、設備及系統。更明確地說，在此描述的是一種長物體(例如，與寬度或直徑相比具有較長長度的物體)，例如，但不限於，金屬條、線、棒或管，的鍍鋅方法、設備或棒。

鍍鋅是把保護性鋅塗層施於鐵或鋼體上以減輕腐蝕的方法，其有助於延長該物體的可用壽命。腐蝕是材料的物理及化學變質，起因於與其環境的反應，特別是氧。耐腐蝕性可被定義為該材料耐氧化的能力。鍍鋅對於會遭受周遭環境引起變質的問題之物體的耐用期很重要。該鍍鋅方法由塗覆薄保護性鋅層的金屬，例如鐵及鋼，組成。該鋅層提供保護給該金屬以防腐蝕。該鋅保護層防止該含鐵材料與引起氧化的氧接觸。該鋅層早已具有自然存在的氧化鋅膜，該氧化鋅膜保護該鋅層腐蝕以免腐蝕藉以使其具有耐腐蝕性。

物體有幾種鍍鋅的方式，例如，但不限於熱浸鍍鋅、電鍍鍍鋅、機械塗覆、鋅噴霧及鋅粉塗裝。這些方法之任一或多者可依連續方式或依靜態方式操作。舉例來說，熱浸鍍鋅可按連續製程運作，其中該物體呈原料開始並且呈成品結束。或者，幫個別個體靜態熱浸鍍鋅是把其浸在鋅浴中並且接著移走。典型熱浸鍍鋅方法，不管其是否依連續或靜態方式操作，可能涉及下列加工步驟之一或多者：清潔、酸洗、塗助焊劑、鍍鋅、冷卻、潤飾及檢查，同時在整個過程的各個不同時間點沖洗及吹氣。在該清洗步驟中，經常以熱鹼性清潔劑例如鉛浴或熱肥皂水除去表面殘餘物例如油、油脂、塗料等等。接著沖洗該物體以除去清潔殘餘物及/或可在酸洗之前使用氣刀除去額外的水或多餘的殘餘物。在該酸洗步驟中，使用稀釋的氫氯酸或硫酸浴除去表面鐵銹或銹皮並且提供以化學方式清潔的金屬表面。中間水洗及/或氣刀步驟可用以稀釋該酸濃度及/或在該助焊步驟之前除去可能留在該物體上的殘餘物。在該助焊步驟的期間，把該物體浸入一液態助焊劑以在該鍍鋅步驟之前除去氧化物及防止氧化。此步驟中使用的液態助焊劑實例是氯化鋅銨溶液，其有助於鋅黏附於該物體表面的能力。在該鍍鋅步驟的期間，讓該物體浸在或通過處於可能介於，舉例來說，約437.5℃至約455℃的溫度之熔融鋅浴。於此溫度下，該熔融鋅黏附於該物體表面而提供一層，其規格係由該物體與該熔融鋅接觸的時間長度決定。經過該鍍鋅步驟之後，將該物體潤飾並且冷卻。在該潤飾步驟的期間，經常藉由排除、離心分離及/或擦拭該物體除去多餘的鋅。在該潤飾步驟某一段的期間或正好在該潤飾步驟之後，經常利用急冷器單元及/或使用氮的高壓氣刀將該物體冷卻。

接著檢查已鍍鋅的物體以確保其符合下列標準之一或多者：抗張強度、屈服強度、硬度、伸長率、應力/應變、形狀/條件/熱傳導度、電阻、塗覆重量及/或規格、外觀及其組合。關於外觀，可以檢查該物體以查明下列之一或多者(其依據應用有可能不需要)：灰暗色(dull gray color)、銹斑、起泡、粗糙度、超過的厚度、結塊性和垂流、小突起、光禿點及/或白銹(wet storage stain)及塊狀白色沉積物。

除了以上的考慮因素以外，吾人所欲的是該鍍鋅方法，特別是對於長物體例如線或管，另外提供以下所欲目的之一或多者：圓形且均勻的表面塗層、較亮的表面飾層、塗覆厚度或規格的可控制性、較高產生速度或生產量及/或製程中使用的鋅量減少。吾人所欲為該金屬物體，特別是線或管，的表面獲得圓形且均勻的表面塗層。在以熔融鋅鍍鋅的方法中，經常遇到的問題關於棒及線，尤其是對於水平塗覆系統，的塗覆表面之圓度及均勻覆蓋率。均勻塗覆必須所有的點均得到相同的線性質(亦即耐腐蝕性、直徑等等)。吾人所欲為該表面飾層的外觀既明亮又有光澤。最終使用者所欲的是塗覆厚度的控制。關此，有鍍鋅線及棒的不同應用需要不同塗覆厚度。吾人所欲為該鍍鋅方法允許較高生產速度及生產量。最後，此技藝必需在該塗覆步驟期間節省或再利用鋅以降低總體製造成本。

因此，需要能滿足前述目的的一或多者之物體的改良鍍鋅方法及設備，特別是用於幫長物體例如金屬條、線、棒或管鍍鋅。

文中所述的方法、設備及系統依下列方式滿足前述目的之一或多者。文中所述的方法及設備，比起涉及空氣冷卻的先前技藝方法，可提供由於表面於高溫下較少氧化而達成的明亮鋅表面飾層。文中所述的方法及設備提供一撓性擦拭系統以調整所欲的鋅塗覆厚度。文中所述的方法及設備可藉由改善該長物體例如線、棒或管的冷卻而增進生產力而且預熱溫度也能降低同時仍能獲得良好的結果。再者，文中所述的方法及設備可經由該噴嘴從該線或棒滌除多餘的鋅而降低鋅的使用成本，所以必要的話可接著收集並且再利用該多餘的鋅。

有一形態中，提供一種用於加工含熔融塗層的長物體之設備，其包含：一噴嘴，其包含：一噴嘴開口；該長物體所通過的一內側噴嘴艙；與氮源流體連通的一外側噴嘴艙，其中氣態氮於一壓力及一溫度通過該外側噴嘴艙並且排到該噴嘴開口附近並且接觸該長物體；及一概念管，其包含：一多孔性內側概念管艙；一外側概念管艙，其中該外側概念管艙與一或更多用於含氣態和液態氮的氮混合物的輸入裝置流體連通；及用以監測該氮混合物溫度的一溫度感應器，其中該溫度感應器與可程式邏輯控制器電氣通信。

在另一形態中，提供一種用於加工含熔融塗層的長物體之方法，其包含：使該長物體通過建構成將氣態氮引向該物體表面及從該物體移除過量塗覆的一噴嘴；及使該長物體通過建構成迅速冷卻該長物體及使該塗層凝固的一概念管；其中該噴嘴包含一噴嘴開口；該長物體所通過的一內側噴嘴艙；與氮源流體連通的一外側噴嘴艙，其中氣態氮於一壓力及一溫度通過該外側噴嘴艙並且排到該噴嘴開口附近並且接觸該長物體；及其中該概念管包含一多孔性內側概念管艙；一外側概念管艙，其中該外側概念管艙與一或更多用於含氣態和液態氮的氮混合物的輸入裝置流體連通；及用以監測該氮混合物溫度的一溫度感應器，其中該溫度感應器與可程式邏輯控制器電氣通信。

在敘述圖形中舉例說明的本發明之具體實施時，為求清晰將使用特定措辭。然而，本發明不欲受限於如此選定的特定措辭，咸瞭解各自特定措辭包括所有依類似方式操作以完成類似目的的所有工藝等效例。咸瞭解該等圖形並未按比例繪製。以下描述本發明的特定具體實施例。然而，咸應瞭解，本發明並不限於文中詳載的具體實施例。

本方法及設備依以下方式結合同時使用氣態氮(GAN)及低溫液態氮(LIN)以從長物體表面例如線表面除去或拭去多餘的熔融鋅(Zn)。已知在熔融金屬霧化的方法(其涉及與鋅擦拭相同的現象及原理)中該霧化氣體的高溫由於保有該金屬的低黏度及該氣體的高黏度而改善熔融金屬的剪切。咸亦相信使用溫暖或室溫氣體可能優於使用低溫或涼爽溫度氣體。然而，剛擦過的鋼線之鋅表面必須儘快被冷卻(及凝固)以提供預期的生產力及品質改善。文中所述的方法及設備藉由室溫氣體拭去(剪掉)多餘的熔融金屬，例如鋅，及接著在其後的製造步驟中急速凝固該較薄的鋅塗層而滿足這些矛盾的的需求。再者，在某些具體實施例中文中所述的方法及設備不僅可藉由調整該設備的正面(擦拭)開口的開度，還可任意地藉由控制氣體溫度而控制鋅塗覆厚度。

在各個不同的具體實施例中，該方法及設備在該線行經線擦拭設備的霧化段和急冷段的期間透過該線的軸位置之氣體力學為基礎的滯留之應用來滿足線擦拭領域中的另一個挑戰性需求。鍍鋅線易於振動，而且若是該線偶然觸及該設備的內徑表面，最終產物可能無法使用。文中所述的設備應用一或更多下列形態：在該線四周的完美圓柱對稱形氣體開口、在該線四周而能確保該線的軸位置的微孔性管壁及/或任何在該線四周照同心氣體排放模樣的其他氣體開口。排放氣體的動態壓力讓該線懸浮於軸位置並且將可能導致產生不合格的線與設備之間的接觸之風險減至最小。因此，在某些具體實施例中，文中所述的方法及設備可依水平姿勢及依更常用的垂直姿勢運作。依此方式，最終使用者在重新建構其線鍍鋅系統時可感覺到多了些自由而不需進一步關心作用在擦過的線上之重力。

圖1提供可配合文中所述的鍍鋅方法、設備或系統使用的噴嘴100之側視圖。圖2提供可配合文中所述的鍍鋅方法、設備或系統使用的概念管200之側視圖。在此處的一或更多具體實施例中，圖1及2所描繪的噴嘴及概念管如圖3所示般利用噴嘴固定板180固定在一起。然而，在其他具體實施例中，該噴嘴100及概念管200能拆卸。再者，在圖1及2所示的具體實施例中，該設備係於一水平的連續製程中運轉。然而，在其他具體實施例中，該噴嘴100、該概念管200或該噴嘴100及該概念管200二者可於一垂直的連續製程中運轉。讓長物體例如線、棒或管依箭頭所示的方向通過該內側噴嘴艙160及內側概念管艙210。運轉期間，在進入鋅浴(沒顯示)之前預先加熱長物體例如線或棒(也沒顯示)。等該長物體被預先加熱並且於鋅浴中塗覆之後，讓該物體經由一開口110通過該噴嘴100，其中可調整的氣態氮(GAN)刀流過一噴嘴裂縫開口170。當通過該噴嘴100時該GAN刀170從該物體表面滌除多餘量的鋅塗層並且在該物體上留下預期的鋅塗覆厚度或規格。在圖1所示的具體實施例中，該噴嘴100具有圓形截面及依所描繪的側視圖具有在該噴嘴開口110附近的斜邊190，使多餘的鋅塗覆能從該物體或線偏離。GAN經由流入外側噴嘴艙150該噴嘴100並且於該噴嘴100前面通過該噴嘴裂縫開口170分配。

氣態氮(GAN)係於外部來源(圖1中沒顯示)處加壓並且通過一或更多輸入裝置140進入外側噴嘴艙150，在那裡使其壓力均勻化。該GAN接著通過該噴嘴100的裂縫開口170，對該長物體的塗覆表面發出均勻的作用力。該氣態氮的流速及壓力可介於約5至約30 m³ /h。依此方式，加壓的氣態氮形成GAN刀，當該鍍鋅物體通過該噴嘴開口 110時該GAN刀用以從該鍍鋅物體塗層除去多餘的鋅。壓力把該熔融鋅壓在該線/棒上，使其均勻分佈於表面面積上並且滌除該線/棒上的任何多餘的鋅，在該物體表面上留下平坦的圓形塗層。

如先前提及的，該長物體例如線(未顯示)依圖1的箭頭所示的方向穿過該噴嘴開口110通過該噴嘴100。圖1所示的噴嘴100包含以下元件：一內側噴嘴包圍件120，其界定長物體例如線所通過的內側噴嘴艙160；及一外側噴嘴本體包圍件130，其內壁界定讓加壓流體例如氣態氮穿過一或更多輸入裝置140流入外側噴嘴艙150及穿過裂縫開口170流出的外側噴嘴艙150。裂縫開口170具有圖1所示的長度“dx”。該裂縫開口170的長度“dx”可從約0變化至約12 mm，例如約0.01至約12 mm，或必要的話更大，以將該長物體表面上的鋅塗層調整成預期厚度或規格。關此，該鋅塗層預期的厚度可接著藉由選擇該噴嘴100上的裂縫開口170之“dx”值調定。舉例來說，長度dx越小，該物體上的鋅塗層或鋅塗層規格越薄。在文中所述的噴嘴的某些具體實施例中，該裂縫開口的長度“dx”對於較大的裂縫開口“dx”係藉由順時間旋轉該外側噴嘴本體包圍件130而調定及對於較小“dx”的裂縫開口逆時針旋轉。

除了前述優點以外，圖1所示的噴嘴100的另一個優點是其可獲得較高生產量。該鍍鋅方法的瓶頸之一是其將鋅預先加熱至所需溫度所耗費的時間。因為當該熔融塗層通過該噴嘴時有均勻壓力施於該熔融塗層上而能獲得更均勻的鋅塗層，所以該噴嘴能改善冷卻速度。因為獲得更均勻的塗層，所以該最終使用者能降低該預熱溫度及/或縮短該鍍鋅步驟期間在該鋅浴中的留槽時間(dwelling time)。

圖2提供能配合文中所述的方法及系統使用的概念管200之側視圖。概念管200包含一內側概念管艙210，其與一或更多多重液態氮(LIN)及/或氣態氮(GAN)輸入裝置220流體連通；一多孔性內管230；及一外側概念管250，其內部側壁界定一外側概念管艙240。當經塗覆的物體依圖2的箭頭所示的方向通過最內艙或內側概念管艙210時內管230的細孔與外側概念管艙240及內側概念管艙210流體連通之二或更多同心管(例如，多孔性內管230及外側概念管250)的運用提供壓力下降及均勻壓力分佈給最內艙或內側概念管艙210。

在圖2所示的具體實施例中，內側概念管艙210及外側概念管艙240二者均含有由混合管(圖4所示)所提供的LIN及GAN的混合物。利用熱電耦260測量溫度並且保持於所欲的水準，該熱電耦260與可程式邏輯控制器(PLC)或溫度和電子控制板電氣通信(圖4及5所示)。該概念管200允許該長物體通過裡面而“驟冷”，亦即冷卻非常迅速以致於該熔融鋅立即或近乎立即凝固。該概念管200的內側概念管艙210中的惰性氣氛使通過裡面的長物體表面維持無氧化物，而給予該長物體商業上所欲的明亮飾層。藉由於能增進冷卻速度的概念管200中預先冷卻該長物體增加生產力。

圖3描繪經由噴嘴固定板180接附該噴嘴100及該概念管200的設備。如圖3所示，被鍍鋅的物體通過噴嘴100，其中使該物體上的熔融塗層降至指定的預期厚度。該物體接著持續進入該概念管200，其中由於該概念管200的內側概念管艙210中之LIN/GAN氣氛造成溫度滑落的結果使該熔融塗層迅速凝固。該內側概念管艙210的溫度可介於約-50℃至約-150℃，並且取決於該鋅塗層。在想要較厚的塗層或規格的具體實施例中，也可能想要較低溫度。所欲的溫度係在一混合管中於周遭溫度下混合LIN，通常於約-196℃，與GAN而獲得。這個能藉由熱電耦260測量該內側概念管艙210或該概念管200中的溫度及於一混合管(圖4所示)中將LIN加於GAN流，其接著經由一或更多LIN/GAN輸入裝置220流入該概念管。

圖4提供包括混合管410之文中所述的方法及系統的視圖。該混合管410、配電盤或可程式邏輯控制器(PLC)460及LIN和GAN供應源協助LIN及GAN於該混合管410混合以達成該概念管200中所欲的固化能(solidification energy)。該LIN及GAN的混合係藉由該PLC 460配合圖2所示的概念管200或熱電耦260的輸入溫度測量來控制。該PLC 460藉由將LIN(開關該LIN輸送管路中的電磁閥470)加入該混合管410(其中該LIN經由一或更多導管或開口420與GAN混合)中以達成調定溫度而控制該概念管中的溫度。於該調定溫度的混好之LIN及GAN接著經由混合氮管道440流至該概念管200。因此，該概念管200中所欲的溫度係藉由該PLC 460所控制的LIN供應管道上之電磁/比例閥470的開關達成。在各個不同的具體實施例中，為了擦拭多餘的鋅及保持該線/棒上的塗層厚度之調定厚度而供應給該噴嘴的GAN也可任意地藉由該PLC 460(沒顯示)來控制。在一些具體實施例中，該混合氮管道的壓力及溫度可分別經由任意壓力及溫度感應器430及450來監測。

圖5提供文中所述的設備及系統500的另一個具體實施例。在圖5所示的系統500中，該噴嘴100及概念管200合在一起構成一聯合單元。噴嘴及概念管結合體的前面部分從長物體滌除多餘的熔融鋅並且藉由調整上述噴嘴的裂縫開口來調定該物體上所欲的塗覆厚度。該多餘或過多的鋅可被收集並且再利用於所示的熔融鋅浴中。經由穿過該噴嘴100的裂縫開口之GAN加壓流擦拭該長物體之後，讓經塗覆的物體穿過該概念管200，該熔融鋅塗層立即在那裡凝固，在該線/棒表面上留下一均勻且圓形的塗層。在該概念管200中的LIN/GAN聯合氣氛還使該該塗層維持沒有氧化物，而給予該長物體一明亮飾層。藉由PLC 460來調節該概念管的溫度，回應溫度輸入及該概念管200中的熱電耦260之溫度測值的變化而開關該LIN管道上的電磁/比例閥470使該溫度保持不變。該概念管200的內艙壓力藉由使用多孔性內側獨立管而維持低壓。這也於該概念管的內艙提供一均勻的壓力分佈。此外，該製程也可任意地透過位在整個製程的多個不同點處的一或更多附帶熱電耦來監測。在圖5所示的具體實施例中，當該物體通過該概念管時該熱電耦260監測溫度。也可運用任意溫度感應器520及電磁厚度感應器510以便進一步調整該製程。此外，該PLC也可藉由開關該GAN管道上的任意閥530來調整往該製程的GAN流量。

發明本身已經就其較佳具體實施例及替代具體實施例的觀點揭露。當然，熟悉此技藝者可預期本發明的教導之多種不同變化、修飾及替代而不會悖離其意欲的精神及範圍。

dx‧‧‧可調整裂縫開口的長度

GAN‧‧‧氣態氮

LIN‧‧‧低溫液態氮

100‧‧‧噴嘴

110‧‧‧開口

120‧‧‧內側噴嘴包圍件

130‧‧‧外側噴嘴本體包圍件

140‧‧‧輸入裝置

150‧‧‧外側噴嘴艙

160‧‧‧內側噴嘴艙

170‧‧‧噴嘴裂縫開口

180‧‧‧噴嘴固定板

190‧‧‧斜邊

200‧‧‧概念管

210‧‧‧內側概念管艙

220‧‧‧多重液態氮及/或氣態氮輸入裝置

230‧‧‧多孔性內管

240‧‧‧外側概念管艙

250‧‧‧外側概念管

260‧‧‧熱電耦

400‧‧‧包括混合管的鍍鋅系統

410‧‧‧混合管

420‧‧‧開口

430‧‧‧壓力感應器

440‧‧‧混合氮管道

450‧‧‧溫度感應器

460‧‧‧可程式邏輯控制器

470‧‧‧電磁閥

500‧‧‧長物體的鍍鋅系統

510‧‧‧電磁厚度感應器

520‧‧‧溫度感應器

530‧‧‧閥

當聯合附圖閱讀時前述發明內容以及實施方式將更易瞭解。為了達到舉例說明本發明的目的，圖形中顯示了本發明的某些具體實施例。然而，理應瞭解本發明並不限於所示的這些明確裝置及機構。在該等圖形中：

圖1是可配合文中所述的設備及方法使用的噴嘴之側視圖。

圖2是可用以將氣態氮、液態氮或其組合噴射至該物體的概念管之側視圖。

圖3是用於將長物體鍍鋅之文中所述的系統的示意圖，該系統包含文中所述的噴嘴及概念管。

圖4是文中所述的系統的另一個具體實施例。

圖5是文中所述的系統的另一個具體實施例。