TWM505504U - 無鉛熱浸鋅膜厚控制系統 - Google Patents

Description

無鉛熱浸鋅膜厚控制系統

本創作係有關於一種無鉛熱浸鋅膜厚控制系統，尤其是具有控制單元，用以控制加熱單元、監測檢測單元的實際操作，以使得鍍鋅膜的膜厚及結構具有預設的特徵及品質。

由於鐵質或鋼質材料具有較佳的機械強度及較高的品質/成本比，所以長久以來一直都是主要的建築基材，可當作建築物或橋梁的骨幹，提供適當的機械韌性，更提高使用安全性。此外，一般機具也大都使用鐵質或鋼質材料的外殼、結構體或零配件，所以鐵質或鋼質材料的使用不僅非常普遍，而且應用領域也相當廣。

雖然鐵質或鋼質材料具有上述的優點，但是很容易在潮濕的環境下與空氣中的氧產生氧化反應而形成粉狀碎屑般的鐵鏽，亦即氧化鐵，使得結構強度大幅降低，影響結構安全。此外，一般酸性的化學品會腐蝕鐵質或鋼質材料，所以耐酸程度一般不是很理想。尤其是，鐵質或鋼質工件的表面很容易出現細凹縫腐蝕(pitting)的現象，亦即，腐蝕的表面尺寸雖然很小，比如數十或數百微米的直徑，但是卻會深入內部，比如達到數毫米或數十毫米的深度，嚴重影響整體性能，然而，卻無法由外觀簡單判斷腐蝕的程度，因而造成工程界相當大的困擾。

在習用技術中，為改善鐵質或鋼質材料的抗腐蝕能力，最常使用的解決方案是塗佈一層防鏽用保護層，比如油漆。油漆的主要機制是阻絕氧氣、水氣接觸到鐵質或鋼質材料的表面，但是油漆本身一般是利用有機溶劑溶解特定的成膜物質(包含天然樹脂或人造樹脂)而形成，比如用甲苯、二甲苯當作溶劑，而使用醇酸樹脂、丙烯酸樹脂、氯化橡膠樹脂、環氧樹脂當作成膜物質。在實務上，是將油漆塗佈到被保護的工件上，再經 風乾或加熱方式使得溶劑揮發，而在工件表面上形成由成膜物質構成的保護性塗層，通常厚度在數百微米之間。同時，油漆本身可進一步添加適當顏料，達到上色的目的，達到美化功效。

然而，油漆所形成的保護性塗層常具有微細的孔洞，或本身的緻密度不佳，使得阻絕氧氣、水氣的功能大打折扣，尤其是無法阻止細凹縫腐蝕(pitting)的現象。因此，不僅需要定期粉刷以維持適當的防蝕作用而導致後續維護上需耗費相當人力及資源外，對於大型工件，比如橋梁、儲油槽、電塔，，還有不易施工、維護的安全問題產生。

另一解決方案是在工件表面形成金屬合金保護膜，利用反應性較高但結構更緻密的金屬合金材料包覆整個工件，使得氧氣、水氣不僅被阻絕，而且即使因保護膜破損而使得工件接觸到得氧氣、水氣，也會因保護膜的反應性較強，使得工件本身不會被腐蝕。目前最為成熟且具有經濟效應的技術是熱浸鍍鋅方式。，具體而言，熱浸鍍鋅主要是利用特定配方組成的熔融鋅液，在適當溫度下與工件比面進行短暫的浸泡，使得熔融鋅會與工件表面的鐵進行反應而形成複合結構的鐵鋅合金膜。尤其鐵鋅合金膜具有很高的緻密度，且活性高，可保護工件免於腐蝕。再者，鐵鋅合金膜本身的厚度可低至數十微米，且不易剝離，所以熱浸鍍鋅的防蝕效果相當高，並已廣範應用於許多工程領域。

然而，熱浸鍍鋅得鋅液一般需要添加大量鉛，以改善鋅液的流動性，改善鍍鋅膜的品質，同時可延長鍍鋅槽體的使用壽命，但是所添加的鉛會部分包含於鍍鋅膜中，而隨著鍍鋅膜在自然天候下因老化而脫離時，所含的鉛便會排出而流入溝渠水道或土壤中，而眾所週知的是，鉛本身具有相當的毒性，所以目前的汽油已大幅降當鉛含量，因而鍍鋅膜的鉛同樣會造成生態上相當程度的危害。

因此，近年來全世界先進國家都開始著手規劃及管制污染性工業，無論在環保要求或進口貨品管制條例上都嚴格監控。2005年7月開始歐盟規定更嚴格污染性重金屬(鉛、汞、鎘)ROHS進口產品管制條約，限定污染性產品不得進入歐盟。歐盟實施將促使生產商採用先進的環境化設計技術來生產，並 在產品的生命周期內對有害物的使用量最小化，從而達到減少環境破壞以及保護資源的目的。

此外，鍍鋅膜本身的厚度也是熱浸鍍鋅界者需要適當控制的參數，因為鋼材熱浸鍍鋅時，鋅和鋼材表面會發生一系列複雜的物理化學過程，而形成的鐵鋅合金層實質上是包含由上而下依序包括η層、ζ層、δ 1層的複合體結構。再者，鋅液對鋼件表面的影響機制、鐵的溶解、鐵和鋅原子發生化學反應及鐵鋅原子之間的相互擴散等等，都會影響鐵鋅合金層的生成。尤其是，從鋼表面到鍍層表面，鋅原子的質量分數會逐漸增大，而鐵原子的質量分數逐漸減少，不同成分的鋅鐵合金在凝固時會形成不同的相層。一般而言，太薄或太厚的膜厚無法達到最佳的η層、ζ層、δ 1層之組合。

整體而言，對於低鉛或無鉛的世界環保要求的趨勢，很需要開發出一種無鉛熱浸鋅膜厚控制系統，用以去除鉛的使用，並能精確控制鍍鋅膜的厚度，改善整體防蝕功效，進而解決上述習用技術的問題。

本創作之主要目的在提供一種無鉛熱浸鋅膜厚控制系統，包含鍋爐本體、鍋爐外殼、加熱單元、燃料儲存單元、吊掛單元、清洗單元、冷卻槽、監測檢測單元以及控制單元，用以在無鉛的鍍液中，形成所需的鍍鋅膜並同時控制鍍鋅的厚度。具體而言，鍋爐本體是用以容置鍍液，並由鍋爐外殼包覆，以提供隔熱效應。燃料儲存單元可儲存燃料，並供應給加熱單元以產生熱量，使得鍋爐本體經加熱後而維持鍍液於熔融的液體流動狀態。工件是利用吊掛單元而浸泡於鍍液中，並在鍍鋅後脫離鍍液。清洗單元是用以對鍍鋅前或鍍鋅後的工件進行清洗處理，以去除污垢、殘餘鍍液。再者，冷卻槽提供對鍋爐本體、清洗單元的冷卻作用，而監測檢測單元可對工件的鍍鋅膜進行即時的監測、檢測，提供控制單元即時控制加熱單元、監測檢測單元的實際操作，以使得鍍鋅膜具有預設的品質。

上述的鍍液本質上是包括鋅、鋁、鎳、矽、錫、銅、鈦、鐵、鈷、鉍，並個別具有特定的含量範圍，可改善鍍鋅膜的合金形態，並能進一步降低鉛含量至無含鉛量程度。

較佳的，鍋爐本體是由為厚1cm的低碳鋼材質構成，其中長度約100-300cm、寬度約50-100cm而深度約100-140cm。鍋爐外殼可為耐火磚構造，並包圍住鍋爐本體的周圍，比如長度可為240-400cm、寬度為130-150cm、深度約140-160cm、厚度約8-12cm。

加熱單元是位於鍋爐本體與鍋爐外殼之間，並包括安置於鍋爐本體前側、後側、左側、右側、底面的多組液化石油氣(LPG，俗稱瓦斯)加熱器，而每組LPG加熱器可具有多段加熱調節，其中最大加熱溫度可達500℃以上。燃料儲存單元可包括不鏽鋼LPG儲存槽，比如直徑200-400cm、厚度0.8-1.2cm，且耐壓強度為400-600KgW，並可進一步配備自動流量控制器、瓦斯漏氣偵測器、自動關閉裝置及漏氣警示裝置。

冷卻槽為不鏽鋼材質構造，比如長度230-260cm、寬度110-130cm、深度180-220cm、厚度約0.8-1.2cm。另外，可再配備耐酸鹼馬達，用以抽離冷卻槽中的冷卻水，比如具備5M以上的揚程，而流量最高可達0.25m³ /min以上。還可再配製不鏽鋼管線，用以傳送冷卻水。

監測單元包括監測工作環境大氣的PH值量測器、溫度偵測器，而檢測單元可包括膜厚檢測器、表面色澤檢測器、冷卻槽PH值檢測器。此外，控制單元可包括控制主機、控制介面、控制軟體，用以控制整體熱浸鍍鋅的操作。

進一步而言，控制單元的功效在於維持鍍鋅膜的厚度超過65μm，比如75~105um，而鍍鋅膜的厚度變化是低於30μm。尤其是，鍍鋅膜中的η層為軟質純鋅層及亞鉛層，其中鋅的含量為98.5%以上，硬度約達70DPN，且厚度為50~60um，而ζ層為單斜柱狀組織鋅鐵合金層，其鐵含量約為6%，硬度約179DPN，且厚度達15~25um，再者，δ 1層為緻密鋅鐵合金層，其鐵含量約7~11%，而厚度約10~20um。

因此，本創作可確實於無鉛的鍍液環境下精確控制熱浸鋅所形成的鍍鋅膜的厚度及變化程度，不僅能大幅節省人力及操作時間，同時還能改善鍍鋅膜的防蝕、保護功效。

1‧‧‧無鉛熱浸鋅膜厚控制系統

10‧‧‧鍋爐本體

20‧‧‧鍋爐外殼

30‧‧‧加熱單元

40‧‧‧燃料儲存單元

50‧‧‧吊掛單元

60‧‧‧清洗單元

61‧‧‧清洗液

70‧‧‧冷卻槽

71‧‧‧冷卻液

80‧‧‧監測檢測單元

90‧‧‧控制單元

L‧‧‧鍍液

P‧‧‧工件

第一圖顯示本創作實施例的無鉛熱浸鋅膜厚控制系統的示 意圖。

以下配合圖示及元件符號對本創作之實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。

請同時參閱第一圖，本創作無鉛熱浸鋅膜厚控制系統的示意圖。如第一圖所示，本創作的無鉛熱浸鋅膜厚控制系統1係用以在無鉛的鍍液L中，形成含鋅合金薄膜於由基材構成的工件P上，並控制含鋅合金薄膜的膜厚，而該含鋅合金薄膜為鍍鋅膜，尤其可同時控制鍍鋅膜的厚度及結構。具體而言，本創作的無鉛熱浸鋅膜厚控制系統1主要是包含鍋爐本體10、鍋爐外殼20、加熱單元30、燃料儲存單元40、吊掛單元50、清洗單元60、冷卻槽70、監測檢測單元80以及控制單元90。

鍋爐本體10可容置鍍液L，並由鍋爐外殼20包覆其周邊以提供隔熱效應。

燃料儲存單元40可儲存燃料，比如液化石油氣(LPG，俗稱瓦斯)，並供應給加熱單元30以產生熱量，使得鍋爐本體10經加熱單元30的加熱後而維持鍍液L於熔融的液體流動狀態，其中加熱單元30可為高效加熱的瓦斯爐，並配置於鍋爐本體10及鍋爐外殼20之間。

待處理的工件P可利用吊掛單元50而浸泡於鍍液L中，並在鍍鋅後脫離鍍液L。較佳的，吊掛單元50可包含天車。

清洗單元60包含清洗液，比如水，提供對鍍鋅前或鍍鋅後的工件P進行清洗處理，可去除污垢、殘餘鍍液，其中工件P是由吊掛單元50而置入、脫離清洗單元60。

再者，冷卻槽70是利用管線而連接至鍋爐本體10或/及清洗單元60，以提供冷卻作用，防止鍋爐本體10、清洗單元60過熱，而監測檢測單元80可對工件P上所形成的鍍鋅膜進行即時的監測及檢測。

此外，由控制單元90是用以控制加熱單元30、監測檢測單元80的實際操作，使得工件P的鍍鋅膜具有預設的厚度及結構，因而表現較佳的防蝕、保護效應。

本質上，本創作所使用的鍍液是包括鋅、鋁、鎳、矽、錫、 銅、鈦、鐵、鈷、鉍，並個別具有特定的含量範圍，因此可改善鍍鋅膜的合金形態，進一步降低鉛含量至無含鉛量的程度。

較佳的，鍋爐本體10是由為厚1cm的低碳鋼材質構成，其中長度約100-300cm、寬度約50-100cm而深度約100-140cm。鍋爐外殼20可為耐火磚構造，並包圍住鍋爐本體的周圍，比如長度可為240-400cm、寬度為130-150cm、深度約140-160cm、厚度約8-12cm。

當然，上述的尺寸大小只是用以方便說明本創作所達成的具體特徵而已，並非限定本創作的權利範圍。

加熱單元30是位於鍋爐本體10與鍋爐外殼20之間，並包括安置於鍋爐本體10的前側、後側、左側、右側、底面的多組LPG加熱器(圖中未顯示)，而每組LPG加熱器可具有多段加熱調節，其中最大加熱溫度可達500℃以上。

燃料儲存單元40可為不鏽鋼製的LPG儲存槽，比如直徑200-400cm、厚度0.8-1.2cm，且耐壓強度為400-600KgW，並可進一步配備自動流量控制器、瓦斯漏氣偵測器、自動關閉裝置及漏氣警示裝置(圖中未顯示)。

冷卻槽70為不鏽鋼材質構造，比如長度230-260cm、寬度110-130cm、深度180-220cm、厚度約0.8-1.2cm，用以容置冷卻液71，比如冷卻水。另外，冷卻槽70也可再配備耐酸鹼馬達(圖中未顯示)，用以抽離冷卻槽70中的冷卻液71，比如具備5M以上的揚程，而流量最高可達0.25m³ /min以上，還可再配製不鏽鋼管線，用以傳送冷卻液71。

監測檢測單元80可包括監測工作環境大氣的PH值量測器、溫度偵測器、膜厚檢測器、表面色澤檢測器、冷卻槽PH值檢測器(圖中未顯示)。

此外，控制單元90可包括控制主機、控制介面、控制軟體(圖中未顯示)，用以接收來自監測檢測單元80的監測檢測信號，資料，進而控制加熱單元30、監測檢測單元80，達成對整體熱浸鍍鋅操作的監控。

控制單元90的功效主要是在於可維持鍍鋅膜的厚度超過65μm，比如75~105um，而鍍鋅膜的厚度變化可低於30μm，相當具有均 一性。尤其是，鍍鋅膜是包含由上而下依序堆疊的η層、ζ層、δ 1層的複合體結構，其中η層為軟質純鋅層及亞鉛層，η層的鋅含量為98.5%以上，硬度約達70DPN，且厚度為50~60um，而ζ層為單斜柱狀組織鋅鐵合金層，其鐵含量約為6%，硬度約179DPN，且厚度達15~25um，再者，δ 1層為緻密鋅鐵合金層，其鐵含量約7~11%，而厚度約10~20um。

此外，本創作控制系統所製作的工件經掃描式電顯微鏡(SEM)觀察其斷面結構，顯示具有預設的η層、ζ層、δ 1層之多層堆疊結構，且膜厚經檢測後也達到控制範圍，尤其是經1000小時的鹽霧實驗後，已證實無任何紅鏽斑產生，大幅改善防蝕功能。因此，本創作可具體實現控制無鉛熱浸鋅中鋅膜的厚度，並展現優異的防鏽、防蝕功效。

綜上所述，本創作的特點在於可確實於無鉛的鍍液環境下，精確控制熱浸鋅所形成的鍍鋅膜的厚度及變化程度，不僅能大幅節省人力及操作時間，同時還能改善鍍鋅膜的防蝕、保護功效。

由於本創作的技術內並未見於已公開的刊物、期刊、雜誌、媒體、展覽場，因而具有新穎性，且能突破目前的技術瓶頸而具體實施，確實具有進步性。此外，本創作能解決習用技術的問題，改善整體使用效率，達到具產業利用性的價值。

以上所述者僅為用以解釋本創作之較佳實施例，並非企圖據 以對本創作做任何形式上之限制，是以，凡有在相同之創作精神下所作有關本創作之任何修飾或變更，皆仍應包括在本創作意圖保護之範疇。

1‧‧‧無鉛熱浸鋅膜厚控制系統

10‧‧‧鍋爐本體

20‧‧‧鍋爐外殼

30‧‧‧加熱單元

40‧‧‧燃料儲存單元

50‧‧‧吊掛單元

60‧‧‧清洗單元

61‧‧‧清洗液

70‧‧‧冷卻槽

71‧‧‧冷卻液

80‧‧‧監測檢測單元

90‧‧‧控制單元

L‧‧‧鍍液

P‧‧‧工件

Claims (5)

1. 一種無鉛熱浸鋅膜厚控制系統，用以形成一含鋅合金薄膜於由一基材構成的一工件上並控制該含鋅合金薄膜的一膜厚，且該基材包含一鐵質基材或一鋼質基材，而該含鋅合金薄膜為一鍍鋅膜，該無鉛熱浸鋅膜厚控制系統包括：一鍋爐本體，係用以容置一鍍液，且該鍍液包括鋅、鋁、鎳、矽、錫、銅、鈦、鐵、鈷、鉍；一鍋爐外殼，包覆該鍋爐本體的周邊以提供隔熱效應；一加熱單元，係配置於該鍋爐本體及該鍋爐外殼之間，用以產生熱量，使得該鍋爐本體經加熱後而維持該鍋爐本體中的鍍液於熔融的液體流動狀態；一燃料儲存單元，係用以儲存燃料，並供應給該加熱單元以產生熱量；一吊掛單元，用以移動待處理的該工件而浸泡於該鍍液中，並在鍍鋅後脫離該鍍液；一清洗單元，包含一清洗液，用以提供對鍍鋅前或鍍鋅後的該工件進行一清洗處理，其中該工件是由該吊掛單元而置入、脫離該清洗單元；一冷卻槽，係藉一管線而連接至該鍋爐本體或/及該清洗單元，用以傳送一冷卻液而對該鍋爐本體或/及該清洗單元提供冷卻作用；一監測檢測單元，係用以對該工件上所形成的鍍鋅膜進行即時的監測及檢測，進而得到監測檢測信號、資料；以及一控制單元，係用以接收來自該監測檢測單元的監測檢測信號、資料而控制該加熱單元、該監測檢測單元的實際操作，使得該工件上的鍍鋅膜具有 預設的厚度及結構，其中該鍍鋅膜的厚度約75~105um，而且該鍍鋅膜的厚度變化係低於30μm，該鍍鋅膜的結構為包含由上而下依序堆疊的η層、ζ層、δ 1層的一複合體結構，該η層為軟質純鋅層及亞鉛層，該η層的鋅含量為98.5%以上，其硬度約達70DPN，且其厚度為50~60um，而該ζ層為單斜柱狀組織鋅鐵合金層，其鐵含量約為6%，其硬度約179DPN，且其厚度達15~25um，該δ 1層為緻密鋅鐵合金層，其鐵含量約7~11%，而其厚度約10~20um。
2. 依據申請專利範圍第1項之無鉛熱浸鋅膜厚控制系統，其中該鍋爐本體為低碳鋼材質構成，該鍋爐外殼為耐火磚構造，該燃料儲存單為不鏽鋼製，而該冷卻槽為不鏽鋼材質構造。
3. 依據申請專利範圍第1項之無鉛熱浸鋅膜厚控制系統，其中該燃料儲存單元所儲存的燃料包含液化石油氣(LPG，瓦斯)。
4. 依據申請專利範圍第1項之無鉛熱浸鋅膜厚控制系統，其中該加熱單元為瓦斯爐。
5. 依據申請專利範圍第1項之無鉛熱浸鋅膜厚控制系統，其中該吊掛單元包含一天車。