[发明专利]用于控制平的金属制品上的涂层厚度的方法和装置

说明书

发明领域

本发明涉及用于在通过热浸渍，英文术语也简称为“热浸”来进行带 的连续电镀工艺的过程中控制诸如钢带的平的金属制品上的涂层厚度的 方法和装置。

现有技术

在通过浸渍在热浴中进行的电镀工艺中，将在非氧化性/还原性气氛中 被合适地热预处理过的金属带浸在熔融Zn的浴(440℃-470℃)中，并通 过浸渍在浴中的辊子将金属带沿竖直方向引导出来。

在通过熔融浴的过程中，被带浸提的液态Zn的量由重力与粘性力之 间的平衡决定，而沉积到带的两个表面上的液态Zn层的厚度的结果与带 的速度以及熔融Zn的物理性能，例如动力粘度和表面张力成比例。

为了将沉积到带上的Zn层的厚度减小至带的最终应用规范所要求的 那些值，通常使用气体射流或刀片，在英语中称为“气刀”或通常是蒸汽 或N₂的一些其他气体的射流或刀片。

所采用的装置通常包括两个具有矩形截面或一些其他形式的截面的 喷嘴，这两个喷嘴设置在带的两侧，离带和Zn浴的自由表面预定的距离 处，气体射流在室温下从这两个喷嘴有利地喷出。这些气体射流起到减小 覆盖带的表面的锌层厚度，迫使部分液态金属回到浴中的作用。

相同类型的工艺可以用于用Zn-Al、铝和锡合金来涂覆金属带。

气刀的特征为冲击区上的压力分布非常窄，例如只有几毫米宽，诸如 3mm-5mm，以及存在较大的剪切应力作用区。由于液态锌的厚度上的压力 梯度，所以压力分布的主要作用是产生力，该力很急地切割流体裂缝并减 小涂层厚度，将任何过量的Zn输送回浴中。当气体射流垂直于带表面时， 此力的值处于其最大值。

最终的涂层厚度值还由气体产生在带上的剪切应力的作用确定。当气 体射流垂直于带表面时，此值处于其最小值。冲击电镀的带并且然后在带 表面上流动的气体使锌和带冷却，尤其使气体的冲击区冷却。

因为涂层的最终厚度与带的速度成比例，所以为了以增加的速度获得 相同的厚度，必须增加由气刀施加的压力。通过提高气体流速或减小气刀 喷嘴的开口就实现了此效果。

国际标准和市场需求已经建立了适合于连续工业化应用的不连续数 目的可容许的涂层厚度和各自的容限。而且产生要求的厚度，还需要在电 镀表面上获得恒定的厚度水平和最大的均匀性，以保证涂层质量并使获得 确定的涂层所需要的Zn的量减少至最少，从而提供经济优势。

气刀技术的主要不足之处在于带来了强劲的冷却，且因此在气刀的作 用下，Zn过早凝固，当为了获得逐渐变薄的涂层而增加供给压力时尤其如 此。这意味着降低了Zn厚度减小的效力。

使用气刀技术的其他劣势表现为所应用的涂层缺乏均匀性，且受限的 带速度导致有限的生产率。

带的中心相对于带边缘存在的不同的流体动力学和热状况引起了非 常重要的问题。实际上，此状况导致涂层厚度沿着带的整个宽度缺乏均匀 性，且均匀性的缺乏在边缘处更严重。实际上，带的边缘比带的中心冷却 得更快，这产生了液态Zn的物理性能的变化，尤其是动力粘度的变化， 此变化产生表面力(马朗戈尼效应)，从而引起涂层在边缘附近的积聚。 使用气刀或罩以偏斜带边缘处的气体射流，或使用增加边缘上的气体流速 的蝶形喷嘴只部分地解决了此问题。

涂层在边缘附近积聚除了产生有关线组的问题以及继而产生电镀带 的平面度的问题之外，当带受到连续处理时，还引发涂层性能的均匀性问 题，上述处理例如在接近锌的熔点的温度下加热并维持合适的时间，在英 语中称为“锌镀层退火”的处理。而且，此积聚并不允许使获得给定涂层 所需的Zn的量减少至最少，这产生了经济劣势。

另一个问题表现为下述事实：由于用于压力的应用区非常有限，所以 Zn厚度的变化非常急，且根据气体流速和也极度依赖于射流相对于带表面 的倾斜角的剪切应力，对沉积到带上的给定的最终厚度的Zn来说，带在 涂层表面上进行输送存在速度限制，涂层表面经受不稳定性和波形成而达 到向气刀附近的环境中释放液态滴和固态滴的程度。此现象称为“飞溅”， 该现象通常由总是发生在带上的振动和振荡增强。“飞溅”既因形成“射 流线”而对产品质量带来大问题，又因释放粉尘而对环境安全带来大问题， 且这表现为限制实际的电镀车间的生产率的其中一种主要原因。