專利名稱：一種用于鍍層研究的多功能裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料退火(常壓退火、真空退火、鍍層退火)技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供 了一種用于鍍層研究的多功能裝置，適用于不同品種如硅鋼退火、不銹鋼退火的裝置， 涉及熱鍍鋅、熱鍍鋁鋅、熱鍍鋅鋁鎂等熱浸鍍的裝置，是一種以鍍層研究為主的多功 能實驗用裝置。
背景技術(shù)：
近年來，帶鋼連續(xù)熱鍍鋅、高耐蝕鍍層、合金化鍍層等工業(yè)化產(chǎn)品生產(chǎn)的工藝與 設(shè)備取得了較大進步，單一生產(chǎn)線的多功能化成為了趨勢。隨著我國汽車工業(yè)、家電 工業(yè)、建筑工業(yè)等對鍍層質(zhì)量提出越來越高的要求，促使工業(yè)生產(chǎn)中的退火、鍍鋅和 合金化等工藝段參數(shù)控制必須更加準確。同時，大型企業(yè)對于新產(chǎn)品進行工業(yè)化試制， 不僅造成了巨大的能源與資源的浪費，也對環(huán)境產(chǎn)生了一些污染。充分地利用現(xiàn)代材 料物理模擬的手段，進行連續(xù)退火、鍍鋅、高耐蝕鍍層、合金化等工業(yè)生產(chǎn)過程的優(yōu) 化、控制和診斷就成為了我國現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)面臨的重要課題。
因此，與生產(chǎn)相關(guān)的研究裝置成為了進行鍍層實驗室科研工作的必須。國內(nèi)外現(xiàn) 有研究用的裝置，主要有單一功能的連續(xù)退火模擬機和以鍍鋅為主的熱浸鍍模擬機。 設(shè)備大多數(shù)都是單一功能，實驗用途僅是針對某一種類型的實驗，設(shè)備的效率偏低， 利用率偏低，集成性較差。
上述機構(gòu)一般可分為臥式和立式兩種類型。臥式設(shè)備，結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)備相對龐大， 實驗線的長度約為30米，需要十余人員進行操作。臥室設(shè)備的加熱多采用直接燃氣加 熱方式或電阻加熱方式，對于實驗室試樣熱處理而言，直接燃氣加熱方式存在設(shè)備復
雜、加熱可控性差、設(shè)備安全性低等缺點，尤其是有大量的C02和Co等有害氣體排出；
電阻加熱方式存在升溫速度緩慢、整體維修復雜、溫度調(diào)節(jié)滯后等問題。立式機構(gòu)一
般采用電阻加熱方式、電磁感應(yīng)加熱方式。由于大工業(yè)生產(chǎn)線的加熱速度一般在25°C /s以上，對于碳棒電阻加熱方式達到比較困難。電磁感應(yīng)加熱能夠進行退火急速加熱， 但是受到線圈磁場動態(tài)分布的影響，其溫度波動較大， 一般在20度左右，加熱區(qū)域均 勻性相對較差。同時，電磁感應(yīng)發(fā)生設(shè)備能耗較高，耗電量一般達到70千瓦，附屬控 制裝置復雜，設(shè)備投資較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提供一種用于鍍層研究的多功能裝置，其可以實現(xiàn)連續(xù)退火、熱浸 鍍、鍍層合金化，真空退火等多項功能，從而在實驗室條件下，實現(xiàn)金屬材料或非金 屬材料的連續(xù)常壓退火、真空退火、硅鋼退火、鍍鋅、浸鍍高耐蝕合金、鍍層合金化 處理等方面的實驗研究。本發(fā)明包括驅(qū)動系統(tǒng)、常壓和真空兩用紅外輻射爐、電磁感應(yīng)加熱爐、耐高溫 的高真空隔離間、氣刀、試樣夾持機構(gòu)、熱浸鍍金屬熔化爐、液壓傳動和密封系統(tǒng)。 驅(qū)動系統(tǒng)下面為常壓和真空兩用紅外輻射爐，紅外輻射爐下面為電磁感應(yīng)加熱爐，電 磁感應(yīng)加熱爐下面為一套耐高溫高真空隔離間。隔離間下面為氣刀，氣刀下面為真空 鍍膜用試樣夾持機構(gòu)，夾持機構(gòu)下面為熱浸鍍金屬熔化爐及其相應(yīng)的液壓傳動和密封 系統(tǒng)。
紅外輻射爐采用了低慣性孿管紅外輻射加熱裝置，低慣性孿管紅外輻射加熱裝置 由低慣性紅外加熱孿管，耐高溫高透過率厚壁石英法蘭管、水冷卻模塊腔體組成；低 慣性孿管紅外輻射加熱裝置可以對折打開，并可在水平面上向任意方向移動。
所述的驅(qū)動系統(tǒng)包括伺服電機、軸承、直線導軌、滾珠絲杠、光桿、絲杠、卡具、 進給桿、側(cè)板、筋板等，側(cè)板通過螺栓連接在系統(tǒng)的外部框架上，光桿要求在冷卻間 上蓋滑動時，不能發(fā)生漏氣現(xiàn)象。
電磁感應(yīng)加熱爐采用銅管繞組式的加熱方式。
耐高溫的高真空隔離間由氣壓驅(qū)動裝置、高真空凹型密封閥、水冷腔體組成。 常壓和真空兩用紅外輻射爐由法蘭盤、石英罩、紅外加熱模塊、水冷管、旋轉(zhuǎn)門、 螺栓組成；采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)層為上下法蘭盤，中間為石英罩；外層為鑲嵌紅外 加熱模塊，加熱模塊內(nèi)部設(shè)計水冷管以便降低外層溫度；模塊連接在外部支撐平臺上。 對比國內(nèi)外其它實驗室用的裝置，本發(fā)明的優(yōu)點主要有以下幾個方面
1. 該裝置主體結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備總高僅為3米，包括紅外加熱系統(tǒng)、快速冷卻系統(tǒng)、 高精度驅(qū)動系統(tǒng)、合金化系統(tǒng)、氣刀系統(tǒng)、移動式耐低壓鋅鍋、氣氛系統(tǒng)等部分，基 本涵蓋了現(xiàn)代鋼帶鍍鋅工業(yè)生產(chǎn)的主要設(shè)備功能，整體布局簡潔，方便了該裝置的實 驗操作與曰常維護。
2. 紅外輻射爐作為整個裝置的核心之一，是實現(xiàn)鍍層鋼板機械性能、浸鍍性能的 關(guān)鍵。本裝置的紅外加熱模塊輻射熱量與試樣熱量的系數(shù)比，近似與溫升速度成反比， 試樣標準升溫速度為40°C/s，可在0 6(TC/s之間任意調(diào)解，滿足本套該裝置的設(shè)計
需要，滿足現(xiàn)代鋼帶連續(xù)鍍層生產(chǎn)的需要，其熱處理制度符合國內(nèi)外相關(guān)的實驗參數(shù)。
3. 合金化熱處理設(shè)備選用感應(yīng)加熱的方式，IGBT型感應(yīng)加熱晶體管電源設(shè)備功率 波動在9.477 56.862 KW之間， 一般使用功率為60KW，匹配工作頻率選定為25KHZ，可 靈活地對試樣進行合金化升溫處理，符合多鋼種、多強度等級、多工藝和多規(guī)格的實 驗研究特點。
4. 真空系統(tǒng)選擇多壓環(huán)式密封設(shè)計和直聯(lián)旋片式真空獲得設(shè)備，采用無縫不銹鋼 管方式保證系統(tǒng)出口處的有效抽速，抽氣時間在15 40s，抽氣速率為0.015mVs。該 裝置的整體泄漏率可控制在3. 996 Pa L/s以下，對于本套裝置而言，每分鐘約為4Pa 的泄漏完全可以滿足實驗要求。
5. 氣刀系統(tǒng)采用了新型柔性湍流厚度控制方式，可以調(diào)節(jié)噴嘴的吹氣壓力(壓力范圍0. 1 0.8MPa)、噴吹角度(角度0 90° )、噴嘴到試樣的距離(距離5
30mm)、噴嘴距離鍍液液面的高度(高度5 40mm)、噴嘴縫隙寬度(寬度0.5 3mra)，并結(jié)合驅(qū)動系統(tǒng)調(diào)節(jié)試樣的速度(速度0 800mm/s)、氣刀對試樣的冷卻速 度(速度0 25°C/s)、鍍層厚度(厚度15 45um)、噴吹寬度(寬度0 160mm) 等參數(shù)，從而保證了鍍層厚度實驗室控制的有效性與實用性，是試樣鍍層厚度控制研 究的核心設(shè)備。
采用低慣性紅外輻射加熱的連續(xù)退火爐，既可以實現(xiàn)模擬工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)退火曲
線，又可降低試樣熱慣性，控制試樣溫度精度在rc范圍內(nèi)，并且控制試樣均熱區(qū)在
100X150mm范圍，同時試驗過程清潔無任何聲、光、電的污染；電磁感應(yīng)加熱爐可以 實現(xiàn)Zn-Fe、 Zn-Al、 Zn-Mg等鍍層的不同原子之間的擴散反應(yīng)，加熱速度可以穩(wěn)定在 100度/秒，操作簡便；金屬熔化爐采用四點液壓驅(qū)動，爐體運行平穩(wěn)。


圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，驅(qū)動系統(tǒng)l，常壓和真空兩用紅外輻射爐2， 紅外輻射爐2、電磁感應(yīng)加熱爐3 、耐高溫的高真空隔離間4、氣刀5、試樣夾持機構(gòu) 6、熱浸鍍金屬熔化爐7、液壓傳動和密封系統(tǒng)8。
圖2為紅外輻射爐示意圖，其中，紅外輻射爐的外層水冷套9、鸞管紅外加熱器10、 石英法蘭ll、反光面板12。
圖3為一套耐高溫的高真空隔離間示意圖，其中，驅(qū)動氣缸13、高真空凹型密封 閥14、隔離閥水冷腔體15、刀口水冷真空連接法蘭16。
具體實施例方式
圖1 圖3為本發(fā)明的具體實施方式
。
圖l為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，驅(qū)動系統(tǒng)l，常壓和真空兩用紅外輻射爐2， 紅外輻射爐2、電磁感應(yīng)加熱爐3 、耐高溫的高真空隔離間4、氣刀5、試樣夾持機構(gòu) 6、熱浸鍍金屬熔化爐7、液壓傳動和密封系統(tǒng)8。
圖2為紅外輻射爐示意圖，其中，紅外輻射爐的外層水冷套9、鸞管紅外加熱器10，、 石英法蘭ll、反光面板12。設(shè)計了具有高效率、低能耗的并排鸞管的紅外加熱器，該 加熱器放射的短波紅外線透過石英法蘭聚集在石英法蘭內(nèi)的試樣之上。每一組并排鸞 管的背面為新型反射石英罩，從而最大限度保證了在起始階段短波紅外線是向與新型 石英罩相反的方向富集。同時，部分反射紅外射線輻照到對面的反射面板之上，由于 反射面板采用高反射率材料制作，所以輻照到反射面的射線大約75%又折射到試樣之 上。因此，加熱器該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，經(jīng)計算和實際測量，紅外能量的40%轉(zhuǎn)化到了試樣 之上。
圖3為一套耐高溫的高真空隔離間示意圖，其中，驅(qū)動氣缸13、高真空凹型密封 閥14、隔離閥水冷腔體15、刀口水冷真空連接法蘭16。當試樣完成還原反應(yīng)后，驅(qū)動 氣缸充氣，帶動水冷高真空隔離罩打開，試樣進入熔化爐7，完成試樣的浸鍍。
驅(qū)動系統(tǒng)1包括兩套相對鍍鋅的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和垂直運動系統(tǒng)，試樣安裝在卡具上以后，電機接受命令，驅(qū)動絲杠旋轉(zhuǎn)，從而帶動進給桿在光桿上運動，完成試樣在模擬 系統(tǒng)中的上下運動。該系統(tǒng)主要包括伺服電機、軸承、直線導軌、滾珠絲杠、光桿、 絲杠、卡具、進給桿、側(cè)板、筋板等，側(cè)板通過螺栓連接在系統(tǒng)的外部框架上，光桿 要求在冷卻間上蓋滑動時，不能發(fā)生漏氣現(xiàn)象。同時，光桿內(nèi)部有兩套熱電偶測溫裝 置，需要伴隨光桿一起運動。其進給范圍為1.5m，速度范圍為0 1.3m/s。系統(tǒng)光桿 內(nèi)部攜帶兩套溫差熱電偶，熱電偶點焊連接與試樣的上側(cè)中心位置。測溫電阻絲探出 光桿下端大約100mm。系統(tǒng)編程控制并可預先設(shè)定進給距離、進給速度、進給方向。
常壓和真空兩用紅外輻射爐2主要由法蘭盤、石英罩、紅外加熱模塊、水冷管、 旋轉(zhuǎn)門、螺栓組成。采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)層為上下法蘭盤，中間為石英罩。外層為 鑲嵌紅外加熱模塊，加熱模塊內(nèi)部設(shè)計水冷管以便降低外層溫度。模塊連接在外部支 撐平臺上。按照預先設(shè)定的熱處理工藝，試樣進入紅外線輻射爐后，停止在預先設(shè)定 的退火位置后，進行試樣的加熱和等溫。
電磁感應(yīng)加熱爐3的加熱起始溫度根據(jù)不同類型的鍍層進行調(diào)解，對于Zn-Fe鍍 層的起始溫度為42(TC 460。C，加熱溫度區(qū)間為50。C 200。C，其溫度精度控制在土5 °C，加熱時間控制在0 3 s。當試樣進入電磁感應(yīng)加熱爐，停止在固定位置后，進行 試樣的加熱。系統(tǒng)主要由電磁感應(yīng)爐體，保護氣體通道，電磁加熱線圈組成。設(shè)備總 功率為60 kVA，供電為三相380V，頻率50HZ，電壓幅值波動不超過額定值的±10%， 頻率波動不超過±10%，波形為正弦波，波形失真度不超過5%;
氣刀5的功能為模擬工業(yè)化氣刀進行控制鋼帶鍍鋅層厚度，其介質(zhì)為高純氮氣， 可根據(jù)不同實驗研究的需要調(diào)解鍍層厚度。
熔化爐7熔錠量為30kg，系統(tǒng)溫度控制從常溫到IOO(TC的范圍內(nèi)，溫度采用熱電 偶(中、下兩個測溫點)測量，控溫方式為閉環(huán)自動控制，溫度控制在土2T:。
該裝置可以進行不同退火條件下的試樣機械性能研究，其各項性能指標與國內(nèi)外 相關(guān)資料的同級別鍍層鋼板的各項指標類似；可以進行不同鋁含量與鍍層結(jié)構(gòu)的關(guān)系 研究，實驗結(jié)論完全符合相關(guān)鍍鋅理論；可以研究鍍層厚度控制參數(shù)影響規(guī)律、鍍層 厚度控制關(guān)系以及參數(shù)內(nèi)在的聯(lián)系；通過不同Zn-Al鍍層的高耐蝕鋼板浸鍍研究，證 明了該裝置高耐蝕鍍層研發(fā)的可行性；在實驗室條件下取得的合金化鍍層實驗數(shù)據(jù)符 合國內(nèi)外鍍層合金化的理論；鍍層表面缺陷應(yīng)用研究結(jié)論與鋼帶合金化鍍層鋼板工業(yè) 化生產(chǎn)情況相一致。以上應(yīng)用研究，內(nèi)容翔實、數(shù)據(jù)可靠，涵蓋了目前國內(nèi)外鍍層領(lǐng) 域研究的重點和關(guān)鍵點，從而證明了該裝置的準確性、實用性。
權(quán)利要求
1、一種用于鍍層研究的多功能裝置，包括驅(qū)動系統(tǒng)、常壓和真空兩用紅外輻射爐、電磁感應(yīng)加熱爐、耐高溫的高真空隔離間、氣刀、試樣夾持機構(gòu)、熱浸鍍金屬熔化爐、液壓傳動和密封系統(tǒng)，其特征在于，驅(qū)動系統(tǒng)(1)下面為常壓和真空兩用的紅外輻射爐(2)，紅外輻射爐(2)的下面為電磁感應(yīng)加熱爐(3)，電磁感應(yīng)加熱爐(3)下面為一套耐高溫高真空隔離間(4)；耐高溫高真空隔離間(4)下面為氣刀(5)，其下安裝試樣夾持機構(gòu)(6)；試樣夾持機構(gòu)(6)下面安裝了熱浸鍍金屬熔化爐(7)及其相應(yīng)的液壓傳動和密封系統(tǒng)(8)；紅外輻射爐(2)采用了低慣性孿管紅外輻射加熱裝置(9)，低慣性孿管紅外輻射加熱裝置(9)由低慣性紅外加熱孿管(10)，耐高溫高透過率厚壁石英法蘭管(11)、水冷卻模塊腔體(12)組成；低慣性孿管紅外輻射加熱裝置(9)可以對折打開，并可在水平面上向任意方向移動。
2、 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述的驅(qū)動系統(tǒng)(1)包括伺服電機、 軸承、直線導軌、滾珠絲杠、光桿、絲杠、卡具、進給桿、側(cè)板、筋板，側(cè)板通過螺栓 連接在系統(tǒng)的外部框架上，光桿要求在冷卻間上蓋滑動時，不能發(fā)生漏氣現(xiàn)象。
3、 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，電磁感應(yīng)加熱爐(3)采用銅管繞組 式的加熱方式。
4、 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，耐高溫的高真空隔離間(4)由氣壓 驅(qū)動裝置(13)、高真空凹型密封閥(14)、水冷腔體(15)組成。
5、 按照權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，常壓和真空兩用紅外輻射爐(2)由 法蘭盤、石英罩、紅外加熱模塊、水冷管、旋轉(zhuǎn)門、螺栓組成；采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi) 層為上下法蘭盤，中間為石英罩；外層為鑲嵌紅外加熱模塊，加熱模塊內(nèi)部設(shè)計水冷管 以便降低外層溫度；模塊連接在外部支撐平臺上。
全文摘要
一種用于鍍層研究的多功能裝置，屬于材料退火技術(shù)領(lǐng)域。驅(qū)動系統(tǒng)(1)下面為常壓和真空兩用的紅外輻射爐(2)，紅外輻射爐(2)的下面為電磁感應(yīng)加熱爐(3)，電磁感應(yīng)加熱爐(3)下面為一套耐高溫高真空隔離間(4)；耐高溫高真空隔離間(4)下面為氣刀(5)，其下安裝試樣夾持機構(gòu)(6)；試樣夾持機構(gòu)(6)下面安裝了熱浸鍍金屬熔化爐(7)及其相應(yīng)的液壓傳動和密封系統(tǒng)(8)。采用低慣性紅外輻射加熱的連續(xù)退火爐，既可以實現(xiàn)模擬工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)退火曲線，又可降低試樣熱慣性，控制試樣溫度精度在1℃范圍內(nèi)，并且控制試樣均熱區(qū)在100×150mm范圍，同時試驗過程清潔無任何聲、光、電的污染。
文檔編號C21D1/42GK101538695SQ20091008175
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月10日
發(fā)明者于武剛, 仲海峰, 俞鋼強, 劉燦樓, 周俊麒, 周衛(wèi)東, 鞏養(yǎng)寧, 張啟富, 敏 李, 李更新, 李遠鵬, 江社明, 袁訓華, 農(nóng) 辛, 郝曉東, 陳斌鍇 申請人:中國鋼研科技集團公司;新冶高科技集團有限公司