静压式水平电镀槽 技术领域：
本发明涉及帶钢连续电镀技术领域，特别是涉及帶钢连续电镀技术领域中的水平式电镀槽。
背景技术：
电镀槽是帶钢连续电镀生产线中的核心设备，它是决定电镀效率、产品质量和生产成本的主要因素。性能优良的电镀槽的主要标志是：电流密度大、镀层质量好、电耗低、工作稳定性好、设备简单紧凑。当电镀液和电镀工艺一定时，影响镀槽性能的主要因素是：带钢在槽内运行空间高度E、对中偏差ΔS和阳极与带钢的间距ho；镀槽的排气能力和镀液流态的雷诺数Re。在水平式电镀槽内，由于带钢存在下垂度、歪斜度和板形偏差，因而在槽内运行时要占据高度为E的运行空间；其次，带钢的中心面相对于镀槽的中心平面还存在对中偏差ΔS。而E与ΔS的数值，对镀槽性能的影响是：1、阳极与带钢的间距ho取决于E与ΔS的数值，因为要避免阳极与带钢发生短路烧伤的必要条件是ho要大于(0.5E+ΔS)。而ho则是决定镀槽电流密度和电耗的主要参数，其理由是：①在镀液流量不变的条件下，缩小ho可以提高镀液流速，从而可以增大镀液流态的雷诺数Re並提高排气能力，电流密度就可以提高；②在电镀液和电镀工艺一定时，缩小ho可以降低工作电压，电耗也就随之降低。2、带钢镀层的横向均匀度，主要取决于E的数值，E值实质上就是阴阳极间距ho的变化范围，E值大，ho的变化范围就大，镀层的均匀性就不好。3、受多种因素的影响，E与ΔS的数值往往难以准确确定，因而在镀槽设计时所确定的ho值，往往也难以满足ho＞(0.5E+ΔS)，在这种情况下，有时就会发生短路烧伤现象，从而降低了镀槽的工作稳定性。在水平式镀槽现有技术的发展历史中，先后出现了4种有代表性的槽型，即浸泡式、一端喷流式(如日本的JC槽)、中央喷流式(如日本的ACIC槽)和当今最先进的液垫式(日本的LCC-H槽)。从浸泡式到中央喷流式，主要是逐步改善了镀液流场和提高了排气能力，而对于槽内带钢运行位置的控制问题，也即如何减少E与ΔS的问题，却未探索出较好的方法。因此，这几种槽都不同程度存在阳极间距大，电流密度较小，电耗高以及镀层质量较差等问题。直到液垫式槽——LCC-H槽(如图1所示)的出现，才初步形成了比较有效的控制带钢运行位置的能力，再加上LCC-H槽又提高了排气能力，故其技术性能明显优于JC槽和ACIC槽。LCC-H槽由上、下框架，上、下阳极板，喷嘴，挡液板，导电辊，支承辊，边缘罩及自动跟踪系统等主要部分组成。在上下框架的中部，各配置了两排喷嘴，当镀液从喷嘴喷出並转向流入I、F电镀区时，上框架中部两排喷嘴和带钢之间就建立了具有一定压力的上液垫区，同理，下框架中部两排喷嘴和带钢之间也建立了下液垫区。当带钢中心与上下液垫区中心重合时，上下液垫区的压力差ΔP等于零；而当带钢中心偏离上下液垫区中心的距离为Δh时，ΔP＞0，于是就形成了一个作用于带钢的力T，T＝ΔP*f(f为带钢承压面积)，T力的方向是将带钢推向上下液垫区中心。当ΔP/Δh增大时，液体静压夹持带钢的能力就增强，带钢的对中偏差就减少。这就是LCC-H槽中部液垫区控制带钢运行位置的原理。而在I、F电镀区，LCC-H槽主要是利用边缘罩跟踪带钢时所形成的液体静压夹持带钢的能力来控制带钢的位置。由于建立了上述控制运行带钢位置的能力，LCC-H槽减少了E与ΔS的数值，阳极间距也缩小为18-23mm(电镀时为18mm；焊接接头通过镀槽时，上阳极升高5mm，阳极间距为23mm)。但是，LCC-H槽目前在生产中仍然存在阳极与带钢的短路烧伤问题，这表明其控制带钢运行位置的能力还不能完全满足生产要求；此外，LCC-H槽还存在电流效率偏低、带钢对中偏差较大以及结构复杂等问题。
发明内容：
本发明的目的是采用新的工作机理和设备结构来提高控制带钢运行位置的能力，进一步减少带钢在槽内运行空间高度E和对中偏差ΔS，并提高排气能力，提供一种镀层质量好、电耗低、工作稳定性好、电流密度大的水平式电镀槽。
本发明的技术解决方案是提供一种静压式水平电镀槽，由上框架、下框架、下阳极、上阳极、挡液板、导电辊、支撑辊、边缘罩及自动跟踪系统组成，其特征是：在电镀槽中部I和F电镀区之间，配置了双腔式下静压腔和上静压腔，镀槽的镀液首先输入上、下静压腔，然后通过运动带钢与上、下静压腔腔头之间的间隙水平喷入I和F电镀区；其特征还在于：双腔式下静压腔位于下框架的中部，上静压腔位于上框架中部；在上、下静压腔的出口处均装有玻璃钢制成的静压腔腔头，带钢与静压腔腔头之间地间隙hj为5.5-9mm；包括腔头在内的静压腔深度为(25-35)*hj；静压腔主腔的横向宽度略小于带钢的宽度；在镀槽的入口处与出口处配置用聚丙烯板制成的挡液板)，上、下挡液板的间距hs小于阳极间距h；在上、下静压腔的前部管路上配置节流元件，其阻力系数要满足|Q上/Q下-1|＜0.03的要求。
本发明电镀槽的工作原理如下：
1、在镀液通过由上静压腔、双腔式下静压腔、I和F电镀区、挡液板、节流元件及管路组成的系统並形成稳定流动时，在上静压腔和下静压腔之间以及I和F电镀区内，就建立了液体静压夹持带钢的能力。
①中部静压腔静压夹持带钢的工作原理
在本发明镀槽内，静压腔中的镀液被控制在带钢宽度范围内流出。此时，
腔内压力必然要高于腔外压力，其计算公式为：
P-(Ps+ρ2Vs2)=ρQ22μ2A2---(1)]]>
式中：P——腔内压力 PS——电镀区压力
ρ——镀液密度 μ——流量系数
VS-电镀区镀液流速
Q-镀槽镀液流量的二分之一
A-镀液出流口的当量面积
在由上静压腔、下静压腔、节流元件和管路组成的系统中，当节流元件配置适当，在边缘罩不投入工作且带钢偏离上、下腔中心(見图4)时，则上下腔所形成的压力差ΔP为：
而
故ΔP≅ρQ2bΔh2μ2(bhj+c)3---(2)]]>
式中b——由带钢宽度决定的静压腔横向宽度
hj——Δh＝0时静压腔腔头与带钢的间隙
c——带钢一侧镀液出流口的当量面积
Δh——带钢偏离上、下腔中心的距离
由(2)式可知，当Δh不等于零时，就要形成一个作用于带钢的力T，其值为：
T≅ΔP*f]]>
式中f---带钢的承压面积
T的方向是将带钢推向上、下静压腔中心。从(2)可得：
ΔP/Δh=ρQ2b2μ2(bhj+c)3---(3)]]>
ΔP/Δh是带钢单位位移时上下腔的压力差。镀槽中部静压腔控制带钢运行位置能力的强弱，主要取决于ΔP/Δh的大小。在(3)式中，当ρ，Q，μ一定时，ΔP/Δh仅取决于带钢规格与静压腔的有关参数b、hj、c，而与带钢和阳极的间距ho无关。LCC-H槽则有所不同，它的ΔP/Δh值是与ho2s成反比的，其控制带钢运行位置能力受ho的制约。因此，通过优选技术参数b、hj、c並确定相应的结构，本发明电镀槽就可以形成高于LCC-H槽控制带钢运行位置的能力。
②I和F电镀区静压夹持带钢的工作原理
本发明电镀槽的I和F电镀区，也是液体静压夹持带钢的区域。在本发明镀槽中，hs＜h。无论是I或F电镀区，当带钢中心偏离上、下挡液板中心时，带钢与上阳极之间的镀液压力P上和带钢与下阳极之间的镀液压力P下就不相等，从而形成压力差ΔP，此时作用于带钢上的力为N，N＝ΔP*f1(f1为电镀区内带钢的面积)，N力的方向是将带钢推向镀槽的中心。ΔP的大小，取决于hs的大小以及边缘罩是否投入工作。而在LCC-H槽中，hs＝h，故在边缘罩退出时，其电镀区内夹持带钢的能力显著低于本发明镀槽。而在边缘罩投入工作时，LCC-H槽电镀区内夹持带钢的能力也低于本发明镀槽。
2、当镀液通过由上静压腔、双腔式下静压腔、节流元件及管路组成的系统並形成稳定流动时，上静压腔和下静压腔之间就建立了液体静压抗带钢歪斜的能力。从图3可以看出，当槽外歪斜的带钢运行至槽的中部时，左下静压腔1-1的镀液流出面积减小，右下静压腔1-2则增大，因而在配置了节流元件的条件下，就会形成P下1＞P下2，从而使带钢按减小歪斜度的方向扭转。曾采用电子测量手段进行了检测，当1280*0.95mm带钢在槽外的歪斜度为9/800mm时，进入槽内中部即减为2/800mm。
3、槽中部镀液的双向水平喷射，提高了排气能力和电镀效率。由附图2可以看出，本发明镀槽无固定周边的喷嘴，镀液通过运动带钢与静压腔腔头之间的间隙hj水平喷入I和F电镀区，从而实现了较高速度的双向水平喷射，提高了排气能力和电镀效率。
本发明的有益效果：曾将本发明镀槽的试验槽装在生产线上进行了试验，试验时的主要参数是：带钢宽度为900-1550mm，带钢厚度为0.5-2mm，电镀速度为max.90m/min，阳极间距为24mm。试验结果表明，本发明电镀槽取得了如下效果：
1、在电流密度和电耗方面，本发明镀槽的水平和LCC-H镀槽相当。
2、本发明镀槽显著减少了带钢在槽内运行空间的高度E和对中偏差ΔS，解决了LCC-H槽等水平式镀槽带钢与阳极的短路烧伤问题，提高了工作可靠性。在不通电的状态下，曾采用电子测量手段检测了边缘罩进入时带钢在本发明镀槽内的E和ΔS的数值。当带钢规格为1000*0.8mm，张力为1.5kgf/mm2，带速为70m/min，镀液流量为4m3/min时，E为4.9mm，ΔS为0.8mm，故(0.5E+ΔS)＝3.25mm，此值远小于带钢与阳极的间距12mm，故在带钢的板形偏差符合轧制标准时，本发明镀槽不发生带钢与阳极的短路烧伤问题，从而提高了工作可靠性。
3、本发明镀槽静压腔的工作稳定性优于LCC-H槽的液垫区。要提高槽内带钢运行的稳定性，就要提高静压腔与液垫区液体压力的稳定性。按照液体静压技术的原理，提高静压腔液体压力稳定性的主要条件之一，就是要使静压腔的深度显著大于流出断面的高度。本发明镀槽静压腔深度与流出断面高度之比值约为(25-35)∶1，而LCC-H槽受工作机理的限制，其液垫区与流出断面高度的比值是1∶1。因此，本发明镀槽优于LCC-H槽。
4、本发明镀槽降低了带钢上、下表面镀层重量差。由于本发明镀槽显著减少了带钢在槽内运行空间的高度E和对中偏差ΔS，故在带钢上、下表面镀层重量设定值相等时，本发明镀槽带钢上、下表面镀层实际重量差不大于2％，而现有的水平式镀槽，带钢上、下表面镀层实际重量差则为5-10％。
5、本发明镀槽的电流效率为97％，而现有的水平式镀槽的电流效率一般不大于95％。
6、在电镀时，现有的水平式镀槽易产生导电辊粘锌问题，而本发明镀槽则不存在此问题，从而可以延长导电辊使用寿命并有利于保证镀层质量。
7、本发明镀槽的设备结构比LCC-H镀槽简单紧凑，设备投资小。
附图说明：
图1是现有技术中的日本最新一代LCC-H电镀槽的结构示意图；
图2是本发明实施例“静压式水平电镀槽”的结构示意图；
图3是本发明实施例“静压式水平电镀槽”横切面的结构示意图；
图4是本发明实施例“静压式水平电镀槽”中部静压腔示意图；
图5是本发明实施例“静压式水平电镀槽”镀液循环系统图；
图6是本发明实施例“静压式水平电镀槽”镀液输送路线图。
在附图中：1.双腔式下静压腔；2.上静压腔；3.上框架；4.下框架；5.下阳极；6.上阳极；7.挡液板；8.导电辊；9.支承辊；10.节流元件；11.阀；12.带钢；13.回流槽；14.循环槽；15.镀液泵；①.静压腔腔头；I.电镀区；F.电镀区；1-1.左下静压腔；1-2.右下静压腔；Q.镀槽镀液流量二分之一；h.上下阳极的间距；ho.阳极与带钢的间距；hs.上、下挡液板的间距；hj.静压腔腔头与带钢的间隙；P上.上静压腔压力；P下.下静压腔压力；Δh.带钢偏离上、下腔中心的距离。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明实施例做进一步详细描述：如图2～图4所示的静压式水平电镀槽，主要包括上框架3、下框架4、下阳极5、上阳极6、挡液板7、导电辊8、支承辊9和边缘罩及自动跟踪系统等主要部分，在电镀槽中部I和F电镀区之间，配置了双腔式下静压腔1和上静压腔2；上静压腔2位于上框架3中部，双腔式下静压腔1位于下框架4中部，上下静压腔均为矩形箱体结构，材质为碳钢衬胶；在上下静压腔的出口处均装有玻璃钢制成的静压腔腔头①，用以控制静压腔镀液的流出面积。带钢与静压腔腔头之间的间隙hj为5.5-9mm；包括腔头在内的静压腔深度为(25-35)*hj；其主腔的横向宽度略小于带钢12的宽度。挡液板7用聚丙烯板制成，上、下挡液板7的间距hs小于上下阳极的间距h。阳极为不溶性阳极，上阳极板6和下阳极板5各2块，上下阳极的间距h为24mm；本发明电镀槽的镀液按图6所示的路线输送，镀液为ZnSO4，镀液流量为5-6m3/min，镀液的循环系统见图5，镀槽工作时，镀液从循环槽14由镀液泵15输出，经管路和阀11、节流元件10分别流入下静压腔和上静压腔，然后通过静压腔腔头与带钢的间隙hj水平喷入阳极与带钢之间的电镀区I和F，最后经挡液板7与回流槽13流至循环槽14进行再循环。在本发明镀槽中，当中部静压腔、挡液板和节流元件的设计符合本发明镀槽的原理时，可以建立液体静压夹持带钢的能力与液体静压抗带钢歪斜能力。但这两种能力的大小，还取决于有关技术参数和具体结构的确定。对于中部静压腔，其工作原理中公式(3)的技术参数为：b＝0.8-0.9*B(B为带钢宽度，单位：m)，hj＝0.0055-0.009m，c＝0.0026-0.003m2，μ＝0.75。系统中的节流元件，均安装在上、下静压腔前面的管道上，其阻力系数要满足|Q上/Q下-1|＜0.03的要求。在采用上述的结构与参数时，本发明镀槽中部静压腔的ΔP/Δh数值就可显著大于LCC-H槽中部液垫区的数值。当带钢12宽度为1m时，本发明镀槽中部静压腔的ΔP/Δh的数值为(0.67-1.75)*103*ρQ2(Pa/mm)；而按照某厂引进的LCC-H槽的技术参数及其ΔP/Δh的计算公式进行计算，ΔP/Δh的数值为0.2*103*ρQ2(Pa/mm)，仅为本发明镀槽的11-30％。在电镀区内，本发明镀槽夹持带钢12的能力也高于LCC-H槽；再加上本发明镀槽又建立了较强的抗带钢歪斜能力并实现了槽中部镀液的双向水平喷射，故本发明镀槽控制运行带钢位置的能力显著高于LCC-H槽，排气能力也优于它。