鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置集成應(yīng)用及理論研究

尹騰飛 張 凱

（湖南科美達(dá)電氣股份有限公司，岳陽(yáng) 414000）

20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始，汽車(chē)及家電行業(yè)大量使用鍍鋅板[1]。隨著鍍鋅板使用量的增加，用戶(hù)對(duì)家電鍍鋅板的表面質(zhì)量要求不斷提高。但是，鋅鍋中黏附于鋼帶上的粗糙顆粒引起的鋅渣瑕疵會(huì)影響家電鍍鋅板的表面質(zhì)量[2]。這些粗糙顆粒由鍋體的爐渣和鋅鍋內(nèi)析出的鋅渣組成[3-4]。

清理鋅鍋內(nèi)的爐渣、鋅渣的過(guò)程中，最初采用的是人工清渣[5]。隨著機(jī)器人的普及，人們開(kāi)始采用機(jī)器人清渣和人工輔助清渣的方式[6-7]。但是，這兩種方式會(huì)引起鋅鍋表面液體的波動(dòng)，影響成型鋼材表面質(zhì)量。

鋅鍋?zhàn)詣?dòng)清渣裝置可以在不影響表面質(zhì)量的前提下，匯集鋅鍋內(nèi)產(chǎn)生的爐渣和鋅渣后進(jìn)行清除。采用鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置不僅可以減輕清渣作業(yè)對(duì)鋼帶表面質(zhì)量的影響，還可以降低生產(chǎn)強(qiáng)度。

1 鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置理論研究

1.1 鋅渣成型機(jī)理分析

鋼帶表面存在各種微觀粒子和有機(jī)殘留物，包括鐵粉、碳化物以及各類(lèi)揮發(fā)性有機(jī)化合物等。當(dāng)這些雜質(zhì)與高溫的鋅液相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，生成的各種中間產(chǎn)物相互作用形成鋅渣。這些產(chǎn)物中可能存在多種金屬間化合物、碳化合物以及不同尺寸的顆粒，使得整個(gè)過(guò)程變得極其復(fù)雜且多變。

處理過(guò)程中，鋅渣的形態(tài)復(fù)雜多變，主要包括底渣、懸浮渣和面渣，且3 種形態(tài)的轉(zhuǎn)化相互交織。懸浮渣和面渣在鋼帶傳輸過(guò)程中容易黏附于表面，從而產(chǎn)生各種鋅渣缺陷。底渣由于受到浮力的影響，往往會(huì)漂浮在鋅液表面，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)槊嬖?。這一過(guò)程受到多種因素的復(fù)雜影響，包括溫度變化、化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程以及流體力學(xué)特性的變化等，使得鋅渣形態(tài)的演變過(guò)程復(fù)雜多樣。

由圖1 鋅液溫度與鐵損耗量的關(guān)系可知，鋅渣產(chǎn)生的主要原因是鋅液溫度的影響。當(dāng)鋅液溫度為500 ～520 ℃時(shí)，鐵的損耗量最大，此時(shí)產(chǎn)生的鋅渣量最大，因此應(yīng)盡可能控制鋅液的溫度，防止產(chǎn)生更多的鋅渣。

圖1 鋅液溫度與鐵損耗量的關(guān)系

鋅渣形成是一個(gè)受多種復(fù)雜因素影響的綜合結(jié)果。這些因素涵蓋鋅液溫度的變化、鋼帶在處理過(guò)程中的鐵損耗量以及進(jìn)料時(shí)鋼帶表面的潔凈度與退火還原情況等。這些因素相互作用、相互制約，加上多個(gè)動(dòng)態(tài)變量的影響，包括流體動(dòng)力學(xué)特性、雜質(zhì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)以及材料表面特性等，共同影響鋅渣產(chǎn)生的程度和機(jī)制。

1.2 撈渣對(duì)鋅渣量的影響

研究表明，每20 min 撈渣一次[8]，鋅渣量會(huì)大大減少。當(dāng)撈渣次數(shù)變多時(shí)，鋅液表面的氧化膜會(huì)被破壞，而暴露的鋅液會(huì)與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)再次產(chǎn)生鋅渣，影響鍍鋅板的表面質(zhì)量。

2 鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置

2.1 裝置組成

撈渣次數(shù)過(guò)多，對(duì)鋅渣量有一定的影響。通過(guò)設(shè)計(jì)鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置，可以有效減少撈渣次數(shù)，進(jìn)而減小鋅渣量。鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置由撇渣裝置、冷卻系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)、除渣機(jī)器人、自動(dòng)驅(qū)渣控制系統(tǒng)和電源組成，如圖2 所示。

圖2 鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置組成

2.2 撇渣裝置

撇渣裝置用于完成渣鐵分流工作。當(dāng)熔渣和鐵水從鐵口出來(lái)時(shí)，由于熔渣和鐵水密度不一樣，熔渣會(huì)浮在鐵水上面。在鐵水充滿(mǎn)撇渣器時(shí)，撇渣器中的小井和主鐵溝通過(guò)過(guò)道連通，鐵水可以通過(guò)小井和主鐵溝流道，但熔渣會(huì)被擋板阻擋無(wú)法進(jìn)入小井，最終完成渣鐵分流。

2.3 除渣機(jī)器人

圖3 為除渣機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖，包括腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)等，其中腕關(guān)節(jié)可以完成俯仰動(dòng)作和回轉(zhuǎn)動(dòng)作，腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)負(fù)責(zé)完成回轉(zhuǎn)動(dòng)作。通過(guò)多種關(guān)節(jié)系統(tǒng)串聯(lián)在一起，完成機(jī)器人系統(tǒng)的多自由度運(yùn)動(dòng)。腰、肩以及肘關(guān)節(jié)用于確定機(jī)器人點(diǎn)、位置，腕俯仰、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)用于確定腕部的姿態(tài)，可以完成將鋅鍋內(nèi)的面渣分流過(guò)程，使鋅渣聚集在鋅鍋邊沿，并完成對(duì)鋅渣的打撈動(dòng)作。

圖3 除渣機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2.4 冷卻系統(tǒng)

撇渣器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因焦耳效應(yīng)和來(lái)自鋅鍋的輻射熱產(chǎn)生大量熱。由于撇渣器的工作方式是間歇性的，它的本體溫度會(huì)隨著操作頻率的波動(dòng)而不斷變化。這種溫度波動(dòng)導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)的需求隨之變動(dòng)。在撇渣器運(yùn)行時(shí)，溫度迅速上升，需要大風(fēng)量迅速降溫。設(shè)計(jì)有效的風(fēng)冷系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)撇渣器的高效冷卻，確保撇渣器的穩(wěn)定運(yùn)行。這種設(shè)計(jì)需考慮撇渣器的特殊工作模式和熱量釋放的特點(diǎn)，以確保工作過(guò)程中能夠持續(xù)提供足夠的冷卻能力。

2.5 視覺(jué)系統(tǒng)

鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置的視覺(jué)系統(tǒng)包括高速工業(yè)攝像機(jī)、高速工業(yè)攝像機(jī)對(duì)應(yīng)的高質(zhì)量光源、工業(yè)攝像機(jī)對(duì)應(yīng)的高精度調(diào)節(jié)架構(gòu)以及計(jì)算機(jī)服務(wù)器等。利用鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置的視覺(jué)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械手對(duì)應(yīng)的撈渣工作區(qū)域及逆行拍攝，同時(shí)在計(jì)算機(jī)控制器上設(shè)計(jì)一定的算法模型，高質(zhì)量分析拍攝圖像，通過(guò)分析鋅渣的獨(dú)有特征，利用深度學(xué)習(xí)算法分析鋅渣的堆積過(guò)程，并對(duì)鋅堆進(jìn)行判斷，引導(dǎo)機(jī)械手進(jìn)行撈渣作業(yè)。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置的組成和鋅渣成型機(jī)理分析，為優(yōu)化鋅鍋?zhàn)詣?dòng)驅(qū)渣裝置，可采取4 條措施。第一，在機(jī)械手進(jìn)入鋅鍋內(nèi)液體表面時(shí)，鋅液表面上的氧化保護(hù)膜會(huì)被破壞，而暴露的液體會(huì)與空氣產(chǎn)生氧化反應(yīng)形成鋅渣。通過(guò)優(yōu)化機(jī)械手進(jìn)入鋅液的過(guò)程，可以在機(jī)器手上加裝導(dǎo)流罩，防止懸浮液和面渣因?yàn)檫M(jìn)入過(guò)程在鋼帶表面形成缺陷。第二，自動(dòng)驅(qū)渣裝置帶有視覺(jué)系統(tǒng)，可對(duì)撈渣區(qū)域進(jìn)行分析拍攝，通過(guò)深度學(xué)習(xí)算法引導(dǎo)機(jī)械手進(jìn)行撈渣作業(yè)，進(jìn)而可通過(guò)優(yōu)化自動(dòng)驅(qū)渣控制系統(tǒng)如引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化控制算法和視覺(jué)算法，從而更加精準(zhǔn)地判斷撈渣區(qū)域內(nèi)的鋅渣，更好地引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行撈渣作業(yè)。第三，鋅渣產(chǎn)生的主要原因?yàn)殇\液溫度，也與鋅液中的含鐵物有關(guān)。因此，有效控制鋅渣生成，關(guān)鍵在于減少熔融鋅中的鐵含量，同時(shí)采取一系列措施延緩鐵與熔融鋅之間的化學(xué)反應(yīng)。第四，由于鋅液表面的氧化膜易受損，使得鋅液與周?chē)諝庵械难鯕獍l(fā)生氧化反應(yīng)。因此，在保證鋼帶表面質(zhì)量不受影響的前提下，應(yīng)盡量減少或避免撈取面渣，以防氧化反應(yīng)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量造成不利影響。