ITMI20071167A1 - Metodo e dispositivo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano - Google Patents

Description

Descrizione dell’invenzione industriale dal titolo:

“Metodo e dispositivo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano”

Campo dell'invenzione

La presente invenzione si riferisce ad un metodo e ad un dispositivo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano, quale un nastro d’acciaio, durante il processo di galvanizzazione in continuo dello stesso per immersione a caldo, detto anche brevemente “hot dip" dalla terminologia inglese.

Stato della tecnica

Nel processo di zincatura per immersione in bagno caldo, un nastro metallico opportunamente pretrattato termicamente in atmosfera non ossidante/riducente viene immerso in un bagno di Zn fuso (440°C-470°C) e attraverso dei rulli immersi nel bagno viene guidato fuori dallo stesso in direzione verticale.

La quantità di Zn liquido estratto dal nastro nel passaggio attraverso il bagno fuso è determinata dall’equilibrio della forza gravitazionale con le forze viscose, e lo spessore dello strato di Zn liquido che si deposita su entrambe le superfici del nastro risulta essere proporzionale alla velocità del nastro e alle proprietà fisiche dello Zn fuso, quali la viscosità cinematica e la tensione superficiale.

Per ridurre io spessore di Zn depositato sul nastro, fino ai valori determinati dalle specifiche di utilizzo finale dei nastri, si ricorre comunemente all’uso di getti o lame ad aria, in inglese note come “Air Knives", o di altro gas, usualmente vapore o N2.

I dispositivi utilizzati comprendono generalmente due ugelli di sezione rettangolare, o di altra forma, posti ai lati del nastro ad una predeterminata distanza sia dal nastro che dalla superficie libera del bagno di Zn, da cui esce un getto di gas convenientemente a temperatura ambiente. Con tali getti di gas si realizza la riduzione dello spessore dello strato di zinco che ricopre la superficie del nastro, forzando parte del metallo liquido al ritorno verso il bagno.

Lo stesso tipo di procedimento si può impiegare per ricoprire nastri metallici con leghe Zn-Fe, Zn-AI, alluminio e stagno.

La lama d’aria è caratterizzata da una distribuzione di pressione molto stretta sulla zona di impatto, larga pochi millimetri, ad esempio 3-5 mm, e dalla presenza di una zona un po’ più estesa di azione dello sforzo di taglio. L’effetto principale della distribuzione della pressione è quello di generare una forza, dovuta al gradiente di pressione sullo spessore dello zinco liquido, che tagli bruscamente la vena liquida e riduca lo spessore del rivestimento rimandando indietro la quantità di Zn in eccesso. Il valore di questa forza è massimo quando il getto di gas è perpendicolare alla superficie del nastro.

II valore dello spessore finale del rivestimento è determinato anche dall’azione dello sforzo di taglio generato sul nastro dal gas che scorre lungo la superficie del nastro. Tale valore è minimo quando il getto di gas è perpendicolare alla superficie del nastro. Un altro effetto del getto del gas è quello di raffreddare parzialmente il nastro e lo Zn uscente dal bagno.

Poiché lo spessore finale del rivestimento è proporzionale alla velocità del nastro, per ottenere lo stesso spessore a velocità crescenti è necessario aumentare la pressione esercitata dalle lame ad aria. Questo effetto comporta l’aumento della portata del gas oppure la riduzione dell’apertura degli ugelli delle lame ad aria.

Le norme internazionali e le richieste del mercato stabiliscono un numero discreto di spessori di rivestimento ammissibili e le rispettive tolleranze adattati alle successive applicazioni industriali. Oltre a realizzare gli spessori desiderati, è necessario ottenere la costanza dello spessore e la massima uniformità della superficie zincata sia per garantire la qualità del rivestimento che per ridurre al minimo la quantità di Zn necessario ad ottenere un dato rivestimento, ottenendone un vantaggio economico. Tra i limiti della tecnologia a lame d’aria hanno particolare rilevanza la velocità limitata consentita al nastro, e quindi una limitata produttività, e la non uniformità del rivestimento ottenuto.

A causa della zona molto limitata di applicazione della forza di pressione, la variazione di spessore dello Zn è molto brusca e, in funzione della portata del gas e dello sforzo di taglio che dipende fortemente anche dalla inclinazione del getto rispetto alla superficie del nastro, per un dato spessore finale di Zn depositato sul nastro, esiste una velocità limite di avanzamento del nastro oltre la quale sulla superficie dello strato di rivestimento si innescano instabilità ed onde fino al rilascio di gocce liquide e solide nell’ambiente in prossimità delle lame ad aria. Questo fenomeno, noto con il nome di “splashing", è generalmente amplificato dalle vibrazioni ed oscillazioni sempre presenti sul nastro. Lo “splashing" produce grossi problemi sia per la qualità del prodotto, producendo le cosidette “jet lines”, sia per la sicurezza ambientale a causa delle polveri rilasciate, e rappresenta una delle principali cause che limitano la produttività degli attuali impianti di zincatura. Le gocce rilasciate, inoltre, sporcano anche le stesse lame ad aria.

In particolare il fenomeno dello “splashing” si verifica quando al di sopra di un certo gradiente di riduzione dello spessore di rivestimento, e quindi al di sopra di una determinata velocità di avanzamento del nastro, l’angolo di uscita verso il basso dell'aria o gas del getto che ha impattato con la superficie del nastro, detto angolo essendo definito dalla direzione della velocità relativa aria-zinco verso il basso rispetto alla verticale, supera un valore critico per cui si ha il distacco di particelle solide (ZnO) dalla superficie del nastro. Ad esempio, per una velocità di avanzamento pari a 190 m/min e con una portata di ciascuna lama ad aria di 1000 Nm<3>/h ad una pressione di 0,5 bar, l’angolo critico è di circa 15°.

Un altro problema è quello di provocare un forte raffreddamento e quindi la solidificazione prematura dello Zn sotto l’azione della lama ad aria, specialmente quando si aumenta la pressione di alimentazione con lo scopo di ottenere spessori di rivestimento sempre minori. Ciò significa diminuire l’efficacia di riduzione dello spessore di Zn.

Un altro limite di questa tecnologia è causato dalla differente situazione fluidodinamica e termica presente al centro del nastro rispetto ai bordi dello stesso. Questa situazione, infatti, comporta che lo spessore del rivestimento non sia uniforme su tutta la larghezza del nastro ma risulti maggiore ai bordi. I bordi del nastro, infatti, si raffreddano più rapidamente rispetto al centro del nastro creando variazioni nelle proprietà fisiche dello Zn liquido, in particolare nella viscosità cinematica, che generano forze di superficie (effetto Marangoni) che provocano l’accumulo di rivestimento nei pressi dei bordi. Il problema viene risolto solamente parzialmente utilizzando lame o maschere per deflettere il getto di gas ai bordi del nastro oppure ugelli a farfalla che aumentano la portata di gas sui bordi.

L’accumulo di rivestimento vicino ai bordi, oltre che a creare problemi di bobinatura e successivamente di planarità del nastro zincato, comporta anche problemi di uniformità delle proprietà del rivestimento quando il nastro viene sottoposto a successivi trattamenti, ad esempio ad un riscaldamento ad una temperatura vicina al punto di fusione dello zinco, trattamento noto in inglese con il termine “galvannealing”. Inoltre, questo accumulo non permette di ridurre al minimo la quantità di Zn necessaria ad ottenere un dato rivestimento, con conseguenti svantaggi economici. Ulteriori limiti della tecnologia a lame d’aria sono rappresentati dal fatto che:

- il flusso d’aria produce una ossidazione del rivestimento che è tanto più intensa quanto maggiore sono la velocità e la portata del gas. Questo genera difetti sul prodotto finale e contribuisce al rilascio di polveri nell’ambiente. Le realizzazioni di sistemi di taglio con gas inerte, quale N2, utilizzate per ovviare a questo inconveniente, riescono soltanto parzialmente a risolvere il problema e comunque a costi maggiori rispetto alle classiche lame ad aria;

- fissata la velocità di avanzamento del nastro lo spessore finale del rivestimento dipende dal picco della forza di gradiente di pressione ma la pressione deH’aria o del gas deve essere mantenuta entro certi limiti onde evitare di raggiungere velocità supersoniche deH’aria con conseguenti problemi di vibrazione, battimenti e instabilità nella posizione del nastro, e rumore eccessivo neirimpianto;

- viceversa, nel caso in cui sia fissato lo spessore finale del rivestimento ad un valore relativamente ridotto, non potendo aumentare troppo la pressione deH’aria occorre limitare la velocità del nastro e quindi la produttività della linea, ma ciò è in contrasto con le attuali esigenze di competitività commerciale che richiedono velocità superiori a 200 m/min. E’ sentita pertanto l’esigenza di realizzare un metodo ed un relativo dispositivo per il controllo dello spessore di un rivestimento di prodotti metallici, in uscita da un bagno caldo, che sia in grado si superare i suddetti inconvenienti.

Sommario dell’invenzione

Uno scopo della presente invenzione è quello di prevedere un metodo e un relativo dispositivo per realizzare una operazione di rimozione controllata del rivestimento in eccesso nello stadio finale della galvanizzazione in continuo per immersione a caldo di un prodotto metallico piano, quale ad esempio un nastro di acciaio, mediante l'utilizzo di campi elettromagnetici ed eventualmente di getti di gas in modo tale da aumentare la produttività massima delle attuali linee di galvanizzazione ed al tempo stesso migliorare la qualità del prodotto finale, in particolare riducendo ed eventualmente eliminando il problema dello “splashing”.

Un ulteriore scopo dell’invenzione riguarda la possibilità di controllare efficacemente il peso del rivestimento e l'uniformità di distribuzione dello stesso.

Per raggiungere gli scopi menzionati, secondo un primo aspetto della presente invenzione, è previsto un metodo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano, definente una direzione di avanzamento in uscita da un bagno di materiale di rivestimento fuso in processi di galvanizzazione in continuo per immersione a caldo, in cui sono previsti primi mezzi di generazione di almeno un campo magnetico alternato e secondi mezzi di generazione di getti di gas, atti a produrre getti di gas diretti sulle superfici di maggiore estensione di detto prodotto, entrambi detti mezzi essendo disposti in prossimità di dette superfici, il metodo comprendente, conformemente alla rivendicazione 1, i seguenti stadi:

a) generazione di getti di gas, mediante detti secondi mezzi, in corrispondenza di una prima area ristretta lungo la larghezza del prodotto metallico, su ciascuna di dette superfici, in modo da rimuovere parte del rivestimento mediante l’azione di forze pneumatiche;

b) generazione di almeno un campo magnetico non continuo, mediante detti primi mezzi, in prossimità di dette superfici del prodotto, detto campo inducente una distribuzione di correnti indotte sulle superfici tale da produrre forze elettromagnetiche cooperanti con dette forze pneumatiche per la rimozione di parte del rivestimento, dette forze elettromagnetiche essendo distribuite su una seconda area lungo la larghezza del prodotto metallico, su ciascuna di dette superfici, comprendente detta prima area ristretta.

Un secondo aspetto dell’invenzione prevede un dispositivo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano, definente una direzione di avanzamento in uscita da un bagno di materiale di rivestimento fuso in processi di galvanizzazione in continuo per immersione a caldo, comprendente, conformemente alla rivendicazione 11, mezzi di generazione di getti di gas, atti a produrre getti di gas diretti sulle superfici di maggiore estensione di detto prodotto in corrispondenza di una prima area ristretta lungo la larghezza del prodotto metallico, in modo da rimuovere parte del rivestimento mediante l’azione di forze pneumatiche; mezzi di generazione di almeno un campo magnetico non continuo, atti a produrre forze elettromagnetiche cooperanti con dette forze pneumatiche per la rimozione di parte del rivestimento, dette forze elettromagnetiche essendo distribuite su una seconda area lungo la larghezza del prodotto metallico, su ciascuna di dette superfici, comprendente detta prima area ristretta, entrambi detti mezzi essendo disposti in prossimità di dette superfici.

Vantaggiosamente il metodo ed il dispositivo dell’invenzione prevedono l’utilizzo di induttori, alimentati in corrente alternata o pulsata, che operino eventualmente in cooperazione con le lame ad aria e producano forze elettromagnetiche che agiscano sullo strato di Zn liquido in direzione principalmente perpendicolare o parallela alla superficie del nastro ed in modo da poter sovrapporre gli effetti di queste forze sulla riduzione dello spessore di Zn con quelli gasdinamici o pneumatici.

Nel caso di forze elettromagnetiche o forze di volume agenti in direzione sostanzialmente perpendicolare alla superficie del nastro è possibile incrementare la produttività in qualità poiché, a parità di pressione totale applicata sul rivestimento di Zn, data dalla combinazione di forze magnetiche e gasdinamiche, la pressione e la portata della lama ad aria potrà essere mantenuta al di sotto dei valori critici oltre i quali si innesca il fenomeno dello “splashing”.

Nel caso di forze elettromagnetiche o forze di volume agenti, invece, in direzione sostanzialmente parallela alla superficie del nastro è possibile incrementare la produttività in qualità anche perché la distribuzione di queste forze è tale da produrre una variazione più graduale nello spessore di Zn rispetto a quella particolarmente brusca, tipica delle lame ad aria. Infatti, introducendo gradienti di campo magnetico in direzione verticale, ossia parallela al nastro, è possibile variare le forze di volume agenti sul rivestimento in maniera graduale. In questo modo si riesce ad incrementare la produttività in qualità poiché, oltre a poter aumentare la forza complessiva di rimozione del rivestimento, si mantiene il valore dell’angolo definito dalla direzione della velocità relativa aria-zinco verso il basso, rispetto alla verticale, ben al di sotto del valore dell’angolo critico per un determinato valore di pressione e portata della lama ad aria. Questo permette vantaggiosamente di impedire o comunque controllare il fenomeno indesiderato dello splashing anche ad elevate velocità di avanzamento del nastro.

Vantaggiosamente, poiché le forze elettromagnetiche agenti sul rivestimento di Zn sono proporzionali alla frequenza e alla intensità del campo magnetico imposto, è possibile ottimizzare tali parametri in modo da ottenere il massimo delle forze sullo Zn inducendo dei contenuti riscaldi nello Zn e nel nastro che favoriscono l’azione della forza di volume, in quanto rendono più fluido lo Zn liquido riducendone la viscosità cinematica e la tensione superficiale. In questo modo, inoltre, non vengono provocati surriscaldi tali da produrre problemi metallurgici al processo di rivestimento.

Con la presente invenzione si risolve pertanto anche il problema dell’accumulo di Zn sui bordi del nastro in quanto la temperatura dello Zn e del nastro risultano più uniformi sullo spessore del nastro.

Si ottiene così un nastro con uno spessore di rivestimento uniforme su tutta la sua superficie, evitando di conseguenza i problemi di bobinatura e successivamente di planarità del nastro zincato, ed i problemi di uniformità delle proprietà del rivestimento quando il nastro viene sottoposto a successivi trattamenti, ad esempio ad un trattamento di “galvannealing”. Inoltre viene ridotta al minimo la quantità di Zn necessaria ad ottenere un determinato rivestimento, con conseguenti vantaggi economici. Infine, grazie alla vantaggiosa combinazione di lame ad aria e campi magnetici generanti forze elettromagnetiche cooperanti le forze di pressione pneumatica, è possibile ridurre la pressione di alimentazione dell’aria riducendo anche i problemi legati all’ossidazione del rivestimento.

Eventualmente i campi magnetici, alternati o impulsati, possono essere applicati sia in direzione parallela che perpendicolare al nastro, in particolare nel caso di campi magnetici, prodotti dagli induttori, che non producano una saturazione magnetica del nastro di acciaio. Tali campi magnetici hanno una intensità variabile da 0,05 a 0,5 T in aria, preferibilmente minore o uguale a 0,3T.

Il metodo della presente invenzione si può applicare per controllare lo spessore di rivestimento di nastri d'acciaio in uscita da un bagno caldo, ad esempio, di zinco, leghe Zn-Fe e Zn-AI, alluminio, leghe di Al e stagno.

Breve descrizione delle Figure

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente evidenti alla luce della descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite, ma non esclusive, del metodo e del dispositivo dell’invenzione con l’ausilio delle unite tavole di disegno in cui:

la Fig. 1 rappresenta uno schema del processo di immersione di un nastro in un bagno metallico fuso con successiva applicazione di lame ad aria;

la Fig. 2a rappresenta una porzione di nastro sul quale è applicato un primo campo magnetico avente una prima direzione;

la Fig. 2b rappresenta una vista laterale del nastro con schema delle correnti indotte e delle forze di volume prodotte dal campo magnetico di Fig. 2a;

la Fig. 3 rappresenta una prima forma di realizzazione schematica del dispositivo dell’invenzione;

la Fig. 4 rappresenta una seconda forma di realizzazione schematica del dispositivo dell’invenzione;

la Fig. 5 rappresenta una terza forma di realizzazione schematica del dispositivo dell’invenzione;

la Fig. 6 rappresenta una quarta forma di realizzazione schematica del dispositivo dell’invenzione;

la Fig. 7a rappresenta una porzione di nastro sul quale è applicato un secondo campo magnetico avente una seconda direzione;

la Fig. 7b rappresenta una vista laterale del nastro con schema delle correnti indotte e delle forze di volume prodotte dal campo magnetico di Fig. 7a;

la Fig. 8 rappresenta una quinta forma di realizzazione schematica del dispositivo dell’invenzione;

la Fig. 8a rappresenta una sesta forma di realizzazione schematica del dispositivo dell’invenzione;

la Fig. 9a rappresenta una porzione di nastro sul quale sono applicati contemporaneamente due secondi campi magnetici aventi direzioni opposte;

la Fig. 9b rappresenta una vista laterale del nastro con schema delle correnti indotte e delle forze di volume prodotte dai campi magnetici di Fig. 9a;

la Fig. 10 rappresenta una settima forma di realizzazione schematica del dispositivo dell’invenzione;

la Fig. 11 rappresenta un esempio di distribuzione delle forze pneumatiche ed elettromagnetiche agenti su un nastro;

la Fig. 12 rappresenta un confronto tra risultati di simulazioni sulla riduzione dello spessore del rivestimento utilizzando solamente le lame ad aria e combinando con queste l’azione di un campo magnetico alternato; la Fig. 13 rappresenta un ulteriore esempio di distribuzione delle forze elettromagnetiche agenti su un nastro;

la Fig. 14 rappresenta una sezione di una variante del dispositivo conforme alla presente invenzione.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite deH’invenzione Uno schema del processo di zincatura di un nastro metallico per immersione in bagno caldo è illustrato in Fig. 1. Il nastro metallico 1, opportunamente pretrattato termicamente in atmosfera non ossidante/riducente, viene immerso nel bagno 2 di Zn fuso e, attraverso dei rulli 3 immersi nel bagno, viene guidato fuori dallo stesso in direzione verticale ad una predeterminata velocità.

Al di sopra del bagno 2 sono previsti, in corrispondenza di ciascun lato di maggiore estensione del nastro, mezzi di generazione di getti di gas, comprendenti ugelli o lame ad aria 4 idonei a produrre getti o lame di aria o altro gas, quale vapore o N2, e quindi forze pneumatiche per ridurre lo spessore di Zn depositato sul nastro. Tali getti agiscono in corrispondenza di una prima area ristretta lungo la larghezza del nastro, su entrambe le sue superfici 11 ; detta prime area si estende lungo la direzione di avanzamento del nastro per circa 5 mm. La pressione di alimentazione degli ugelli 4 è preferibilmente compresa tra 0,1 bar e 1 bar. Per eseguire il metodo della presente invenzione, un relativo dispositivo comprende mezzi di generazione di campi elettromagnetici non continui, alternati o impulsati, per la rimozione del materiale di rivestimento in eccesso mediante le forze elettromagnetiche indotte sugli strati di rivestimento del nastro, detti mezzi essendo eventualmente vantaggiosamente combinati con i suddetti mezzi di generazione di getti di gas.

Una prima forma di realizzazione del metodo della presente invenzione prevede la generazione di un campo magnetico B non continuo, alternato o impulsato, avente una direzione sostanzialmente parallela alla direzione di avanzamento del nastro X, ossia quella verticale, come illustrato in Fig. 2a.

Tale campo magnetico B induce delle correnti elettriche indotte 6 sia nel nastro 1, ad esempio in acciaio ferromagnetico, che negli strati di rivestimento di zinco. A causa della maggiore conducibilità elettrica dello zinco rispetto all’acciaio per predeterminati valori della frequenza, dipendenti dallo spessore del nastro e dalla condizione o meno di saturazione magnetica del nastro stesso, le correnti tendono a concentrarsi sulla superficie del rivestimento. Tali correnti 6 percorrono la superficie del rivestimento di Zn trasversalmente alla direzione di avanzamento del nastro. L’interazione tra queste correnti indotte 6 ed il campo magnetico B inducente genera forze elettromagnetiche 7 agenti sul rivestimento principalmente in senso perpendicolare alle superfici 11. Tali forze elettromagnetiche 7 agiscono sul rivestimento del nastro in modo similare alle forze pneumatiche delle lame ad aria o ugelli 4 in modo da ridurre lo spessore di Zn in corrispondenza di una seconda area sostanzialmente coincidente con la prima area ristretta, rimuovendo e rimandando indietro lo Zn in eccesso.

Per gli spessori di nastro tipici, utilizzati nel processo di zincatura, è vantaggioso utilizzare frequenze di alimentazione del campo magnetico superiori a 100 Hz ed inferiori a 500 kHz in modo da poter concentrare la corrente elettrica alla superficie del nastro e dello Zn liquido.

In particolare è preferibile per l’efficienza delle soluzioni a flusso magnetico prevalentemente verticale che il rapporto tra lo spessore del nastro e lo spessore di penetrazione della corrente nel nastro abbia un valore compreso tra 0,5 e 20. L’intensità del campo magnetico alternato è, invece, preferibilmente compresa tra 0,005 e 0,5 T in aria nel tratto compreso tra il nastro ed i poli a giogo magnetico o le bobine.

Questa prima forma di realizzazione del metodo dell’invenzione può essere realizzata mediante un dispositivo comprendente, in una prima variante, una o più bobine o avvolgimenti 8 avvolte intorno al nastro 1 ed alimentate con corrente alternata o pulsante in modo da creare un campo magnetico alternato o pulsante B longitudinale interno ad essa, come illustrato in Fig. 3. Le lame ad aria 4 sono vantaggiosamente disposte in prossimità della bobina 8, preferibilmente in corrispondenza di metà avvolgimento.

Una seconda variante del dispositivo, illustrata in Fig. 4, prevede mezzi di generazione di campi elettromagnetici comprendenti due induttori, ciascuno costituito ad esempio da uno o più avvolgimenti o bobine 9 avvolte attorno a un nucleo o giogo ferromagnetico 10, sostanzialmente a forma di C, mentre i mezzi di generazione di getti di gas comprendono per ciascun induttore una struttura di supporto e di alimentazione degli ugelli 4, comprendente un collettore di alimentazione 12 di gas e gli ugelli stessi, posti in prossimità di ciascuna superficie 11 di maggiore estensione del nastro di acciaio 1 in uscita dal bagno fuso del materiale di rivestimento.

I nuclei ferromagnetici 10, sostanzialmente a forma di C, sono del tipo a lamine oppure compatti e realizzati in materiale ferromagnetico o magneto-dielettrico o ferritico, mentre le bobine 9 sono disposte una di fronte all'altra da ciascun lato del nastro di acciaio 1 e possono essere raffreddate ad acqua. E’ previsto il controllo della frequenza del campo magnetico alternante in funzione del tipo e della qualità del rivestimento da rimuovere.

Vantaggiosamente essendo la struttura di supporto, comprendente il collettore di alimentazione 12 e gli ugelli 4, disposta all’interno dei nuclei ferromagnetici 10, la sovrapposizione dei getti di gas con la zona di azione delle forze magnetiche è sempre garantita.

Gli ugelli 4, disposti in prossimità di poli a giogo magnetico di ciascun nucleo ferromagnetico 10, possono trovarsi all'interno o all’esterno degli induttori.

Per la realizzazione del campo magnetico B alternato o pulsante, avente direzione sostanzialmente parallela alla direzione di avanzamento del nastro X, le bobine 9 sono percorse da corrente alternata o pulsante con un angolo di sfasamento tra le correnti pari a 180° in modo che sia presente solo un flusso magnetico longitudinale generato dagli anelli di flusso magnetico 13, 13’ circolanti su ciascun induttore.

Vantaggiosamente variando la disposizione, il numero delle spire lungo l’asse verticale o direzione di avanzamento del nastro, e/o la forma del giogo ferromagnetico 10 è possibile anche variare la distribuzione delle forze elettromagnetiche 7 sul rivestimento di Zn liquido in modo più graduale rispetto alla tipica distribuzione stretta prodotta dalle lame ad aria 4. In questo modo si facilita la risoluzione del problema dello “splashing" in quanto la variazione di spessore del nastro avviene in corrispondenza di una seconda area o zona, lungo la larghezza del nastro, più estesa della prima area ristretta di applicazione delle forze pneumatiche.

Ad esempio, disponendo le spire della bobina 8 in modo che siano più vicine al nastro in alto e siano via via più lontane dal nastro in basso, come illustrato in Fig. 5, e/o si abbia un numero di spire via via decrescente lungo la verticale verso il bagno di materiale di rivestimento fuso, ossia dall’alto in basso come illustrato in Fig. 6, oppure si abbiano gioghi ferromagnetici che concentrino diversamente le linee di campo, si ottengono forze elettromagnetiche 7 decrescenti nella direzione opposta a quella di avanzamento del nastro.

Nella forma di realizzazione illustrata in Fig. 5 l’angolo di apertura β della bobina 8 rispetto alla verticale è preferibilmente compreso tra 0 e 60°. Una seconda forma di realizzazione del metodo della presente invenzione prevede la generazione di un campo magnetico B’, alternato o impulsato, non uniforme avente una direzione sostanzialmente perpendicolare alla direzione di avanzamento del nastro X, ossia quella verticale, come illustrato in Fig. 7a.

Tale campo magnetico B’ induce delle correnti elettriche indotte 6’ sia nel nastro 1, ad esempio in acciaio ferromagnetico, che negli strati di rivestimento di zinco che circolano lungo la larghezza del nastro e che si chiudono lateralmente sui bordi del nastro in direzione verticale, come meglio illustrato in Fig. 7b. L’interazione tra queste correnti indotte 6’ ed il campo magnetico inducente B’ genera le forze elettromagnetiche 7’, 7” agenti sul rivestimento principalmente in direzione sostanzialmente parallela alle superfici 11. Essendo il campo magnetico B’ non uniforme vengono prodotte sulla superficie del rivestimento e del nastro forze T dirette verso il basso maggiori delle forze 7” dirette verso l’alto in modo da favorire la rimozione verso il bagno del rivestimento in eccesso.

In questo caso, per gli spessori di nastro tipici, utilizzati nel processo di zincatura, è vantaggioso utilizzare frequenze del campo magnetico superiori a 5 Hz ed inferiori a 5 kHz in modo da poter concentrare la corrente elettrica alla superficie del nastro e dello Zn liquido.

L’intensità del campo magnetico B’ è, invece, preferibilmente compresa tra 0,005 e 0,5 T in aria nel tratto compreso tra il nastro ed i poli a giogo magnetico o le bobine.

Questa seconda forma di realizzazione del metodo dell’invenzione può essere realizzata mediante un dispositivo, illustrato in Fig. 8, comprendente due induttori, ciascuno costituito ad esempio da uno o più avvolgimenti o bobine 9’ avvolte attorno a un nucleo o giogo ferromagnetico 10’. Le due parti del giogo 10’, visibili in Fig. 8, disposte ciascuna in corrispondenza di una superficie di maggiore estensione del nastro 1, sono vantaggiosamente collegate sul piano orizzontale perpendicolare al foglio in modo da chiudere e massimizzare il flusso magnetico. L’inclinazione dei poli 15 rispetto alla verticale è definita da un angolo γ vantaggiosamente compresa tra 0° e 60°.

I mezzi di generazione di getti di gas comprendono per ciascun induttore una struttura di supporto e di alimentazione di ugelli 4’, comprendente un collettore di alimentazione 12’ di gas, disposta all’esterno del giogo ferromagnetico 10’. Gli ugelli 4’ sono disposti immediatamente al di sopra di detti induttori e leggermente inclinati verso il basso in modo da far coincidere la zona del getto di gas con quella di azione delle forze elettromagnetiche. Questa soluzione permette un più facile accesso per la pulizia degli ugelli in quanto la parte superiore degli stessi risulta libera. Per concentrare e direzionare le forze su un punto preciso, pertanto, vengono vantaggiosamente applicati dei campi magnetici che variano lungo la direzione di moto del nastro ed in particolare siano più intensi nella zona dove si vuole concentrare di più le forze di riduzione dello spessore di Zn, e diminuiscano di intensità nelle zone adiacenti. Più intensa è la variazione di intensità del campo B’ lungo la direzione verticale, più è possibile concentrare le forze elettromagnetiche agenti verso il basso.

Una variante per realizzare detta seconda forma di realizzazione del metodo dell’invenzione prevede di adottare una serie o matassa di spire 70 non uniformemente distribuite del tipo illustrato in Fig. 8a. Le spire 70, disposte solo da un lato rispetto alla direzione di avanzamento del nastro, sono avvolte in modo da definire assi perpendicolari a detta direzione ed una superficie interna inclinata rispetto ad un piano verticale di un angolo di ampiezza preferibilmente compresa tra 0° e 60°.

Una ulteriore forma di realizzazione del metodo dell’invenzione è illustrata negli schemi di Figure 9a e 9b, secondo la quale un altro modo di creare forti gradienti del campo magnetico in direzione verticale, ossia parallela al nastro, tali da creare nel rivestimento le forze di volume indirizzate principalmente verso il basso è quello di incrociare due campi magnetici ortogonali B’ rispetto alle superfici 11 del nastro, aventi direzioni opposte.

In entrambi i casi delle Figure 7a, 7b e 9a, 9b, il gradiente del campo, cioè la variazione della sua intensità, in direzione verticale determina la variazione delle forze elettromagnetiche applicate sullo Zn e di conseguenza la loro azione più o meno graduale sulla riduzione dello spessore del rivestimento.

Questa terza forma di realizzazione del metodo dell’invenzione può essere realizzata mediante un dispositivo, come quello illustrato in Fig. 10, del tutto identico a quello già descritto sopra ed illustrato in Fig. 4.

Per la realizzazione del campo magnetico B’ alternato o pulsante, attraversante in direzione sostanzialmente ortogonale la direzione di avanzamento del nastro X, le bobine 9 sono percorse da corrente alternata o pulsante con un angolo di sfasamento tra le correnti pari a 0° in modo che sia presente solo un flusso magnetico attraversante due volte il nastro in versi opposti, detto flusso essendo generato dall’anello di flusso magnetico 13”comune ai due induttori.

L’utilizzo di gioghi o nuclei ferromagnetici con i poli opportunamente sagomati permette di modellare la forma del campo magnetico. In particolare l’inclinazione dei poli rispetto la direzione verticale, ossia la direzione di avanzamento del nastro, deve essere compresa tra 0° e 60° per essere efficace.

Una ulteriore variante dell’invenzione prevede, con riferimento ai dispositivi di Fig. 4 e 10, di variare l'angolo di sfasamento tra le correnti nell'intervallo ±180°, con valori diversi da 0° e 180°, per generare flussi magnetici longitudinale e trasversali rispetto alla direzione di avanzamento del nastro, aventi un'intensità intermedia compresa tra i valori minimo e massimo.

La Fig. 13 illustra la situazione che si verifica nella zona compresa tra nastro 1 ed i rispettivi poli a giogo magnetico dei nuclei o gioghi ferromagnetici 10, sostanzialmente a forma di C, nel caso in cui i campi magnetici prodotti dagli induttori non producono saturazione magnetica sul nastro (possibile se l’intensità del campo in aria < 0,3T). Vantaggiosamente, a causa delle proprietà ferromagnetiche del nastro di acciaio, le linee di campo magnetico B’ alla superficie del nastro, e quindi nello strato sottile di Zn, sono perpendicolari al nastro nella zona di ingresso e di uscita del nastro dagli induttori. La componente di campo magnetico B’ perpendicolare al nastro reagisce con le correnti indotte sul piano dello spessore di Zn in modo da produrre forze 7’ dirette vantaggiosamente verso il basso che contribuiscono l’asportazione più graduale del rivestimento limitando dunque il fenomeno dello splashing. La componente di campo magnetico B parallela al nastro reagisce, invece, con le correnti indotte che percorrono la superficie del rivestimento di Zn trasversalmente alla direzione di avanzamento del nastro. L’interazione tra queste correnti indotte ed il campo magnetico B inducente genera forze elettromagnetiche 7 agenti sul rivestimento principalmente in senso perpendicolare alle superfici 11. Tali forze elettromagnetiche 7 agiscono sul rivestimento del nastro in modo similare alle forze pneumatiche delle lame ad aria o ugelli 4 in modo da ridurre lo spessore di Zn in corrispondenza di un’area sostanzialmente coincidente con l’area ristretta di azione di dette forze pneumatiche, rimuovendo e rimandando indietro lo Zn in eccesso.

Con riferimento ai dispositivi illustrati nelle Figure 4 e 10, una variante può prevedere che il nucleo o giogo magnetico 10 possa svolgere anche la funzione di “lama d’aria”. Ciò è possibile in quanto le espansioni polari o poli magnetici 14’, 14” possono essere sagomate opportunamente per definire gli ugelli 4 atti a generare dei getti di gas, come nell’esempio di Fig. 14. In tale variante sono vantaggiosamente previste delle paratie 30, o slots, in corrispondenza della sezione d’ingresso di detti ugelli 4 che hanno lo scopo di equalizzare la portata all’interno degli ugelli stessi. Gli ugelli 4, in questo caso, sono pertanto definiti dalla configurazione delle espansione polari 14’, 14” e presentano una luce di passaggio che, in sezione trasversale (Fig. 14), ha una forma rastremata andando verso la direzione di avanzamento del nastro. Nella forma di realizzazione di Fig. 14, in particolare, detta luce di passaggio comprende due tratti rastremati successivi definenti direzioni incidenti tra loro. In tal caso la distanza tra i poli a giogo magnetico 14’, 14”, rispettivamente superiore ed inferiore, è compresa tra 0,5 e 5 mm.

Vantaggiosamente, per ridurre il riscaldamento per induzione della struttura di supporto e di alimentazione delle lame di gas, disposta all’interno di ciascun nucleo ferromagnetico 10 e comprendente il collettore 12 ed eventualmente gli ugelli 4, può essere previsto almeno uno schermo ad alta conducibilità elettrica, disposto tra detta struttura ed il nucleo 10, che adempie a due funzioni:

- impedire il surriscaldamento per induzione della lama d'aria,

- e concentrare il flusso magnetico direttamente nella zona dove il getto di gas agisce.

Schermi supplementari ad alta conducibilità elettrica possono essere previsti, disposti esternamente a ciascun nucleo ferromagnetico ed in prossimità dei poli dei gioghi magnetici, per ridurre il riscaldamento per induzione sul nastro 1 e sullo strato di rivestimento 11, quando le temperature diventano eccessive per il processo. Mediante questo opportuno posizionamento degli schermi esterni si può limitare la diminuzione del flusso magnetico nella zona dove il getto di gas agisce per mantenere l'efficacia del sistema di rimozione del materiale di rivestimento in eccesso.

Detti schermi agiscono anche come concentratori di campo magnetico nello spazio tra nastro e nucleo magnetico aumentando in parte l’efficacia locale di azione di detto campo sul nastro.

Secondo una ulteriore variante, i suddetti schermi elettromagnetici, interni o esterni ai nuclei magnetici, possono essere sagomati in modo tale da costituire essi stessi gli ugelli per i getti di gas. In questo caso, quindi, gli ugelli saranno definiti dalla configurazione degli schermi elettromagnetici.

In Fig. 11 è mostrato un esempio di distribuzione della forza di volume o di Lorentz 20 ottenibile imponendo un campo magnetico alternato a 200Hz confrontato con la forza pneumatica di pressione 21 generata da una lama ad aria. Si può osservare che la distribuzione delle forze di volume 20 generate dal campo magnetico variabile non è concentrata in un ridotto spazio come le forze pneumatiche 21, tipicamente agenti su una area di altezza di circa 5 mm, ma è molto più estesa. In Fig. 11 le forze di volume 20 si estendono per circa 300 mm lungo il nastro. Questo fatto favorisce una più graduale variazione dello spessore di Zn sul nastro. Inoltre è possibile sovrapporre le zone di azione dei campi magnetici alternati e delle forze pneumatiche, tenendo conto della natura delle sorgenti del campo magnetico variabile, senza necessità di inclinare il getto del gas e quindi massimizzandone l’azione e riducendo lo sforzo di taglio che è pericoloso per l’innesco del fenomeno di “splashing”.

In Fig. 12 sono mostrati i risultati di una simulazione sulla riduzione dello spessore del rivestimento sia utilizzando solamente le lame ad aria che combinandole con l’azione di un campo magnetico alternato. Si può osservare che l’effetto del campo magnetico aggiuntivo (linea 22) è in grado sia di diminuire lo spessore finale rispetto a quello ottenibile con la sola lama ad aria (linea 23), che di provocare una riduzione più graduale dello spessore che non inneschi il fenomeno dello “splashing".

Così sovrapponendo le forze gasdinamiche o pneumatiche, concentrate sotto il getto di gas, e le forze elettromagnetiche distribuite più gradualmente lungo il nastro è possibile operare una riduzione più graduale dello spessore dello Zn in modo da poter operare in tutte le condizioni operative di “wiping” con angoli inferiori a quello critico per il quale si verifica il fenomeno indesiderato dello “splashing".

Vantaggiosamente il metodo dell’invenzione consente di operare con una velocità di avanzamento del nastro compresa tra 1 e 5 m/s.

Un ulteriore vantaggio è dato dal fatto che il riscaldamento indotto dalle correnti 6, 6’ è tale da contrastare l’effetto di raffreddamento dovuto all’azione dei getti di gas o lame ad aria, per cui le lame ad aria o ugelli 4, 4’ devono essere previste al di sopra o al massimo in corrispondenza della zona di impatto di detti getti. In tal modo si riesce a mantenere il nastro in movimento ad una temperatura sostanzialmente uguale a quella di uscita dal bagno 2 fino a raggiungere la zona di impatto dei getti, evitando così la solidificazione superficiale dello zinco in prossimità degli ugelli. Infatti, la superficie del nastro che potrebbe essere sottoposta al rischio di solidificazione è quella appena al di sotto degli ugelli, ossia al di sotto della zona di impatto dei getti di aria, avente una larghezza circa pari a quella del nastro ed un’altezza variabile da qualche millimetro a 10 mm corrispondente al picco di pressione del getto di gas.

Infine, una variante del metodo dell’invenzione prevede soltanto l’utilizzo dei mezzi di generazione di campi elettromagnetici, senza pertanto prevedere l’utilizzo di lame ad aria per la rimozione del materiale di rivestimento in eccesso. Quest’ultima variante può essere utilizzata vantaggiosamente per velocità di avanzamento del nastro fino a circa 2 m/s, con il vantaggio di poter ovviare ai problemi legati all’utilizzo delle lame ad aria ottenendo così una qualità superiore.

Claims (21)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano, definente una direzione di avanzamento in uscita da un bagno di materiale di rivestimento fuso in processi di galvanizzazione in continuo per immersione a caldo, in cui sono previsti primi mezzi di generazione di almeno un campo magnetico alternato e secondi mezzi di generazione di getti di gas, atti a produrre getti di gas diretti sulle superfici (11) di maggiore estensione di detto prodotto, entrambi detti mezzi essendo disposti in prossimità di dette superfici, il metodo comprendente i seguenti stadi: a) generazione di getti di gas, mediante detti secondi mezzi, in corrispondenza di una prima area ristretta lungo la larghezza del prodotto metallico, su ciascuna di dette superfici, in modo da rimuovere parte del rivestimento mediante l’azione di forze pneumatiche; b) generazione di almeno un campo magnetico non continuo (B, B’), mediante detti primi mezzi, in prossimità di dette superfici del prodotto, detto campo inducente una distribuzione di correnti indotte sulle superfici tale da produrre forze elettromagnetiche cooperanti con dette forze pneumatiche per la rimozione di parte del rivestimento, dette forze elettromagnetiche essendo distribuite su una seconda area lungo la larghezza del prodotto metallico, su ciascuna di dette superfici, comprendente detta prima area ristretta.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui il campo magnetico è alternato o impulsato (B), uniforme ed ha una direzione sostanzialmente parallela alla direzione di avanzamento del prodotto in modo tale che le forze elettromagnetiche prodotte (7) agiscano sul materiale di rivestimento principalmente in direzione perpendicolare alle superfici (11) in corrispondenza di detta seconda area sostanzialmente coincidente con detta prima area ristretta.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui detto almeno un campo magnetico è alternato o impulsato (B’), non uniforme ed ha una direzione sostanzialmente perpendicolare alla direzione di avanzamento del prodotto in modo tale che le forze elettromagnetiche prodotte (7’) agiscano sul materiale di rivestimento principalmente in direzione parallela alle superfici (11) in corrispondenza di detta seconda area che ha una estensione maggiore della prima area lungo detta direzione di avanzamento.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 2, in cui detto campo magnetico alternato ha una frequenza di alimentazione tale da ottenere un predeterminato rapporto tra spessore del prodotto metallico e spessore di penetrazione delle correnti indotte nel prodotto stesso, preferibilmente compreso tra 0, 5 e 20.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui detta frequenza di alimentazione è compresa tra 100 Hz e 500 kHz.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 5, in cui detto campo magnetico ha una intensità compresa tra 0,005 e 0,5 T.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui sono generati due campi magnetici (B’) aventi direzioni sostanzialmente perpendicolari alla direzione di avanzamento del prodotto ed opposte tra loro.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui la frequenza di alimentazione del campo magnetico è superiore a 5 Hz ed inferiore a 5 kHz.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui detto campo magnetico ha una intensità compresa tra 0,005 e 0,5 T.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui è prevista la variazione dell’angolo di sfasamento tra le correnti generanti detto almeno un campo magnetico non continuo (B, B’) nell'intervallo ±180°, con valori diversi da 0° e 180°, per generare flussi magnetici longitudinale e trasversali rispetto alla direzione di avanzamento del prodotto.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui, nel caso di campi magnetici prodotti dai primi mezzi che non producano saturazione magnetica sul prodotto metallico piano, nella zona compresa tra direzione di avanzamento del prodotto e detti primi mezzi, vengono prodotte prime forze elettromagnetiche (7) agenti sul materiale di rivestimento principalmente in direzione perpendicolare alle superfici (11) e seconde forze elettromagnetiche (7’) agenti sul materiale di rivestimento principalmente in direzione parallela alle superfici (11) in modo da contribuire ad una rimozione più graduale del rivestimento.
12. 12. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la velocità di avanzamento del prodotto metallico è compresa tra 1 e 5 m/s.
13. 13. Dispositivo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano, definente una direzione di avanzamento (X) in uscita da un bagno di materiale di rivestimento fuso in processi di galvanizzazione in continuo per immersione a caldo, comprendente mezzi di generazione di getti di gas, atti a produrre getti di gas diretti sulle superfici (11) di maggiore estensione di detto prodotto in corrispondenza di una prima area ristretta lungo la larghezza del prodotto metallico, in modo da rimuovere parte del rivestimento mediante l'azione di forze pneumatiche; mezzi di generazione di almeno un campo magnetico non continuo (B, B’), atti a produrre forze elettromagnetiche cooperanti con dette forze pneumatiche per la rimozione di parte del rivestimento, dette forze elettromagnetiche essendo distribuite su una seconda area lungo la larghezza del prodotto metallico, su ciascuna di dette superfici, comprendente detta prima area ristretta, entrambi detti mezzi essendo disposti in prossimità di dette superfici.
14. 14. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui detti mezzi di generazione di almeno un campo magnetico comprendono una o più bobine (8) avvolte intorno alla direzione di avanzamento (X).
15. 15. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui le spire della bobina (8) definiscono un angolo di apertura (β) della bobina stessa rispetto alla verticale, preferibilmente compreso tra 0 e 60°, in modo da ottenere forze elettromagnetiche (7) decrescenti nella direzione opposta a quella di avanzamento del prodotto metallico.
16. 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui il numero di spire della bobina (8) è decrescente lungo la verticale verso il bagno di materiale di rivestimento fuso, in modo da ottenere forze elettromagnetiche (7) decrescenti nella direzione opposta a quella di avanzamento del prodotto metallico.
17. 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui detti mezzi di generazione di getti di gas comprendono ugelli (4) disposti in prossimità della una o più bobine (8).
18. 18. Dispositivo secondo la rivendicazione 13, in cui detti mezzi di generazione di almeno un campo magnetico comprendono due induttori, comprendente una o più bobine (9, 9’) avvolte attorno a un giogo ferromagnetico (10, 10’).
19. 19. Dispositivo secondo la rivendicazione 18, in cui detti mezzi di generazione di getti di gas comprendono per ciascun induttore una struttura di supporto e di alimentazione di ugelli (4, 4’), comprendente un collettore di alimentazione (12, 12’) di gas, disposta all’interno o all’esterno del rispettivo giogo elettromagnetico.
20. 20. Dispositivo secondo la rivendicazione 19, in cui detti ugelli (4, 4’) sono disposti in prossimità di poli a giogo magnetico di ciascun giogo ferromagnetico (10, 10’), all'interno o all’esterno degli induttori.
21. 21. Dispositivo secondo la rivendicazione 20, in cui detti poli del giogo ferromagnetico (10’) hanno una superficie inclinata rispetto alla direzione di avanzamento del prodotto metallico compresa tra 0° e 60°.