ITMI20071166A1 - 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 dal bagno in direzione verticale.

La quantità di Zn liquido estratto dal nastro nel passaggio attraverso il bagno fuso è determinata daN’equilibrio della forza gravitazionale con le forze viscose, e Io spessore dello strato di Zn 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 lo 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 d'aria, in inglese note come “air-knives”, o di altro gas, usualmente vapore d’acqua 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.

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.

Esiste, però, una velocità limite di avanzamento del nastro oltre la quale sulla superficie dello strato liquido di rivestimento si innescano instabilità ed onde fino al distacco di gocce o particelle 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 sia per la sicurezza ambientale a causa delle polveri rilasciate, e rappresenta una delle principali cause che limitano la velocità del nastro e quindi la produttività degli attuali impianti di zincatura.

Un altro problema è dovuto alla 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 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) le quali 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 e un mantenimento per un tempo opportuno 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.

Un limite della tecnologia a lame d’aria è rappresentato anche dal fatto che il flusso d’aria produce una ossidazione del rivestimento che è tanto più intensa quanto maggiori 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 risolvere questo inconveniente, riescono solo parzialmente ad ovviare al problema e comunque a costi maggiori rispetto alle classiche lame ad aria.

Un altro limite di questa tecnologia 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 ulteriore limite riguarda la pressione dell'aria, o del gas, che deve essere mantenuta entro certi limiti onde evitare di raggiungere velocità supersoniche deN’aria con conseguenti problemi di vibrazione, battimenti e instabilità nella posizione del nastro, e rumore eccessivo nell’impianto. In conseguenza di ciò, nel caso in cui sia fissato lo spessore finale del rivestimento ad un valore relativamente ridotto, non potendo aumentare troppo la pressione dell’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.

Al fine di risolvere almeno alcuni dei problemi sopra descritti sono state proposte diverse soluzioni che utilizzano campi magnetici per ridurre lo spessore del rivestimento.

Se implementate da sole queste soluzioni magnetiche, pur risolvendo in molti casi alcuni dei problemi sopra descritti, non riescono però ad incrementare la produttività massima attuale delle linee di zincatura, poiché la forza di volume prodotta da tali dispositivi sullo strato di Zn, di intensità tale da non provocare problemi di surriscaldo dello Zn e del nastro, è al massimo pari a quella generata dagli attuali sistemi pneumatici utilizzati sulle linee di zincatura.

In alternativa, sono state proposte soluzioni che prevedono l’utilizzo combinato di campi magnetici e lame ad aria. Anche queste soluzioni combinate presentano però degli svantaggi.

Un esempio di queste soluzioni combinate è descritto nel documento JP61227158 in cui è prevista l’iniezione diretta di correnti sul nastro in moto, in direzione della sua larghezza, e l’azione di un campo magnetico indotto agente perpendicolarmente alla superficie del nastro. Tale soluzione è di difficile applicazione pratica perché comporta diversi problemi di contatto tra la parte mobile, ossia il nastro, e quella ferma, rappresentata dagli elettrodi. C'è quindi la possibilità di danneggiare il nastro che deve potersi muovere ad alta velocità.

Inoltre, la sovrapposizione del getto di gas con la zona di azione delle forze magnetiche si può ottenere solamente inclinando il getto del gas verso detta zona di azione e, quindi, riducendo la forza di pressione sullo strato di Zn e aumentando lo sforzo di taglio con il conseguente aumento del rischio di indurre instabilità superficiali e dunque il fenomeno indesiderato dello “splashing”.

E’ sentita quindi 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 congiunto di campi elettromagnetici e di getti di gas in modo tale da aumentare la produttività massima delle attuali linee di galvanizzazione.

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

Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di ridurre ed eventualmente eliminare il problema dello “splashing”.

Un ultimo scopo della presente invenzione è quello di controllare e ridurre al minimo le oscillazioni del nastro indotte dall'operazione di rimozione del rivestimento in eccesso.

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 due induttori ciascuno alimentato con corrente non continua a fase singola, aventi nuclei magnetici, sostanzialmente a forma di C, e avvolgimenti, avvolgenti detti nuclei, disposti su ciascun lato di detto prodotto metallico piano in corrispondenza delle sue superfici di maggiore estensione, atti a produrre forze elettromagnetiche indotte su detto prodotto metallico piano e cooperanti con ugelli atti a produrre almeno un getto di gas diretto su almeno una delle superfici di detto prodotto metallico piano, che, conformemente alla rivendicazione 1, comprende gli stadi di:

a) soffiàggio di getti di gas attraverso gli ugelli su una zona di impatto delle superfici del prodotto metallico piano coperte dal materiale di rivestimento fuso dopo l'uscita da una immersione in detto bagno, b) attivazione di almeno uno di detti induttori e produzione di dette forze elettromagnetiche in modo tale che esse agiscano su detta zona di impatto per rendere più efficiente l'azione di rimozione del materiale da parte di detti getti di gas e per controllare l'oscillazione del prodotto metallico piano.

Un secondo aspetto dell’invenzione prevede un dispositivo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano, idoneo a definire una direzione di avanzamento in uscita da un bagno di materiale di rivestimento in processi di galvanizzazione in continuo per immersione a caldo, che, conformemente alla rivendicazione 14, comprende

- due induttori alimentabili con corrente non continua a fase singola, disposti rispettivamente in corrispondenza delle superfici di maggiore estensione del prodotto metallico piano, ciascuno avente un nucleo magnetico, sostanzialmente a forma di C, ed almeno un avvolgimento, avvolgente detto nucleo, atto a produrre forze elettromagnetiche agenti su almeno una superficie del prodotto metallico piano,

- ugelli, rispettivamente cooperanti con detti induttori, atti a produrre almeno un getto di gas agente su almeno una superficie del prodotto metallico piano,

caratterizzato dal fatto che sono previsti all'interno di ciascun induttore mezzi di alimentazione di detti ugelli in modo tale che l’azione di detto almeno un getto di gas e di dette forze elettromagnetiche sia concentrata su una stessa zona di impatto della superficie del prodotto metallico piano per rendere più efficiente l'azione di rimozione del materiale di rivestimento in eccesso e per controllare l'oscillazione del nastro stesso. Il metodo dell'invenzione prevede di utilizzare un campo magnetico non continuo, alternato o impulsato, che insiste su entrambi gli strati di materiale fuso del rivestimento e sul nastro. In particolare, le componenti spaziali della forza elettromagnetica prodotta dal campo magnetico non continuo che sono orientate verso il basso, cioè tangenzialmente lungo la superficie del nastro, insieme a quelle trasversali, cioè dirette ortogonalmente rispetto a detta superficie, sono usate vantaggiosamente per rimuovere il materiale di rivestimento in eccesso dal nastro di acciaio che si muove verso l'alto in uscita dal bagno di materiale fuso. Inoltre, le componenti trasversali della forza elettromagnetica sono utilizzate per il controllo dell'oscillazione del nastro e per mantenere quest'ultimo allineato al centro dell'interspazio di operazione. Vantaggiosamente vengono così evitate l’oscillazione o la deformazione del nastro durante l'avanzamento dello stesso.

In tal modo la combinazione del campo magnetico non continuo, generante le forze elettromagnetiche, e dei getti di gas produce la forza necessaria alla rimozione efficace del rivestimento in eccesso, unitamente al controllo delle oscillazioni del nastro nella zona di rimozione per favorire l'uniformità dello spessore di rivestimento.

Vantaggiosamente la distribuzione più graduale di dette forze elettromagnetiche rispetto a quelle pneumatiche riduce fino a risolvere il problema dello “splashing”.

Inoltre, grazie al campo magnetico non continuo, si genera vantaggiosamente un riscaldamento per induzione del nastro e del materiale di rivestimento direttamente nella zona di azione dei getti di gas, evitando così un raffreddamento intensivo del materiale di rivestimento da parte del gas e il rischio di una sua solidificazione prematura. Il riscaldamento per induzione, oltre che aumentare la temperatura superficiale del materiale di rivestimento, vantaggiosamente ne diminuisce la tensione superficiale e la viscosità. Così, grazie al riscaldamento per induzione e all'azione congiunta dei getti di gas e delle forze elettromagnetiche, si ottiene un rivestimento di spessore molto più sottile e uniforme anche a velocità produttive superiori a quelle attuali.

Secondo la presente invenzione si possono ricoprire, ad esempio, nastri d'acciaio con 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 illustra una sezione dell'intero dispositivo conforme alla presente invenzione;

la Fig. 2 illustra le distribuzioni del campo magnetico nella zona di operazione per due valori estremi dello sfasamento tra i flussi magnetici negli induttori sinistro e destro (in relazione alla Fig. 1);

la Fig. 3 illustra una sezione di una variante dell'intero dispositivo conforme alla presente invenzione;

la Fig. 4 illustra l'andamento di forze elettromagnetiche che sono generate per asportare il materiale di rivestimento in eccesso;

la Fig. 5 illustra l'andamento dello spessore del rivestimento per diversi sfasamenti negli avvolgimenti degli induttori sinistro e destro e nel caso in cui non sia prevista l’attivazione di detti induttori;

la Fig. 6 illustra una distribuzione dei campi, delle correnti indotte e delle forze elettromagnetiche sul nastro e sugli strati di rivestimento, idonee sia per rimuovere l'eccesso di materiale di rivestimento dal nastro che per stabilizzare il nastro nell'interspazio tra gli induttori;

la Fig. 7 illustra un grafico relativo ai mezzi che producono un cambio di direzione delle forze elettromagnetiche che tengono il nastro al centro dell'interspazio magnetico;

la Fig. 8 illustra un grafico con l'andamento del riscaldamento massimo per induzione del materiale di rivestimento e del nastro nella zona attiva; la Fig. 9 illustra una sezione trasversale di un'altra variante dell'invenzione con schermi elettromagnetici all'interno e all'esterno degli induttori; la Fig. 10 illustra l’effetto dello schermo elettromagnetico interno sulla temperatura dei getti di gas;

la Fig. 11 illustra una distribuzione del posizionamento dei sensori per rilevare la posizione del nastro.

Descrizione dettagliata di forme di realizzazione preferite dell’invenzione Con riferimento alla Figura 1, il dispositivo conforme alla presente invenzione comprende mezzi di generazione· di campi elettromagnetici non continui, per la rimozione del materiale di rivestimento in eccesso mediante le forze elettromagnetiche indotte sugli strati di rivestimento, detti mezzi essendo vantaggiosamente combinati con mezzi di generazione di getti di gas, per esempio aria, per la rimozione del materiale di rivestimento in eccesso anche mediante forze fluidodinamiche.

In particolare, i mezzi di generazione di campi elettromagnetici comprendono due induttori, ciascuno costituito ad esempio da due avvolgimenti o bobine 5 avvolte attorno a un nucleo 4, sostanzialmente a forma di C, mentre i mezzi di generazione di getti di gas comprendono per ciascun induttore mezzi di supporto e/o di alimentazione di ugelli 2, comprendenti un collettore di alimentazione 1 di gas e gli ugelli stessi, posti in prossimità di ciascuna superficie di maggiore estensione del nastro di acciaio 3 in uscita dal bagno fuso del materiale di rivestimento. La pressione di alimentazione degli ugelli è preferibilmente compresa tra 0,1 bar e 1 bar.

I nuclei 4, sostanzialmente a forma di C, sono del tipo a lamine, oppure compatti, in materiale ferromagnetico o magneto-dielettrico o ferritico, mentre le bobine 5 sono disposte una di fronte all'altra da ciascun lato del nastro di acciaio 3 e sono raffreddate ad acqua. E’ vantaggiosamente previsto il controllo della frequenza del campo magnetico alternante in funzione del tipo e della qualità del rivestimento da rimuovere.

In accordo con la presente invenzione, l'insieme del dispositivo costituito dagli induttori unitamente al collettore 1 e agli ugelli di gas 2 può essere inclinato secondo angoli differenti e spostato in direzione del nastro tramite opportuni mezzi di movimentazione. La variazione deN'orientamento dì induttori ed ugelli, che può avvenire in modo solidale oppure in maniera disaccoppiata, consente di modificare le condizioni di rimozione del rivestimento in eccesso.

Vantaggiosamente essendo i mezzi di supporto e/o alimentazione, comprendenti il collettore di alimentazione 1 e gli ugelli 2, disposti all’interno dei nuclei ferromagnetici 4, la sovrapposizione dei getti di gas con la zona di azione delle forze magnetiche è sempre garantita senza prevedere alcuna riduzione della forza di pressione pneumatica sullo strato del rivestimento di Zn ed alcun aumento dello sforzo di taglio che causerebbero il fenomeno indesiderato dello “splashing”. Gli ugelli 2, disposti in prossimità di poli a giogo magnetico 14', 14” di ciascun nucleo ferromagnetico 4, possono trovarsi all'interno o all’esterno degli induttori.

Vantaggiosamente l'effetto combinato delle forze elettromagnetiche indotte e delle forze fluidodinamiche dei getti di gas consente di aumentare l'efficienza di riduzione dello spessore di rivestimento, rispetto alle sole lame di gas, e di ottenere uno strato di materiale di rivestimento 11 più uniforme e sottile. Infatti attraverso gli induttori del dispositivo dell'invenzione è possibile:

• impedire il raffreddamento e la prematura solidificazione degli strati di rivestimento 11 grazie al riscaldamento per "effetto Joule" del nastro 3 e degli strati di rivestimento 11 generato dalle correnti parassite indotte; • ridurre la viscosità e la tensione superficiale dello strato di rivestimento, ancora liquido, sempre per "effetto Joule", agevolando il compito di rimozione del materiale in eccesso da parte delle lame di gas.

Le lame di gas, a loro volta, svolgono vantaggiosamente la funzione di controllo della temperatura impedendo un eccessivo riscaldamento per induzione sia degli strati di rivestimento 11 sia del nastro di acciaio 3. In tal modo, quindi, le correnti indotte non surriscaldano mai gli strati di rivestimento 11 e il nastro di acciaio 3, evitando così una saturazione indesiderata e una perdita delle proprietà ferromagnetiche del nastro. Poiché le proprietà ferromagnetiche vengono preservate grazie al raffreddamento prodotto dal gas, il nastro di acciaio 3 concentra il flusso magnetico sulla propria superficie, più precisamente sull'interfaccia tra lo strato di rivestimento e il nastro, ed in questo modo le forze elettromagnetiche sono incrementate molte volte rendendo maggiormente efficiente l'effetto di rimozione del materiale di rivestimento in eccesso.

In accordo con la presente invenzione, è vantaggioso alimentare le bobine 5 con una corrente alternata di frequenza media di valore compreso nell'intervallo da 50 a 5000 Hz; con tale intervallo di frequenza è possibile mantenere inalterate le proprietà ferromagnetiche del nastro di acciaio, ottenere una forza elettromagnetica sufficientemente intensa per rimuovere il materiale di rivestimento in eccesso e mantenere il nastro allineato nella posizione centrale nell'interspazio magnetico 13.

In accordo con una variante, l'invenzione prevede la possibilità di utilizzare singolarmente i soli mezzi di generazione di campi elettromagnetici.

Quando gli induttori sono preferibilmente usati congiuntamente con le lame di gas, per concentrare la potenza elettromagnetica nella zona di impatto del gas sul nastro, la distanza tra i poli o espansioni polari a giogo magnetico 14’, 14”, rispettivamente superiore ed inferiore, dei nuclei ferromagnetici 4, cioè la distanza tra i rami comuni del flusso magnetico, è tanto piccola quanto lo permettono gli ugelli 2 generanti la lama di gas, disposti vantaggiosamente all'interno o all’esterno degli induttori in prossimità di detti poli 14’, 14”. Tale distanza è preferibilmente compresa tra 15 e 100 mm.

In accordo con un’altra variante illustrata in Figura 3, il giogo magnetico svolge esso stesso anche la funzione di “lama d’aria”. Ciò è possibile in quanto le espansioni polari o poli 14’ e 14” sono sagomate opportunamente per definire gli ugelli 2 atti a generare dei getti di gas. In tale variante sono vantaggiosamente previste delle paratie 30, o slots, in corrispondenza della sezione d’ingresso di detti ugelli 2 che hanno lo scopo di equalizzare la portata all’interno degli ugelli stessi. Gli ugelli 2, in questo caso, sono pertanto definiti dalla configurazione delle espansione polari 14’, 14” e presentano una luce di passaggio che, in sezione trasversale (Fig. 3), ha una forma rastremata andando verso la direzione di avanzamento del nastro. Nella forma di realizzazione di Fig. 3, 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.

In questa variante i mezzi di generazione di campi elettromagnetici comprendono due induttori, ciascuno costituito ad esempio da un avvolgimento o bobina 5 avvolta attorno al nucleo 4, come illustrato in Fig. 3, sostanzialmente a forma di C. All’interno di ciascun nucleo 4 sono previsti i mezzi di alimentazione degli ugelli, comprendenti un collettore non illustrato.

La Fig. 2 mostra, con riferimento alla variante di Fig. 1, le linee di flusso magnetico 15 generato dalle bobine 5 nel nucleo ferromagnetico 4 e al di fuori del nucleo (flusso disperso).

Ogni induttore crea un proprio anello di flusso magnetico 152, 153 che si chiude tra coppie di poli 14’, 14” del nucleo ferromagnetico 4, come illustrato nella parte destra della Fig. 2, e un anello comune 151 di flusso magnetico abbracciante entrambi i nuclei ferromagnetici 4, come illustrato nella parte sinistra della Fig. 2. Così il flusso magnetico 152, 153 proprio di ogni induttore passa lungo entrambe le superfici del nastro 3 in direzione sostanzialmente verticale (parte destra di Fig. 2), cioè tangenzialmente alle superfici, e contemporaneamente l’anello di flusso magnetico comune 151, che scorre tra i due induttori, passa due volte attraverso il nastro di acciaio 3, con direzione sostanzialmente perpendicolare alle superfici 11 del nastro 3 e verso opposto secondo le frecce 18', 18", visibili in Fig. 6, rispettivamente nella zona dei poli magnetici superiori 14’ e nella zona dei poli magnetici inferiori 14”.

La Fig. 6 mostra che la componente del flusso magnetico orientata perpendicolarmente al nastro 3 induce nel nastro due anelli di corrente indotta 17’, 17” i quali circondano rispettivamente il flusso magnetico indicato con le frecce 18’, 18". Questi due anelli di corrente 17’ e 17” si uniscono nella zona di impatto 12 dei getti di gas, ad esempio aria, fino eventualmente a sovrapporsi. Grazie all'interazione di queste correnti indotte 17’, 17” con il flusso magnetico 18’, 18” si producono forze elettromagnetiche (forze di Lorentz) longitudinali, rispettivamente orientate verso l'alto 20’ e verso il basso 20”. Le forze elettromagnetiche orientate verso il basso 20” producono un effetto di taglio e quindi di rimozione del materiale di rivestimento in eccesso.

Poiché le forze elettromagnetiche 20” sono generate dall'interazione dell'anello di corrente 17’ con il flusso magnetico 18", per massimizzarne l’intensità la forma dei due poli del giogo magnetico 14’, 14” è, in entrambe le varianti, rastremata ed ottimizzata per aumentare al massimo l'intensità di corrente nell'anello 17’ e per concentrare il flusso magnetico 18" sul nastro 3 e sugli strati di rivestimento 11. In questo modo le indesiderabili forze elettromagnetiche dirette verso l'alto 20’, prodotte dall'interazione dell'anello di corrente 17” con i flussi magnetici 18’ e 18”, sono ridotte notevolmente fino quasi ad annullarsi.

Allo stesso tempo le forze elettromagnetiche dirette verso il basso 20” hanno una distribuzione tale da produrre una riduzione più graduale dello strato di Zn rispetto a quella che si produrrebbe per sola azione pneumatica in modo da risolvere il problema dello “splashing”.

L'interazione degli anelli di corrente 17’, 17” con il flusso magnetico 19 di ciascun nucleo ferromagnetico 4 (associato agli anelli di flusso magnetico 152, 153 visibili in Fig. 2) produce le forze elettromagnetiche 21, aventi un orientamento perpendicolare alle superfici del nastro, come illustrato in Fig. 6.

Se lo spessore globale del nastro 3 e degli strati di rivestimento 11 è paragonabile alla profondità di penetrazione del flusso magnetico nei materiali il flusso magnetico 19 proprio di ciascun induttore induce un anello di corrente 22 che circonda il nastro 3 e gli strati di rivestimento 11. L'interazione tra le correnti 22 e il flusso elettromagnetico 19 crea forze elettromagnetiche 23’, 23” trasversali, sostanzialmente perpendicolari, sia al nastro 3 che agli strati di rivestimento 11.

Il gradiente delle forze elettromagnetiche 23’, 23” produce anche un effetto di taglio per rimuovere il materiale di rivestimento in eccesso dal nastro 3. Dalla differenza tra le forze 23’ e 23” può essere generata una forza risultante perpendicolare al nastro 3.

Vantaggiosamente la forma rastremata dei due poli a giogo magnetico 14’, 14” è tale da massimizzare anche le forze elettromagnetiche che agiscono perpendicolarmente al nastro 3.

Quando gli induttori sono usati in combinazione con le lame d'aria, si possono ottenere migliori risultati in termini di riduzione degli strati di rivestimento 11 mediante la sovrapposizione delle forze elettromagnetiche 20” dirette verso il basso e del gradiente massimo delle forze elettromagnetiche 23’, 23” con la zona di impatto 12 dei getti di gas.

In Fig. 4 è rappresentato un grafico dell’andamento delle forze elettromagnetiche longitudinali 20’, 20” e trasversali 23’, 23” che compaiono negli strati di rivestimento 11 come risultato dell'applicazione di un campo magnetico alternante oppure impulsato quando i due induttori generano il flusso magnetico comune. Nell’asse delle ordinate è rappresentata la densità di queste forze elettromagnetiche o forze di Lorentz in N/m<3>; nell’asse delle ascisse è rappresentata invece la coordinata spaziale lungo la direzione di avanzamento verticale del nastro.

La relazione tra il proprio flusso magnetico longitudinale 19 e i flussi magnetici trasversali comuni 18’, 18” nei due induttori cambia in funzione dello sfasamento tra le correnti negli avvolgimenti di ciascun induttore. Quando le correnti negli avvolgimenti dei due induttori, sinistro e destro, sono in coincidenza di fase, ossia lo sfasamento delle correnti è Δφ=0 (come illustrato nella Fig. 2 a sinistra), i flussi magnetici 18’, 18” si uniscono in un anello comune 151 di flusso magnetico, le forze elettromagnetiche longitudinali 20’, 20” raggiungono il loro massimo come pure il riscaldamento per induzione del nastro.

Quando le correnti negli avvolgimenti degli induttori, sinistro e destro, sono in controfase, ossia lo sfasamento delle correnti è Δφ=180° (come illustrato nella Fig. 2 a destra), l'anello di flusso magnetico 151 scompare e rimane presente solo il proprio flusso magnetico longitudinale 19, generato dagli anelli 152, 153 di flusso magnetico. In questo caso il riscaldamento per induzione del nastro è minimo.

Variando l'angolo di sfasamento nell'intervallo ±180°, si generano i flussi magnetici longitudinale 19 e trasversali 18’, 18" aventi un'intensità intermedia compresa tra i valori minimo e massimo.

Poiché il nastro d'acciaio 3 è ferromagnetico esso viene attratto fortemente dai poli del giogo magnetico 14’ e 14”. Pertanto, per contrastare tale attrazione si sfrutta vantaggiosamente la forza elettromagnetica o di Lorentz generata dalla differenza tra i valori di sfasamento delle correnti in funzione dello spostamento del nastro 3 dal centro dell’interspazio magnetico 13. Come già detto sopra, quando le correnti negli avvolgimenti hanno uno sfasamento compreso nell'intervallo ±180°, nell'area di azione delle forze elettromagnetiche esistono due flussi magnetici 19 e 18’, 18", nascono anche le forze integrali trasversali 21 e la differenza tra le forze elettromagnetiche trasversali 23’ e 23” che tende a muovere il nastro 3 in direzione orizzontale.

La direzione della risultante delle forze varia in funzione dell'orientamento del flusso magnetico longitudinale 19 e l'orientamento della forza di Lorentz totale, che risulta dalla somma delle forze 21, 23’ e 23”, cambia con la variazione dello sfasamento tra le correnti negli avvolgimenti disposti da un lato e in quelli disposti dal lato opposto del nastro 3. Invertendo il segno dell'angolo di fase della corrente e mantenendo gli stessi valori del modulo della corrente, la forza cambia di segno. Questo fenomeno può essere usato per contrastare l'attrazione ferromagnetica del nastro e per sopprimere le oscillazioni di posizione del nastro 3.

Per questo motivo questa forza di Lorentz totale viene definita forza di repulsione.

La posizione del nastro viene misurata con sensori di tipo ottico o capacitivo o induttivo 14, come mostrato in Fig. 11, che danno il segnale necessario alla sorgente di potenza degli induttori per cambiare il segno dell'angolo di fase e l'ampiezza dei parametri elettrici quando il nastro 3 devia dalla posizione centrata nell’interspazio 13. La variazione di parametri elettrici del sistema di alimentazione degli induttori, quali valore e/o fase della tensione, ampiezza e/o fase della corrente, può essere usata anche per misurare la posizione del nastro e per generare il segnale necessano alla sorgente di potenza per cambiare lo sfasamento.

La Fig. 5 mostra l'andamento dello spessore del rivestimento in funzione del diverso sfasamento negli induttori da entrambi i lati del nastro. La curva 200 rappresenta l’andamento dello spessore del rivestimento nel caso in cui non sia prevista la rimozione del materiale di rivestimento in eccesso anche mediante le forze elettromagnetiche. Le curve 201 e 202 rappresentano rispettivamente l'andamento dello spessore del rivestimento sul lato sinistro e sul lato destro del nastro nel caso in cui siano previste queste forze elettromagnetiche di rimozione. Lo spessore del rivestimento si riduce da circa 15 a circa 5,5 pm quando l’azione di rimozione del rivestimento in eccesso da parte del campo elettromagnetico è aggiunta al normale getto di gas, nel caso in cui la variazione di fase tra le correnti negli induttori è pari a zero. E’ possibile osservare che lo spessore del rivestimento rimane quasi costante, con un valore inferiore a 6 pm di spessore, fino ad un valore dello sfasamento Δφ=100°.

Sul grafico della Fig. 7 si può osservare che la forza di repulsione 24 (forza di Lorentz), che risulta dalla somma delle forze 21, 23’ e 23” in Fig. 6 per contrastare l’attrazione ferromagnetica esercitata dai poli dell’induttore, è massima sul nastro 3 quando lo sfasamento è di circa 90°.

Nella stessa figura 7 le curve 240 e 241 rappresentano l’andamento al variare dello sfasamento Δφ rispettivamente della forza di Maxwell e della somma della forza di Maxwell e della forza di repulsione 24.

Il grafico della Fig. 8 illustra la dipendenza delle temperature massime che possono essere generate sul nastro di acciaio 3 (curva 100) e sui due strati di rivestimento 11 (curva 101) per il riscaldamento per induzione, senza l’utilizzo delle lame di gas, quando lo sfasamento tra variazioni di correnti di induttori varia nell'intervallo ±180°. E' possibile ottenere un riscaldamento locale minimo per Δφ= ±30°.

In tal modo lo sfasamento ottimale tra le correnti di alimentazione negli induttori di entrambi i lati del nastro può essere determinata nell'intervallo Δφ= ±90°. In questo intervallo è possibile ottenere le forze repulsive necessarie senza perdere la possibilità di ottenere un piccolo spessore del rivestimento.

Per ridurre il riscaldamento per induzione dei mezzi di supporto e di alimentazione delle lame di gas, disposti all’interno di ciascun nucleo ferromagnetico 4 e comprendenti il collettore 1 ed eventualmente gli ugelli 2, può essere previsto almeno uno schermo 16 ad alta conducibilità elettrica, disposto tra detti mezzi ed il nucleo 4 (come illustrato nella Fig. 9), che adempie a due funzioni:

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

- e concentrare il flusso magnetico direttamente nella zona 12 dove il getto di gas agisce.

La Fig. 10 mostra che, usando lo schermo ad alta conducibilità, con uno sfasamento di Δφ= ±30° lo schermo consente una riduzione della temperatura delle lame di gas ad un livello regolare.

Schermi supplementari ad alta conducibilità elettrica 160’, 160” possono essere previsti, disposti esternamente a ciascun nucleo ferromagnetico 4 ed in prossimità dei poli dei gioghi magnetici 14’, 14”, per ridurre il riscaldamento per induzione sul nastro 3 e sullo strato di rivestimento 11, quando le temperature diventano eccessive per il processo. Mediante questo opportuno posizionamento degli schermi 160’, 160” si può limitare la diminuzione del flusso magnetico nella zona 12 dove il getto di gas agisce per mantenere l'efficacia del sistema di rimozione del materiale di rivestimento in eccesso.

Quando gli induttori sono usati in combinazione con lame di gas, per aumentare il flusso magnetico nella zona 12 dove il gas agisce, e per aumentare le forze elettromagnetiche, è possibile realizzare tutti i mezzi di supporto e alimentazione delle lame a gas, o in alternativa solo gli ugelli 2, in un materiale magnetico avente una elevata resistenza elettrica, per es. in ferro o acciaio laminato, ferrite o materiale magnetodielettrico. Secondo una ulteriore variante, i suddetti schermi elettromagnetici, interni o esterni ai nuclei magnetici 4, possono essere sagomati in modo tale da costituire essi stessi gli ugelli per i getti di gas. In questo caso, quindi, gli ugelli 2 saranno definiti dalla configurazione degli schermi elettromagnetici.

In una forma particolare dell'invenzione una concentrazione delle forze elettromagnetiche orizzontali viene realizzata ai bordi del nastro per la rimozione di materiale in eccesso sui bordi.

In una variante vantaggiosa dell'invenzione il processo di rimozione del materiale di rivestimento in eccesso prevede l'impiego del dispositivo facendo funzionare solo gli induttori, senza mettere in funzione le lame d'aria. E’ inoltre possibile fare agire il dispositivo solo su una delle facce del nastro lasciando inalterato il rivestimento sulla seconda faccia, oppure è possibile far funzionare in varie combinazioni gli induttori e le lame d'aria su uno o sui due lati del nastro.

Claims (25)

1. RIVENDICAZIONI 1. Metodo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano (3), 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 due induttori ciascuno alimentato con corrente non continua a fase singola, aventi nuclei magnetici (4), sostanzialmente a forma di C, e avvolgimenti (5), avvolgenti detti nuclei, disposti su ciascun lato di detto prodotto metallico piano in corrispondenza delle sue superfici (11) di maggiore estensione, atti a produrre forze elettromagnetiche indotte su detto prodotto metallico piano e cooperanti con ugelli (2) atti a produrre almeno un getto di gas diretto su almeno una delle superfici (11) di detto prodotto metallico piano, comprendente gli stadi di: a) soffiaggio di getti di gas attraverso gli ugelli (2) su una zona di impatto (12) delle superfici (11) del prodotto metallico piano (3) coperte dal materiale di rivestimento fuso dopo l'uscita da una immersione in detto bagno, b) attivazione di almeno uno di detti induttori e produzione di dette forze elettromagnetiche in modo tale che esse agiscano su detta zona di impatto (12) per rendere più efficiente l'azione di rimozione del materiale da parte di detti getti di gas e per controllare l'oscillazione del prodotto metallico piano (3).
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui allo stadio b) è prevista l’attivazione di entrambi gli induttori.
3. 3. Metodo secondo la rivendicazione 1, in cui l'alimentazione di detti av volgimenti (5) viene realizzata con correnti alternate di alimentazione, aventi un angolo di sfasamento controllato, idonee a creare tre campi magnetici ad anello, di cui il primo (152) e il secondo anello (153) sono generati da ciascun induttore separatamente e il terzo anello (151) è generato in comune dai due induttori.
4. 4. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui sono previste la concentrazione di dette forze elettromagnetiche in detta zona di impatto (12) e la protezione di detti getti di gas da un surriscaldamento mediante schermi ad alta conducibilità (16, 160, 160’) agenti anche da concentratori di flusso.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui è previsto il riscaldamento per induzione del materiale di rivestimento per prevenire la solidificazione del materiale di rivestimento nella zona di impatto (12) dei getti di gas.
6. 6. Metodo secondo la rivendicazione 3, in cui la frequenza delle correnti di alimentazione è in un intervallo compreso tra 50 e 5000 Hz.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui l’angolo di sfasamento delle correnti di alimentazione è compreso nell'intervallo ±180°.
8. 8. Metodo secondo la rivendicazione 7, in cui detto angolo di sfasamento delle correnti di alimentazione è preferibilmente pari a ±90°.
9. 9. Metodo secondo la rivendicazione 8, in cui tra le forze elettromagnetiche quelle agenti in direzione sostanzialmente ortogonale al prodotto metallico piano possono essere invertite di verso in modo controllato per mantenere detto prodotto metallico in una posizione centrata mediante una inversione dell'angolo di fase tra le correnti di alimentazione dei due induttori.
10. 10. Metodo secondo la rivendicazione 9, in cui sono previsti il rilevamento della posizione del prodotto metallico piano mediante sensori (14) in un interspazio magnetico (13) tra i due induttori e l’emissione di un segnale per eventualmente variare parametri elettrici di alimentazione dei due induttori.
11. 11. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui la concentrazione delle forze elettromagnetiche agenti in direzione sostanzialmente ortogonale al prodotto metallico piano viene fatta ai bordi di detto prodotto.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11, in cui è prevista una variazione dell'orientamento di detti induttori ed ugelli per modificare le condizioni di rimozione del rivestimento in eccesso mediante mezzi di movimentazione.
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui è previsto il controllo della frequenza di un campo magnetico alternante in funzione del tipo e della qualità del rivestimento.
14. 14. Dispositivo per il controllo dello spessore di rivestimento di un prodotto metallico piano (3), idoneo a definire una direzione di avanzamento in uscita da un bagno di materiale di rivestimento in processi di galvanizzazione in continuo per immersione a caldo, comprendente - due induttori alimentabili con corrente non continua a fase singola, disposti rispettivamente in corrispondenza delle superfici (11) di maggiore estensione del prodotto metallico piano, ciascuno avente un nucleo magnetico (4), sostanzialmente a forma di C, ed almeno un avvolgimento (5), avvolgente detto nucleo, atto a produrre forze elettromagnetiche agenti su almeno una superficie (11) del prodotto metallico piano, - ugelli (2), rispettivamente cooperanti con detti induttori, atti a produrre almeno un getto di gas agente su almeno una superficie (11) del prodotto metallico piano, caratterizzato dal fatto che sono previsti all’interno di ciascun induttore mezzi di alimentazione di detti ugelli (2) in modo tale che l’azione di detto almeno un getto di gas e di dette forze elettromagnetiche sia concentrata su una stessa zona di impatto (12) della superficie (11) del prodotto metallico piano (3) per rendere più efficiente l'azione di rimozione del materiale di rivestimento in eccesso e per controllare l'oscillazione del nastro stesso.
15. 15. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui gli ugelli (2) sono disposti in prossimità di poli a giogo magnetico (14', 14”) di ciascun nucleo magnetico (4).
16. 16. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui gli ugelli (2) sono definiti dalla configurazione di poli a giogo magnetico (14', 14”) di ciascun nucleo magnetico (4).
17. 17. Dispositivo secondo la rivendicazione 16, in cui sono previste paratie (30) in corrispondenza di una sezione d’ingresso di detti ugelli (2) per equalizzare la portata di gas all’interno degli ugelli stessi.
18. 18. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui gli ugelli (2) sono definiti dalla configurazione di concentratori di flusso magnetico ad alta conducibilità.
19. 19. Dispositivo secondo la rivendicazione 15 o 18, in cui gli ugelli (2) sono disposti all'interno o all’esterno degli induttori
20. 20. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui gli induttori sono atti a creare un campo magnetico a tre anelli di cui due anelli (152, 153) sono prodotti rispettivamente da ciascun induttore e un terzo (151) è prodotto dai due induttori congiunti.
21. 21. Dispositivo secondo la rivendicazione 15 o 16, in cui i poli dei gioghi magnetici (14', 14”) sono rastremati e la loro forma è ottimizzata per massimizzare la forza elettromagnetica sul rivestimento diretta verso il basso e/o perpendicolarmente al prodotto metallico piano (3).
22. 22. Dispositivo secondo la rivendicazione 15 o 16 o 18, in cui sono previsti primi concentratori di flusso magnetico ad alta conducibilità (16), per concentrate il flusso nella zona di impatto (12), disposti tra detti mezzi di alimentazione ed il nucleo (4).
23. 23. Dispositivo secondo la rivendicazione 22, in cui sono previsti secondi concentratori di flusso magnetico ad alta conducibilità (160’, 160”), per concentrare il flusso nella zona di impatto (12), disposti esternamente a ciascun nucleo magnetico (4) ed in prossimità di detti poli (14', 14”).
24. 24. Dispositivo secondo la rivendicazione 14, in cui i mezzi di alimentazione di detti ugelli (2), comprendenti un collettore (1) di gas, sono almeno parzialmente realizzati in un materiale magnetico ad alta resistività elettrica.
25. 25. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 14 a 21, in cui sono previsti sensori (14) di rilevamento della posizione del prodotto metallico piano in un interspazio magnetico (13) tra i due induttori, detti sensori essendo atti ad inviare segnali per la regolazione di parametrici elettrici degli induttori.