一、研究的背景与问题

冷轧热镀锌线的锌锅区是典型的环境异常恶劣的3D作业岗（Danger/Duplication/Dust），面临500-700℃高温安全隐患，以及高120分贝气刀噪声和锌粉污染。尤其在当前智慧制造的大背景下，产线对“机器代人”提出了很高的要求。而热镀锌线锌锅区的锌渣如何无人自动清理仍是摆在镀锌工作者面前的痛点和难题。具体表现在以下瓶颈问题：

1、人工扒渣瓶颈：虽然，诸多镀锌线在锌锅后端宽阔区域配置了捞渣机器人，客观上替代了部分人工捞渣作业，但国内外现状是在最关系镀锌质量的镀锌V型区，因受锌锅区狭小复杂空间和气刀、沉没辊、炉鼻子等诸多设备限制，该区域的锌渣只能依赖于高强度的人工扒渣作业。人工扒渣作业既面临着异常恶劣的作业环境、劳动强度繁重，又存在高温液体区作业的人身安全隐患。

2、镀锌质量发展瓶颈：更突出的是，人工扒渣作业易于造成锌液扰动，高表面质量产品对锌渣非常敏感，因此造成锌渣锌灰缺陷高发。

3、高效镀锌瓶颈：汽车外板或家电可视外板等高端产品镀锌中，人工扒渣作业时的一卷钢为降级卷（也称过渡卷）。国内外的现状是高端产品镀锌的连续通板能力，一般只能连续通板6-8卷钢（人工扒渣1次），就必须穿插一卷过渡卷（质量降级卷），造成每年额外消耗过渡卷1300卷以上，大大降低了生产经济效益；之外，锌渣生成量与机组速度成正比，产线提速时，人工清渣甚至来不及，势必阻碍高效镀锌生产。

4、锌锅设备维护瓶颈：锌渣非常易于在锌锅锅沿、沉没辊刮刀等设备凝结，产生结渣问题，需经常性停机检修清理，势必增加检修成本，也因火焰清渣造成气体和粉尘污染，劣化了作业环境。

5、低锌耗镀锌工艺瓶颈：人工扒渣、捞渣势必把大量的有用锌液捞出锌锅，造成贵重金属锌耗增大，大大增加了生产成本。即使有的锌锅已配置了捞渣机器人，但捞渣机器人捞渣模式单一，属无管控的“盲捞”，也不可避免的增加锌耗。因此，如何根据锌渣生成量和分布规律，实现自主决策的驱渣和捞渣一体化作业，从而降低锌耗，是当前镀锌工艺面临的另一技术难题。

6、锌锅无人化之梦：无法摆脱人工扒渣作业，几十年来，国内外镀锌行业的锌锅无人化一直是该领域的行业之梦，缺乏有效的工业应用的突破性技术。

二、解决问题的技术思路与方案

本项目针对冷轧热镀锌线锌锅区的锌渣凝聚制约产品镀锌质量、镀锌效率、人工捞渣作业强度、作业安全隐患等突出瓶颈问题，并调查梳理国内外现有技术发展及瓶颈产生的根源，致力于本项目首提的锌锅电磁驱渣关键技术及成套装置开发，目标是形成冷轧热镀锌线锌锅驱渣和捞渣一体化的智能化清渣综合解决方案和管控系统，进而形成新的镀锌工艺技术，消除刮刀结渣，减少锌灰缺陷发生量，降低锌耗，提高镀锌线智慧制造水平。

首先，在充分调查现场工况和技术要求的基础上，确定了镀锌线锌锅热镀V型区的电磁驱渣器及关键布局驱流技术为先期开发重点，给出锌锅电磁驱渣作用规律和基本参数设计。

其次，在电磁驱渣器的励磁电源方面，市场上成熟变频器无法满足锌锅电磁驱渣能力和稳定液面两个方面的技术要求，且锌锅电磁驱渣器种类多、数量多、布局组合复杂，需针对性地开发锌锅电磁驱渣专用的一拖多电流频率双独全无级可调励磁电源，具备不低于1000A的大电流输出和频率在30-100Hz独立可调功能，这是本项目关键技术及成套装置开发的基础保障。

此外，锌锅驱渣和捞渣一体化的无人智能化清渣管控系统在国内外镀锌领域是空白。致力于本项目首提的锌锅电磁驱渣关键技术及成套装置开发，形成锌锅驱渣和捞渣一体化的智能化清渣管控系统，并与原镀锌线控制系统无缝嵌入，实现镀锌线关键工艺和技术指标突破，这是本项目开发的主体和关键。

最后，基于锌锅电磁驱渣技术和成套系统，开发新的镀锌关键工艺技术，解决锌渣凝聚制约镀锌产品质量和生产效率的难题，消除刮刀结渣，减少锌灰缺陷发生量，降低锌耗，实现国内外镀锌线智慧制造引领，这是本项目的根本目标。

本项目提出的锌锅电磁驱渣方法的基本原理：在热镀锌锌锅上方（非接触锌液），设置基于直线电机原理的电磁驱渣器（相当于直线电机定子），对热镀锌锌锅内的锌液产生电磁驱动力（锌液类似于直线电机转子），从而驱动锌锅内的表层锌液可控有序流动，则漂浮于锌液上方的锌渣因粘滞作用而被拖动跟随锌液流动，从而达到非接触式的电磁驱渣目的，进而耦合捞渣机器人和免人工干预的智能化自学习模型，形成热镀锌领域全无人锌锅驱渣和捞渣一体化的解决方案，极大地助力冷轧热镀锌领域智慧制造发展和产线提速增量，提高经济效益。

图1 电磁驱渣具体原理图

三、主要创新性成果

1、首次提出了一种工业应用级非接触式锌锅电磁驱渣新方法，给出了镀锌V型区锌渣处理的解决方案。

图2非接触式锌锅电磁驱渣新方法示意图

（1）开发了一种集电磁场、锌液流场、温度场等多物理场耦合的数字化设计和评估模型，实现4大类47个参数超400万个变量组合的电磁驱渣关键参数快速迭代设计；

（2）开发了若干种锌锅电磁驱渣驱流布局，解决了镀锌V型区锌液扰动的关键问题，使原最关系镀锌质量的热镀V型区的人工扒渣造成的扰动，转向锌锅四周区域，并通过电磁场透入深度控制实现驱渣量和驱渣深度精准控制，达到锌液面稳定驱渣。

（3）给出了电磁场、电磁力、励磁电流、励磁频率、作用时间、锌液流速、作用深度、排渣因子等关键驱渣参数设计和基本作用规律；

图3

2、成功开发了国际上首台套锌锅电磁驱渣装备成套系统，解决镀锌领域若干个瓶颈问题，实现高质高效镀锌生产的突破。

（1）成功开发适应狭小空间的电磁驱渣结构，实现镀锌V型区自动驱渣和超可靠性运行，实现热镀V型区10-30s快速自动撇渣，设备系统工作寿命达35000小时(四年)以上；

（2）成功开发双级强迫风冷技术，实现电磁驱渣器不用水冷却，充分保证高温金属液体无水安全生产，防止安全隐患。

（3）成功开发电磁屏蔽和电磁场条件下精准温控技术，防止电磁辐射对人身、传感器等产生电磁兼容性问题，实现安全稳定可靠运行。

（4）成功开发电磁驱渣专用励磁电源，实现大电流输出（最大输出1000A），且电流固定条件下励磁频率独立可调控制，自适应模型控制某1路故障，实现不停机更换。既满足锌渣驱渣电磁力足够大，又满足电磁场透入深度控制稳定锌液面功能。

（5）开发一套自动控制系统，实现驱渣量和驱渣深度精准控制；

3、开发了锌渣智能决策模型和低锌耗工艺，彻底实现锌锅无人化。

（1）开发了融合电磁驱渣、机器人捞渣、加锌锭、锌液泵、液位控制等一体化的智能化决策管控系统，实现了由成套系统由自动化向锌锅无人化、智能化的跨越。

（2）开发了“驱---扒---捞”的锌渣清理工艺，实现平均锌耗降低超2%

四、应用情况与效果

1、彻底解决了热镀锌产线镀锌V型区无法自动驱渣和锌渣驻留凝固问题，实现了10-30s快速驱渣。

原冷轧热镀锌线锌锅热镀V型区的锌渣只能依靠高强度的人工扒渣作业，本项目成功实现了该区域的全自动快速驱渣作业，基本消除了原来约每隔1小时每次30min以上的人工捞渣作业，为锌锅无人化发展提供了关键技术手段和解决方案。可减少一个3D作业岗，助力镀锌线智慧制造发展。下图为锌锅电磁驱渣技术实施前后，锌锅表面的锌渣堆积状况。本项目技术基本消除了锌锅区锌渣凝结驻留问题，消除了设备结渣及锅沿火焰清渣造成的环境污染等问题，降低了设备维护成本。

2、解决了锌液扰动造成的降级卷（又称过渡料）问题，实现了镀锌线全连续通板工艺的突破，使汽车外板或家电面板等高端产品的镀锌连续通板能力，从原来只能连续通板6-8卷，提高至可连续通板200卷以上，大大降低了过渡料消耗，大大提高生产经济效益。与此同时，本项目技术大大助力机组提速，消除高速镀锌生产下的锌渣清理瓶颈问题。

解决镀锌线热镀V型区锌液扰动造成的锌灰锌渣卷入缺陷问题，实现高端镀锌产品表面锌灰发生率在原指标上的大幅降低。下图为人工扒渣锌液扰动和电磁驱渣稳定锌液面的对比

3、实现了冷轧热镀锌线集电磁驱渣、机器人捞渣、炉鼻子溢流、加锌锭、锌液泵、液位控制等一体化的智能化决策管控和工艺提升，并助力镀锌平均锌耗降低。非接触、免人工干预、自动匹配工艺参数，实现了锌锅区清渣作业由自动化向锌锅无人化、智能化的跨越。

4、本项目成果已成功应用于宝钢股份、湛江钢铁、武钢有限、宝武马钢、合资日铁等宝武集团各钢铁基地，自18年6月本项目首台套系统开发成功投产以来，3年内共实现了15套产业化推广应用，累计创效超2亿元。该项目成果也引起国内外同行的极大关注和若干咨询。

5、项目受理国际PCT专利1项（覆盖10国），授权发明专利8项，受理发明专利14项，认定企业标志性突破技术1项，企业技术秘密27项，发表论文12篇。项目创新成果被王国栋院士、毛新平院士和刘正东院士领衔的专家团队鉴定为国际领先水平。项目成果获宝钢股份专利创意金奖，全国专利发明展金奖，中国宝武技术创新重大成果奖一等奖，2021年冶金科学技术奖一等奖等奖项。

信息来源：宝山钢铁股份有限公司