热镀锌锅壁板检测系统的研究与结构设计开题报告

1. 研究目的与意义

钢铁材料作为一种重要的工业材料，具有资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样可靠、价格低廉、使用方便和便于回收等特点，在工业生产及生活中应用极为广泛。但在使用过程中，普通的钢铁无时无刻不在发生着腐蚀。钢铁材料受到腐蚀后，不仅仅是自身的损耗，其结构及受力强度均发生极大的变化，最终的结果是设备的报废；除此之外，废材料的反复冶炼也会再次消耗资源和污染环境。

为此，就要对钢材进行表层保护，使其与工作环境隔离开来。在众多的保护措施中，热浸镀锌可以很好地减缓钢材腐蚀，延长其使用寿命，并且具有成本低，工艺简单，镀层牢固，外观好的特点，因此应用极其广泛。尤其是近年来由单纯的锌镀层向多元合金镀层的发展，使得镀层的耐蚀性有了极大的提高。与传统的镀锌层相比，合金镀层具有耐蚀性更高，镀层附着性能好，表面质量优良，生产成本变化不大及镀层厚度较薄等优点，在生产生活中得到了极大的应用与推广。

2. 课题关键问题和重难点

目前，对锌锅壁厚腐蚀程度检测基本上是采用人工检测的方法：一是工人用折弯的铁丝对锌锅进行钩触，凭借经验断定锌锅壁厚的腐蚀程度，二是排空锌锅中的锌溶液，直观的测量内壁的俯视程度，决定是否更换镀锌锅。显然，人工检测的方法复杂麻烦，也无精度可言，依靠工作经验的成分很大，这样做大大地增加了企业的成本，更是存在锌液泄漏的可能，不利于生产的安全规范。

国内外热镀锌厂采用的锌锅多以低碳钢锌锅为主。锌锅壁的厚度是锌锅一个非常重要的参数，锌锅壁的厚度要从强度方面和耐腐蚀性方面去分析。众所周知，非金属材料锌锅的热效率低，投资高，因此限制了这种锌锅的扩大应用。然而低碳钢锌锅最大的缺点是寿命太短，其主要原因并不仅仅是锌液对铁的腐蚀，还有由于工艺参数和操作上存在的一些问题，例如加热方法。如果锌锅过快地腐蚀，导致过早损坏甚至导致穿孔漏锌，造成的直接经济损失和停产的间接损失是很大的。

3. 国内外研究现状（文献综述）

随着科学技术的进步，人类对工业应用材料的要求越来越高，特别是金属材料的防腐蚀尤其受关注。腐蚀防护常用的隔离法，缓蚀剂法，电化学保护法等只能防护，不能根治金属的腐蚀问题^[1]。同时这些防护方法存在使用成本高，污染环境，应用坏境受限制等问题。目前，钢铁材料广泛应用于各个领域，在国民经济建设中发挥着越来越重要的作用。但是铁元素的化学活泼型强，即便在常温常压下也能被腐蚀，给国民经济建设带来了巨大的损失，因此钢铁的防腐不容懈怠。

采用热浸锌对钢材进行防腐的具体方法是将除锈后的钢材浸入高温融化的锌液中，在钢材表面形成一层锌层，以达到对钢材防腐保护的效果。钢材防腐采用热浸锌的方法，可以保证长久的耐腐蚀效果，因此热浸锌方法更适用于工业化生产，有很高的稳定性^[1]。热浸镀过程中，被镀金属基体与镀层金属之间通过溶解，化学反应和扩散等方式形成冶金结合的合金层。当被镀金基体从熔融的金属中提出时，在合金层表面附着的熔融金属经冷却凝固成镀层。因此，热浸镀层与金属基体之间有很好的结合力。与电镀，化学镀相比，热浸镀可获得较厚的镀层，作为防护涂层，其耐腐蚀性能大大提高^[2]。

锌锅壁和锌液长期接触，尽管在460℃以下时有一层致密的铁锌合金保护层，能够减弱锌锅的进一步熔蚀，但由于实际生产中锌锅内壁的温度在470上下波动（比锌液高10~20℃），所以锌锅壁的铁锌合金层随锌锅温度的上升而剥落造成新熔蚀，剥落后再熔蚀时由于温度高，其熔蚀速率更大。锌液和锅壁温度梯度越大，传热速度越快，这也正是造成锌锅熔蚀速度上升的 主要原因，有资料指出，在480℃以上时温度梯度像擦汗30℃，腐蚀速度加快10倍多^[4]。因此锌锅的选材十分重要，镇静钢，含碳量和含硅量较高的普通钢材也不适宜制作锌锅，应采用w(c)＜0.1％，w（si）＜0.03％的优质沸腾钢，同时避免偏析，杂质，夹层，精粒粗大 和裂纹等缺陷[]。国内多采用08f或05f钢板焊接。锌锅四角应设计为圆弧状，可以起到增加锌液流动性的作用，避免四角局部过热。根据资料，这样的锌锅一个生产周期使用寿命电加热可达5~6个月，燃油（汽）可达4~5个月，燃煤加热可达3~4个月^[4]。

4. 研究方案

本课题设计一套专业用于热镀锌锅壁板的检测系统，可以精确地对锌锅的整个壁面进行检测，不需要再将锌液排空。测量过程中系统只需要将特殊材质制造的多排机械探针浸入锌锅中，通过测量各个触头的位移量，即可计算出锌锅内壁一系列点的腐蚀深度，同时测量数据通过串口通信传输至上位机，经与系统匹配的上位机程序分析处理后，输出锌锅内壁腐蚀后的样貌，并自动标注腐蚀孔深度超过设定值的凹孔的坐标位置和深度，从而为热镀锌生产线是否需要锌锅修补或更换提供依据。

基于串口通讯的热镀锌锅壁板检测系统主要有五个部分构成，分别是：x向系统，y向系统，z向系统，控制系统和数据处理系统。其中，x向系统，y向系统，z向系统主要负责控制设备运动，控制系统主要负责接收数据和发送指令，数据处理系统主要负责处理检测到的腐蚀数据。系统开始工作之前,设备需要初始定位,x向系统移动到测量起点,y向系统移动到最上方,z向系统使探杆处于抬起位置。然后上位机通过串口通信发送控制指令给plc ,plc根据接收到的指令分别控制x、y 向系统运动,使探杆到达指定位置后,做z向运动,使探杆压下,然后由探杆相连的直线位移传感器检测出探针点的壁板腐蚀深度,经由plc附带的ad转换模块,将位移数值存储plc相应的寄存器中,再通过串口通讯将数据传递到上位机的数据处理系统处理,最终生成锌锅内壁腐蚀曲面形貌图,输出腐蚀情况分析报告,并存储到数据库其中行程开关起着保护控制系统的作用:行程开关处于常开状态,一旦x、y、z向移动超过量程,行程开关闭合,plc 接收到传来的信号,立即停止x、y、z向运动,从而保护整个设备。

测量系统的控制系统的可靠性和稳定性对整个测量过程起着非常重要的作用。控制程序分为两个部分：上位机部分和plc部分。其中，上位机部分的功能包括：（1）与plc进行通讯，（2）控制电机步进运动，（3）控制检测镀锌锅壁板进程，（4）统计当前腐蚀程度信息，（5）显示当前测量镀锌锅壁板仿真曲面。plc部分的主要功能包括：（1）与上位机进行通讯，（2）发送脉冲信号给伺服控制器，（3）接受传感器传来的ad信号。

5. 工作计划

第1周 完成英文翻译，提交英文翻译给指导老师批阅。英文翻译经指导老师批阅合格并确认后，译文和原文均上传至“毕业设计管理系统”,译文封面用标准模板。查阅文献资料，撰写开题报告。

第2周 开题报告经指导老师批阅合格并确认后，开题报告封面用标准模板，上传至“毕业设计管理系统”。

第3周 完成开题报告审核。开始毕设课题的计算。